Pressemitteilung

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Bionic Learning Network
Pressemitteilung
Lernen von der Natur
TC 07/07
Wie können automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und
produktiver gestaltet werden? Auf der Hannover Messe zeigt Festo auch in diesem
Jahr innovative Antriebskonzepte des Bionic Learning Network. Die Versuchsträger
nutzen dabei neueste Technologie von Festo. Mechatronische Gesamtkonzepte mit
Möglichkeiten zu Fernwartung und Diagnose gehören ebenso selbstverständlich dazu
wie neueste Piezoventile und elektrische Antriebe. Der fluidische Muskel von Festo,
längst fester Bestandteil in der Fertigung, zeigt sich als Universalgenie in immer neuen
verblüffenden Anwendungen. Für die komplexen Antriebsformen dienen Phänomene
in Luft und Wasser, vor allem aber der Mensch selbst als Quelle der Inspiration.
Ungleiche Zwillinge: die Mantarochen Aqua_ray und Air_ray
Untersuchungen zu Fortbewegungsarten im Wasser zeichnen die Rochen als
Perfektionisten des Unterwasserfliegens und -gleitens aus. Dabei gleicht ihr Flossenschlag
im Wasser dem Flügelschlag eines Vogels in der Luft. Ihre wellenförmigen Bewegungen
bilden ein Optimum aus maximalem Vortrieb bei minimalem Energieverbrauch. Die
strömungsoptimierte Form ermöglicht insbesondere dem Mantarochen einen eleganten
Bewegungsablauf und macht ihn zum echten Unterwasserakrobaten.
Der Aqua_ray ist ein ferngesteuerter wasserhydraulisch betriebener Fisch, der in Form und
Kinematik dem Bewegungsmodell eines Mantarochens nachempfunden wurde.
Als Aktuatoren dienen die bionischen Fluidic Muscles von Festo. Diese bestehen im
Wesentlichen aus einem hohlen Elastomerzylinder mit eingewobenen Aramidfasern. Wird
der Fluidic Muscle mit Luft oder Wasser befüllt, vergrößert sich dieser im Durchmesser und
wird in der Länge kontrahiert. Dadurch wird eine fließend-elastische Bewegung ermöglicht.
Der Fluidic Muscle von Festo, kombiniert mit dem Fin Ray Effect®, bildet die zentrale
Vortriebs- und Steuereinheit des Aqua_ray. Der Fin Ray Effekt® ist eine von der
funktionellen Anatomie der Fischflosse abgeleitete Konstruktion. Diese ermöglicht, den
Flossenantrieb des natürlichen Vorbilds nahezu perfekt zu imitieren.
Die Flossenstrahlen, die in der englischen Sprache als „Fin Ray“ bezeichnet werden, machen
es allein durch ihre Mechanik der Flosse möglich, den Flügel zu krümmen und die
entstehenden Kräfte gleichmäßig über den gesamten Flügel zu verteilen. Die fließenden
Muskelbewegungen werden in dynamische Flügelschläge umgewandelt; so erhält der
künstliche Mantarochen seinen Vortrieb.
Bei Aqua_ray erzeugt, gleich einem Herz, eine wasserbetriebene zentrale Flügelzellenpumpe
die erforderliche Energie, die in Form von Druck über eigens dafür entwickelte
Spezialventile an drei antagonistisch arbeitende Muskelpaare weitergegeben wird. Deren
Zugkraft wird durch künstliche Sehnen aus hochfesten Seilen über Rollen und
Sehnenscheiden auf die Flügel und den Schwanz übertragen, welche den Kraftweg von 55
mm zu einem Flügelschlag von mehr als 550 mm nutzen.
Datum
16. April 2007
Abteilung
TC
Dr. Heinrich Frontzek
Rechtsform:
Kommanditgesellschaft
Sitz: Esslingen a.N.
Registergericht Stuttgart
HRA 211583
Umsatzsteuerident.- Nummer:
DE 145 339 206
Persönlich haftende
Gesellschafterin:
Festo Aktiengesellschaft
Sitz: Stuttgart
Registergericht Stuttgart
HRB 18535
Vorstand:
Dr. Ekkehard Gericke
Lothar Kempf
Dipl.-Ing. Rudi Menrad
Dr. Thomas Rubbe
Dr. Eberhard Veit (Sprecher)
Dr. Ulrich Walker
Aufsichtsratsvorsitzender:
Dr. Wilfried Stoll
Festo AG & Co. KG
Corporate Communication
Postfach
73726 Esslingen
Internet www.festo.com
Telefon 0711/347-1873
Telefax 0711/34754-1873
E-Mail [email protected]
Ruiter Str. 82
73734 Esslingen
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Durch die Verwendung von neuartigen elastischen Materialien für alle beweglichen Teile
und die 3D-verformbare Haut, sowie die Abstimmung der Elastizität und der selbstadaptiven
Eigenschaften des Flügel- und Schwanzskeletts auf die hydrodynamischen Kräfte ist es
gelungen, die Schwimmkinematik des Naturvorbildes nachzugestalten. Das Medium Wasser
ist hierbei Teil der Funktion, denn nur in Verbindung mit dessen Eigenschaften kann die
vollständige Authentizität der Bewegung erreicht werden.
