Wie können automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver gestaltet werden? Auf der Motek 2007 zeigt Festo innovative Antriebskonzepte des Bionic Learning Network. Die Versuchsträger nutzen dabei neueste Technologien von Festo. Mechatronische Gesamtkonzepte mit Möglichkeiten zu Fernwartung und Diagnose gehören ebenso selbstverständlich dazu wie neueste Piezoventile und elektrische Antriebe. Der fluidische Muskel von Festo, längst fester Bestandteil in der Fertigung, zeigt sich als Universalgenie in immer neuen verblüffenden Anwendungen. Für die komplexen Antriebsformen dienen Phänomene in Luft und Wasser, vor allem aber der Mensch selbst als Quelle der Inspiration.
Bionic Learning Network
Das Bionic Learning Network ist Teil des Engagements im Bereich der technischen Aus- und Weiterbildung. In Kooperation mit Studenten, namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen fördert Festo dabei Ideen und Initiativen, die über das Kerngeschäft der Automatisierung und Didactic hinausreichen und vielleicht übermorgen interessante Anwendungsgebiete sein könnten.
Der Mantarochen Air_ray
Untersuchungen zu Fortbewegungsarten im Wasser zeichnen die Rochen als Perfektionisten des Unterwasserfliegens und gleitens aus. Dabei gleicht ihr Flossenschlag im Wasser dem Flügelschlag eines Vogels in der Luft. Ihre wellenförmigen Bewegungen bilden ein Optimum aus maximalem Vortrieb bei minimalem Energieverbrauch. Die strömungsoptimierte Form ermöglicht insbesondere dem Mantarochen einen eleganten Bewegungsablauf und macht ihn zum echten Unterwasserakrobaten.
Der Air_ray hat den Mantarochen als Vorbild. Er ist eine ferngesteuerte Hybridkonstruktion aus einem mit Helium gefüllten Ballonet und einem Schlagflügelantrieb. Durch seine leichte Konstruktion ist es ihm möglich, mit dem Auftrieb des Heliums annährend so im Luftmeer zu „schwimmen“, wie dies dem Mantarochen im Wasser möglich ist.
Der Vortrieb wird durch einen Schlagflügelantrieb realisiert. Der durch einen Servoantrieb auf und ab bewegbare Flügel besteht aus einer Struktur, die den bereits beschriebenen Fin Ray Effect® nutzt. Die Struktur selbst besteht aus einer alternierenden Zug- und Druckflanke, die mit Spanten gelenkig verbunden ist. Wenn eine Flanke mit Druck beaufschlagt wird, wölbt sich die geometrische Struktur von selbst entgegen der einwirkenden Kraftrichtung. Ein Servoantrieb zieht in Längsrichtung alternierend an den beiden Flanken und bewegt so den Flügel auf und ab.
Ergänzt wird diese Struktur durch einen torsionssteifen Mittelholm, der von Rainer Mugrauer entwickelt wurde. Dieser dient als Auflage für einen Servoantrieb, der am äußeren Ende des Mittelholms montiert ist. Mit diesem Servoantrieb kann der Schlagflügel in seiner Querachse verdreht werden. Dadurch wird das Rückwärtsfliegen des Air_ray’s möglich. Das Höhenruder ist ebenfalls als eine mittels Servoantrieb angetriebene Fin Ray Struktur ausgeführt.
Der Fin Ray Effect® ermöglicht auch erste praktische Anwendungen in der Automatisierung. Sieben Teile können mit der Bionischen Materialweiche von Festo in einem Vorgang gezielt sortiert werden.
Airic’s_arm
Wie kann mit technischen Mitteln ein Bewegungsapparat gestaltet werden, der in seinem konzeptionellen Aufbau, seiner technischen Konstruktion und seinem bionischen Design dem natürlichen Vorbild Mensch möglichst nahe kommt? Airic’s_arm ist von der Natur inspiriert. In der Kombination von Mechatronik und Bionik zeigt er neue Möglichkeiten, wie automatisierte Bewegungsabläufe der Zukunft aussehen könnten.
Airic’s_arm ist ein Roboterarm, der mit artifiziellen Knochen und Muskeln ausgestattet ist. 30 Muskeln bewegen die Knochenstruktur, die wie bei uns Menschen aus Elle und Speiche, Mittelhandknochen und Fingerknochen, sowie Schulterkugelgelenk und Schulterblatt besteht; Gelenke, die in der technischen Welt so nicht vorkommen. Bei Airic sind die Knochen nicht selbst gewachsen und sie verheilen auch nicht selbstständig nach einem Bruch. Sie sind am Computer konstruiert und wachsen mit modernsten Lasersinterverfahren dreidimensional im Raum aus Polyamid.
