Australische Ingenieure haben einen biomimetischen Soft-Manipulator für Roboter entwickelt, der Objekte greifen kann, indem er sie wie die Tentakel eines Oktopus oder den Rüssel eines Elefanten umschließt. Der Manipulator besteht aus Stoff und wird von einem hydraulischen Aktuator angetrieben. Er kann Gegenstände unterschiedlicher Form greifen, auf engstem Raum damit arbeiten und dank der eingebauten Drucksensoren auch zerbrechliche Gegenstände manipulieren. Das variable Steifigkeitselement im Manipulatordesign ermöglicht es ihm, das 220-fache seines Eigengewichts zu halten, so ein Artikel, der in der Zeitschrift Advanced Materials Technologies veröffentlicht wurde.
Die Entwicklung von Softrobotern ist ein beliebtes und sich schnell entwickelndes Gebiet in der Robotik. Dank ihrer weichen Materialien können solche Roboter dort eingesetzt werden, wo ein sorgsamer Umgang mit der Umwelt erforderlich ist, beispielsweise in der Medizin, bei der Arbeit mit zerbrechlichen Objekten oder beispielsweise bei der Unterwasserforschung.
Manipulatoren, die in weichen Roboterkonstruktionen verwendet werden, sehen meist wie Klauen aus oder bestehen aus mehreren flexiblen Fingern, die hydraulisch oder pneumatisch angetrieben werden. Greifer mit einer solchen Konstruktion kommen jedoch nicht gut mit schweren Gegenständen mit komplexer Form zurecht.
Ingenieure der University of New South Wales unter der Leitung von Thanh Nho Do haben einen weichen Manipulator entwickelt, der diese Nachteile nicht aufweist. Es sieht aus und funktioniert wie ein Tentakel und ist in der Lage, Gegenstände fest gegen ihre Oberfläche zu greifen. Der Manipulator besteht aus vier Hauptkomponenten: einem hydraulischen Aktuator, einem Gewebegehäuse, Druckwandlern und einem Element mit variabler Steifigkeit.
Spiralgreiftentakel-Design
Schema zum Halten von Objekten durch Greifen und Befestigen am Manipulatorarm
Der hydraulische Aktuator, der bei der Bedienung des Gerätes eine große Rolle spielt, ist ein weicher, dehnbarer Silikonschlauch, der in eine Spirale aus Angelschnur (Polyvinylidenfluorid) eingelegt ist. Gleichzeitig ist der Außendurchmesser des Silikonschlauchs etwas größer als der Innendurchmesser der Spirale für eine höhere Effizienz des Aktors. Als Arbeitsflüssigkeit wird Wasser verwendet. Wenn der Flüssigkeitsdruck ansteigt, neigt der innere Silikonschlauch dazu, sich in alle Richtungen auszudehnen, aber die Fadenspule begrenzt die radiale Expansion und erlaubt dennoch eine Dehnung in Richtung der Längsachse des Schlauchs. Gleichzeitig erfolgt eine Drehbewegung entgegen der Wickelrichtung der Schnur.
Aktorkreis
Die Außenhülle des Tentakels besteht aus mehreren Stoffschichten, die zusammengenäht sind, um Kanäle zu bilden, um den hydraulischen Aktuator und die Versteifungsvorrichtung aufzunehmen. Das Obermaterial kann auf einer Seite gedehnt werden (zB "Spandex") und auf der gegenüberliegenden Seite wird Baumwollgewebe mit eingeschränkter Dehnbarkeit verwendet. Aus diesem Grund wird bei der Verformung des hydraulischen Aktuators im Inneren der gesamte Manipulator-Tentakel gebogen und zu einer Spirale verdreht, und je höher der auf den Aktuator ausgeübte Druck, desto mehr wird der Manipulator zu einer Spirale verdreht (mit einer großen Anzahl von wendet sich).
Um Echtzeitinformationen über den Druck zu erhalten, den der Manipulator auf die Oberfläche des Objekts ausübt, haben die Entwickler weiche Drucksensoren eingebaut. Sie bestehen aus spiralförmig verdrillten Silikonkanälen, die mit einer flüssigen eutektischen Legierung aus Gallium und Indium gefüllt sind. Eine Verformung der Kanäle unter äußerem Druck führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes. Die Sensoren befinden sich nacheinander auf einer Seite an mehreren Stellen entlang des Tentakels. Dadurch können mit dem Tentakel zerbrechliche Gegenstände manipuliert werden, ohne dass die Gefahr besteht, diese zu beschädigen.
