Team 2

Vorbild Elefantenrüssel – ein Hightech-Helfer für Industrie und Haushalt

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Betrachtet man technologische Neuentwicklungen im privaten und industriellen Umfeld, so werden sie erst Innovationen mit Marktakzeptanz, wenn Kostensenkung, Bedienungsfreundlichkeit und neue technologische Wirkprinzipien effizient miteinander verknüpft werden.

Angesichts immer unmittelbarer an den Menschen heranrückender Technologien und einer fortschreitenden Technisierung der Lebenswelt gilt es, neuartige Konstellationen von Mensch und Technik in ihrer ganzen Vielschichtigkeit in den Blick zu nehmen. Sehr großes Potenzial hat das Feld der Mensch-Technik-Kooperation, das eine Plattform bietet, die effiziente Interaktion von Mensch und Maschine wegweisend zu bespielen. Auch das immer wichtigere Feld der Gesundheitsforschung sucht nach Systemen, die ein selbstbestimmtes Leben technologisch erleichtern.

Inspiriert von der Natur hat Festo, nach dem Vorbild des Elefantenrüssels, den Bionischen Handling-Assistenten entwickelt – ein nachgiebiges Assistenzsystem, das Mensch und Maschine ermöglicht, gefahrlos und effizient in einem Team interagieren zu können. Das Alleinstellungsmerkmal des Bionischen Handling-Assistenten ist das risikolose Nachgiebigkeitsverhalten. Konventionelle Systeme und Industrieroboter sind nicht nachgiebig. Sie sind auf Steifigkeit ausgelegt und das bedingt die, für den Menschen nicht ganz ungefährlichen, schweren Bauformen. Erst mit fest installierten Schutzvorrichtungen wie Lichtschutzgitter oder durch Einsatz von teuren Abschirmmaßnahmen lassen sie den Kontakt von Mensch und Roboter zu.

Mit diesem Bionischen Handling-Assistenten existiert der erste Fingerzeig, praxisorientierte Anwendungen zu detektieren, die die Lebensqualität für Menschen in allen Lebensabschnitten erhöht. So verbinden sich neue Technologien und soziales Umfeld, so dass der Weg von unterstützenden Handhabungssystemen von der Industrie bis hin in die privaten Haushalte geebnet ist – und das zu Bedingungen, die deutlich unter dem Preissegment konventioneller Handling-Systeme und Roboter liegen.

Das Projekt wurde im Rahmen des Bionic Learning Network von Festo entwickelt. Das Bionic Learning Network ist ein Verbund mit Hochschulen, Instituten und Entwicklungsfirmen, mit der Zielsetzung, durch Bionik, d.h. den Übertrag biologischer Prinzipien auf die Technik, innovative Technologieträger hervorzubringen. Automatisierte Bewegungsabläufe können mithilfe der Bionik noch energieeffizienter und produktiver gestaltet werden, was der Industrie völlig neuartige Lösungsansätze für die Praxis liefert. Ganz nach dem Vorbild der Natur stehen Wirkungsprinzipien im Fokus, deren technologische Umsetzung „nah an der Natur“ realisiert wird.

Der Bionische Handling-Assistent: eine Kombination aus vielen Querschnittstechnologien
Neue, generative Fertigungstechnologien, gepaart mit Mechatronik, Handhabungstechnik sowie der Bionik, machen sich die Ingenieure und Designer von Festo und Fraunhofer IPA zunutze. Sie lassen die neuartige Konstruktion des Bionischen Handling-Assistenten entstehen, die an die Funktionsweise eines Elefantenrüssels angelehnt ist. Grundlage für das Projekt war die Entwicklung der pneumatischen Leichtbaustrukturen von Professor Dieter Mankau an der Hochschule für Gestaltung in Offenbach. Darauf aufbauend ist die Struktur entstanden, bestehend aus drei Grundelementen zur Bewegung im Raum, einem Handgelenk und dem Greifer selbst mit adaptiven, anpassbaren Fingern.

