Энергия остается значимым фактором в процессах промышленного производства. Высокий уровень потребления энергии делает производство более дорогим и усугубляет климатический кризис. В настоящее время в Сааре разрабатывается новый тип робототехнической технологии, которая потребляет на 90% меньше электроэнергии, чем обычные системы.
Технология использует легкие материалы с эффектом памяти формы для создания новых, непневматических, промышленных систем захвата , которые функционируют без необходимости в дополнительных датчиках.
Исследовательская группа под руководством профессоров Штефана Зелеке и Пола Моцки из Саарского университета представит технологию на Ганноверской ярмарке этого года .
Роботизированные руки используются в бесчисленном количестве современных промышленных производственных установок. Они используются для целого ряда задач, таких как удержание заготовок в нужном положении, вставка компонентов, сборка печатных плат, а также перемещение, загрузка или выгрузка деталей.
И когда они используются, большинство из них потребляют энергию безостановочно. В совокупности эти промышленные роботизированные руки потребляют несколько гигаватт электроэнергии.
Многие из систем захвата работают пневматически с помощью сжатого воздуха, что может быть неприятно шумным. Они часто тяжелые, их движущиеся части со временем изнашиваются, и они, как правило, выполняют постоянный, очень повторяющийся шаблон движения.
Эта существующая технология устанавливает ограничения на степень миниатюризации, которая может быть достигнута, и системы захватов малого масштаба с небольшими точками захвата особенно трудно реализовать.
Обычные руки робота также трудно быстро перепрограммировать, и часто для рабочих небезопасно тесно взаимодействовать с ними на производственных линиях. Но новый тип технологии привода вполне может сделать промышленных роботов будущего легче, компактнее, гибче и энергоэффективнее.
Технология основана на легких сплавах с эффектом памяти формы (SMA), которые команда инженеров под руководством профессоров Моцки и 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 Моцки, профессор кафедры интеллектуальных материальных систем для инновационного производства в Университете Саара.
Исследовательская группа будет на Ганноверской ярмарке этого года, где они продемонстрируют ряд прототипов, включая вакуумные захваты и системы челюстных захватов, которые могут безопасно удерживать и манипулировать заготовками, не требуя непрерывной подачи энергии.
«Мы можем управлять этими системами захватов в режиме реального времени и тогда, когда это необходимо; все, что нам нужно сделать, это подать короткий импульс электрического тока», — объясняет профессор Моцки.
Система захвата Saarbrücken полностью электрическая и состоит из пучков сверхтонких проводов, изготовленных из сплава с памятью формы никель-титан.
Эти пучки сверхтонких проводов действуют не только как мощные мышцы, но и как нервные волокна. Поведение этих пучков проводов обусловлено особым свойством сплава никель-титан, а именно тем, что он может переключаться между двумя различными структурами кристаллической решетки.
Если электрический ток протекает через провод из никель-титана, материал нагревается, заставляя его принимать другую кристаллическую структуру, в результате чего провод становится короче.
Когда ток выключается, провод остывает и возвращается к своей прежней структуре кристаллической решетки и своей первоначальной длине.
Материал, по-видимому, «запоминает» свою первоначальную форму и возвращается к ней после деформации — отсюда и название «сплав с памятью формы». Поэтому провода способны оказывать удивительно большие силы для своего размера и могут быть использованы для запуска крошечных контролируемых движений в любой умной технологии, которую инженеры прикрепили к этим крошечным искусственным мышцам.
Моцки объясняет мощь этих крошечных пучков проводов следующим образом: «Никель-титановый SMA имеет самую высокую плотность энергии среди всех известных приводных механизмов, поэтому, используя этот материал, мы можем прилагать значительную силу растяжения в очень малых пространствах».
Проволока толщиной всего в полмиллиметра может оказывать тяговое усилие около 100 ньютонов, что примерно равно силе, оказываемой 10 кг.
Но исследователи используют пучки гораздо более тонких, сверхтонких проволок, поскольку большее количество проволок означает большую площадь поверхности и, следовательно, более высокую скорость охлаждения.
Это означает, что «мускулы» проволоки могут обеспечивать быстрые, высокочастотные движения и стабильную силу натяжения.
