Robotmonterede vakuumgribere bøjer deres kunstige muskler

En kort elektrisk puls er alt, hvad der skal til for at generere og frigive et kraftigt vakuum på et øjeblik. Den nye vakuumgriber, der er udviklet af forskerholdet ledet af professor Stefan Seelecke ved Saarlands Universitet, gør det muligt for robotarme at opfange genstande og bevæge dem frit rundt i rummet. Systemet fungerer uden behov for trykluft til at generere vakuum, det er energieffektivt, stille og velegnet til brug i rene rum. Specialisterne i intelligente materialesystemer gør brug af kunstige muskler, som er bundter af ultrafine form hukommelsestråde, der er i stand til at spænde og slappe af ligesom ægte muskelfibre gør. Ledningerne fungerer også som sensorer og kan mærke, for eksempel, når griberen skal justere eller stramme sit greb.

Vakuumgribere er almindeligt anvendt i industrielle produktionslinjer, hvor de bruges til at sortere, transportere og holde glatte og relativt flade genstande, så skruer kan slås ind, overflader malet eller komponenter samlet. Brug af vakuumgribere er typisk en støjende affære. De mest almindelige systemer bruger trykluft, hvilket ikke kun gør dem høje, men betyder også, at de har brug for tungt hjælpeudstyr, hvilket driver omkostningerne op og gør hele systemet noget ufleksibelt. De bruger også betydelige mængder energi.

Helt anderledes forholder det sig i tilfældet med den nye vakuumteknologi, der er udviklet af professor Stefan Seeleke fra Saarlands Universitet og Center for Mekatronik og Automationsteknologi i Saarbrücken (ZeMA). Formhukommelsesvakuumgriberen kan producere et kraftfuldt vakuum ved kun at bruge en robotarm til at føre den på plads. Det kræver ikke noget ekstra elektrisk eller pneumatisk drivsystem, det er let, tilpasningsdygtig, omkostningseffektiv at producere, og lydløs. Det kræver kun små impulser af elektrisk strøm, en impuls til at generere vakuumet og en til at frigive det. Der kræves ingen yderligere elektrisk strøm, mens griberen holder en genstand, også selvom genstanden skal holdes i lang tid, eller hvis den skal holdes på skrå.

Teknologien er baseret på formhukommelsesegenskaberne af nikkel-titanium-legering. "Formhukommelse refererer til det faktum, at et materiale er i stand til at ændre sin form og vende tilbage til sin oprindelige form, efter at det er blevet deformeret. Hvis der strømmer elektrisk strøm gennem en ledning lavet af denne legering, tråden bliver varmere, og dens gitterstruktur forvandles på en sådan måde, at tråden forkortes i længden. Hvis strømmen ophører, ledningen køler ned og forlænges igen, " siger Stefan Seelecke, forklarer de vigtigste underliggende materialefaseovergange. De ultrafine ledninger trækker sig derfor sammen og slapper af som muskelfibre, afhængig af om der løber en elektrisk strøm eller ej. "Disse formhukommelsestråde har den højeste energitæthed af alle kendte drivmekanismer, som gør dem i stand til at udføre kraftfulde bevægelser i begrænsede rum, " forklarer Seelecke.

For at konstruere en vakuumgriber, forskerne arrangerede bundter af disse fibre på samme måde som en cirkulær muskel omkring en tynd metalskive, der kan vippe op eller ned, som et frøkliklegetøj. Påføring af en elektrisk impuls får ledningerne til at trække sig sammen, og skiven vipper i position. Skiven er fastgjort til en gummimembran på en flad glat overflade. Når disken vender position, det trækker i membranen, skabe en stærk, stabilt vakuum. Ved at bundte ledningerne sammen, den resulterende bevægelse er kraftig og hurtig.

"Flere ultratynde ledninger giver et stort overfladeareal, hvorigennem de kan overføre varme, hvilket betyder, at de hurtigt kan køle ned. Som resultat, bundtet af fibre kan forkortes og forlænges hurtigt, gør det muligt for griberen at gribe eller frigive en genstand meget hurtigt, " forklarer forskningsassistent Susanne-Marie Kirsch. Kirsch og hendes kollega Felix Welsch udvikler og optimerer vakuumgriberteknologien som en del af deres ph.d.-forskningsstudier. "I øjeblikket, griberen er i stand til sikkert at holde genstande, der vejer flere kilo. Griberens løftekapacitet er skalerbar, med tilsvarende flere ledninger, der bruges i store gribere, " forklarer Felix Welsch.

Og fordi materialet, som ledningerne er lavet af, har sensoriske egenskaber, vakuumgriberen er selv opmærksom på, om objektet ikke holdes sikkert. "Trådene giver al den nødvendige information. De elektriske modstandsdata korrelerer præcist med omfanget af deformation af ledningerne. Ved at fortolke måledataene, Styreenheden kender derfor den nøjagtige position af ledningerne til enhver tid, "siger professor Seelecke. Griberen har således et autonomt middel til at afgøre, om dens vakuum er stabilt nok til den aktuelle opgave. Det kan også udsende advarsler i tilfælde af funktionsfejl eller materialetræthed.