Témata
Reklama

Vývoj pohonu pro mikrorobota

13. 03. 2002

Výpočetní systém FEMLAB umožňuje řešit metodou konečných prvků systémy, u nichž působí více fyzikálních vlivů najednou.

"Samochodný, dálkově řízený mikrorobot způsobil revoluci v kardiochirurgii." "Letadlo vybavené aktivním povrchem křídel spotřebuje o polovinu méně paliva než konvenční letoun." Obě úvodní zprávy jsou zatím jen fantazií, avšak technologie vyvinutá ve stockholmském Royal Institute of Technology poskytuje reálný základ pro tyto na první pohled rozdílné aplikace. Společným jmenovatelem obou úloh je miniaturní plastický závěs původně navržený pro pohyblivá čidla v přístrojích na měření aerodynamického proudění. V průběhu výzkumného projektu se ukázalo, že závěs může sloužit nejen pro měření proudění, ale i pro aktivní řízení aerodynamiky povrchu. Nejzajímavější však byla myšlenka použití závěsu pro návrh pohonu miniaturního robota. Uvedená technologie je zatím pouze ve stadiu základního výzkumu, ale již o ni projevili mimořádný zájem jak přední výrobci zdravotnické techniky, tak firma Boeing.
Reklama
Reklama
Reklama

Výzkum odporu vzduchu

V průběhu výzkumného projektu se pracovníci Royal Institute of Technology zabývali analýzou odporu vzduchu při pohybu tělesa. Zjistili, že odpor je závislý především na malých vzduchových vířivých proudech, které se tvoří na zadní části objektu. Bude-li možné vířivé proudy nejen měřit, ale i aktivně ovlivňovat, pak bude možné výrazně snížit odpor vzduchu při pohybu tělesa a tím i energetické náklady na tento pohyb, bez ohledu na tvar tělesa. Předpokladem je však schopnost velmi přesného měření vířivých proudů, které nebylo možné zajistit pomocí dostupných senzorů. Specialisté Royal Institute of Technology pod vedením Ebeforse Thorbjörna sestrojili pohyblivý vlasový křemíkový senzor, tzv. "muší nohu", která náročné požadavky splňovala. Bylo nutné uzpůsobit konstrukci tak, aby se senzor velmi snadno pohyboval, a přitom aby mechanická trvanlivost pohyblivého spoje a tím i spolehlivost senzoru byla vysoká. Na základě modelování nejrůznějších konstrukcí a materiálů pomocí programového vybavení FEMLAB výzkumníci usoudili, že pro konstrukci "muší nohy" bude optimální využít plastický polyimid, který se vyznačuje extrémní tepelnou citlivostí a vysokou odolností. Závěs nohy tvoří 3 až 7 vláknových výplní ve tvaru V z polyimidu tak, jak naznačuje obrázek. Vířivé proudy odklánějí "muší nohu" z rovnovážné polohy. Naklonění nohy lze měřit, ale také ovládat pomocí topných tělísek, čímž lze měnit aerodynamické parametry tělesa.

Řešení pohybového ústrojí

Pohybové ústrojí mikrorobota bylo vlastně vedlejším produktem aerodynamického projektu Royal Institute of Technology. Ebefors Thorbjörn a jeho kolegové použili stejný závěs jako u "muší nohy" pro návrh samochodného mikrorobota, který vypadá jako mikročip s pohyblivými nožkami. Tělo i nohy mikrorobota jsou z křemíku a pro výrobu byly využity techniky používané při výrobě integrovaných obvodů. Obrázek ukazuje konstrukci jedné nohy s polyimidovým závěsem ovládaným topnými tělísky. Jsou-li tělíska vyhřívána malým elektrickým proudem, tepelná citlivost polyimidové výplně závěsu způsobí deformaci (výplň ve tvaru V se zploští) a noha se ohne. Po odpojení proudu topná tělíska i polyimidová výplň závěsu rychle chladnou a noha se vrací do původní polohy. Současný osminohý prototyp mikrorobota měří 15 mm na délku a 5 mm na šířku, pohybuje se rychlostí 1 mm.s-1 a unese padesátinásobek vlastní hmotnosti. Autoři předpokládají podstatné zmenšení robota při využití pokročilých průmyslových křemíkových technologií. Prototyp je zatím ovládán externě pomocí zlatých vodičů dodávajících energii jednotlivým nohám, avšak práce na autonomním napájení a bezdrátovém dálkovém řízení pokračují. Mikrorobot bude v budoucnu vybaven pracovním nástrojem (mikromanipulátorem), jehož pohon bude na stejném principu jako nohy robota. Finální verze mikrorobota bude schopna nezávislého pohybu například uvnitř žil pacienta, kde bude odstraňovat nežádoucí sedimenty, provádět drobné opravy a podobně, ale to je zatím jen vize vzdálené budoucnosti.
"Mikroelektronika a mikromechanika jsou dvě extrémně rychle rostoucí oblasti," říká pan Ebefors Thorbjörn a dodává: "Nejsou to jen lékaři, kteří potřebují mikroroboty, tyto technologie budou potřeba i k montáži a servisu integrovaných mikroelektronických, mikrooptických a mikromechanických systémů."

