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Gecko Gripper: Haftkonzept erstmals für die Robotik nutzbar

Greiftechnik
Gecko Gripper: Haftkonzept von Echsenfüßen für die Robotik

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Von der Natur lernen heißt siegen lernen: Das dänische Unternehmen Onrobot hat mit seinem Gecko Gripper den Robotics Award abgeräumt. Die Technik vereinfacht die automatisierte Handhabung glatter Oberflächen und verändert damit die kollaborative Robotik nachhaltig.

Mutter Natur liefert meist die besten Ideen. Eine besonders gute hatte sie für die Familie der Geckos parat. Vollkommen mühelos und wie selbstverständlich bewegen sich die flinken Echsen senkrecht oder gar kopfüber auf Häuserfassaden und sogar auf spiegelglatten Glaswänden. Die Schwerkraft scheint aufgehoben zu sein. Dieses wundersame Schauspiel wird möglich durch eine komplexe Oberflächenstruktur an den Füßen der Geckos.

Eine derart ausgefuchste Hafttechnik wie die der Geckofüße drängt sich geradezu auf, auch für den Wachstumsmarkt der kollaborativen Industrieroboter nutzbar gemacht zu werden. Denn in diesem Sektor ist der Ruf laut nach innovativen Techniken, die das Anwendungsspektrum der sogenannten Cobots auf das nächste Level heben. Ein solches Kunststück ist den Entwicklern von Onrobot nun mit dem Gecko Gripper gelungen, der das Haftsystem der Geckofüße auf die Robotik überträgt. Eine vergleichbare Lösung gibt es in diesem Markt bislang nicht.

„Wir erleben gerade, wie kollaborierende Roboter von einem Nischenthema zu einem alltäglichen Bedarfsartikel für Industrieunternehmen jeder Größe und Branche werden“, sagt auch Björn Milsch, General Manager DACH & Benelux des dänischen Unternehmens. „Die Konsequenz ist, dass sich der Fokus verschiebt. Es ist nicht mehr entscheidend, welcher Roboter genutzt wird, sondern welche Applikationen er hat und wie er angewendet wird.“ Smarte Werkzeuge seien letztlich ausschlaggebend für die Einsatzmöglichkeiten eines Cobots und die Wertschöpfung in der Anwendung. Speziell für kollaborative Anwendungen möchte Onrobot den Anwendern und Integratoren alles aus einer Hand bereitstellen, was diese brauchen, um ihre Automatisierungsvorhaben effizient umzusetzen.

Dem Gecko Gripper kommt im breiten Produktportfolio des dänischen Anbieters dabei eine besondere Bedeutung zu, denn die Technik ist ein komplett neuer Ansatz in der Robotik. Auf den vier Haftflächen des Greifers befinden sich Mikrostrukturen aus Millionen mikroskopisch kleiner Härchen, die bei Kontakt mit einer glatten Oberfläche die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte erzeugen. Dabei entstehen ein Adhäsionsdruck und zugleich eine Scherhaftung. Die neue Art des Greifens – oder vielmehr Haftens – ermöglicht die Handhabung von flachen, insbesondere glatten Gegenständen mit beliebigen Oberflächenformen. Durch ein sachtes Kippen der Flächen wird der Greifvorgang wieder gelöst.

Zusätzlich ist der Gecko Gripper ein wahres Energiespar-Wunder. Ist der Greifer erst einmal am Werkstück angedockt, bleibt die Haftung ohne weitere Energiezufuhr dauerhaft konstant. Strom verbraucht lediglich in minimalem Ausmaß das Aus- und Einfahren der Haftflächen beim An- und Abkuppeln des Werkstücks. Durch diese Eigenschaften überwindet der Gecko Gripper die Defizite von Vakuumgreifern, die bisher als industrieller Standard in den entsprechenden Anwendungsbereichen galten.

