Na rynku dostępnych jest wiele rodzajów chwytaków do robotów, które różnią się m.in. ze względu na konstrukcję, zasadę działania oraz rodzaj zastosowanego napędu. Znajdują one zastosowanie w różnych zadaniach, jakie wykonują roboty przemysłowe, ale środowisko przemysłowe przynosi także nieoczywiste wyzwania, z którymi standardowe chwytaki sobie nie poradzą. Pojawia się więc przestrzeń do wprowadzania nieszablonowych projektów.

Odpowiednio dopasowany do konkretnej aplikacji chwytak powinien gwarantować precyzję, stabilność i bezpieczeństwo podczas przenoszenia detali. Problemem są jednak przedmioty, które są bardzo małe, wytworzone z delikatnego i kruchego materiału albo o bardzo nieregularnej i nietypowej strukturze. W takich sytuacjach rozwiązaniem mogą być specjalne konstrukcje, które pozwalają na manipulowanie przedmiotami wymykającymi się poza standardowe ramy codziennych procesów przemysłowych.

Inspiracja płynąca z natury

Przenoszenie delikatnych przedmiotów bez ich uszkodzenia jest nie lada wyzwaniem dla robotów. Z rozwiązaniem tej kwestii przyszli naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). Stworzyli oni nietypowy chwytak, który zbudowany jest z wielu cienkich rurek zawijających się wokół przenoszonego obiektu.

Zauważyli oni, że w przypadku wielu laboratoryjnych chwytaków robotycznych, które mają podnosić przedmioty delikatne lub o mocno niestandardowym kształcie, łączy się algorytmy uczenia maszynowego, skomplikowane systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym i liczne czujniki z umiejętnościami operatora. Szukając prostszego sposobu, badacze zwrócili się w kierunku natury.

Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

Inspiracją były między innymi owadożerne rośliny i meduza chwytająca swoją ofiarę. Chwytak SEAS wykorzystuje wiele długich rurek, z których jedna strona ma grubszą gumę niż druga. Po wypełnieniu płynem rurki owijają się wokół docelowego obiektu. Każda z nich ma delikatny dotyk, aby zapobiec uszkodzeniu przedmiotu. Połączony wysiłek wielu zaplątanych rurek wokół nawet dziwnie ukształtowanych przedmiotów daje chwytakowi wystarczającą siłę do podnoszenia i przytrzymania. Naukowcy zapewniają, że jest to możliwe bez konieczności stosowania zestawu zaawansowanych czujników czy kontroli sprzężenia zwrotnego. Zaplątany obiekt może być następnie uwolniony poprzez usunięcie płynu z pustych rurek.

Róża do zadań specjalnych

Podobnym rozwiązaniem jest urządzenie ROSE (ROtation-based-Squeezing grippEr) opracowywane w Japan Advanced Institute of Technology. Chwytak składa się z miękkiej, elastycznej elastomerowej tulei w kształcie lejka, zamontowanej na sztywnej okrągłej podstawie. Jest ona połączona z siłownikiem elektrycznym, który może ją obracać.

JAIST

Podczas podnoszenia delikatnego przedmiotu robot opuszcza na niego otwarty rękaw, dzięki czemu duża ilość elastomeru styka się z bokami przedmiotu. Siłownik następnie obraca podstawę, powodując, że tuleja delikatnie się marszczy i owija wokół przedmiotu, który można podnieść, przesunąć, a następnie zwolnić, obracając tuleję w przeciwnym kierunku.

Siła tkwi w prostocie

Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali nowatorski chwytak robotyczny oparty na zwykłej taśmie mierniczej. Urządzenie o nazwie GRIP-tape (Grasping and Rolling In-Plane) rozwiązuje problem istniejących chwytaków rozszerzalnych, które są zwykle masywne i wymagają dodatkowych mechanizmów.

Taśma miernicza jest jednocześnie wytrzymała i elastyczna, można ją przechowywać w małym pojemniku, a po rozwinięciu osiąga znaczny zasięg.

University of California, San Diego

Chwytak posiada dwa „palce” wykonane z dwóch szpul – każdy może poruszać się niezależnie, a jego dodatkowym atutem jest wydłużanie, które pozwala sięgnąć do oddalonych obiektów, oraz przybliżyć, aby przybliżyć przedmioty do ramienia robota. Ponadto cała długość taśmy może tu posłużyć jako powierzchnia chwytająca. Działa ona wtedy jako przenośnik taśmowy. Z tego też względu po dalszym rozwoju technologii możliwe, że znajdzie ona swoje zastosowanie w rolnictwie przy zbieraniu owoców i warzyw bez ryzyka ich uszkodzenia.

