Inspirováno přírodou: roboklokan Festo
Jedním z největších hitů letošního ročníku Hannover Messe byl další bionický koncept, kterým společnost Festo rozšířila svoji robotickou ZOO. Po rejnokovi, tučňácích, medúze, umělém rackovi či sloním chobotu vyvinutých v rámci programu Bionic Learning Network, přišel na řadu klokan.
Bionický klokan je studií energeticky úsporné kinematiky skoku, založené na přirozeném modelu. Se svým bionickým klokanem se firmě Festo podařilo technologicky napodobit a reprodukovat unikátní způsob, jakým se tito australští vačnatci, kteří byli inspirací, pohybují. Stejně jako jeho přírodní vzor dokáže i jeho bionická kopie obnovit energii při skákání, ukládat ji a efektivně používat pro další skoky. Pochopení tohoto vysoce efektivního systému se může hodit i v různých průmyslových aplikacích, kde je kladen stále větší důraz na maximální výkon při maximální úspoře energie.
Technické provedení vyžaduje jak sofistikované řídicí technologie, tak stabilní skokovou kinematiku. Umělý klokan inteligentně kombinuje pneumatické a elektrické techniky pohonu k vytvoření vysoce dynamického systému. Jedinečné chování při skákání usnadňuje konzistentní lehká konstrukce z pokročilých materiálů.
Systém je řízen pomocí gest speciálního náramku, který detekuje svalové pohyby operátora. Snímač polohy na pásku zaznamenává pohyb ramene a paže a náramek vysílá tyto signály prostřednictvím technologie Bluetooth do kompaktního řídicího systému umělého klokana, a ten zahájí interakci s operátorem.
Přesné pohyby a dynamické chování
Když stojí, dotýká se klokan oběma nohama a ocasem země - to v souhrnu dává ideální stabilní tříbodový kontakt. Jeho ocas zajišťuje potřebnou rovnováhu při skoku. Elektrický servomotor specificky řídí jeho úhel náběhu a zajišťuje odpovídající kompenzační pohyb, čímž klokan vyrovnává protipohyb nohama, které musí být vystrčeny dopředu pro fázi přistání. Nohy jsou řízeny dvěma elektrickými servomotory.
Podél každé dolní končetiny, která působí na nohu je připevněn lehký pneumatický válec Festo DSNUP 20. Kolenní a hlezenní kloub jsou připojeny přes tzv. pozitivní kinematické zařízení, což vede k propojené pohybové sekvenci. Funkce přírodní Achillovy šlachy zastupuje pružný skákací pryžový elastický prvek, upevněný v zadní části nohy paralelně s válcem. Umělé šlachy tlumí skok, současně absorbují kinetickou energii a uvolní ji pro další skok. Potřebnou stabilitu při skoku a přistání zajišťují integrované ovládací prvky a real-time, diagnostika monitorování stavu i přesné řídicí technologie. Energetický stav klokana, proměnné a úhel náběhu jsou neustále sledovány a vyhodnocovány. Zároveň řídicí systém zpracovává hodnoty řady senzorů, následně zadávané do složitých algoritmů, které jsou transformovány do akčních veličin pro spouštění válců a motorů.
Mobilní zdroj energie sebou
Speciální pozornost věnovali vývojáři Festo způsobu, jakým je využívána a dodávána mobilní energie pro umělého klokana a dokonce vytvořili pro tento účel dva různé koncepty. Buď malý kompresor, nebo vysokotlaké úložné zařízení, které mohou být umístěny uvnitř robotova těla. Úkolem obou systémů je dodávat stlačený vzduch potřebný pro skákání, který je přesně dávkován dvěma solenoidovými ventily Festo MHE2. Jako elektrické zařízení pro skladování energie slouží lithium-polymerové akumulátory. Zásobují energií s potřebným výkonem oba ventily a elektrické pohony, stejně jako integrovaný řídicí systém CECC.
