Ensaios de robôs humanóides e seus componentes
Os robôs humanóides estão cada vez mais saindo dos laboratórios de pesquisa e sendo desenvolvidos para aplicações industriais, logísticas, de serviços e, no futuro, também na área de cuidados humanos. Ao contrário dos robôs industriais tradicionais, eles se movimentam em ambientes dinâmicos, interagem com pessoas e combinam mecânica, eletrônica, sensores, software e sistemas de energia em um sistema global altamente integrado. Isso gera tarefas de ensaio complexas ao longo de toda a cadeia de valor.
Cada conjunto deve funcionar de maneira confiável em condições reais de uso. As solicitações decorrentes do movimento, das variações de carga, dos fatores ambientais e de possíveis quedas impõem altos requisitos em termos de segurança, confiabilidade e vida útil.
A ZwickRoell apoia fabricantes, fornecedores, instituições de pesquisa e equipes de desenvolvimento nos ensaios de materiais, componentes e de funcionalidades de sistemas robóticos humanóides. Desde o desenvolvimento de materiais até a garantia da qualidade, criamos soluções de ensaios adequadas à aplicação, à tarefa de ensaios e à fase de desenvolvimento.
Principais desafios Atuadores e elementos de transmissão de força Proteções e componentes estruturais Mãos e efetores de contatoSensores Sistemas de dados e energia Segurança e normas Solicitar consultoria
O mais importante em resumo
- Os robôs humanóides reúnem requisitos de ensaios das áreas de robótica, automotiva, eletrônica, tecnologia de baterias, construção leve, biomecânica/ortopedia e ensaios de materiais.
- Os requisitos críticos de ensaios decorrem do desgaste, das alternâncias de carga, de quedas e impactos, das vibrações, dos fatores ambientais, bem como dos contatos relevantes para a segurança entre pessoas e robôs.
- Entre as principais áreas de ensaios estão os atuadores, as articulações, a transmissão de força, os componentes estruturais, os efetores de contato, os sensores, bem como os sistemas de dados e de energia.
- Os ensaios de vida útil, fadiga, materiais, de funcionalidades e segurança ajudam a identificar precocemente possíveis mecanismos de falha.
- Atualmente, estão sendo elaboradas novas normas para a robótica humanóide. Ao mesmo tempo, as normas vigentes em matéria de robótica e segurança de máquinas oferecem orientações importantes.
- A ZwickRoell oferece suporte a tarefas de ensaio ao longo de todo o ciclo de vida do produto – desde a pesquisa e desenvolvimento, passando pela validação, até a garantia da qualidade na produção.
Por que os robôs humanóides precisam ser ensaiados?
Os sistemas robóticos humanóides devem se mover com segurança, operar de forma confiável e funcionar de maneira reproduzível por longos períodos. Ao mesmo tempo, eles estão sujeitos a elevadas cargas mecânicas, térmicas e ambientais. Os ensaios estabelecem a base para comprovar o comportamento dos materiais, a confiabilidade dos componentes e o cumprimento dos requisitos de segurança em condições reais de uso.
Principais desafios:
- Segurança no ambiente homem-robô: Os robôs humanóides estão sendo cada vez mais utilizados em locais onde as pessoas trabalham, vivem ou recebem cuidados. O domínio das forças, dos movimentos e dos possíveis cenários de falha ganha, assim, maior importância.
- Confiabilidade durante longos períodos de uso: As articulações, as transmissões, os sensores e os atuadores devem funcionar de forma duradoura e manter suas características mesmo após milhões de ciclos de carga.
- Vida útil e fadiga: Andar, carregar, segurar e manter o equilíbrio geram cargas cíclicas contínuas que podem causar fadiga do material e desgaste.
- Casos de quedas e colisões: Ao contrário dos sistemas estacionários, os robôs humanóides estão sujeitos a riscos de queda. Os elementos estruturais e as conexões devem ser capazes de suportar as cargas correspondentes.
