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Aktuelles aus der Angewandte Forschung

Elektromobilität, Materialien, Bionik, Medizintechnik, Erneuerbare Energien, Universität, Wissenschaft

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FestoForschungsbeitrag

Was haben Elefantenrüssel und Fischflossen mit Automatisierung zu tun? Festo zeigte auf der Hannover Messe 2010 technische Highlights aus dem Bionic Learning Network. Die bionischen Future Concepts sind von der Natur inspiriert und wurden für Automatisierung und Handhabung konzipiert, z. B. der bionische Handlingassistent, der BionicTripod 2.0 und der CyberKite.

 




Mit dem Bionischen Handling-Assistent haben die Ingenieure von Festo eine Durchbruchsinnovation geschaffen, welche die Handhabungstechnik bis hin zur Mensch-Technik-Kooperation (r)evolutionieren wird. Auch beim BionicTripod 2.0 und dem Modularen Leichtbau-Handling stellt Festo Lösungen für unterschiedlichste Handhabungsaufgaben vor. Ob für die industrielle Anwendung oder als Lernsystem für die Aus- und Weiterbildung: Die Natur weist den Weg für die energie-effiziente Automatisierung der Zukunft. Mit dem CyberKite, einem automatisierten Drachensystem, präsentiert Festo ein zukunftsweisendes mechatronisches System, das durch intelligente Regelungstechnik die Kräfte der Natur beherrschbar macht. Mit dem Bionic Learning Network und Future Concepts setzt Festo die Trends von sicherer Automation über intelligente Mechatronik-Lösungen bis hin zu neuen bionischen Handling- und Greifertechnologien, Energieeffizienz und grüner Produktion.

Vom Rüssel inspiriert: Bionischer Handling-Assistent

Beim Bionischen Handling-Assistenten haben sich die Experten vom Elefantenrüssel inspirieren lassen. Er ist flexibel, überträgt hohe Kräfte und dient als präzises Greifwerkzeug. Durch die Analyse von Struktur und Funktionsweise des Elefantenrüssels und den Einsatz von neuen Fertigungstechnologien, konnte  ein vollkommen neues, biomechatronisches Handhabungs-System entwickelt werden.

Mit ihm ist der direkte Kontakt zwischen Maschine und Mensch – ob unabsichtlich oder gewollt – nun keine Gefahr mehr. Denn im Falle einer Kollision mit dem Menschen gibt der Bionische Handling-Assistent sofort nach, ohne das gewünschte dynamische Gesamtverhalten zu verändern. Anschließend nimmt er seine Bewegung wieder auf. Im Gegensatz zu schweren Industrierobotern bietet das bionische System ein einzigartiges Masse-Nutzlast-Verhältnis, geschmeidige Bewegungsabläufe mit mehr Freiheitsgraden und einen effizienten Ressourcenverbrauch.

Einsatzmöglichkeiten finden sich in der Handhabungs-Industrie und überall dor, wo Menschen eine gefahrlose maschinelle Unterstützung benötigen - beispielsweise in der Medizintechnik, Rehabilitation und Handicap Care, aber auch in der Landwirtschaft, in Privathaushalten und Lerneinrichtungen.

Der Bionische Handling-Assistent besteht aus drei Grundelementen zur räumlichen Bewegung sowie einer Handachse mit Kugelgelenk und einem Greifer mit adaptiven Fingern. Die Grundelemente werden aus drei Aktuatoren gebildet, die kreisförmig angeordnet sind und sich in einem Winkel von drei 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. Wegmesssysteme erfassen deren Auslängung und dienen der Steuerung des Systems im Raum. 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 sorgen für die Detektion der Wegstrecken und ermöglichen eine präzise Ausrichtung. Für die gesamte Steuerung kommen VPWP-Proportionalwegeventile zum Einsatz. Die Elemente sind flexibel und leisten eine hohe Kraftübertragung bei geringstem Eigengewicht.

 

Erst durch die Nutzung moderner Technologien des Rapid Manufacturing sind die besonderen Fertigungsvoraussetzungen für den Bionischen Handling-Assistenten gegeben. Es erlaubt die Herstellung individueller, beweglicher Systemteile aus Polyamid, das im Produktionsprozess in dünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgetragen wird. Jede Schicht wird mit der darunterliegenden über einen Laser verschmolzen und nur dort ausgehärtet, wo es das Steuerungsprogramm vorgibt. Somit ist ein individuelles 3D-Drucken von komplexen Produkten möglich.

Von der Fischflosse zum BionicTripod 2.0Festo2

Ziel der Entwicklung des BionicTripod 2.0 war es, bei geringstem Eigengewicht einen maximalen Arbeitsraum bedienen zu können. Durch das geringe Eigengewicht ist der BionicTripod 2.0 effizient im Verbrauch und kann so energieeffizient sortieren und bewegen. Das bionische Prinzip aus der Schwanzflosse des Fisches kommt gleich mehrfach zum Einsatz als dreidimensional adaptierte sogenannte 3D Fin Ray-Struktur. Erst diese Struktur ermöglicht eine energieeffiziente Leichtbauweise.

Gegenüber herkömmlichen Tripod-Anordnungen ist der BionicTripod 2.0 um 90 Grad geschwenkt und kann somit auch als ein horizontal angeordneter Tripod bezeichnet werden. Der integrierte adaptive Greifer, der sogenannte Fin Gripper sowie in Analogie zur Funktion des menschlichen Handgelenks eine Art Kugelgelenk, ermöglichen eine maximale Flexibilität, um zu greifende Objekte in unterschiedlichen Lage- und Höhenniveaus aufnehmen und ablegen zu können. Dies ist bei dieser Anordnung von entscheidendem Vorteil.

