Laboratoř konstrukce mechatronických systémů

Robotické paže jsou složité mechatronické systémy. Jejich konstrukce proto vyžaduje znalosti a zkušenosti z různých technických oborů, jako je mechanika, elektrotechnika, elektronika nebo řízení. Z hlediska požadavků kladených na vývojáře je návrh robotických ramen jedním z nejsložitějších úkolů. Bohužel v této oblasti techniky chybí potřební odborníci. Proto se hledají způsoby, jak pomoci stávajícím specialistům v jejich práci a současně zkrátit dobu potřebnou k návrhu požadovaných zařízení. Současně se hledají i cesty, jak otevřít cestu k této problematice vývojářům, kteří zatím nemají dostatek zkušeností. Z tohoto důvodu byly vyvinuty algoritmy a vývojové nástroje, které mají výrazně zjednodušit a zkrátit dobu potřebnou k návrhu robotických ramen a současně co nejvíce tento proces automatizovat. Cílem je zkrátit dobu návrhu a dosáhnout lepších výsledků než v případě návrhů podle klasických postupů.

Návrh robotického pracoviště je časově i znalostně náročný proces. Vyžaduje systémové inženýry, kteří se specializují na návrh tohoto typu pracoviště a mají v této oblasti odpovídající know-how. Vzhledem k časové náročnosti a malému počtu odborníků často vzniká malý počet variant řešení, z nichž se následně vyvíjí ta nejvhodnější. Cílem vývoje bylo vytvořit nástroj, který by zjednodušil navrhování robotických pracovišť. Výsledkem je softwarový nástroj integrovaný do CAD systému SolidWorks. Nástroj využívá databázi modelů. Propojení mezi vyvinutým softwarovým nástrojem a databází je realizováno prostřednictvím rozhraní API CAD systému SolidWorks. Díky tomuto nástroji je možné zjednodušit a urychlit práci při návrhu pracoviště. Lze vytvořit více variant řešení a dosáhnout celkově lepších výsledků.

Návrh robotických ramen je náročný proces, zejména z hlediska nároků na znalosti a zkušenosti vývojářů a času potřebného k návrhu. Cílem vývoje proto bylo vytvořit postupy pro možnou automatizaci některých jednotlivých úloh procesu návrhu robotické paže, které jsou dále uplatněny při vývoji softwarového nástroje pro automatizaci dílčích úloh při návrhu robotické paže RobotDesigner. Přínosy a funkce nástroje RobotDesigner jsou demonstrovány na příkladu optimalizace jednoduchého manipulátoru s 5 stupni volnosti pro danou manipulační úlohu. Výsledky optimalizace ukazují, že použití tohoto softwarového nástroje výrazně urychluje a zefektivňuje dílčí úlohy návrhu a optimalizace ramen. Využitím iteračních procesů a umělé inteligence, použitím podobných softwarových nástrojů a jejich propojením se systémy CAD bude v budoucnu možné nejen plně automatizovat proces návrhu robotických ramen, ale také generovat a porovnávat různé konstrukce a konstrukční řešení s cílem najít nejoptimálnější pro úlohu, kterou bude robot vykonávat.

Metody návrhu se již nějakou dobu zlepšují díky rostoucí úrovni algoritmické podpory. Mezi nejnovější pokroky patří generativní návrh a různé optimalizační metody. Automatizované návrhové nástroje se však často zaměřují na jednu fázi návrhového procesu, například na návrh kinematiky, mechanické topologie nebo volbu pohonu. V tomto článku ukazujeme celý proces návrhu robotického manipulátoru v automatizovaném pracovním postupu. Metoda se skládá ze dvou hlavních částí: genetické optimalizace kinematické struktury a iterativního automatizovaného návrhu CAD. Metoda byla následně aplikována na případovou studii, v níž byl navržen manipulátor s pěti stupni volnosti pro manipulační úlohu.