- Influências ambientais e de temperatura: As variações de temperatura decorrentes das condições ambientais, bem como o aquecimento dos atuadores e dos componentes eletrônicos durante o funcionamento, afetam os materiais, os componentes eletrônicos e os conjuntos mecânicos. Além disso, há a umidade, a poeira, os agentes corrosivos ou a radiação, que podem prejudicar ainda mais o funcionamento, a vida útil e a confiabilidade.
- Normas ausentes ou em fase de elaboração: A normatização da robótica humanóide está em fase de desenvolvimento. Os fabricantes já precisam apresentar relatórios confiáveis de segurança e durabilidade.
Atuadores e elementos de transmissão de força
Os atuadores e os elementos de transmissão de força constituem a base de todos os movimentos dos robôs humanóides. Motores elétricos, cilindros pneumáticos, redutores, rolamentos, articulações, sistemas de molas e amortecedores e elementos de ligação estrutural convertem energia elétrica em movimento e transmitem forças dentro do sistema. Em sua função, elas correspondem à interação entre a musculatura, os tendões, os ligamentos e o esqueleto humano. Elas devem permitir movimentos precisos, transmitir grandes forças e, ao mesmo tempo, funcionar de maneira confiável ao longo de milhões de ciclos de carga. O que se destaca como particularmente desafiador é a combinação entre construção leve, espaço de montagem limitado, altas cargas e funcionamento reproduzível a longo prazo.
Desafios típicos:
- Altas cargas cíclicas nas articulações, rolamentos e engrenagens
- Desgastes causados pelo movimento contínuo e pelas variações de carga
- Altas forças e torques, combinados com espaço de instalação reduzido e baixo peso
- Fadigas causadas pela temperatura em acionamentos, rolamentos e componentes estruturais
- Exigências diversas, desde efetores de contato sensíveis até articulações do quadril e do joelho submetidas a cargas elevadas
- Durabilidade de materiais de construção leve e elementos de conexão
Tarefas típicas de ensaios
A ZwickRoell oferece suporte ao desenvolvimento e à validação de componentes de atuadores e de transmissão de força por meio de ensaios de materiais, desgaste, fadiga e de vida útil. Isso permite avaliar antecipadamente as cargas críticas e fornecer relatórios confiáveis para o desenvolvimento, a validação e as posteriores aplicações em série:
- Ensaios de temperatura e ambientais para avaliar componentes sob carga térmica, bem como em condições de diferentes coeficientes de dilatação dos materiais utilizados.
- Ensaios em cabos e elementos de transmissão de força quanto à força máxima, abrasão e desgaste.
- Ensaios em rolamentos, articulações e transmissões para avaliar o desgaste, a vida útil e o comportamento sob carga cíclica.
- Conceitos de ensaios biomecânicos como base para sistemas robóticos humanóides
- Ensaios de atuadores, desde acionamentos de alta precisão nas mãos e efetores de contato até articulações do quadril e do joelho submetidas a cargas elevadas, com foco na durabilidade e na vida útil.
- Ensaios em molas para avaliação do comportamento força-deslocamento e da resistência à fadiga.
- Ensaios de materiais utilizados em componentes de acionamento e estruturais submetidos a altas cargas:
- Ligas de alumínio para a estrutura de suporte e o torso
- Ligas de titânio para componentes sujeitos a altas alternâncias de carga, como, por exemplo, blocos de quadril ou eixos articulares
- Aço inoxidável para eixos, parafusos e componentes sujeitos a desgaste
- Materiais PEEK e CFRP para elementos estruturais e de fixação leves e rígidos
- Sistemas de proteção de superfícies e contra o desgaste, como camadas deslizantes de PTFE, lubrificantes sólidos e revestimentos DLC, para minimizar o atrito e o desgaste em pares de contato em movimento.
