Robotikforschung Künstliche Muskeln lassen Roboter flexibler zupacken

Der Robotersauggreifer, den man an der Universität des Saarlandes entwickelt, kann komplizierte Werkstücke greifen und sich diesen auch spontan anpassen. Auf der Hannover Messe 2022 ist er zu sehen.

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Folgendes Bild: Bei der Automontage wuchten Roboter in Industriehallen schwere Karosserieteile und setzen diese zusammen. Ihre Greifsysteme sind aber wenig anpassungsfähig. Soll der Greifer deshalb etwa nachdem er die Tür einer Limousine gehandelt hat, nun eine andere Tür einbauen, steht man vor einem Problem. Denn Flexibilität ist einem üblichen Roboter nicht ins Programm geschrieben. Deshalb muss in der Regel ein anderer Greifer installiert werden, was aufwändig ist, weil umgebaut und umprogrammiert werden muss. Besonders bei flachen oder leicht gekrümmten Bauteilen, wie es bei Blechen oder Glasscheiben oft der Fall ist, greifen diese sogenannten Endeffektoren heute immer nur monoton gleiche Werkstücke, so Professor Stefan Seelecke vom Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlandes.

Greifer passen sich blitzschnell neuen Konturen an

Mit einer strombetriebenen Greiferneuentwicklung, die von Seeleckes Forschungsteam und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik Zema aus der Taufe gehoben wurde, könnten Roboter künftig flexibler zupacken. Haarfeine künstliche Muskeln aus einer Nickel-Titan-Legierung bewegen dabei die „Finger“ blitzschnell, wodurch die Sauggreifer an den Fingerspitzen sich am Werkstück festsaugen oder lösen, erklären die Experten. Das Verfahren biete die Chance, dass Robotergreifer sich in Zukunft in Highspeed an beliebige Werkstückkonturen anpassen könnten, weil sie sich so im laufenden Betrieb einfach und schnell umprogrammieren ließen. Noch weiter gedacht, könnten sie sich mithilfe des maschinellen Lernens auch selber anpassen. Derart anpassungsfähige Greif- und Handhabungssysteme würden dem produzierenden Gewerbe viele Vorteile bringen. „Außerdem kommt unser Verfahren ohne schweres Gerät, Elektromotoren oder laute und energieintensive Druckluft aus. Es braucht nur elektrischen Strom“, betont Seelecke.

Forschungsfragmente erstmals im Großen Ganzen zu sehen

Einen Erfolg mit Blick auf die Verwirklichung dieser Vision demonstriert Seeleckes Team mit einem Prototyp auf der Hannover Messe 2022 in Halle 2. Es sei das Ergebnis mehrerer Forschungsprojekte sowie Doktorarbeiten und bestehe aus mehreren Neuentwicklungen, die erstmals in einem Gesamtsystem kombiniert wurden. Ein Teil ist ein gelenkiger Robotergreifer, der vier Finger nebst Fingerspitzen durch künstliche Muskeln in alle Richtungen bewegen kann. Ähnlich wie eine menschliche Hand, kann er sich so eben unterschiedlich geformten Gegenständen anpassen und dabei auch Aussparungen oder Löchern im Werkstück ausweichen. Er ist also nicht mehr monoton auf nur Bauteilgeometrie beschränkt. Beim anderen Stück des Ganzen – es habe der menschlichen Hand sogar etwas voraus – hat er Vakuumsauggreifer an den Fingerspitzen installiert, die das, was der Greifer in seinen Fängen hat, dann unlösbar festhalten.

Künstliche Drahtmuskeln mit Rekord-Power

Bei Fingern und Fingerspitzen sowie auch bei den Vakuum nutzenden Saugnäpfen kommen künstliche Muskelfasern zum Einsatz, die aus Bündeln feiner Nickel-Titan-Drähte mit Formgedächtnisfunktion bestehen, wie die Forscher wissen lassen. Legt man dran Strom an, erwärmen sie sich und wandeln ihre metallische Gitterstruktur so um, dass sie sich zusammenziehen. Fließt kein Strom, kühlen sie ab und dehnen sich wieder. Bündelt man nun mehrere solcher dünnen Drähte, geben sie durch die größere Oberfläche die Wärme schneller ab, so dass sie schneller abkühlen. Das sei vergleichbar einem menschlichen Muskel und macht das schnelle An- und Entspannen der künstlichen „Muckis“ möglich – und damit auch flinke Bewegung der vier Greifer-Finger. Auf relativ kleinem Raum brächten die Formgedächtnisdrähte eine hohe Zugkraft zustande. Von allen bekannten Antriebsmechanismen beinhalten sie laut Aussage der Forscher die höchste Energiedichte. Das wollen die Experten in Hannover eindrucksvoll demonstrieren, indem sie diesen Drahtmix eine schwere Bowling-Kugel einen halben Meter in die Höhe katapultieren lassen.