Die Natur zieht den Menschen in ihrer eigenen Ästhetik immer wieder aufs Neue in den Bann. Nicht überraschend, dass faszinierende Lebewesen die Inspirationsquelle für die neuen Projekte des Bionic Learning Network von Festo sind. AquaJelly und AirJelly sind in Aufbau und Kinematik dem Bewegungsmodell ihres biologischen Vorbilds, der Qualle, nachempfunden. Die Versuchsträger nutzen neueste Technologien. AquaJelly beispielsweise ist eine künstliche autonome Qualle mit elektrischem Antrieb und einer intelligenten, adaptiven Mechanik. Festo zeigt mit seinem YoYo, dass eine Steuerung auch vollautomatisiert mit Hilfe der Mechatronik gelingen kann, und schlägt damit den Bogen zu seiner Kernkompetenz, dem Automatisieren mit bewegter Luft.
AquaJelly
AquaJelly ist eine künstliche autonome Qualle im Wasser, die als selbststeuerndes System ein ausgeprägtes Schwarmverhalten aufweist. AquaJelly besteht aus einer transluzenten Halbkugel und acht Tentakel, die dem Vortrieb dienen. Im Zentrum von AquaJelly befindet sich ein wasserdichter, lasergesinterter Druckkörper. Dieser enthält im Inneren einen zentralen, elektrischen Antrieb, die beiden Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, die Laderegelung sowie die Servomotoren für die Taumelscheibe.
Jedes Tentakel ist als Struktur mit dem Fin Ray Effect® ausgebildet. Der Fin Ray Effect® ist eine von der funktionellen Anatomie der Fischflosse abgeleitete Konstruktion. Ihr auf dem Rückstoßprinzip basierender peristaltischer - sich wellenförmig kontrahierender - Antrieb, ähnlich dem ihres biologischen Vorbilds, schafft die Möglichkeit sich zu bewegen. Die Steuerung von AquaJelly im dreidimensionalen Raum erfolgt durch Gewichtsverlagerung. Hierzu wird durch zwei Servomotoren, die im zentralen Druckkörper integriert sind, eine Taumelscheibe angesteuert. Die Taumelscheibe steuert ein vierarmiges Pendel, welches in die vier Raumrichtungen ausgelenkt werden kann. Bewegt sich das Pendel in eine Richtung, verändert sich der Schwerpunkt der Qualle in diese Richtung.
AquaJelly ist in der Lage, die eigene Energieversorgung selbstständig zu steuern: AquaJelly ist in ständiger Kommunikation mit der Ladestation. Kommt AquaJelly an eine Ladestation, die oberhalb des Wasserbeckens angebracht ist, wird die Qualle angesaugt und mit Strom versorgt.
Zur Kommunikation an der Wasseroberfläche kann AquaJelly den stromsparenden Nahbereichsfunk ZigBee benutzen, der ihr erlaubt, mit der Ladestation Zustandsdaten auszutauschen und anderen, an der Oberfläche befindlichen AquaJellies zu signalisieren, dass die Ladestation besetzt ist.
Das eigentliche Hauptkommunikationsmedium unter Wasser stellt das Licht dar. AquaJelly verfügt über elf Infrarot-Leuchtdioden, mit denen sie mittels gepulster Infrarotsignale innerhalb einer nahezu kugelförmigen Struktur um sie herum bis zu einer Entfernung von ca. 80 cm kommuniziert. Somit kann AquaJelly beispielsweise beim Empfang eines Positionssignals einer sich nähernden Qualle rechtzeitig ein Ausweich-manöver einleiten. Zusätzlich zu ihren Umweltsensoren verfügt AquaJelly über eine interne Sensorik, die eine Überwachung ihres Energiezustandes ermöglicht, sowie einen Drucksensor, der es erlaubt, ihre Tiefe im Becken auf wenige Millimeter genau zu bestimmen.
Jede Qualle entscheidet autonom aufgrund ihres Zustands, welche Aktion sie ausführt.
