1. marec, 2018

Robot v območju milimetra

wyss 300x104 - Robot v območju milimetraWyss Institute at Harvard
2018_261_05

Robot v območju milimetra odpira nove možnosti v mikrokirurgiji, mikroskopiranju in mikro-manipulaciji. Majhen, vendar izjemno hiter miniaturizirani robot, ki ga je navdihnil origami, združuje natančnost v razredu mikrometra in visoko hitrost.

261 05 03 300x200 - Robot v območju milimetra

Popolnoma razvit (nezložen) MilliDelta robot z osnovno ploskvijo 12 x 15 mm in višino 20 mm je pripravljen za delo. Na sliki vidimo približno primerjavo s kovancem za en cent. Za premikanje svojih treh rok uporablja piezoelektrične pogone in upogljive sklepe, s čimer krmili visokofrekvenčne gibe ploščadi, ki se nahaja čisto na vrhu. Slika: Wyss inštitut na univerzi Harvard.

Tehnološko robot MilliDelta združuje novo tehniko mikrofilmanja z visoko zmogljivimi kompozitnimi materiali, ki lahko vsebujejo upogljive sklepe in upogibne pogone, pri čemer lahko MilliDelta deluje s preciznostjo visoke hitrosti, silo in natančnostjo v območju mikrometra, zaradi česar je primeren za vrsto nalog z mikro-manipulacijami v proizvodnji in medicini.

Zaradi svoje visoke natančnosti in hitrosti so Delta roboti uporabljeni v številnih industrijskih procesih, vključno s pick-and-place sestavljanjem, strojno obdelavo, varjenjem in embaliranjem hrane. Že od prve različice takega robota, ki jo je Reymond Clavel razvil za tovarno čokolade (ki je hitro zlagal čokoladne bombone v škatle), Delta roboti uporabljajo tri lahke, posamično nadzorovane roke, ki premikajo ploščad za hitro in zelo natančno premikanje v treh smereh. Ploščad se lahko uporablja kot oder, podoben tistim, ki se uporabljajo v simulatorjih letenja, ali pa je povezana z manipulacijsko napravo, ki lahko na primer prevaža, premika in sprosti predmete v predpisanih vzorcih. Sčasoma so razvijalci robotov oblikovali vse manjše in manjše Delta robote za opravljanje nalog v omejenih delovnih prostorih, vendar se z običajnimi proizvodnimi tehnologijami in komponentami niso mogli približati milimetrskemu območju.

Kot poročajo v Science Robotics, je pri novem modelu robota MilliDelta, ki ga je razvila ekipa Roberta Wooda na Harvardovem Wyssovem inštitutu za biološko navdihnjeno inženirstvo in šoli za inženirske in uporabne znanosti John A. Paulson (SEAS), končno premagan ta izziv v zvezi miniaturizacijo. Z integriranjem tehnologije mikro-obdelave z visoko zmogljivimi kompozitnimi materiali, ki lahko vsebujejo gibljive zglobe in zložljive pogone, lahko MilliDelta deluje z visoko hitrostjo, veliko silo in natančnostjo v razredu mikrometra, ki je združljiva z vrsto nalog mikro-manipulacij v proizvodnji in medicini.

V letu 2011 je Woodova ekipa z navdihom iz interaktivnih knjig in origami razvila pristop mikro-izdelave, ki omogoča sestavljanje robotov iz ploščatih plošč, ki so izdelane iz kompozitnih materialov. Pop-up MEMS (kratko za “mikroelektro-mehanske sisteme”) so se v tistem času že uporabljali za gradnjo dinamičnih strojev z velikostmi v centimetrskem območju, ki lahko enostavno kar odidejo ali tako, kot lahko vidimo v primeru RoboBee, lahko kar odletijo! V svoji novi študiji so raziskovalci uporabili lasten pristop za razvoj Delta robota z zunanjimi dimenzijami le 15x15x20 mm.

261 05 01 300x276 - Robot v območju milimetra“Fizika povečanja in manjšanja razmerij nam je obljubljala, da bi zmanjšanje velikosti Delta robotov povečalo njihovo hitrost in pospešek, pojavljanje MEMS-a z njihovo zmožnostjo uporabe katerega koli materiala ali celo kombinacije materialov, pa je bilo idealna lastnost za spopad s tem problemom,” je dejal Wood, ki je član fakultete Core na Wyss inštitutu in sopredsednik svoje platforme za bionsko navdahnjeno robotiko. Wood je tudi profesor za inženiring in uporabne znanosti na SEAS v Charles Riverju. “Ta pristop je tudi omogočil, da smo hitro prešli skozi številne izzive, ki so nas pripeljali do končnega MilliDelta robota.”

Fizično MilliDelta vključuje kompozitno laminatno strukturo z vgrajenimi upogljivimi sklepi, ki se zelo približajo tudi bolj zapletenim oblikam sklepov, katere najdemo pri velikih Delta robotih. “S pomočjo montažnega vzvoda lahko ta laminat natančno zložimo v Delta robota z velikostjo v milimetrskem razredu. MilliDelta uporablja tudi piezoelektrične pogone, ki omogočajo od 15 do 20 krat višje frekvence gibanja, kot so običajne pri ostalih, trenutno znanih Delta robotih, “je povedal prvi avtor Hayley McClintock, raziskovalec Woodovem timu iz Wyss inštituta.
Poleg tega je ekipa praktično pokazala, da lahko milliDelta deluje v delovnem prostoru, ki meri približno sedem kubičnih milimetrov in da pri tem lahko ustvari neko določeno silo in sledi trajektorijem, ki bi lahko skupaj z visokimi frekvencami lahko postali idealni za mikromanipulacije v industrijskih procesih pick-and-place in mikroskopske kirurgije, kot je na primer mikrokirurgija mrežnice, opravljene na človeškem očesu.

261 05 02 300x192 - Robot v območju milimetraRaziskovalci so potencial za uporabo MiliDelta robota v mikrokirurgiji in drugih mikromanipulacijah pokazali z aplikacijo, ki je nevtralizirala tresenje roke. “Najprej smo preslikali poti, ki jih je opisovala konica zobotrebca, ki ga je v roki držal nek posameznik, jih preračunali in jih shranili v pomnilniku MilliDelta robota, ki jih je lahko primerjal in jih ob ujemanju nevtraliziral,” je povedal drugi avtor zamisli, doktor Fatma Zeynep Temel, postdoktorski sodelavec SEAS v Woodovem timu. Raziskovalci menijo, da bi specializirane miliDelta robote lahko kar dodali obstoječim robotom naprave ali pa jih naprej razvili kot samostojne naprave, kot so na primer platforme za manipulacijo celic v raziskovalnih in kliničnih laboratorijih.

“Delo Woodove ekipe, ki dokazuje večjo hitrost in krmiljenje delovanja milliDelta robotov v milimetrskem območju in odpirajo popolnoma nove možnosti za razvoj industrijskih in medicinskih robotov, ki s trenutno razpoložljivo tehnologijo ni bil mogoč. To je še en primer, kako ravno platforma naše ekipe za robotsko bioniko kaže pot razvoja v prihodnost,” je dejal ustanovni direktor Wyss Inštituta Donald Ingber, ki je tudi hkrati tudi profesor biologije ožilja na Judas Folkman v HMS-u in program za žilne bolezni in programa biologije oči na otroški bolnišnici, poleg tega pa še profesor za bioinženiring na SEAS.

Vir:

Material za članek je prispeval Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard. Prvotni članek je napisal Benjamin Boettner.

https://wyss.harvard.edu
Tags: