UNIVERZITET U BAJNOJ LUCI

ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET

Seminarski rad iz Robotike

Vještački mišići

Student: Vladimir StanićIndeks: 33/04

Sadržaj:

1. UVOD..................................................................................................................................................2

2. Pneumatski umjetni mišić - (Eng. Pneumatic artificial muscle - PAM)................................................4

2.1 Istorija razvoja umjetnih mišića..................................................................................................4

2.2 Konstrukcija pneumatskih mišića...............................................................................................6

2.3 Rad McKibbenovog mišića.........................................................................................................7

3. SMA....................................................................................................................................................9

3.1 Jednosmjerni efekt i dvosmjerni efekt.....................................................................................10

4. Elektroaktivni polimeri (Eng. Electroactive polymers -EAPs)............................................................14

4.1 Princip rada EAPs-a...................................................................................................................14

4.2 Ugljeničke nanocijevi za izradu umjetnih mišića..............................................................................16

5. Zaključak...........................................................................................................................................18

6. Literatura..........................................................................................................................................19

1

1. UVOD

Robotika je nauka o robotima, njihovom dizajnu, izradi i primjeni. Prilično je rasprostranjena, i

koristi se u razne vojne, medicinske, proizvodne i mnoge druge svrhe. Big Dog je samo jedan

primjer robota koji se koristi u vojne svrhe (Slika 1). Veoma je bitno napomenuti da se većina

današnjih robota prave po uzoru na ljudske i životinjske izglede, pa samim tim su i oni

napravljeni od softvera (vještačka inteligencija), i harvera (skopa raznih baterija, kablova i

vještačkih mišića).

Slika 1: Big Dog (robot koji se koristi u vojne svrhe) [1]

Mnogo je važno ovdje pomenuti nauku koja se zove Biorobotika. To je termin koji široko

pokriva oblast kibernetike, bionics biology + electronics pa čak i genetskog inžinjeringa kao

kolektivnog istraživanja.

Termin biorobotika se takodje koristi u oblastima koje se bave pravljenjem bioloških

organizama, kao i funkcionalne manipulatore kao roboti ili prilagođavanje bioloških organizama

kao komponente robota.

2

Istaraživanja u biorobotici nastoje da razviju nove tehnologije robota, po uzoru na performanse

ljudskog i životinjskog živčano-mišićnog sistema, što nije ni malo jednostavno, ali, sa napretkom

tehnologije, i ova oblast bilježi odlične rezultate. U stvari nastoji se razviti jedna komponetnta

biorobotičkog sistema a to je vještački mišić i tetiva. Uređaj koji oponaša mišić i tetivu je baziran

na poznavanju statičkih i dinamičkih osobina biološkog mišića i tetive. Matematički model se

koristi za opisivanje njihovih performansi. Ovi modeli služe za poređenje sa vjestačkim

sistemima.

U robotici je teško govoriti o važnijim segmentima. Problemi mehanike, senzora i aktuatora

jednako su važni kao i problem hardvera ili softvera mozga. Za uspješan rad robota je okruženje

jednako važno kao i sam robot. U raspravama o robotima uvijek se zaključi da je sve podjednako

važno i vrlo složeno. Pa, ipak, mnogi savremeni robotičari naznačit će, kao ključne elemente

koji koče brži razvoj robotike, senzore, aktuatore ili energetske izvore.

Jednostavnije rečeno, računari su posvuda i njihov je razvoj neprekidan dok je sa senzorima i

pokretačkim elementima posve druga stvar, mnogo ih je manje i njihov razvoj je

konzervativan.

Neko će primijetiti kako je mala razlika u tome što danas, na primjer, nema neuronskih računara

kao što nema ni mišićnih aktuatora. Stvari nisu jednostavne. Primjer, pojava i masovnija

primjena mišićnih aktuatora korijenito bi promijenila naš odnos prema konstrukciji mašina, ali

to ne znači da bismo se odrekli klasičnih motora koji su oblikovali tehnološku civilizaciju.

