Der Robotersauggreifer des Teams von Prof. Stefan Seelecke kann kompliziert geformte Werkstücke greifen und sich wechselnden Formen anpassen. Dr. Paul Motzki (l.) und Lukas Zimmer (r.) haben das System mitentwickelt.

Bild: Universität des Saarlandes / Oliver Dietze

Vakuum durch Stomimpulse Robotergreifer hat mit künstlichen Muskeln alles im (Saug)-Griff

23.05.2022

Der neuartige Robotersauggreifer kann kompliziert geformte Werkstücke greifen und sich wechselnden Formen spontan anpassen. Er funktioniert mit Strom, braucht keine Druckluft, ist leicht, beschleunigt schnell und merkt selbst, ob er alles im Griff hat. Haarfeine Muskeln aus Nickel-Titan bewegen seine Finger und ziehen und lösen über Sauggreifer an den Fingerspitzen blitzschnell ein starkes Vakuum.

Bei der Automontage wuchten Roboter in Industriehallen schwere Karosserieteile und setzen diese zusammen. Ihre Greifsysteme sind wenig anpassungsfähig: Soll der Greifer etwa nach der Tür einer Limousine nun eine anders geformte Tür eines Sportwagens einbauen, geht das nicht einfach so. Flexibilität ist ihm nicht ins Programm geschrieben. Ist dort, wo er zupacken soll, im nächsten Bauteil eine Aussparung, muss ein anderer Greifer ran oder es wird aufwändig, weil umgebaut und umprogrammiert werden muss.

„Besonders bei flachen oder leicht gekrümmten Bauteilen wie Blechen oder Glasscheiben greifen diese sogenannten Endeffektoren heute immer nur monoton gleiche Werkstücke“, erklärt Professor Stefan Seelecke.

Anpassen wie eine menschliche Hand

Mit einer Neuentwicklung von Seeleckes Forschungsteam für Intelligente Materialsysteme an der Universität des Saarlandes und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik Zema könnten die Arbeitsmaschinen künftig flexibler werden: Das Verfahren birgt das Potenzial, dass Robotergreifer sich in Zukunft in Highspeed an beliebige Werkstücke anpassen, weil sie sich im laufenden Betrieb einfach und schnell umprogrammieren lassen – oder dies künftig mithilfe maschinellen Lernens selbst tun.

„Derart anpassungsfähige Greif- und Handhabungssysteme würden eine weit flexiblere Produktion und Fertigung ermöglichen. Außerdem kommt unser Verfahren ohne schweres Gerät, Elektromotoren oder laute und energieintensive Druckluft aus. Es braucht nur elektrischen Strom“, sagt Stefan Seelecke.

Einen Schritt hin zu dieser Vision demonstriert Seeleckes Team mit einem Prototyp auf der Hannover Messe. Er ist das Ergebnis mehrerer Forschungsprojekte sowie Doktorarbeiten und besteht aus mehreren Neuentwicklungen, die erstmals in einem Gesamtsystem kombiniert werden: zum einen aus einem gelenkigen Robotergreifer, der vier Finger und Fingerspitzen durch künstliche Muskeln in alle Richtungen bewegen kann.

Ähnlich wie eine menschliche Hand kann er sich unterschiedlich geformten Dingen anpassen und so auch Aussparungen oder Löchern in Türen anderer Automodelle ausweichen. „Er ist nicht auf eine Bauteilgeometrie beschränkt“, erläutert Ingenieur Paul Motzki, der das System in seiner Doktorarbeit mitentwickelt hat. Und zum anderen – dies hat der Prototyp der Hand sogar voraus – hat er jeweils Vakuum-Sauggreifer an den Fingerspitzen, die das, was der Greifer in seinen Fängen hat, unlösbar festhalten.

Formgedächtnisdrähte fungieren als künstliche Muskelfasern

Bei Fingern, Fingerspitzen wie auch Vakuum-Saugnäpfen kommen künstliche Muskelfasern zum Einsatz: Bündel feiner Drähte mit Formgedächtnis. „Legen wir Strom an diese Nickel-Titan-Drähte an, erwärmen sie sich und wandeln ihre Gitterstruktur um, so dass sie sich zusammenziehen. Fließt kein Strom, kühlen sie ab und werden wieder lang. Bündel aus mehreren solcher dünnen Drähte geben durch die größere Oberfläche schnell Wärme ab, so dass sie schnell abkühlen und wieder lang werden“, erläutert Paul Motzki.

Vergleichbar einem menschlichen Muskel macht dies schnelles An- und Entspannen möglich und damit auch flinke Bewegung der vier muskulösen Greifer-Finger. „Auf kleinem Raum bringen die Formgedächtnisdrähte eine hohe Zugkraft zustande: Von allen bekannten Antriebsmechanismen haben sie die höchste Energiedichte. Dies demonstrieren wir auf der Hannover Messe auch, indem wir die Drähte eine Bowling-Kugel einen halben Meter in die Höhe katapultieren lassen“, erläutert der Ingenieur.

Der Greifer kann Dinge festhalten und frei im Raum bewegen, ohne Druckluft, leise und reinraumtauglich. Kurze Stromimpulse genügen, um schnell ein kraftvolles Vakuum zu erzeugen und wieder zu lösen. Dafür legen die Forscherinnen und Forscher die Draht-Bündel wie einen Ringmuskel um ein Metall-Plättchen, das nach oben oder unten umspringen kann wie ein Knackfrosch: Ein Stromimpuls verkürzt die Drähte und lässt den „Knackfrosch“ umschnappen, wobei er an einer Gummi-Membran zieht und das Vakuum auslöst, wenn der Greifer auf flacher Oberfläche aufliegt. Fürs Halten selbst braucht er keinen Strom, auch wenn er ein schweres Teil schräg hält.

Daten kommen über Drähte

Der Greifer bewegt sich punktgenau und schnell. „Beim Beschleunigen heutiger Roboterarme ist die Masse ein begrenzender Faktor. Unser Verfahren macht leichte und wendige Systeme möglich“, erklärt Paul Motzki. Die Steuerung läuft über einen Halbleiterchip.

„Diese Technik kommt gänzlich ohne zusätzliche Sensoren aus: Die Drähte liefern selbst alle Daten, Sensoreigenschaften sind also automatisch integriert. Die Regelungseinheit ordnet den Messwerten des elektrischen Widerstands exakt die jeweilige Deformation der Drähte zu. Dadurch weiß das System zu jeder Zeit, in welcher Position welches der Drahtbündel steht“, erklärt der Forscher. Hierdurch können die Ingenieure präzise Bewegungsabläufe programmieren. Anders als bei heute üblichen Systemen geht ein Umprogrammieren sogar nebenher, während der Montage.

Auch, ob er sein Transportgut fest im Griff hat oder nicht, merkt der Sauggreifer: Er erkennt, wenn das Vakuum nicht tragfähig ist, und der Greifer nachfassen muss. Bei Fehlfunktion oder Materialermüdung kann er warnen. „Durch die Sensorfunktion ist also zugleich die Zustandsüberwachung integriert“, sagt Paul Motzki, der jetzt mit Stefan Seelecke aus dem Lehrstuhl heraus die Firma Mateligent gegründet hat, die diese und andere intelligenten Materialsysteme in die Industriepraxis bringen soll.

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