Łapa czy trąba

Wspomniana wcześniej meduza nie jest jedynym zwierzęciem, które stanowiło inspirację dla naukowców rozwijających technologię efektorów końcowych. Firma OnRobot posiada w ofercie chwytak Gecko Single Pad, który nawiązuje swoim działaniem do sposobu, w jaki porusza się gekon. Miliony cienkich włókien, wywierając siłę van der Waalsa, przyczepia się do powierzchni przenoszonego przedmiotu nie pozostawiając przy tym żadnych śladów. Technologia ta nie wymaga sprężonego powietrza ani zewnętrznego zasilania, co pozwala zaoszczędzić na kosztach i konserwacji.

OnRobot

Na uwagę zasługuje także odkrycie naukowców z Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM) reklamowane jako „pierwsza na świecie ręka robota imitująca trąbę słonia”. Łączy ono w sobie możliwości chwytaka w formie pazurów z chwytakiem ssącym. Przewody napędzane pneumatycznym siłownikiem są prowadzone przez środek tej miękkiej struktury i zmieniają kształt efektora po aktywacji, umożliwiając częściowe złożenie się jego szczypiec w celu ściśnięcia i chwytania obiektów, podczas gdy osadzone mikrokanaliki tworzą uszczelnienie próżniowe, zwiększając w razie potrzeby siłę chwytu. Oznacza to, że chwytak może podnosić przedmioty o różnych kształtach, rozmiarach i wadze. 

Niedościgniona poręczność ludzkiej dłoni?

Choć powyższe przykłady są na pewno interesujące, musimy pamiętać, co tak naprawdę jest najbardziej poręcznym narzędziem na świecie. To oczywiście ludzka dłoń. Niewykluczone jednak, że może się to wkrótce zmienić. Inżynierowie ze szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie (EPFL) opracowali rękę robota, która przewyższa ludzką zręczność w kontrolowanych zadaniach manipulacyjnych.

Ręka robota, wyposażona w sześć identycznych palców zakończonych silikonowymi końcówkami, jest w stanie wykonywać 33 różne rodzaje ruchów chwytnych charakterystycznych dla człowieka. W przeciwieństwie do budowy ludzkiej dłoni ręka ta ma jednak symetryczną konstrukcję, co daje jej dodatkowe możliwości manipulacyjne.

2025 LASA/CREATE/EPFL CC BY SA

Co więcej, jej dwa skrajne palce mogą zmieniać położenie, tworząc przeciwstawne kciuki na obu końcach dłoni. Symetryczna konstrukcja eliminuje typowe dla człowieka ograniczenia związane z lewą i prawą dłonią. Do tego palce robota mogą zginać się do tyłu, odwracając w ten sposób niejako położenie dłoni. 

Szczególnie wyróżniającą cechą konstrukcji jest możliwość odczepienia dłoni od ramienia robotycznego i jej samodzielne przemieszczanie się po podłożu – na wzór pająka – w celu sięgnięcia po obiekty znajdujące się poza zasięgiem manipulatora. Badacze określają tę właściwość mianem „loco manipulation", czyli połączenia chwytania z autonomiczną mobilnością. Takie umiejętności sprawiają, że określenia mianem ludzkiej ręki wręcz umniejszają osiągom tego niebagatelnego urządzenia.

Przyszłość w rękach robotów

Rozwiązanie inżynierów EPFL pokazuje możliwy kierunek rozwoju efektorów końcowych. Są one coraz bardziej kompaktowe i wielofunkcyjne. Głośnym przykładem takiego trendu jest ostatni sukces naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT), którzy opracowali opaskę ultradźwiękową umożliwiającą sterowanie robotyczną dłonią w czasie rzeczywistym poprzez naturalne ruchy ręki. 

MIT/Melanie Gonick

Urządzenie zespołu z MIT rejestruje w czasie rzeczywistym pracę mięśni, ścięgien i więzadeł, a następnie – z pomocą algorytmów sztucznej inteligencji – przekształca te dane w dokładne pozycje palców i dłoni. W testach użytkownicy byli w stanie bezprzewodowo sterować robotyczną dłonią, która odwzorowywała ich ruchy niemal natychmiast.

Rynek robotycznych chwytaków będzie zmierzał najpewniej w kierunku przesuwania kolejnych granic elastyczności. Najnowsze innowacje nie ograniczają się do pojedynczych funkcji. Efektor końcowy jest w stanie dostosować się do manipulowania rzeczami o rozmaitych wadze, wielkości i strukturze.

Nowoczesne roboty przemysłowe nie mogą być bowiem uzależnione od chwytaków, które nie są w stanie sprostać skomplikowanym operacjom. To właśnie zaawansowane urządzenia, jak te imitujące ludzką dłoń, wyznaczają kierunek, w jakim będzie podążał rozwój w obszarze chwytaków do robotów.