Seit Beginn der 90er-Jahre befasst sich Festo intensiv mit dem Thema Bionik – dem Übertrag natürlicher Mechanismen und Wirkprinzipien auf die Technik. Im Jahr 2006 hat das Unternehmen einen internationalen Forschungsverbund mit Hochschulen und Instituten, Entwicklungsfirmen und privaten Erfindern ins Leben gerufen: das Bionic Learning Network. Die ‚Future Concepts‘ dieses Netzwerks dienen dem Hersteller pneumatischer und elektrischer Automatisierungstechnik als Entwicklungsplattformen, die unterschiedlichste Technologien und Komponenten kombinieren – von Fertigungskonzepten über Serienprodukte bis zu Software sowie Steuer- und Regelungstechnik. So sind innerhalb des Bionic Learning Network bis heute nahezu 60 Projekte entstanden – beispielsweise der adaptive Greiffinger ‚DHAS‘.

Am Anfang war die Fischflosse

Der adaptive Greiffinger war das erste Objekt, das als Katalogprodukt in Serie ging. Es beruht auf dem verblüffenden Verhalten der Fischschwanzflosse: Drückt man seitlich gegen die Flosse, knickt sie nicht weg, sondern wölbt sich um den Druckpunkt herum. Diesen so genannten ‚FinRay Effect‘ haben die Entwickler mithilfe von zwei flexiblen Polyurethan-Bändern, die über Zwischenstege miteinander verbunden sind, technisch umgesetzt. So passen sich die stabilen, aber gleichzeitig nachgiebigen Greiffinger beim Greifen der Kontur eines Werkstückes problemlos an. Dies ermöglicht ein sanftes und sicheres Greifen von empfindlichen Objekten mit unregelmäßiger Oberfläche. Der Greiffinger findet Anwendung in der Lebensmittelindustrie, beispielsweise beim Sortieren von Obst und Gemüse. Der adaptive Greifer handhabt auch Tomaten oder rohe Eier, ohne sie zu zerdrücken.

Basis für das Wirkprinzip des adaptiven Greifers war der ‚Airacuda‘, einer der ersten Stars des Bionic Learning Networks im Jahr 2006. Diesen ließ Festo in einem riesigen Wassertank auf dem Stand bei der Hannover Messe schwimmen. Der Airacuda wird pneumatisch angetrieben und folgt in Konstruktion, Design und Kinematik seinem biologischen Vorbild. Dabei sorgen vier Fluidic Muscles für die S-förmige Bewegung und den geschmeidigen Lenkausschlag der Schwanzflosse.

Anpassungsfähig wie eine Chamäleon-Zunge

Ein weiteres Serienprodukt, das aus der Entwicklung des Bionic Learning Network hervorging, ist der adaptive Formgreifer ‚DHEF‘. Sein Wirkprinzip ist von der Zunge des Chamäleons abgeleitet: Um Beute zu fangen, lässt das Tier seine Zunge wie ein Gummiband herausschnellen. Kurz bevor seine Zungenspitze das Insekt erreicht, zieht sie sich in der Mitte zurück, während sich die Ränder weiter vorwärtsbewegen. Dadurch passt sich die Zunge der Form und Größe des jeweiligen Beutetieres an und kann es fest umschließen.

Zentrales Element des Greifers ist eine mit leichtem Überdruck gefüllte Silikonkappe, die der Chamäleon-Zunge nachempfunden ist und sich flexibel und formschlüssig über das jeweilige Greifgut stülpt. Dadurch kann ein Greifobjekt eingeschlossen und gehalten werden. Auch die Aufnahme mehrerer Gegenstände, wie etwa Schrauben aus einer Schale, lässt sich über eine entsprechende Ansteuerung mit Proportionalventilen realisieren.

Helfer für die Mensch-Roboter-Kollaboration

Für die Entwicklung einer neuen Blumenzwiebel-Sortiermaschine kam der adaptive Greifer gerade rechtzeitig. Mit dem Greifer sortiert ein niederländisches Unternehmen Blumenzwiebeln nach Größe und Qualität. Was vorher mühsam und wenig effizient menschliche Hände sortieren mussten, erledigt jetzt ein Greifer mit den adaptiven Greiffingern DHAS.

© Festo

Damit wir Menschen eine Bewegung ausführen können, ist immer das Zusammenspiel gegensätzlich wirkender Muskeln notwendig. Dieses Prinzip von Agonist (Spieler) und Antagonist (Gegenspieler) haben die Entwickler von Festo beim ‚BionicCobot‘ in allen sieben Gelenken technisch umgesetzt. In seinem Schulterbereich befinden sich drei Achsen, in Ellbogen und Unterarm jeweils eine sowie zwei Achsen im Handgelenk. In jeder Achse sitzt ein Schwenkflügel mit jeweils zwei Luftkammern. Diese bilden ein Antriebspaar, das sich durch Befüllen mit komprimierter Luft wie eine mechanische Feder stufenlos einstellen lässt. Durch dieses Antriebskonzept lassen sich das Kraftpotenzial und damit auch der Versteifungsgrad des Roboterarms exakt bestimmen. Im Falle einer Kollision gibt der pneumatische Arm automatisch nach und stellt keine Gefahr für den Menschen dar.

Die Bedienung des BionicCobots erfolgt intuitiv über ein eigens entwickeltes grafisches User Interface. Mittels Tablet kann der Anwender die durchzuführenden Aktionen teachen und beliebig aneinanderreihen. Über die Open-Source-Plattform ROS (Robot Operating System) gelangen die programmierten Bewegungsabläufe an das integrierte ‚Festo Motion Terminal‘, das die Steuerung und Regelung der Kinematik übernimmt. Controlled Pneumatics, also geregelte Pneumatik mit Piezotechnologie, ist die Basis der Steuerungs- und Regelungstechnik.