Die Muskeln sind ein Produkt von Festo und unter dem Namen Fluidic Muscle in der industriellen Praxis bereits weit verbreitet. Der Fluidic Muscle ist ein Schlauch aus Elastomer mit eingewobenen Aramidfasern. Wird der Muskel mit Druckluft befüllt, vergrößert sich sein Durchmesser und gleichzeitig wird seine Länge verkürzt. Die Anfangskraft dieses künstlichen Muskels ist sehr groß und er ist in seiner Dynamik dem menschlichen Muskel ähnlich. Sein größter Vorteil gegenüber dem menschlichen Muskel ist, dass er im verkürzten Zustand keine weitere Energiezufuhr mehr benötigt. Dies bedeutet, dass ein Gewicht von Airic’s_arm, einmal angehoben, beliebig lange in jeder Position gehalten werden kann. Durch den Einsatz dieser Technologie gelingt es, die Kräfte und die Steifigkeit in der Konstruktion exakt zu regeln. Dies gelingt mit sehr kleinen und höchst innovativen Piezo Proportionalventilen von Festo. Mit Druck- bzw. Längensensoren werden die Zugkräfte bzw. die Verkürzung der einzelnen Muskeln ermittelt. Eine von Festo entwickelte mechatronische Einheit regelt dann die Druckverläufe des Systems, und es wird ein Bewegungsablauf möglich, der in seiner Kinematik, seiner Geschwindigkeit, seiner Kraft aber auch seiner Feinheit den menschlichen Bewegungen nahe kommt.
Die Koordination dieser vielen Aktuatoren ist nur durch modernste mechatronische Systeme und Software möglich. Was bei uns Menschen in Bewegung ohne weiteres Nachdenken unbewusst oder sogar reflexartig passiert, muss hier noch mit großem Aufwand Computer unterstützt gesteuert und geregelt werden. Eine Erweiterung der Sensorik von Airic’s_arm, wie z.B. durch Kameras oder Elemente zur taktilen Wahrnehmung sind zukünftig ebenso denkbar, wie eine Weiterentwicklung in der Ausgestaltung von Rücken, Hüfte, Nacken etc.
All diese Eigenschaften sind in der Zukunft auch für die Robotik interessant. Mit ihrer Hilfe können bald noch mehr gefährliche und gefährdende Situationen der Technik überlassen werden.
Mechatronik pur: Airmotion_ride
Mit der bionischen Konstruktion Airmotion_ride können im Zusammenspiel mit mechatronischen Systemen die unterschiedlichsten Fahr- und Flug-Simulationen realisiert werden. Eine Hexapodstruktur in Parallelkinematik mit sechs fluidischen Muskeln von Festo gibt ein realistisches Fahr- und Fluggefühl. Als führender Pneumatikanbieter zeigt Festo mit diesem Projekt eine spannende und kostengünstige Alternative zu aufwändigen hydraulischen Konstruktionen.
Pressetext und bilder finden Sie auch im Internet unter www.festo.com/presse, weitere Informationen zum Bionic Learning Network von Festo unter www.festo.com/de/bionic.
Fin Ray Effect® ist eine Marke der Evologics GmbH.
Bionic Learning Network
Das Bionic Learning Network ist Teil des Engagements im Bereich der technischen Aus- und Weiterbildung. In Kooperation mit Studenten, namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen fördert Festo dabei Ideen und Initiativen, die über das Kerngeschäft der Automatisierung und Didactic hinausreichen und vielleicht übermorgen interessante Anwendungsgebiete sein könnten.
Der Mantarochen Air_ray
Untersuchungen zu Fortbewegungsarten im Wasser zeichnen die Rochen als Perfektionisten des Unterwasserfliegens und gleitens aus. Dabei gleicht ihr Flossenschlag im Wasser dem Flügelschlag eines Vogels in der Luft. Ihre wellenförmigen Bewegungen bilden ein Optimum aus maximalem Vortrieb bei minimalem Energieverbrauch. Die strömungsoptimierte Form ermöglicht insbesondere dem Mantarochen einen eleganten Bewegungsablauf und macht ihn zum echten Unterwasserakrobaten.
Der Air_ray hat den Mantarochen als Vorbild. Er ist eine ferngesteuerte Hybridkonstruktion aus einem mit Helium gefüllten Ballonet und einem Schlagflügelantrieb. Durch seine leichte Konstruktion ist es ihm möglich, mit dem Auftrieb des Heliums annährend so im Luftmeer zu „schwimmen“, wie dies dem Mantarochen im Wasser möglich ist.
Der Vortrieb wird durch einen Schlagflügelantrieb realisiert. Der durch einen Servoantrieb auf und ab bewegbare Flügel besteht aus einer Struktur, die den bereits beschriebenen Fin Ray Effect® nutzt. Die Struktur selbst besteht aus einer alternierenden Zug- und Druckflanke, die mit Spanten gelenkig verbunden ist. Wenn eine Flanke mit Druck beaufschlagt wird, wölbt sich die geometrische Struktur von selbst entgegen der einwirkenden Kraftrichtung. Ein Servoantrieb zieht in Längsrichtung alternierend an den beiden Flanken und bewegt so den Flügel auf und ab.
