Festo_BionicFinWave_de

BionicFinWave Autonomes Navigieren durch ein mit Wasser gefülltes Rohrsystem 02: Natürliche Vorbilder: der wellenför- mige Flossenschlag bei Sepia und frei- lebendem Meeresstrudelwurm 03: Einzigartiger Antrieb: die undulie- rende Bewegung der flexiblen Silikon- flossen 01: Bionischer Technologieträger: Ein- satz in flüssigen Medien 04: Filigrane Mechanik: die im 3D-Ver- fahren gedruckte Kurbelwelle mit an- liegendem Hebelarm Die Natur lehrt uns eindrucksvoll, wie die optimalen Antriebs- systeme für bestimmte Schwimmbewegungen aussehen. Mit dem Flügelschlag des Mantarochens, dem Rückstoßprinzip der Qualle und der adaptiven Struktur der Fischschwanzflosse hat Festo bereits mehrere dieser faszinierenden Bewegungsformen aus der Tierwelt technisch realisiert. Für den BionicFinWave hat sich das Bionik-Team nun von der undulierenden Flossenbewegung inspi- rieren lassen, die unter anderem vom freilebenden Meeresstrudel- wurm, von der Sepia sowie vom Großnilhecht genutzt wird. Einzigartige Schwimmmanöver in alle Richtungen Das gemeinsame Merkmal dieser Tiere sind ihre Längsflossen. Sie verlaufen von Kopf bis Schwanz und befinden sich entweder am Rücken, am Bauch oder an beiden Seiten des Körpers. Um sich fortzubewegen, erzeugen die Fische mit den Flossen eine durchgängige Welle, die sich entlang ihrer gesamten Länge voran- schiebt. Diese so genannte Undulation drückt das Wasser nach hinten, wodurch ein Vorwärtsschub entsteht. Umgekehrt können die Tiere so auch rückwärts schwimmen und je nach Wellenmuster für Auftrieb, Abtrieb oder gar Seitenschub sorgen. Mit diesem Prinzip der Undulation manövriert sich nun auch der BionicFinWave selbstständig durch ein Rohrsystem aus Acrylglas. Dabei kann der autonome Unterwasserroboter über Funk mit der Außenwelt kommunizieren und Daten – wie die erfassten Sensor- werte für Temperatur und Druck – an ein Tablet übertragen. Flexible Silikonflossen aus einem Guss Zur Fortbewegung nutzt der BionicFinWave seine beiden Seiten- flossen, die komplett aus Silikon gegossen sind und ohne Ver- strebungen oder andere Stützelemente auskommen. Dadurch sind sie äußerst nachgiebig und können so die flüssigen Wellenbewe- gungen der biologischen Vorbilder naturgetreu umsetzen. Dazu sind die beiden Flossen links und rechts jeweils an neun klei- nen Hebelarmen befestigt, die einen Ausschlagwinkel von 45 ° haben. Die Hebelarme wiederum werden von zwei Servomotoren angetrieben, die im Körper des Unterwasserroboters sitzen. Zwei anliegende Kurbelwellen übertragen die Kraft auf die Hebel, so- dass sich die beiden Flossen individuell bewegen lassen. Dadurch können sie unterschiedliche Wellenmuster generieren. Um eine Kurve zu schwimmen, bewegt sich beispielsweise die äu- ßere Flosse schneller als die innere – vergleichbar mit den Ketten eines Baggers. Ein dritter Servomotor am Kopf des BionicFinWave steuert die Biegung des Körpers, mit deren Hilfe er nach oben und unten schwimmen kann. Damit die Kurbelwellen entsprechend flexibel und biegsam sind, sitzt zwischen jedem Hebelsegment ein Kardangelenk. Dazu wurden die Kurbelwellen inklusive der Ge- lenke und des Pleuels aus Kunststoff in einem Stück mit 3D-Druck- Verfahren gefertigt. Optimal ausgelegter Körper mit integrierter Bordelektronik Auch die restlichen Körperelemente des BionicFinWave sind im 3D- Verfahren gedruckt, was ihre komplexen Geometrien erst ermög- licht. Mit ihren Hohlräumen fungieren sie als Auftriebskörper. Gleichzeitig ist hier auf engstem Raum die gesamte Steuerungs- und Regelungstechnik wasserdicht und sicher verbaut. So sitzen im Vorderteil des Körpers neben der Platine mit Prozessor und Funk- modul auch ein Drucksensor sowie Ultraschallsensoren. Sie mes- sen permanent die Abstände zu den Wänden sowie die Tiefenposi- tion imWasser und vermeiden so Kollisionen mit dem Rohrsystem. Intelligentes Zusammenspiel verschiedenster Komponenten Voraussetzung für dieses autonome und sichere Navigieren war die Entwicklung von kleinen, leistungsfähigen sowie wasserdich- ten bzw. -unempfindlichen Komponenten, die mit der entsprechen- den Software koordiniert und geregelt werden können. Damit konnte Festo einen undulierenden Flossenantrieb technisch um- setzen, der sich besonders für eine langsame und präzise Fort- bewegung eignet und Wasser weniger aufwirbelt als beispiels- weise ein konventioneller Schraubenantrieb. Neue Impulse und Denkansätze Mit dem bionischen Technologieträger setzt Festo einmal mehr einen Impuls für die zukünftige Arbeit mit autonomen Robotern und neuen Antriebstechnologien im Einsatz in flüssigen Medien. Denkbar wäre es, Konzepte wie den BionicFinWave für Aufgaben wie Inspektionen, Messreihen oder Datensammlungen weiterzu- entwickeln – etwa für die Wasser- und Abwassertechnik oder andere Gebiete der Prozessindustrie. Zudem lassen sich die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Herstellungsverfahren von Softrobotik-Komponenten nutzen. 04 02 01 03 2 Festo AG & Co. KG 3 BionicFinWave: Unterwasserroboter mit einzigartigem Flossenantrieb