Damit der Manipulator die aufgenommene Last im Gewicht heben und halten kann, statteten ihn die Ingenieure mit einem Element mit temperaturvariabler Steifigkeit aus. Es ist ein Polyethylenterephthalat-Rohr, in dem sich ein Heizelement befindet - eine Edelstahlspirale, die durch elektrischen Strom erhitzt wird. Beim Erhitzen über eine Schwellentemperatur von etwa 67 Grad Celsius durchläuft das Schlauchmaterial einen Phasenübergang und wird formbar, wodurch der Tentakel geformt werden kann. Nach dem Ausschalten der Heizung und dem Abkühlen wird das Rohrmaterial steif und fixiert die Form des Manipulators. Bei 0,5 Ampere dauert es weniger als zehn Sekunden, bis das Gerät auf 80 Grad Celsius aufgeheizt ist.
Aufgrund der geringen Größe und Anordnung des Heizelements innerhalb des Rohres wird eine erhebliche Erwärmung der Außenfläche des Manipulators vermieden. Und um die Abkühlung nach dem Abschalten der Heizung zu beschleunigen, wird aus einer nach dem Rank-Hilsch-Wirbeleffekt arbeitenden Vorrichtung ein Kaltluftstrom von 13 Grad Celsius in den PET-Schlauch geleitet. Dadurch ist es möglich, das Rohr über seine gesamte Länge in 11 Sekunden von 80 auf 50 Grad Celsius abzukühlen. Der komplette Aufheiz- und Abkühlzyklus dauert nach Angaben der Entwickler etwa 24 Sekunden.
Um die Fähigkeiten des neuen Manipulators zu bewerten, führten die Ingenieure eine Reihe von Experimenten mit Gewichten unterschiedlicher Gewichte und Formen durch, die zeigten, dass der Manipulator effektiver ist, wenn er in einer Konfiguration arbeitet, bei der die aufgebrachte Kraft senkrecht zu der entlang der Achse verlaufenden Achse gerichtet ist Spirale des verdrehten Tentakels. In dieser Position erwies sich der Manipulator als in der Lage, eine Kiste mit Werkzeugen mit einem Gewicht von 1,8 Kilogramm zu greifen und zu halten, was das 220-fache des Eigengewichts des Geräts (8, 2 Gramm) ist. Darüber hinaus kann der Manipulator aufgrund der Fähigkeit, sich zu einer Spirale zusammenzurollen und um Gegenstände zu wickeln, Gegenstände aus engen Räumen und Löchern erreichen, beispielsweise aus hohen zylindrischen Hohlräumen, sowie dünne längliche Gegenstände wie Stäbe, Bleistifte, Schraubenschlüssel manipulieren und Schraubendreher.
Der Greifer hält Gegenstände verschiedener Formen und Gewichte
Beispiele für das Halten von Objekten unterschiedlicher Form
Für einen zuverlässigen Halt ist es, wie die Entwickler angemerkt haben, notwendig, dass der Tentakel mindestens einmal um das zu greifende Objekt gewickelt wird, sodass die Größe des Objekts begrenzt ist. Je größer das Objekt, desto länger sollte der Manipulator sein.
Zukünftig planen die Entwickler, mit dem Material für den Steifigkeitsmodifikator zu experimentieren, um den Energieverbrauch und die Erwärmungstemperaturen zu reduzieren, sowie einen Roboterarm mit taktilem Feedback basierend auf ihren bisherigen Designs zu integrieren. Nach ihren Schätzungen könnte in etwa 12-16 Monaten eine kommerziell verfügbare Technologie auf Basis des neuen Manipulators erscheinen.
Zuvor haben wir über koreanische Ingenieure der Koryo-Universität gesprochen, die ein anderes Prinzip verwendet haben, um einen weichen Robotertentakel zu bedienen. Der von ihnen entwickelte Aktor basiert auf dem Phänomen der Elektroosmose.
