1. Βιονικό Χέρι – Μια Επισκόπηση

Βιονικό Χέρι – Μια Επισκόπηση

Η πρώτη γενική εντύπωση για τα ρομπότ – είναι κάποια τεχνητή μηχανή, παρόμοια με το ανθρώπινο σώμα, που ενεργεί με παρόμοιο τρόπο με εμάς. Ακόμα και περιμένουμε να μας μιλάει και να μας καταλαβαίνει. Γι’ αυτό, τέτοια ρομπότ ονομάζονται ανθρωποειδή. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν πολλά πολύ πιο απλά μηχανικά ρομπότ που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Συνήθως εκτελούν μόνο μία ή μερικές ενέργειες (π.χ. μεταφορά ενός αντικειμένου που κατασκευάζεται από έναν εργάτη σε άλλον), αλλά οι γενικές αρχές λειτουργίας είναι οι ίδιες.

^{Σχήμα 1. Παράδειγμα Βιονικού Χεριού}

Η κατάσταση δεν φαίνεται τόσο περίπλοκη, αν τη χωρίσουμε σε μέρη και τη δούμε από μέσα – τα πρόσφατα τεχνολογικά επιτεύγματα μας επιτρέπουν να δημιουργήσουμε ένα βιονικό χέρι μόνοι μας (DIY = “φτιάξ’ το μόνος σου”):

• Τα μέρη του “σώματος” ενός βιονικού χεριού μπορούν να παραχθούν με τη χρήση ενός 3D εκτυπωτή·
• Θα πρέπει να υπάρχει κάποιος χώρος για μηχανικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα στο εσωτερικό του·  Αυτά τα μέρη του “σώματος” συνήθως σχεδιάζονται με τη βοήθεια λογισμικού τρισδιάστατης μοντελοποίησης·
• Οι κινήσεις πραγματοποιούνται από μικρούς κινητήρες (“μύες”), που τραβούν νήματα/σχοινιά (“τένοντες”) τα οποία είναι προσαρτημένα στα κατάλληλα μέρη του κατασκευασμένου χεριού·
• Οι κινητήρες ελέγχονται από ένα πρόγραμμα λογισμικού, το οποίο εκτελείται στον μικροελεγκτή.

^{Σχήμα 2. Ανθρωποειδές ρομπότ}

Για να ενισχυθεί η κατανόηση, οι μαθητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν την Επαυξημένη Πραγματικότητα (AR) για να εξερευνήσουν την εσωτερική δομή ενός βιονικού χεριού. Μέσω μοντέλων AR, οι μαθητές μπορούν να οπτικοποιήσουν πώς οι κινητήρες, οι τένοντες και οι αισθητήρες αλληλεπιδρούν για να αναπαράγουν τις κινήσεις του ανθρώπινου χεριού.

• Οι κινήσεις μπορούν να ξεκινήσουν από ηλεκτρικούς παλμούς που υπάρχουν μέσα στο ανθρώπινο σώμα – αυτοί οι παλμοί ανιχνεύονται και μεταφέρονται στον μικροελεγκτή.

^{Σχήμα 3. Κύρια μέρη και εξαρτήματα ενός βιονικού χεριού}

Τα παρακάτω θέματα θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε καλύτερα πώς υλοποιούνται αυτά τα βήματα, και ακόμη να τα δοκιμάσουμε οι ίδιοι.

Μοντελοποίηση και σχεδιασμός

Αρχικά, θα περιοριστούμε σε απλούστερες κινήσεις – μόνο μια περιστροφή μεταξύ δύο γειτονικών τμημάτων δακτύλου. Πρέπει να υπάρχει αρκετός χώρος χωρίς εμπόδια για τη μετακίνηση των νημάτων μέσα στο σώμα, καθώς και η δυνατότητα να τοποθετηθούν (οποιαδήποτε εσωτερικά μέρη) με ευκολία. Επομένως, αναμένεται ότι «ένα τμήμα σώματος» θα αποτελείται από δύο κομμάτια, τα οποία θα έχουν οπές άξονα και μετατοπίσεις χώρου για να ενωθούν διαφορετικά «τμήματα σώματος» μεταξύ τους.

Το αρχικό σχήμα για τη μοντελοποίηση των δακτύλων είναι οι ημικυλινδρικοί κύλινδροι. Χρειαζόμαστε τα κομμάτια να επικαλύπτονται μερικώς ώστε να στερεώνονται το ένα με το άλλο ή να δημιουργούν μια περιστροφική σύνδεση.

^{Σχήμα 4. Σύνθεση ενός δακτύλου}

Ο χώρος μέσα στα δάχτυλα δεν είναι αρκετός για να τοποθετηθούν μοτέρ (ή τέτοια μικρομοτέρ μπορεί να κοστίζουν υπερβολικά), επομένως τα τμήματα των δακτύλων κινούνται με το τράβηγμα νημάτων, και τα μοτέρ συνήθως τοποθετούνται στον καρπό ή το βραχίονα ενός βιονικού χεριού.