Aby bylo možné pohybovat co nejmenší hmotností, jsou všechny komponenty optimálně koncipovány, vzájemně propojené a kontrolovány v co nejmenším prostoru. Před prvním skokem je pružná šlacha pneumaticky předepnuta, bionický klokan přesouvá těžiště dopředu a zahajuje náklon. Když je dosažen definovaný úhel a odpovídající úhlová rychlost, jsou aktivovány pneumatické válce, energie z šlachy se uvolní a klokan vyskočí. Aby doskočil co nejdále, táhne nohy v letové fázi vpřed. To vytváří točivý moment na boku, který umělé zvíře vyrovnává pohybem ocasu. Horní část těla zůstává téměř vodorovná. Fáze přistání je důležitá pro obnovení energie a klíčová pro efektivitu klokanova skákavého pohybu - vytváří zároveň energii pro další skok. Po přistání je šlacha opět napnuta, čímž přemění kinetickou energie z předchozího skoku na potenciální energii, která je pak uložena v systému a lze ji vyvolat pro další skok. Během této fáze se ocas pohybuje směrem k zemi, zpět do výchozí polohy.
Pokud klokan pokračuje ve skákání, vede uloženou energii přímo do dalšího skoku, při kterém je opět použita potenciální energie z pružného kabelu. Ve správnou chvíli přepnou ventily a začíná další skok. Pokud chce bionický klokan zastavit, musí absorbovat tolik energie, kolik je jen možné. Aby tak učinil, jsou odpovídajícím způsobem zapnuty pneumatické pohony a šlachy se aktivně znovu napnou.
Poznatky pro výrobu budoucnosti
Kromě technického provedení unikátní kinematiky skoku ukazuje bionický klokan několik aspektů integrované automatizace najednou: Systém řeší např. umístění maxima komponent dohromady v malém prostoru. Mnoho funkcí je koordinováno s použitím vysoce komplexní řídicí technologie systému. Princip trvalé diagnostiky je zárukou provozní bezpečnosti a stability procesu - ať už pro bionické objekty nebo v běžném průmyslovém prostředí. Dalším zajímavým aspektem je získání, skladování a efektivně opakované využití potenciální energie, a systém dodávek energie díky mobilní pneumatice. Získávání a obnovování energie v automatických systémech je velmi důležitým prvkem v oblasti průmyslové automatizace, znalosti o využití a skladování energie hraje důležitou roli např. u rekuperace tepla z kompresorů nebo dodávání elektřiny zpět do sítě.
Inteligentní kombinace pneumatiky a elektroinstalace v umělém klokanovi demonstruje možnosti využití kombinace pneumatických a elektrických pohonů ve velmi dynamickém systému. Klokan dosahuje svých vysokých výkonů při skoku pomocí pneumatiky - pneumatické pohony jsou obecně silné a velmi dynamické. Jsou i poměrně lehké a ohebné, takže působí i jako tlumiče nárazů klokana při doskoku. V místech, kde je požadována nejvyšší přesnost polohování se používají elektrické motory - např. pro řízení ocasu a kyčlí. Stejně jako efektivní řešení a správný výběr v každodenních průmyslových situacích, i tady závisí na příslušné aplikaci, zda je nejlepší řešení založeno na pneumatických nebo elektrických prvcích, nebo kombinaci obou.
Pitva bionického klokana
Velikost: 100 cm ve vzpřímené poloze
výška při sedu: 60 cm
hmotnost: 7 kg
délka skoku: až 80 cm
výška skoku: až 40 cm
Použité prvky a systémy
1 řídicí systém Festo CECC s rozhraním pro Ethernet, CAN, RS232, RS485, digitální IOS a IO link
3 harmonické pohonné motory
2 standardní válce Festo DSNUP 20
2 rychlé ventily Festo MHE2-MS1H-5/2-M7
1 výškoměrný systém Xsens (Attitude Heading Reference Systém - AHRS)
1 snímač/přenašeč tlaku Festo SPTE-P10R-Q4-V-2.5K
1 otočný potenciometr METALLUX Hall
Technická data
napájecí tlak: 8 bar
kinematika: části vyrobené pomocí laserového spékání, zesílené uhlíkovými vlákny
řídicí koncept: ovládání gesty pomocí náramku Myo firmy Thalmic Labs s EMG snímači svalové činnosti a integrovaným snímačem polohy
dosah: 50 m Bluetooth.
543
