Изпълнителни механизми за роботи

• Изпълнителните механизми са ключови елементи в дизайна на роботите, които преобразуват енергията в движение
  
  
• Огромното разнообразие от възможности по отношение на конструкцията, материалите и работния принцип при тези системи разкрива обширен кръг от приложения
  
  
• В индустриалната роботика изборът на подходящ изпълнителен механизъм пряко кореспондира с ефективността и прецизността на робота

Изпълнителните механизми (actuators) са ключови елементи в дизайна на роботите, които функционират подобно на “мускули”, като преобразуват енергията в движение и отговарят за взаимодействието на мехатронната система с елементите на околната среда. Движенията могат да бъдат относително прости, като завъртане на шарнирно съединение или колело например, както и значително по-сложни, включително захващане на разнообразни обекти, pick-and-place операции и дори ходене на два или четири крака.

Огромното разнообразие от възможности по отношение на конструкцията, източника на енергия, материалите и работния принцип при тези системи разкрива обширен кръг от приложения – от промишлена автоматизация, през логистика, опаковане, медицина, отбрана и строителство, до специфични сервизни приложения.

В индустриалната роботика изборът на подходящ изпълнителен механизъм пряко кореспондира с ефективността и прецизността на робота, а ролята на изпълнителните механизми излиза далеч отвъд реализирането на даден ход или последователност от движения на манипулатора и/или хващача. Оборудвани с интелигентни сензори и усъвършенствани контролни системи, устройствата от най-ново поколение в сегмента могат дори да функционират автономно в динамични среди. Сред водещите тенденции в технологичното развитие на изпълнителните механизми са миниатюризацията, подобрената енергийна ефективност, интелигентното управление и повишената точност.

Основни типове и специфики

Играейки ролята на мост между командните сигнали, които роботът получава, и физическите действия, които той извършва, изпълнителните механизми категорично са технологията, която “вдъхва живот” на иначе безполезните без възможност за движение роботизирани системи. В промишлената роботика тези устройства не само позволяват на манипулаторите да се движат, но дават и обратна връзка към контролера за моментната позиция и траекторията на рамото и крайното изпълнително устройство.

За различните типове изпълнителни механизми са характерни разнообразни преимущества и ограничения, които обуславят приложимостта им в конкретни сценарии. Електрическите варианти, които преобразуват електроенергия в механично движение, се славят с висока скорост и прецизност, както и с улеснено управление. Те се използват широко в конструкцията на роботи, които изискват висока точност и динамика, например системи за асемблиране. Работният принцип на електрическите изпълнителни механизми е базиран на електромотор (най-често постояннотоков – стъпков или сервомотор) за генериране на ротационно движение, което впоследствие се преобразува в линейно (или друг тип) посредством комбинация от механични компоненти, като зъбни колела, ремъци, винтови предавки и др.

Високата точност на електрическите изпълнителни устройства е подходяща дори за хирургични роботи, а съчетанието от отлична скорост, плавни движения и лесно управление ги прави гъвкави и адаптивни и значително разширява областта им на приложение. Тези системи имат и някои условни недостатъци, включително зависимостта им от източник на захранване, като батерия или кабелна връзка с мрежата, както и генерираната по време на работата им топлина, чието отвеждане в дадени сценарии може да се окаже сериозно предизвикателство.

Хидравличните изпълнителни механизми, при които движението се инициира с помощта на флуид под налягане, се отличават с голяма сила и мощност. Популярно решение са за системи, използвани в тежката промишленост, строителството и др.
Работата им се основава на закона на Паскал. В конструкцията на механизма е включена помпа, която повишава налягането на работната течност (най-често масло), използвана за задвижването на бутало. Ходът на буталото може да бъде използван за генериране на линейно или ротационно движение.

Хидравличните механизми са способни да произведат голяма мощност и сила, например за повдигане или дори за разрушаване (в строителния сектор), като в допълнение се отличават с висока издръжливост и устойчивост на натоварване и агресивни условия. Основен минус на тези устройства е хидравличната система, която често е сложна и изисква специфична поддръжка. В сравнение с електрическите, хидравличните изпълнителни механизми са по-бавни и значително по-неточни.
Пневматичната технология генерира движение чрез сгъстен въздух, а основни предимства на механизмите за роботи от този тип са опростеният и олекотен дизайн, както и ниските производствени разходи. Сред типичните им приложения са несложни, повторяеми операции, например в сортирането и опаковането.

Когато компресираният въздух бъде освободен, той се разширява и оказва натиск върху бутало или диафрагма, създавайки движение, което може да бъде използвано за различни задачи – от задвижване на колело до управление на роботизиран манипулатор. Относително простата конструкция на пневматичните изпълнителни механизми включва малко на брой подвижни части, които са лесни за поддръжка и са по-устойчиви на механични повреди. Това превръща системите от този тип в популярен избор за приложения, при които ниските изисквания за обслужване и високата надеждност са приоритет. Базирани на въздух като енергиен източник – свободно достъпен и нескъп ресурс, пневматичните механизми са разходно ефективен вариант за голям брой приложения в промишлената роботика, включващи автоматизация на прости повторяеми задачи. Ключово ограничение при тези системи е ниската точност. Необходимостта от източник на сгъстен въздух пък може да усложни излишно дизайна на робота.

Насоки при избора на решение

При селектирането на изпълнителен механизъм за даден дизайн на индустриален робот е важно да бъдат взети предвид няколко ключови фактора, които определят приложимостта и ефективността и е важно да бъдат стриктно съобразени със системните изисквания и планираната функционалност. Сред тях са номиналната сила и въртящ момент, скоростта и времето за реакция, както и точността. Не е препоръчително да се правят компромиси например с прецизността за сметка на по-малко капиталовложение, когато в дългосрочен план това би довело до загуби вследствие на ниска производителност. Същевременно експертите съветват да не се инвестират прекалено много средства в излишно скъп изпълнителен механизъм, чиято функционалност надхвърля спецификациите на приложението и би останала непълноценно използвана.