Kako bismo shvatili problem s aktuatorima, treba samo zapaziti da u biološkom svijetu, uprkos

različitim varijacijama, postoji funkcionalna unifikacija aktuatora (miofibrila) na organizmima

spektakularnih razlika u dimenzijama.

Insekte s masom od jednog grama, kao i slonove ili kitove višetonske mase, pokreću jednake

miofibrile u mišićima. Suprotno tome, nabrajanje vrsta aktuatora, koji pokreću robote,

poprilično je težak problem: mikro, makro, klasični, električni, hidraulički i pneumatski motori,

pijezo hidraulični, legure koje pamte oblik (Eng. Shape Memory Alloys – SMA), elektroreološki

fluid, aktivni polimeri, McKibbenovi mišići, itd.

Danas najatraktivnijie tehnologije za razvoj umjetnih mišića su SMA, McKibbenovi mišići,

aktivni polimeri. Bitno je i napomenuti da su naučnici u Dallasu stvorili novi material za

pravljenje mišića, koji je čvršći od željeza i tvrđi od dijamanta, a uprkos tome ostaje savitljiv kao

da je od gume.

3

Bilo je mnogo pokušaja da se stvori ljudska anatomija putem mehaničkih sistema. Ljudsko tijelo

je toliko kompleksno da je veoma teško dupliranje i jednostavnih funkcija. Robotika i

elektronika prave velike korake u ovoj oblasti a od posebnog interesa su udovi, ruke i noge.

Da bi reprodukovali ljudski ekstremitet postoji veliki broj aspekata koji se moraju razmotriti:

Sila pritezanja potrebna za manipulaciju objektima (jaja, olovka i razni drugi predmeti)

Funkcionalna koljena tj. sposobnost pokretljivosti

Sposobnost da se osjeti dodir ili objekat (dodirna čula)

Simulacija stvarnih ljudskih pokreta (glatkoća i brzina reagovanja)

Mnoga različita rješenja su predložena za ovaj problem, jedno od riješenja je korištenje umjetnih

mišića tehnikama pneumatskih mišića, pa korištenje Piezoelektrični materijala i SMA.

2. Pneumatski umjetni mišić - (Eng. Pneumatic artificial muscle - PAM)

2.1 Istorija razvoja umjetnih mišića

Godine 1958 R.H.Gaylord izumio je jedan pneumatski aktuator koji je obavljao funkciju

otvaranje vrata i industriske poslove kao što je dizanje, itd. a kasnije 1959 Joseph.L.McKibben

je razvio

Vazdušni aktuator tj. vazdušni mišić (Slika 2). Izvor za pronalazak je ljudski mišić. Oni su

razvijeni za ljude koji imaju problema sa kretanjem. Ovi su mišići zapravo napravljeni od gume

lateksa, pokriveni tkaninom, tako da to djeluje kao bioloski mišić.

4

Slika 2: Šema pneumatskog mišića – McKibbenov model [2]

Prva forma umjetni mišića je razvijena u Brigston kompaniji, poznatoj po gumama. Primarni

material je guma pa se ovi aktuatori zovu i gumo aktoatori, ta istraživanja su se sprovodila u 80

tim godinama. Kasnije 1990 kompanija Shadow Robotic Company (Slika 3) iz Velike Britanije

počela je razvijanje umjetni mišića, te su najčešće korišteni vazdušni mišići, sada su povezani sa

svim humanoidnim robotskim aplikacijama koje su razvijene u zadnje vrijeme. Osim Shadow

Robotic Company, companija The Merlin Humaniform razvija vazdušne mišiće za iste aplikacije,

njihov dizain je nešto drugačiji od Shadow Robotic mišića.

Shadow Dexterous Hand je humanoidna robotska ruka koj je razvijena od kompanije The

Shadow Robot Company u Londonu. Ruka se može porediti sa ljudskom rukom u dimenzijama i

izgledu, i napravljena je sa više stepenina slobode. Ruka je komericijalna, koristi je NASA,

Bielefeld University i Carnegie Mellon University.

