Robotikforschung Künstliche Muskeln lassen Roboter flexibler zupacken

Quelle: Pressemitteilung

Der Robotersauggreifer, den man an der Universität des Saarlandes entwickelt, kann komplizierte Werkstücke greifen und sich diesen auch spontan anpassen. Auf der Hannover Messe 2022 ist er zu sehen.

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Der Robotersauggreifer eines Forschungsteams von der Universität des Saarlandes kann blitzschnell kompliziert geformte Werkstücke greifen und sich wechselnden Formen flott anpassen. Möglich machen das künstliche Muskeln aus Drahtbündeln. Hier mehr dazu...
Der Robotersauggreifer eines Forschungsteams von der Universität des Saarlandes kann blitzschnell kompliziert geformte Werkstücke greifen und sich wechselnden Formen flott anpassen. Möglich machen das künstliche Muskeln aus Drahtbündeln. Hier mehr dazu...
(Bild: O. Dietze)

Folgendes Bild: Bei der Automontage wuchten Roboter in Industriehallen schwere Karosserieteile und setzen diese zusammen. Ihre Greifsysteme sind aber wenig anpassungsfähig. Soll der Greifer deshalb etwa nachdem er die Tür einer Limousine gehandelt hat, nun eine andere Tür einbauen, steht man vor einem Problem. Denn Flexibilität ist einem üblichen Roboter nicht ins Programm geschrieben. Deshalb muss in der Regel ein anderer Greifer installiert werden, was aufwändig ist, weil umgebaut und umprogrammiert werden muss. Besonders bei flachen oder leicht gekrümmten Bauteilen, wie es bei Blechen oder Glasscheiben oft der Fall ist, greifen diese sogenannten Endeffektoren heute immer nur monoton gleiche Werkstücke, so Professor Stefan Seelecke vom Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes.

Greifer passen sich blitzschnell neuen Konturen an

Mit einer strombetriebenen Greiferneuentwicklung, die von Seeleckes Forschungsteam und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik Zema aus der Taufe gehoben wurde, könnten Roboter künftig flexibler zupacken. Haarfeine künstliche Muskeln aus einer Nickel-Titan-Legierung bewegen dabei die „Finger“ blitzschnell, wodurch die Sauggreifer an den Fingerspitzen sich am Werkstück festsaugen oder lösen, erklären die Experten. Das Verfahren biete die Chance, dass Robotergreifer sich in Zukunft in Highspeed an beliebige Werkstückkonturen anpassen könnten, weil sie sich so im laufenden Betrieb einfach und schnell umprogrammieren ließen. Noch weiter gedacht, könnten sie sich mithilfe des maschinellen Lernens auch selber anpassen. Derart anpassungsfähige Greif- und Handhabungssysteme würden dem produzierenden Gewerbe viele Vorteile bringen. „Außerdem kommt unser Verfahren ohne schweres Gerät, Elektromotoren oder laute und energieintensive Druckluft aus. Es braucht nur elektrischen Strom“, betont Seelecke.

Forschungsfragmente erstmals im Großen Ganzen zu sehen

Einen Erfolg mit Blick auf die Verwirklichung dieser Vision demonstriert Seeleckes Team mit einem Prototyp auf der Hannover Messe 2022 in Halle 2. Es sei das Ergebnis mehrerer Forschungsprojekte sowie Doktorarbeiten und bestehe aus mehreren Neuentwicklungen, die erstmals in einem Gesamtsystem kombiniert wurden. Ein Teil ist ein gelenkiger Robotergreifer, der vier Finger nebst Fingerspitzen durch künstliche Muskeln in alle Richtungen bewegen kann. Ähnlich wie eine menschliche Hand, kann er sich so eben unterschiedlich geformten Gegenständen anpassen und dabei auch Aussparungen oder Löchern im Werkstück ausweichen. Er ist also nicht mehr monoton auf nur Bauteilgeometrie beschränkt. Beim anderen Stück des Ganzen – es habe der menschlichen Hand sogar etwas voraus – hat er Vakuumsauggreifer an den Fingerspitzen installiert, die das, was der Greifer in seinen Fängen hat, dann unlösbar festhalten.

