Тенденции и приложения в меката роботика

РоботикаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8/2021 • 24.11.2021

Меките роботи са все още в ранен етап от своето технологично развитие – първият такъв модел е разработен едва преди десетилетие

Оттогава насам сегментът експоненциално нараства както по типов асортимент, така и по брой на внедряванията

Софт роботиката разкрива множество нови възможности за редица отрасли като селското стопанство, хранително-вкусовата и опаковъчната промишленост, медицинския сектор и здравеопазването

Експоненциалното развитие на технологиите в сферата на роботиката и автоматизацията през последните десетилетия непрекъснато доближава промишления робот до човека. Днес вече поглеждаме отвъд изкуствения интелект, който имитира човешкия разум – към дизайни и материали, вдъхновени от плавните движения и тактилните характеристики на живите организми. Освен за бионика и биороботика, във високотехнологичната индустрия все по-често се говори и за т. нар. мека роботика (soft robotics), която разкрива необятен потенциал за приложения в сферата на производството – манипулиране с деликатни обекти, изпълнение на разнородни задачи в колаборативен режим, както и улесняване на физическия труд на работниците в промишлеността чрез гъвкави екзоскелети.

 

Особености и класификация

Меките роботи се отличават от конвенционалните промишлени и колаборативни системи по това, че конструкцията им е направена от пластични и еластични материали, което им придава завидна адаптивност и им позволява да изпълняват съвсем различен набор от задачи. “Софт” роботите са все още в ранен етап от своето технологично развитие, имайки предвид, че първият такъв модел е разработен едва преди десетилетие. От 2011 г. насам обаче ставаме свидетели на истински бум в този сегмент, който не спира да нараства по асортимент и брой внедрявания, предлагайки на индустриалните потребители все по-усъвършенствани и многофункционални варианти.

Материалите, от които се изработват меките роботи, са подобни на тези у живите организми. Те са гъвкави, разтегливи и лесно деформируеми, което ги прави и далеч по-безопасни за човека в сравнение с металите и другите твърди материали, използвани в конструкцията на традиционните индустриални роботи. По силата на тази логика софт моделите позволяват напълно безопасна работа рамо до рамо с хората в колаборативен режим във все по-популярните интегрирани работни пространства от типа “човек – робот”.

Целта на инженерите и разработчиците в тази сфера е да проектират и създадат системи с изцяло гъвкави тела и електронни компоненти. Голяма част от стандартните роботи също включват меки елементи, например меки крайни манипулатори за роботизирани рамена, направени от гума, силикон или синтетична кожа. Благодарение на такива специални хващачи роботите са способни нежно да захващат и да боравят с крехки, деликатни или неправилни по форма обекти. Голяма част от класическите мобилни роботи също включват стратегически позиционирани в конструкцията им меки компоненти със специализирани функции. Такива са например подложките за крака, проектирани да абсорбират тласъци, сътресения и вибрации, както и пружиниращите стави за съхраняване и освобождаване на еластична енергия.

В сегмента на софт роботиката обаче попадат модели, които са предимно или изцяло меки по отношение на конструкцията и елементите си. В допълнение към плавните, естествени движения на човешките ръце, основно вдъхновение за дизайнерите в областта е и животинският свят, който изобилства от “меки” организми. Такива са например безгръбначните и мекотелите – медузи, октоподи и т. н. Благодарение на своето устройство те успяват ефективно да се придвижват, да се хранят и да оцеляват в комплексни среди по цялото земно кълбо. Практика на инженерите в сферата на софт роботиката е да създават своите конструкции “по образ и подобие” на техните оригинали, черпейки идеи още от механизмите им на движение и моделите им на поведение.

 

Потенциал в търговията и производството

Ръстът на роботизираните приложения в епохата на четвъртата индустриална революция води до повишени изисквания при извършването на деликатни операции, възлагани доскоро само на прецизните човешки ръце. Необходима е обаче и висока степен на устойчива повторяемост в движенията, която човек е трудно да поддържа в рамките на по-продължителни периоди от време. Меките роботи, от своя страна, разполагат с комбинация от точност и последователност и могат ефективно да отменят хората в редица тежки, фини и рутинни дейности. Оборудвани с технологии за машинно зрение и сензори от последно поколение, тези системи отлично покриват стандартите на нови пазарни сегменти с експоненциален ръст в търсенето като електронната търговия.

Конвенционалните индустриални роботи по традиция са тежки, обемни и често с ограничена гъвкавост, а в допълнение изискват сложно и продължително програмиране. Меките роботи използват автономни системи, които интелигентно управляват еластичните им структури, позволявайки много по-висока степен на свобода в движенията и значително по-голяма сръчност по човешките стандарти. Сред моделите, придобили популярност в промишлената практика, са силиконовите пипала, снабдени с усъвършенствани умни сензори. Те могат да захващат различни обекти, изучавайки формата, размерите и текстурата им, и да адаптират движенията си въз основа на сензорната информация, за да изчислят какъв натиск е необходимо да приложат и върху кои точки от повърхността на обекта, за да изпълнят оптимално дадена задача.