Der adaptive und anpassungsfähige FinGripper ist die Schnittstelle zwischen Objekt und Aktuatorik. Er besteht aus einem pneumatischen Aktuator in Form eines Faltenbalges sowie drei Greiffingern, die als adaptive Struktur mit Fin Ray-Effekt ausgeführt sind. Die damit verbundene Flexibilität und Nachgiebigkeit ist prädestiniert für Aufgaben in der Mensch-Maschine-Interaktion, z. B. in der Landwirtschaft zum Sortieren von Obst oder Gemüse in gewachsener Form oder in der Industrie zum Sortieren von Wertstoffen. Auch als „dritte“ Hand, die einen Schraubenschlüssel oder ein Einbauteil reicht, eignet sich der BionicTripod 2.0.

Der BionicTripod 2.0 besteht im Aufbau aus sechs pyramidenförmig angeordneten Glasfaserstäben, die untereinander flexibel und gelenkig verbunden sind und sich durch Ein- oder Ausziehen in jede Richtung um bis zu 90 Grad in einem maximalen Arbeitsraum auslenken lassen. Elektrische Linearachsen vom Typ EGC sowie der elektrische Antrieb EMMS gewährleisten das präzise Ansteuern und Auslenken. Gesteuert wird die gesamte Anlage über die Robotik-Steuerungssoftware CMXR. In der Handachse – als Analogie zur Funktion des menschlichen Handgelenks – sind drei Aktuatoren so um ein Kugelgelenk angeordnet, dass drei weitere Freiheitsgrade erzielt werden und eine Auslenkung um bis zu 30 Grad möglich machen.

 

CyberKite – das automatisierte Drachensystem

 

Festo3Die Kräfte der Natur zu kontrollieren gilt seit jeher als Herausforderung des Menschen. Mit dem Cyber Kite stellt sich Festo dieser Aufgabe und entwickelt ein Drachensystem mit kybernetischer Steuereinheit. Den Wind als unberechenbaren Faktor in den Griff zu bekommen und einen steuerbaren Drachen mit Staudruckflügel permanent in der Luft zu halten – egal woher der Wind weht, haben sich die Ingenieure von Festo zur Aufgabe gemacht. Der Cyber Kite zeigt einen biomechatronischen Gesamtentwurf, der einen bis zu 24 m2 großen Staudruckflügel autonom und energieautark steuern und regeln kann.

Die intelligente Regelung des Drachenfluges erfolgt jeweils in Abhängigkeit von Windbedingungen und der eingesetzten Flügelgröße. Verschiedene Betriebsmodi und angepasste Flugbahnvorgaben gewährleisten den Betrieb über einen weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten. Das macht den Cyber Kite zum Ausdauertalent in luftiger Höhe. Eine automatische Lastbegrenzung ermöglicht es, zusammen mit der robusten Flugregelung auch große Flügel sicher zu beherrschen.

Die Regelungs- und Steuerungsphilosophie ist nicht auf starres Festhalten, sondern auf intelligente Nachgiebigkeit programmiert. Dabei wird die Kraft des Windes durch den energieeffizienten Einsatz der Antriebe sogar nutzbar gemacht. So wird aus den Servomotoren nicht nur die Bremsenergie aus den Steuerbewegungen zurückgespeist, sondern – ergänzt um modernste Batterietechnik – kann auch die überschüssige Windenergie von den nachgiebigen Halteseil-Antrieben für den Betrieb des Systems nutzbar gemacht werden. Die Servomotoren laufen dabei periodisch über von der Zugkraft des Drachens ausfahrende Seile im „Generatorbetrieb“, die hierbei gewonnene elektrische Energie wird in den Batterien gespeichert und reduziert den Energiebedarf des Systems erheblich. Zukünftige CyberKite-Systeme lassen sich bei entsprechenden Windverhältnissen dank der Kraft des Windes energetisch autark betreiben.

Am Boden kontrolliert eine mechatronische Aktuatoreinheit den Flug des Drachen. Schwankende Windbedingungen machen dem hybriden Flügelsystem nichts aus. Der Flügel verbindet großes Flügelvolumen zur Aufnahme aerostatischen Traggases mit einer guten Gleitzahl und bestmöglicher Eigenstabilität. Selbst bei Windstille behält der Flügel dank des Traggasauftriebs seine Position. Der Flügel kann trotz seiner flachen und eleganten Form auf zusätzliche, stabilisierende Leitwerke verzichten. Über die adaptive Waaganleinung wird durch ein räumliches Seilgetriebe eine Verstellung der Flügel realisiert. Der Flügel ist so in der Lage, mit ausgestreckten Flügelenden geradeaus zu fliegen und im Kurvenflug die Flügel so zu verkrümmen, dass sie ausreichend stabilisierende Lateralfläche bieten. Das Flügelsystem ist am Boden gefesselt, so dass bei starkem und böigem Wind schnell unerwünschte hohe Seilkräfte entstehen. Elektrische Antriebe und Sensorik reagieren auf die jeweilige Flugsituation und halten das System stabil. In der Anleinung des Flügels wurde hierfür ein passives adaptives Seilgetriebesystem entwickelt, das bei Bedarf die Kraftwirkung des Windes effektiv reduziert. Zur kontrollierten Auf- und Abwicklung der Leinen ist jeder Seilwinde eine Verlegeachse, bestehend aus einem elektrischen Linearantrieb, zugeordnet.


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Fachmessen im Überblick

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Datum : Freitag, 3. November 2017
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Datum : Samstag, 4. November 2017
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Datum : Sonntag, 5. November 2017
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Mi Nov 22 @11:00 Infrarot Workshop Veranstalter: Optris