Der Aqua_ray lässt sich hervorragend manövrieren und kann sowohl als hydrostatischer
Gleiter als auch mit aktivem Flügelschlag betrieben werden. Das bedeutet eine hohe
Energieersparnis. Seine Form und Fortbewegungsart lässt den Einsatz des Aqua_ray auf den
verschiedensten Gebieten der Meeresforschung zu, ohne die natürliche Umgebung zu stören.
Auch der Air_ray hat den Mantarochen als Vorbild. Er ist eine ferngesteuerte
Hybridkonstruktion aus einem mit Helium gefüllten Ballonet und einem Schlagflügelantrieb.
Durch seine leichte Konstruktion ist es ihm möglich, mit dem Auftrieb des Heliums
annährend so im Luftmeer zu „schwimmen“, wie dies dem Mantarochen im Wasser möglich
ist.
Der Vortrieb wird durch einen Schlagflügelantrieb realisiert. Der durch einen Servoantrieb
auf und ab bewegbare Flügel besteht aus einer Struktur, die den bereits beschriebenen Fin
Ray Effect® nutzt. Die Struktur selbst besteht aus einer alternierenden Zug- und
Druckflanke, die mit Spanten gelenkig verbunden ist. Wenn eine Flanke mit Druck
beaufschlagt wird, wölbt sich die geometrische Struktur von selbst entgegen der
einwirkenden Kraftrichtung. Ein Servoantrieb zieht in Längsrichtung alternierend an den
beiden Flanken und bewegt so den Flügel auf und ab.
Ergänzt wird diese Struktur durch einen torsionssteifen Mittelholm, der von Rainer
Mugrauer entwickelt wurde. Dieser dient als Auflage für einen Servoantrieb, der am äußeren
Ende des Mittelholms montiert ist. Mit diesem Servoantrieb kann der Schlagflügel in seiner
Querachse verdreht werden. Dadurch wird das Rückwärtsfliegen des Air_ray’s möglich. Das
Höhenruder ist ebenfalls als eine mittels Servoantrieb angetriebene Fin Ray Struktur
ausgeführt.
Der Fin Ray Effect® ermöglicht auch erste praktische Anwendungen in der
Automatisierung. Sieben Teile können mit der Bionischen Materialweiche von Festo in
einem Vorgang gezielt sortiert werden.
Airic’s_arm
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Wie kann mit technischen Mitteln ein Bewegungsapparat gestaltet werden, der in seinem
konzeptionellen Aufbau, seiner technischen Konstruktion und seinem bionischen Design
dem natürlichen Vorbild Mensch möglichst nahe kommt? Airic’s_arm ist von der Natur
inspiriert. In der Kombination von Mechatronik und Bionik zeigt er neue Möglichkeiten, wie
automatisierte Bewegungsabläufe der Zukunft aussehen könnten.
Airic’s_arm ist ein Roboterarm, der mit artifiziellen Knochen und Muskeln ausgestattet ist.
30 Muskeln bewegen die Knochenstruktur, die wie bei uns Menschen aus Elle und Speiche,
Mittelhandknochen und Fingerknochen, sowie Schulterkugelgelenk und Schulterblatt
besteht; Gelenke, die in der technischen Welt so nicht vorkommen. Bei Airic sind die
Knochen nicht selbst gewachsen und sie verheilen auch nicht selbstständig nach einem
Bruch. Sie sind am Computer konstruiert und wachsen mit modernsten Lasersinterverfahren
dreidimensional im Raum aus Polyamid.
Die Muskeln sind ein Produkt von Festo und unter dem Namen Fluidic Muscle in der
industriellen Praxis bereits weit verbreitet. Der Fluidic Muscle ist ein Schlauch aus
Elastomer mit eingewobenen Aramidfasern. Wird der Muskel mit Druckluft befüllt,
vergrößert sich sein Durchmesser und gleichzeitig wird seine Länge verkürzt. Die
Anfangskraft dieses künstlichen Muskels ist sehr groß und er ist in seiner Dynamik dem
menschlichen Muskel ähnlich. Sein größter Vorteil gegenüber dem menschlichen Muskel ist,
dass er im verkürzten Zustand keine weitere Energiezufuhr mehr benötigt. Dies bedeutet,
dass ein Gewicht von Airic’s_arm, einmal angehoben, beliebig lange in jeder Position
gehalten werden kann. Durch den Einsatz dieser Technologie gelingt es, die Kräfte und die
Steifigkeit in der Konstruktion exakt zu regeln. Dies gelingt mit sehr kleinen und höchst
innovativen Piezo Proportionalventilen von Festo. Mit Druck- bzw. Längensensoren werden
die Zugkräfte bzw. die Verkürzung der einzelnen Muskeln ermittelt. Eine von Festo
entwickelte mechatronische Einheit regelt dann die Druckverläufe des Systems, und es wird
ein Bewegungsablauf möglich, der in seiner Kinematik, seiner Geschwindigkeit, seiner Kraft
aber auch seiner Feinheit den menschlichen Bewegungen nahe kommt.