Ein zentraler elektrischer Antrieb, kombiniert mit einer adaptiven Mechanik und einer intelligenten autonomen Elektronik, sind als neue Anwendungen bei selbststeuernden Systemen denkbar. Werden viele AquaJellies mit kommunikativen Fähigkeiten aus-gestattet, können diese als Schwarm agieren, der sich dann wie ein höher entwickeltes System verhält. Wenn man dieses Prinzip auf die Automation überträgt, kann dies bedeuten, dass viele autonome bzw. teilautonome intelligente Systeme zusammen arbeiten und dadurch große Aufgaben von kleinen Systemen, die gezielt zusammen agieren, gelöst werden.
AirJelly
Luft ist das Element von AirJelly. Die ferngesteuerte Qualle AirJelly schwimmt nicht durch Wasser wie AquaJelly, sondern gleitet förmlich dank ihres zentralen elektrischen Antriebs und einer intelligenten, adaptiven Mechanik durch das Luftmeer. Denn AirJelly besteht aus einem mit Helium gefüllten Ballonett.
Als einzige Energiequelle dienen AirJelly zwei Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, an die der zentrale elektrische Antrieb angeschlossen ist. Dieser überträgt die Kraft auf ein Kegelrad und anschließend nacheinander auf acht Stirnräder, die über Kurbeln die acht Tentakel der Qualle bewegen. Jedes Tentakel ist als Struktur mit dem Fin Ray Effect® ausgebildet. Der Antrieb eines Ballons durch eine peristaltische Bewegung ist bis jetzt in der Luftfahrtgeschichte nicht bekannt. AirJelly ist das erste Indoor-Flugobjekt mit peristaltischem Antrieb. Die Qualle bewegt sich dank dieses neuen Antriebskonzepts, ihres auf dem Rückstoßprinzip basierenden Antriebs, sanft durch die Luft.
Die Steuerung im dreidimensionalen Raum von AirJelly erfolgt durch Gewichts-verlagerung. Ihre zwei Servomotoren sitzen am "Nordpol" der Qualle und werden proportional gesteuert. Bewegt sich das Pendel in eine Richtung, verändert sich der Schwerpunkt von AirJelly in diese Richtung - AirJelly ist es möglich, in jede Raumrichtung zu "schwimmen". Die Schubkraft des Antriebs kann durch schnelleres oder langsameres Bewegen der Fin Ray® Tentakel variiert werden.
Festo zeigt mit diesem Exponat, dass ein zentraler elektrischer Antrieb - kombiniert mit einer intelligenten Mechanik - faszinierende Möglichkeiten bei Antrieben in der "Leichter-als-Luft-Fahrt" bietet. Sowohl in der Automation als auch in der Didactic möchte Festo seine Kunden mit innovativen, faszinierenden und intelligenten Lösungen begeistern. Hierfür hat Festo ein breites Angebot an elektrischen, pneumatischen und hybriden Antrieben sowie der dazugehörigen Sensorik und den Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten.
AirArm
AirArm ist biologisch inspiriert durch die Ergebnisse der Analysen von Hummer- und Heuschreckenbeinen sowie menschlicher Zeigebewegung entstanden. Er ist ein zweiteiliger Arm mit außen liegendem Skelett, der von pneumatischen Muskeln angetrieben wird. Durch intelligente Regelungstechnik kann AirArm Wassertropfen fangen.
Der technische Zweck von AirArm liegt darin, von einem Punkt im Raum ausgehend möglichst viele davon entfernte Punkte in einem Halbkugel-Arbeitsbereich zu erreichen.
Als generelles technisch umzusetzendes Prinzip wurde ein zweiteiliges Klappsystem mit gegeneinander arbeitenden Muskeln als Antriebspaare ausgewählt.
