Os engenheiros desenvolvem garras de robô inteligentes e com eficiência energética que reduziram os custos de produção

A energia continua sendo um fator significativo nos processos de produção industrial. Altos níveis de consumo de energia tornam a produção mais cara e exacerba a crise climática.

Um novo tipo de tecnologia de robôs que precisa de 90% menos eletricidade do que os sistemas convencionais está sendo desenvolvido em Saarland. A tecnologia utiliza materiais leves e de memória de forma para construir novos sistemas de picada industrial e não pneumáticos que funcionam sem a necessidade de sensores adicionais. A equipe de pesquisa liderada pelos professores Stefan Seelecke e Paul Motzki, da Universidade Saarland, apresentará a tecnologia no Hannover Messe deste ano.

Os braços do robô estão em uso em inúmeras configurações modernas de produção industrial. Eles são usados ​​para toda uma gama de tarefas, como manter peças de trabalho em posição, inserindo componentes, montando placas de circuito impresso, além de mover, carregar ou descarregar peças. E quando estão em uso, a maioria deles consome energia sem parar. Tomados em conjunto, esses braços de robô industrial consomem vários gigawatts de energia elétrica.

Muitos dos sistemas de garra funcionam pneumaticamente com ar comprimido, que pode ser desagradável. Eles geralmente são pesados, suas partes móveis se desgastam com o tempo e tendem a executar um padrão de movimento constante e altamente repetitivo. Essa tecnologia existente define limites na extensão da miniaturização que pode ser alcançada, e os sistemas de garras em pequena escala com pequenos pontos de aderência são particularmente difíceis de realizar. Os braços de robô convencionais também são difíceis de reprogramar rapidamente, e muitas vezes não é seguro para os trabalhadores humanos interagirem de perto com eles nas linhas de produção.

Mas um novo tipo de tecnologia de acionamento pode muito bem tornar os robôs industriais do futuro mais leve, compacto, mais flexível e mais eficiente em termos energéticos. A tecnologia é baseada em ligas leves de memória de forma (SMAs), que a equipe de engenheiros liderou pelos professores Motzki e Seelecke na Saarland University e no Saarbrücken Center for Mecatronics and Automation Technology (ZEMA) estão usando para construir novos garra robóticos.

“O trabalho que estamos fazendo pode ajudar a obter uma redução significativa no consumo de energia, reduzindo os custos de produção e ajudando a proteger o clima”, explica Motzki, professor de sistemas de materiais inteligentes para produção inovadora da Universidade Saarland e diretor científico/CEO da Zema GGMBH.

A equipe de pesquisa estará no Hannover Messe deste ano, onde apresentará vários protótipos, incluindo sistemas de garra de vácuo e garra de mandíbula que podem manter e manipular com segurança as peças de trabalho sem exigir o fornecimento contínuo de energia. “Podemos controlar esses sistemas de garra em tempo real e sempre que necessário; tudo o que precisamos fazer é aplicar um pulso curto de corrente elétrica”, explica o Prof. Motzki.

O sistema Saarbrücken Gripper é totalmente elétrico e é composto por feixes de fios ultrafinos feitos de liga de memória de forma de níquel-titânio. Esses feixes de fios ultrafinos atuam não apenas como músculos poderosos, mas também como fibras nervosas. O comportamento desses pacotes de fios se deve a uma propriedade especial da liga de níquel-titânio, a saber, que pode alternar entre duas estruturas diferentes de treliça de cristal.

Se uma corrente elétrica fluir através de um fio feito de níquel-titanium, o material aquece, fazendo com que ele adote uma estrutura cristalina diferente, com o resultado de que o fio fica mais curto. Quando a corrente é desligada, o fio esfria e retorna à sua estrutura de treliça de cristal anterior e seu comprimento original.

O material parece “lembrar” sua forma original e retornar a ele depois de ser deformada – daí o nome “Shape Memory” Ligan. Portanto, os fios são capazes de exercer forças notavelmente grandes para o seu tamanho e podem ser feitas para desencadear movimentos pequenos e controlados em qualquer tecnologia inteligente que os engenheiros tenham anexado a esses músculos artificiais minúsculos.

Motzki explica o poder muscular desses pequenos pacotes de arames da seguinte forma: “A SMA de níquel-titanium tem a maior densidade energética de todos os mecanismos de acionamento conhecido; portanto, usando esse material, podemos exercer uma força de tração substancial em espaços muito pequenos”.

