智能且节能的机器人夹爪降低生产成本

机器人手臂在无数现代工业生产环境中被广泛使用。它们用于各种任务，比如在位置上固定工件、插入组件、组装印刷电路板，以及移动、装载或卸载零件。当它们在使用时，大多数机器人手臂不间断消耗能源。总的来说，这些工业机器人手臂消耗了数吉瓦的电力。许多抓取系统使用压缩空气进行气动操作，这可能会产生不愉快的噪音。它们通常较重，运动部件会随着时间的推移磨损，并且往往会执行固定的高度重复运动模式。现有技术限制了可以实现的微型化程度，具有小抓取点的小型抓取系统尤其难以实现。传统机器人手臂也难以快速重新编程，且在生产线上人类工人与它们的近距离互动通常是不安全的。

但是，一种新型驱动技术有可能使未来的工业机器人更轻、更紧凑、更灵活以及更省能。该技术基于轻量的形状记忆合金(SMA)，萨尔兰大学和萨尔布吕肯机电一体化与自动化技术中心(ZeMA)的保罗·莫茨基教授和斯特凡·塞莱克教授领导的工程师团队正在使用这种材料构建新的机器人抓取器。保罗·莫茨基解释道：“我们正在进行的工作可以显著减少能源消耗，降低生产成本，同时有助于保护气候。”

研究团队将在今年的汉诺威博览会上展示一系列原型，包括真空抓取器和爪式抓取系统，这些系统能够安全地抓持和操纵工件，而无需持续供应能源。“我们可以实时控制这些抓取系统，只需施加一小脉冲电流，”莫茨基教授解释说。

萨尔布吕肯抓取系统完全电动，由超细的镍钛合金形状记忆丝束组成。这些超细丝束不仅充当强大的肌肉，还充当神经纤维。丝束的行为源于镍钛合金的一个特殊属性，即它可以在两种不同的晶体晶格结构之间切换。如果电流通过一根由镍钛合金制成的线，材料便会加热，从而采用不同的晶体结构，导致线变短。当电流关闭时，该线冷却并回到原来的晶体晶格结构和原始长度。因此，材料似乎“记住”其原始形状，并在变形后返回，这就是“形状记忆”合金的名称。因此，这些线能够在其大小范围内施加相当大的力量，并可以触发所附加的智能技术的微小、可控动作。

保罗·莫茨基解释了这些微小线束的肌肉力量：“镍钛合金SMA的能量密度是所有已知驱动机制中最高的，因此使用这种材料，我们能够在非常小的空间内施加很大的拉力。”一根厚度仅为半毫米的线可以施加约100牛顿的拉力，这大约是10公斤所施加的力。但是研究人员使用的是更细的、超细的丝束，因为更多的线意味着更大的表面积，因此具有更快的冷却速率。这意味着这些线“肌肉”能够提供快速、高频率的运动和稳定的拉力。萨尔布吕肯的工程团队实际上在这方面保持着世界纪录：使用一束20根直径仅为0.025毫米的超细线，他们可以在200赫兹（即每秒200次循环）的频率下施加5牛顿的力。在某些应用中，施加的力量大小最为重要，而在其他应用中，施加力量的频率则更为重要。利用多年的研究积累的知识，莫茨基的团队能够根据特定应用的要求，定制线束的组成，包括线的厚度和每束线的数量。

通过创新的控制和设计策略，工程师们正在开发使用SMA电线制造轻量、机动和洁净室兼容的工业机器人。该技术在研究和博士项目中持续改进，这使得萨尔布吕肯的研究人员能够开发出具有高度灵活“手指”的弹性抓取系统，这些系统可以快速适应工件形状的变化。

传统抓取器通常依赖传感器的反馈，但萨尔布吕肯开发的技术是自感知的–传感器特性已经内置于系统中。该系统由半导体芯片控制。“形状记忆电线实际上充当完全集成的传感器，为我们提供所有必要的数据。AI系统精确地将电阻数据与电线的特定变形相关联。因此，该系统始终知道每束形状记忆电线的确切位置。经过数据训练的神经网络能够高效且准确地计算位置信息，即使在干扰影响下也能如此，”保罗·莫茨基解释说。因此，工程师可以编程使系统进行高精度运动。通过指定电阻值，他们可以根据需要控制这些电线。“与目前使用的标准工业机器人不同，我们的系统的重新编程快速且简单，甚至可以在必要时即兴完成。抓取器可以在操作时适应不同工件的几何形状，”莫茨基说。

为工业应用开发的原型爪式抓取器的移动既迅速又精准。抓取器能以钳子般的抓力牢牢夹住工件，以便一个机器人手臂处理系统可以将工件移动到所需位置。在今年的汉诺威博览会上展示的原型能够施加四牛顿的力，但该技术在大小、爪臂行程和力方面是可扩展的。SMA电线的自感知特性使得可以不借助任何额外外部传感器监控抓取器的精确位置和状态。而且，抓取器能够在无需供电的情况下将工件固定在位置上。根据抓取应用，萨尔布吕肯的技术可以相对于今天使用的传统气动抓取器实现超过90%的节能。

研究团队在2025年汉诺威博览会上展示的另一个原型是一个真空抓取器，具有灵活的抓取手指，在指尖上安装有真空吸盘。在这里，同样只需一个短电脉冲即可生成后续释放的承载真空。真空抓取机制是通过将超细SMA电线束排列成围绕薄金属圆盘的环状肌肉，使其能够像青蛙形玩具一样上下翻转。施加电脉冲使得“肌肉”中的电线收缩，金属圆盘翻转其位置，从而拉动橡胶膜，如果抓取器的指尖与表面接触，就会产生真空。同样，抓取器在保持工件位置时无需供电，即使抓取器以倾斜的角度长时间抓持重物。“而且，自感知功能意味着我们的系统具有集成条件监控，因此抓取器知道产生的真空是否足以支撑负载，”莫茨基说。

背景

由斯特凡·塞莱克和保罗·莫茨基领导的研究团队使用形状记忆技术进行广泛的应用，包括创新冷却系统、机器人抓取器以及创新阀门和泵。该技术继续由攻读博士学位的研究生和博士后进行开发，作为其博士论文项目的一部分。该团队的成果在科学会议上和高影响力期刊中广泛传播，许多论文获得国际认可。该研究工作还得到诸多来源的支持，包括跨国工程和技术公司博世以及萨尔兰州政府通过“iProGro”和“iSMAT”欧盟区域发展基金(ERDF)项目提供的资助。