Die dreieckigen Aussparungen der Armmodule wurden dem Aufbau des Außenskeletts eines Heuschreckenbeins nachempfunden, um Leichtigkeit und Robustheit in Einklang zu bringen. Die kreuzweise versetzten Gelenkachsen beim Hummerbein in Kombination mit angepassten Segmentlängen sind bei Reichbewegungen im halb-kugeligen Arbeitsraum ausreichend flexibel. Durch die pneumatischen Muskeln als Antriebe erreicht AirArm beim Halten einer bestimmten Position ein hohes Maß an Nachgiebigkeit bei gleich-zeitiger minimaler Energie.
Die als Antrieb verwendeten pneumatischen Muskeln zeichnen sich durch ein sehr günstiges Verhältnis zwischen hohen erzeugbaren mechanischen Kräften und ihrem geringen Eigengewicht aus. Der AirArm spielt seinen Vorteil also insbesondere bei schnellen dynamischen Bewegungen aus. Allerdings weisen die pneumatischen Muskeln eine hohe Elastizität und nichtlineare Beziehungen zwischen Hub, pneumatischem Druck und der erzeugten Kraft auf. Wie beim biologischen Vorbild muss auch das technische System lernen, damit umzugehen - das ist die Aufgabe der anpassungsfähigen Steuerung des AirArms!
Die gesamte Steuerung wird modellbasiert entworfen: Dazu entsteht zuerst das mathematische Modell des AirArm im Rechner, an dem dann die Steuerung entworfen und optimiert werden kann. Die gesamte Steuerung wird dann mittels automatischer Code-Erzeugung in ein Programm umgewandelt und auf einen Industrie-PC übertragen, der den AirArm in Echtzeit steuert.
YoYo
Ein Jo-Jo zu spielen erfordert Geschicklichkeit und Geduld. Festo zeigt mit seinem YoYo, dass eine Steuerung auch vollautomatisiert mit Hilfe der Mechatronik gelingen kann. Damit schlägt Festo den Bogen zu seiner Kernkompetenz, dem Automatisieren mit bewegter Luft.
Das YoYo besteht aus drei unabhängigen und unterschiedlich großen YoYo-Spielen in den Größen 16", 20" und 24". Alle YoYos sind als verschiedenartige Maxwellsche Räder ausgeführt und werden durch jeweils einen pneumatischen Muskel angetrieben.
Jeder Muskel ist senkrecht hängend an der oberen Begrenzung fest angebracht und wird von dort mit Luft versorgt. An dem sich verkürzenden Ende hängt darunter über zwei reißfeste Fäden das Maxwellsche Rad. Die genaue senkrechte Position der Maxwell-scheibe wird über einen unter dem Rad lotrecht angebrachten Ultraschall-Sensor gemessen. Hat das Rad die für den Krafteintrag richtige Position erreicht, wird ein Signal zum Öffnen des Schaltventils generiert. Die freigegebene Druckluft strömt in den Muskel, der sich ruckartig verkürzt, und so das Rad über die gespannten Fäden in die Höhe reißt. Zu diesem Zeitpunkt wird dem System Energie zugeführt. Nach kurzer Zeit wird das Ventil wieder geschlossen und die sich im Muskel befindende Luft langsam abgelassen. Der sich langsam wieder in seinen Ausgangszustand verlängernde Muskel verringert in dieser Zeit die Fadenspannung zwischen Muskel und Rad. Wie bei einem von Menschenhand gespielten Jo-Jo, unterstützt ein hängender Faden die Aufrollbewegung des rotierenden Rades. Am oberen Umkehrpunkt hat der Muskel seine Ausgangslänge und das YoYo mindestens seine Starthöhe wieder erreicht.
Zum Spielen eines Jo-Jos muss Energie zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Stärke eingebracht werden. Steuerung und Regelung kombiniert mit intelligenter Sensorik machen diesen mechatronischen Gesamtentwurf möglich. Der Fluidic Muscle (pneumatische Muskel) von Festo ist durch seine schnelle und präzise Zugkraftentfaltung ideal für diese Aufgabe. Denn als reiner Zugaktuator kann er beim YoYo seine Vorteile unter Beweis stellen.