Инженерная группа в Саарбрюккене фактически установила мировой рекорд в этой области: используя связку из 20 сверхтонких проводов, каждый диаметром всего 0,025 мм, они могут приложить силу в 5 ньютонов с частотой 200 герц (т.
е. 200 циклов в секунду). В некоторых приложениях наиболее важен размер прилагаемой силы, в других — частота, с которой она применяется. Используя знания, полученные за несколько лет исследований, команда Моцки может адаптировать состав пучков проводов с точки зрения толщины провода и количества проводов в пучке для удовлетворения требований конкретных приложений.
Используя инновационные стратегии управления и проектирования, инженеры разрабатывают приводы, использующие провода SMA для создания легких, маневренных и совместимых с чистыми помещениями промышленных роботов.
Технология постоянно совершенствуется в исследовательских и докторских проектах, что позволило исследователям из Саарбрюккена разработать эластичные системы захватов с очень гибкими «пальцами», которые могут быстро адаптироваться к изменениям формы заготовки.
Обычные захваты обычно полагаются на обратную связь от датчиков, но технология, разработанная в Саарбрюккене, является самоопределяющейся — свойства датчика уже встроены в систему.
Система управляется полупроводниковым чипом. «Провода с памятью формы эффективно действуют как полностью интегрированные датчики, предоставляя нам все необходимые данные.
Система ИИ точно сопоставляет данные электрического сопротивления с определенной деформацией проводов. В результате система всегда знает точное положение каждого пучка проводов с памятью формы.
Обученные на основе данных нейронные сети способны эффективно и точно вычислять позиционную информацию даже в условиях разрушительных воздействий», — объясняет Моцки. Инженеры могут, таким образом, запрограммировать систему на выполнение высокоточных движений.
Указывая значения электрического сопротивления, они могут управлять проводами по мере необходимости. «В отличие от стандартных промышленных роботов, используемых сегодня, перепрограммирование с нашей системой происходит быстро и легко, и при необходимости его можно выполнять даже на лету.
Захват может адаптироваться к геометрии различных заготовок во время работы», — говорит Моцки. Прототип челюстного захвата, разработанный для промышленного применения, движется как быстро, так и с ювелирной точностью.
Захват надежно удерживает заготовку в захвате, похожем на клещи, так что система манипуляции роботизированной рукой может затем переместить заготовку в желаемое место назначения.
Прототип, представленный на Ганноверской ярмарке в этом году, может прилагать силу в четыре ньютона, но технология масштабируется с точки зрения размера, хода челюсти и силы. Самочувствительные свойства проводов SMA позволяют контролировать точное положение и состояние захватов без дополнительных внешних датчиков.
А захваты способны удерживать заготовку в нужном положении, не требуя подачи энергии. В зависимости от области применения захвата технология Saarbrücken может обеспечить экономию энергии более 90% по сравнению с обычными пневматическими захватами, используемыми сегодня.
Другой прототип, представленный исследовательской группой на выставке Hannover Messe 2025, представляет собой вакуумный захват с гибкими пальцами захвата с вакуумными присосками, расположенными на кончиках пальцев.
Здесь также для создания и последующего освобождения несущего нагрузку вакуума достаточно короткого электрического импульса.
Механизм вакуумного захвата достигается путем размещения пучков сверхтонких проводов SMA в кольцевой мышце вокруг тонкого металлического диска, который можно заставить переворачиваться вверх или вниз, как игрушку-щелкунчик для лягушек.
Применение электрического импульса заставляет провода в мышце сокращаться, а диск меняет свое положение, натягивая резиновую мембрану, которая создает вакуум, если кончики пальцев захвата соприкасаются с поверхностью.
И снова, для удержания заготовки на месте не требуется электричества, даже если захват удерживает тяжелый предмет под углом в течение длительного периода. «А функция самоопределения означает, что в нашей системе есть встроенный мониторинг состояния, поэтому захват знает, достаточен ли созданный вакуум для поддержки груза», — говорит Моцки.
Рубрика: Техно и Гаджеты. Читать весь текст на android-robot.com.