Le pinze robotizzate progettate dal professor Stefan Seelecke e dal suo team della Saarland University possono afferrare e manipolare oggetti con geometrie complesse. Il sistema può adattarsi quasi istantaneamente ai cambiamenti di forma, passando senza soluzione di continuità tra parti di forma diversa. La pinza articolata è azionata elettricamente, è leggera e accelera rapidamente ed è persino in grado di dire se sta trattenendo l’oggetto in modo sufficientemente sicuro. I fili ultrafini in nichel-titanio che controllano il movimento delle quattro dita del prototipo possono generare e rilasciare rapidamente un potente vuoto tramite ventose poste sulla punta delle dita della mano artificiale.
Nelle odierne linee di assemblaggio automobilistiche, i robot industriali che manipolano e posizionano parti di carrozzeria pesanti sono parte integrante del processo di assemblaggio del veicolo. Ma i sistemi di presa di cui sono dotati questi bracci robotici spesso non sono particolarmente adattabili. Spesso possono sorgere problemi quando la pinza robotica deve passare alla manipolazione di un oggetto di forma diversa, come tentare di afferrare il pannello di una portiera di una berlina dopo aver appena manipolato la portiera di un modello station wagon. La flessibilità non è una caratteristica fondamentale in questi sistemi convenzionali. Se la nuova porta ha un’apertura proprio dove la pinza vuole trattenere il pannello, un altro robot dovrà subentrare o le cose si complicano poiché il robot originale dovrà essere riorganizzato e riprogrammato. ‘In questo momento,
Grazie a un nuovo sviluppo da parte del suo team di ricerca presso l’Intelligent Material Systems Lab dell’Università di Saarland e presso il Center for Mechatronics and Automation Technology di Saarbrücken (ZeMA), questi robot potrebbero essere in grado di eseguire operazioni significativamente più svariate in futuro. La tecnologia che i ricercatori hanno sviluppato ha il potenziale per migliorare l’adattabilità degli effettori finali, in modo che possano essere rapidamente riprogrammati per ospitare un nuovo pezzo senza dover interrompere l’operazione di assemblaggio, oppure che siano in grado di eseguire questi riaggiustamenti da soli utilizzando algoritmi di apprendimento automatico. ‘Questo tipo di sistema di presa e manipolatore adattabile può aiutare a rendere le operazioni di produzione e assemblaggio molto più flessibili, soprattutto se si considera il fatto che il nostro sistema non necessita di alcun macchinario pesante né di azionamenti elettrici o pneumatici. Tutto ciò di cui ha bisogno è una fonte di energia elettrica’, afferma Stefan Seelecke.
Il team di Seelecke sarà presente alla Fiera di Hannover di quest’anno, dove presenterà un prototipo che rappresenta un passo significativo verso la realizzazione di questo obiettivo di produzione. Il sistema prototipo è esso stesso il risultato di numerosi progetti di ricerca e tesi di dottorato. Il sistema complessivo presenta una serie di ingegnosi sviluppi innovativi nel campo della robotica, incluso un effettore finale articolato che utilizza muscoli artificiali per consentire alle quattro dita di muoversi in qualsiasi direzione. Proprio come una mano umana, il manipolatore robotico può adattarsi ad accogliere oggetti di forma diversa e può quindi evitare, ad esempio, i fori nel pannello della portiera di un diverso modello di auto. “Il nostro sistema non si limita quindi a parti con la stessa geometria”, afferma Paul Motzki, un ingegnere laureato che ha contribuito a sviluppare il sistema durante il suo lavoro di ricerca di dottorato. Un’altra caratteristica del prototipo di Saarbrücken – e uno in cui va meglio della mano umana – è che ha ventose a portata di mano, il che significa che qualsiasi cosa su cui la pinza mette le dita sarà tenuta in modo estremamente sicuro.
Le fibre muscolari artificiali che controllano il movimento delle braccia, delle dita e delle ventose sono composte da fasci di fili a memoria di forma. “Se permettiamo a una corrente elettrica di fluire attraverso questi fili di nichel-titanio, la lega si riscalda e la sua struttura reticolare si trasforma in modo tale che il filo si accorcia in lunghezza. Quando nessuna corrente scorre attraverso il filo, si raffredda e si allunga di nuovo. I fasci di fili ultrasottili forniscono un’ampia superficie attraverso la quale il calore può essere trasferito in modo molto efficiente, quindi il processo di raffreddamento e allungamento è molto rapido,’ spiega Paul Motzki. I muscoli artificiali possono quindi tendersi e flettersi rapidamente proprio come le fibre muscolari umane, il che significa che le quattro dita potenziate dai muscoli sulla pinza robotica possono muoversi e rispondere ai cambiamenti molto rapidamente. ‘Nonostante le loro piccole dimensioni, questi fili possono generare una notevole forza di trazione. In effetti, questi fili a memoria di forma hanno la densità di energia più alta di tutti i meccanismi di azionamento conosciuti’, afferma il ricercatore.
Un breve impulso elettrico è tutto ciò che serve per generare e quindi rilasciare un potente vuoto. Il braccio del robot è quindi in grado di raccogliere oggetti e spostarli liberamente in tutte le direzioni. Il sistema non necessita di aria compressa per generare il vuoto, è silenzioso ed è adatto per l’uso in camere bianche. Non è necessario fornire energia elettrica aggiuntiva mentre la pinza tiene un oggetto, anche se l’oggetto deve essere afferrato per molto tempo o se deve essere tenuto inclinato. Per costruire il meccanismo della pinza a vuoto, i ricercatori dispongono fasci di questi fili ultrasottili alla maniera di un muscolo circolare attorno a un sottile disco di metallo che può ruotare verso l’alto o verso il basso, come un giocattolo a scatto di una rana. Il disco di metallo è fissato a una membrana di gomma e quando viene applicato un impulso elettrico ai fili, questi si contraggono e il disco si ribalta,
La pinza reagisce molto rapidamente e in modo molto preciso. ‘Nei normali bracci robotici, la massa del braccio limita la quantità di accelerazione che può essere raggiunta. La nostra tecnologia ci consente di creare sistemi leggeri con un’eccellente manovrabilità’, spiega Paul Motzki. Il sistema è controllato da un chip semiconduttore. Non sono necessari altri sensori, ‘I cavi a memoria di forma agiscono efficacemente come sensori completamente integrati fornendoci tutti i dati necessari. L’unità di controllo è in grado di correlare con precisione i dati di resistenza elettrica con l’entità della deformazione dei fili. In ogni momento, il sistema conosce l’esatta posizione di ciascuno dei fasci di fili a memoria di forma’, spiega Motzki. Gli ingegneri possono quindi programmare il sistema per eseguire movimenti altamente precisi e, a differenza dei sistemi oggi in uso tipicamente,
Poiché i fili di nichel-titanio hanno proprietà sensoriali, il braccio è in grado di dire se l’oggetto non è tenuto saldamente. Se rileva che il vuoto non è abbastanza forte, risponde e le dita stringono la presa. Può anche emettere avvisi in caso di malfunzionamento o affaticamento del materiale. “E la funzionalità del sensore integrato significa che il nostro sistema ha integrato il monitoraggio delle condizioni”, afferma Paul Motzki, che insieme al Prof. Seelecke ha ora fondato l’azienda mateligent GmbH con l’obiettivo di portare questo e altri sistemi di materiali intelligenti nel funzionamento industriale.
