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Hannover Messe 2014 Festo präsentiert aktuelle Projekte aus dem Bionic Learning Network

Redakteur: Juliana Pfeiffer

Mit dem „Bionic-Kangaroo“, dem „Dual-Wing-Generator“, dem „Multi-Choice-Gripper“ und den Flugobjekten „E-Motion-Spheres“ zeigt das Bionic Learning Network von Festo auf der Hannover Messe wie Prinzipien aus der Natur zu einzigartigen Lösungen für die Zukunft der Automatisierungstechnik inspirieren.

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Mit den E-Motion-Spheres zeigt Festo, wie mehrere Objekte dank vielfältiger Vernetzung kollisionsfrei im dreidimensionalen Raum koordiniert werden.
Mit den E-Motion-Spheres zeigt Festo, wie mehrere Objekte dank vielfältiger Vernetzung kollisionsfrei im dreidimensionalen Raum koordiniert werden.
(Bild: Festo)

Zu den Zukunftsfeldern der diesjährigen Projekte aus dem Bionic Learning Network von Festo gehören Forschungsaktivitäten rund um die Themen Energierückgewinnung, Selbstorganisation, adaptive Systeme, neuartige Antriebskonzepte und Positionierungssysteme. Dabei steht ein ganzheitlicher Ansatz auf dem Weg zur Produktion der Zukunft im Fokus. Grundlegende Technologien für vernetzte Gesamtsysteme und die Interaktion von Mensch und Maschine sind dabei von hoher Relevanz.

Bionic-Kangaroo – Energieeffiziente Sprungkinematik nach natürlichem Vorbild

Knapp zwei Jahre befasste sich ein Entwicklerteam aus dem Bionic Learning Network von Festo damit, das Sprungverhalten des natürlichen Kängurus realitätsnah nachzubilden und daraus zu lernen. Das Bionic-Kangaroo stellt nun genau das vor, was das natürliche Känguru auszeichnet, nämlich Energie rückzugewinnen, zu speichern und im nächsten Sprung wieder einzubringen. Eine wichtige Funktion übernimmt dabei die Achillessehne, die beim natürlichen Känguru deshalb besonders ausgeprägt ist. Die Funktion der natürlichen Achillessehne wird mit Hilfe eines elastischen Bandes aus Gummi realisiert. Es ist am hinteren Teil des Fußes und parallel zu einem Pneumatikzylinder am Kniegelenk befestigt. Die künstliche Sehne dämpft den Sprung, nimmt gleichzeitig die kinetische Energie auf und setzt sie für den nächsten Sprung frei.

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Pneumatische und elektrische Antriebstechnik zum dynamischen System kombiniert

Für die Stabilität bei Sprung und Landung sorgen das Condition Monitoring sowie die präzise Steuerungs- und Regelungstechnik. Seine hohe Sprungkraft erzielt das Känguru mit Hilfe der Pneumatik. An den Stellen, wo höchste Positionsgenauigkeit gefragt ist, kommen Elektromotoren zum Einsatz – beispielsweise bei der Regelung von Schwanz und Hüfte. So zeigt Festo mit dem künstlichen Känguru, wie pneumatische und elektrische Antriebstechnik über eine neue Steuerungsgeneration von Festo effizient und intelligent zu einem hoch dynamischen System kombiniert werden.

Känguru springt bis zu 40 Zentimeter hoch und 80 Zentimeter weit

Besonderes Augenmerk legte Festo auf die mobile Energieversorgung des künstlichen Kängurus. Dazu entwickelte das Team sogar zwei unterschiedliche Konzepte – eines mit einem integrierten Kompressor und eines mit einem mobilen Hochdruckspeicher. Der Bewegungsapparat (Kinematik) ist aus lasergesinterten Bauteilen gefertigt, die mit Karbon verstärkt sind. Dadurch wiegt das künstliche Tier bei einer Größe von etwa einem Meter knapp sieben Kilogramm und kann bis zu 40 Zentimeter hoch und 80 Zentimeter weit springen. Das Bionic-Kangaroo lässt sich über Gesten steuern.

E-Motion-Spheres – Kollisionsfreies Bewegen autonomer Systeme im Raum

Kreuz und quer schweben acht weiße Kugeln über den Köpfen ihrer Betrachter, ehe aus den Zufallsbewegungen eine sortierte Formation entsteht. Plötzlich löst sich eine der Kugeln und die anderen folgen ihr wie Perlen an einer Schnur. Die perfekte Linie geht in eine geflogene Sinuskurve über, bis die Kugeln einen Kreis bilden. Diese Flugmanöver sind Teil einer aufwendigen Choreographie der diesjährigen Flugobjekte E-Motion-Spheres.

Mit den E-Motion-Spheres zeigt Festo, wie mehrere Objekte dank vielfältiger Vernetzung kollisionsfrei im dreidimensionalen Raum koordiniert werden. Zehn im Raum installierte Kameras erfassen die Kugeln über deren aktive Infrarotmarker (Infrarot-LEDs) und leiten die Positionsdaten an einen zentralen Leitrechner weiter. Die berechneten Aktionen werden an die Objekte zurückgesandt und dort dezentral umgesetzt. Auf dem Rechner liegen vorprogrammierte Pfade, die den Kugeln beim Formationsflug ihre Bahnen vorgeben. Dank zusätzlich hinterlegten Verhaltensmustern können sich die Kugeln aber ebenso autonom durch den Raum bewegen. Selbst in chaotischen Situationen kommt es zu keinen Zusammenstößen, da sie einander ausweichen. Die Kugeln lassen sich auch einzeln vom Menschen steuern und sind durch ihre Prozesssicherheit, den konsequenten Leichtbau und die nachgiebigen Propeller sicher und einfach zu bedienen.

