Die Automatisierungstechnik übernimmt im Fabrikalltag typische Aufgaben wie das Greifen, Bewegen und Positionieren von Gütern sowie das Steuern und Regeln von Prozessen. All diese Aufgaben löst die Natur ganz selbstverständlich, einfach und energieeffizient. Was liegt da näher, als sich ihre Phänomene anzuschauen und von ihnen zu lernen? Festo hat deshalb bereits im Jahr 2006 mit dem Bionic Learning Network einen Forschungsverbund mit Hochschulen und Instituten, Entwicklungsfirmen sowie privaten Erfindern ins Leben gerufen. Ziel ist es, mit Hilfe der Bionik neue Technologie-Ansätze zu identifizieren und auf die industrielle Automation zu adaptieren.

Anhand dreier aktueller Projekte stellte Festo nun unlängst vor, wie aus Sicht der Esslinger eine ungefährliche und direkte Zusammenarbeit von Mensch und Maschine in Zukunft aussehen könnte:

Eines der Projekte ist der Bionic-Cobot. Dabei handelt es sich um einen pneumatischen Leichtbauroboter mit menschlicher Bewegungsdynamik. Aufgrund seiner natürlichen Bewegungsmuster und der eingesetzten nachgiebigen Pneumatik sei dieses Konzept geradezu prädestiniert für eine gefahrlose Mensch-Roboter-Kollaboration und zudem vom Konzept her eine preisgünstige Alternative zu klassischen, das heißt auf der Basis von elektrischen Antrieben basierenden Roboterkonzepten.

Ausgeklügeltes Zusammenspiel: das neuartige Antriebskonzept des siebenachsigen Roboterarms.

© Festo

Die Bewegung des BionicCobot ist dem menschlichen Arm nachempfunden – von der Schulter über Oberarm, Ellbogen, Elle und Speiche bis zur Hand. Er macht sich dabei den natür­lichen Wirkmechanismus von Bizeps- und Trizepsmuskel zunutze, also das effiziente Zusammenspiel von Beuger und Strecker. Ob kräftig zupacken oder vorsichtig aufheben, fest zudrücken oder sanft antippen – 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 beim BionicCobot in allen sieben ­Gelenken technisch umgesetzt. Dadurch kann er wie sein biologisches Vorbild sehr feinfühlige Bewegungen ausführen.

Konkret befinden sich im Schulterbereich des Roboterarmes 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 sind das Kraftpotenzial und damit auch der Versteifungsgrad des Roboterarms exakt bestimmbar. Im Falle einer Kollision gibt der pneumatische Arm automatisch nach. Diese systemeigene Nachgiebigkeit und das geringe Eigengewicht erlauben Festo zufolge einen Einsatz ohne Schutzkäfig und machen somit eine unmittelbare und sichere Kollaboration von Mensch und Maschine möglich.

Die Bedienung des BionicCobot kann intuitiv über ein eigens entwickeltes grafisches User Interface erfolgen. Mittels Tablet kann der Anwender die durchzuführenden Aktionen einfach teachen und beliebig aneinander reihen. Über die Open-Source-Plattform ROS (Robot Operating System) gelangen die programmierten Bewegungsabläufe an das integrierte Motion Terminal, das die Steuerung und Regelung der Kinematik übernimmt. Je nach Aufgabenstellung lassen sich an den BionicCobot unterschiedliche Greifer anschließen.
 

Leichtbauarm mit zwölf Freiheitsgraden

Ein weiterer Leichtbauroboter, der im Bionic Learning Network entwickelt wurde, ist der ebenfalls pneumatische BionicMotionRobot. Dieser ahmt die fließenden Bewegungsabläufe eines Elefantenrüssels beziehungsweise von Oktopus-Tentakeln mit seiner flexiblen pneumatischen Balgstruktur und einer entsprechenden Ventil- und Regelungstechnik nach. Das Konzept der nachgiebigen Kinematik basiert auf dem Bionischen Handling-Assistenten aus dem Jahr 2010, für den die Forscher damals mit dem Deutschen Zukunftspreis ausgezeichnet wurden.

Modularer Aufbau: ein Blick ins Innen­leben des pneumatischen Roboterarms.

© Festo

Der Arm des BionicMotionRobot besteht aus insgesamt drei flexiblen Grundsegmenten, die jeweils von vier pneumatischen Faltenbälgen bewegt werden. Die komplexe Steuerung und Regelung der zwölf flexiblen Balgstrukturen übernimmt ebenfalls ein Motion Terminal. Ein optischer Formsensor entlang der Längsachse des Systems erfasst dabei Position, Form und Interaktionen der kompletten Kinematik. Durch diesen modularen Aufbau kann der Roboterarm gleichzeitig drei verschiedene Bewegungsrichtungen ausführen.

Die Faltenbälge sind aus robustem Elastomer. Jeder einzelne von ihnen ist mit einem speziellen 3D-Textil-Gestrick ummantelt, das in seiner Funktion eine verblüffende Parallele zur Natur aufweist: Ähnlich den Muskelfasern in einem Oktopus-Tentakel sind seine Fäden so orientiert, dass sie eine Ausdehnung der Balgstrukturen in die gewünschte Bewegungsrichtung erlauben und gleichzeitig in die anderen Richtungen begrenzen. Dank dieser neuartigen Fasertechnologie lässt sich  Festo zufolge erst das Kraftpotenzial der gesamten Kinematik ausschöpfen. Konkret hat der bionische Roboterarm eine Tragkraft von knapp drei Kilogramm – bei etwa demselben Eigen-gewicht. Seine Bedienung erfolgt ebenfalls intuitiv beziehungsweise per Teachen über ein eigenes grafisches User Interface. Anschließend lassen sich die definierten Arbeitsschritte per Drag & Drop in einer Zeitleiste beliebig aneinanderreihen. Dabei wird der komplette Bewegungsablauf virtuell abgebildet und gleichzeitig simuliert.

Kombination aus Kraftschluss und Unterdruck

Aufgrund seines weichen Materials kann das künstliche Tentakel nicht nur sanft und sicher greifen. Es erfüllt darüber hinaus die strengen Kriterien einer Softrobotik-Komponente.

© Festo

Das dritte neue Projekt von Festo ist der sogenannte OctopusGripper – ein bionischer Greifer, der vom Oktopus-Tentakel abgeleitet ist. Er besteht aus einer weichen Silikonstruktur, die sich pneumatisch ansteuern lässt. Wird sie mit Druckluft gefüllt, krümmt sich das Tentakel nach innen und kann sich formschlüssig und sanft um das jeweilige Greifgut schlingen. Wie bei seinem natürlichen Vorbild sind an der Innenseite des Silikon-Tentakels zwei Reihen von aktiv und passiv ge­regelten Saugnäpfen angebracht. Damit kann der neuartige Greifer eine Vielzahl an unterschiedlichen Formen aufnehmen und halten. Insbesondere aufgrund seiner weichen und nachgiebigen Struktur verfügt der OctopusGripper über großes Potenzial für den Einsatz in kollaborativen Arbeitsräumen der Zukunft.

Noch handelt es sich bei den neuen Ideen von Festo zur Leichtbaurobotik um Zukunftskonzepte. Allerdings planen die Esslinger laut Dr. Elias Knubben, Leiter der Abteilung ‚Corporate Bionic Projects‘, damit sehr früh auch in Pilotprojekte einzusteigen und letztlich irgendwann zu Serienprodukten weiterzuentwickeln.