Vještačka ruka predstavlja savremeni tehnološki konstrukcijski vrh jer, u odnosu na glasovitu

Bostonsku ruku iz 70. godina 20. st., pokazuje tehnološki napredak. U odnosu na ljudsku ruku,

ona je tek malo bolji kinetički skulptorski konstrukt ograničene vještine i osjetljivosti. Sa

svojim pneumatičnim mišićima i senzorima dodira u jagodicama (taktilama) te opštim

bioničkim pristupom konstrukciji, ona je velik pomak u odnosu na klasično inženjerstvo.

Dovoljno za držanje jajeta ili igle, premalo za sve ono što ljudska ruka može ili znači.

5

Slika 3: The Shadow robot hand system [3][4]

2.2 Konstrukcija pneumatskih mišića

Konstrukcija pneumatskih mišića (Slika 4) sastoje se od unutrašnje gumene cijevi, koja je često

izrađena od čiste lateks gume. Zaglavlje na svakom kraju mišića se sastoji od aluminiskog

prstena i plastični čep sa ureznim navojem. Na ovaj navoj se vezuje crijevo kroz koje cirkuliše

vazduh. Mišići imaju takva dva prstena.

6

Slika 4: Konstrukcija McKibbenovog mišića [5]

2.3 Rad McKibbenovog mišića

Radni koncept McKibbenovog mišića (Slika 4): Unutrašnja gumena cijev je uvijek napuhana

pritiskom do 3,5 bara. Kretanje unutrašnje cijevi je ograničeno. Kada se McKibbenov mišić

napumpa on ostvaruje uzdužno stezanje, tako da bi se time ostvarila vuča na oba kraja cijevi.

Jedan kraj cijevi obično se veže za nešto što će cijev pokretati. Rad vazdušnih mišića približno

liči na rad prirodnih mišića pa otuda i ime mišići pokretani vazduhom.

Na slici 5 prikazuje se fizički izgled mišića u različitim fazama njegovog rada tj. kretanja.

7

Slika 5: Rad McKibbenovog mišića tj. fizički izgled mišića u različitim fazama njegovog rada.

Postoje 2 primarna elementa za upravljane sistemom (Slika 6): hardver i softver. Hardver dio uključuje ventile, relejni sistem i kompjuter a softverski dio za upravljanje sistemom uključuje LabVIEW.

Slika 6: Upravljanje sistema

Kod koji se generiše kroz hardverski dio omogućava upravljanje kompresovanog vazduha koji ili ulazi ili izlazi iz pneumatskog mišića.

Problemi McKibbenovog mišića su: mala sila na krajevima mišića, nelinearnost, znatna histereza, te nepraktičnost na primjer da pacijent uvijek sa sobom mora nositi izvor energije (bocu punjenu gasom). Upotreba McKibbenovog mišića ima smisla samo u manjim i lakšim ortozama koje upotrebljavamo npr. za pomicanje prstiju na ruci.

8

Osnovni sistem McKibbenovog mišića su prikazani na slici 7 i slici 8.

Slika 7: Osnovni sistem McKibbenov mišića (skica)

Slika 8: Osnovni sistem McKibbenov mišića [7]

3. SMA

SMA su poznati pod pojmom “pametni metal”, misli se na materijale koji mjenjaju svoju

mikrostrukturu i svojstva pod djelovanjem uslova okoline (temperature, mehaničkog naprezanja,

hemijskog djelovanja, električnog ili magnetnog polja, svjetlosti i dr.).

Za prirodne materijale to nije novost – drvo npr. je sposobno samo ojačati pod djelovanjem

mehaničkog opterećenja ili ozdraviti ako dođe do oštećenja. Oko 100 godina poznat Hadfield-ov

čelik s 1% C i 12% Mn je prvi umjetan pametan materijal.

9

Kod ovog relativno mekog austenitnog čelika dolazi do otvrdnuća uslijed lokalne transformacije

u martenzit, a zbog visokih specifičnih pritisaka pri trenju ili udaranju. Sličan fenomen je poznat

kod polipropilena gdje na vršku mikropukotine dolazi do plastičnog preustroja molekula i

zaustavljanja rasta pukotine.

