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Los músculos artificiales ayudan a los robots manipuladores de vacío a agarrar

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Las pinzas robóticas diseñadas por el profesor Stefan Seelecke y su equipo de la Universidad de Saarland pueden agarrar y manipular objetos con geometrías complejas. El sistema puede adaptarse casi instantáneamente a los cambios de forma, cambiando sin problemas entre piezas de diferentes formas. La pinza articulada se acciona eléctricamente, es ligera y acelera rápidamente, e incluso es capaz de saber si está sujetando el objeto con suficiente seguridad.

Los hilos ultrafinos de níquel-titanio que controlan el movimiento de los cuatro dedos del prototipo pueden generar y liberar rápidamente un potente vacío a través de ventosas situadas en las puntas de los dedos de la mano artificial. Los ingenieros mostrarán el potencial de su tecnología en la Feria de Hannover (30 de mayo a 2 de junio, pabellón 2, stand B28).

En las líneas de montaje de automóviles actuales, los robots industriales que manipulan y posicionan las pesadas piezas de la carrocería son parte integrante del proceso de montaje de los vehículos. Pero los sistemas de agarre con los que están equipados estos brazos robóticos no suelen ser especialmente adaptables. A menudo surgen problemas cuando la pinza robótica tiene que pasar a manipular un objeto con una forma diferente, como por ejemplo intentar agarrar el panel de la puerta de una berlina después de haber manipulado la puerta de un modelo familiar. La flexibilidad no es una característica esencial de estos sistemas convencionales. Si la nueva puerta tiene una abertura justo en el punto en el que la pinza quiere sujetar el panel, otro robot tendrá que tomar el relevo o las cosas se complican, ya que el robot original tendrá que ser reequipado y reprogramado. En la actualidad, los efectores finales de los robots -término técnico de las pinzas- sólo pueden agarrar monótonamente el mismo objeto una y otra vez, sobre todo cuando el proceso de ensamblaje implica la manipulación de piezas planas o ligeramente abombadas, como láminas de metal o de vidrio", explica el profesor Stefan Seelecke.

Gracias a un novedoso desarrollo de su equipo de investigación en el Laboratorio de Sistemas de Materiales Inteligentes de la Universidad de Saarland y en el Centro de Mecatrónica y Tecnología de la Automatización de Saarbrücken (ZeMA), estos robots podrán realizar en el futuro operaciones mucho más variadas. La tecnología que han desarrollado los investigadores tiene el potencial de mejorar la adaptabilidad de los efectores finales, de modo que puedan reprogramarse rápidamente para acomodar una nueva pieza de trabajo sin necesidad de interrumpir la operación de montaje, o que sean capaces de realizar estos reajustes por sí mismos utilizando algoritmos de aprendizaje automático. Este tipo de sistema de pinzas y manipuladores adaptables puede contribuir a flexibilizar las operaciones de producción y montaje, sobre todo si se tiene en cuenta que nuestro sistema no requiere maquinaria pesada ni accionamientos eléctricos o neumáticos. Lo único que necesita es una fuente de energía eléctrica", afirma Stefan Seelecke.

El sistema prototipo es el resultado de numerosos proyectos de investigación y tesis doctorales. El sistema en su conjunto presenta una serie de ingeniosos desarrollos novedosos en el campo de la robótica, como un efector final articulado que utiliza músculos artificiales para permitir que los cuatro dedos se muevan en cualquier dirección. Al igual que una mano humana, el manipulador robótico puede adaptarse para acomodar objetos de formas diferentes y, por tanto, puede evitar, por ejemplo, los agujeros del panel de la puerta de un modelo diferente de coche. Por tanto, nuestro sistema no se limita a las piezas con la misma geometría", afirma Paul Motzki, un ingeniero graduado que ayudó a desarrollar el sistema durante su trabajo de investigación doctoral. Otra característica del prototipo de Saarbrücken -y en la que supera a la mano humana- es que cuenta con ventosas en las puntas de los dedos, lo que significa que cualquier cosa que la pinza agarre con sus dedos se sujetará con extrema seguridad.

Las fibras musculares artificiales que controlan el movimiento de los brazos, los dedos y las ventosas están compuestas por haces de cables con memoria de forma. Si permitimos que fluya una corriente eléctrica a través de estos hilos de níquel-titanio, la aleación se calienta y su estructura reticular se transforma de tal manera que el hilo se acorta. Cuando no fluye la corriente por el hilo, se enfría y vuelve a alargarse. Los haces de alambres ultrafinos ofrecen una gran superficie a través de la cual se puede transferir el calor de forma muy eficaz, por lo que el proceso de enfriamiento y alargamiento es muy rápido", explica Paul Motzki. Así, los músculos artificiales pueden tensarse y flexionarse rápidamente como las fibras musculares humanas, lo que significa que los cuatro dedos musculares de la pinza robótica pueden moverse y responder a los cambios con gran rapidez. A pesar de su pequeño tamaño, estos hilos pueden generar una fuerza de tracción considerable. De hecho, estos hilos con memoria de forma tienen la mayor densidad de energía de todos los mecanismos de accionamiento conocidos", afirma el investigador.

Basta con un breve impulso eléctrico para generar y liberar un potente vacío. Así, el brazo robótico puede recoger objetos y moverlos libremente en todas las direcciones. El sistema no necesita aire comprimido para generar el vacío, es silencioso y se puede utilizar en salas limpias. No es necesario suministrar energía eléctrica adicional mientras la pinza sostiene un objeto, incluso si el objeto tiene que ser agarrado durante mucho tiempo o si tiene que ser sostenido en un ángulo. Para construir el mecanismo de agarre por vacío, los investigadores colocan haces de estos alambres ultrafinos a modo de músculo circular alrededor de un disco metálico delgado que puede girar hacia arriba o hacia abajo, como un juguete de clicks de rana. El disco metálico está unido a una membrana de goma y, cuando se aplica un impulso eléctrico a los hilos, éstos se contraen y el disco gira en posición, tirando de la membrana, lo que, si la pinza está en contacto con una superficie plana y lisa, crea un fuerte vacío.

La pinza reacciona con gran rapidez y precisión. En los brazos robóticos normales, la masa del brazo limita la cantidad de aceleración que se puede alcanzar. Nuestra tecnología nos permite crear sistemas ligeros con una excelente maniobrabilidad", explica Paul Motzki. El sistema está controlado por un chip semiconductor. No se necesitan otros sensores: "Los cables con memoria de forma actúan como sensores totalmente integrados que nos proporcionan todos los datos necesarios. La unidad de control es capaz de correlacionar con precisión los datos de resistencia eléctrica con el grado de deformación de los cables. En todo momento, el sistema conoce la posición exacta de cada uno de los haces de hilos con memoria de forma", explica Motzki. Por tanto, los ingenieros pueden programar el sistema para que realice movimientos muy precisos y, a diferencia de los sistemas que se utilizan habitualmente en la actualidad, el sistema del prototipo puede reprogramarse incluso mientras el brazo de montaje está en funcionamiento.

Como los cables de níquel-titanio tienen propiedades sensoriales, el brazo es capaz de saber si el objeto no está bien sujeto. Si detecta que el vacío no es lo suficientemente fuerte, responde y los dedos aprietan su agarre. También puede emitir avisos en caso de mal funcionamiento o fatiga del material. Gracias a la funcionalidad de los sensores incorporados, nuestro sistema cuenta con un control de estado integrado", afirma Paul Motzki, que junto con el profesor Seelecke ha fundado la empresa mateligent GmbH con el objetivo de poner en marcha este y otros sistemas de materiales inteligentes en la industria.

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