Die meisten Vakuumgreifer brauchen ein externes Druckluftsystem. Dieses kann sich jedoch durch den konstanten Stromverbrauch in der Praxis als außerordentlich kostspielig erweisen. „Je nach Auslastung kann ein externes Druckluftsystem die monatlichen Betriebskosten leicht in den vierstelligen Bereich treiben“, erklärt Milsch. „Neben der Lärmbelästigung für die Mitarbeiter kommt die Störungs- und Verschleißanfälligkeit der Schläuche sowie Kosten und Aufwand für ihre Installation noch dazu.“ Der Gecko Gripper eröffne hier massive Einspar-Potentiale. Zudem trage das Energiesparen zu mehr Nachhaltigkeit in der Produktion bei. Für eine zunehmende Zahl von Unternehmen ist das ein relevanter Faktor. Außerdem benötige der Gecko Gripper deutlich weniger Zeit zum An- und Abkoppeln als ein marktüblicher Vakuumgreifer. Das ist gut für den Durchsatz.

Die Anwendungsmöglichkeiten der neuen Technik sind breit gefächert. Ausgelegt ist der Gecko Gripper für die Handhabung flacher Werkstücke. Je glatter und sauberer die Oberfläche, desto besser. „Bei rauen, verschmutzen oder feuchten Oberflächen wird der Effekt der Van-der-Waals-Kräfte kleiner“, weiß Milsch. Pick & Place- oder Palettierungs-Aufgaben mit Blechen, Spiegeln oder Solar-Panels sind Einsatzgebiete, in denen Onrobot großes Potential sieht. Hier kann der Gecko Gripper weitere Vorteile ausspielen, denn im Gegensatz zu den Saugnäpfen von Vakuumgreifern hinterlassen die Haftflächen des Gecko Gripper nach dem abgeschlossenen Greifvorgang keine Rückstände auf dem Material. Das ist ein wichtiger Pluspunkt, denn wenn der Handhabung eines Werkstücks ein Reinigungsvorgang folgen muss, bedeutet das am Ende nur mehr Aufwand und zusätzliche Kosten. Viele Unternehmen haben daher bislang bewusst auf eine Automatisierung solcher Anwendungen verzichtet und führen die Arbeiten nur aus diesem Grund weiter manuell durch. Mit dem Gecko Gripper können sie jetzt den Gesamtaufwand für entsprechende Projekte signifikant verringern und weitere Automatisierungshürden einreißen.

Auch in der Lebensmittelindustrie gibt es für den Greifer jede Menge Anwendungen. Als Beispiel nennt Milsch das Handling eines sehr empfindlichen Endprodukts, nämlich gefüllte Chipstüten. Der Gecko Gripper übt während des Greifens keinerlei Druck auf den Inhalt aus. „Wir möchten der Kreativität unserer Integratoren und Anwender ganz bewusst keine Grenzen setzen“, betont Milsch. „Ich bin mir sicher, dass wir schon bald von Anwendungen hören werden, an die wir bislang noch gar nicht gedacht haben.“

Auf der anderen Seite gibt es bestimmte Anwendungsfelder, an die Onrobot bereits sehr wohl denkt. Auf der Hannover Messe stellten die Dänen den Gecko Gripper unter anderem in einer Applikation zum Handling von leeren Leiterplatten vor. „Leiterplatten stecken, salopp gesagt, in jedem zweiten Gebrauchsgegenstand“, erzählt Milsch. „Doch ihre Handhabung im Fertigungsprozess lässt sich gar nicht so ohne weiteres automatisieren“. Da die Platinen löchrig sind, lässt sich auf ihnen kein Vakuum erzeugen. Saugnapfgreifer scheiden hier also aus. Und wenn sie von einem herkömmlichen Zwei-Finger-Greifer an der Ober- und Unterseite angepackt werden sollen, dann müssen die Platinen für den Greifer zunächst in die richtige Position gebracht werden. Das geschieht dann entweder manuell oder es ist eine zusätzliche Technik fällig. In beiden Fällen stehen auf jeden Fall weitere Kosten an. Der Gecko Gripper kann die Platinen mit seinen Haftflächen liegend anpacken, also sozusagen aus der natürlichen Position heraus. Auch in diesem Beispiel geht es darum, komplexe Automatisierungsvorhaben einfach und kosteneffizient zu lösen. Nur so lohnt sich die Automatisierung für den Anwender am Ende wirklich.

