Роботизированные манипуляторы используются в бесчисленных современных промышленных производствах. Они используются для решения целого ряда задач, таких как удержание заготовок в нужном положении, установка компонентов, сборка печатных плат, а также перемещение, загрузка или выгрузка деталей. И когда они используются, большинство из них потребляют энергию безостановочно. Вместе взятые, эти промышленные манипуляторы-роботы потребляют несколько гигаватт электроэнергии. Многие захватные системы работают пневматически, со сжатым воздухом, который может быть неприятно громким. Они часто тяжелые, их движущиеся части со временем изнашиваются, и они, как правило, выполняют постоянные, сильно повторяющиеся движения. Эта существующая технология устанавливает ограничения на степень миниатюризации, которая может быть достигнута, и особенно трудно реализовать малогабаритные захватные системы с небольшими точками захвата. Обычные манипуляторы-роботы также трудно быстро перепрограммировать, и для людей-работников часто небезопасно тесно взаимодействовать с ними на производственных линиях.

Но новый тип приводной технологии вполне может сделать промышленных роботов будущего легче, компактнее, гибче и энергоэффективнее. Технология основана на легких сплавах с памятью формы (SMAs), которые команда инженеров во главе с профессорами Полом Моцки и Стефаном Зелеке из Саарского университета и Саарбрюккенского центра мехатроники и технологий автоматизации (ZeMA) использует для создания новых роботизированных захватов. "Работа, которую мы проводим, может помочь значительно сократить потребление энергии, снизить производственные затраты, а также помочь защитить климат", - объясняет Пол Моцки, профессор интеллектуальных систем материалов для инновационного производства в Саарландском университете и научный директор/CEO ZeMA gGmbH.

В этом году исследовательская группа посетит выставку в Ганновере, где они продемонстрируют ряд прототипов, в том числе вакуумные захваты и кулачковые захватные системы, которые могут безопасно удерживать заготовки и манипулировать ими, не требуя постоянной подачи энергии. "Мы можем управлять этими захватными системами в режиме реального времени и всякий раз, когда это необходимо; все, что нам нужно сделать, это подать короткий импульс электрического тока", - объясняет профессор. Моцки.

Захватная система Saarbrücken полностью электрическая и состоит из пучков ультратонких проволок, изготовленных из никель-титанового сплава с памятью формы. Эти пучки ультратонких проводов действуют не только как мощные мышцы, но и как нервные волокна. Поведение этих пучков проволоки обусловлено особым свойством никель-титанового сплава, а именно тем, что он может переключаться между двумя различными структурами кристаллической решетки. Если электрический ток протекает по проволоке, изготовленной из никель-титана, материал нагревается, в результате чего он приобретает другую кристаллическую структуру, в результате чего проволока становится короче. Когда ток отключается, проволока остывает и возвращается к своей прежней структуре кристаллической решетки и первоначальной длине. Материал, по-видимому, "запоминает" свою первоначальную форму и возвращается к ней после деформации - отсюда и название сплава с "памятью формы". Таким образом, провода способны прилагать удивительно большие усилия для своих размеров и могут быть выполнены так, чтобы вызывать крошечные контролируемые движения с помощью любой интеллектуальной технологии, которую инженеры прикрепили к этим крошечным искусственным мышцам.

Пол Моцки объясняет мышечную силу этих крошечных жгутов проводов следующим образом: "Никель-титановый SMA обладает самой высокой плотностью энергии из всех известных приводных механизмов, поэтому, используя этот материал, мы можем прикладывать значительное растягивающее усилие в очень небольших пространствах". Проволока толщиной всего в полметра миллиметр может оказывать притяжение примерно в 100 ньютонов, что примерно равно силе, прилагаемой 10 кг. Но исследователи используют пучки гораздо более тонких, ультратонких проволок, поскольку большее количество проволок означает большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую скорость охлаждения. Это означает, что проволочные "мышцы" могут выполнять быстрые, высокочастотные движения и обеспечивать стабильное усилие растяжения. Команда инженеров из Саарбрюккена фактически установила мировой рекорд в этой области: используя пучок из 20 ультратонких проводов, каждый диаметром всего 0,025 мм, они могут прикладывать усилие в 5 ньютонов с частотой 200 герц (то есть 200 циклов в секунду). В некоторых случаях наиболее важна величина прилагаемого усилия, в других - частота, с которой прикладывается усилие. Используя знания, полученные в результате многолетних исследований, команда Motzki может адаптировать состав жгутов проводов с точки зрения толщины проволоки и количества проволок в жгуте в соответствии с требованиями конкретных областей применения.

