Aktory pneumatyczne i hydrauliczne w robotyce i sterowaniu procesami

Nikt chyba nie zaprzeczy, że obecnie, jeżeli chodzi o człowieka, jako zawodowo „konsumenta” postępu technologicznego, jego rola tak naprawdę przejawia się w byciu jedynie tzw. operatorem. Sprowadza się to najczęściej do wykonywania powierzonego mu zadania przy użyciu innych urządzeń specjalistycznych lub systemów, za pomocą których ten operator wtedy steruje, programuje, uruchamia, monitoruje pracę, itp. 
Nikt nie zaprzeczy również, że w niedługim czasie należy się spodziewać i tego, że rola człowieka w wykonaniu powierzonego mu zadania sprowadzona zostanie z roli operatora do roli tylko tzw. obserwatora, który nie będzie miał zupełnie wpływu na powierzone mu to zadanie w takim sensie, w jakim to było dotychczas, a jedynie będzie potwierdzał stopień realizacji zadania. Umożliwi to nieustanny postęp technologiczny w dziedzinach takich jak sztuczna inteligencja (ang. artificial intelligence). Jednak to zagadnienie jeszcze musi poczekać na jego dokładne omawianie, jednak w literaturze można już zanotować nieznaczne pojawienie się tej tematyki.

Należy zaznaczyć, że udział człowieka jako operatora w realizacji powierzonego mu zadania rozciąga się przykładowo od nadzorowania nowoczesnych procesów technologicznych, w których może on np. występować jako osoba decyzyjna po analizie otrzymanych w trybie ON-Line tzw. map synoptycznych kontrolowanego procesu, dalej, może występować jako operator nowoczesnych maszyn drogowych, którymi steruje jedynie za pomocą umieszczonego w swojej kabinie tzw. joysticka (o sposobie działania i używania znanym z gier komputerowych), a skończywszy na tym, że może być zdalnym pilotem w uznanym za bardzo kontrowersyjne sterowaniu tzw. dronem, zwłaszcza szpiegowskim, który wykonuje zadanie wojskowe, będąc oddalonym od „swojego” pilota niejednokrotnie o tysiące kilometrów. (W niektórych krajach, które używały dronów na terenach objętych działaniami wojennymi toczone były dyskusje na temat etyki w stosowaniu takich maszyn).
Do udziału człowieka jako operatora zaliczymy również bezprzewodowe oraz przewodowe sterowanie, monitorowanie, programowanie, przeprogramowywanie zadań, itp. pojazdów mobilnych bezzałogowych, których dziedziny i zakres wykorzystania trudno by było wymienić bez znacznego powiększania objętości niniejszej publikacji. W tych zastosowaniach np. wymieniony wcześniej kabinowy joystick, pobudzany wcześniej fizycznie przez kierowcę-operatora tej maszyny celem wywołania odpowiednich funkcji sterujących pojazdem lub urządzeniami na nim zainstalowanymi zastąpiono instrukcjami, które przekazywane są przez tegoż operatora zdalnie z wykorzystaniem odpowiedniego protokołu transmisji sygnałów. Jednak, jak Czytelnik na pewno zauważy, rola człowieka jako operatora została zachowana. Nie jest on jeszcze tylko obserwatorem.     
Aby można było sprowadzić działania człowieka (który dotychczas był projektantem, wytwórcą, kierowcą, pilotem, ślusarzem, szlifierzem, itp.) do roli wyłącznie operatora, postęp technologiczny „opracował” odpowiednie urządzenia wykonawcze, które od tego momentu zaczęły stopniowo wypierać bezpośrednią siłę fizyczną, najczęściej rąk ludzkich, która wcześniej musiała być przyłożona celem wykonania określonego zadania. Zatem, człowiek dalej jest operatorem, ale już tylko pośrednio za pomocą opracowanych urządzeń wykonawczych, którymi posługuje się celem oddziaływania na powierzony mu segment otoczenia w pracy. 
Ponieważ, jak Czytelnik zapewne zauważył, poruszana tematyka związana będzie stricte z mechatroniką, można śmiało podkreślić, że urządzeniami wykonawczymi, o których będzie mowa to tzw. aktory (ang. actuators).