Slijedeća faza razvoja obuhvata materijale za senzore i aktuatore. Materijali za senzore su

sposobni transformisati neku veličinu u drugo lakše mjerljivo svojstvo. Aktuatori mogu izvesti

pomake i izazvati (podnijeti) opterećenje, a mogu biti aktivirani promjenama magnetnog i

električnog polja ili temperature.

SMA imaju fazne transformacije pri nižim temperaturama povezane s promjenom volumena i

oblika. Ovi efekti ograničavaju veličinu promjene oblika (Tabela 1). Piezoelektrični materijali

(PE) su prikladni za senzore u uslovima mehaničkog opterećenja i deformacija.

Razvoj SMA legura započinje s legurama tipa Ni-Ti a kasnije se otkrivaju ternarne legure na

bazi Cu: Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al i Cu-Al-Be (+ 0,5 %Si i male dodatke Cr, V, Mn ili Ti), kao i

ostale legure na bazi željeza.

3.1 Jednosmjerni efekt i dvosmjerni efekt

Ponašanje SMA određeno je s tri moguća efekta pri osjetljivosti, oblika:

a) jednosmjerni efekt (pseudoplastičnost) – nastupa prividna relativno velika plastična

deformacija pod djelovanjem naprezanja. Budući da je deformacija posljedica

martenzitne pretvorbe, zagrijavanjem dolazi do povratne pretvorbe i deformacija

isčezava.

b) dvosmjerni efekt – deformacija je posljedica promjene temperature, ali se legura prije

mora “izvježbati” (naučiti). Oba efektra su data na slici 8, jednosmjerni na njenom

lijevom dijelu I dvosmjerni na njenom desnom dijelu.

c) pseudoelastičnost – materijal se nakon strukturne transformacije izazvane naprezanjem

znatno deformira pri konstantnom naprezanju. Nakon rasterećenja deformacija u

potpunosti isčezava.

10

Slika 8: Jednosmjerni efekt i dvosmjerni efekt [9]

Za aktuatore se najčešće koriste SMA s dvosmjernim efektom jer promjena oblika nastupa pri

ugrijavanju i pri ohlađivanju.

Tabela 1: Poredjenje karakteristika nekih važnijih materijala za aktuatore

11

SMA senzori i aktuatori ugrađeni u mostove ili krila aviona, lopatice rotora helikoptera, gdje

mogu reagovati na prekomjerne deformacije ili pojavu pukotina, ili kao dijelovi različitih

biomedicinskih pomagala (npr. umjetna šaka) (Slika 9) i slično. Legura oblika memorije Shape

Memory Alliys oponašaju ljudske mišiće i tetive brlo dobro. SMA su jaki i kompaktni tako da se

koriste za robotske aplikacije, i kretanja koja ostvaruju koja su kompleksna i nemoguća sa na

drugim sistemima.

Slika 9: Umjetna šaka realizovana SMA tehnologijom

Stvaranje ljudskih kretanja pomoću SMA žica je složen proces, ali jednostavno objašnjenje

prikazano na slici 10. Za primjer je prikazan kretanje u jednom pravcu (kao sto je kretanje

jednog prsta). Bias spring je prikazan na slici 10a, i tu se istezanjem žice prst drzi pravim, a

skupljanjem žice se uzrokuje savijanje prsta. Na žicu se djeluje električnim signalom kroz žicu,

vrijeme i veličina struje mogu biti kontrolisani kompjuterskim interfejsom za manipulaciju

zgloba. Na slici 10b je prikazan stvarni izgled SMA mehanizma koji sluzi za pokretanje u ovom

slučaju prsta šake.

12

Slika 10a: Primjer kretanje u jednom pravcu

Slika 10b: Stvarmi izgled mehanizma izrađenog od SMA

Jos uvijek postoje neki izazovi koje treba prevazići prije nego što robotska ruka postane neto

običnija.

Prvo je stvaranje kompjuterskog softvera koji će kontrolisati vještačke mišiće unutar robotske

sistema. Drugo je stvaranje mnogo pokreta koji oponašaju ljudske pokrete (npr. da se savijaju

zglobovi kao sto se savijaju i kod čovjeka). Treći problem je reprodukcija brzine i tačnost

ljudskih refleksa.

