人造肌肉帮助机器人真空机械手抓住

由萨尔兰大学的 Stefan Seelecke 教授和他的团队设计的机器人抓手可以抓取和操纵具有复杂几何形状的物体。该系统几乎可以立即适应形式的变化，在不同形状的零件之间无缝切换。铰接式夹具是电动驱动的，重量轻，加速迅速，甚至能够判断它是否足够牢固地抓住物体。控制原型的四个手指运动的超细镍钛线可以通过位于假手指尖的吸盘快速产生并释放强大的真空。工程师们将在汉诺威工业博览会(5 月 30 日至 6 月 2 日，2 号展厅，B28 展位)展示他们的技术潜力。

在当今的汽车装配线上，操纵和定位重型车身零件的工业机器人是汽车装配过程中不可或缺的一部分。但是抓手这些机械臂配备的系统通常不是特别适应。当机器人抓手必须切换到处理不同形状的物体时，经常会出现问题，例如在刚刚操纵房地产模型的门后试图抓住轿车的门板。灵活性不是这些传统系统的核心特征。如果新门在抓手想要抓住面板的位置有一个开口，则需要另一个机器人接管，否则事情会变得复杂，因为原始机器人需要重新装配和重新编程。“目前，机器人末端执行器——抓手的技术术语——只能一遍又一遍地单调地抓取同一个物体，特别是在组装过程涉及处理扁平或略微弯曲的零件时，

由于他的研究团队在萨尔州大学智能材料系统实验室和萨尔布吕肯机电一体化和自动化技术中心 (ZeMA) 的研究团队进行了一项新的开发，这些机器人将来可能能够执行更加多样化的操作。研究人员开发的技术有可能提高末端执行器的适应性，以便它们可以快速重新编程以适应新工件而无需中断装配操作，或者他们能够自己执行这些重新调整使用机器学习算法。“这种适应性强的夹持器和机械手系统有助于使生产和装配操作更加灵活，特别是当您考虑到我们的系统不需要任何重型机械或任何电动或气动驱动器这一事实时。它所需要的只是一个电源，”Seelecke 说。

Seelecke 的团队将在今年的汉诺威工业博览会上展示一个原型，该原型代表着实现这一制造目标的重要一步。原型系统本身就是众多研究项目和博士论文的成果。整个系统具有机器人领域的许多巧妙的新颖发展，包括使用人造肌肉的铰接式末端执行器使四根手指可以向任何方向移动。就像人的手一样，机器人机械手可以自我调整以适应不同形状的物体，因此可以避免，例如，不同型号汽车的门板上的孔。“因此，我们的系统不仅限于具有相同几何形状的零件，”在博士研究工作期间帮助开发该系统的研究生工程师 Paul Motzki 说。Saarbrücken 原型机的另一个特点——它比人手更好用——是它的指尖有真空垫，这意味着抓手抓到的任何东西都将被非常牢固地握住。

控制手臂、手指和吸盘运动的人造肌肉纤维由形状记忆线束组成。“如果我们让电流流过这些镍钛线，合金会变得更热，并且其晶格结构会发生变化，从而使线的长度缩短。当没有电流流过线时，它冷却下来并再次延长。超细线束提供了很大的表面积，热量可以通过该表面积非常有效地传递，因此冷却和拉长的过程非常迅速，”Motzki 解释说。因此，人造肌肉可以像人体肌肉纤维一样快速绷紧和弯曲，这意味着机器人抓手上的四个肌肉驱动的手指可以非常快速地移动并对变化做出反应。“尽管它们的尺寸很小，但这些电线可以产生相当大的拉力。事实上，这些形状记忆线具有所有已知驱动机制中最高的能量密度，”研究人员说。

只需一个短的电脉冲即可产生并释放强大的真空。因此，机器人手臂能够拾取物体并在各个方向自由移动它们。该系统不需要压缩空气产生真空，安静，适用于洁净室。夹持器夹持物体时无需提供额外的电力，即使物体必须被长时间夹持或必须以一定角度夹持。为了构建真空夹持机构，研究人员将这些超细线束以圆形肌肉的方式排列在一个可以上下翻转的薄金属盘周围，就像青蛙答题器玩具一样。金属盘附在橡胶膜上，当对电线施加电脉冲时，它们会收缩并且盘翻转位置，

夹持器的反应非常迅速且非常精确。“在普通机械臂中，手臂的质量限制了可以实现的加速度。我们的技术意味着我们可以创建具有出色机动性的轻型系统，”Motzki 解释道。该系统由半导体芯片控制。不需要其他传感器，“形状记忆线有效地充当完全集成的传感器，为我们提供所有必要的数据。控制单元能够精确地将电阻数据与电线的变形程度相关联。在任何时候，系统都知道每束形状记忆线的确切位置，”Motzki 解释说。因此，工程师可以对系统进行编程以执行高精度运动，并且与当今通常使用的系统不同，原型即使在装配臂运行时，系统也可以重新编程。

由于镍钛线具有感官特性，因此手臂能够判断物体是否没有被牢固地握住。如果它感觉到真空不够强，它会做出反应，手指会收紧。它还可以在发生故障或材料疲劳时发出警告。“内置传感器功能意味着我们的系统集成了状态监测，”Motzki 说。