Näkökykyä robotille – 3D-kamerakiinnikkeen suunnittelu ja valmistus
3D-kamerat ja robotit toimivat yhteistyössä nykyaikaisissa automatisoiduissa teollisuuden ratkaisuissa. Ratkaisuissa on yksi yhdistävä tekijä kameran sekä robotin/robottisolun välillä, joka on kamerakiinnike. Ainetta lisäävän valmistuksen ansiosta kamerakiinnikkeestä on mahdollista suunnitella ja valmistaa haluttujen käyttövaatimusten mukainen.
Ainetta lisäävä valmistus tai yleisemmin tunnettuna 3D-tulostus on yleistynyt viime vuosien aikana huomattavasti ympäri maailman eri yrityksissä sekä harrastajien keskuudessa. 3D-tulostus mahdollistaa nopean valmistuksen ideasta fyysiseksi tuotteeksi. 3D-tulostuksen avulla valmistettavasta tuotteesta voidaan suunnitella juuri sellainen kuin halutaan, tosin vaatimuksena tähän on osata käyttää 3D-mallinnusohjelmistoa sekä 3D-tulostuslaitteistoa.
3D-tulostaminen yksinkertaisesti
Perinteiset ainetta poistavat menetelmät, kuten jyrsiminen tai sorvaaminen, ovat yleisesti tunnettuja kappaleiden valmistusmenetelmiä. 3D-tulostus poikkeaa ainetta poistavista menetelmistä kuitenkin siten, että siinä tuotteet valmistetaan sitomalla materiaalia itse itseensä kerroksittain. Tämän ansiosta 3D-tulostuksessa ei synny hukkamateriaalia yhtään tai ei juuri ollenkaan verrattuna materiaalia poistaviin menetelmiin, joissa hukkamateriaalia voi syntyä erittäin paljon.
Erilaisia tulostuslaitteistoja sekä tulostusmenetelmiä on useita, mutta kaikkein yleisimmin käytetty, sekä edullisin vaihtoehto, on materiaalin pursotusmenetelmällä toimivat 3D-tulostimet. Materiaalin pursotusmenetelmässä valmistusmateriaalina usein käytetty kestomuovi pursotetaan lähes sulaneena suuttimen läpi samalla, kun suutin seuraa ennalta määrättyä reittiä.
Ostettu vai omatekoinen?
Miksi antaa opiskelijan suunnitella kiinnike kalliille 3D-kameralle, eikä vain ostaa kameralle sopivaa kiinnikettä, jonka avulla kamera voidaan kiinnittää haluttuun robottiin? Vaikka kiinnikkeen ostaminen suoraan olisi mahdollisesti helpoin vaihtoehto, on itse kiinnikkeen suunnittelemisella ja valmistamisella hyviä puolia, kuten esimerkiksi:
- Opiskelijalle kertyy suunnittelu- ja 3D-tulostuskokemusta
- Mahdollisuus tehdä kiinnikkeestä juuri sellainen kuin tarvitaan
- Oppilaitoksella säästyy rahaa, joka voidaan sijoittaa muualle
- Kiinnike voidaan valmistaa helposti uudestaan mahdollisen rikkoutumisen takia
- Kiinnikkeen 3D-mallin muokkaaminen käytön yhteydessä syntyneiden vaatimusten mukaiseksi
Kiinnikkeen vaatimukset
Turun ammattikorkeakoululle hankittu uusi 3D-kamera haluttiin kiinnittää käsivarsirobottiin, mutta itse kamerakiinnike uupui. Kiinnikkeen puuttumisen takia toivottiin, että vaatimustenmukainen kiinnike valmistettaisiin 3D-tulostamalla. Vaatimuksiltaan kiinnikkeeltä toivottiin seuraavia asioita:
- Kameran kallistamismahdollisuus
- Helppo kiinnitys robottiin
- Kameran nopea irrotus kiinnikkeestä
- Kameran johdon turvaaminen
Suunnitteluprosessi
Kiinnikkeen vaatimusten määrittelyn jälkeen suunnitteluprosessi voi varsinaisesti alkaa. Suunnitteluprosessia ohjasi teknisen tuotesuunnittelun perusteet sekä suunnittelu ainetta lisäävää valmistusta varten, joiden pohjalta suunnitteluprosessi jaettiin kolmeen osaan:
- Ideointivaihe
- Konseptivaihe
- Suunnitteluvaihe
Suunnitteluprosessin aikana arvioitiin erilaisia kiinnikekokonaisuuden ideoita sekä niiden todellista toimivuutta. Ideointivaiheen päämääränä on karkeasti hahmotella mahdollisia ideoita mahdollisimman paljon. Konseptivaiheessa valittuja jatkokehitettäviä ideoita työstetään tarkemmin ja mahdollisesti käytetään 3D-mallinnusohjelmistoa konseptien hahmottamisen helpottamiseksi. Suunnitteluvaiheeseen siirtyessä työstetyistä ideoista valitaan varsinaisesti toteutettava ratkaisu, jota ryhdytään suunnittelemaan yksityiskohtaisemmin 3D-mallinnusohjelmistossa lopullista valmistusta varten.
Suunnittelunaikaiseksi tavoitteeksi asetettiin kehitys yksinkertaisesta kiinnikkeen rakenteesta ja rakenteen kestävyys. Prosessin alussa ideointi- ja konseptivaiheen aikana kehitetyt ideat olivat tarpeettoman monimutkaisia. Niissä kiinnikekokonaisuus koostui useista eri osista, jotka olisivat 3D-tulostuksen jälkeen vaatineet myös enemmän kokoonpanoa. Yksinkertaisemman ratkaisun tullessa ilmi, koko kiinnikekokonaisuuden suunnitteluprosessi selkeni.
Tulokset ja pohdinta
Tehdyn suunnittelun ja valmistuksen lopputuloksena syntyi vaatimusten mukainen kiinnikekokonaisuus 3D-kameralle. Kamerakiinnike suunniteltiin kiristettäväksi robotin työkalulaipan ympärille ruuvin ja mutterin avulla. Rakenne, joka mahdollistaa kameran kallistamisen, on samanlainen kuin action-kameroissa käytettävät korvakekallistimet. Kallistuksen lukitseminen tapahtuu tässäkin tapauksessa ruuvilla ja mutterilla. Kamerakiinnikkeestä erillinen johto-ohjuri pitää kameraan kulkevan johdon turvassa. Valmistettu kiinnikekokonaisuudesta saatiin kokonaisuudessaan suunnitelmien mukaisesti yksinkertainen.
Kiinnikekokonaisuutta on edelleen mahdollista jatkokehittää esimerkiksi suunnittelemalla ergonomisempi ja enemmän vääntöä mahdollistava tähtinuppi, jolla kameran kallistus saadaan kiristettyä haluttuun asentoon helpommin. Kiinnikkeen sekä itse kameran telineen suunnittelussa voitaisiin myös mahdollisesti hyödyntää topologiaa. Topologian avulla kiinnikkeen sekä kameratelineen valmistamiseen kuluisi mahdollisesti vähemmän materiaalia, joka vähentäisi myös valmistamiseen kuluvaa aikaa. Topologian avulla osille saataisiin myös mielenkiintoisampi ulkonäkö.
Lähde:
Haavisto, L. 2025. Robottisolun 3D-kamerajärjestelmän kiinnityksen suunnittelu ja toteutus – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.