Należy podkreślić, że aktory pomimo zaprzęgnięcia do ich zaprojektowania i wykonania najnowszych osiągnięć nauki i techniki, nie są urządzeniami działającymi od początku do końca, czyli od momentu ich uruchomienia do momentu ich zatrzymania (wyłączenia) zupełnie samoistnie. Owszem, po uruchomieniu aktora poprzez działania najpierw człowieka i później algorytmu sterowania realizuje on określoną pracę, przewidzianą jego zastosowaniem, jednak aktor nie posiada wbudowanego „mózgu”, który samoczynnie go uruchomi i zatrzyma.
Ogólnie można stwierdzić, że każdy aktor, czy to pneumatyczny czy hydrauliczny, wymaga dla swojego uruchomienia sygnału (np. elektrycznego, jeżeli aktor jest w „wydaniu” mechatronicznym), wypracowanego najczęściej w algorytmie sterowania urządzenia sterującego (np. sterownika PLC) i dostępnego w jego module wyjść, oraz wymaga odpowiedniego źródła energii, w naszym przypadku sprężonego medium (np. sprężonego powietrza lub oleju hydraulicznego), doprowadzonego do odpowiedniej końcówki (wejścia) aktora. 
Podsumowując, każdy aktor jest urządzeniem wykonawczym, przez które urządzenie sterujące oddziaływuje na kontrolowany przez siebie system zrobotyzowany lub mechatroniczny. Sprowadzając powyższe do niniejszej publikacji powiemy zatem, że aktor, o którym mowa jest zainstalowany w pojeździe mobilnym załogowym lub bezzałogowym lub na hali produkcyjnej, która uruchomiona została dla procesów produkcji wyrobów.      
Rysunek 1 ilustruje przykład rozwiązania aktora do chwytania elementów robota mobilnego bezzałogowego gąsienicowego SCOUT, opracowanego w Polskim Instytucie Automatyki i Pomiarów w Warszawie. Widoczny na tym rysunku aktor złożony jest z dwóch ramion głównych, przemieszczających się przeciwsobnie w jednej płaszczyźnie. Każde ramię chwytaka zakończone jest rodzajem prostokątnej, przegubowo zawieszonej na tym ramieniu „stopki”, co w efekcie umożliwia ściskanie (uchwycenie) elementów niezbędnych do transportu tym robotem mobilnym. Przegubowo zawieszone stopki przemieszczane są obrotowo dwoma ramionami pomocniczymi, w efekcie czego obrót tych stopek zsynchronizowany jest z ruchem każdego ramienia chwytaka. To zsynchronizowanie ruchu stopek z ramionami chwytaka ma na celu zapewnienie optymalnego przylegania stopki do chwytanego przedmiotu bez względu na jego (oczywiście) dopuszczalne gabaryty. Jednak „gołym okiem” widać, że optymalnym kształtem przedmiotu dla chwytaka z rysunku 1 będzie kształt prostopadłościanu.

 

Rysunek 1: Aktor do chwytania przedmiotów robota mobilnego SCOUT

Z kolei rysunek 2 również ilustruje aktor (jako zespół) do chwytania przedmiotów, ale podciśnieniowy, który wykorzystywany jest na hali produkcyjnej. Do widocznej na rysunku ruchomej bazy zamontowanych jest dwa rzędy podciśnieniowych elastycznych ssaw po osiem w każdym rzędzie. Dotyk zespołu aktora do chwytanego przedmiotu (na rysunku są to pudełka) powoduje zamknięcie przez ten przedmiot wylotów określonej liczby ssaw, czyli de facto uszczelnienie kanału pneumatycznego. Pojawienie się potem podciśnienia w każdym z tych kanałów powoduje, że ssawa „chwyta” przedmiot z określoną siłą na tyle wystarczającą, aby przemieścić potem ten przedmiot w polu działania tego aktora, najczęściej w płaszczyźnie trójwymiarowej. Widać z rysunku 2, iż aktor ten jest na tyle uniwersalny, że może chwytać większe oraz mniejsze przedmioty w zależności od potrzeby. Jednak należy pamiętać o tym, iż siła przyciągania przedmiotu przez pojedynczą ssawę jest niewielka (czytaj: znacznie mniejsza) w porównaniu z większą liczbą ssaw w każdym rzędzie.  

