Badanie robotów humanoidalnych i ich komponentów

• Roboty humanoidalne łączą w sobie wymagania badawcze z zakresu robotyki, motoryzacji, elektroniki, technologii bateryjnych, konstrukcji lekkich, biomechaniki/ortopedii oraz badania materiałów.
• Krytyczne wymagania badawcze wynikają ze zużycia, cykli obciążeń zmęczeniowych, upadków i uderzeń, wibracji, wpływów środowiskowych oraz istotnych dla bezpieczeństwa kontaktów między człowiekiem a robotem.
• Do głównych obszarów badawczych należą układy wykonawcze, przeguby, przeniesienie siły, elementy konstrukcyjne, efektory końcowe, sensoryka oraz systemy danych i zasilania.
• Badania żywotności, zmęczeniowe, materiałowe, funkcjonalne oraz bezpieczeństwa pomagają wczesnym etapie wykryć potencjalne mechanizmy uszkodzeń.
• Dla robotyki humanoidalnej opracowywane są obecnie nowe normy. Jednocześnie istniejące standardy dotyczące robotyki i bezpieczeństwa maszyn stanowią ważny punkt odniesienia.
• ZwickRoell wspiera zadania badawcze wzdłuż całego cyklu życia produktu – od badań i rozwoju, przez walidację, aż po zapewnienie jakości w produkcji.

Systemy robotów humanoidalnych powinny poruszać się w sposób bezpieczny, pracować niezawodnie oraz funkcjonować w powtarzalny sposób przez długi czas. Jednocześnie są one narażone na wysokie obciążenia mechaniczne, termiczne oraz środowiskowe. Badania stanowią podstawę do potwierdzenia zachowania materiału, niezawodności komponentów oraz wymagań bezpieczeństwa w realistycznych warunkach eksploatacji.

Zasadnicze wyzwania:

• Bezpieczeństwo w środowisku interakcji człowieka z robotem: Roboty humanoidalne są coraz częściej wdrażane tam, gdzie ludzie pracują, żyją lub są objęci opieką. Zarządzanie siłami, trajektoriami ruchu oraz potencjalnymi sytuacjami awaryjnymi staje się w związku z tym kluczowe.
• Niezawodność w długofalowej eksploatacji: Przeguby, przekładnie, układy sensoryczne oraz aktuatory muszą pracować w sposób ciągły, utrzymując swoje pierwotne właściwości po milionach zmian obciążeń.
• Żywotność i zmęczenie: Chodzenie, przenoszenie ciężarów, chwytanie oraz utrzymywanie równowagi generują ciągłe obciążenia cykliczne, które mogą powodować zmęczenie materiału i zużycie.
• Upadki i uderzenia: W przeciwieństwie do systemów stacjonarnych roboty humanoidalne są narażone na ryzyko upadku. Elementy konstrukcyjne i połączenia muszą być w stanie zaabsorbować odpowiednie obciążenia.
• Wpływ otoczenia i temperatury: Zmiany temperatury wywołane warunkami otoczenia oraz nagrzewanie się układów wykonawczych i komponentów elektronicznych podczas pracy wpływają na materiały, elektronikę oraz zespoły mechaniczne. Dochodzą do tego wilgoć, pył, media korozyjne lub promieniowanie, które mogą dodatkowo negatywnie wpływać na działanie, żywotność i niezawodność.
• Brakujące lub nowo powstające normy: Normalizacja w obszarze robotyki humanoidalnej znajduje się obecnie w fazie rozwoju. Producenci już dziś muszą przedstawiać wiarygodne dowody w zakresie bezpieczeństwa i trwałości zmęczeniowej.

ZwickRoell wspiera inżynieryjną walidację i rozwój aktuatorów oraz układów przenoszenia siły poprzez realizację badań wytrzymałościowych, tribologicznych, zmęczeniowych i okresu eksploatacji. Pozwala to na wczesną ocenę krytycznych obciążeń oraz tworzenie wiarygodnych dowodów na potrzeby rozwoju, walidacji i późniejszych zastosowań seryjnych:

• Badania temperaturowe i środowiskowe do oceny komponentów pod obciążeniem termicznym oraz przy różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej zastosowanych materiałów.
• Badania lin i elementów przeniesienia siły pod kątem siły maksymalnej, ścierania i zużycia.
• Badania łożysk, przegubów i przekładni w celu analizy zużycia, żywotności oraz zachowania pod wpływem obciążeń cyklicznych.
• Biomechaniczne koncepcje badawcze jako podstawa systemów robotów humanoidalnych.
• Badania aktuatorów od wysokoprecyzyjnych napędów w dłoniach i chwytakach po wysoko obciążone stawy biodrowe i kolanowe, ze szczególnym uwzględnieniem odporności na obciążenia i żywotności.
• Badania sprężyn do oceny charakterystyki siła-droga oraz wytrzymałości zmęczeniowej.
• Badanie materiałowe materiałów stosowanych w wysoko obciążonych komponentach napędowych i strukturalnych:
  • Stopy aluminium stosowane w konstrukcjach nośnych oraz korpusach
  • Stopy tytanu na komponenty poddawane wysokim obciążeniom cyklicznym, na przykład bloki biodrowe lub osie przegubów
  • Stal nierdzewna na wały, sworznie i komponenty narażone na zużycie
  • Materiały PEEK oraz CFK przeznaczone na lekkie i sztywne komponenty strukturalne oraz elementy mocujące
  • Systemy ochrony powierzchni i przed zużyciem, takie jak warstwy ślizgowe z PTFE, smary stałe oraz powłoki DLC, służące do minimalizacji tarcia i zużycia w ruchomych parach stykowych.
  • Stopy z pamięcią kształtu do przyszłościowych koncepcji aktuatorów