Analýza metodou konečných prvků

Podmínkou úspěšného vývoje nových technologií je rychlá, tzv. what-if analýza, která dovoluje vývojáři během krátké doby a s minimálními finančními nároky posoudit velké množství potenciálních řešení dílčích úloh. Součástí této analýzy je tvorba modelů, virtuálních prototypů a simulace jejich činnosti na počítači bez nutnosti zdlouhavé a drahé výroby a modifikace dlouhé řady reálných prototypů. Na trhu je v současnosti k dispozici mnoho programů pro řešení fyzikálních úloh metodou konečných prvků, ale většina je bohužel specializována pouze na specifické fyzikální jevy nebo jednotlivé děje (tepelné působení, mechanické namáhání, proudění, elektromagnetické pole a podobně) řeší odděleně. Pracovníci Royal Institute of Technology potřebovali řešit současně tepelné působení topných tělísek, tepelnou roztažnost materiálu a pevnostní výpočty, proto pro své projekty zvolili systém FEMLAB, který je schopen řešit všechny jevy současně. Další výhodou systému FEMLAB je jeho těsná integrace na výpočetní prostředí MATLAB/Simulink, které je v současnosti celosvětovým standardem v oblasti technických výpočtů a simulací nejen ve sféře vědy, výzkumu a průmyslu, ale i v oblasti vzdělávání. V neposlední řadě rozhodovala při nákupu FEMLABU jeho cena, která je podstatně nižší než u většiny srovnatelných konečně-prvkových programů.
Vedoucí projektu pan Ebefors Thorbjörn shrnul použité výzkumné metody slovy: "Pružný řízený závěs nohy mikrorobota byl vyvíjen krok za krokem prostřednictvím počítačových simulací a konečně-prvkových výpočtů. Testovali jsme velké množství materiálů a jejich vlastností, než jsme zjistili, který použít na pružný kloub, z kolika článků se má kloub skládat, jak uvést osminohého robota do pohybu a jak jej řídit. Bez nástrojů jako MATLAB, Simulink a FEMLAB by úspěšný vývoj nebyl možný."

FEMLAB

FEMLAB je dynamicky se rozvíjející nadstavba známého výpočetního prostředí MATLAB/Simulink, která využívá jeho matematických funkcí a grafického prostředí k modelování a k simulaci úloh z technické praxe v oblasti strojírenství, elektromagnetismu, chemie a z dalších oblastí fyziky. Aplikační možnosti FEMLABU jsou velmi široké, systém dokáže modelovat prakticky všechny jevy popsatelné pomocí parciálních diferenciálních rovnic. FEMLAB usnadňuje pochopení řady fyzikálních a technických procesů díky názorné grafice, snadné změně vstupních parametrů a možnosti simulace dané úlohy. Na řešení je možné v krátké době pohledět z několika zorných úhlů a efektivně tak najít optimální variantu. Distributorem produktů MATLAB a FEMLAB v ČR a SR je společnost Humusoft, s. r. o.
Reklama
Vydání #3
Kód článku: 20310
Datum: 13. 03. 2002
Rubrika: Informační technologie / CAD/CAM/CAE
Autor:
Firmy
Související články
Zvyšte potenciál svého 2D CAD softwaru!

Stále příliš mnoho firem přichází o své finanční prostředky tím, že sice využívají nové technologie, ale ty nezvyšují jejich celkový potenciál. V takovém případě pomůže aplikace DraftSight od Dassault Syst?mes. Pomocí tohoto softwaru lze spouštět stávající DWG soubory a vytvářet nové za zlomek nákladů oproti jiným CAD řešením.