- Ligas com memória de forma para futuros conceitos de atuadores
Ensaios de tração em cabos
Resistência à tração e propriedades do material
Ensaio sob carga térmica
Exemplos de métodos de ensaio comprovados da biomecânica aplicados à robótica humanóide
Ensaio de flexão de 4 pontos
Ensaios de atrito e desgaste
Proteções e componentes estruturais
Os componentes de proteção e estruturais protegem os sistemas internos dos robôs humanóides e, ao mesmo tempo, constituem sua estrutura de suporte. Estruturas de alumínio, aço ou compósitos de fibra reforçada devem garantir alta rigidez com o menor peso possível. Além disso, há requisitos relacionados à interação com pessoas, por exemplo, por meio de superfícies semelhantes à pele, revestimentos externos têxteis ou camadas de proteção para ambientes exigentes.
Desafios típicos:
- Alta rigidez e resistência à carga, com o menor peso possível
- Proteção contra temperatura, umidade, produtos químicos e outros fatores ambientais
- Durabilidade de revestimentos, camadas externas e materiais de proteção
- Interação segura entre humanos e robôs por meio de materiais adequados para superfícies e “soft skin”
Tarefas típicas de ensaios
A ZwickRoell oferece suporte ao desenvolvimento e à validação de componentes de proteção e estruturais por meio de ensaios de materiais, revestimentos, construção leve, colisão e de funcionalidades. Os ensaios ajudam a comprovar a durabilidade de componentes estruturais, superfícies e materiais de proteção em condições reais de uso:
- Ensaios de revestimentos e superfícies quanto à aderência e resistência, por exemplo, por meio de ensaios de peeling 90°/180° ou ensaios na direção Z.
- Ensaios de revestimentos têxteis externos e materiais de proteção quanto ao comportamento à abrasão, resistência e alongamento. Isso inclui tanto revestimentos têxteis quanto materiais funcionais para ambientes de uso específicos.
- Ensaios de componentes estruturais em compósitos de fibra reforçada para avaliação de conceitos de construção leve sob carga mecânica.
- Caracterização de plásticos como matéria-prima para componentes e superfícies por meio de ensaios de índice de fluidez
- Caracterização de materiais metálicos para componentes estruturais e de proteção, por exemplo, no que diz respeito à resistência, ao comportamento à deformação ou às propriedades de processamento.
- Ensaios de colisão e impacto para simular quedas ou colisões e para investigar possíveis mecanismos de falha.
- Ensaios de materiais “soft skin”, como silicone ou TPU, para aplicações que envolvem interação direta entre humanos e robôs.
Ensaio de dureza Shore em peças de borracha
Ensaios de tração e de rasgamento
Ensaios de peeling 90°/180° e ensaios na direção Z
Mãos e efetores de contato
As mãos e os efetores de contato permitem que os robôs humanóides interajam com o ambiente ao seu redor. É necessário segurar objetos com segurança, dosar as forças com precisão e, ao mesmo tempo, ser capaz de manusear objetos delicados e pesados. Nesse contexto, exigências elevadas em termos de precisão, repetibilidade e resistência à fadiga se encontram com um espaço de instalação frequentemente limitado.
Desafios típicos:
- Transmissão precisa de força e controle de movimento em espaços reduzidos
- Manuseio confiável dos mais diversos objetos
- Alta precisão de repetição em uso contínuo
- Desgaste causado por ciclos contínuos de movimento e carga
Tarefas típicas de ensaios
A ZwickRoell oferece suporte ao desenvolvimento e à validação de mãos robóticas e efetores de contato por meio de ensaios de força, funcionais e de vida útil. Dessa forma, é possível avaliar as funções de manipulação de maneira reproduzível e identificar cargas críticas já durante o desenvolvimento:
- Medições da força de fixação para avaliar o manuseio seguro e a transmissão de força ao segurar diferentes objetos.
- Medições da força dos dedos para a análise de movimentos específicos de fixação e manipulação, bem como da capacidade de carga de atuadores delicados.