Fällt mit dem Gecko Gripper also eine letzte Bastion der Handarbeit? Ja und Nein. Die Technik hinter dem smarten Greifer erweitert die Möglichkeiten der kollaborativen Robotik immens, doch es gibt auch Grenzen. Die Tragkraft des Greifers beträgt, abhängig vom Material des Werkstücks, maximal 4,1 kg. Durch den Einsatz mehrerer Greifer lässt sich die Tragkraft bei Bedarf jedoch steigern.

Außerdem geht es Onrobot grundsätzlich um eine Zusammenarbeit von Mensch und Roboter. „Hinter der kollaborativen Robotik steckt die Idee, monotone Aufgaben zu automatisieren, um dadurch dem Facharbeiter Freiraum für höherwertige Tätigkeiten zu verschaffen und so die Effizienz in der gesamten Produktion zu verbessern“, sagt Holger Protte, Leiter Vertrieb bei Onrobot. „Beide, Mensch und Maschine, sollen ihre Stärken perfekt einbringen können.“

Deswegen hat Onrobot den Gecko Gripper speziell für die Mensch-Roboter-Kollaboration designt. Abgerundete Ecken und Kanten machen ihn tauglich für die direkte Zusammenarbeit mit oder neben dem Werker – und zwar ohne Schutzzaun. Im Einzelfall hängt die MRK-Tauglichkeit einer Anwendung allerdings auch von der Beschaffenheit des Werkstücks ab und muss deswegen immer individuell beurteilt werden.

Bleibt am Ende die Frage, mit welchen Robotermodellen der Greifer eingesetzt werden kann. „Wir sind ein herstellerunabhängiger Anbieter von End-of-Arm-Toolings und legen uns in dieser Hinsicht nicht fest“, betont Milsch. „Unser Ziel ist, dass Anwender aller gängigen Leichtbauroboter-Modelle unsere Produkte einsetzen können“. Aktuell ist der Gecko Gripper bereits kompatibel mit einem breiten Spektrum an Robotermodellen der Hersteller Universal Robots, Kuka, Kawasaki, Fanuc, Doosan, Techman und Yaskawa. Weitere Roboterbauer sollen folgen.

Im Dezember 2018 kam der Gecko Gripper auf den Markt. Die bisherige Nachfrage scheint zu bestätigen, was Onrobot sich für das Produkt erhofft hat. Milsch zeigt sich optimistisch: „Für uns wird es in den nächsten Monaten spannend sein zu sehen, wie die Kunden den Greifer einsetzen und welche Anwendungsgebiete sich noch daraus entwickeln.“ (ub)


Eine kurze Geschichte der Bionik

Der Gecko Gripper ist nicht die erste revolutionäre Erfindung, die von der Natur abgekupfert wurde, denn die hat für beinahe jedes Problem eine Lösung. So ist aus der sogenannten Bionik, also der Lösung technischer Herausforderungen nach dem Vorbild biologischer Funktionen, längst eine eigene Wissenschaft geworden. Als ihr Urvater und Begründer gilt Leonardo da Vinci (1452 – 1519), der in seinem Werk „Sul volo degli ucelli“ den Vogelflug studierte und daraus Konstruktionspläne für Fluggeräte ableitete. Nach da Vinci dauerte es jedoch einige Zeit, bis die Geschichte der Bionik wieder richtig an Fahrt aufnahm. Hier ein paar Beispiele:

  • Stahlbeton hat viele moderne Bauten überhaupt erst ermöglicht. Die Idee dahinter stammt aus der Natur. Das Stützgewebe der Blätter von Optuntien, einem Kakteengewächs, war die maßgebliche Inspiration für den Erfinder Joseph Monier (1867).
  • Der Flugpionier Otto von Lilienthal knüpfte direkt an die Arbeit da Vincis an und entwickelte zum Ende des 19. Jahrhunderts auf Basis des Storchflugs die ersten Apparate, mit denen erfolgreich Gleitflüge durchgeführt wurden.
  • 1955 ließ der der Ingenieur George de Mestral von Klettfrüchten inspirieren, die sich im Fell seines Hundes verfangen hatten und entwickelte den Klettverschluss.
  • Ein großer Erfolg der Bionik ist auch der Lotoseffekt. Wissenschaftlern fiel in den 1970er Jahren auf, dass die Blätter der Lotospflanze stets sauber sind. Dahinter steht ein Selbstreinigungs-Prinzip, das heute breit eingesetzt wird, unter anderem für Häuserfassaden.
  • Es gibt unzählige Beispiele für erfolgreiche Bionik-Erfindungen. Hier ein kleiner Auszug: Flugzeug-Winglets (Greifvogel-Flügel), Hochleistungs-Schwimmanzüge (Haifischhaut), Gebäude-Wärmedämmung (Eisbärenfell).

