Geïnspireerd door de slurf van een olifant hebben onder-zoekers een nieuwe robotarm ontwikkeld. De nieuwe hightech hulp werkt flexibel en gevoelig en is geschikt voor industrie en huishouding. Onderzoekers van Festo en van het Fraunhofer-Institut für Produktions-automatisierung (IPA) hebben hiervoor de Deutscher Zukunftpreis 2010 gekregen. Bondspresident Christian Wulff reikte de met € 250.000 bekroonde onderscheiding uit.
Behendig grijpt een olifant met zijn slurf een appel op de grond. Voor-zichtig omvat hij deze met de voorkant de van zijn slurf, tilt de vrucht hoog boven zijn kop en legt hem daarna zachtjes in de hand van zijn verzorger. Ongeveer 40.000 spieren maken van de slurf in uiterst flexibele grijphand, die vrij kan bewegen in elke richting en zelfs kan roteren. Het is een geniaal werktuig, krachtig, buigzaam en toch fijngevoelig.
Net zo flexibel en zacht werkt de hightech slurf, die de onderzoekers van Festo en Fraunhofer-IPA hebben ontwikkeld. Behoedzaam neemt deze met drie vingers een rauw ei uit de hand van de ene ontwikkelaar en geeft deze voorzichtig door aan een andere, net zo elegant als zijn biologisch voorbeeld.
Opbouw
De uitgekiende constructie maakt de fijngevoelige en vloeiende bewe-gingen van de bionische assistent mogelijk. De kunststof slurf bestaat uit aan elkaar gekoppelde balgstructuren, een beweeglijke pols en een grijper met drie vingers. De constructie-elementen zijn flexibel en worden met behulp van perslucht bewogen. Wordt er lucht ingepompt, dan zetten de balgstructuren uit als een harmonica. Op deze manier kan slurf worden verlengd van 700 mm tot 1100 mm.
De nieuwe robotarm is duidelijk geïnspireerd door de slurf van een olifant (foto: Festo)
Het hart van de bionische assistent wordt gevormd met producten van Festo, die worden gebruikt in machines en apparaten. Het gaat om de regeling, grijper, sensoren en ventielen. Het was een innovatief machinebouwproject om deze onderdelen zodanig aan elkaar te koppelen en te integreren met elektronica en software voor de intelligentie, waarbij bovendien de constructie licht moest zijn en zuinig moest omgaan met energie.
De adaptieve grijper werd afgekeken van de structuur van de staartvin van een forel. Bijzonderheid hiervan is, dat als men zachtjes tegen de vin-grijper drukt, deze niet wijkt, maar zich om de vinger heen sluit. Meegevendheid en flexibiliteit, vooral tijdens het vasthouden en transporteren van gevoelige objecten met afwijkende contouren, waren belangrijk vereisten. De kunststof grijper leverde een besparing van 80% op het gewicht ten opzichte van een metalen uitvoering. Voor de afmetingen worden drie verschillende maten uitgewerkt, van hazelnoot tot grapefruit.
Gelaagde constructie
De individuele structuurelementen van de flexibele arm zijn gelaagd geconstrueerd. Daardoor is de kunststof slurf licht en zacht. De ontwerp-data voor de onderdelen van de hightech slurf worden direct gebruikt zodat deze laag voor laag worden opgebouwd uit fijn polyamide poeder. Een laserstraal smelt het poeder precies op de aangegeven plaatsen. Het geheel functioneert in principe als een printer maar dan in drie dimensies. Het voordeel van deze generatieve productie is, dat een complexe geometrie met de inwendige structuren is te vervaardigen. Deze hoeft niet meer te worden samengesteld, de onderdelen ontstaan in één enkele handeling.
Hoewel de flexibele arm een massa van slechts 1,8 kg heeft, kan deze tot 500 g omhoog brengen. Ter vergelijking: gebruikelijke industrierobots kunnen ongeveer 1/10 deel van hun gewicht bewegen. Nog een voordeel van de nieuwe, derde hand: het systeem is licht en elastisch, omdat het niet uit metaal maar kunststof bestaat en werkt met perslucht. Dat maakt een unieke samenwerking mogelijk tussen mens en techniek.
Door de lichte constructie kan de robotarm ongeveer 1/4 deel van zijn eigen gewicht tillen (foto: Paul Quaedvlieg)
Het is eigenlijk gevaarlijk om in de omgeving van een dynamische, werkende machine te komen. Doel van de ontwikkelaars was om een systeem te maken, dat inherent flexibel is, zodat de mens op elk gewenst moment zonder risico’s met dit systeem kan samenwerken. De derde hand kan overal worden gebruikt, waar mensen machinale onder-steuning nodig hebben: als helper bij de oogst in de landbouw, bij het verpakken van breekbare waren of in het garagebedrijf, bij de revalidatie of zelfs in de huishouding.
Besturing en regeling
Het brein van het systeem is een controller van Festo, de CMXR-C2. Deze robotbesturing werkt met de zogenaamde Tripoden van Festo: complexe mechatronische productiesystemen met elektrische, lineaire assen voor snelle bewegingen van kleine goederen. Deze zijn robuust en gemakke-lijk te programmeren, dus interessant bij de productie van kleine series.
Voor de krachtregeling in de driedelige robot slurf gebruikte Festo piëzo-ventielen. Hiermee wordt een nauwkeurige drukregeling bereikt met minder luchtverbruik en geringere inbouwruimte. Voor de positiebepaling en terugkoppeling van de onderdelen werd gebruik gemaakt van standaard sensoren. De symbiose van pneumatiek, onderhoudstechniek, sensoren, meet- en regeltechniek vormden de constructiegedachte van dit megatronica project.