13

4. Elektroaktivni polimeri (Eng. Electroactive polymers -EAPs)

EAPs su polimeri koji reaguju na električni signal a rezultat djelovanja električnog stimulansa

je mjenjanje njihove veličine. Alternativa uključuje i pneumatske pristupe koji su postigli neke

uspjehe kao sto je navedeno ali oni ne zavise od kompresora koji su vođeni elektromotorom.

Težina, ograničene dimenzije, kompleksne poluge su ograničili dizajn razvoja vještačkih mišića.

EAPs imaju broj potenicijalnih prednosti nad tradicionalnim pristupima modeliranju vještačkih

mišića. Pored toga EAPs material je superiorniji od SMA sa većim brzinama odziva, niže gustine

i velike otpornosti, kao vještački mišić.

Elektrode, koje proizvode električno polje, postavljene su direktno na dvije suprotne površine

EAPs filma i moraju biti elastične kako ne bi sprečavale deformacije filma. Kada se dovede

napon na elektrode EAPs film mijenja dimenzije. Najatraktivnija karakteristika elektroaktivnih

polimera je njihova sposobnost da oponašaju rad bioloških mišića sa visokim silama pokreta.

EAPs u stvari predstavljaju specijalnu vrstu plastičnih materijala koji pod uticajem električnih

impulsa ili odredjenih hemikalija mjenjaju oblik. Naučnici smatraju da ti polimeri imaju

potencijal da jednoga dana zamjene električne ili hidraulične mišine u vještačkim udovima,

odnosno u robotima.

4.1 Princip rada EAPs-a

Elektrode, koje proizvode električno polje, postavljene su direktno na dvije suprotne površine

EAPs filma i moraju biti elastične kako ne bi sprečavale deformacije filma. Kada se dovede

napon na elektrode EAPs film mjenja dimenzije kao što je prikazano na slici 11. Ukupna

promjena zapremine materijala je mala, zahvaljujući velikom modulu elastičnosti.

14

Slika 11: Princip rada EAPs pretvarača

Eksperimentalno je utvrđeno da elektromehanički odziv EAPs filma prije svega potiče od

slobodnih naelektrisanja u elektrodama, koja se privlače, smanjujući debljinu filma i mjenjajući

druge dvije dimenzije (povećavajući površinu).

Rezultantne deformacije EAPs filma zavise od graničnih uslova, opterećenja polimera, modula

elastičnosti polimera (koji pri velikim deformacijama može biti nelinearan). Takođe, polimeri

često imaju početne deformacije, koje mogu izazvati različite promjene modula elastičnosti u

različitim pravcima. Iz svih navedenih razloga, nije moguće jednostavno odrediti uopštenu

jednačinu za deformaciju polimera.

Slika 12: EAPs pretvarači

15

Na slici 12 prikazani su mogući oblici pretvarača naparavljenih od EAPs polimera. Neke od

prikazanih pretvarača je moguće napraviti i od piezoelektričnih materijala, ali elastičnost i znatno

veća deformacija polimera omogućavaju upotrebu novih oblika EAPs pretvarača.

Na niskim frekvencama, do 500 Hz, izuzetno velike deformacije postignute su kod nekoliko

vrsta elektroaktivnih polimera, kao što su silikonski (relativno povećanje površine preko 100%) i

akril elastomeri (preko 200%). Maksimalne deformacije su postignute pri jačinama električnog

polja od 100 - 400 MV/m.

4.2 Ugljeničke nanocijevi za izradu umjetnih mišića

Od posebnog značaja su ugljeničke nanocijevi (Eng. Carbon Nanotubes - CNT) kao grupa od elektroaktivni polimera. (Slika 13)

Slika 13: CNT

Istraživačima sa Univerziteta u Teksasu uspjelo je napraviti novi materijal jači od čelika i tvrđi

od dijamanta koji jedva da je malo teži od zraka, a koji bi mogao biti savršen odabir za izgradnju

robotskih mišića.

