Robotica ontworpen voor zware omgevingen

In het volgende artikel bespreken we hoe een bedrijf creatieve ontwerptechnieken en online configuratietools gebruikt om hun nieuwste robotarm en grijper van aangepaste motoren en overbrengingen te voorzien. De robotarm en de grijper zijn geschikt voor de meest uiteenlopende toepassingen.

De CEO van Blueprint Lab, Paul Phillips, heeft zijn passie voor mechatronica met zijn liefde voor surfen en duiken in de oceaan gecombineerd. Het bedrijf, gevestigd in de buitenwijken van Sydney, Australië, ontwerpt en maakt producten die onder zware omstandigheden op de oceaanbodem werken. “Ik besefte al heel vroeg dat fabrikanten van onderzeese voertuigen behoefte hadden aan gespecialiseerde hardware zodat besturing op afstand mogelijk was”, vertelt Paul. Maar zulke instrumenten zelf ontwikkelen was onbetaalbaar en complex. Het team van Blueprint Lab houdt meer van techniek dan van wat dan ook en daarom zijn we vastbesloten om technisch innovatieve producten uit te vinden. We houden inderdaad erg van wat we doen,” legt hij uit.

De Reach Alpha 5 is ’s werelds lichtste onderwaterrobot met vijf functies.

Het unieke verkoopargument van de robotten en grijpers van het bedrijf is de afmeting. De Reach Alpha 5 is volgens Paul de lichtste onderwaterrobot met vijf functies ter wereld. Opgevouwen meet hij slechts ~23x15x4cm (~9x6x1,5-inches)-en is hij ~58cm (~23-inches) bij volledige extensie met een dynamisch bereik van ~40cm (~16-inches). De arm kan 2 kg (~4,4 pond) gewicht dragen bij volledige reikwijdte en een axiale belasting van 100 kg (~220 pond). De sluitkracht van de eindeffector is ongeveer 600 N. De units zijn ontworpen voor dieptes tot 300 meter (bijna 1000 voet).

Als bruikbare aanvulling op elke ROV is de Reach Alpha 5 een volledig elektrisch apparaat dat op 18-30 VDC werkt. Het systeem kan snel en eenvoudig via standaard RS232/RS485-protocollen geïntegreerd worden. Het apparaat biedt een lekdetectiefunctie voorafgaand aan de inzet van het voertuig. De uitwisselbare eindeffectoren omvatten standaard tanggrepen, maar ook vier kaken, speciale herstelkaken, naaldklauwen, zachte kaken, parallelle kaken en touwsnijders. De eenheden zijn hoofdzakelijk gemaakt van hard geanodiseerd AL6061-aluminium. Zowel de armen als de eindeffectoren kunnen worden geproduceerd van roestvrij staal voor zwaardere omgevingen en voor werksituaties waar meer kracht nodig is.

De Reach Alpha 5 wordt aangedreven door DCX-motoren 16mm en overbrengingen van maxon. De motoren zijn zij-aan-zij geïntegreerd, zodat ze efficiënt in beide richtingen kunnen rijden. Een zelf ontworpen regelaar past tussen de motoren waardoor de compactheid behouden blijft. Als eindaandrijving wordt een eveneens zelf ontworpen spiroïde tandwiel gebruikt. Feedback voor het systeem wordt geleverd door een ingebouwde absolute encoder met hall-effect. “Voor de verbindingen waarvoor een hoger koppel nodig is, gebruiken we overbrengingen met een hoog koppel vanwege hun grotere belastbaarheid. Voor andere verbindingen, zoals de grijper en de inline-rotatiemotoren, volstonden de standaard DCX-componenten,” legt Paul uit. 

“Omdat we de hardware, firmware en software voor onze producten zelf hebben ontwikkeld, konden we onze klanten een veel hoger optimalisatie-, service- en supportniveau bieden,” aldus Paul. De grootste uitdaging voor het bedrijf was om het product van het prototype naar de productiefase te tillen. De noodzaak om alles elke keer perfect te krijgen is essentieel om de conformiteit, procesmogelijkheden en herhaalbaarheid in de productie te bieden die klanten eisen. Daarom ziet Blueprint Lab als een van de belangrijkste voordelen van maxon de online configurator waarmee motoren klantspecifiek kunnen worden aangepast – met productie in 11 dagen – zodat klanten 24/7 motoren kunnen bestellen. En daarna kan het product in productiehoeveelheden al naargelang de vraag geleverd worden.

