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Entwurf und Regelung bionischer Roboter• Motivation

• Bionik (Methode, Vorgehensweise, Beispiele)• Biologische (Bewegungs-)Systeme (Eigenschaften, Vorteile, Evolution)

• Morphologie Mensch/Tier (vs. herkömmliche Roboter-Mechanik, Materialien)

• Physiologie Mensch/Tier (vs. herkömmliche Antriebe, Verarbeitung, Steuerung)

• Vorstellung bion. Aspekte in techn. Robotersystemen (Hausarbeit und Vortrag)

• Materialien, Strukturen für neue Kinematiken (Leichtbau, Herstellung/SLS)

• Aktoren für neue Antriebssysteme (Nachgiebigkeit, gewichtsbezogene Leistung)

• Modellbildung eines fluidischen Muskels (Versorgung, Leitung, Ventil, Muskel)

• Modellbildung eines antagonistischen Muskelpaares (Ellenbogen-)Gelenks

• Regelung eines antagonistischen Muskelpaares

• Roboter-Assistenzsystem Humanoider Muskelroboter ZAR5 (Anwendung)

• Roboter-Rüsselkinematik BROMMI:TAK (Anwendung)

Inhalt

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• „Technische Biologie (W.Nachtigall) beinhaltet die Analyse von Struktur-Funktion-Zusammenhängen biologischer Objekte mithilfe methodischer Ansätzeaus der Physik und der Ingenieurwissenschaften“

• Bionik (Kunstwort aus Biologie und Technik) „ …verbindet in interdisziplinärerZusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion ,Übertragung und Anwendungvon Erkenntnissen, die an biologischen Vorbilderngewonnen werden, technische Fragestellungen zu lösen“ (VDI 2012)

Definitionen in der Bionik

• Biotechnologie (Kunstwort aus Biologie und Technologie) „ … ist eineinterdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Nutzung von Enzymen, Zellenund ganzen Organismen in technischen Anwendungen beschäftigt.“ (wiki)

? Ist Biotechnologie nicht auch Bionik? Was ist der Unterschied ?

Techn. Biologie(Biologie techn.beschrieben)

Abstraktion Übertragung

Biologie TechnikTechnische Lösungen,Produkte, Prozesse,Verfahren, Methoden

Anwendung

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Bionik

• Was ist Bionik? Je nach Intensität, mit der Bionik betrieben wird:1. Wissenschaftsdisziplin2. Innovationsprozess bzw. Methode

- Systematische Analyse, Abstraktion und Übertragung eines Wirkprinzips3. Kreativitätstechnik

- Ideenfindung, offensichtlicher Analogien zwischen biologischem Vorbild undtechnischer Problemstellung

• Das englische Wort biomimetics entspricht dem deutschen Wort Bionik.

• Aber: Biomimetik, Biomimikry, Biomimese sind dem Wortstamm her keine Bionik.- Zusammensetzung aus Biologie und Mimetik, Mimikry oder Mimese-> Mimetik, Mimesis: altgriech. mimesis ‚Nachahmung‘, neugriech. mimisi-> Mimikry: Form der Tarnung („so tun als ob“)

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• Bionischer Entwicklungsprozess, zwei Vorgehensweisen- Bottom-Up-Prozess: ~ Entdeckung einer Eigenschaft an einem Organismus, der auch für die Technik

interessant ist~> von der Biologie aus initiiert

- Top-Down-Prozess~ Ingenieur tritt mit einer technischen Fragestellung an den Biologen heran~ Biologe stellt fest, ob das techn. Problem auch in der belebten Natur vorkommt~> Suche nach einem geeigneten biologischen Analogieobjekt~> von der Technik aus initiiert

Bionik

• Prozess des bionischen Arbeitens:1. Entdecken biologischer Lösungen (z.B. biologischer/natürlicher Muskel)

- nicht nur im Sinne von Suchen, sondern auch Inspiration und Kreativität2. Abstrahieren in technische Kennwerte, technische Biologie (z.B. Kraft, Länge)3. Transferieren in die Technik, Herstellen von Technik (z.B. fluidischer Muskel)4. Verifizieren durch Demonstratoren (z.B. Ellenbogengelenk)

- Bauen wir das Produkt richtig? – Wie?5. Validieren durch Prototypen/Produkte (z.B. Roboter ZAR5, BROMMI:TAK)

- Bauen wir das richtige Produkt? – Was?

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• Bottom-Up-Prozess: ~ Entdeckung einer Eigenschaft an einem Organismus, der auch für die Technik

interessant ist (von der Biologie aus initiiert)~ ohne spezielle technische Zielrichtung, gute Lösung eines biologischen Problems

Bionik

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• Top-Down-Prozess~ Ingenieur tritt mit einer technischen Fragestellung an den Biologen heran~ Biologe stellt fest, ob das techn. Problem auch in der belebten Natur vorkommt~ konkretes techn. Problem, Suche nach einem geeigneten biol. Analogieobjekt

Bionik

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Leonardo da Vinci(1452 - 1519)

Entwürfe einer Flugmaschine (1497-1500)

Vitruvianischer Mensch, Proportionsstudie nach Vitruv, 1492

Der erste Bioniker

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Das erste Patent eines bionischen Produktes

Große Klette (Arcticum lappa)

George de Mestral(1907-1990)

Patent für einen technischen Klettverschluss, 1951

Velcro®

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Bionik Beispiele (BIOnik Kompetenz-Netz BIOKON)

1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Ast setzt einer äußeren Kraft eine Form entgegen, die auf diese optimal eingestellt ist- runde Form spart Material im Gegensatz zu eckigen- Stamm dicker als Äste, da größere Biegemomente- konischer Verlauf -> an jeder Stelle etwa gleich bleibende Querschnittsbelastung- runde Radien halten ein Vielfaches an Belastung aus (kerspannungsfrei)- Belastungen werden elastisch aufgenommen

Baumwachstum: Grundkonzept• aus Kräften resultieren Formen• Kräfte werden von Stamm und Ästenaufgefangen

-> optimale Konstruktionsprinzipien

Die Natur ist der erfolgreichste Innovator aller Zeiten: -> 17 Bionik-Beispiele

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Wachstum wird äußeren Belastungen angepasst- z.Bsp.: Bei andauerndem seitlichen Winddruck lagert der Baum dort zusätzliches, stabilisierendes Material an, wo sich die Kraft am stärksten auswirkt.

-> die weiter unten liegenden Querschnitte haben elliptische Form-> gilt für Dauerbelastung in Relation zum Wachstum

Wachstum sucht sich den Wegzeitlich begrenzte Windlast

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Optimierung nach der Natur (nach Prof. Claus Mattheck)• Methode der Zugdreiecke

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Optimierung nach der Natur• Methode der Zugdreiecke

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

( )refaltneu sEE σσ −+=

I. Topologie-Optimierung SKO (Soft Kill Option)-> dient zur Materialeinsparung (Leichtbau)- ist an biologische Wachstumsregeln (z.B. Baum-, Knochenwachstum) angelehnt- FEM-Netz wird über die Struktur (2D, 3D) gelegt- Löcher im FEM-Netz werden über E-Modul simuliert~ kleines E-Modul heißt weich und entspricht einem physikalischen Loch~ großes E-Modul heißt hart und entspricht einem physikalischen Vollmaterial

- Differenz zw. akt. Elementspannung σ und Referenzspannung σref ist das Maßa. Differenz/Maß positiv -> Material an hoch belasteten Stellen anlagernb. Differenz/Maß negativ -> Material an niedrig belasteten Stellen entfernen- Differenz bestimmt Stärke und Richtung der Modifikation im Wachstumsschritt

σ – Knotenpunktspannungσref – Referenzspannungs – SkalierungsfaktorEalt – E-Modul altEneu– E-Modul neu

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

II. Gestalt-Optimierung CAO (Computer Aided Optimization)-> Kerbspannungsabbau, Spannungshomogenisierung und Dauerfestigkeit- Optimierung der Formgebung zur Erreichung der geforderten Festigkeitsziele- macht Bauteile dauerfester und somit langlebiger- Spannungen werden errechnet und optimiert (z.B. gleichverteilt) -> stark beanspruchte Stellen werden verstärkt (Materialausdehnung)-> weniger beanspruchte Stellen bilden sich zurück (Materialeinschnürung)

( )( ) )()()( 1 ikref

ik

ik nsd

rrσσα −+=

σk(i) – Knotenpunktspannung

σref – Referenzspannungnk

(i) – Richtungsvektor (Flächennormale)α – Korrekturfaktor für Konturglättungs – Skalierungsfaktordk