Erkenntnisse aus den Arbeiten zum Bionic-Opter flossen in Konstruktion ein

In die Konstruktion der adaptiven Propeller flossen die Erkenntnisse aus den Arbeiten zum Bionic-Opter aus dem Jahr 2013 ein. Die Entwickler führten das Flügelprinzip der künstlichen Libelle weiter und übertrugen es auf die einzigartigen Antriebe der Kugeln. Die Antriebe sind adaptiv, sorgen für den gleichen effizienten Schub in Vorwärts- wie in Rückwärtsrichtung. Jede der acht Kugeln hat einen Durchmesser von 95 cm und ist mit Helium gefüllt. Da die Kugeln regelmäßig und autonom ihre Ladestationen ansteuern, können sie über mehrere Tage als Flugobjekt eingesetzt werden, ohne dass ein Mensch eingreifen muss.

Zur Funktionsüberwachung von kleinen Robotern oder Fahrzeugen

Mit der Installation E-Motion-Spheres und dem damit umgesetzten Indoor-GPS (Global Positioning System) diskutiert Festo Aspekte der Fabrik der Zukunft, wie die sichere und intuitive Mensch-Maschine-Interaktion oder das autonome und anpassungsfähige Verhalten von technischen Systemen, die jederzeit kontrollierte Eingriffe des Menschen zulassen und damit neue Perspektiven für den Arbeitsraum der Zukunft schaffen. Im Bereich der Logistik könnte das System zur Funktionsüberwachung von kleinen Robotern oder Fahrzeugen dienen. Auch eine Nutzung als Leitsystem ist denkbar – ob für Besucher auf Messen, in Museen oder bei großen Indoor-Veranstaltungen.

Dual-Wing-Generator – Energiegewinnung mit dem Flügelschlagprinzip

Mit dem Dual-Wing-Generator hat Festo im Rahmen des Bionic Learning Network einen außergewöhnlichen Technologieträger entwickelt, der zwei horizontal angeordnete Flügelpaare anstelle von Rotorblättern zur Energiegewinnung nutzt. Das Prinzip der Anlage besteht in der Umkehrung des natürlichen Schlagflugprinzips: Vögel erzeugen mit ihrem Flügelschlag die nötige Leistung, um sich in der Luft voranzubewegen. Ein stationäres System wie der Dual-Wing-Generator kann dagegen die kinetische Energie aus dem Luftstrom entnehmen. Die Hubbewegung der Flügel wird dabei in eine Drehbewegung umgesetzt. Ein integrierter Elektrogenerator wandelt diese in Strom um. Der Dual-Wing-Generator ist selbstoptimierend und kann sich an unterschiedliche Windverhältnisse anpassen. Er steht in seiner Effizienz gängigen Kleinwindkraftanlagen in nichts nach und weist bei niedrigen Windgeschwindigkeiten sogar verblüffende Vorteile auf: Im Bereich zwischen 4 und 8 m/s, das heißt bei Windstärken wie sie in Mitteleuropa in Bodennähe vorherrschen, zeigt der Dual-Wing-Generator bemerkenswerte Leistungen gegenüber herkömmlichen Kleinwindanlagen.

Multi-Choice-Gripper – Variables Greifen nach dem Vorbild der menschlichen Hand

Der Multi-Choice-Gripper bietet eine einzigartige Kombination von unterschiedlichen Greifarten mit flexiblen, adaptiven Greiffingern. Seine Finger können so umgeschaltet werden, dass sie entweder parallel oder zentrisch greifen, ohne dass ein Umbau erforderlich ist. Das ermöglichen zwei drehbare Fingersteckplätze auf dem Grundkörper des Greifers, die entweder zentrisch um einen Mittelpunkt oder dem dritten Finger gegenüber stehen. Vorbild ist die menschliche Hand mit ihrem opponierbaren Daumen, der gegenüber den anderen Fingern um 130 Grad gedreht werden kann. Je nach Bedarf können zwischen zwei und sechs Fingerelemente an den Multi-Choice-Gripper angebracht werden. Neben den Fin Ray-Fingern lassen sich noch zwei weitere Fingertypen aufstecken.

Fin Ray-Finger aus lebensmittelkonformem Polyurethan

Durch die adaptiven Finger mit Fin Ray-Struktur ist der Greifer nicht nur in der Greifrichtung variabel, die Finger selbst passen sich auch flexibel an verschiedenste Formen an. So kann er ohne zusätzliche Sensorik oder Regelungstechnik unterschiedlich geformte und auch sehr empfindliche Objekte greifen. Die adaptiven Fin Ray-Finger wurden 2009 für den bionischen Fin-Gripper entworfen und werden seitdem kontinuierlich weiterentwickelt. So werden sie seit 2014 aus lebensmittelkonformem Polyurethan gefertigt, was sie für die Nahrungsmittelindustrie verwendbar macht. (jup)

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