Festo: Der Elefantenrüssel als Vorbild

Faszination und Vorbild zugleich: der Elefantenrüssel. Er ist flexibel, überträgt hohe Kräfte und dient als präzises Greifwerkzeug.

Die Natur als Vorbild: Der neue Bionische Handling-Assistent von Festo gleicht einem Elefantenrüssel und soll eine Revolution in der biomechatronischen Handhabung darstellen.

ESSLINGEN (mg). Faszination und Vorbild zugleich: der Elefantenrüssel. Er ist flexibel, überträgt hohe Kräfte und dient als präzises Greifwerkzeug. Dank hierarchisch angeordneter Muskeln und evolutionär optimierter Bewegungsmuster. Grundlage für das Projekt Bionic Handling-Assistent war die Entwicklung der pneumatischen Leichtbaustrukturen von Professor Mankau an der Hochschule für Gestaltung in Offenbach sowie der generativ gefertigte Faltenbalg des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Durch die Analyse von Struktur und Funktionsweise des Elefantenrüssels und den Einsatz von neuen Fertigungstechnologien wurde von den Ingenieuren bei Festo ein vollkommen neues, biomechatronisches Handhabungssystem entwickelt.

Auf den ersten Blick gleicht der Bionische Handling-Assistent weniger einer Maschine, sondern vielmehr einer gewachsenen Struktur, die z. B. an einen Rüssel oder eine Wirbelsäule erinnert. Er besteht aus drei Grundelementen zur räumlichen Bewegung sowie einer Handachse und einem Greifer mit adaptiven Fingern. Die Grundelemente werden aus drei Aktuatoren gebildet, die kreisförmig angeordnet sind und sich in einem Winkel von 3 Grad verjüngen. Jeder Aktuator wird an den Schnittstellen der Grundelemente mit Druckluft versorgt. Die Rückstellung erfolgt durch die schlaufenartige Konstruktion der Aktuatoren, die nach dem Ablassen der Druckluft wie eine Zugfeder wirkt. Seilzugpotentiometer auf den Außenseiten der Aktuatoren erfassen deren Auslängung und dienen der Steuerung des Systems im Raum.

SMAT Sensoren für eine präzise Ausrichtung

In der Handachse sind drei weitere Aktuatoren um ein Kugelgelenk angeordnet. Ihre Betätigung bewirkt eine Winkelverstellung des Greifers von bis zu 30 Grad. SMAT Sensoren von Festo sorgen hier für die Detektion der Wegstrecken und ermöglichen eine präzise Ausrichtung. Für die gesamte Steuerung des Bionischen Handling- Assistenten kommen VPWP Proportionalwegeventile von Festo zum Einsatz. Eine besondere Herausforderung war der exakte geometrische Aufbau der pneumatischen Aktuatoren unter Berücksichtigung der material- und fertigungsspezifischen Parameter.

Aus Natur wird Technik: der Binoische Handling-Assistent von Festo.

Laut Festo ist der Bionische Handling-Assistent “absolut neu und revolutionär” und “Mechatronik in Reinform”. Die Zusammenarbeit mit dem Menschen sei “nicht länger risikobehaftet”. Die Industrie habe den Bedarf, die Mensch-Maschine-Kooperation weiter zu automatisieren. Der Binoische Handling-Assistent sei hier ein weiterer Schritt in Richtung dieser Form der Zusammenarbeit. Die Frage nach der Serienreife stelle sich laut Festo nicht; der Assistent ist unmittelbar verfügbar.

Weit über den vorgestellten Prototypen des Bionischen Handling- Assistenten hinausgehend, bilden die technologischen Konstruktionsprinzipien eine zukunftsweisende Basis-Innovation. Deren Einsatzfelder reichen über hochspezialisierte Werkshallen hinaus. Vom automatisierten Greifen empfindlicher Teile, wie Früchte, Gemüse, Eier und Pflanzen, einer Teilautomatisierung in der Viehwirtschaft, wie z.B. das Melken und das sichere Handhaben hochindividueller Objekte, bis hin zur für die menschliche Zukunft so wichtigen Medizintechnik. Eine Unterstützung körperlich eingeschränkter und alter Menschen bildet nur eines der möglichen Anwendungsfelder.

Teurer Formenbau für Auflagenproduktion vermieden

Erst durch die Nutzung moderner Technologien des Rapid Manufacturing sind die besonderen Fertigungsvoraussetzungen für den Bionischen Handling-Assistenten gegeben. Mit dem entscheidenden Vorteil hoher Wirtschaftlichkeit. Das Rapid Manufacturing erlaubt die Herstellung individueller, beweglicher Systemteile aus Polyamid und vermeidet damit teuren Formenbau für die Auflagenproduktion. Für den Bionischen Handling-Assistenten sind die hohe Flexibilität und die geringe Dichte des Polyamids von nur 0,95 Gramm pro Ku – bikzentimeter ideal.

Der Bionische Handling-Assistent: Vom automatisierten Greifen empfindlicher Teile, wie Früchte, Gemüse, Eier und Pflanzen, einer Teilautomatisierung in der Viehwirtschaft, wie z.B. das Melken und das sichere Handhaben hochindividueller Objekte, bis hin zur Medizintechnik.

Zu Anfang liegt der Werkstoff in Pulverform vor und wird während des Produktionsprozesses in dünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgetragen. Jede Schicht wird mit der darunter liegenden über einen Laser verschmolzen. Der Laserstrahl härtet die Schichten nur an den Stellen aus, an denen es der dreidimensionale Datensatz des Steuerungsprogramms vorgibt. Das Polyamid trägt mit seinen hervorragenden Langzeitbelastungseigenschaften essenziell dazu bei, die bislang nie erreichte Relation zwischen Eigengewicht und Kraftübertragung zu erzeugen. Im Ergebnis erfordert die neuartige Technik in Aufbau und Herstellung gegenüber der herkömmlichen Konstruktion nur ein Minimum an Ressourcen.

In Zukunft wird das Rapid Manufacturing mit seiner hohen Flexibili tät und seinem geringen Ressourcenverbrauch zu einer maß geschneiderten und nachhaltigen Fertigung von komplexen Pro dukten beitragen. Selbst wenn eine hohe Anzahl an integrierten Funktionen gefordert ist. Die Vision, dass auf Basis von Online-Bestellungen über Nacht für die unterschiedlichsten Bedarfsfälle die benötigten Strukturen und Bauelemente zu alltagstauglichen Kosten „3-D-gedruckt“ und ausgeliefert werden, kann sich zur gelebten Realität entwickeln.

Technische Daten des Bionischen Handling-Assistenten:

Länge: 0,75 m

Maximale Aushängung: 1,1 m

Gewicht: 1,8 kg

Arbeitsraumdurchmesser: 1,2 m

Aktuatoren: 13

Freiheitsgrade: 11

Handhabungsgewicht: 500 g

Betriebsdruck: 1,5 – 3 bar

Ventile: Proportionalwegeventile VPWP von Festo

Sensoren: Seilzugpotentiometer

Sensoren Handachse: SMAT-8M von Festo

Werkstoff: Polyamid

Herstellungsverfahren: selektives Lasersintern