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 Projekte, Versuchs- und Technologieträger, die über das Kerngeschäft der Automatisierung und Didactic hinausreichen und vielleicht übermorgen interessante Anwendungsgebiete sein könnten. Ziel ist es, automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver zu gestalten. Das Bionic Learning Network zeigt faszinierende Lösungen für komplexe Aufgabenstellungen.
Fin Ray Effect® ist eine Marke der Evologics GmbH.
AquaJelly
AquaJelly ist eine künstliche autonome Qualle im Wasser, die als selbststeuerndes System ein ausgeprägtes Schwarmverhalten aufweist. AquaJelly besteht aus einer transluzenten Halbkugel und acht Tentakel, die dem Vortrieb dienen. Im Zentrum von AquaJelly befindet sich ein wasserdichter, lasergesinterter Druckkörper. Dieser enthält im Inneren einen zentralen, elektrischen Antrieb, die beiden Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, die Laderegelung sowie die Servomotoren für die Taumelscheibe.
Jedes Tentakel ist als Struktur mit dem Fin Ray Effect® ausgebildet. Der Fin Ray Effect® ist eine von der funktionellen Anatomie der Fischflosse abgeleitete Konstruktion. Ihr auf dem Rückstoßprinzip basierender peristaltischer - sich wellenförmig kontrahierender - Antrieb, ähnlich dem ihres biologischen Vorbilds, schafft die Möglichkeit sich zu bewegen. Die Steuerung von AquaJelly im dreidimensionalen Raum erfolgt durch Gewichtsverlagerung. Hierzu wird durch zwei Servomotoren, die im zentralen Druckkörper integriert sind, eine Taumelscheibe angesteuert. Die Taumelscheibe steuert ein vierarmiges Pendel, welches in die vier Raumrichtungen ausgelenkt werden kann. Bewegt sich das Pendel in eine Richtung, verändert sich der Schwerpunkt der Qualle in diese Richtung.
AquaJelly ist in der Lage, die eigene Energieversorgung selbstständig zu steuern: AquaJelly ist in ständiger Kommunikation mit der Ladestation. Kommt AquaJelly an eine Ladestation, die oberhalb des Wasserbeckens angebracht ist, wird die Qualle angesaugt und mit Strom versorgt.
Zur Kommunikation an der Wasseroberfläche kann AquaJelly den stromsparenden Nahbereichsfunk ZigBee benutzen, der ihr erlaubt, mit der Ladestation Zustandsdaten auszutauschen und anderen, an der Oberfläche befindlichen AquaJellies zu signalisieren, dass die Ladestation besetzt ist.
Das eigentliche Hauptkommunikationsmedium unter Wasser stellt das Licht dar. AquaJelly verfügt über elf Infrarot-Leuchtdioden, mit denen sie mittels gepulster Infrarotsignale innerhalb einer nahezu kugelförmigen Struktur um sie herum bis zu einer Entfernung von ca. 80 cm kommuniziert. Somit kann AquaJelly beispielsweise beim Empfang eines Positionssignals einer sich nähernden Qualle rechtzeitig ein Ausweich-manöver einleiten. Zusätzlich zu ihren Umweltsensoren verfügt AquaJelly über eine interne Sensorik, die eine Überwachung ihres Energiezustandes ermöglicht, sowie einen Drucksensor, der es erlaubt, ihre Tiefe im Becken auf wenige Millimeter genau zu bestimmen.
Jede Qualle entscheidet autonom aufgrund ihres Zustands, welche Aktion sie ausführt.
Ein zentraler elektrischer Antrieb, kombiniert mit einer adaptiven Mechanik und einer intelligenten autonomen Elektronik, sind als neue Anwendungen bei selbststeuernden Systemen denkbar. Werden viele AquaJellies mit kommunikativen Fähigkeiten aus-gestattet, können diese als Schwarm agieren, der sich dann wie ein höher entwickeltes System verhält. Wenn man dieses Prinzip auf die Automation überträgt, kann dies bedeuten, dass viele autonome bzw. teilautonome intelligente Systeme zusammen arbeiten und dadurch große Aufgaben von kleinen Systemen, die gezielt zusammen agieren, gelöst werden.