Aerospace - vlajkový průmysl s extrémními nároky

Letecký průmysl je ve Francii významným oborem, a tak není divu, že společnost Missler Software získala v této oblasti jedinečné zkušenosti díky spolupráci s většinou subdodavatelů v oboru. To ji spolu s tisíci díly obráběnými pomocí TopSolidCam řadí mezi špičky v leteckých technologiích.

Zlepšení produktivity navrhování a obrábění

O něco málo více než po roce je tu opět nová verze parametrického 3D modeláře Creo. Jak se povedlo vývojářům do již páté verze Creo zakomponovat požadavky trhu a jaké jsou hlavní směry inovací?

Související články
Příprava CAD modelu součásti pro výrobu

NC programátoři se velmi často potýkají s problémy týkajícími se různé kvality trojrozměrných modelů potřebné pro programování obrábění. Úpravy mohou být obtížné, protože 3D modely součástí často pocházejí z různých zdrojů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Setkávání

Setkávání uživatelů konstrukčních a technologických softwarů má již dlouholetou tradici. Informace o novinkách, představení nejrůznějších tipů a triků, někdy i možnost si zasoutěžit a v neposlední řadě rovněž výměna zkušeností v neformální atmosféře patří k hlavním bodům programu takovýchto akcí.

Letadlo poháněné sluneční energií vyrazilo na cestu kolem světa

Solar Impulse je projekt mající za cíl vyrobit letadlo poháněné sluneční energií, které dokáže obletět Zemi. Letoun je dílem švýcarského psychiatra a vzduchoplavce Bertranda Piccarda, jednoho z pilotů prvního balonu, který obletěl celý svět bez jediné přestávky, a švýcarského inženýra a podnikatele Andrého Borschberga. Vývoj zastřešuje polytechnika v Lausanne a podílí se na něm několik desítek specialistů.

Konstrukce i technologie snadno, rychle a bezpečně

CAD/CAM systém TopSolid verze 7.9 přináší v návaznosti na technologickou část další rozšíření možností v oblasti obecné konstrukce.

Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

Od správy nástrojů po simulaci NC programů

V oblasti integrované správy nástrojů u společnosti KHS hraje software pro správu nástrojových dat TDM zásadní úlohu. Tento software zde byl zaveden před čtyřmi lety a v současné době poskytuje 3D modely nástrojů a nástrojová a technologická data pro NC programování, simulaci výroby, seřizování nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.nástrojů, jakož i pro správu skladových zásob.

Softwarové řešení pro přípravu NC programů

Firma FANUC nabízí možnost rozšíření svých CNC řídicích systémů o grafické programovací prostředí nazvané Manual Guide i.

CAM pro CMM

V posledních letech se ve strojírenství stále více dbá na přesnost výroby a tím i na kvalitu a efektivnost měřicího procesu. Měřicí proces dnes zasahuje i do různých stadií výroby, nejen do závěrečného procesu kontroly výrobku.

Racionalizace obráběcích operací s podporou CAD/CAM systému

V roce 2010 společnost Montupet zahájila výrobu na nové obráběcí lince v Laigneville ve Francii s cílem optimalizovat výrobu hlav spalovacích motorů a dalších slévárenských dílců pro automobilový průmysl. Mladý tým zkušebního centra pro podporu a vývoj technologií, který se v průběhu let rozrostl ze dvou na deset lidí, si vybral Missler Software jako ideálního partnera na pomoc při racionalizaci pracovních procesů ve svých závodech. TopSolid CAD a CAM jsou velmi vhodné pro systemizaci procesů obrábění a přesné zdokumentování jednoho každého výrobního postupu.

Komplexní CAM systém s metrologickými nástroji

Je tomu již několik let, kdy se systém Surfcam zařadil do portfolia produktů společnosti Vero Software, která je součástí nadnárodního technologického koncernu Hexagon. Takováto součinnost softwarových gigantů zaručuje optimální kombinaci nejmodernějších technologií v oblasti výroby a špičkových metrologických nástrojů.

Simulace v konstrukci - klíč k inovacím

Dlouho zažitým paradigmatem v průmyslových společnostech je striktní rozdělení konstrukčního a výpočtářského oddělení. To je sice určeno pevnými historicky danými důvody, ale ty v současné době začínají pomíjet. Ve stále více společnostech mají konstruktéři možnost provádět průběžně již během konstrukce jednoduché analýzy a vývojový proces tím zefektivnit. Jak tento trend zachytit a být úspěšní v inovativních řešeních?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit