I fili ultrasottili in nichel-titanio che controllano il movimento delle quattro dita del prototipo possono generare e rilasciare rapidamente un potente vuoto attraverso ventose situate sulla punta delle dita della mano artificiale. Gli ingegneri dimostreranno il potenziale della loro tecnologia alla Fiera di Hannover (dal 30 maggio al 2 giugno, Padiglione 2, Stand B28).

Nelle moderne linee di assemblaggio automobilistico, i robot industriali che movimentano e posizionano componenti pesanti della carrozzeria sono parte integrante del processo di assemblaggio dei veicoli. Tuttavia, i sistemi di presa di cui sono dotati questi bracci robotici non sono in genere molto adattabili. Spesso sorgono problemi quando la pinza robotica deve passare a manipolare un oggetto di forma diversa, ad esempio cercando di afferrare il pannello della portiera di una berlina dopo aver maneggiato la portiera di una station wagon. La flessibilità non è una caratteristica fondamentale di questi sistemi convenzionali. Se la nuova portiera ha un'apertura proprio nel punto in cui la pinza dovrebbe afferrare il pannello, sarà necessario l'intervento di un altro robot oppure la situazione si complicherà, poiché il robot originale dovrà essere riattrezzato e riprogrammato. “Attualmente, gli effettori terminali dei robot – il termine tecnico per le pinze – possono afferrare ripetutamente solo lo stesso oggetto, soprattutto quando il processo di assemblaggio prevede la manipolazione di parti piatte o leggermente curve, come lamiere di metallo o vetro”, spiega il professor Stefan Seelecke.

Grazie a un nuovo sviluppo del suo team di ricerca presso il Laboratorio per i Sistemi di Materiali Intelligenti dell'Università della Saarland e il Centro per la Tecnologia di Meccatronica e Automazione di Saarbrücken (ZeMA), in futuro questi robot saranno in grado di eseguire una gamma molto più ampia di operazioni. La tecnologia sviluppata dai ricercatori ha il potenziale per migliorare l'adattabilità degli effettori terminali, consentendo loro di essere rapidamente riprogrammati per adattarsi a un nuovo pezzo senza interrompere l'operazione di assemblaggio, o di eseguire queste regolazioni autonomamente utilizzando algoritmi di apprendimento automatico. Questo tipo di sistema di presa e manipolazione adattabile può contribuire a rendere più flessibili le operazioni di produzione e assemblaggio, soprattutto considerando che il nostro sistema attuale non è "Non richiede macchinari pesanti o azionamenti elettrici o pneumatici. Tutto ciò di cui ha bisogno è una fonte di energia elettrica", afferma Stefan Seelecke.

Il sistema prototipo è il risultato di numerosi progetti di ricerca e tesi di dottorato. Il sistema nel suo complesso presenta diverse innovazioni ingegnose e all'avanguardia nel campo della robotica, come un effettore terminale articolato che utilizza muscoli artificiali per consentire alle quattro dita di muoversi in qualsiasi direzione. Come una mano umana, il manipolatore robotico può adattarsi per afferrare oggetti di forme diverse e può quindi evitare, ad esempio, i fori nel pannello della portiera di un modello di auto diverso. "Pertanto, il nostro sistema non è limitato a componenti con la stessa geometria", afferma Paul Motzki, ingegnere laureato che ha contribuito allo sviluppo del sistema durante la sua ricerca di dottorato. Un'altra caratteristica del prototipo di Saarbrücken, in cui supera la mano umana, è la presenza di ventose sulla punta delle dita, il che significa che qualsiasi oggetto afferrato dalla pinza verrà trattenuto in modo estremamente sicuro.

Le fibre muscolari artificiali che controllano il movimento delle braccia, delle dita e delle ventose sono costituite da fasci di fili a memoria di forma. Se una corrente elettrica viene fatta fluire attraverso questi fili di nichel-titanio, la lega si riscalda e la sua struttura reticolare si trasforma in modo tale che il filo si accorci. Quando la corrente smette di fluire attraverso il filo, questo si raffredda e si allunga di nuovo. "I fasci di fili ultrasottili offrono un'ampia superficie attraverso la quale il calore può essere trasferito in modo molto efficiente, quindi il processo di raffreddamento e allungamento è molto rapido", spiega Paul Motzki. Pertanto, i muscoli artificiali possono tendersi e flettersi rapidamente come le fibre muscolari umane, il che significa che le quattro dita muscolari della pinza robotica possono muoversi e rispondere ai cambiamenti con grande velocità. Nonostante le loro piccole dimensioni, questi fili possono generare una notevole forza di trazione. Infatti, questi fili a memoria di forma hanno la più alta densità di energia di qualsiasi meccanismo di azionamento conosciuto", afferma il ricercatore.

È sufficiente un breve impulso elettrico per generare e rilasciare un potente vuoto. Questo permette al braccio robotico di afferrare oggetti e spostarli liberamente in tutte le direzioni. Il sistema non richiede aria compressa per generare il vuoto, è silenzioso e può essere utilizzato in camere bianche. Non è necessaria ulteriore alimentazione elettrica mentre la pinza tiene un oggetto, anche se questo deve essere afferrato per un periodo prolungato o tenuto inclinato. Per costruire il meccanismo di presa a vuoto, i ricercatori dispongono fasci di fili ultrasottili, come un muscolo circolare, attorno a un sottile disco metallico che può ruotare verticalmente, in modo simile a un giocattolo a forma di rana. Il disco metallico è fissato a una membrana di gomma e, quando viene applicato un impulso elettrico ai fili, questi si contraggono, causando la rotazione del disco nella posizione desiderata. Questo tira la membrana e, se la pinza è a contatto con una superficie piana e liscia, crea un forte vuoto.

La pinza reagisce con grande velocità e precisione. Nei bracci robotici convenzionali, la massa del braccio limita l'accelerazione raggiungibile. "La nostra tecnologia ci permette di creare sistemi leggeri con un'eccellente manovrabilità", spiega Paul Motzki. Il sistema è controllato da un chip a semiconduttore. Non sono necessari altri sensori: "I cavi a memoria di forma fungono da sensori completamente integrati che ci forniscono tutti i dati necessari. L'unità di controllo è in grado di correlare con precisione i dati di resistenza elettrica con il grado di deformazione del cavo". "In ogni momento, il sistema conosce la posizione esatta di ciascun fascio di fili a memoria di forma", spiega Motzki. Pertanto, gli ingegneri possono programmare il sistema per eseguire movimenti molto precisi e, a differenza dei sistemi attualmente in uso, il prototipo può essere riprogrammato anche mentre il braccio di assemblaggio è in funzione.

Poiché i fili in nichel-titanio hanno proprietà sensoriali, il braccio può rilevare se l'oggetto non è tenuto saldamente. Se rileva che il vuoto non è sufficientemente forte, reagisce stringendo la presa. Può anche emettere avvisi in caso di malfunzionamento o affaticamento del materiale. "Grazie alla funzionalità dei sensori integrati, il nostro sistema ha un monitoraggio dello stato integrato", afferma Paul Motzki, che, insieme al professor Seelecke, ha fondato mateligent GmbH con l'obiettivo di implementare questo e altri sistemi di materiali intelligenti nell'industria.