Festo kombiniert Bionik mit Automation

AquaPenguin – Die Konstruktionsmerkmale des Technologieträgers fließen in die Entwicklung von Tripot-Robotern ein und werden für mehr Bewegungsfreiheit und einen größeren Arbeitsraum sorgen.

In der Automation werden Flexibilität und Leichtigkeit in Bezug auf die zu bewegende Masse und Energieeffizienz immer wichtiger: Bei immer kürzeren Taktzeiten, muss die bewegte Masse möglichst klein sein. Die Natur zeigt in den vielfältigsten Beispielen, wie man mit einem Minimum an Energie- und Materialeinsatz ein Maximum an Leistung erzielen kann.

Mit diesem komplexen Thema beschäftigt sich das Festo Bionic Learning Network - ein Verbund von Festo mit Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen - das ein fester Bestandteil der Innovationsprozesse bei Festo ist. Aus bionischen Konstruktionsansätzen wurden für die Handhabungsindustrie neue Greifertechnologien für das flexible adaptive Greifen entwickelt. In der Bio-Mechatronik erprobt Festo neue Ansätze für die Steuerung und Regelung autonomer bionischer Systeme. In der Zukunft werden für die Automatisierung der Produktion autonome, flexible, adaptive und selbstregulierende Prozesse eine immer größere Bedeutung bekommen.

Teil 2: AquaPenguin - Technologieträger als autonomes Unterwasserfahrzeug

Die bionischen Pinguine veranschaulichen, was Lernen von der Natur bedeutet. Durch die Kombination innovativer Materialien und unterschiedlicher Konstruktions- und Funktionsprinzipien können neue Gestaltungsräume erschlossen und für die Automatisierungstechnik genutzt werden. Die bionischen Pinguine orientieren sich als autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) eigenständig, navigieren selbständig und zeigen im Verband mit anderen AUV unterschiedliche Verhaltensmuster. Von der Natur übernommen wurden der strömungsgünstige Körper und der Flügelantrieb.

Die Roboter-Pinguine können auf engstem Raum manövrieren, bei Bedarf auf der Stelle wenden und – anders als ihre Vorbilder aus der Natur – sogar rückwärts schwimmen.

Als absolutes Novum in der Robotertechnik bezeichnet Festo den in alle Richtungen beweglichen Rumpf. Um diese „organische“ Formveränderung zu ermöglichen, wurden Kopf, Hals und Schwanzsegment mit einer neuartigen „3D-Fin Ray“-Struktur ausgestattet. Damit wurde die von der Schwanzflosse eines Fisches abgeleitete Fin Ray-Struktur zum ersten Mal auf den dreidimensionalen Raum erweitert.

Die Servomotoren und die Steuerelektronik sind im trockenen Hauptsegment des Rumpfes untergebracht. Eine intelligente 3D-Sensorik unterstützt die Manöver. Zur Analyse des Umfeldes haben die Pinguine ein spezielles 3D-Sonar, das mit breitbandigen Ultraschall-Signalen arbeitet. Die Technologie-Paten dafür waren Delfine und Fledermäuse.

Auch die intelligente Sensorik bietet neue Anwendungsfelder. Das schnelle und exakte Regeln erlaubt dem AquaPenguin ein kollisionsfreies Schwimmen in der Gruppe inklusive Höhenregelung, Druckausgleich, Temperaturkompensation und Lagestabilität. Die Übertragung auf die Automatisierungstechnik findet man analog dazu in neuen Proportional-Druckregelventilen für die Servopneumatik.

Teil 3: Vom Erprobungsträger zur Anwendung

Bionik-Greifer packen gefühlvoller zu und haben auch komplexe Formen im Griff.

Die Rumpfkonstruktion der Pinguine lässt sich in der Automation als flexible Tripod-Anordnung einsetzen und erschließt so neue Anwendungsfelder in der Handhabungstechnik. Das Fin Ray-Prinzip wurde im BionicTripod erstmals wirkungsvoll für die Anforderungen der Automation von Fertigungsprozessen umgesetzt. Drei pyramidenförmig angeordnete Glasfaserstäbe lassen sich durch Ein- oder Ausziehen der Stäbe in jede Richtung bis zu 90° auslenken. Elektrische Linearachsen sorgen dabei für präzise Bewegungen.

Gesteuert wird die gesamte Anlage über die Robotik-Steuerungssoftware CMXR von Festo. Der Arbeitsraum eines BionicTripod ist im Vergleich zur herkömmlichen Tripod-Anordnung um ein Vielfaches erweitert. Beispielsweise sind auch Pick-and-Place-Anwendungen mit einem 90°-Versatz möglich. Kombiniert mit einem flexiblen und adaptiven Greifer wird das Bewegen von Objekten mit unterschiedlicher Form und fragiler Gestalt möglich.

Teil 4: Flexibel bewegen und adaptiv greifen

Tripod-Roboter sind beweglicher und können bei gleichen Abmessungen größere Arbeitsräume abdecken.

Die Schnittstelle zwischen dem BionicTripod und dem Werkstück wird über einen adaptiven Greifer, den FinGripper, hergestellt. Der bionische Greifer umschließt das Werkstück ähnlich wie eine Hand, nutzt dabei aber einen bionischen Effekt, der aus der Bewegung einer Fischschwanzflosse abgeleitet ist. Der FinGripper ist so flexibel, dass er auch zerbrechliche oder unregelmäßig geformte Gegenstände wie eine Glühlampe greifen und sicher absetzen kann. Außerdem ist er so anpassungsfähig, dass er unterschiedlichste Formen hintereinander greifen kann.

Das Einsatzspektrum solcher Greifer ist enorm, zum Beispiel beim einfacheren Sortieren von Produkten mit unterschiedlicher Größe und Kontur in der Lebensmittelindustrie.

Der AirPenguin ist ein autonom fliegendes Objekt mit kollektivem Verhalten.

Vom Wasser in die Lüfte - AirPenguins

Mit den AirPenguins haben die Festo-Ingenieure die gleichen Prinzipien des AquaPengiuns adaptiert und ihnen das autonome Fliegen beigebracht. Die fliegenden Pinguine bewegen sich frei schwebend in einem definierten Luftraum, der von unsichtbaren Ultraschall-Sendestationen erfasst wird. Innerhalb dieser Zone bewegen sich die Pinguine unabhängig und erkunden mikrocontrollergesteuert jeden Winkel.