Bionische Lösungen

Maximale Leistung bei minimalem Energieverbrauch: die Natur weist den Weg für die energieeffizienten Bewegungsabläufe in der Produktion von morgen und gibt Impulse für neue verblüffende Anwendungen in der Praxis.In der Automation werden Flexibilität, Leichtigkeit in Bezug auf diezu bewegende Masse und Energieeffizienz immer wichtiger. Die Natur zeigt in den vielfältigsten Beispielen wie man mit einem Minimum an Energieverbrauch ein Maximum an Leistung erzielen kann.

Dr. Eberhard Veit, Vorstandsvorsitzender und Vorstand Technology and Market Positioning der Festo AG erläutert: ''Mit Hilfe der Bionik wollen wir neue Technologien aufspüren und unseren Kunden in der Automation noch effizientere Lösungen anbieten.''

Das Festo Bionic Learning Network -ein Verbund von Festo mit namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen - hat sich im Laufe der letzten Jahre zu einem festen Bestandteil der Innovationsprozesse von Festo etabliert. Es ist damit ein Ausdruck der Lösungskompetenz von Festo zur Überprüfung neuer Ansätze für nachhaltige Produktentwicklung. ''Wir wollen der Innovationsführer unserer Branche sein. Dazu müssen wir immer wieder neue und das heißt auch ganz andere Wege als bisher gehen, um unseren Kunden einen Mehrwert zu bieten, erklärt Dr. Veit.''

Aus bionischen Konstruktionsansätzen wurden für die Handhabungsindustrie neue Greifertechnologienfür das flexible adaptive Greifen entwickelt.

In der Biomechatronik erprobt Festo neue Ansätze für die Steuerung und Regelung autonomer bionischer Systeme bis hin zu Smart System Integration und dem Einsatz modernsten Kommunikationstechnologien. In der Zukunft werden für die Automatisierung der Produktion autonome, flexible, adaptive und selbstregulierende Prozesse eine immer größere Bedeutung bekommen. Damit wird auch die Weiterentwicklung von Sensorik und Regelungstechnik auf dem Weg zu dezentralen und autonomen selbststeuernden und selbstorganisierenden Systemen über die Inspiration aus der Natur vorangetrieben.

AquaPenguin - Technologieträger als Autonome Unterwasserfahrzeuge
Die bionischen Pinguine veranschaulichen, was Lernen von der Natur bedeutet. Durch die Verwendung innovativer technischer Materialien und die schöpferische Kombination unterschiedlicher Konstruktions-und Funktionsprinzipien können neue Gestaltungsräume erschlossen und für die Automatisierungstechnik nutzbar gemacht werden.
Die Bionischen Pinguine sind als autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) ausgebildet,die sich im Wasser-Bassin eigenständig orientieren, selbständig navigieren und im Gruppenverband unterschiedliche, variable Verhaltensmusterausbilden.
Von den Naturvorbildern wurden die strömungsgünstige Körperform und der elegante Flügelantrieb übernommen. Die Roboter-Pinguine können auf engstem Raum manövrieren, bei Bedarf auf der Stelle wenden und - anders als ihre biologischen Vorbilder - sogar rückwärts schwimmen.

Ein absolutes Novum in der Robotertechnik ist der in alle Richtungen bewegliche Rumpf. Um eine solche ''organische'' Formveränderung zu ermöglichen, wurden Kopf, Hals und Schwanzsegment mit einerneuartigen 3D Fin Ray® Struktur ausgestattet. Damit wurde die von der Schwanzflosse eines Fisches abgeleitete Fin Ray® Struktur zum ersten Mal auf den dreidimensionalen Raum erweitert. Die Servomotoren und die Steuerelektronik sind im trockenen Hauptsegment des Rumpfes untergebracht.
Die Manöver werden durch eine intelligente 3D-Sensorik unterstützt. Zur Analyse des Umfeldes wurden die Pinguine mit einem speziellen 3D-Sonar ausgestattet, das ähnlich den Delfinen und Fledermäusen mit breitbandigen Ultraschall-Signalen arbeitet.

Die Rumpfkonstruktion der Pinguine kann in der Automation als flexible Tripod-Anordnung eingesetzt werden und so in der Handhabungstechnik neue Anwendungsfelder erschließen. Der Arbeitsraum des BionicTripod von Festo wird imVergleich zur herkömmlichen Tripod-Anordnung um ein Vielfaches erweitert, so sind z.B. auch Pick-and-Place-Anwendungen mit einem 90-Grad-Versatz möglich.
Kombiniert mit einem flexiblen und adaptiven Greifer wird das Bewegen von Objekten mit unterschiedlicher Form und fragiler Gestalt möglich.

Auch die intelligente Sensorik biete neue Anwendungsfelder. Das schnelle und exakte Regeln erlaubt dem AquaPenguin ein kollisionsfreies Schwimmen in der Gruppe bei gleichzeitiger Beherrschung von Höhenregelung, Druckausgleich, Temperaturausgleich und Lagestabilität. Die Übertragung auf die Automatisierungstechnik findet man analog dazu in der Regelungstechnik von Festo: beispielhaft in den neuen Proportional-Druckregelventilen VPPM und VPWP für die Servopneumatik.

