Konstrukce malých levných robotů

Construction of Simple and Inexpensive Robots

Autor: František Grebeníček, 2.r. PDS, zpracováno na UIVT FEI

Školitel: Doc. Ing. František Zbořil, CSc.

Abstract: There are many different types of robots. The classic robots depicted in science fiction books, movies and television shows are typically walking, talking, humanoid devices. The most useful is industrial arm robot used in manufacturing. Another type of robot used in industry is the autonomous wheeled vehicle. Although interest in walking robots is increasing, their use in industry is limited. Walking robots have advantages over wheeled robots when traversing rocky or steep terrain. Propulsion for most walking robots is either pneumatic or motorized. It is very complicated and expensive solution. There is a new material, nitinol, that emulates the operation of muscle. Nitinol has the properties of contracting when heated and returning to its original size when cooled. This new material has spawned a plethora of new, small walking robots that could not have been built with motors.

  1. Úvod

    2. Robotika zahrnuje několik oborů - od strojírenství přes automatizaci a regulaci až po umělou inteligenci. Pomineme-li klasické roboty humanoidního typu, vykreslované v různých sci-fi, pak nejběžnějším typem jsou průmyslové ramenové roboty. Dalším používaným typem jsou autonomní roboti na kolečkách. Zájem o roboty kráčející na nohách roste, ale jejich konstrukce je složitá a drahá. Oživení do výzkumu a vývoje v této oblasti by mohl vnést nový konstrukční materiál - nitinol.

  2. Nitinol

    3. Nitinolový drát převádí teplo vzniklé průchodem elektrického proudu na mechanický pohyb a nahrazuje tak krokové motory a jiné složitější součásti., které by jinak byly potřeba k vytvoření pohybu. Mechanický pohyb je způsoben změnami v krystalické struktuře nitinolu. Krystalická struktura je v deformovatelném stavu (v orig. the martensite state) při teplotě nižší než Mt.(viz Obr 1). V tomto stavu se může délka drátu změnit až o 10 procent. Nitinolový drát se vyrábí v tzv. nataženém deformovatelném stavu (tj. trénovaný drát).

    Jakmile tento drát zahřejeme na teplotu vyšší než At (šipka číslo 1, Obr 1), krystalická struktura se mění do pevného, nedeformovatelného stavu (the austenite). Po celou dobu, kdy je teplota udržována kolem hodnoty At, zůstává drát ve smrštěném stavu. Při normálním použití nitinolového drátu na něj v tomto stavu působí zotavovací síla.

    Při poklesu teploty pod hranici Mt.přejde materiál zpět do deformovatelného stavu a zotavovací síla jej natáhne (šipka 2). Pokud nepůsobí žádná zotavovací síla, drát zůstane zkrácený (šipka 3). Po novém zahřátí je však možné jej působením zotavovací síly opět prodloužit. Při zahřátí na teplotu mnohem vyšší než At může dojít k trvalému smrštění drátu.

    Nitinolový drát vydrží miliony pracovních cyklů, pokud nedojde k jeho přehřátí a pokud je aplikována správná zotavovací síla.

    Obr 1: Změny v krystalické struktuře nitinolu

  3. Konstrukce robotů

    4. Konstrukce velmi jednoduchého chodícího robota na šesti nohách je podrobně popsána v knize [1]. Tento robot má nohy zhotoveny ze strun, které zároveň vytvářejí potřebnou zotavovací sílu. Těmito strunami pohybují nitinolové #svaly#. Nohy jsou napájeny střídavě po trojicích. Krátký proudový impuls (cca 0,5 s) způsobí malé smrštění nitinolového drátů (cca 4 % délky) a noha se pohne. Robot je řízen ručně generováním proudových impulsů z externího zdroje. Je pouze prvním krokem ke konstrukci autonomních robotů řízených počítačem.

  4. Řízení robotů

    5. K řízení chůze robota lze vyrobit poměrně jednoduché zařízení z několika tranzistorů a pasivních prvků, pro pokročilejší experimenty je však nutné zkonstruovat rozhraní pro spojení s počítačem. Při konstrukci autonomních robotů je pak třeba vyřešit problém napájení. Akumulátory jsou příliš těžké a mají relativně malou kapacitu. Dobrou alternativou by mohlo být využití solárních článků. Tato problematika je v knize [1] rovněž diskutována.

  5. Závěr

    6. Robot STIQUITO ve své nejjednoducšší variantě byl zkonstruován na Ústavu informatiky a výpočetní techniky FEI, kde slouží pro demonstrační účely. Konstrukce složitějších autonomních robotů vybavených jistou umělou inteligencí a studium jejich chování by se mohly stát náplní ročníkových projektů diplomových prací.

Literatura

  1. Conrad, J. M., Mills, J. W., STIQUITO, Advanced Experiments with a Simple and Inexpensive Robot, IEEE Computer Society Press, Los Alamitos, California, 1998, ISBN 0-8186-7408-3

  2. Dynalloy, Inc., Technical characteristics of Flexinol# actuator wires, http://www.dynalloy.com