Ein Rüssel hilft in der Produktion mit

Biomechatronisches Handhabungssystem überstützt menschliche Arbeiter

Handlangerarbeiten finden sich in der Produktion an vielen Stellen. Bisher erledigen Hilfskräfte diesen Job, doch die Technik ist auf dem Vormarsch. Ein biomechatronisches Handhabungssystem bahnt sich seinen Weg in die Fabrikhallen. * Text: Nicole Wittmann, A&D Fotos: Festo

��Simon, gib mir mal den 41er Schlüssel“, sagt Kfz-Mechatroniker Hans, der in der Autowerkstatt Huber auf einem Rollbrett unter einem Ford Galaxy liegt. Der Kantschlüssel, den sich Peter vom Werkzeugwagen mitgenommen hatte, passt nicht. Simon kommt, greift nach dem richtigen Schlüssel und legt ihn Peter in die ausgestreckte Hand. Der Mechaniker rollt zurück unters Auto, setzt den Schlüssel an und beginnt zu drehen. Handlanger wie Simon braucht es nicht nur in Hubers Autowerkstatt. Auch in der Produktion begegnen dem geschulten Blick zahlreiche Assistenzaufgaben, darunter eben das Reichen von Werkzeugen oder das Sortieren von Obst, Gemüse und Blumenzwiebeln. Immer häufiger werden diese Handlangerarbeiten automatisiert gelöst. Mit Mensch-Technik-Kooperation bezeichnet das Bundesministerium für Bildung und Forschung diesen Trend. Ziel: Die Maschine soll nicht länger in abgetrennten Zellen arbeiten, sondern im direkten Kontakt zum menschlichen Kollegen. Dabei bleibt Sicherheit die oberste Prämisse. Der Arbeiter darf unter keinen Umständen verletzt werden, weder bei einem selbstverschuldeten Verhalten noch bei einem technischen Defekt. Der Prototyp Bionischer Handling-Assistent von Festo verfolgt diesen Anspruch. Die Entwickler dieses technischen Assistenten haben sich dazu vom Elefantenrüssel inspirieren lassen. Die verlängerte Nase ist flexibel, überträgt hohe Kräfte und dient als präzises Greifwerkzeug. Rund 40000 zu Bündeln verflochtene Muskeln machen den Rüssel besonders beweglich. Er enthält zudem weder Nasenbein noch andere Knochen. Das Ergebnis der Forschungsarbeit nach dem Vorbild der Natur: „Die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine ist nicht länger risikobehaftet“, sagt Peter Post, Forschungsleiter bei Festo. „Würde der Handling-Assistent mit seinem Co-Worker kollidieren, würde der Arm automatisch in die Gegenrichtung ausweichen“, erklärt Alexander Hildebrandt, zuständig für Forschung Mechatronischer Systeme bei Festo. Anschließend findet der Rüssel zurück in die Ausgangssituation und führt seine Arbeit weiter aus.Der Festo-Rüssel besteht aus drei Grundelementen, die eine räumliche Bewegung ermöglichen, einer Handachse und einem Greifer, der sich der Form des Transportgutes anpasst. Die Grundelemente werden aus drei Aktuatoren gebildet, die kreisförmig angeordnet sind und sich in einem Winkel von drei Grad verjüngen. Jeder Aktuator wird an den Schnittstellen der Grundelemente mit Druckluft versorgt. „Druckluft eignet sich für diese Anwendung aus zwei Gründen: Zum einen vermeiden wir den Einsatz von Motoren, die aufgrund ihres Gewichtes ungeeignet wären, zum anderen lässt sich der Arm durch die Luftregelung stabilisieren“, sagt Rüdiger Neumann, Mitglied im Entwicklungsteam. Füllen sich die Kammern, streckt sich der Arm. Die Rückstellung erfolgt durch die schlaufenartige Konstruktion der Aktuatoren, die nach dem Ablassen der Druckluft wie eine Zugfeder wirkt. Seilzugpotenziometer auf den Außenseiten der Aktuatoren erfassen deren Auslängung und dienen der Steuerung des Systems im Raum. In der Handachse sind drei weitere Aktuatoren um ein Kugelgelenk angeordnet. Ihre Betätigung bewirkt eine Winkelverstellung des Greifers bis zu 30 Grad. SMAT-Sensoren sorgen für die Detektion der Wegstrecken und ermöglichen eine präzise Ausrichtung. Für die gesamte Steuerung kommen VPWP-Proportionalwegeventile zum Einsatz. „Der bionische Handling-Assistent ist ein gutes Beispiel, wie die Querschnittstechnologien Bionic und Mechatronik in Verbindung mit Handhabungs-Know-how und Rapid Manutacturing ein völlig neuartiges Produkt möglich machen“, sagt Eberhard Veit, Vorstandsvorsitzender von Festo. Erst eine schnelle Fertigung schuf die Voraussetzung, den Festo-Rüssel überhaupt herzustellen. Die werkzeuglose Fertigung direkt aus den CAD-Daten erlaubt es, die individuellen und beweglichen Polyamid-Systemteile des Handling-Assistenten zu produzieren. Dabei wird der Kunststoff in dünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgetragen. Ein Laser verschmelzt jede Schicht mit der darunterliegenden. Die Schichten werden nur dort ausgehärtet, wo es das Steuerungsprogramm vorsieht. Polyamid eignet sich aufgrund seiner Flexibilität und geringen Dichte von 0,95 Gramm pro Kubikzentimeter für den Handling-Rüssel besonders gut. Es ist langzeitbelastbar und erzeugt eine bislang nicht erreichte Relation zwischen Eigengewicht und Kraftübertragung. Als Greifer dient der anpassungsfähige FinGripper. Er besteht aus einem pneumatischen Aktuator in Form eines Faltenbalges sowie drei Greiffingern. Hält der Festo-Rüssel zum Beispiel einen Apfel fest, schmiegen sich die drei Fingern um die runde Außenform. Der Greifer ist zwar derzeit noch nicht in der Serienproduktion im Einsatz, wird aber schon im Feld getestet. Zum Beispiel in der Glühbirnen-Produktion. Dort entnimmt er die Glühbirnen aus einer rotierenden Vorrichtung und setzt sie in die Verpackungen ein. Bisher werden die Glühbirnen angesaugt und transportiert, jedoch ging bei diesem Verfahren immer mal wieder das Glas zu Bruch. „Die Kombination aus Leichtbau, moderner Regelungstechnik und eingebauter Nachgiebigkeit eröffnet neue Anwendungen für eine sichere Interaktion zwischen Mensch und Maschine“, sagt Veit. So kann der Handling-Assistent gefahrlos als dritte Hand des Arbeiters dienen, der einen Schraubenschlüssel oder Einbauteile reicht.☐