In der Addition aller technologischen Vorteile ergibt sich eine technologische Innovation, die als ein autonom agierendes Assistenzsystem eingesetzt werden kann. Passend dazu läuft ein gleichnamiges Zukunftsprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), das in der Hightech-Strategie 2020 für Deutschland seine Erwähnung findet. Systeme, die selbstbestimmtes Leben technologisch erleichtern sollen, werden dort, insbesondere durch die Gesundheitsforschung, erschlossen. Diese Alltagshilfen brauchen Assistenzsysteme, die für Menschen absolut nutzerorientiert sind und sich damit ungefährlich in deren direkten Lebensumfeldern integrieren lassen.

Die Fraunhofer Gesellschaft detektierte bereits 2003 die Leitinnovation der Mensch-Technik-Kooperation, die das komplexe Zusammenspiel von menschlichem und technischem Wandel untersucht. Angesichts immer unmittelbarer an den Menschen heranrückender Technologien und einer fortschreitenden Technisierung der Lebenswelt gilt es, neuartige Konstellationen von Mensch und Technik in ihrer ganzen Vielschichtigkeit in den Blick zu nehmen. Technologische Innovationen wie der Bionische Handling-Assistent forcieren das sogenannte Ambient Assisted Living und fördern das Duett „Mensch und Technik“ zu einem Team mit Zukunft.

Seitens der Industrie gibt es große Potenziale, den Bionischen Handling-Assistenten inmitten von Automatisierungstechnik und Produktionstechnologie als montageunterstützendes Handhabungssystem zu integrieren. Einsatzgebiete sind die Inspektion und Qualitätsprüfung, beispielsweise an Maschinengestellen oder auch Wartungs- und Reinigungsarbeiten an schwer zugänglichen Stellen, in denen der Bionische Handling-Assistent aufgrund seiner freien Beweglichkeit seine Vorteile ausspielen kann. Auch bei der vorbeugenden Instandhaltung (Preventive Maintenance) kann der Bionische Handling-Assistent wertvolle Dienste leisten.

Nachgiebigkeit durch Druckluft – das gefahrlose Zusammenspiel von Mensch und Technik
Wichtigstes Alleinstellungsmerkmal des Bionischen Handling-Assistenten ist das risikolose Nachgiebigkeitsverhalten. Nachgiebigkeit definiert sich in diesem Fall sowohl durch die Struktur – also Material und Konstruktion – als auch über die Regelung und Steuerung. Die mechanische Struktur des Bionischen Handling-Assistenten ist flexibel und durch die Regelung gezielt versteift, damit eine vorgegebene Bewegung im Raum nachfahrbar wird. Selbst im Kollisionsfall oder bei Funktionsausfall bleibt der Bionische Handling-Assistent risikolos für alle Personen, Gegenstände oder Beteiligte in seinem Umfeld.

Das Nachgiebigkeitsverhalten wird wesentlich von der Pneumatik bestimmt, da Luft kompressibel ist. Diese Antriebstechnologie ist daher prädestiniert, eine engere Kooperation zwischen Mensch und Technik zu erreichen. Druckluft bewegt die Struktur und den Greifer. Die Funktion des Greifers beruht auf dem bionischen Fin Ray Effect® von Leif Kniese (Firma Evologics GmbH). Die Greiffinger passen sich bei seitlich einwirkendem Druck der Kontur des zu greifenden Gegenstandes an und fixieren so den Halt von ähnlich großen Teilen. Nach dem heutigen Stand der Technik können andere industrielle Greifer aufgrund ihrer steifen Mechanik und harter Materialien den Griff ungleicher Gegenstände nicht gewährleisten.