Het maxon DCX programma omvat motoren met een hoge vermogensdichtheid, een hoog rendement en een soepele loop. De motoren zijn beschikbaar voor online configuratie in afmetingen van 6 tot 35 mm. Klanten kunnen kiezen uit edelmetalen of grafietborstels, kogel- of sinterlagers en nog veel meer in een gesloten of frameloos pakket. maxon geeft gebruikers de mogelijkheid om DC- of BLDC-motoren en planetaire overbrengingen en sensoren te configureren en te combineren volgens hun individuele specificaties. Door de verschillende productgeneraties zijn de motor en de overbrengingsverhouding veranderd om beter aan de eisen van de klant te voldoen en om de robuustheid te verbeteren. Paul zegt hierover: “Met de DCX-reeks konden deze veranderingen naadloos worden doorgevoerd zonder dat er een mechanisch ontwerp vereist was. 

Tijdens de ontwikkelingsfase van een actuator kan het bedrijf bijvoorbeeld wel 20 motorvarianten online bestellen voordat hij het juiste product heeft gevonden. Dit bespaart het bedrijf geld, omdat onderzoekstijd veel duurder is. Bovendien stelde het Blueprint in staat om voorafgaand aan de motorkeuze alle beschikbare opties te testen.

maxon’s DCX-motoren van 16mm worden gebruikt in de hele Reach Alpha 5.

Tijdens een brainstormsessie met Bianca Braun en Brett Motum van maxon werden aanvullende ideeën aangedragen. Tijdens de sessie richtten Paul en zijn team zich op maxon controllers. Een eerste wens van het bedrijf was het om een ‘uitgeklede’ versie van maxon’s ESCON-servoversterker ten behoeve van de motordiameters in te bouwen. Het gesprek ging verder over methoden waarbij een controller door een ingenieur kan worden geconfigureerd. De ontwerper zou dan kunnen kiezen uit functies die al in de motorcontroller aanwezig zijn en vervolgens de vorm van de besturing online kunnen configureren. “De openheid bij maxon voor nieuwe ideeën is belangrijk,” vindt Paul.

De meeste robots van het bedrijf worden ingezet op moeilijk bereikbare of gevaarlijke locaties. De units worden gebruikt op ROV’s voor zoekacties en herstelwerkzaamheden, voor de inspectie van offshore-infrastructuur bij olie- en gaswerkzaamheden, voor het verzamelen van monsters voor wetenschappelijk marien onderzoek en voor speciale herstelwerkzaamheden door militairen en civiele hulpverleners. Naast het wetenschappelijke onderzoekswerk in de oceaan kan de Reach Alpha 5 worden gebruikt voor politieacties, militaire operaties, voor explosieve opruimingsdiensten of voor visuele inspectie bij petrochemische en nucleaire operaties.

De opbouw van kerntechnologieën binnen het bedrijf voor de Reach Alpha 5 geeft Blueprint Lab een sterk technisch voordeel ten opzichte van andere bedrijven als het bredere markten wil betreden, zoals markten voor nucleaire, petrochemische, land- en ruimtevaarttoepassingen. “We denken altijd aan de volgende ontwikkelingen”, legt Paul uit. Algoritmen voor machine learning zijn bijvoorbeeld een hot item in het bedrijf, omdat het hardware in zijn nieuwste producten implementeert. Dit moet het bedrijf klaarstomen voor de AI-toekomst.

Blueprint Lab is een vooruitstrevend, techbedrijf met meer dan 20 creatieve ingenieurs die hun werk heel leuk vinden. Paul geeft toe dat hij graag zou zien dat meer vrouwelijke ingenieurs bij het bedrijf solliciteren. “Het zou fantastisch zijn om meer vrouwelijke mechatronische ingenieurs in Australië te zien,” zegt hij. “We zijn altijd op zoek naar dynamische mensen, maar er zijn op dit moment gewoon niet genoeg vrouwelijke afgestudeerden voor de robotindustrie.” 

Het is verbazingwekkend wat er mogelijk is als je de juiste ingenieurs en de juiste producten bij elkaar brengt. Blueprint Lab heeft een missie: het bedrijf wil precisiecomponenten zoals maxon motoren voor zijn producten gebruiken. Dankzij de stijgende vraag naar alle soorten op afstand bediende voertuigen die robotarmen en grijpers gebruiken, zal er nog jaren plek zijn voor bedrijven als Blueprint Lab.