AirJelly
Luft ist das Element von AirJelly. Die ferngesteuerte Qualle AirJelly schwimmt nicht durch Wasser wie AquaJelly, sondern gleitet förmlich dank ihres zentralen elektrischen Antriebs und einer intelligenten, adaptiven Mechanik durch das Luftmeer. Denn AirJelly besteht aus einem mit Helium gefüllten Ballonett.
Als einzige Energiequelle dienen AirJelly zwei Lithium-Ionen-Polymer-Akkus, an die der zentrale elektrische Antrieb angeschlossen ist. Dieser überträgt die Kraft auf ein Kegelrad und anschließend nacheinander auf acht Stirnräder, die über Kurbeln die acht Tentakel der Qualle bewegen. Jedes Tentakel ist als Struktur mit dem Fin Ray Effect® ausgebildet. Der Antrieb eines Ballons durch eine peristaltische Bewegung ist bis jetzt in der Luftfahrtgeschichte nicht bekannt. AirJelly ist das erste Indoor-Flugobjekt mit peristaltischem Antrieb. Die Qualle bewegt sich dank dieses neuen Antriebskonzepts, ihres auf dem Rückstoßprinzip basierenden Antriebs, sanft durch die Luft.
Die Steuerung im dreidimensionalen Raum von AirJelly erfolgt durch Gewichts-verlagerung. Ihre zwei Servomotoren sitzen am "Nordpol" der Qualle und werden proportional gesteuert. Bewegt sich das Pendel in eine Richtung, verändert sich der Schwerpunkt von AirJelly in diese Richtung - AirJelly ist es möglich, in jede Raumrichtung zu "schwimmen". Die Schubkraft des Antriebs kann durch schnelleres oder langsameres Bewegen der Fin Ray® Tentakel variiert werden.
Festo zeigt mit diesem Exponat, dass ein zentraler elektrischer Antrieb - kombiniert mit einer intelligenten Mechanik - faszinierende Möglichkeiten bei Antrieben in der "Leichter-als-Luft-Fahrt" bietet. Sowohl in der Automation als auch in der Didactic möchte Festo seine Kunden mit innovativen, faszinierenden und intelligenten Lösungen begeistern. Hierfür hat Festo ein breites Angebot an elektrischen, pneumatischen und hybriden Antrieben sowie der dazugehörigen Sensorik und den Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten.
AirArm
AirArm ist biologisch inspiriert durch die Ergebnisse der Analysen von Hummer- und Heuschreckenbeinen sowie menschlicher Zeigebewegung entstanden. Er ist ein zweiteiliger Arm mit außen liegendem Skelett, der von pneumatischen Muskeln angetrieben wird. Durch intelligente Regelungstechnik kann AirArm Wassertropfen fangen.
Der technische Zweck von AirArm liegt darin, von einem Punkt im Raum ausgehend möglichst viele davon entfernte Punkte in einem Halbkugel-Arbeitsbereich zu erreichen.
Als generelles technisch umzusetzendes Prinzip wurde ein zweiteiliges Klappsystem mit gegeneinander arbeitenden Muskeln als Antriebspaare ausgewählt.
Die dreieckigen Aussparungen der Armmodule wurden dem Aufbau des Außenskeletts eines Heuschreckenbeins nachempfunden, um Leichtigkeit und Robustheit in Einklang zu bringen. Die kreuzweise versetzten Gelenkachsen beim Hummerbein in Kombination mit angepassten Segmentlängen sind bei Reichbewegungen im halb-kugeligen Arbeitsraum ausreichend flexibel. Durch die pneumatischen Muskeln als Antriebe erreicht AirArm beim Halten einer bestimmten Position ein hohes Maß an Nachgiebigkeit bei gleich-zeitiger minimaler Energie.