При избора на конкретно решение е важно да се обърне внимание и на ефективността на механизма, която показва колко ефикасно той преобразува енергията в движение. Моделите с по-висока ефективност консумират по-малко енергия и генерират по-малко отпадна топлина, което ги прави добър избор за роботизирани системи, подчинени на принципите на устойчивостта и декарбонизацията.

От съществено значение са надеждността и издръжливостта на изпълнителния механизъм на агресивни среди и условия, както и ниските изисквания за поддръжка и високата отказоустойчивост. Не на последно място, при селектиране на конкретен модел е важно да се отчетат и неговото тегло и размери, особено при по-компактни и олекотени дизайни.

След избора на конкретна технология по отношение на източника на енергия и уточняване на основните необходими параметри е добре да се проучат и възможностите на различните материали, от които се изработват изпълнителните механизми. За повишена надеждност, ефективност и издръжливост може да се заложи на иновативни решения, като високоякостни сплави, а при изисквания за здрав и олекотен дизайн – на усъвършенствани полимери, композити и т. н. В зависимост от експлоатационните условия при някои дизайни е ключово да се заложи на материали, които предлагат висока устойчивост на екстремни температури, механично натоварване, корозия и др.

Металите са предпочитан избор при изпълнителните устройства за индустриални роботи благодарение на тяхната здравина и способността им да издържат както на голяма сила, така и на високи или ниски температури. Популярните решения включват стомана – за тежки режими на работа, алуминий – за комбинация от ниско тегло и якост, и месинг – за корозионна устойчивост и добра обработваемост.

Чест вариант за изработката на изпълнителни механизми са и пластмасите, особено за модели с олекотени конструкции и изисквания за ниски производствени разходи. Материали, като полиамид (найлон), полиоксиметилен (POM) и политетрафлуороетилен (PTFE), се използват широко поради ниското триене, добрата устойчивост на износване и самосмазващите свойства.

Популярни в сегмента са и композитите, например подсилените с въглеродни или стъклени влакна полимери, които се отличават с високо съотношение на якостта към теглото и твърдостта. При необходимост от гъвкавост и еластичност в изпълнителните механизми се залага на различни инженерни еластомери, които притежават способността да поглъщат удари и вибрации. Материали, като силикон, каучук и полиуретан, се срещат често в уплътненията, гарнитурите и диафрагмите. В допълнение те могат да предотвратяват течове на работни флуиди и да гарантират неприкосновеността на вътрешните компоненти на механизма.

Технологични новости в сегмента

Роботите от последно поколение в индустрията са базирани на изпълнителни механизми с усъвършенстван дизайн, функционалност и работни характеристики. Тези предимства се постигат благодарение на високотехнологични материали, висок клас електронни компоненти и подобрено управление.

В основата на редица авангардни модели са т. нар. умни материали, които отговарят на външни стимули (като електрически полета, светлина или температурни промени) с изменение на формата и размерите. Пример за такива са пиезоелектричните материали, които се деформират в условия на електрическо поле, позволявайки бързи и прецизни движения на изпълнителния механизъм. Сходни възможности предлагат т. нар. мемори сплави (запомнящи формата), които възвръщат предварителната си форма при нагряване. С тяхна помощ стават възможни комплексни движения без сложна механична система.

Друга иновация са т. нар. меки изпълнителни устройства, ключови елементи на меките роботи. Те са гъвкави и податливи на деформиране материали, чрез които се постигат плавни движения, често вдъхновени от биологичните системи. Пневматичните изкуствени мускули (PAM) например се свиват при натиск, подобно на анатомичните. Меките изпълнителни механизми могат да се адаптират към средата и да захващат деликатно различни крехки и чупливи обекти, което ги превръща в отличен избор за взаимодействие с хора, както и за боравене със специални изделия, например стъклени шишенца или епруветки.

Сред новостите са енергийноефективните изпълнителни устройства за роботи, които се стремят към преобразуването на максимално голям процент от енергията в движение, минимизирайки загубите от триене и загряване. Те използват високоефективни мотори и усъвършенствани алгоритми за управление за оптимизиране на енергопотреблението. Сходни са регенеративните задвижвания, които възстановяват част от енергията при забавяне на движението или ход надолу и я подават обратно към системата, повишавайки общата ефективност.

Разработват се и изпълнителни механизми с висока плътност на мощността, при които фокусът е върху осигуряването на голяма сила или въртящ момент посредством устройство с компактен дизайн – чрез подобрени материали и концепции при проектирането.
Интересно решение представляват мултифункционалните изпълнителни механизми, които комбинират задействане на движение със събиране на сензорни данни (например за позиция, сила, температура и т. н.) или съхранение на енергия. Те опростяват дизайна на роботите и повишават ефективността им, като интегрират няколко ключови функции в общ модул.

Като самостоятелен клас се обособяват и умните изпълнителни механизми, базирани на смарт материали за прецизни реактивни движения, със или без допълнителна функционалност. Освен пиезоелектричните устройства и мемори сплавите, споменати по-горе, известни в сегмента са електроактивните полимерни системи (EAP), както и магнитострикционните изпълнителни механизми, които изменят формата си под въздействието на магнитно поле. Широка популярност добиват и фотомеханичните материали, при които промяната във формата се случва при излагане на светлина. Те генерират бързи движения с възможност за отдалечено задействане, подходящи например за иновативни разработки в сферата на микророботиката или “lab-on-a-chip” (LOC) устройства с една или повече лабораторни функции върху единична интегрална схема.