Građen od ugljičnih nanocijevi spletenih u vrpce materijal je u stanju pod djelovanjem električne

struje povećati svoju širinu za 220%, a odmah po isključivanju električne energije u vremenskom

16

rasponu od svega nekoliko milisekundi vraća se u raniji oblik. Prema Rayu Baughmanu sa

Univerziteta u Teksasu, ovo se može iskoristiti za izradu umjetnih mišićnih vlakana koja bi

pokretala robotske zglobove.

Pored velike čvrstine i snage, materijal ima i neke druge neobične osobine, pa dok je po dužini

nerastezljiv, u širinu se rasteže poput gume, a sve svoje karakteristike zadržava u velikom

temperaturnom rasponu od -192 do 1538 °C. Ovo znači da bi roboti opremljeni "mišićima"

napravljenim od ovog materijala mogli raditi u ekstremnim uslovima bilo na Zemlji ili u

svemiru.

Materijal se izrađuje u formi tankih filmova većim dijelom ispunjenih zrakom - poput aerogela, a

kubni centimetar teži svega 1,5 miligrama. Zbog izuzetne tankoće filma, s jednim gramom se

može pokriti površina od 30 kvadratnih metara.

Vrpce aerogela se rade tako da se karbonske nanocijevi premazuju posebnim ljepilom uz jednu

stranu svake cijevi, te se zatim izvlače dok se ne dobije dugačak, tanki film. Do sada su

napravljeni najveći primjeri vrpce aerogela debljine pedesetak milimetra, 16 centimetara široki i

dugački nekoliko metara, ali bi se u industrijskoj proizvodnji mogli dobiti i daleko veći.

Za sada je jedini problem materijala njegova niska gustoća u odnosu na snagu koju daje. Naime,

za istu masu, daje otprilike jednaku snagu kao ljudski mišić, ali kako mu je specifična gustoća

daleko manja, potreban je daleko veći volumen da bi se dobila usporediva snaga. Istraživači već

rade na iznalaženju gušćeg materijala sličnih svojstava.

17

5. Zaključak

Iz ovog seminarskog rada smo dakle mogli zaključiti da su McKibben’s aktuatori dobro razvijene i lako dostupne tehnologije za linearne aktuatore, ali zahtijevaju eksterne komponente poput kompresora koji omogućava težu implementaciju uređaja. Takođe smo vidili da su elektroaktivni polimerski aktuatori ograničeni u svom kretanju, rade dosta tiho tako reći nečujno budući da zahtjevaju visoke napone ili kola za modifikovanje niskonaponskih ulaza, koriste manje snage nego konvencionalni motori i solenoidi. Mnoge su koristi i primjene legura olika memorije SMA, istaživanja se trenutno sprovode u mnogim odjeljenjima robotike. Svakako je činjenica da inovativne ideje za aplikacije i proizvodi iz dana u dan rastu, tako da imaju svijetlu budućnost. SMA aktuatori imaju mnogo potencijala za umjetne mišiće i imaju dobru silu rastezanja, dok se iz ovog seminarskog rada moglo zaključiti da je njihovi najveći nedostatak zamor i visok frekventni odziv.

18

6. Literatura

Reference:

1 http://defense-update.com/features/du-2-07/infantry_load.htm

2 http://www.studentseminars.in/2010/12/mechanical-seminars-paper-presentations_23.html

3 http://www.monstersandcritics.com/tech/features/article_1515376.php/In-Pictures- International-Robot-Exhibition-2009-in-Japan?page=10

4 http://www.theage.com.au/news/businessinnovations/science-reaches-for-the-dream-machine/2007/12/10/1197135508944.html

5 http://www.seminartopicsonline.com/2010/01/air-muscles.html

6 http://not.hr/

7 http://www.imagesco.com/articles/airmuscle/AirMuscleDescription01.html

8 http :// www . robotbooks . com / artificial - muscles . htm

9 http://www.thefullwiki.org/Shape_memory_alloy

10 http://www.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/sma.html

11 http://www.smaterial.com/SMA/sma.html

12 http://en.wikipedia.org

19