 

Rysunek 2: Aktor podciśnieniowy do chwytania przedmiotów firmy Schmalaz

W związku z wypełnieniem postawionego sobie jako autora niniejszej publikacji zadania, czyli zilustrowania Czytelnikowi m.in. budowy, konstrukcji oraz wykorzystania aktorów pneumatycznych i hydraulicznych, które znalazły zastosowanie w robotyce mobilnej i sterowaniu procesami, publikację podzielono na cztery moduły:

• Wykorzystanie pneumatyki i hydrauliki w robotyce mobilnej i sterowaniu procesami – w module tym dokonano zilustrowania pojęć, dotyczących pneumatyki oraz hydrauliki, których zrozumienie jest niezbędne dla sprawnego poruszania się po dalszej części materiału.  
• Budowa aktorów pneumatycznych do zastosowań w robotyce mobilnej i sterowaniu procesami - moduł ten ilustruje w postaci odpowiednio dobranych rysunków, parametrów technicznych, itp. rozwiązania aktorów pneumatycznych, które wykorzystywane są w robotyce mobilnej oraz sterowaniu procesami. Dokonano przeglądu zastosowań wybranych urządzeń wykonawczych zasilanych sprężonym powietrzem. 
• Budowa aktorów hydraulicznych do zastosowań w robotyce mobilnej i sterowaniu procesami – moduł ten ilustruje w postaci odpowiednio dobranych rysunków, parametrów technicznych, itp. rozwiązania aktorów hydraulicznych, które wykorzystywane są w robotyce mobilnej oraz sterowaniu procesami. Dokonano przeglądu zastosowań wybranych urządzeń wykonawczych zasilanych odpowiednią cieczą, która występuje pod wysokim ciśnieniem.
• Przykłady wykorzystania aktorów pneumatycznych i  hydraulicznych w robotyce mobilnej i sterowaniu procesami - moduł ten ilustruje praktyczne przykłady wykorzystania aktorów pneumatycznych oraz hydraulicznych w robotyce mobilnej oraz sterowaniu procesami. Dokonano przeglądu zastosowań ww. aktorów w wybranych aplikacjach.

Autor niniejszej publikacji zaznacza, że powstała ona w ramach programu NERW OKNO Politechniki Warszawskiej, którego materiały dostępne są według zasad tzw. Otwartych Zasobów Edukacyjnych. Dodatkowo, poza materiałem, obejmującym cztery moduły publikacji przygotowano i opracowano materiały testowe, które powinny posłużyć Czytelnikowi do sprawdzenia we własnym zakresie zrozumiałości zilustrowanego w każdym module materiału oraz opracowano materiały multimedialne, które będą również dostępne dla Czytelnika. 
Na zakończenie przedmowy autor podkreśli, że odbiorcami niniejszej publikacji mogą być Czytelnicy, zajmujący się zawodowo projektowaniem urządzeń wykonawczych, które mają zastosowanie w zrobotyzowanych podwoziach pojazdów mobilnych oraz projektowaniem systemów mechatronicznych, które mogą być wykorzystywane w procesie produkcji różnych wyrobów. Niniejsza publikacja będzie również przydatna dla studentów wydziałów elektrycznych, informatycznych, mechatronicznych, itp., różnych uczelni technicznych, czyli wszędzie tam, gdzie występuje kształcenie studentów na kierunku Mechatronika, Robotyka lub specjalnościach pokrewnych mechatronice i robotyce. Za wszelkie uwagi dotyczące prezentowanego materiału autor będzie bardzo wdzięczny. Czytelnicy mogą je kierować drogą elektroniczną na adres e-mail: zbigniew.seta@pw.edu.pl.