Bionischer Hightech-Roboterarm geht Menschen ohne Verletzungsgefahr zur Hand Stets zu Diensten

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Der bionische Handling-Assistent von Festo und Fraunhofer IPA ist die Innovation des Jahres. Soeben mit dem „Deutschen Zukunftspreis 2010“ ausgezeichnet, besticht der Hightech- Roboterarm durch enorme Anpassungsfähigkeit. Mensch und Maschine können erstmals gefahrlos zusammenarbeiten.

Auf der Suche nach Ideen für technische Entwicklungen stöbern die Ingenieure der Festo AG & Co. KG in den Schatzkammern der Natur. Biologische Prinzipien liefern dem Esslinger Automatisierungsspezialisten schon seit Jahren Impulse für fluidische Muskeln und innovative Leichtbaustrukturen: Beispiele sind der Mantarochen Air_ray, der autonom fliegende Roboterpinguine AirPenguine und die künstliche Qualle AquaJelli. Entwickelt wurden sie im Rahmen des „Bionic Learning Network“ von Festo, ein Verbund aus Forschungsinstituten und Entwicklungsfirmen.

Triebfeder ist die Suche nach Antworten, wie sich automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver gestaltet lassen. Schließlich ist es die Natur, die dem Menschen zeigt, wie selbst komplexe Prozesse materialsparend, regelungssicher und recyclingfreundlich ablaufen können.
Der jüngste, von den genialen Leistungen der Baumeisterin Natur abgeschaute Wurf der Festo-Ingenieure wurde soeben zur deutschen Topinnovation des Jahres gekürt. Bundespräsident Christian Wulff hat ein Team von Festo und Fraunhofer IPA mit dem Deutschen Zukunftspreis 2010 ausgezeichnet (siehe Seite 7). Über den Elefantenrüssel kamen Dr. Peter Post und Markus Fischer von Festo sowie Andrzej Grzesiak vom Stuttgarter Fraunhofer-Institut IPA zur Problemlösung – genauer: zum bionischen Handling-Assistenten, der vielen Menschen das Leben erleichtern kann.
Laut Festo-Forschungschef Post ist die Neuerung „ein gegenüber marktgängigen Robotern völlig neues Assistenzsystem, das es Mensch und Maschine erstmals ermöglicht, gefahrlos und effizient in einem Team zusammen zu arbeiten“. Denn im Falle einer Kollision kommt die natürliche Nachgiebigkeit des Rüsselkonstrukts, das aus leichtgewichtigem Kunststoff besteht, zum Tragen.
Der Elefantenrüssel mit seiner Beweglichkeit in alle Richtungen hat das Projektteam fasziniert. Rund 40 000 Muskelfasern versetzen den Muskelschlauch eines Dickhäuters in die Lage, sich zu strecken sich wieder zusammenzuziehen. „Das hat uns zu einem Handhabungssystem inspiriert, das viel weiter geht als das, was bisher in der Industrieautomatisierung vorhanden war“, blickt Designer Fischer auf die Anfänge zurück.
Vor zwei Jahren traf sich das Trio zufällig bei einem Kongress. In der Kaffeepause schwärmten Markus Fischer und Dr. Peter Post von dem Modell eines ultraleichten Armes, das der Maschinenbauer Andrzej Grzesiak mit entwickelt hat.
Corporate Designer Fischer trug sich gerade mit der Vision eines menschenfreundlichen Roboters. Ihm schwebte der Bau eines mechanischen Armes vor, der sich in alle Richtungen bewegen lassen sollte. Als Initialzündung wirkte schließlich die Idee des IPA-Wissenschaftlers Andrzej Grzesiak: „Die Struktur sollte leicht sein und sehr beweglich“, riet er. Der IPA-Gruppenleiter und Leiter der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung empfahl, die Grundelemente aus Kunststoffpulver herzustellen und mit generativen Fertigungsverfahren einen völlig neuen Weg in der Produktion einzuschlagen. Dabei wird auf Grundlage von CAD-Daten ultraleichtes Polyamidpulver in dünnen Schichten auf eine Plattform aufgetragen und anschließend jede Schicht mit der darunterliegenden durch einen Laser verschmolzen. Die Herstellung funktioniert ähnlich wie mit einem Drucker in drei Dimensionen. Noch so komplexe Strukturen lassen sich ohne manuelle Umwege schnell und flexibel fertigen. Auf diese Weise hatten die IPA-Forscher einen neuen Antrieb als Faltenbalg samt Filmscharnier und Druckluftanschluss entwickelt.
Mit diesem Stück Kunststoff waren die Ingenieure ihrem Vorbild aus der Natur einen wichtigen Schritt näher gekommen. In nur einem Jahr wurden verschiedene Modellteile entworfen, gebaut und zusammengefügt. Um den Arm zu bewegen, brachte Festo-Forschungschef Post die Druckluft und Steuerungstechnik ins Spiel. Als leichtes Greiforgan kam ein ebenfalls der Natur entlehntes Konstruktionsprinzip zum Tragen: der dreifingrige FinGripper, der sich an unterschiedliche Gegenstände flexibel anpassen kann. Durch seitlich einwirkenden Druck schmiegen sich die drei Finger an die Kontur des Gegenstands an, den es zu greifen gilt. Behutsam transportiert der Greifer selbst rohe Eier, Tomaten oder ein Glas Wasser.
Herausgekommen ist ein ohne Motor sich bewegender helfender Arm, der aus weichem Material besteht und nur mit Druckluft gesteuert wird. Mit seinen elf Freiheitsgraden reicht die Griffweite des Handling-Assistenten auf über einen Meter Radius. Seine Bewegungsfähigkeit reicht so weit, dass er sich von 70 cm auf 1,10 m verlängern kann. Eine Fähigkeit, die dem natürlichen Vorbild nicht gegeben ist. Mit einem Gewicht von weniger als 2 kg und seinem Nachgiebigkeitsverhalten bietet das Assistenzsystem „eine neue Dimension an Dritte-Arm-Funktionen“, betonen die Entwickler.
In besonderer Weise sei das bionische System geeignet, direkt mit dem Menschen eingesetzt zu werden, erläutert Peter Post den Nutzen. Überall dort, wo man einen dritten Arm bräuchte, unterstütze der Handling-Assistent Menschen gefahrlos – etwa in der Industrie, als montageunterstützendes Handhabungssystem im Produktionsprozess, in Kfz-Werkstätten, Lerneinrichtungen, im häuslichen Umfeld und in der Pflege.
Für Festo-Forschungsleiter Dr. Post liegt die Innovation in der einzigartigen Mensch-Maschine-Kooperation und der Nachgiebigkeit des Systems. Post: „Zunehmend stellt sich die Situation, dass im Rahmen von Mensch-Technik-Kooperationen Mensch und Maschine zusammenarbeiten. Hierfür müssen wir Lösungen anbieten die helfen, den Alltag leichter zu gestalten.“
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