AirPenguin - Autonome selbst steuernde Systeme mit kollektivem Verhalten
Der AirPenguin ist ein autonom fliegendes Objekt mit kollektivem Verhalten, das in seiner Beweglichkeit und Wendigkeit seinem natürlichen Vorbild nahe kommt. Die Ingenieure von Festo haben mit den AirPenguins, künstliche Pinguine geschaffen und ihnen das ''autonome Fliegen im Luftmeer'' beigebracht. Eine Gruppe von drei autonom fliegenden Pinguinen bewegt sich frei schwebend in einem definierten Luftraum, der von unsichtbaren Ultraschall-Sendestationen erfasst wird. Innerhalb dieses Raumes können sich die Pinguine frei bewegen. Ein Mikrocontroller gibt den Pinguinen einen freien Willen, diesen Raum zu erkunden.

Überträgt man die 3D Fin Ray® Struktur des Nasen- und Schwanzbereichs auf die Anforderungen in der Automatisierungstechnik, kann diese Struktur beispielsweise als flexibler Tripod mit einem sehr großen Arbeitsraum im Vergleich zu herkömmlichen Tripods eingesetzt werden. Mit Elektrischen Antrieben ausgestattet, ermöglicht beispielsweise der BionicTripod von Festo ebenso wie der AirPenguin präzise und schnelle Bewegungen.
Die Übertragung auf die Automatisierungstechnik findet man analog dazu in der Regelungstechnik von Festo: beispielhaft in den neuen Proportional-Druckregelventilen VPPM und VPWP für die Servopneumatik.

BionicTripod mit FinGripper - Flexibel bewegen undadaptiv greifen
In der Automation werden Flexibilität, Leichtigkeit in Bezug auf die zu bewegende Masse und Energieeffizienz immer wichtiger. Der BionicTripod zeigt die Möglichkeit einer konsequenten Ableitung von bionischen Konstruktionsprinzipien für die effiziente und flexible Automation. Er kann sich flexibel bewegen und adaptiv greifen.
Das Fin Ray® Prinzip wurde im BionicTripod erstmals wirkungsvoll fürdie Anforderungen der Automation von Fertigungsprozessen umgesetzt. Drei pyramidenförmig angeordnete Glasfaserstäbe lassen sich durch Ein- oder Ausziehen der Stäbe in jede Richtung bis zu 90 Grad auslenken. Elektrische Linearachsen steuern sie präzise an und lenken sie aus. Gesteuert wird die gesamte Anlage über die Robotik-Steuerungssoftware CMXR von Festo.

Die Schnittstelle zwischen dem BionicTripod und demWerkstück wird über einen adaptiven Greifer, den FinGripper, hergestellt. Der FinGripper, ein bionischer Greifer, umschließt das zu greifende Werkstück, z.B. eine Glühbirne, ''ähnlich wie eine Hand'', nutzt dabeiaber einen bionischen Effekt, der aus der Bewegung einer Fischschwanzflosse abgeleitet ist. Der FinGripper ist so flexibel, dass er auch zerbrechliche oder unregelmäßig geformte Gegenstände, wie z.B. eine Glühlampe greifen und sicher absetzen kann. Außerdem ist er so anpassungsfähig, dass er unterschiedlichste Formen hintereinander greifen kann.

Adaptives Greifen lässt sich in vielen Bereichen erfolgreich einsetzen, zum Beispiel beim einfacheren Sortieren von Produkten mit unterschiedlicher Größe und Kontur in der Lebensmittelindustrie. Auch bei druckempfindlichen Bauteilen, die man ohne Beschädigung bewegen und platzieren muss, ist diese Adaptivität ideal.

iFab - Drucken in 3D
Was nach Zukunftsvision klingt ist in der Industrie mit Rapid Prototyping längst Realität. Der Traum, sich sein eigenes Produkt im seinem Wohnzimmer ''ausdrucken'' zu können, war bislang unbezahlbar. Mit iFab rückt dieser Traum in greifbare Nähe.
Das Prinzip von Rapid Prototyping ähnelt dem des Tintenstrahldruckers. Verschiedenfarbige Tinten werden als Tröpfchen in dünnen Schichten in 2 Dimensionen, also 2D, aufs Papier gebracht. Die Tinten formen nach dem Antrocknen das Bild.
Durch das Drucken vieler Schichten übereinander wird ein 3D-Effekt erzeugt. Mit der Verwendung von verschiedenartigen Materialien statt verschiedenfarbiger Tinte kann man ''im Prinzip'' alles fertigen.

Bei iFab kann mit Hilfe austauschbarer ''Druckköpfe'' mit verschiedenen Materialien gedruckt werden. Die Bandbreite dieser ''druckbaren'' Materialien ist heute schon groß, sie reicht von Schokolade bis zu leitenden und halbleitenden Materialverbindungen, wie z.B. Silikone oder Thermoplaste. Pralinés im Wohnzimmer herstellen oder Designentwürfe ausdrucken ist mit iFab kein Problem. Voraussetzung für ein geeignetes Materialist, dass es zähflüssig deponiert werden kann und danach relativ schnell aushärtet.