Пластичните и еластични материали – най-често обемни форми от силикон, каучук или полимер, пълни с различни флуиди (включително въздух и вода), гелове и еластомери, правят меките роботи много по-издръжливи от твърдите им метални “събратя” в редица приложения. Проектантите и научноизследователските екипи в сегмента непрекъснато разработват инженерни решения за специфични приложения, например за работа при екстремни температури, под вода или при голямо натоварване. Простичните задвижващи технологии като водното или въздушно налягане позволяват на някои модели меки роботи да функционират безпроблемно в среди, които биха се оказали пагубни за всякакво стандартно електрическо или електронно оборудване. Такива системи се оказват особено полезни и в предприятия, които използват лесно запалими или токсични химикали в производствените си процеси.

 

Пазарни тенденции и приложения

Меката роботика обхваща разнородни типове активни и реактивни системи, изработени от пластични и еластични материали, включително меки задействащи механизми, разтегливи сензори, меки “energy harvesting” технологии, както и меки електронни компоненти, захранвани предимно чрез движението на флуид. Софт роботите разкриват множество нови възможности за редица отрасли като селското стопанство, хранително-вкусовата и опаковъчната промишленост, медицинския сектор и здравеопазването. А бъдещето на това ново поколение технологии пряко зависи от комерсиализирането на промишлените му приложения.

Меките роботи са физически системи, които се нуждаят от редица компоненти – ефективни задвижващи механизми, източници на захранване и схеми на управление. По-комплексните меки роботи пък налагат интегрирането и на усъвършенстван мидълуер (middleware) или междинен интеграционен софтуер, който да обедини множеството хетерогенни, но взаимосвързани хардуерни и софтуерни модули в системата им. Така на практика с развитието на сегмента са ангажирани производителите и доставчиците на всички тези типове продукти.

Понастоящем експертите определят пазара на софт роботи като умерено конкурентен и наситен с голям брой тясно специализирани модели. Нарастващото търсене на средства за автоматизация на складовата, логистичната и дистрибуционната дейност вследствие бума на електронната търговия през последните години се очаква да наложи и по-универсализирани решения.

В сферата на индустриалното производство фокусът на все повече малки и средни компании се измества към бюджетни коботи, които да покрият изискванията на приложения като сортиране, pick-and-place операции, изпълнение на поръчки, транспорт, логистика и т. н. Повече инвестиции се насочват и към по-скъпите, но значително по-ефективни колаборативни роботи от висок клас, оборудвани с интелигентни сензори, задвижвания и системи за машинно зрение. Това повишено търсене създава достатъчно голяма пазарна ниша и за меките роботи, които са отлични кандидати за работа в колаборативен режим. По своята същност те са много по-безопасни, адаптивни и интуитивни в непознати среди, особено при взаимодействия от типа “човек – машина”.

Освен като високотехнологични екзопротези, средства за рехабилитация и бионични импланти в медицината, софт роботите могат да намерят ефективни приложения и в промишленото производство под формата на гъвкави екзоскелети, които многократно намаляват необходимите усилия на работниците да извършват трудоемки задачи, свързани например с повдигане на тежести, монтажни операции и т. н.

В селското стопанство и производството на храни софт роботите вече са придобили комерсиална значимост благодарение на възможностите си за прецизно боравене с деликатни обекти. Тези системи са отлично решение например в брането и сортирането на меки плодове и зеленчуци, захващането и манипулирането с крехки и ронливи продукти като яйца, печива и др. Все по-масово меки роботи се използват и в засаждането и отглеждането на капризни култури, към които стандартните метални модели биха се отнесли твърде “грубо”.

 

Производствени технологии и материали

Конвенционалните производствени техники с отнемане на материал като фрезоването и пробиването са безполезни при конструирането на меки роботи с деформируеми тела. За целта се разработват и прилагат усъвършенствани иновативни методи като производство чрез отлагане на форми (Shape Deposition Manufacturing, SDM), производство на интелигентни композитни микроструктури (Smart Composite Microstructure, SCM) и мултиматериално 3D принтиране.

Много софт роботи използват пневматични или хидравлични задвижващи системи, но за моделите, при които те не са приложими, са необходими алтернативни технологии. Такива са например електроактивните полимери, които чрез електрически импулси активират специални меки задвижващи системи, за да инициират движение. Меките роботи се нуждаят и от специални гъвкави и разтегливи електронни компоненти, тъй като морфологията им не позволява използването на конвенционални такива. В софт системите намират приложение различни пиезорезистивни, пиезоелектрически, капацитивни, магнитни и други типове сензори, измерващи сила, налягане, разтягане, огъване, кривина, вътрешно напрежение, деформация, оптични или акустични загуби, както и химически и биологични датчици.

Алтернатива на стандартните захранващи компоненти пък са източници, базирани на химични реакции и горива.
Интересно решение са диелектричните еластомерни задействащи механизми, които използват електростатична сила за задвижване. Друга иновация в сегмента са топлинно активираните източници, включващи полимери и сплави с памет на формата. В някои модели меки роботи се влагат и т. нар. пневматични изкуствени мускули, функциониращи на базата на разлика в налягането.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top