Сверхтонкие никель-титановые проволоки, управляющие движением четырех пальцев прототипа, могут быстро создавать и сбрасывать мощный вакуум с помощью присосок, расположенных на кончиках пальцев искусственной руки. Инженеры продемонстрируют потенциал своей технологии на выставке Hannover Messe (30 мая – 2 июня, зал 2, стенд B28).

На современных автомобильных сборочных линиях промышленные роботы, которые перемещают и позиционируют тяжелые детали кузова, являются неотъемлемой частью процесса сборки транспортных средств. Однако системы захвата, которыми оснащены эти роботизированные руки, обычно не очень гибкие. Проблемы часто возникают, когда роботизированному захвату приходится переключаться на работу с объектом другой формы, например, пытаться захватить дверную панель седана после работы с дверью универсала. Гибкость не является ключевой особенностью этих традиционных систем. Если новая дверь имеет отверстие именно там, где захват хочет удерживать панель, другой робот должен будет взять на себя эту функцию, или ситуация осложнится, поскольку исходного робота придется переоснастить и перепрограммировать. «В настоящее время захватные устройства роботов — технический термин для обозначения манипуляторов — могут захватывать один и тот же объект многократно, особенно когда процесс сборки включает в себя работу с плоскими или слегка изогнутыми деталями, такими как листы металла или стекла», — объясняет профессор Штефан Зеелеке.

Благодаря новаторской разработке его исследовательской группы в Лаборатории интеллектуальных материальных систем Саарландского университета и Центре мехатроники и автоматизации в Саарбрюкене (ZeMA), эти роботы смогут в будущем выполнять гораздо более широкий спектр операций. Разработанная исследователями технология потенциально может улучшить адаптивность захватных устройств, позволяя быстро перепрограммировать их для работы с новой заготовкой без прерывания процесса сборки или выполнять эти корректировки самостоятельно с помощью алгоритмов машинного обучения. Такая адаптивная система захвата и манипулятора может способствовать повышению гибкости производственных и сборочных операций, особенно учитывая, что наша нынешняя система не требует тяжелой техники, электрических или пневматических приводов. «Все, что ей нужно, — это источник электроэнергии», — говорит Штефан Зеелеке.

Прототип системы является результатом многочисленных исследовательских проектов и докторских диссертаций. В целом, система включает в себя несколько оригинальных и новаторских разработок в области робототехники, таких как шарнирный концевой захват, использующий искусственные мышцы, позволяющие четырем пальцам двигаться в любом направлении. Подобно человеческой руке, роботизированный манипулятор может адаптироваться к объектам различной формы и, следовательно, избегать, например, отверстий в дверной панели другой модели автомобиля. «Таким образом, наша система не ограничена деталями с одинаковой геометрией», — говорит Пол Моцки, инженер-выпускник, участвовавший в разработке системы во время своей докторской диссертации. Еще одна особенность прототипа из Саарбрюккена — и та, в которой он превосходит человеческую руку, — это наличие присосок на кончиках пальцев, что означает, что все, что захватывает захватное устройство, будет удерживаться чрезвычайно надежно.

Искусственные мышечные волокна, управляющие движением рук, пальцев и присосок, состоят из пучков проводов с эффектом памяти формы. Если через эти никель-титановые проволоки пропустить электрический ток, сплав нагревается, и его кристаллическая структура изменяется таким образом, что проволока укорачивается. Когда ток прекращается, проволока охлаждается и снова удлиняется. «Пучки сверхтонких проволок обеспечивают большую площадь поверхности, через которую тепло может передаваться очень эффективно, поэтому процесс охлаждения и удлинения происходит очень быстро», — объясняет Пол Моцки. Таким образом, искусственные мышцы могут быстро напрягаться и сгибаться, подобно мышечным волокнам человека, а это значит, что четыре мышечных пальца роботизированного захвата могут двигаться и реагировать на изменения с большой скоростью. Несмотря на свой небольшой размер, эти нити могут создавать значительную силу натяжения. Фактически, эти нити с эффектом памяти формы обладают самой высокой плотностью энергии среди всех известных приводных механизмов», — заявляет исследователь.

Для создания и сброса мощного вакуума достаточно короткого электрического импульса. Это позволяет роботизированной руке захватывать объекты и свободно перемещать их во всех направлениях. Система не требует сжатого воздуха для создания вакуума, работает бесшумно и может использоваться в чистых помещениях. Дополнительное электропитание не требуется, пока захватное устройство удерживает объект, даже если объект необходимо захватить на длительное время или удерживать под углом. Для создания вакуумного механизма захвата исследователи размещают пучки сверхтонких проводов, подобно круговой мышце, вокруг тонкого металлического диска, который может вращаться вверх и вниз, как игрушка-лягушка. Металлический диск прикреплен к резиновой мембране, и когда к проводам подается электрический импульс, они сокращаются, заставляя диск вращаться в нужное положение. Это тянет мембрану, и если захватное устройство соприкасается с плоской гладкой поверхностью, создается сильный вакуум.

Захватное устройство реагирует с большой скоростью и точностью. В обычных роботизированных манипуляторах масса руки ограничивает величину достигаемого ускорения. «Наша технология позволяет создавать легкие системы с превосходной маневренностью», — объясняет Пол Моцки. Система управляется полупроводниковым чипом. Другие датчики не требуются: «Кабельные провода с эффектом памяти формы действуют как полностью интегрированные датчики, предоставляя нам все необходимые данные. Блок управления способен точно соотносить данные об электрическом сопротивлении со степенью деформации кабеля». «Система всегда знает точное положение каждого из пучков проводов с эффектом памяти формы», — объясняет Моцки. Таким образом, инженеры могут запрограммировать систему на выполнение очень точных движений, и, в отличие от систем, используемых в настоящее время, прототип системы может быть перепрограммирован даже во время работы манипулятора.

Поскольку никель-титановые провода обладают сенсорными свойствами, манипулятор может определить, если объект недостаточно надежно удерживается. Если он чувствует, что вакуум недостаточно сильный, он реагирует, усиливая захват. Он также может выдавать предупреждения в случае неисправности или усталости материала. «Благодаря функциональности встроенных датчиков, наша система имеет встроенную функцию мониторинга состояния», — говорит Пол Моцки, который вместе с профессором Зеелеке основал компанию mateligent GmbH с целью внедрения этой и других интеллектуальных материальных систем в промышленности.