- Ensaios funcionais e de vida útil em mãos robóticas e efetores de contato para avaliar o desgaste, a precisão de repetição e a resistência à fadiga sob carga cíclica. Esses ensaios são particularmente relevantes para aplicações nas quais são realizadas operações recorrentes de fixação e manipulação por longos períodos.
Sensores
Os sensores permitem que os robôs humanóides percebam o ambiente ao seu redor e interajam com segurança com pessoas e objetos. Entre outros, são utilizados sensores de força e de pressão, bem como sistemas de sensores integrados diretamente em componentes ou superfícies.
Desafios típicos:
- Medição confiável de forças e cargas de pressão
- Funcionamento duradouro dos sensores integrados sob fadiga mecânica
- Fixação segura de sensores em componentes e superfícies
Tarefas típicas de ensaios
- Ensaios de sensores táteis de força e pressão para avaliação da precisão de medição e da capacidade de carga.
- Ensaios de sistemas sensoriais integrados, como, por exemplo, películas sensoriais nas mãos ou em outros componentes, no que diz respeito à aderência, ao comportamento de descolamento e à resistência à fadiga.
Sistemas de Dados e Energia
Os sistemas de dados e energia fornecem energia aos robôs humanóides e possibilitam a comunicação entre os sensores, o sistema de controle e os atuadores. Além dos sistemas de baterias, os cabos, as conexões e os conjuntos eletrônicos, em especial, devem suportar cargas mecânicas de forma duradoura.
Desafios típicos:
- Fornecimento confiável de energia durante toda a vida útil
- Tensões mecânicas em cabos e conectores causadas por movimento contínuo
- Resistência à fadiga de componentes eletrônicos e conexões
Tarefas típicas de ensaios
- Ensaios em baterias para avaliar as propriedades dos materiais, a resistência mecânica e a confiabilidade dos sistemas de baterias.
- Ensaios de cabos elétricos e de fibra óptica quanto à força máxima, à carga de flexão e à carga de torção.
- Ensaios de conectores para determinar as forças de retenção e de extração.
- Ensaios de conjuntos eletrônicos (PCB) quanto à resistência à flexão, ao peeling e às ligações adesivas.
Oferecemos suporte a fabricantes, fornecedores, institutos de pesquisa e equipes de desenvolvimento na identificação de cargas críticas, na seleção de métodos de ensaios adequados e na implantação de processos de ensaio reproduzíveis.
Quais componentes do seu robô humanóide precisam ser ensaiados?
Converse com nossos especialistas sobre ensaios de materiais, análises de vida útil, validação de componentes e certificações relacionadas à segurança para sistemas robóticos humanóides.
Segurança e normas para sistemas robóticos humanóides
Atualmente, o desenvolvimento da robótica humanóide está avançando mais rapidamente do que a normatização. Por isso, muitos fabricantes já se orientam hoje pelas normas vigentes nas áreas de robótica e segurança de máquinas. Ao mesmo tempo, está em desenvolvimento a ISO 25875, uma norma de segurança específica para sistemas robóticos humanóides.
Entre os pontos de referência relevantes estão:
- ISO 13482 para robôs de serviço em ambiente direto de pessoas
- ISO 10218 para sistemas robóticos industriais
- ISO 12100 sobre avaliação e redução de riscos
- IEC 62061 sobre segurança funcional de sistemas de controle relacionados à segurança
- ANSI RIA R15.08 para sistemas robóticos móveis
- ISO/CD 25785-1 para robôs móveis dinamicamente estáveis (em desenvolvimento)
O que essas normas têm em comum é o foco na resistência à fadiga, no comportamento ao desgaste, na resistência do material, na resistência ambiental e na comprovação do funcionamento seguro ao longo de todo o ciclo de vida. Com isso, os ensaios de materiais, os ensaios de funcionamento e os ensaios de vida útil ganham importância já nas fases iniciais do desenvolvimento.