Die ehrgeizigen Entwicklungsziele für den iFab sind nur unter Nutzung des Festo Tripod Know-hows mit einem strukturell vereinfachten mechanischen Aufbau erreichbar. Das zu deponierende Material wird dabei nicht mit einem mechanisch komplizierten kartesischen3-Achs-System sondern mit einem Tripod-System, bestehend aus 3 identischen, mechanisch verknüpften, elektrisch angetriebenen Lineareinheiten vorgenommen.

Mit dem iFab von Festo soll die Tür des 3D-Printing für den interessierten Einzelnen und die Aus- und Weiterbildung noch weiter aufgestoßen werden. Gedacht ist dabei an den technisch interessierten Schüler, Studenten der Mechatronik, des Maschinenbaus, der Architektur oder des Designs oder den engagierten Modellbauer zuhause.

InteractiveWall - Messesystem reagiert auf Besucher
InteractiveWall ist eine Wand, die in Echtzeit das Verhalten von Menschen vor der Wand in Bewegung, Licht und Musik umsetzt und so mit dem Betrachter interagiert.
InteractiveWall besteht aus sieben einzelnen Wandelementen, die jeweils 1,09 Meter breit, 0,53 Meter tief und 5,30 Meter hoch sind. Jedes Wandelement besteht aus einer Struktur mit Fin Ray Effect®. Die InteractiveWall kann mit zwei elektrischen Antrieben von Festo bewegt und ausgelenkt werden. Angetrieben bewegt sich diese Struktur um die Mittelachse zum Betrachter hin und vom Betrachter weg. Die Struktur macht also ein ''Hohlkreuz'' oder einen ''Katzenbuckel'' und verformt sich so konkav bzw. konvex.

Die einzelnen InteractiveWall Elemente können entweder einem gesteuerten Ablauf folgen und z.B. eine Wellenbewegung machen oder mit dem Messebesucher interagieren. Bei der Interaktion setzen die elektrischen Antriebe von Festo die Signale der Ultraschallsensoren in Bewegung um. Die Struktur bewegt sich z.B. vom Betrachter weg, wenn sich dieser der InteractiveWall nähert.

InteractiveWall zeigt eine neue Form der Architektur die nicht mehr statisch sondern dynamisch und interaktiv ist. Eine Architektur, die auf die Wünsche des Benutzers reagiert und wenn möglich diese antizipiert. Das Verhalten der interaktiven Architektur wird von den Nutzern beeinflusst und maßgeblich bestimmt.

Festo hat mit den elektrischen und pneumatischen Antrieben sowie mit den dazugehörigen Steuerungs-und Regelungstechnologien und der entsprechenden Sensorik die Möglichkeit, Architektur in der Zukunft zu einem antizipierenden System zu machen.

Gerade in der Messestandarchitektur wird der Bedarf an interaktiver und antizipierender Architektur, die sich kollektiv verhält immer wichtiger. Die ''Kommunikation'' mit InteractiveWall bedeutet ein spezielles Messeerlebnis, das weit über das Gewohnte hinausgeht.

Mit InteractiveWall zeigt Festo, welche Möglichkeiten sich durch die Kombination von intelligenter und adaptiver Mechanik mit interagierender und antizipativer Architektur und Software ergeben. Für die Betrachter wird der Messebesuch zu einem Gesamterlebnis, der alle Sinne ein bezieht.

Molecubes - Attraktives programmierbares Robotersystem
Molecubes ist ein attraktives programmierbares Robotersystem. Ein Würfel bildet die geometrische Grundform des Systems, an den weitere Molecubes wie Moleküle in einer chemischen Verbindung in sechs Richtungen angedockt werden können. Als Endbausteine gibt es zudem Molecubes mit Greifern, Kamera oder Antriebsachse.

Die beim Andocken neuentstehende Konfiguration wird direkt an alle Molecubes des gesamten Systems kommuniziert. Die Energieversorgung und die Signalübertragung von Molecube zu Molecube ist somit gewährleistet. Die drahtlose Datenübertragung bildet die reale Konfiguration der Molecubes in ein Datenmodell auf einem Personal Computer ab.

Mit dem Projekt Molecubeszeigt Festo eine mögliche zukünftige Lernumgebung. Diese kombiniert Lernen durch Selbsterfahrung mit den neuesten Möglichkeiten der modularen Software- und Robotertechnik. Roboter selbst aufzubauen und selbst zu programmieren, macht die Automation erfahr- und vermittelbar. Molecubes ist Technik zum Anfassen und Nachvollziehen für Jugendliche und alle interessierten Spezialisten.

Flexibles Maschinen- und Produktdesign für Systeme ist bei Festo schon lange Programm. So lassen sich die neuen Controller CPX-CEC und PC Worx mit universeller Programmieroberfläche nach IEC 61131-3 und modularer elektrischer Peripherie wieCPX einfach wie Moleküle andocken, wenn sich die Aufgaben ändern.