Prove su robot umanoidi e sui loro componenti
I robot umanoidi stanno uscendo sempre più spesso dai laboratori di ricerca e vengono sviluppati per applicazioni industriali, logistiche e orientate ai servizi, nonché per futuri impieghi in contesti legati all'assistenza. A differenza dei robot industriali tradizionali, operano in ambienti dinamici, interagiscono con le persone e integrano meccanica, elettronica, sensori, software e sistemi di alimentazione in un sistema complessivo altamente integrato. Ciò comporta attività di prova impegnative lungo l'intera catena del valore.
Ogni gruppo di componenti deve funzionare in modo affidabile nelle condizioni operative reali. I carichi derivanti dal movimento, dalle variazioni di carico, dai fattori ambientali e dal rischio di caduta comportano requisiti elevati in termini di sicurezza, affidabilità e vita a fatica.
ZwickRoell affianca produttori, fornitori, istituti di ricerca e team di sviluppo nelle prove su materiali, componenti e funzionalità per sistemi robotici umanoidi. Dallo sviluppo dei materiali alla garanzia della qualità, vengono create soluzioni di prova su misura per l'applicazione, l'attività di prova e la fase di sviluppo.
Sfide chiave Attuatori ed elementi di trasmissione della forza Alloggiamenti e componenti strutturali Mani ed effettori terminali Sensori Sistemi di dati e di alimentazione Sicurezza e normative Richiedere una consulenza
Dati principali in sintesi
- I robot umanoidi riuniscono i requisiti di prova provenienti dai settori della robotica, dell'industria automobilistica, dell'elettronica, della tecnologia delle batterie, delle strutture leggere, della biomeccanica/ortopedia e delle prove sui materiali.
- I requisiti critici in materia di prova derivano dall'usura, dalle variazioni di carico, dalle cadute e dagli urti, dalle vibrazioni, dai fattori ambientali e dalle interazioni critiche per la sicurezza tra esseri umani e robot.
- Le principali aree di prova includono attuatori, giunti, trasmissione della forza, componenti strutturali, effettori terminali, sensori e sistemi di gestione dei dati e di alimentazione.
- Le prove di vita a fatica, fatica, materiali, funzionali e di sicurezza aiutano a identificare precocemente potenziali meccanismi difettosi.
- Attualmente sono in fase di sviluppo nuove normative sui robot umanoidi. Allo stesso tempo, le normative esistenti in materia di robotica e sicurezza delle macchine forniscono indicazioni importanti.
- ZwickRoell supporta le attività di prova durante l'intero ciclo di vita del prodotto: dalla ricerca e sviluppo, passando per la convalida, fino alla garanzia della qualità in produzione.
Perché è necessario testare i robot umanoidi?
I sistemi robotici umanoidi devono muoversi in modo sicuro, funzionare in modo affidabile e garantire prestazioni costanti per lunghi periodi di tempo. Allo stesso tempo, sono sottoposti a elevati livelli di sollecitazioni meccaniche, termiche e ambientali. Le prove costituiscono la base per dimostrare il comportamento dei materiali, l'affidabilità dei componenti e la conformità ai requisiti di sicurezza in condizioni operative realistiche.
Sfide chiave:
- Sicurezza negli ambienti in cui interagiscono esseri umani e robot: I robot umanoidi vengono sempre più spesso impiegati nei luoghi in cui le persone lavorano, vivono o ricevono assistenza. Di conseguenza, la capacità di gestire le forze, i movimenti e i potenziali scenari di guasto sta assumendo un'importanza sempre maggiore.
- Affidabilità per tutta la durata di vita: Giunti, riduttori, sensori e attuatori devono funzionare in modo affidabile nel lungo periodo e mantenere le loro caratteristiche anche dopo milioni di variazioni di carico.
- Fatica e durabilità: Camminare, trasportare, afferrare e mantenere l'equilibrio generano sollecitazioni continue e cicliche che possono causare fatica e usura del materiale.
- Cadute e impatti: A differenza dei sistemi fissi, i robot umanoidi sono esposti al rischio di caduta. Gli elementi strutturali e i collegamenti devono essere in grado di sopportare i carichi corrispondenti.
