Perlen der Mechatronik

Mechatronik

Mechatronische Konzepte – Ob Geometrie, die in den Himmel schwebt, oder eine helfende Hand – auf immer neue Art und Weise demonstriert Festo, wie sich Mechatronik umsetzen lässt. Dabei ist der Schritt vom Konzept bis in den Betriebsalltag oft gering.

24. Mai 2012

Sind wir doch mal ehrlich… Fast jeder, der auf eine der gängigen Messen in der Maschinenbaubranche geht, pilgert zum Stand von Festo. Die Hoffnung ist groß, dass die Ingenieure aus Esslingen wieder etwas Spektakuläres ausgetüftelt haben. Dementsprechend stark ist meist der Andrang. Auch auf der Hannover Messe 2012 hat Festo die Erwartungen nicht enttäuscht: Schon von Weitem sah man ein rätselhaftes Gebilde über dem Stand. Häufig ruhte es nur, aber mehrmals täglich erwachte es zum Leben und schwebte majestätisch und sich heftig verändernd durch die Halle.

Was hat sich Festo da wieder ausgedacht? »Smart Inversion« heißt das neue Future Concept aus der Ideenschmiede des Bionic Learning Network. Dahinter verbirgt sich eine neue Art der Fortbewegung, nämlich durch Inversion, also die Umstülpung eines Körpers. »Wir sind ständig auf der Suche nach neuen oder noch nicht verbreiteten Bewegungs- und Antriebskonzepten«, erklärt Dr. Heinrich Frontzek, Leiter Corporate Communication. »Im Verbund mit Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen übertragen unsere Ingenieure mathematische und naturwissenschaftliche Vorgänge in die industrielle Anwendung.«

Smart Inversion ist ein mit Helium gefülltes Flugobjekt, das sich durch pulsatorischen Antrieb bewegt. Für die Umstülpung ist das Wechselspiel zwischen Ausdehnung und Zusammenziehen in rhythmischer Folge verantwortlich. 2.130 Liter Helium kompensieren die Schwerkraft der 2.334 Gramm leichten Gliederkette und erzeugen den nötigen Auftrieb und die Fortbewegung in der Luft.

Reinrassig mechatronisch

Ermöglicht wird die sich unendlich fortbewegende Inversion durch die intelligente Kombination aus extremem Leichtbau, elektrischen Antrieben sowie Steuerungs- und Regelungstechnik. Damit ist der schwebende Körper ein reinrassiges mechatronisches System und zeigt das enorme Potenzial, das weiterhin in diesem Wirkprinzip liegt.

Abgeleitet ist die Form des Flugobjekts vom Würfelgürtel von Paul Schatz, mit dem der Schweizer Künstler und Techniker entdeckte, dass es in der Getriebelehre neben der Rotation und Translation mit der Inversion ein drittes Element gibt. Er zerlegte einen Würfel in zwei Sternkörper und einen umstülpbaren Würfelgürtel. Dies ist ein sechsgliedriger Gelenkring, der aus den beiden Sternkörpern an den Ecken herausbricht, sich fortwährend umstülpen lässt und dadurch unterschiedliche Formen annimmt.

Während des Flugs erfasst ein Condition-Monitoring-System laufend Daten wie Batterieladezustand und Stromverbrauch und überprüft die Daten in Echtzeit. Dieses Prinzip der permanenten Diagnose ist für Festo ein Garant für Prozesssicherheit in der Automatisierungstechnik.

Ein interdisziplinärer Ideenwettbewerb soll jetzt kreative Ideen für eine funktionale Anwendung der Smart Inversion aufspüren. Damit will Festo Impulse für mögliche Innovationen in der Automatisierung setzen. Als Ausgangspunkt soll das Future Concept als neuartiges Antriebskonzept Ingenieure begeistern und zu neuen Anwendungsmöglichkeiten in der Zukunft inspirieren.

Auf anderen Gebieten zu Hause ist eine weitere mechatronische Entwicklung von Festo, nämlich die neue Exohand: Das Assistenzsystem soll humanere Arbeitswelten schaffen und Handlungsspielräume vor allem für ältere Menschen erweitern. Die Exohand ist ein an die menschliche Hand individuell angepasstes Exoskelett, das die physiologischen Freiheitsgrade der Hand nachbildet. Es wird mit dem Finger aktiv bewegt und verstärkt die Kraft in den Fingern. Es nimmt Aktionen der menschlichen Hand auf und überträgt sie in Echtzeit auf Roboterhände.

Acht pneumatische Aktoren sorgen dabei für die Bewegung, Sensoren erfassen Kräfte, Winkel und Strecken, servopneumatische Steuerungs- und Regelungsalgorithmen steuern die einzelnen Fingerglieder präzise, nachgiebig und ergonomisch. Die Exohand unterstützt somit die vielfältigen Möglichkeiten des Greifens und Tastens einer menschlichen Hand.

Auf kleinem Raum lassen sich bei geringem Gewicht große Kräfte gezielt übertragen, ohne dass das System starr und einschränkend wird. In der Mensch-Maschine-Interaktion ist diese Nachgiebigkeit von besonders hoher Bedeutung, da so das Verletzungsrisiko minimiert werden kann.

In der Industrie mit ihrem mittlerweile sehr hohen Automatisierungsgrad hilft die Exohand vor allem älteren Mitarbeiten dabei, immer wiederkehrende Montagearbeiten ohne dauerhafte körperliche Schäden auszuüben. Sie kann dabei zur Kraftunterstützung dienen, als Assistenzsystem und zum Beispiel auch zur Fernmanipulation einer Roboterhand. So ist es möglich, komplexe Tätigkeiten in gefährlichen oder gesundheitsgefährdenden Umgebungen aus sicherer Entfernung auszuführen.

Da alle Gelenke und deren Antriebe in Form des Exoskeletts außerhalb der eigentlichen Hand liegen, lässt sich die Exohand auch mit einer künstlichen Hand bedienen – mit fast allen relevanten Freiheitsgraden. Sie ist dabei Bedienerinterface, also Schnittstelle zur Steuerung, oder auch Roboterhand. Damit ist mit ein und demselben System ein Szenario vorstellbar, dass Robotik und Orthetik verbindet: Es bietet die Möglichkeit, Kräfte als Force-Feedback aus einem anderen Umfeld als haptisches Formgefühl auf die eigene Hand übertragen zu können.

Als zweites wichtiges Einsatzfeld nennt Festo die Servicerobotik beziehungsweise Rehabilitation. Schlaganfallpatienten mit Lähmungserscheinungen können diese in einer Therapie mit der Exohand überwinden. Mit einem Brain Computer Interface schafft die Exohand eine geschlossene Feedbackschleife, dank der die fehlende Verbindung vom Gehirn zur Hand wieder erneuert wird. Ein am Kopf gemessenes Gehirnsignal offenbart den Wunsch des Patienten, die Hand zu öffnen oder zu schließen; die aktive Handorthese führt die Bewegung aus. Mit der Zeit entwickelt sich ein Lerneffekt und der Patient kann wieder selbsttätig greifen.

Auf einen Blick

-Forschungsverbund von Festo mit Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen.

-Neue Technologien und Serienprodukte durch Übertrag biologischer Prinzipien auf die Technik.

-Automatisierte Bewegungsabläufe noch energieeffizienter und produktiver gestalten.

-Völlig neuartige Lösungsansätze für die Praxis.

Erschienen in Ausgabe: 04/2012