Leicht gebaut mit generativen Fertigungstechnologien
Stichwort Herstellung: Nutzt man die neuesten Erkenntnisse der generativen Fertigungstechnologien, ergeben sich für den Bionischen Handling-Assistenten weitere innovative Aspekte. Das sogenannte Additive Manufacturing erlaubt die Herstellung individueller, beweglicher Systemteile aus Polyamid, das im Produktionsprozess in dünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgetragen wird. Jede Schicht wird mit der darunterliegenden über einen Laser verschmolzen und nur dort ausgehärtet, wo es das Steuerungsprogramm vorgibt. Somit ist ein individuelles 3D-Drucken von komplexen Produktgeometrien gewährleistet.

Flexible Strukturen, die eine hohe Kraftübertragung bei geringstem Eigengewicht gewährleisten, sind das Ergebnis. Ein weiterer Vorteil: Diese komplexen Geometrieverbünde entstehen ohne aufwändige Montageprozesse und teure Werkzeugkosten. Für den Bionischen Handling-Assistenten sind die hohe Flexibilität und die geringe Dichte des Polyamids von nur 0,95 Gramm pro Kubikzentimeter ideal für seine Leichtbaueigenschaften. Der gesamte Körper des Bionischen Handling-Assistenten ist inklusive dem Greifer mit Additive Manufacturing hergestellt.

In Zukunft werden generative Fertigungstechnologien durch ihre hohe Flexibilität und ihren geringen Ressourcenverbrauch zu einer maßgeschneiderten und nachhaltigen Fertigung von komplexen Produkten beitragen – selbst wenn eine hohe Anzahl an integrierten Funktionen gefordert ist. Dieser Technologiebereich ebnete die Zusammenarbeit von Festo und Fraunhofer IPA in der Entwicklung des Bionischen Handling-Assistenten.

Partnerschaft Festo und Fraunhofer IPA
Festo hat die Entwicklung, die Konstruktion und das Design des Bionischen Handling-Assistenten federführend vorangetrieben. Das Team von Festo machte sich, als Ergänzung zur eigenen Kernkompetenz, Experten von Fraunhofer IPA in Sachen Generative Fertigung zum Partner. So nutzten die Beteiligten das Wissen von Fraunhofer IPA im Bereich Rapid Manufacturing, insbesondere am Beispiel der Faltenbalg-Entwicklung.

Als Systemanbieter von Automatisierungstechnik präsentiert Festo mit dem Bionischen Handling-Assistenten einen Prototypen, der industrielle Anwendungsfelder in der Montageunterstützung geradezu provoziert. Die Evolutionskurve eines klassischen Handling-Systems beginnt bei einer Standard-Linearachse, findet seine Fortführung über das Raumportal und den klassischen Tripod bis hin zum Bionischen Tripod. Den bisherigen Höhepunkt bildet der Bionische Handling-Assistent mit seiner hochflexiblen Handhabungskinematik, dessen Einzelkomponenten – Greifer, Regelung und Steuerung – allein schon auf Komponentenebene innovativ sind.

Unternehmensprofil Festo
Festo ist ein weltweit führender Anbieter von Automatisierungstechnik, der durch Innovationen und Problemlösungskompetenz rund um die Pneumatik und Elektrik als Leistungsführer seiner Branche gilt. Einen Maßstab für die Innovationsstärke des Unternehmens bilden rund 100 neue Produkte, die jährlich auf den Markt gebracht werden sowie 2.900 Patente weltweit. Die neuen Ansätze in der Produktentwicklung durch Bionik und Biomechatronik im Rahmen des Bionic Learning Network sind ein echtes Novum in der Automatisierungstechnik.

Fraunhofer IPA
Die Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA sind organisatorische und technologische Aufgabenstellungen aus dem Produktionsbereich. Auf diese Weise unterstützt das Institut seine Partner und Kunden bereits seit 2005 sowohl in der Konzeption und Konstruktion neuer Produkte als auch beim Redesign und der Optimierung existierender Baureihen mit generativen Fertigungsverfahren.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Vorbild Elefantenrüssel – ein Hightech-Helfer für Industrie und Haushalt“ wurde von acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften e.V. vorgeschlagen.