Kleine oplages ultraprecieze producten worden nu haalbaar. Een doctoraalstudent van EFPL’s Laboratory of Robotic Systems heeft een prototype ontwikkeld voor modulaire industriële robots, gebaseerd op de techniek van parallelle robots, die tot op nanoschaal precies kunnen werken.
Lego-robot
Legolas bestaat uit dit soort kubussen, waardoor de robot in heel veel vormen is te monteren.
Legolas, genoemd naar de altijd raak schietende elf uit de Lord of the Rings-trilogie van Tolkien, is uit componenten opgebouwd, net als Legosteentjes. Deze verrassende combinatie is bereikt door Murielle Richard in het kader van haar doctoraalonderzoek in het Laboratory of Robotics Systems (LSRO) van EPFL. Haar doel was een industriële robot te creëren die in staat zou zijn een variabel aantal “vrijheidsgraden” te bereiken al naar gelang de behoeften van de gebruikers. “Normaliter duurt de ontwikkeling van een hoge-precisie robot twee tot drie jaar en is erg kostbaar. In de op dit moment zeer snel veranderende industrie, bijvoorbeeld de horlogemakersindustrie, is dat veel te langzaam.”, legt de studente uit. Ook maken de kleine oplages een duur ontwikkeltraject voor een robot onhaalbaar.
Om de ontwikkeltijd terug te brengen, bedacht Murielle een modulair systeem dat een erg beperkt aantal blokken bevat: actieve of passieve componenten – die wanneer ze gecombineerd worden, robotbouwers vrij eenvoudig in staat stellen snel een groot aantal verschillende types robots te ontwikkelen. “Mijn benadering bestond er uit, een drie-dimensionaal complex probleem terug te brengen tot een combinatie van problemen in twee dimensies”, aldus Richard. In de praktijk komt haar vinding neer op “platen”, uitgerust met motoren, die in één tot drie vrijheidsgraden (bewegingsrichtingen) bewegen. Deze worden op een kubus met ribben van 10 cm aangebracht. Afhankelijk van hun type en individuele eigenschappen, zijn tot zes vrijheidsgraden (drie in elke dimensie en drie draairichtingen) mogelijk voor een willekeurig punt op één van de kubussen. Op dat punt kan een stuk gereedschap, bijvoorbeeld een robothand of een boor, worden bevestigd. Het concept van Richard werd beschreven in een in 2011 verschenen artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Mechanical Sciences.
Gebaseerd op de Delta robot
De Delta robot bestaat al en kan extreem snel en precies lichte voorwerpen manipuleren.
De technische grondslag van Murielle Richard’s robotproject is in feite een specialiteit van EPFL. Het samenvoegen van deze verschillende “platen” resulteert in een “parallelle ” robot. Het principe is al gebruikt door de directeur van het onderzoekslab, Raymond Clavel (co-auteur van het artikel). Hij gebruikte dit principe bij het ontwikkelen van de Delta-robot die op dit moment vooral in de verpakkingsindustrie wordt gebruikt.Een delta-robot heeft veel weg van een spin met drie poten die aan elkaar gehecht zijn, zie foto.
Het feit dat verschillende onderling beweegbare onderdelen de eind-effector (het deel dat de bewerking uitvoert) besturen geeft het apparaat een grotere precisie, zoals je iets met twee handen nauwkeuriger vast kan pakken dan met één hand. Door de stabielere constructie kan de robotarm ook veel sneller bewegen. Erg handig als je je productiesnelheid flink wilt opvoeren. Deltarobots kunnen tot driehonderd items oppakken. Per minuut. Daar kan geen sweat shop met uitgehongerde fabrieksarbeiders tegenop.
Voor deze nieuwe toepassing gebruikt Murielle Richard de mechanische eigenschappen van flexibele parallelle structuren. Elk van de “platen” van de robot is samengesteld uit parallelle elementen die met zeer dunne metalen banden worden gekoppeld. De platen worden via vonkerosie uit een massief blok metaal uitgesneden. Omdat deze onderdelen extreem nauwkeurig zijn vervaardigd, is de robot in staat, in iedere richting bewegingen te maken met uiterste precisie.
Vijftig atomen breed
De bedenkers verwachten dat de industrie erg veel interesse zal hebben in deze technologie. Geen wonder. De robot is nauwkeurig tot vijf nanometer precies. Dat is vijftig atomen breed. De kleinste bacterie is bijvoorbeeld nog tweehonderd nanometer breed en de beste chip-etsers halen nu rond de twintig nanometer. Met deze robot zou je in principe in je schuurtje nanorobotjes in elkaar kunnen zetten (al is een elektronenmicroscoop dan wel erg handig). Horlogemakers, optische bedrijven en microtechnologiebedrijven zullen waarschijnlijk zeer veel interesse hebben in deze robot. Dit betekent weer de volgende stap naar een nieuwe techniek, waarbij met behulp van veel minder grondstoffen, veel meer gedaan kan worden.
Bronnen
1. High-precision robots available in kit form
2. M. Richard en R. Clavel, Concept of modular flexure-based mechanisms for ultra-high precision robot design, Mechanical Sciences
