Robotarme med fleksibiliteten i en elefantstamme

I modsætning til konventionelle robotarme med hængslede og drejelige led, nye fleksible arme, der udvikles af professor Stefan Seelecke og hans forskningsgruppe ved Saarland University, er konstrueret ved hjælp af muskler fremstillet af formhukommelsestråde, der har evnen til at bøje i næsten enhver retning og sno sig rundt om hjørner.

De fleksible arme drives elektrisk og kan derfor undvære det sædvanlige pneumatiske udstyr eller andet omfangsrigt tilbehør. Da selve formhukommelseslegeringen har sensoregenskaber, armene kan styres uden behov for yderligere sensorer. Den nye teknologi kan bruges til at bygge store robotarme med fleksibiliteten i en elefants stamme eller ultrafine tentakler til brug i endoskopiske operationer.

Fra 1. til 5. april, forskergruppen vil være på Hannover Messe, hvor de vil bruge prototyper til at demonstrere formerne til formhukommelsesarme på Saarland Research and Innovation Stand. Seeleckes team leder efter partnere, der er interesserede i at udvikle teknologien til praktiske applikationer.

Der er funktionelle grænser for fleksibiliteten af ​​både menneskelige og robotarme. Leddene er ofte omfangsrige og forbinder stive knogler eller mekaniske samlinger. Bevægelse er typisk begrænset til bestemte rumlige retninger. I modsætning, en elefantstammer og blæksprutte tentakler giver langt større smidighed. Tilstedeværelsen af ​​titusinder af muskler gør det muligt for disse væsner at flytte stammen eller tentaklet i alle retninger, at bøje den i den helt rigtige grad og at gribe tingene med stor kraft. Ingeniørerne på Saarland Universitet har hentet inspiration fra disse naturlige modeller og udvikler robotarme, der eliminerer behovet for led eller stive skeletter eller rammer, skabe strukturer, der er både lette og ekstremt smidige.

Professor Stefan Seelecke og hans team samarbejder med forskere fra Darmstadt Technical University for at udvikle tynde, præcist kontrollerede kunstige tentakler. I fremtiden, systemet kunne finde anvendelse som en ledningstråd ved hjertekirurgi eller som et endoskop ved gastroskopiske og koloskopiske procedurer. Forskerne udstyrer derfor de kunstige tentakler med yderligere funktioner, såsom en griber eller en spids med justerbar stivhed, der leverer en forbedret skubbe -kraft. Men teknologien kan også skaleres op til at producere store robotarme, der ikke ligner en elefants bagagerum.

Fleksibiliteten i disse nye robotarme kommer fra de kunstige muskler, der bruges af Saarbrücken -forskergruppen. Disse muskler er sammensat af ultrafine nikkel-titanium (nitinol) tråde, der trækker sig sammen og forlænges på en kontrolleret måde. De ultrafine nitinoltråde trækker sig sammen som rigtige muskler, afhængigt af om der strømmer en elektrisk strøm eller ej.

"Nikkel-titanium er det, der er kendt som en formhukommelseslegering, hvilket betyder, at den er i stand til at vende tilbage til sin oprindelige form efter at være deformeret. Hvis der strømmer en elektrisk strøm gennem en nitinoltråd, materialet varmes op, får det til at vedtage en anden krystalstruktur med det resultat, at tråden bliver kortere. Hvis strømmen er slukket, tråden afkøles og forlænges igen, "forklarer professor Seelecke.

Hans team på Intelligent Material Systems Lab ved Saarland University har skabt bundter af disse tråde, der fungerer som kunstige muskelfibre. "Flere ultratynde ledninger giver et stort overfladeareal, hvorigennem de kan overføre varme, hvilket betyder, at de trækker sig hurtigere sammen. Ledningerne har den højeste energitæthed af alle kendte drivmekanismer. Og de kan udøve en meget høj trækstyrke over en kort afstand, "forklarer Seelecke, der også forsker på ZeMA - Center for Mekatronik og Automationsteknologi i Saarbrücken. Forskerteamet på ZeMA udvikler en række applikationer til disse ledninger, fra nye kølesystemer til nye ventiler og pumper.

For robotarme, forskerne forbinder trådbundterne, så de fungerer som flexor- eller extensormuskler, hvilken, arbejder sammen, frembringe en flydende bevægelse. "De tentakler, der kunne bruges i fremtiden som medicinske katetre eller i endoskopiske procedurer, har diametre på kun omkring 300 til 400 mikrometer. Intet andet drivsystem er af lignende størrelse. Tidligere systemer, der blev brugt til kateterprocedurer, var betydeligt større, og dette havde en tendens til at begrænse deres evner, "forklarer Paul Motzki, som skrev sit speciale om formhukommelsestråde og er forskningsassistent i professor Seeleckes gruppe.

De nye tentakler kan styres meget præcist og kan bruges til at skabe multifunktionelle værktøjer. For eksempel, den distale spids af tentaklet kan laves til at udføre en skubbe bevægelse. Det nøjagtige bevægelsesmønster er modelleret af forskerne og derefter programmeret på en halvlederchip. Og systemet har ikke behov for andre sensorer. Ledningerne selv leverer alle de nødvendige data. "Materialet, hvorfra ledningerne er fremstillet, har sensoriske egenskaber. Styringsenheden er i stand til at fortolke de elektriske modstandsdata, så den kender den nøjagtige position og orientering af ledningerne til enhver tid, ”siger Paul Motzki.

I modsætning til konventionelle robotarme, der kræver strøm fra en elektrisk motor eller fra et pneumatisk eller hydraulisk system, armene ikke har behov for noget sådant tungt udstyr, kun elektrisk strøm. "Dette gør systemet let, meget fleksibel og støjsvag at betjene, og det betyder, at produktionsomkostningerne er relativt lave, "siger professor Seelecke. Forskergruppen udstiller deres systemprototyper på Hannover Messe og demonstrerer potentialet i disse nye kontinuumrobotarme.