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Greifsysteme nach dem Vorbild der Natur

Geniale Lösungs­ansätze

Das Leben auf unserer Erde hat eine mehr als drei Milliarden Jahre andauernde Entwicklungsgeschichte. Während dieses langen Evolutionsprozesses sind in der belebten Natur geniale Konstruk-tionsprinzipien, Optimierungsstrategien und zahlreiche, teilweise überraschende Problemlösungen entstanden. Im Bionic Learning Network, einem Verbund von Festo mit namhaften Hochschulen, Instituten und Entwicklungs­firmen, liefern natürliche Prinzipien neue Impulse für die Technik und industrielle Applikationen. So auch im aktuellen Hochschulprojekt von Festo und der Universität für künstlerische und industrielle Gestaltung Linz: Der PowerGripper ist ein Greifersystem, das Studierende im Studien­gang Industrial Design nach dem Vorbild des Vogelschnabels ­erarbeitet haben. Er liefert wertvolles Wissen für die Technik.

Vorbild für den PowerGripper ist die komplexe Kinematik des Vogelschnabels. Auf die Technik übertragen, wird sie als Watt’sche Kette bezeichnet. Das Hochschulprojekt PowerGripper enstand im Rahmen der Aktivitäten des Bionic Learning Network von Festo. Gemeinsam mit namhaften Lehranstalten, Instituten und Entwicklungsfirmen wird der Übertrag biologischer Prinzipien auf die Technik untersucht, um damit neuartige Lösungsansätze für die industrielle Praxis hervorzubringen.

Im Projekt PowerGripper setzten die Entwickler die Watt‘schen Kette mit dem Fluidic Muscle von Festo um und kombinierten es mit dem Produktionsverfahren des Metall-Laserschmelzens.

Der Fludic Muscle DMSP-5 treibt das Greiferkonzept durch das antagonistische Muskelprinzip an, also das Gegenspiel von Beuge- und Streckmuskel, an. Wird der pneumatische Muskel mit Luft befüllt, vergrößert er sich im Durchmesser und wird in der Länge kontrahiert. Der Muskel ermöglicht eine fließend-elastische Bewegung, mit der das Prinzip der Watt’schen Kette umgesetzt wird. Außerdem können mit der Verwendung der Watt’schen Kopplung bei einem sehr kompakten Bauraum relativ große Öffnungswege ­realisiert werden.

Durch die eingesetzte Leichtbaustruktur, den sehr leichten pneumatischen Muskel und eine Titanlegierung (Ti6Al-4V) als Material für die Grundbauteile erreicht dieser Greifer ein sehr gutes Verhältnis zwischen Kraft und Gewicht.

Bei den mechanischen Komponenten des PowerGripper handelt es sich um ein Grundelement, zwei Fingerelemente, einen Druck- und Zugstab sowie ein Umlenkungsdreieck, die zusammen die Kinematikelemente der Watt’schen Kette bilden.


Abb.1 Vorbild für den PowerGripper ist die komplexe ­Kinematik des Vogelschnabels.




Abb. 2 und 3 Vogelschnabel und PowerGripper im Vergleich Auf die Technik übertragen, wird die komplexe Kinematik des Vogelschnabels als Watt’sche Kette bezeichnet.


Abb.4 Durch das Laser-Schmelz-Verfahren ­ergeben sich einzigartige Gestaltungsmöglichkeiten der Formfindung und individuelles 3D-Drucken von komplexen Produkten.

Einzigartige Formfindung durch generative Fertigung

Die Leichtbaustrukturen an den Innen- und Außenseiten des Greifers sind nach der Kraftflussrichtung am Bauteil ausgelegt und können in dieser Form nur durch das Laser-Schmelz-Verfahren hergestellt werden. Dabei wird Metallpulver von einem mit 3D-CAD-Daten geführten Laserstrahl Schicht für Schicht umgeschmolzen. Dadurch ergeben sich einzigartige Gestaltungsmöglichkeiten der Formfindung und individuelles 3D-Drucken von komplexen Produkten.

Vielfältiger Einsatz durch flexible Wahl der Greiffinger

Die beiden Fingerelemente sind mit einer gängigen T-Nut für die Mehrzweckaufnahme verschiedener Finger versehen und bieten somit vielfältige, denkbare Einsatzmöglichkeiten beim Greifen von leichten bis mittelschweren Teilen.

Kinematik des Vogelschädels

Als Ausgangspunkt für das Konzept des PowerGripper diente eine Vorlesung von Prof. Dr. Martin Fischer, Inhaber des Lehrstuhls für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie der Friedrich-Schiller-Universität Jena. In seinem Vortrag zum Thema Greifsysteme in der Biologie behandelte er unter anderem die komplexe Kinematik eines Vogelschnabels, die bereits 1994 von Dr. Cornelius Schilling und Dr. Klaus Zimmermann, beide TU Ilmenau, beschrieben wurde.

Diese Kinematik wird, auf die Technik übertragen, als Watt’sche Kette bezeichnet. Sie war die Basis für die Überlegungen zur Realisierung von Greifersystemen. Neben dem im Beitrag vorgestellten Flächengreifer wurden als weitere Varianten ein Raumgreifer und ein Punktgreifer realisiert.

Impulse für neue Greiferkonzepte

Als Forschungsprojekt zeigt der PowerGripper zahlreiche Möglichkeiten in der Entwicklung neuer Greifersysteme auf. Die leichte und doch sehr stabile Aufbaustruktur des Greifers ermöglicht es, das gesamte System dahinter ebenfalls leichter zu bauen und dadurch energieeffizienter zu betreiben. Bei konventionellen Greifern ist das bislang nur bedingt möglich, da diese ein schlechteres Verhältnis von Greifkraft zu Gewicht aufweisen.

www.festo.com/de/powergripper

Stichwörter:
Entwicklungsgeschichte, Evolutionsprozesse, Konstruktionsprinzipien, Optimierungsstrategien, Problemlösungen, Bionic Learning Network, Festo, Kinematik, PowerGripper, Watt`sche Kette, Metall-Laserschmelze, pneumatische Muskel, Laser-Schmelz-Verfahren, 3D-CAD-Daten, T-Nut, Kinematik, Evolutionsbiologie, Greifersysteme,

C&M 5 / 2012

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 5 / 2012.
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