Robotik Wie Bionik Impulse für die Fabrikautomation gibt

Von Stefanie Michel

Mechanismen, die sich Entwickler von Festo aus der Tierwelt abgeschaut haben, eignen sich beispielsweise für Leichtbauroboter in der Fabrik der Zukunft. Bewegt werden sie pneumatisch. Wie sie zu einem „Kollegen“ und Teil der Fabrikautomatisierung werden können, haben wir uns bei Festo angesehen.

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Der Leichtbau-Roboterarm ausgestattet mit dem Flex Shape Gripper: Funktionen aus der Natur finden Einsatz in der Automatisierung.
Der Leichtbau-Roboterarm ausgestattet mit dem Flex Shape Gripper: Funktionen aus der Natur finden Einsatz in der Automatisierung.
(Bild: Stefanie Michel)

Ein Elefantenrüssel, eine Spinne, diverse Flugobjekte oder eine Qualle: nicht nur Fachmessebesucher kennen die bionischen Objekte, die Festo Jahr für Jahr präsentiert. Natürlich erregen solche Exponate Aufmerksamkeit, doch sie geben im Unternehmen auch neue Impulse für die Automatisierung. Wir konnten uns bei einem Besuch im Bioniklabor selbst ein Bild davon machen, wie aus kreativen Ideen und technischen Herausforderungen neue Produkte für die Fabrikautomation entstehen. Gerade im Bereich der Robotik gibt es einige Ansätze, die in Festo-Produkte einfließen werden. Deshalb wollen wir uns diese Produkte genauer ansehen.

Die Mensch-Roboter-Kollaboration ist ein Trend, den auch das Bionikteam von Festo aufgenommen hat. Im Mittelpunkt steht hier die Zusammenarbeit zwischen Roboter und Mensch. Karoline von Häfen leitet dieses Team aus Designern, Entwicklern, Mechatronikern, Softwareentwicklern, Elektronikentwicklern oder Biologen in Esslingen. „Wir suchen dann natürlich auch gezielt nach Antworten auf diese Trends. Ein weiterer Punkt für uns: Die Natur ist meist so faszinierend. Da fragen wir uns, ob wir das nachbauen können. Natürlich ist das dann eine persönliche Challenge, wie weit wir kommen und sehen, wohin uns das dann führt“, erklärt von Häfen die Arbeit ihres Teams. Das kann das Entschlüsseln des Vogelflugs sein ebenso wie die Funktionsweise einer Chamäleonzunge.

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Die Chamäleonzunge wird zum Greifer

Aus letzterer ist beispielsweise ein adaptiver Greifer entstanden: der Flex Shape Gripper. Er sieht aus wie ein überdimensionierter Stift mit einer länglichen Silikonspitze. Doch was hat das mit der Zunge eines Chamäleons zu tun? Wie von Häfen erklärt, ist eine solche Zunge klebrig und sie kann Beute umschließen und festhalten. „Das ist für die Industrieautomation natürlich ideal. Wenn man das übertragen und verschiedene Objekte mit dem gleichen Greifer aufnehmen kann, spart man sich den Rüstaufwand.“

Der pneumatisch aktivierte Flex Shape Gripper in Aktion: Er kann Objekte unterschiedlicher Größe und Form greifen.
Der pneumatisch aktivierte Flex Shape Gripper in Aktion: Er kann Objekte unterschiedlicher Größe und Form greifen.
(Bild: Stefanie Michel)

Und genau das konnten die Tüftler im Bionikteam umsetzen: einen Greifer, der über eine weiche Silikonkappe dreidimensionale Objekte formschlüssig aufgreifen kann. Dieser Greifvorgang wird durch Druckluft ausgelöst. Dabei stülpt sich die Silikonkappe nach innen und nimmt die Objekte in sich auf. Durch das elastische Silikon passt sich der Greifer an sehr viele unterschiedliche Geometrien an; er kann Objekte bis vier Zentimeter Größe und bis zu 500 Gramm Gewicht aufnehmen.

Die hohe Haftreibung des Materials erzeugt eine starke Haltekraft – dem Kleben nachempfunden. Sowohl der Halte- als auch der Ablösemechanismus ist pneumatisch gelöst. So ist für das Halten keine zusätzliche Energie nötig. Mithilfe eines Proportionalventils lassen sich die Kraft und die Verformung des Silikonteiles genau einstellen. Dadurch können in einem Vorgang mehrere Teile auf ein Mal gegriffen werden.

Inzwischen wurde aus dem Flex Shape Gripper ein kaufbares Produkt. Als adaptiver Formgreifer DHEF lässt er sich zum Beispiel an den Arm eines Leichtbauroboters montieren, um Handling-Aufgaben zu übernehmen. Anders als die verfügbaren Backengreifer, die nur bestimmte Komponenten greifen können, arbeitet der adaptive Formgreifer viel flexibler. Da er keine scharfen Kanten hat, eignet er sich auch ideal für den Einsatz bei empfindlichen Objekten.

Pneumatik gibt nach – keine Gefahr für Werker

Wie eine Kette kleiner Muskeln reihen sich die mit einem Textil ummantelten Bälge der pneumatischen Balkgsegmente aneinander. Der Leichtbauarm eignet sich für die Mensch-Roboter-Kollaboration.
Wie eine Kette kleiner Muskeln reihen sich die mit einem Textil ummantelten Bälge der pneumatischen Balkgsegmente aneinander. Der Leichtbauarm eignet sich für die Mensch-Roboter-Kollaboration.
(Bild: Stefanie Michel)

Mit dem Bionic Soft Arm hat Festo auch einen entsprechenden Arm für die Leichtbaurobotik als Prototyp entwickelt. Vorbild war hier, wie schon bei anderen Modellen, der Elefantenrüssel. Der Arm ist aus mehreren pneumatischen Balgsegmenten und Drehantrieben aufgebaut, wodurch er viel flexibler gestaltet werden kann als konventionelle Roboter. Durch die Pneumatik ist er systembedingt nachgiebig: Wird ein Aktor mit komprimierter Luft befüllt, lässt sich die erzeugte Bewegung in Geschwindigkeit, Kraft und Steifigkeit exakt einstellen. Sollte es zu einer Kollision oder Berührung kommen, gibt das System automatisch nach und stellt deshalb keine Gefahr für den Menschen dar. Das prädestiniert den Arm für die Mensch-Roboter-Kollaboration.

Der Arm selbst erinnert an eine Struktur mit Muskeln, denn die Pneumatiksegmente bestehen aus zwei Faltenbälgen, die mit einem 3D-Textilmantel umschlossen sind. Die Bewegung entsteht durch die gesteuerte Zu- oder Abfuhr von Druckluft und das damit verbundene Ausdehnen beziehungsweise Zusammenziehen der Balgstrukturen. Darüber lässt sich auch regeln, ob das System weich und nachgiebig ist oder hart und fest.

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