Im Vakuum des Weltalls funktionieren keine Vakuumgreifer. Deswegen setzt die Nasa in dieser Umgebung bei Greifaufgaben auf die Gecko-Technik. Bild: ESA/NASA/Alexander Gerst

Vom Weltall in die Industrie

Bei der Entwicklungsgeschichte des Gecko Grippers lohnt sich ein Blick hinter die Kulissen, denn das Konzept hat einen langen Weg hinter sich: Von der Natur inspiriert an eine amerikanische Eliteuniversität, von dort aus ins Weltall und schließlich in Industriebetriebe auf der ganzen Welt.

Der maßgebliche Kopf hinter dem Gecko Gripper ist Nick Wettels. Er ist heute der Leiter von Onrobots R&D-Standort in Los Angeles, Kalifornien. Mit der grundlegenden Idee des Gecko-Greifens kam er jedoch bereits früher in Berührung. Die Universität Stanford, eine der angesehensten Bildungseinrichtungen der Welt, startete im Jahr 2007 ein Forschungsprojekt mit dem Ziel, das Gecko-Greifen zu imitieren. Nick Wettels war daran als Student beteiligt. Dass aus dieser Konzeptarbeit einmal ein marktreifes Produkt werden würde, war damals noch nicht absehbar.

Nick Wettels ließ diese Idee nicht wieder los. Im Jahr 2012 heuerte er bei der US-Raumfahrtbehörde Nasa an. Die Nasa war sehr interessiert an der Technik, mit der es möglich war, flache Objekte im luftleeren Raum zu handhaben, wo Vakuumgreifer aus offensichtlichen Gründen wirkungslos sind. Wettels verantwortete bei der Nasa mehrere Projekte, die sich mit Anwendungsmöglichkeiten der Gecko-Technologie innerhalb und außerhalb von Raumstationen befassten.

Nebenbei kümmerte sich Wettels im Hintergrund um das von ihm gegründete Robotik-Start-up Perception Robotics, das er in seiner Garage betrieb. Als Perception Robotics im Jahr 2014 durch ein größeres Investment an Fahrt aufnahm, fokussierte sich Wettels auf sein eigenes Unternehmen und verließ die Nasa. Die Arbeit an der Gecko-Technologie wollte er dabei jedoch nicht aufgeben, denn er hatte längst erkannt, welches Potential für die industrielle Robotik darin steckte. Er traf mit der Nasa eine Vereinbarung, die eine finanzielle Förderung für Perception Robotics durch die staatliche Raumfahrtbehörde enthielt und ihm die Möglichkeit bot, die Arbeit am Konzept des Gecko-Greifers weiterzuführen. Interessenskonflikte waren dabei dank einer glasklaren Differenzierung ausgeschlossen. Die Nasa nutzt die Gecko-Technik im Weltall, für die irdische Anwendung war Perception Robotics zuständig.

Als im Jahr 2018 Enrico Krog Iversen, einer der Investoren von Perception Robotics, das Unternehmen mit Optoforce und Onrobot unter dem Dach Onrobot A/S zu einem Unternehmen vereinte, schaffte es auch der Gecko Gripper zur Marktreife. Er wurde im Zuge des Onrobot-Launchs auf der Automatica 2018 erstmals präsentiert. Im Dezember 2018 folgte die weltweite Markteinführung des Produkts.


Die Schnittstelle zur Anwendung

Ein Roboter ist nur so gut wie sein Greifer. Mit anderen Worten: Der Roboter kann noch so großartig mit Tragkraft und Reichweite daherkommen – das nutzt alles nichts, wenn der Greifer nicht passt. Der entscheidet am Ende, ob der Roboter eine Aufgabe lösen kann oder nicht. Das Thema nimmt Onrobot sehr ernst, hat viel Entwicklungsarbeit in den Gecko Gripper gesteckt und deswegen zurecht den Robotics Award gewonnen.



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