Ergänzt wird diese Struktur durch einen torsionssteifen Mittelholm, der von Rainer Mugrauer entwickelt wurde. Dieser dient als Auflage für einen Servoantrieb, der am äußeren Ende des Mittelholms montiert ist. Mit diesem Servoantrieb kann der Schlagflügel in seiner Querachse verdreht werden. Dadurch wird das Rückwärtsfliegen des Air_ray’s möglich. Das Höhenruder ist ebenfalls als eine mittels Servoantrieb angetriebene Fin Ray Struktur ausgeführt.
Der Fin Ray Effect® ermöglicht auch erste praktische Anwendungen in der Automatisierung. Sieben Teile können mit der Bionischen Materialweiche von Festo in einem Vorgang gezielt sortiert werden.
Airic’s_arm
Wie kann mit technischen Mitteln ein Bewegungsapparat gestaltet werden, der in seinem konzeptionellen Aufbau, seiner technischen Konstruktion und seinem bionischen Design dem natürlichen Vorbild Mensch möglichst nahe kommt? Airic’s_arm ist von der Natur inspiriert. In der Kombination von Mechatronik und Bionik zeigt er neue Möglichkeiten, wie automatisierte Bewegungsabläufe der Zukunft aussehen könnten.
Airic’s_arm ist ein Roboterarm, der mit artifiziellen Knochen und Muskeln ausgestattet ist. 30 Muskeln bewegen die Knochenstruktur, die wie bei uns Menschen aus Elle und Speiche, Mittelhandknochen und Fingerknochen, sowie Schulterkugelgelenk und Schulterblatt besteht; Gelenke, die in der technischen Welt so nicht vorkommen. Bei Airic sind die Knochen nicht selbst gewachsen und sie verheilen auch nicht selbstständig nach einem Bruch. Sie sind am Computer konstruiert und wachsen mit modernsten Lasersinterverfahren dreidimensional im Raum aus Polyamid.
Die Muskeln sind ein Produkt von Festo und unter dem Namen Fluidic Muscle in der industriellen Praxis bereits weit verbreitet. Der Fluidic Muscle ist ein Schlauch aus Elastomer mit eingewobenen Aramidfasern. Wird der Muskel mit Druckluft befüllt, vergrößert sich sein Durchmesser und gleichzeitig wird seine Länge verkürzt. Die Anfangskraft dieses künstlichen Muskels ist sehr groß und er ist in seiner Dynamik dem menschlichen Muskel ähnlich. Sein größter Vorteil gegenüber dem menschlichen Muskel ist, dass er im verkürzten Zustand keine weitere Energiezufuhr mehr benötigt. Dies bedeutet, dass ein Gewicht von Airic’s_arm, einmal angehoben, beliebig lange in jeder Position gehalten werden kann. Durch den Einsatz dieser Technologie gelingt es, die Kräfte und die Steifigkeit in der Konstruktion exakt zu regeln. Dies gelingt mit sehr kleinen und höchst innovativen Piezo Proportionalventilen von Festo. Mit Druck- bzw. Längensensoren werden die Zugkräfte bzw. die Verkürzung der einzelnen Muskeln ermittelt. Eine von Festo entwickelte mechatronische Einheit regelt dann die Druckverläufe des Systems, und es wird ein Bewegungsablauf möglich, der in seiner Kinematik, seiner Geschwindigkeit, seiner Kraft aber auch seiner Feinheit den menschlichen Bewegungen nahe kommt.
Die Koordination dieser vielen Aktuatoren ist nur durch modernste mechatronische Systeme und Software möglich. Was bei uns Menschen in Bewegung ohne weiteres Nachdenken unbewusst oder sogar reflexartig passiert, muss hier noch mit großem Aufwand Computer unterstützt gesteuert und geregelt werden. Eine Erweiterung der Sensorik von Airic’s_arm, wie z.B. durch Kameras oder Elemente zur taktilen Wahrnehmung sind zukünftig ebenso denkbar, wie eine Weiterentwicklung in der Ausgestaltung von Rücken, Hüfte, Nacken etc.
All diese Eigenschaften sind in der Zukunft auch für die Robotik interessant. Mit ihrer Hilfe können bald noch mehr gefährliche und gefährdende Situationen der Technik überlassen werden.
Mechatronik pur: Airmotion_ride
Mit der bionischen Konstruktion Airmotion_ride können im Zusammenspiel mit mechatronischen Systemen die unterschiedlichsten Fahr- und Flug-Simulationen realisiert werden. Eine Hexapodstruktur in Parallelkinematik mit sechs fluidischen Muskeln von Festo gibt ein realistisches Fahr- und Fluggefühl. Als führender Pneumatikanbieter zeigt Festo mit diesem Projekt eine spannende und kostengünstige Alternative zu aufwändigen hydraulischen Konstruktionen.
Pressetext und bilder finden Sie auch im Internet unter www.festo.com/presse, weitere Informationen zum Bionic Learning Network von Festo unter www.festo.com/de/bionic.
Fin Ray Effect® ist eine Marke der Evologics GmbH.