Die Koordination dieser vielen Aktuatoren ist nur durch modernste mechatronische Systeme
und Software möglich. Was bei uns Menschen in Bewegung ohne weiteres Nachdenken
unbewusst oder sogar reflexartig passiert, muss hier noch mit großem Aufwand Computer
unterstützt gesteuert und geregelt werden. Eine Erweiterung der Sensorik von Airic’s_arm,
wie z.B. durch Kameras oder Elemente zur taktilen Wahrnehmung sind zukünftig ebenso
denkbar, wie eine Weiterentwicklung in der Ausgestaltung von Rücken, Hüfte, Nacken etc.
All diese Eigenschaften sind in der Zukunft auch für die Robotik interessant. Mit ihrer Hilfe
können bald noch mehr gefährliche und gefährdende Situationen der Technik überlassen
werden.
Mechatronik pur: Sky_liner und Airmotion_ride
Einen Drachen zu lenken erfordert einige Kunst und Geschicklichkeit. Mit dem Projekt
Sky_liner zeigt Festo erstmals, dass eine Steuerung auch vollautomatisiert mit Hilfe der
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Mechatronik gelingen kann, und schlägt damit den Bogen zu seiner Kernkompetenz, dem
Automatisieren mit bewegter Luft.
Sky_liner ist eine Anordnung von zwei Zwei-Leinen-Drachen, welche je mit einer
mechatronischen Steuereinheit gesteuert werden. Die beiden Drachen werden also nicht
mehr von Hand gesteuert, sondern Indoor mit Servomotoren und künstlichem Wind
automatisiert betrieben. Jede Leine ist über Schnellschaltventile an einen fluidischen Muskel
DMSP von Festo gekoppelt, welcher beim Ausbrechen des Drachens durch Kontraktion die
Leine „verkürzt“ und gegensteuert.
Mit der bionischen Konstruktion Airmotion_ride können im Zusammenspiel mit
mechatronischen Systemen die unterschiedlichsten Fahr- und Flug-Simulationen realisiert
werden. Eine Hexapodstruktur in Parallelkinematik mit sechs fluidischen Muskeln von Festo
gibt ein realistisches Fahr- und Fluggefühl. Als führender Pneumatikanbieter zeigt Festo mit
diesem Projekt eine spannende und kostengünstige Alternative zu aufwändigen
hydraulischen Konstruktionen.
Bionic Learning Network
Das Bionic Learning Network ist Teil des Engagements im Bereich der technischen Ausund Weiterbildung. In Kooperation mit Studenten, namhaften Hochschulen, Instituten und
Entwicklungsfirmen fördert Festo dabei Ideen und Initiativen, die über das Kerngeschäft der
Automatisierung und Didactic hinausreichen und vielleicht übermorgen interessante
Anwendungsgebiete sein könnten.
Pressetext und -bilder finden Sie auch im Internet unter www.festo.com/presse, weitere
Informationen zum Bionic Learning Network von Festo unter www.festo.com/bionic.
Fin Ray Effect® ist eine Marke der Evologics GmbH.
Hierzu:
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Festo Pressebilder
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TC_07_07_Aqua_ray_1.tif
TC_07_07_Aqua_ray_2.tif
TC_07_07_Aqua_ray_3.tif
TC_07_07_Aqua_ray_4.tif
Bildunterschrift:
Aqua_ray
Hierzu:
Festo Pressebilder
TC_07_07_Air_ray_1.tif
TC_07_07_Air_ray_2.tif
Bildunterschrift:
Air_ray
Hierzu:
Festo Pressebild TC_07_07_Bionic_Material_Gate.tif
Bildunterschrift:
Bionische Materialweiche
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Hierzu:
Festo Pressebilder
TC_07_07_Airic’s_arm_1.tif
TC_07_07_Airic’s_arm_2.tif
TC_07_07_Airic’s_arm_3.tif
Bildunterschrift:
Airic’s_arm
Hierzu:
Festo Pressebilder
TC_07_07_Sky_liner_1.tif
TC_07_07_Sky_liner_2.tif
Bildunterschrift:
Sky_liner
Hierzu:
Festo Pressebild TC_07_07_Airmotion_ride.tif
Bildunterschrift:
Airmotion_ride
Pressetext und -bilder finden Sie auch im Internet unter www.festo.com/presse.
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