Konstrukce ramen průmyslových robotů a manipulátorů je náročný proces jak z hlediska odborných znalostí, tak z hlediska časové náročnosti. Z těchto důvodů byly vytvořeny algoritmy, s jejichž pomocí je možné navrhovat průřezy jednotlivých ramen robotů a manipulátorů nejen z hlediska maximální povolené výchylky, ale také z hlediska minimalizace rozměrů průřezu nebo minimalizace hmotnosti ramen. Tyto algoritmy byly následně využity při vývoji softwarového nástroje RobotArmDesign, s jehož pomocí je možné výrazně zjednodušit a zkrátit proces návrhu ramen. Tento nástroj je rovněž prostřednictvím rozhraní API propojen se systémem CAD SolidWorks a jeho simulačními nástroji, což umožňuje zpřesňovat návrhy robotických ramen při zachování výrazně kratších časů návrhu, než by tomu bylo v případě běžně používaných postupů. Schopnosti tohoto nástroje byly demonstrovány na návrhu robotického ramene s úhlovou konstrukcí a pěti stupni volnosti.

Návrh mechatronických zařízení je náročný proces nejen z hlediska časové náročnosti, ale také z hlediska požadavků na znalosti a zkušenosti vývojových pracovníků. Cílem tohoto výzkumu a vývoje bylo vytvořit vhodné postupy, algoritmy a databáze 3D modelů, s jejichž pomocí by bylo možné tento proces výrazně zkrátit a zjednodušit. Výsledkem vývoje je softwarový nástroj pro návrh elektrických pohonných jednotek, postupy pro tvorbu 3D modelů s možností využití API softwaru SolidWorks, metody pro automatizaci tvorby sestav 3D modelů a popis znalostní databáze, v níž jsou uloženy různé údaje a algoritmy. Přínosy navržených postupů, softwarového nástroje Drive Picker a znalostní databáze jsou demonstrovány na návrhu robotického ramene s 5 stupni volnosti. I přes složitost přípravy potřebných podkladů se ukazuje, že zvolený přístup může výrazně urychlit a zjednodušit návrh mechatronických zařízení.

Návrh a výběr vhodné pohonné jednotky pro použití v mechatronických systémech je proces, který může být náročný nejen z hlediska časové náročnosti, ale také z hlediska požadavků na znalosti a zkušenosti vývojových pracovníků. Cílem vývoje bylo vytvořit algoritmy pro výběr kompaktních elektrických pohonných jednotek na základě údajů z dynamických analýz navrhovaného systému, s jejichž pomocí by bylo možné proces výběru pohonné jednotky výrazně zkrátit a zjednodušit. Výsledkem vývoje je softwarový nástroj nazvaný DrivePicker. Jeho funkce a přínosy jsou demonstrovány na návrhu pohonných jednotek pro robotické rameno s úhlovou konstrukcí a 5 stupni volnosti. Porovnání vybraných jednotek od dvou výrobců (Spinea DS a HarmonicDrive CanisDrive) ukazuje, že pomocí tohoto softwarového nástroje lze výrazně urychlit a zefektivnit návrh mechatronických zařízení. DrivePicker má také rozhraní pro připojení k simulačním a CAD systémům, což otevírá možnost další autonomie. 

Článek popisuje úpravy efektoru manipulačního ramene navržené za účelem zvýšení přesnosti měření síly v čelistech. Měření uchopovací síly se provádí pomocí tenzometrů. Jejich správné umístění a připojení minimalizuje nejen vliv polohy těžiště manipulačního objektu na čelisti, ale i vliv teplotních změn v okolí měřicího prostoru. Možnost změny velikosti uchopovací síly byla začleněna do aplikace pro řízení robota. To výrazně zvyšuje bezpečnost manipulace a zvyšuje počet předmětů, které lze případně uchopit. Upravené díly efektoru byly podrobeny analýze napětí s důrazem na eliminaci špiček napětí, které by se u reálných dílů nevyskytovaly. V článku je rovněž popsán návrh mechanické úpravy efektoru, která by umožnila plynulé otáčení čelistí efektoru.