- Influenze ambientali e termiche: Le variazioni di temperatura causate dalle condizioni ambientali, così come il calore generato dagli attuatori e dai componenti elettronici durante il funzionamento, influiscono sui materiali, sui componenti elettronici e su quelli meccanici. Inoltre, l'umidità, la polvere, le sostanze corrosive o le radiazioni possono compromettere ulteriormente la funzionalità, la resistenza alla fatica e l'affidabilità.
- Normative mancanti o in fase di elaborazione: Attualmente è in fase di sviluppo una standardizzazione in materia di robot umanoidi. Già oggi i produttori devono fornire prove concrete della sicurezza e della durata dei propri prodotti.
Attuatori ed elementi di trasmissione della forza
Gli attuatori e gli elementi di trasmissione della forza costituiscono la base di ogni movimento nei robot umanoidi. I motori elettrici, gli attuatori pneumatici, i riduttori, i cuscinetti, i giunti, i sistemi molla-smorzatore e le estensioni strutturali trasformano l'energia elettrica in movimento e trasmettono le forze all'interno del sistema. Dal punto di vista funzionale, rispecchiano l'interazione tra muscoli, tendini, legamenti e scheletro nel corpo umano. Devono consentire movimenti precisi, trasmettere forze elevate e, al contempo, funzionare in modo affidabile per milioni di cicli di cambio carico. Ciò che rende questa sfida particolarmente impegnativa è la combinazione di struttura leggera, spazio di installazione limitato, carichi elevati e la necessità di garantire un funzionamento costantemente riproducibile.
Sfide tipiche:
- Elevati carichi ciclici su giunti, cuscinetti e ingranaggi
- Usura causata dal movimento costante e dal cambio carico
- Elevate forze e coppie, unite a uno spazio di installazione limitato e a un peso ridotto
- Sollecitazioni dovute alla temperatura su trasmissioni, cuscinetti e componenti strutturali
- Una vasta gamma di esigenze, dagli effettori terminali altamente sensibili alle articolazioni dell'anca e del ginocchio sottoposte a carichi elevati
- Durabilità dei materiali leggeri e dei connettori
Task di prova tipiche
ZwickRoell supporta lo sviluppo e la convalida di attuatori e componenti di trasmissione della forza attraverso prove sui materiali, sull'usura, sulla fatica e sulla vita a fatica. Ciò consente di valutare precocemente i carichi critici e di ottenere dati affidabili per lo sviluppo, la convalida e le successive applicazioni nella produzione in serie:
- Prove di temperatura e ambientali per valutare i componenti sottoposti a sollecitazioni termiche, nonché nei casi in cui i materiali utilizzati presentino coefficienti di dilatazione diversi.
- Prove su funi ed elementi di trasmissione della forza per garantire la massima resistenza alla forza, all'abrasione e all'usura.
- Prove su cuscinetti, giunti e ingranaggi per testarne l'usura, la resistenza alla fatica e il comportamento sotto carico ciclico.
- Concetti relativi ai test biomeccanici come base per i sistemi robotici umanoidi
- Prove degli attuatori che spaziano dai movimenti ad alta precisione delle mani e degli effettori terminali alle articolazioni dell'anca e del ginocchio sottoposte a carichi elevati, con particolare attenzione alla capacità di carico e alla resistenza alla fatica.
- Prove delle molle per valutare l'andamento forza-spostamento e il limite di resistenza.
- Prove sui materiali utilizzate in componenti strutturali e di trasmissione sottoposti a carichi elevati:
- Leghe di alluminio per la struttura portante e il busto
- Leghe di titanio per componenti sottoposti a elevati carichi ciclici, quali blocchi dell'anca o aste articolate
- Acciaio inossidabile per alberi, bulloni e componenti soggetti a usura
- Materiali in PEEK e CFRP per componenti strutturali e di supporto leggeri e rigidi
- Sistemi di protezione delle superfici e contro l'usura, quali strati di scorrimento in PTFE, lubrificanti solidi e rivestimenti DLC, per ridurre al minimo l'attrito e l'usura nelle coppie di contatto in movimento.