Используя инновационные стратегии управления и проектирования, инженеры разрабатывают приводы, в которых используются провода SMA, для создания легких, маневренных и совместимых с чистыми помещениями промышленных роботов. Технология постоянно совершенствуется в рамках научных исследований и докторских проектов, что позволило исследователям из Саарбрюккена разработать эластичные захватные системы с очень гибкими "пальцами", которые могут быстро адаптироваться к изменениям формы обрабатываемой детали.

Обычные захваты обычно полагаются на обратную связь от датчиков, но технология, разработанная в Саарбрюккене, является самочувствительной - свойства датчиков уже встроены в систему. Система управляется с помощью полупроводникового чипа. "Провода с памятью формы эффективно действуют как полностью интегрированные датчики, предоставляя нам все необходимые данные. Система искусственного интеллекта точно соотносит данные об электрическом сопротивлении с конкретной деформацией проводов. В результате система всегда знает точное положение каждого пучка проводов с памятью формы. Нейронные сети, обученные на основе данных, способны эффективно и точно вычислять информацию о местоположении даже в условиях разрушительных воздействий", - объясняет Пол Моцки. Таким образом, инженеры могут запрограммировать систему на выполнение высокоточных перемещений. Задавая значения электрического сопротивления, они могут управлять проводами по мере необходимости. "В отличие от стандартных промышленных роботов, используемых сегодня, перепрограммирование с помощью нашей системы происходит быстро и легко и при необходимости может быть выполнено даже "на лету". Захват может адаптироваться к геометрии различных заготовок во время работы", - говорит Моцки.

Прототип щекового захвата, разработанный для промышленного применения, перемещается быстро и с предельной точностью. Захват надежно удерживает заготовку в виде клещей, так что система управления манипулятором-роботом может затем перемещать заготовку в нужное место назначения. Прототип, представленный в этом году на выставке Hannover Messe, может создавать усилие в четыре ньютона, но технология масштабируема с точки зрения размера, хода челюсти и усилия. Самочувствительные свойства проводов SMA позволяют контролировать точное положение и состояние захватов без каких-либо дополнительных внешних датчиков. А захваты способны удерживать заготовку в нужном положении, не требуя подачи энергии. В зависимости от области применения захвата технология Saarbrücken позволяет добиться экономии энергии более чем на 90% по сравнению с обычными пневматическими захватами, используемыми сегодня.

Другой прототип, продемонстрированный исследовательской группой на выставке Hannover Messe 2025, представляет собой вакуумный захват с гибкими захватными пальцами и вакуумными присосками, расположенными на кончиках пальцев. Здесь также короткий электрический импульс - это все, что необходимо для создания и последующего высвобождения вакуума, несущего нагрузку. Механизм вакуумного захвата достигается за счет расположения пучков ультратонких SMA-проводов в виде круговой мышцы вокруг тонкого металлического диска, который можно поворачивать вверх или вниз, как игрушку-кликер "лягушка". Подача электрического импульса заставляет провода в "мышце" сокращаться, и диск меняет свое положение, натягивая резиновую мембрану, которая создает вакуум, если кончики пальцев захватчика соприкасаются с поверхностью. Опять же, для удержания заготовки на месте не требуется электричество, даже если захват удерживает тяжелый предмет под углом в течение длительного времени. "А функция самодиагностики означает, что в нашу систему встроен мониторинг состояния, поэтому захват знает, достаточно ли созданного вакуума для поддержания нагрузки", - говорит Моцки.

Предыстория

Исследовательская группа, возглавляемая Стефаном Зелеке и Полом Моцки, использует технологию памяти формы для широкого спектра применений, включая инновационные системы охлаждения, роботизированные захваты и инновационные клапаны и насосы. Технология продолжает разрабатываться аспирантами и докторантуристами, проводящими исследования в рамках своих докторских диссертационных проектов. Результаты работы команды широко освещались на научных конференциях, а также в авторитетных журналах, причем многочисленные статьи получили международное признание. Исследовательская работа также получила поддержку из многочисленных источников, включая многонациональную инжиниринговую и технологическую компанию Bosch и правительство земли Саар, которое предоставило финансирование в рамках проектов ERDF "iProGro" и "iSMAT".