3 BionicANTs 2 Festo AG & Co. KG Mit dem Auge fürs Detail und dem Blick fürs große Ganze: Für die BionicANTs haben sich die Ingenieure von Festo nicht nur die filigrane Anatomie der natürlichen Ameise zum Vorbild genommen. Erstmals wird auch das kooperative Verhalten der Tiere mittels komplexer Regelalgorithmen in die Welt der Technik übertragen. Wie ihre natürlichen Vorbilder arbeiten die BionicANTs nach klaren Regeln zusammen. Sie kommunizieren miteinander und stimmen ihre Handlungen und Bewegungen aufeinander ab. Jede einzelne Ameise trifft ihre Entscheidungen autonom, ordnet sich dabei aber immer dem gemeinsamen Ziel unter und trägt so ihren Teil zur Lösung der anstehenden Aufgabe bei. Impulse für die Produktion der Zukunft Auf abstrahierte Art und Weise liefert dieses kooperative Verhalten interessante Ansätze für die Fabrik von morgen. Die Grund- lage künftiger Produktionssysteme sind intelligente Komponenten, die sich flexibel auf verschiedene Produktionsszenarien einstellen und so Aufträge der übergeordneten Steuerungsebene übernehmen. Die BionicANTs zeigen, wie einzelne Einheiten eigenständig auf unterschiedliche Situationen reagieren können, sich miteinander abstimmen und als vernetztes Gesamtsystem agieren. Durch vereintes Schieben und Ziehen bewegen die künstlichen Ameisen einen Gegenstand über eine abgesteckte Fläche. Dank dieser in- telligenten Arbeitsteilung können sie effizient Lasten befördern, die eine einzelne Ameise nicht bewegen könnte. Funktionsintegration auf kleinstem Raum Aber nicht nur das kooperative Verhalten der künstlichen Ameisen ist erstaunlich. Bereits ihr Fertigungsverfahren ist einzigartig. Erstmals werden lasergesinterte Bauteile nachträglich im so genannten 3D-MID-Verfahren mit sichtbaren Leiterstrukturen veredelt. Die elektrischen Schaltungen werden auf der Oberfläche der Bauteile angebracht, die dadurch konstruktive und gleichzeitig elektrische Funktionen übernehmen. So können alle technischen Komponenten im oder auf dem Körper der Ameise verbaut und exakt aufeinander abgestimmt werden. Nach Inbetriebnahme ist keine Steuerung von außen mehr erforderlich. Eine Überwachung aller Parameter per Funk und ein regulierender Eingriff sind aber jederzeit möglich. BionicANTs Hochintegrierte Einzelsysteme zur Lösung einer gemeinsamen Aufgabe Auch in Design und konstruktivem Aufbau kommen die BionicANTs ihrem natürlichen Vorbild sehr nahe. Sogar das Mundwerkzeug zum Greifen der Gegenstände ist detailgetreu nachgebildet. Für die Zangenbewegung sorgen zwei piezokeramische Biegewandler, die als Aktoren im Kiefer integriert sind. Werden die Plättchen mit Spannung belegt, verformen sie sich und geben die Bewegungsrichtung mechanisch an die Greifzangen weiter. Neuartiger Einsatz von Piezotechnologie Die Vorteile der Piezotechnologie nutzt Festo auch für die Beine der künstlichen Ameise. Piezoelemente lassen sich sehr präzise und schnell steuern. Sie arbeiten energiearm, nahezu verschleißfrei und benötigen nur wenig Bauraum. In jedem Oberschenkel sind daher drei trimorphe piezokeramische Biegewandler verbaut, die Aktor und konstruktives Bauteil zugleich sind. Durch Verformung des oben liegenden Biegewandlers hebt die Ameise das Bein an. Mit dem darunter angebrachten Paar lässt sich jedes Bein exakt nach vorne und nach hinten auslenken. Zur Vergrößerung des relativ geringen Hubs hat das Team eigens ein flexibles Scharniergelenk entwickelt, das die Schrittweite der Ameise wesentlich erweitert. Hochkomplexe Regelalgorithmen für kooperatives Verhalten Mit zwei Akkus an Bord können die Ameisen vierzig Minuten lang arbeiten, bevor sie über ihre Fühler den Kontakt zur Ladestation aufnehmen müssen. Allen Aktionen liegt ein verteiltes Regelwerk zu Grunde, das vorab über eine mathematische Modellbildung und Simulationen erarbeitet wurde und auf jeder Ameise hinterlegt ist. Die Regelungsstrategie sieht ein Multiagentensystem vor, bei dem die Teilnehmer nicht hierarchisch geordnet sind. Vielmehr beteiligen sich durch die verteilte Intelligenz alle BionicANTs gemeinsam am Lösungsprozess. Der dazu nötige Informationsaustausch zwischen den Ameisen findet über das Funkmodul im Rumpf statt. Kamerasystem und Bodensensor im Zusammenspiel Die 3D-Stereokamera im Kopf dient den Ameisen zur Erkennung des Greifobjekts und zur Selbstlokalisierung. Mit ihrer Hilfe kann sich jede Ameise anhand der Landmarken in ihrer Umgebung re- ferenzieren. Der optische Sensor am Bauch erkennt an der Bodenstruktur, wie sich die Ameise relativ zum Untergrund bewegt. Mit beiden Systemen in Kombination kennt jede Ameise ihre Position, selbst wenn ihre Sicht temporär beeinträchtigt ist. 01: Ausgetüftelter Name: „ANT“ steht sowohl für das natürliche Vorbild als auch für Autonomous Networking Technologies Fühler Kontakt zur Ladestation 02: Ausgetüfteltes Konzept: In jeder Ameise sind zahlreiche Komponenten, Technologien und Funktionen auf engstem Bauraum kombiniert 01 02 Akkus 2 Lipo Zellen seriell 8.4 V Laufzeit bis zu 40 Minuten Piezokeramische Biegewandler Bewegen der Greifzangen Ringleitung mit Endstufen Permanente Spannung von 300 Volt und Schnittstelle zur Aktorik Funkmodul Kommunikation der Ameisen untereinander Optischer Sensorchip Erfassung der zurückgelegten Distanz anhand der Bodenstruktur Ladeschaltung Konstante Umwandlung von 8,4 Volt auf 300 Volt, die für piezokeramische Biege- wandler notwendig sind 3D-Stereokamera Selbstlokalisierung und diffe- renzierte Objekterkennung Piezokeramische Biegewandler Schubbewegung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung Anheben und Senken des Beins Prozessor Verteilung aller nötigen Signale und Ansteuerung der Aktoren
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