- Leghe con memoria di forma per i futuri modelli di attuatori
Prove di trazione sulle funi
Resistenza alla trazione e proprietà dei materiali
Prove sotto carico termico
Esempi di metodi di prova collaudati provenienti dal campo della biomeccanica e applicati alla robotica umanoide
Prova di flessione a 4 punti
Prove di attrito e usura
Alloggiamenti e componenti strutturali
Gli alloggiamenti e i componenti strutturali proteggono i sistemi interni dei robot umanoidi, costituendone al contempo la struttura portante. I telai realizzati in alluminio, acciaio o materiali compositi a base di fibre devono garantire un'elevata rigidità con il minor peso possibile. Inoltre, esistono requisiti relativi all'interazione con le persone, ad esempio attraverso superfici simili alla pelle, rivestimenti esterni in tessuto o strati protettivi per ambienti difficili.
Sfide tipiche:
- Elevata rigidità e capacità di carico con il peso più basso possibile
- Protezione da temperatura, umidità, sostanze chimiche e altri fattori ambientali
- Durata nel tempo dei rivestimenti, delle coperture esterne e dei materiali protettivi
- Interazione sicura tra uomo e robot grazie a materiali adeguati per le superfici e per la pelle morbida
Task di prova tipiche
ZwickRoell supporta lo sviluppo e la convalida di componenti della scocca e strutturali attraverso prove sui materiali, sui rivestimenti, sulla struttura leggera, di urto e funzionali. Le prove consentono di dimostrare la capacità portante degli elementi strutturali, delle superfici e dei materiali protettivi in condizioni operative realistiche:
- Prove su rivestimenti e superfici per valutare la resistenza di adesione e la durata, ad esempio mediante prove di peel a 90°/180° o prove nella direzione Z.
- Prove su rivestimenti esterni in tessuto e materiali protettivi per quanto riguarda la resistenza all'abrasione, la resistenza meccanica e l'allungamento. Ciò comprende sia rivestimenti tessili che materiali funzionali destinati ad ambienti di applicazione specifici.
- Prove su componenti strutturali in composito rinforzato con fibre per valutare soluzioni costruttive leggere sottoposte a sollecitazioni meccaniche.
- Caratterizzazione delle materie plastiche come materie prime per componenti e superfici mediante prove di indice di fusione
- Caratterizzazione dei materiali metallici destinati a componenti strutturali e di scocca, ad esempio per quanto riguarda la resistenza, il comportamento alla deformazione o le proprietà di lavorazione.
- Prove di urto e di impatto per simulare eventi di caduta o di collisione e per studiare i possibili meccanismi di cedimento.
- Prove sui materiali con pelle morbida come il silicone o il TPU per applicazioni che prevedono un'interazione diretta tra uomo e robot.
Prove di durezza Shore su componenti in gomma
Prove di trazione e di crescita dello strappo
Test di peel a 90°/180° e prove in direzione Z
Mani ed effettori terminali
Le mani e gli effettori terminali consentono ai robot umanoidi di interagire con l'ambiente circostante. Devono essere in grado di afferrare saldamente gli oggetti, esercitare forze precise e, al contempo, maneggiare sia oggetti delicati che pesanti. Elevati requisiti in termini di precisione, ripetibilità e resistenza alla fatica si scontrano con uno spazio di installazione spesso limitato.
Sfide tipiche:
- Trasmissione precisa della forza e controllo del movimento in uno spazio di installazione ridotto
- Presa affidabile di una vasta gamma di oggetti
- Elevata ripetibilità anche in caso di utilizzo prolungato
- Usura dovuta al movimento continuo e ai cicli di carico
Task di prova tipiche
ZwickRoell supporta lo sviluppo e la convalida di mani ed effettori terminali attraverso prove di forza, funzionalità e resistenza alla fatica. Ciò consente di valutare in modo riproducibile le funzioni di presa e di individuare i carichi critici già in fase di sviluppo:
- Misurazioni della forza di presa per valutare la sicurezza nella manipolazione e la trasmissione della forza durante la presa di oggetti diversi.
- Misurazione della forza delle dita per analizzare i singoli movimenti di presa e manipolazione, nonché la capacità di carico di attuatori delicati.