Die als Antrieb verwendeten pneumatischen Muskeln zeichnen sich durch ein sehr günstiges Verhältnis zwischen hohen erzeugbaren mechanischen Kräften und ihrem geringen Eigengewicht aus. Der AirArm spielt seinen Vorteil also insbesondere bei schnellen dynamischen Bewegungen aus. Allerdings weisen die pneumatischen Muskeln eine hohe Elastizität und nichtlineare Beziehungen zwischen Hub, pneumatischem Druck und der erzeugten Kraft auf. Wie beim biologischen Vorbild muss auch das technische System lernen, damit umzugehen - das ist die Aufgabe der anpassungsfähigen Steuerung des AirArms!
Die gesamte Steuerung wird modellbasiert entworfen: Dazu entsteht zuerst das mathematische Modell des AirArm im Rechner, an dem dann die Steuerung entworfen und optimiert werden kann. Die gesamte Steuerung wird dann mittels automatischer Code-Erzeugung in ein Programm umgewandelt und auf einen Industrie-PC übertragen, der den AirArm in Echtzeit steuert.
YoYo
Ein Jo-Jo zu spielen erfordert Geschicklichkeit und Geduld. Festo zeigt mit seinem YoYo, dass eine Steuerung auch vollautomatisiert mit Hilfe der Mechatronik gelingen kann. Damit schlägt Festo den Bogen zu seiner Kernkompetenz, dem Automatisieren mit bewegter Luft.
Das YoYo besteht aus drei unabhängigen und unterschiedlich großen YoYo-Spielen in den Größen 16", 20" und 24". Alle YoYos sind als verschiedenartige Maxwellsche Räder ausgeführt und werden durch jeweils einen pneumatischen Muskel angetrieben.
Jeder Muskel ist senkrecht hängend an der oberen Begrenzung fest angebracht und wird von dort mit Luft versorgt. An dem sich verkürzenden Ende hängt darunter über zwei reißfeste Fäden das Maxwellsche Rad. Die genaue senkrechte Position der Maxwell-scheibe wird über einen unter dem Rad lotrecht angebrachten Ultraschall-Sensor gemessen. Hat das Rad die für den Krafteintrag richtige Position erreicht, wird ein Signal zum Öffnen des Schaltventils generiert. Die freigegebene Druckluft strömt in den Muskel, der sich ruckartig verkürzt, und so das Rad über die gespannten Fäden in die Höhe reißt. Zu diesem Zeitpunkt wird dem System Energie zugeführt. Nach kurzer Zeit wird das Ventil wieder geschlossen und die sich im Muskel befindende Luft langsam abgelassen. Der sich langsam wieder in seinen Ausgangszustand verlängernde Muskel verringert in dieser Zeit die Fadenspannung zwischen Muskel und Rad. Wie bei einem von Menschenhand gespielten Jo-Jo, unterstützt ein hängender Faden die Aufrollbewegung des rotierenden Rades. Am oberen Umkehrpunkt hat der Muskel seine Ausgangslänge und das YoYo mindestens seine Starthöhe wieder erreicht.
Zum Spielen eines Jo-Jos muss Energie zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Stärke eingebracht werden. Steuerung und Regelung kombiniert mit intelligenter Sensorik machen diesen mechatronischen Gesamtentwurf möglich. Der Fluidic Muscle (pneumatische Muskel) von Festo ist durch seine schnelle und präzise Zugkraftentfaltung ideal für diese Aufgabe. Denn als reiner Zugaktuator kann er beim YoYo seine Vorteile unter Beweis stellen.
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 Projekte, Versuchs- und Technologieträger, die über das Kerngeschäft der Automatisierung und Didactic hinausreichen und vielleicht übermorgen interessante Anwendungsgebiete sein könnten. Ziel ist es, automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver zu gestalten. Das Bionic Learning Network zeigt faszinierende Lösungen für komplexe Aufgabenstellungen.
Fin Ray Effect® ist eine Marke der Evologics GmbH.
