Bionic Learning für vernetztes Arbeiten

Der aktuelle Zoo von Festo

Vernetzt und im Kollektiv – diese Aussage steht sinnbildlich für die Projekte, welche die Ingenieure des Bionic Learning Networks auf der Hannover Messe 2015 erstmals präsentieren werden. Neben den künstlichen Ameisen, den BionicAnts mit ihrem kooperativen Verhalten, zeigen auch die diesjährigen Flugobjekte, eMotionButterflies, was Vernetzung für Festo bedeutet. Abgerundet wird die Präsentation vor Ort mit dem FlexShapeGripper, welcher nach dem Vorbild der Chamäleonzunge konstruiert wurde.

Festo greift auf der HMI auf einen kleinen, hauseigenen technischen Zoo zurück. BionicAnts demonstrieren vernetztes Arbeiten…

Die diesjährigen Projekte des Bionic Learning Networks veranschaulichen, wie einzelne Systeme durch Kommunikation zu einem intelligenten Gesamtsystem verschmelzen können. Aber auch, wie reale und virtuelle Welten zusammenwachsen können und welche Rolle dabei der dezentralen Intelligenz von Systemen zugeschrieben wird. Daraus leiten sich Erkenntnisse für die flexible und wandelbare Fabrik der Zukunft ab.

Der Technologieträger BionicAnts hat sich das kooperative Verhalten von Ameisen zum Vorbild genommen. Ingenieure von Festo haben das Verhalten der natürlichen Tiere mittels komplexer Regelalgorithmen in die Welt der Technik übertragen: Wie ihre realen Vorbilder arbeiten die BionicAnts nach klaren Regeln zusammen. Damit gelingt es den BionicAnts, als einzelne Einheiten eigenständig auf unterschiedliche Situationen zu reagieren, sich miteinander abzustimmen und als vernetztes Gesamtsystem zu agieren.Durch vereintes Schieben und Ziehen bewegen sie Lasten, die eine einzelne Ameise nicht bewegen könnte.Allen Aktionen liegt ein verteiltes Regelwerk zu Grunde, das vorab über eine mathematische Modellbildung und Simulationen erarbeitet wurde und auf jeder Ameise hinterlegt ist. Damit ist jede einzelne Ameise in der Lage, ihre Entscheidungen autonom zu treffen, ordnet sich dabei aber dem gemeinsamen Ziel unter und trägt so ihren Teil zur Lösung der anstehenden Aufgabe bei.

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Der dazu nötige Informationsaustausch zwischen den Ameisen findet über das Funkmodul im Rumpf statt. Die Regelungsstrategie sieht ein Multiagentensystem vor, bei dem die Teilnehmer gleichberechtigt sind. Mit der 3D-Stereokamera im Kopf erkennen die Ameisen das Greifobjekt und können sich selber lokalisieren. Das kooperative Verhalten und die dezentrale Intelligenz der BionicAnts liefern interessante Ansätze für die Fabrik von Morgen. Die Grundlage künftiger Produktionssysteme sind intelligente Komponenten, die sich flexibel auf verschiedene Produktionsszenarien einstellen und dabei Aufträge der übergeordneten Steuerungsebene übernehmen.

Neuartiger Einsatz der 3D-MID-Technologie

Aber nicht nur das kooperative Verhalten der künstlichen Ameisen ist erstaunlich. Auch ihr Fertigungsverfahren ist einzigartig: Erstmals werden lasergesinterte Bauteile nachträglich im so genannten 3D-MID-Verfahren mit sichtbaren Leiterstrukturen versehen. Die elektrischen Schaltungen werden auf der Oberfläche der Bauteile angebracht, die dadurch konstruktive und gleichzeitig elektrische Funktionen übernehmen.

Im Mundwerkzeug zum Greifen der Gegenstände und für die Beinbewegung sind in den bionischen Krabbler piezokeramische Biegewandler im Einsatz. Die Piezoelemente lassen sich sehr präzise und schnell steuern und arbeiten zugleich energiearm und nahezu verschleißfrei – und das alles auf engstem Bauraum. Verformt sich der oben liegende Biegewandler, hebt die Ameise das Bein an. Mit dem darunter angebrachten Paar lässt sich jedes Bein exakt nach vorne oder hinten auslenken.

Ästhetisch wirkende bionische Schmetterlinge veranschaulichen ebenfalls komplexe Themen der zukünftigen Produktionswelt, wie Funktionsintegration, Ultraleichtbau und vor allem die vernetzte und in Echtzeit optimierte Kommunikation einzelner Systeme. Sie zeigen anschaulich wie virtuelle und reale Welten zusammenwachsen können.

…während die Emotional Butterflies das Zusammenwachsen von virtuellen und realen Welten zeigen sollen.

