Os fios ultrafinos de níquel-titânio que controlam o movimento dos quatro dedos do protótipo podem gerar e libertar rapidamente um vácuo potente através de ventosas localizadas nas pontas dos dedos da mão artificial. Os engenheiros demonstrarão o potencial da sua tecnologia na Hannover Messe (de 30 de maio a 2 de junho, Pavilhão 2, Stand B28).

Nas linhas de montagem de automóveis atuais, os robôs industriais que manipulam e posicionam peças pesadas da carroçaria são parte integrante do processo de montagem de veículos. No entanto, os sistemas de preensão com que estes braços robóticos estão equipados são geralmente pouco adaptáveis. Surgem frequentemente problemas quando a garra robótica tem de mudar para manipular um objeto com um formato diferente, como por exemplo tentar agarrar o tablier da porta de uma berlina depois de ter manipulado a porta de uma carrinha. A flexibilidade não é uma característica fundamental destes sistemas convencionais. Se a nova porta tiver uma abertura exatamente onde a garra deseja segurar o painel, outro robô terá de assumir a função ou as coisas complicar-se-ão, pois o robô original terá de ser reequipado e reprogramado. “Atualmente, os atuadores finais dos robôs — o termo técnico para garras — só conseguem agarrar repetidamente o mesmo objeto, especialmente quando o processo de montagem envolve o manuseamento de peças planas ou ligeiramente curvas, como chapas de metal ou vidro”, explica o Professor Stefan Seelecke.

Graças a um desenvolvimento inovador da sua equipa de investigação no Laboratório de Sistemas de Materiais Inteligentes da Universidade do Sarre e no Centro de Tecnologia de Mecatrónica e Automação em Saarbrücken (ZeMA), estes robôs poderão realizar uma gama muito maior de operações no futuro. A tecnologia desenvolvida pelos investigadores tem o potencial de melhorar a adaptabilidade dos atuadores finais, permitindo que sejam reprogramados rapidamente para acomodar uma nova peça sem interromper a operação de montagem, ou que realizem estes ajustes por conta própria, utilizando algoritmos de aprendizagem automática. Este tipo de sistema de garra e manipulador adaptável pode contribuir para tornar as operações de produção e montagem mais flexíveis, especialmente tendo em conta que o nosso sistema atual não o é. “Não requer máquinas pesadas nem acionamentos elétricos ou pneumáticos. Tudo o que precisa é de uma fonte de energia elétrica”, afirma Stefan Seelecke.

O sistema protótipo é o resultado de inúmeros projetos de investigação e teses de doutoramento. O sistema como um todo apresenta diversos desenvolvimentos engenhosos e inovadores no campo da robótica, como um efetor final articulado que utiliza músculos artificiais para permitir que os quatro dedos se movam em qualquer direção. Tal como uma mão humana, o manipulador robótico pode adaptar-se para acomodar objetos de diferentes formatos e, por isso, pode evitar, por exemplo, os orifícios no painel da porta de um modelo de automóvel diferente. "Portanto, o nosso sistema não se limita a peças com a mesma geometria", afirma Paul Motzki, engenheiro formado que ajudou a desenvolver o sistema durante a sua investigação de doutoramento. Outra característica do protótipo de Saarbrücken — e em que supera a mão humana — é a presença de ventosas nas pontas dos dedos, o que significa que tudo o que a garra agarrar será mantido com extrema segurança.

As fibras musculares artificiais que controlam o movimento dos braços, dedos e ventosas são compostas por feixes de fios com memória de forma. Se uma corrente elétrica circular através destes fios de níquel-titânio, a liga aquece e a sua estrutura cristalina transforma-se de tal forma que o fio encurta. Quando a corrente deixa de circular pelo fio, este arrefece e volta a alongar. “Os feixes de fios ultrafinos oferecem uma grande área de superfície através da qual o calor pode ser transferido de forma muito eficiente, pelo que o processo de arrefecimento e alongamento é muito rápido”, explica Paul Motzki. Assim, os músculos artificiais podem contrair-se e flexionar-se rapidamente como as fibras musculares humanas, o que significa que os quatro dedos musculares da garra robótica podem mover-se e responder a mudanças com grande velocidade. Apesar do seu pequeno tamanho, estes fios podem gerar uma força de tração considerável. “Na verdade, estes fios com memória de forma têm a maior densidade de energia de qualquer mecanismo de acionamento conhecido”, afirma o investigador.

Um breve pulso elétrico é tudo o que é necessário para gerar e libertar um vácuo poderoso. Isto permite que o braço robótico apanhe objetos e os mova livremente em todas as direções. O sistema não necessita de ar comprimido para gerar o vácuo, é silencioso e pode ser utilizado em salas limpas. Não é necessária energia elétrica adicional enquanto a garra segura um objeto, mesmo que o objeto necessite de ser agarrado por um período prolongado ou mantido num ângulo. Para construir o mecanismo de preensão a vácuo, os investigadores colocam feixes de fios ultrafinos, como um músculo circular, à volta de um disco de metal fino que pode rodar para cima e para baixo, semelhante a um brinquedo de sapo. O disco de metal é fixado a uma membrana de borracha e, quando é aplicado um impulso elétrico nos fios, estes contraem-se, fazendo com que o disco gire para a posição correta. Isto puxa a membrana e, se a garra estiver em contacto com uma superfície plana e lisa, cria um vácuo forte.

A garra reage com grande velocidade e precisão. Nos braços robóticos convencionais, a massa do braço limita a quantidade de aceleração que pode ser alcançada. “A nossa tecnologia permite-nos criar sistemas leves com uma excelente manobrabilidade”, explica Paul Motzki. O sistema é controlado por um chip semicondutor. Não é necessário qualquer outro sensor: “Os cabos com memória de forma atuam como sensores totalmente integrados que nos fornecem todos os dados necessários. A unidade de controlo consegue correlacionar com precisão os dados de resistência elétrica com o grau de deformação do cabo.” “O sistema sabe a posição exata de cada feixe de fios com memória de forma o tempo todo”, explica Motzki. Assim sendo, os engenheiros podem programar o sistema para realizar movimentos muito precisos e, ao contrário dos sistemas atualmente em utilização, o sistema protótipo pode ser reprogramado mesmo com o braço de montagem em funcionamento.

Como os fios de níquel-titânio possuem propriedades sensoriais, o braço consegue detetar se o objeto não está bem preso. Se detetar que o vácuo não é suficientemente forte, responde apertando a fixação. Pode também emitir alertas em caso de avaria ou fadiga do material. “Graças à funcionalidade dos sensores integrados, o nosso sistema tem monitorização de estado incorporada”, afirma Paul Motzki, que, juntamente com o Professor Seelecke, fundou a mateligent GmbH com o objetivo de implementar este e outros sistemas de materiais inteligentes na indústria.