MODELE ROBOTÓW

"Kobiecy" robot humanoidalny Lara

Lara jest pierwszym "kobiecym" robotem humanoidalnym, który porusza się dzięki systemowi sztucznych mięśni. Posiada 38 sztucznych mięśni, dzięki którym mechanizm ma 6 swobody w każdej nodze i po 3 w każdym z ramion.

Dzięki zastosowaniu sztucznych mięśni zamiast serwomotorów możliwe było stworzenie innowacyjnego, nowatorskiego projektu. Sztucznie mięśnie nie posiadają ograniczeń typowych dla serwomotorów, dlatego Lara może wykonywać wiele rodzajów ruchów przegubów, często unikatowych, które nie byłyby możliwe w przypadku zastosowania typowych dla robotów napędów. Dodatkowo Lara jest lżejsza niż porównywalne, konwencjonalne roboty - waży zaledwie 4,5 kg przy wzroście 130 cm.

Lara została stworzona przez grupę niemieckich inżynierów z Hochschule für Gestaltung w Offenbach.

Sztuczne mięśnie

Sztuczne mięśnie robota poruszają się dzięki inteligentnemu materiałowi z pamięcią kształtu, którym w tym przypadku jest stop metali (niklu i tytanu) zwany NiTinol. Metal ten pod wpływem zmian temperatury, może zmieniać swoją długość do 8%. Ogrzewanie stopu w konstrukcji Lary jest realizowane poprzez prąd elektryczny. Poszczególne ruchy Lary generowane są grupami sztucznych mięśni stworzonych z NiTinolem. Każde ze sztucznych mięśni zawiera przewody NiTinolu połączone szeregowo-równolegle, z możliwością skalowania osiąganych sił i długości.

Stopy niklowo-tytanowe Ni-Ti są najpowszechnej i najczęściej stosowanymi materiałami z pamięcią kształtu. Ogólna nazwa tych stopów to Nitinol. Po raz pierwszy odkryto ich szczególne właściwości w 1961 roku w Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.

Skład stopów Ni-Ti może zmieniać się od 48% do 52% i ma duży wpływ na temperaturę przemiany fazy wysokotemperaturowej w martenzyt (temperatura ta może zmieniać się od -40 do 100 stopni Celsjusza ). Stopy te posiadają najlepsze właściwości wśród materiałów z pamięcia kształtu - w polikrysztale można uzyskać odwracalne odkształcenie 8% i naprężenie przy powrocie do poprzedniego kształtu dochodzące do 800 MPa. W wielu przypadkach przemiana martenzytyczna zachodzi poprzez romboedryczną fazę (jej występowanie zależy od składu chemicznego, dodatków stopowych i obróbki termomechanicznej). Stopy Ni-Ti są często domieszkowane innymi pierwiastkami w celu: (1) zmniejszenia (cu) lub zwiększenia (Nb) histerezy, (2) obniżenia temperatury przemiany (Fe, Cr, Co, Al.) podwyższenia temperatury przemiany (Hf, Zr, Pd, Pt, Au) umocnienia osnowy (Mo, W, O, C). Najważniejsze stopy potrójne to Ni-Ti-Cu i Ni-Ti-Nb.

Istnieje kilka metod produkcji Nitinolu. Obecne techniki otrzymywania stopów Ni-Ti opierają się na próżniowym stapianiu metali.

Własności Nitinolu zależą od składu chemicznego stopu oraz metody jego otrzymania. Nitinol ulega stopieniu powyżej temperatury 1240° C (1240° C do 1310° C), jego gęstość wynosi 6,5 g/cm 3 .

Sterowanie

Największym problemem napędów na bazie materiałów z pamięcią kształtu jest poruszanie się ku konkretnej pozycji. Ogrzewanie stopu poprzez przykładanie do niego prądu elektrycznego wywołuje nagły skurcz, którego charakterystyka różni się w zależności od obciążenia. Aby osiągnąć określoną pozycję, potrzebne są precyzyjne informacje o obciążeniu lub pomiar siły skurczu za pomocą enkodera pozycji. Bardziej wydajną metodą od pomiaru z zewnętrznych czujników, jest wykorzystanie rezystancji napędu (sztucznych mięśni) w mechanizmie enkodera liniowego. W przypadku sztucznych mięśni zmianę rezystancji można łatwo porównać do siły skurczu, przy wykorzystaniu odpowiedniego wzoru.

Do wykonania ruchu elementu do określonej pozycji potrzebne jest użycie dwóch napędów (sztucznych mięśni) - jako zginacz i prostownik. Rozwiązanie to umożliwia generowanie siły o określonej wartości w każdym punkcie skurczu. Siła może być kontrolowana ilością doprowadzonego prądu, zaś pozycja jest znana dzięki pomiarowi rezystancji.

Podczas targów Hannover Messe pokazano możliwości wykorzystania sztucznych mięśni w robotyce - system co 3 sekundy podnosił ciężar o masie 1 kg (przy wykorzystaniu drugiego ramienia jako balansu) - zdjęcie poniżej.

Źródło: Technische Universitat Darmstadt

Oficjalna strona projektu budowy robota opartego na sztucznych mięśniach