 ^{Σχήμα 5. Διαχωρισμένα τμήματα ενός δακτύλου}

Έτσι, αρχικά, πρέπει να κατασκευάσουμε όλα τα απαραίτητα μέρη ενός βιονικού χεριού. Για αυτό, το πρώτο βήμα είναι να δημιουργήσουμε μοντέλα αυτών των μερών. Και μετά, τα μοντέλα που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αρχείων οδηγιών για 3D εκτυπωτές, τα οποία μας βοηθούν στη διαδικασία κατασκευής.

Τρισδιάστατη εκτύπωση

Γενικά, η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε ένα αντικείμενο σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος. Η τεχνολογία εξελίχθηκε από την εκτύπωση με ink-jet: λιωμένο πλαστικό (αντί για μελάνι) ψεκάζεται στρώση-στρώση σύμφωνα με το αρχείο οδηγιών και στερεοποιείται σε θερμοκρασία δωματίου. Εκτός από τον προαναφερθέντα τρόπο τρισδιάστατης εκτύπωσης, υπάρχουν και άλλες τεχνολογίες που επιτρέπουν στους πελάτες να παράγουν εξαρτήματα από διαφορετικά υλικά όπως μέταλλο, σκυρόδεμα, καουτσούκ κ.ά.

Για παράδειγμα, στη ειδική τεχνική τρισδιάστατης εκτύπωσης για την παραγωγή μεταλλικών εξαρτημάτων, το μεταλλικό αντικείμενο δημιουργείται μέσα σε σκόνη άμμου· το μέταλλο λιώνει σε στερεό αντικείμενο θερμαινόμενο από λέιζερ.

^{Σχήμα 6. Η τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης επιτρέπει τη δημιουργία αντικειμένων σχεδόν οποιουδήποτε σχήματος}

Οι «μύες» που τραβούν τους «τένοντες»

Η κίνηση ενός ρομποτικού χεριού είναι πολύ παρόμοια με αυτή ενός ανθρώπινου χεριού. Ο μυς συσπάται όταν περνά ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από αυτόν¹. Τραβά τένοντες που είναι συνδεδεμένοι σε ένα γειτονικό μέρος του σώματος. Αυτό περιστρέφεται γύρω από μια άρθρωση που συνδέει αυτά τα δύο μέρη του σώματος.

Στην περίπτωση του ρομπότ, φαίνεται παρόμοιο – ένας κινητήρας τραβά ένα νήμα. Για να πραγματοποιηθεί η αντίστροφη κίνηση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο εναλλακτικές: 

• ένα ελατήριο, που αναγκάζει το μέρος του σώματος να επιστρέψει στην αρχική του θέση·
• σύστημα δύο νημάτων, που τραβά το μέρος του σώματος και προς τις δύο κατευθύνσεις.

Σε κάθε περίπτωση, η κίνηση πραγματοποιείται από έναν ειδικό τύπο κινητήρων, που ονομάζονται σερβοκινητήρες (ή σερβο-ενεργοποιητές). Αυτές οι ψηφιακές συσκευές κινούνται και σταματούν μόνο σε ορισμένες θέσεις, - σε αντίθεση με τους κινητήρες που περιστρέφονται συνεχώς.

^{Εικόνα 7. Μηχανισμός που κινεί ένα δάχτυλο βιονικού χεριού}

¹ Οι συσπάσεις των μυών ελέγχονται από πολύ μικρούς ηλεκτρικούς παλμούς, οι οποίοι μπορούν να μετρηθούν με ειδικούς αισθητήρες. Αυτοί οι παλμοί προέρχονται από τον εγκέφαλο και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο ενός βιονικού χεριού, που έχει τοποθετηθεί ως αντικατάσταση ενός που χάθηκε σε ατύχημα.

Προγραμματισμός και έλεγχος της κίνησης

Η επιθυμητή θέση για τους κινητήρες ενός βιονικού χεριού καθορίζεται από έναν μικροελεγκτή – έναν μικρό “υπολογιστή” με ενσωματωμένο λογισμικό.

Υπάρχουν αρκετά σημαντικά σημεία σχετικά με το πώς το λογισμικό ελέγχει την κίνηση:

• το πρόγραμμα επαναλαμβάνεται σχεδόν ατελείωτα (π.χ. μέχρι να ικανοποιηθεί μια ειδική συνθήκη ή να διακοπεί η παροχή ρεύματος)·
• το πρόγραμμα ελέγχει τον μιο-αισθητήρα (αισθητήρας μυών) για να γνωρίζει πότε να αρχίσει να τραβάει το νήμα (και ποιο από όλα)·
• αν γνωρίζουμε εκ των προτέρων ποιο αντικείμενο θέλουμε να πιάσουμε με το βιονικό μας χέρι, τότε μπορούμε να δώσουμε εντολή στον κινητήρα για την επιθυμητή θέση·

^{Σχήμα 8. Βιονικό χέρι που κρατάει ένα αντικείμενο}

• Στις περισσότερες περιπτώσεις το σχήμα του αντικειμένου δεν είναι γνωστό, οπότε χρειαζόμαστε έναν επιπλέον αισθητήρα στην άκρη του δακτύλου ώστε να ελέγχεται η δύναμη, για να μην πιέσουμε υπερβολικά το αντικείμενο με το βιονικό μας χέρι.

  ^{Σχήμα 9. Αισθητήρες δύναμης τοποθετημένοι στην άκρη των δακτύλων}