Künstliche Drahtmuskeln mit Rekord-Power

Bei Fingern und Fingerspitzen sowie auch bei den Vakuum nutzenden Saugnäpfen kommen künstliche Muskelfasern zum Einsatz, die aus Bündeln feiner Nickel-Titan-Drähte mit Formgedächtnisfunktion bestehen, wie die Forscher wissen lassen. Legt man dran Strom an, erwärmen sie sich und wandeln ihre metallische Gitterstruktur so um, dass sie sich zusammenziehen. Fließt kein Strom, kühlen sie ab und dehnen sich wieder. Bündelt man nun mehrere solcher dünnen Drähte, geben sie durch die größere Oberfläche die Wärme schneller ab, so dass sie schneller abkühlen. Das sei vergleichbar einem menschlichen Muskel und macht das schnelle An- und Entspannen der künstlichen „Muckis“ möglich – und damit auch flinke Bewegung der vier Greifer-Finger. Auf relativ kleinem Raum brächten die Formgedächtnisdrähte eine hohe Zugkraft zustande. Von allen bekannten Antriebsmechanismen beinhalten sie laut Aussage der Forscher die höchste Energiedichte. Das wollen die Experten in Hannover eindrucksvoll demonstrieren, indem sie diesen Drahtmix eine schwere Bowling-Kugel einen halben Meter in die Höhe katapultieren lassen.

Ein Greifer funktioniert nach dem Knackfrosch-Prinzip

Der Greifer, heißt es weiter, kann Dinge festhalten und sie frei im Raum bewegen – ohne Druckluft! Also leise und nicht zuletzt für den Reinraum geeignet. Kurze Stromimpulse genügen, um schnell ein kraftvolles Vakuum zu erzeugen und wieder zu lösen. Dafür legen man die Nickel-Titan-Drahtbündel wie einen Ringmuskel um ein Metallplättchen, das nach oben oder unten umspringen kann, ähnlich wie die tonerzeugende Blechlasche in einem Knackfrosch für Kinder. Ein Stromimpuls verkürzt, wie oben beschrieben die Drähte und lässt den „Knackfrosch“ quasi umschnappen, wobei er an einer Gummimembran zieht und das Vakuum erzeugt, wenn der Greifer auf einer flachen Oberfläche aufliegt. Um Teile fest zu halten, braucht er dann keinen Strom, auch wenn er ein schweres Teil schräg halten muss, wie Seeleck betont.

Greiferprogrammierung läuft jetzt so nebenbei ab

Der Greifer bewegt sich außerdem punktgenau und schnell. Anmerkung: Beim Beschleunigen heutiger Roboterarme ist die Masse ein begrenzender Faktor. Aber das neue Verfahren mache leichte und wendige Systeme möglich. Die Steuerung greift auf einen Halbleiterchip zu, weshalb keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden. Die Drähte selbst lieferten nämlich alle Daten, weil sie von Haus aus Sensoreigenschaften haben. Die Regelungseinheit ordnet den Messwerten des elektrischen Widerstands dabei exakt die jeweilige Deformation der Drähte zu. So weiß das System zu jeder Zeit, in welcher Position welches der Drahtbündel steht, erklären die Spezialisten. Das lässt zu, dass auch komplizierte Bewegungsabläufe programmiert werden können. Anders als bei heute üblichen Systemen sei ein Umprogrammieren sogar nebenher, während der Montage, möglich.

Auch, ob er das Bauteil fest im Griff hat oder nicht, merkt der Sauggreifer, wie es weiter heißt. Denn er erkennt, wenn das Vakuum nicht ausreicht und kräftiger werden muss. Bei Fehlfunktion oder Materialermüdung kann der Greifer auch vorab warnen. Durch die Sensorfunktion ist also zugleich die Zustandsüberwachung integriert. Der Erfolg ist so überzeugend, dass man jetzt die Mateligent GmbH gegründet hat, die diese und andere intelligenten Materialsysteme in die Industriepraxis bringen soll. Jetzt aber erst mal auf nach Hannover, zum Beschnuppern.

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