ZwickRoell wspiera rozwój i walidację obudów oraz elementów konstrukcyjnych za pomocą badań materiałowych, powłok, konstrukcji lekkich, a także testów zderzeniowych (crash-testów) i funkcjonalnych. Badania pomagają potwierdzić odporność na obciążenia (nośność) komponentów strukturalnych, powierzchni oraz materiałów ochronnych w realistycznych warunkach eksploatacji:

• Badanie powłok i powierzchni pod kątem przyczepności (adhezji) oraz odporności, na przykład za pomocą prób odrywania pod kątem 90°/180° lub testów wytrzymałości w kierunku Z.
• Badanie tekstylnych powłok zewnętrznych i materiałów ochronnych pod kątem odporności na ścieranie, wytrzymałości oraz wydłużenia. Obejmuje to zarówno tekstylne elementy osłonowe, jak i materiały funkcjonalne przeznaczone do specjalnych środowisk operacyjnych.
• Badanie elementów konstrukcyjnych z kompozytów włóknistych w celu oceny koncepcji lekkich struktur pod obciążeniem mechanicznym.
• Charakterystyka tworzyw sztucznych jako surowca na komponenty i powierzchnie poprzez badania wskaźnika szybkości płynięcia
• Charakterystyka materiałów metalowych na komponenty strukturalne i elementy obudów, na przykład pod kątem wytrzymałości, zachowania podczas odkształcenia lub właściwości przetwórczych.
• Badania dynamiczne typu crash i impact w celu odwzorowania upadków i kolizji oraz weryfikacji krytycznych procesów niszczenia konstrukcji.
• Badanie materiałów typu Softskin takich jak silikon lub TPU, do zastosowań z bezpośrednią interakcją człowieka z robotem.

Firma ZwickRoell oferuje wsparcie w procesie rozwoju i walidacji dłoni oraz efektorów końcowych, dostarczając rozwiązania do badania siły, funkcjonalności oraz okresu eksploatacji. Dzięki temu możliwe jest przeprowadzanie powtarzalnych walidacji mechanizmów chwytu oraz wykrywanie skrajnych wymuszeń już w fazie projektowej:

• Pomiary siły chwytu do oceny bezpiecznej manipulacji i przenoszenia siły podczas chwytania najróżniejszych obiektów.
• Pomiary siły palców do analizy poszczególnych ruchów chwytnych i manipulacyjnych oraz odporności na obciążenia filigranowych aktuatorów.
• Badania funkcjonalne i żywotnościowe dłoni oraz efektorów końcowych w celu oceny zużycia, powtarzalności pozycjonowania i wytrzymałości zmęczeniowej pod wpływem obciążeń cyklicznych. Badania te stają się szczególnie istotne w przypadku zastosowań, w których przez długi czas wykonywane są powtarzalne operacje chwytania i manipulacji.

• Badania baterii w celu oceny właściwości materiałowych, odporności na obciążenia mechaniczne oraz niezawodności systemów bateryjnych.
• Badanie kabli zasilających i światłowodowych pod kątem siły maksymalnej oraz obciążeń zginających i skręcających.
• Badanie złączy wtykowych w celu wyznaczenia sił trzymania i wyciągania.
• Badanie zespołów elektronicznych (PCB) pod kątem obciążeń gnących, podatności na odwarstwianie oraz połączeń klejowych.

Rozwój robotyki humanoidalnej postępuje obecnie szybciej niż normalizacja. Dlatego wielu producentów już dziś opiera się na istniejących przepisach, dotyczących robotyki i bezpieczeństwa maszyn. Jednocześnie trwają prace nad ISO 25785, która stanowi dedykowaną normę bezpieczeństwa dla humanoidalnych systemów robotycznych .

Wśród istotnych punktów odniesienia znajdują się między innymi:

• ISO 13482 dla robotów osobistych i usługowych, które pracują w bezpośrednim otoczeniu człowieka
• ISO 10218 dla robotów i systemów zrobotyzowanych w środowisku przemysłowym
• ISO 12100 do oceny ryzyka i zmniejszania ryzyka
• IEC 62061 dotycząca bezpieczeństwa funkcjonalnego systemów sterowania związanych z bezpieczeństwem
• ANSI RIA R15.08 dotycząca mobilnych systemów zrobotyzowanych
• ISO/CD 25785-1 dotycząca dynamicznie stabilnych robotów mobilnych (w przygotowaniu)

Cechą wspólną tych przepisów jest nacisk na wytrzymałość zmęczeniową, odporność na zużycie, wytrzymałość materiału, odporność na wpływy środowiskowe oraz dowiedzenie bezpiecznego działania w całym cyklu życia. W rezultacie badania materiałowe, badania funkcjonalne oraz próby żywotności zyskują na znaczeniu już we wczesnych fazach rozwoju.