Ein externes und gut vernetztes Leit- und Monitoringsystem koordiniert die einzelnen Flugobjekte autonom und sicher im dreidimensionalen Raum. Die eingesetzte Kommunikations- und Sensortechnologie bildet ein Indoor GPS-System, das die Schmetterlinge kollisions­frei und im Kollektiv steuert. Die Kombination aus integrierter Elektronik und ausgelagerter Kameratechnik mit einem Leitrechner ermöglicht Prozessstabilität. Um dem Flugverhalten ihres natürlichen Vorbilds so nahe wie möglich zu kommen, verfügen die künstlichen Schmetterlinge über eine integrierte Elektronik. Sie steuert die Flügel präzise und individuell an und setzt so die schnellen Bewegungen um. Zur Steuerung der eMotionButterflies ist kein menschlicher Pilot notwendig. Auf dem zentralen Rechner liegen vorprogrammierte Pfade, die den Schmetterlingen bei ihren Manövern die Flugbahnen vorgeben. Mithilfe von zusätzlich hinterlegten Verhaltensmustern können sie sich aber ebenso autonom durch den Raum bewegen. Eine direkte Kommunikation zwischen den bionischen Flugobjekten findet dabei jedoch nicht statt. In die Steuerung der künstlichen Schmetterlinge ließen die Entwickler ihre Erkenntnisse aus den Projekten zum BionicOpter und den eMotionSpheres einfließen. Das Indoor-GPS kam bereits bei den schwebenden Kugeln zum Einsatz und wurde für die eMotionButterflies hinsichtlich der Bildrate der Kameras weiterentwickelt.

Greifen wie eine Chamäleonzunge

Neben dem Lernen von der Natur, zählt auch das frühzeitige Erkennen und Fördern neuer Ideen und deren gemeinsame Umsetzung über Unternehmensgrenzen hinweg, zu den Zielen des Bionic Learning Networks. Der FlexShapeGripper ist ein hervorragendes Beispiel dafür. In enger Zusammenarbeit mit der Universität Oslo präsentiert Festo nun einen Greifer, dessen Wirkprinzip von der Zunge des Chamäleons abgeleitet ist.

Der FlexShapeGripper kann mehrere Objekte mit unterschiedlichsten Formen in einem Vorgang greifen, sammeln und wieder abgeben. (Fotos: Festo)

Das Chamäleon setzt seine Zungenspitze zielgerichtet zum Erbeuten der Nahrung ein und kann dadurch unterschiedlichste Insekten erbeuten. Die Zunge passt sich flexibel an das jeweilige Insekt an. Hat das Chamäleon seine Beute im Visier, lässt es seine Zunge wie ein Gummiband herausschnellen. Die Beute bleibt an ihr haften und wird wie an einer Angelschnur eingeholt.

Greifen dank Umstülpung

Der FlexShapeGripper kann mehrere Objekte mit unterschiedlichsten Formen in einem Vorgang greifen, sammeln und wieder abgeben – ohne, dass ein manueller Umbau notwendig ist. Möglich wird das durch seine wassergefüllte Silikonkappe, die sich flexibel und formschlüssig über das jeweilige Greifgut stülpt. Diese Anpassungsfähigkeit an verschiedene Formen verleiht dem Greifer seinen Namen. Sowohl der Halte- als auch der Ablösemechanismus sind pneumatisch gelöst. Für den Haltevorgang ist keine zusätzliche Energie notwendig. Die Nachgiebigkeit der kompressiblen Druckluft vereinfacht die Koordination von Handling und Greifer während des Greifvorgangs.

Zukünftig könnte der FlexShapeGripper überall dort eingesetzt werden, wo mehrere Gegenstände mit unterschiedlichen Formen gleichzeitig gehandhabt werden, beispielsweise in der Servicerobotik, bei Montageaufgaben oder beim Handling von Kleinteilen. Das bionische Modell FlexShapeGripper demonstriert Lösungsansätze für neuartige Greifertechnologien mit Hilfe von Pick and Place Vorgängen als auch die Flexibilisierung und Adaptivität von Produktionsanlagen. In der Produktion der Zukunft werden immer flexiblere Anlagen und Komponenten benötigt, die sich eigenständig auf das jeweils zu fertigende Produkt einstellen. Anpassungsfähige Greifer wie der FlexShapeGripper können dabei eine bedeutsame Rolle einnehmen.

Bionic Learning Network

Das Bionic Learning Network ist Teil des Engagements im Bereich der technischen Aus- und Weiterbildung. In Kooperation mit Studenten, namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen fördert Festo dabei Projekte, Versuchs- und Technologieträger. Ziel ist es, automatisierte Bewegungsabläufe mit Hilfe der Bionik noch effizienter und produktiver zu gestalten. Das Bionic Learning Network zeigt faszinierende Lösungen für komplexe Aufgabenstellungen. bw

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