人造肌肉幫助機器人真空機械手抓住

由薩爾蘭大學的 Stefan Seelecke 教授和他的團隊設計的機器人抓手可以抓取和操縱具有復雜幾何形狀的物體。該系統幾乎可以立即適應形式的變化，在不同形狀的零件之間無縫切換。鉸接式夾具是電動驅動的，重量輕，加速迅速，甚至能夠判斷它是否足夠牢固地抓住物體。控制原型的四個手指運動的超細鎳鈦線可以通過位于假手指尖的吸盤快速產生并釋放強大的真空。工程師們將在漢諾威工業博覽會(5 月 30 日至 6 月 2 日，2 號展廳，B28 展位)展示他們的技術潛力。

在當今的汽車裝配線上，操縱和定位重型車身零件的工業機器人是汽車裝配過程中不可或缺的一部分。但是抓手這些機械臂配備的系統通常不是特別適應。當機器人抓手必須切換到處理不同形狀的物體時，經常會出現問題，例如在剛剛操縱房地產模型的門后試圖抓住轎車的門板。靈活性不是這些傳統系統的核心特征。如果新門在抓手想要抓住面板的位置有一個開口，則需要另一個機器人接管，否則事情會變得復雜，因為原始機器人需要重新裝配和重新編程。“目前，機器人末端執行器——抓手的技術術語——只能一遍又一遍地單調地抓取同一個物體，特別是在組裝過程涉及處理扁平或略微彎曲的零件時，

由于他的研究團隊在薩爾州大學智能材料系統實驗室和薩爾布呂肯機電一體化和自動化技術中心 (ZeMA) 的研究團隊進行了一項新的開發，這些機器人將來可能能夠執行更加多樣化的操作。研究人員開發的技術有可能提高末端執行器的適應性，以便它們可以快速重新編程以適應新工件而無需中斷裝配操作，或者他們能夠自己執行這些重新調整使用機器學習算法。“這種適應性強的夾持器和機械手系統有助于使生產和裝配操作更加靈活，特別是當您考慮到我們的系統不需要任何重型機械或任何電動或氣動驅動器這一事實時。它所需要的只是一個電源，”Seelecke 說。

Seelecke 的團隊將在今年的漢諾威工業博覽會上展示一個原型，該原型代表著實現這一制造目標的重要一步。原型系統本身就是眾多研究項目和博士論文的成果。整個系統具有機器人領域的許多巧妙的新穎發展，包括使用人造肌肉的鉸接式末端執行器使四根手指可以向任何方向移動。就像人的手一樣，機器人機械手可以自我調整以適應不同形狀的物體，因此可以避免，例如，不同型號汽車的門板上的孔。“因此，我們的系統不僅限于具有相同幾何形狀的零件，”在博士研究工作期間幫助開發該系統的研究生工程師 Paul Motzki 說。Saarbrücken 原型機的另一個特點——它比人手更好用——是它的指尖有真空墊，這意味著抓手抓到的任何東西都將被非常牢固地握住。

控制手臂、手指和吸盤運動的人造肌肉纖維由形狀記憶線束組成。“如果我們讓電流流過這些鎳鈦線，合金會變得更熱，并且其晶格結構會發生變化，從而使線的長度縮短。當沒有電流流過線時，它冷卻下來并再次延長。超細線束提供了很大的表面積，熱量可以通過該表面積非常有效地傳遞，因此冷卻和拉長的過程非常迅速，”Motzki 解釋說。因此，人造肌肉可以像人體肌肉纖維一樣快速繃緊和彎曲，這意味著機器人抓手上的四個肌肉驅動的手指可以非常快速地移動并對變化做出反應。“盡管它們的尺寸很小，但這些電線可以產生相當大的拉力。事實上，這些形狀記憶線具有所有已知驅動機制中最高的能量密度，”研究人員說。

只需一個短的電脈沖即可產生并釋放強大的真空。因此，機器人手臂能夠拾取物體并在各個方向自由移動它們。該系統不需要壓縮空氣產生真空，安靜，適用于潔凈室。夾持器夾持物體時無需提供額外的電力，即使物體必須被長時間夾持或必須以一定角度夾持。為了構建真空夾持機構，研究人員將這些超細線束以圓形肌肉的方式排列在一個可以上下翻轉的薄金屬盤周圍，就像青蛙答題器玩具一樣。金屬盤附在橡膠膜上，當對電線施加電脈沖時，它們會收縮并且盤翻轉位置，

夾持器的反應非常迅速且非常精確。“在普通機械臂中，手臂的質量限制了可以實現的加速度。我們的技術意味著我們可以創建具有出色機動性的輕型系統，”Motzki 解釋道。該系統由半導體芯片控制。不需要其他傳感器，“形狀記憶線有效地充當完全集成的傳感器，為我們提供所有必要的數據。控制單元能夠精確地將電阻數據與電線的變形程度相關聯。在任何時候，系統都知道每束形狀記憶線的確切位置，”Motzki 解釋說。因此，工程師可以對系統進行編程以執行高精度運動，并且與當今通常使用的系統不同，原型即使在裝配臂運行時，系統也可以重新編程。

由于鎳鈦線具有感官特性，因此手臂能夠判斷物體是否沒有被牢固地握住。如果它感覺到真空不夠強，它會做出反應，手指會收緊。它還可以在發生故障或材料疲勞時發出警告。“內置傳感器功能意味著我們的系統集成了狀態監測，”Motzki 說。