28/03/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers in Saarland ontwikkelen een zachte robotarm in de vorm van een slurf.
Industriële robots zijn krachtig, wendbaar en nauwkeurig maar ook zwaar en ze kunnen levensbedreigend zijn. Om zij aan zij en hand in hand met mensen te kunnen werken, moeten robots zachter zijn. Een onderzoeksteam van de Universität des Saarlandes in Saarbrücken ontwikkelt een robotarm die geen zware metalen constructie nodig heeft.
Slurf
Kunstmatige spieren en zenuwen, gemaakt van de vormgeheugenlegering nikkel-titanium, maken robotslurfen wendbaar en mobiel, net als hun dierlijke tegenhangers. Maar ze zijn veel lichter, onvermoeibaarder en nauwkeuriger bestuurbaar. De bionische robotarmen, die het onderzoeksteam in Saarbrücken samen met Festo ontwikkelt, verbruiken weinig stroom en kunnen veilig met mensen werken.
De onderzoekers nemen de slurf van de olifant als voorbeeld. De slanke robotslurf die ze ontwikkelen, kan oscilleren en slingeren en in alle richtingen buigen. In tegenstelling tot zware metalen robotarmen is deze arm niet gebonden aan omvangrijke gewrichten waardoor ze alleen in bepaalde richtingen kan bewegen. Net als zijn dierlijke rolmodel heeft de slurf van de robot geen 'botten', dat wil zeggen geen stijf metalen frame. Ze is behendig door interactie van zijn kunstmatige spieren.
Geheugenlegering
De intelligente materiaalsystemen van de universiteit maken flexibele en zachte tools mogelijk die lichter en flexibeler zijn dan de huidige technische componenten. Ze hebben geen motoren, hydrauliek of perslucht nodig, maar werken met relatief weinig elektriciteit. Dit maakt deze robottechnologie duurzaam, kostenbesparend en bovendien stil in gebruik. Het onderzoeksteam werkt aan verschillende soorten kunstmatige spieren voor slimme robotslurfen en tentakels. De ingenieurs gebruiken hiervoor zowel intelligente kunststoffen als legeringen met vormgeheugen.
Een nieuwe prototype met vormgeheugen is een ongeveer 30 cm lange slurf 'spieren' en 'zenuwen' uit nikkel-titanium draadbundels. De technologie is schaalbaar en het werkt ook voor grote industriële robots. De kunstmatige spieren kunnen op commando samentrekken en weer ontspannen.
Deze eigenschap van nikkel-titanium is te danken aan het vormgeheugen van deze legering: het onthoudt zijn oorspronkelijke vorm. Als de draad wordt verhit, bijvoorbeeld door er stroom doorheen te lopen, wordt hij korter. Als de stroom wordt uitgeschakeld, koelt hij af en wordt weer lang. In tegenstelling tot bijvoorbeeld water, dat bij verhitting gasvormig wordt, blijft nikkel-titanium vast, maar verandert de kristalstructuur.
Spierstrengen
De onderzoekers assembleren de slurf uit kunstmatige spierstrengen uit haardunne draden. Draadbundels geven door het grotere oppervlak meer warmte af, waardoor het samentrekken sneller gaat. De draden zijn ook sterk; ze hebben volgens de onderzoekers de hoogste energiedichtheid van alle bekende aandrijfmechanismen en ontwikkelen een hoge treksterkte. Dit maakt het mogelijk om krachtige aandrijftechnologieën in kleine ruimtes onder te brengen.
Door een aantal van deze draadbundels op gezette tijden door een reeks ronde, dunne plastic schijven te halen, houden de draadbundels hun afstand en ontstaat er een slurfsegment. De onderzoekers zetten een aantal van deze segmenten bij elkaar, waarbij ze naar het einde van de slurf smaller worden.
Aansturing
De onderzoekers gebruiken elektrische impulsen om de 'spieren' in de slurf te buigen. Als de kunstmatige spierstrengen aan één kant in een segment worden verkort, buigt de slurf op dit punt naar buiten in de gewenste hoek. De interactie van de draadbundels creëert vloeiende bewegingsreeksen. De kunstmatige spieren dienen ook als de zenuwen van het systeem – de draden zelf hebben sensoreigenschappen.
Elke vervorming van de draden veroorzaakt een verandering in elektrische weerstand en die kan worden gemeten. Op basis van de gemeten waarden weten de onderzoekers in welke positie welke van de draadbundels momenteel vervormd is, en kunnen ze ook sensorische gegevens aflezen. Ze gebruiken deze waarden om bewegingsreeksen te modelleren en te programmeren, hiervoor intelligente algoritmen te ontwikkelen en zo de bionische slurf te trainen. Ze kunnen de punt voorzien van extra functies, zoals een grijper of een camerasysteem. Ook zou de slurf een buis kunnen dragen die vloeistoffen nauwkeurig afgeeft of wegpompt.
Om de resultaten van het toepassingsgerichte onderzoek naar de industriële praktijk te brengen, richtten de onderzoekers vanuit de leerstoel het bedrijf Mateligent op.
Foto: Oliver Dietze, Universität des Saarlandes