Um fio com uma espessura de apenas meio milímetro pode exercer uma atração de cerca de 100 Newtons, que é aproximadamente a força exercida por 10 kg. Mas os pesquisadores usam feixes de fios ultrafinos mais finos e ultrafinos, à medida que mais fios significam uma área de superfície maior e, portanto, taxas de resfriamento mais rápidas. Isso significa que os “músculos” do fio podem fornecer movimentos rápidos e de alta frequência e uma força de tração estável.

A equipe de engenharia em Saarbrücken realmente possui um recorde mundial nessa área: usando um pacote de 20 fios ultrafinos, cada um com um diâmetro de apenas 0,025 mm, eles podem exercer 5 Newtons de força com uma frequência de 200 Hertz (ou seja, 200 ciclos por segundo). Em algumas aplicações, o tamanho da força entregue é mais importante; em outras, é a frequência com que a força é aplicada. Usando o conhecimento adquirido de vários anos de pesquisa, a equipe da Motzki é capaz de adaptar a composição dos feixes de arame em termos de espessura do fio e número de fios por pacote para atender aos requisitos de aplicações específicas.

Usando estratégias inovadoras de controle e design, os engenheiros estão desenvolvendo unidades que usam fios SMA para criar robôs industriais leves, manobráveis ​​e compatíveis com a sala limpa. A tecnologia está sob refinamento contínuo em pesquisa e doutorado. Os projetos, que permitiram aos pesquisadores Saarbrücken desenvolver sistemas elásticos com “dedos” altamente flexíveis que podem se adaptar rapidamente às mudanças na forma de uma peça de trabalho.

Grippers convencionais geralmente dependem do feedback dos sensores, mas a tecnologia desenvolvida em Saarbrücken é auto-sensível-as propriedades do sensor já estão embutidas no sistema. O sistema é controlado por um chip semicondutor.

“Os fios da memória de forma atuam efetivamente como sensores totalmente integrados, fornecendo-nos todos os dados necessários. Um sistema de IA correlaciona com precisão os dados de resistência elétrica com uma deformação específica dos fios. Como resultado, o sistema sempre conhece a posição exata de cada pacote de fios de memória de forma. As redes neurais de dados são capazes de calcular a posicional e a posicional” eficientes, que são fãs que são capazes de calcular a informação e a posicional, e a face dos dados, que é capaz de calcular a posição e a posicional, a posição de face dos dados.

Os engenheiros podem, portanto, programar o sistema para executar movimentos altamente precisos. Ao especificar os valores de resistência elétrica, eles podem controlar os fios conforme necessário.

“Ao contrário dos robôs industriais padrão em uso hoje, a reprogramação é rápida e fácil com o nosso sistema e pode até ser feita em tempo real quando necessário. A garra pode se adaptar à geometria de diferentes peças de trabalho enquanto opera”, diz Motzki.

O protótipo JAW GRIPPER desenvolvido para aplicações industriais se move rapidamente e com precisão de identificação. A garra mantém a peça de trabalho com segurança em uma garra de uma pinça, para que um sistema de manuseio de braço de robô possa manobrar a peça de trabalho ao destino desejado. O protótipo exibido no Hannover Messe deste ano pode exercer uma força de quatro Newtons, mas a tecnologia é escalável em termos de tamanho, golpe da mandíbula e força.

As propriedades auto-centralizadas dos fios SMA permitem que a posição e a condição precisas das garras sejam monitoradas sem sensores externos adicionais. E as garras são capazes de manter a peça de trabalho em posição sem exigir que a energia seja fornecida. Dependendo da sensação emocionante, a tecnologia Saarbrücken pode obter economia de energia superior a 90% em relação às garras pneumáticas convencionais em uso hoje.

Outro protótipo que está sendo mostrado pela equipe de pesquisa do Hannover Messe 2025 é uma garra de vácuo que possui dedos de garra flexível com copos de sucção a vácuo localizados na ponta dos dedos. Aqui, também, um pulso elétrico curto é tudo o que é necessário para gerar e posteriormente liberar um vácuo portador de carga. O mecanismo de pinça de vácuo é alcançado organizando feixes de fios SMA ultrafinos em um músculo circular em torno de um fino disco de metal que pode ser feito para deslizar para cima ou para baixo, como um brinquedo de clicker de sapo.

A aplicação de um pulso elétrico faz com que os fios no músculo se contratem e o disco vira sua posição, puxando uma membrana de borracha que cria um vácuo se as pontas dos dedos da garra estiverem em contato com uma superfície. Mais uma vez, nenhuma eletricidade é necessária para manter a peça de trabalho no local, mesmo que a garra esteja segurando um objeto pesado em um ângulo durante um período prolongado.

“E a funcionalidade auto-sensível significa que nosso sistema integrou o monitoramento de condições, para que a garra sabe se o vácuo criado é suficiente para suportar a carga”, diz Motzki.