- Prove funzionali e di fatica su mani ed effettori terminali per valutare l'usura, la ripetibilità e il limite di resistenza sotto carico ciclico. Queste prove sono particolarmente rilevanti per le applicazioni in cui vengono eseguite operazioni ripetitive di presa e manipolazione per lunghi periodi di tempo.
Sensori
I sensori consentono ai robot umanoidi di percepire l'ambiente circostante e di interagire in modo sicuro con persone e oggetti. Vengono utilizzati, tra l'altro, sensori di forza e di pressione, nonché sensori integrati direttamente nei componenti o nelle superfici.
Sfide tipiche:
- Misurazione affidabile delle forze e dei carichi di compressione
- Funzionalità permanente dei sensori integrati sotto carico meccanico
- Resistenza di adesione sicura dei sensori nei componenti e sulle superfici
Task di prova tipiche
- Prove sui sensori tattili di forza e pressione per valutare la precisione e la capacità portante.
- Prova dei sensori integrati, ad esempio, le pellicole sensibili applicate sulle mani o su altri componenti, per quanto riguarda la forza di adesione, il comportamento al distacco e il limite resistenza.
Sistemi di dati e alimentazione
I sistemi di dati e di alimentazione forniscono energia ai robot umanoidi e consentono la comunicazione tra sensori, controllori e attuatori. Oltre ai sistemi di batterie, sono soprattutto i cavi, i connettori e i gruppi elettronici a dover resistere alle sollecitazioni meccaniche nel lungo periodo.
Sfide tipiche:
- Alimentazione elettrica affidabile per tutta la durata di vita a fatica
- Sollecitazioni meccaniche sui cavi e sui connettori dovute a movimenti permanenti
- Limite di resistenza dei componenti elettronici e dei collegamenti
Task di prova tipiche
- Prove delle batterie per valutare le proprietà dei materiali, la capacità di carico meccanico e l'affidabilità dei sistemi di batterie.
- Prove sui cavi elettrici e in fibra ottica per carichi massimi di forza, flessione e torsione.
- Prove dei connettori per determinare le forze di ritenzione e di estrazione.
- Prova dei gruppi di assemblaggio elettronici (PCB) per il carico di flessione, il comportamento a distacco e i giunti adesivi.
Supportiamo produttori, fornitori, istituti di ricerca e team di sviluppo nell'identificazione dei carichi critici, nella selezione dei metodi di prova adeguati e nella definizione di processi di prova riproducibili.
Quali componenti del vostro robot umanoide devono essere testati?
Rivolgetevi ai nostri esperti per quanto riguarda le prove sui materiali, gli studi sulla durata a fatica, la convalida dei componenti e le verifiche relative alla sicurezza dei sistemi robotici umanoidi.
Sicurezza e norme relative ai sistemi robotici umanoidi
Lo sviluppo della robotica umanoide sta attualmente procedendo a un ritmo più rapido rispetto alla standardizzazione. Ecco perché molti produttori si attengono già alle normative vigenti nei settori della robotica e della sicurezza delle macchine. Allo stesso tempo, ISO 25785, una norma di sicurezza specifica per i sistemi robotici umanoidi, è attualmente in via di sviluppo.
Tra i punti di riferimento rilevanti figurano:
- ISO 13482 per i robot di servizio che operano nelle immediate vicinanze delle persone
- ISO 10218 per i sistemi di robot industriali
- ISO 12100 per la valutazione e la riduzione dei rischi
- IEC 62061 per la sicurezza funzionale dei sistemi di controllo relativi alla sicurezza
- ANSI RIA R15.08 per sistemi robotici mobili
- ISO/CD 25785-1 per robot mobili dinamicamente stabili (in fase di sviluppo)
Ciò che accomuna questi standard è l'attenzione rivolta al limite di resistenza, al comportamento all'usura, alla resistenza dei materiali, alla resistenza agli agenti ambientali e alla verifica del funzionamento sicuro per l'intero ciclo di vita. Di conseguenza, le prove sui materiali, le prove funzionali e le prove di durata assumono un'importanza sempre maggiore già nelle prime fasi di sviluppo.