(i) – Wachstumsverschiebungk – Knoteni – Generation, Durchlauf, Schleifenzähler Topologieoptimierung Gestalt-

optimierung

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

• Topologie-Optimierung (E-Modul) und Gestalt-Optimierung (Verschiebung) virtueller Bauteile:-> SKO-Verfahren nach dem Vorbild der Kraftlinien im Knochen (Wachstumsregel)-> CAO-Verfahren zur Formoptimierung und Homogenisierung

( )refi

ki

ki

k sEE σσ −+= − )()1()(

( )( ) )()()( 1 ikref

ik

ik nsd

rrσσα −+=

Optimierung vs. Herstellbarkeit

i i+1 … i+n

F

k

Schritt 1 SKO:

Schritt 2 CAO:

Beispiel 1: Beispiel 2:

F F F

i=20, σref=3,5

i=50, σref=3,5

i=110, σref=3,5

i=210, σref=5,0

i=5, σref=0

i=50, σref=0

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Optimierung nach der Natur zur Auslegung von Bauteilen• Topologie- und Gestaltoptimierung

Optimierung einer Fahrradbremse

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Optimierung eines Achsschenkels

Optimierung nach der Natur zur Auslegung von Bauteilen• Topologie- und Gestaltoptimierung

Auflagekräfte

Angriffskraft

Bsp.1

Bsp.2

Auslegung von Roboter-Kinematiken -> Optimierung nach:- Leichtbau (Kraftfluss, Bewegungsenergie), Bauraum (Elektronik-/Kabel-Integration)- Herstellung (Hinterschneidungen, Materialeinsatz), Optik (Anmutung)

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

• Literatur (Prof. Claus Mattheck)

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Wachstum (Kallusbildung) kann auch künstlich hervorgerufen werden

Ferdinand Ludwig

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Wachstum (Kallusbildung) kann auch künstlich hervorgerufen werden• Pneumatische Strukturen als temporäre Stützen für die Pflanzenstruktur• Wachstum lokal verstärken mittels Vibrationen z.B. an Verbindungsstellen• Mit zunehmender Tragfähigkeit

-> Luftdruck absenken -> Pflanzen (schnell wachsende z.B. Weiden) übernehmen Traglast

• Lauffläche einziehen, fertig -> selbsttragender Laubengang• Vorschlag von Ferdinand Ludwig für deutsch-polnischen Grenzfluss Neiße

symbolisiert den Einigungsprozess Europas: „Zusammenwachsen der Ufer“

• Wachstum und Lebensdauer müssen im Verhältnis stehen• z.B. 2-5 Jahre wachsen und 10-30 Jahre nutzen

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Baubionik (Ferdinand Ludwig)

Zwischen 2009 und 2010 gewachsener Turm

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1. Optimierte Materialverteilung für Bruchfestigkeit (Baumwachstum -> Bauteile)(Knochenwachstum -> Bauteile)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Z.B. beanspruchter menschlicher Oberschenkelknochen• Kopf und Knorren mit weit geschwungenen Radien

- Druckkräfte leiten ‚sauber‘ in den Knochen ein• Badeschwamm ähnliche Struktur (rosa) im Inneren

- Anordnung nimmt Kräfte auf, verteilt sie optimal-> Entwicklung hochfester Leichtbaustrukturen

Dru

ckzo

ne

Zug

zone

Drucklinien

Zug-linien

Druckkraft

Femur

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2. Superhydrophobe Oberflächen für Selbstreinigung (Lotusblatt -> Fassadenfarbe)3. Optimierte Leichtbaustrukturen (Kieselalgen -> Offshore-Windanlagen)

Bionik Beispiele (BIOKON)

Das Gerüst von marinen Planktonarten wie Kieselalgen(Diatomeen) und Strahlen-tierchen (Radiolarien) ist bei minimalem Materialver-brauch höchst stabil.

Dr. Ch. Hamm, imare, Institut für Marine Ressourcen GmbH

Optimierung des Biologie inspirierten Modells:- Start (Links): Materialgewicht = 770 Tonnen- auf Stützelemente reduziert (Mitte): 605 Tonnen- GA optim. Spannungen, 300 Gen. (Rechts): 340 T-> Fa. WeserWind und RLE GmbH prüfen Einsatz

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4. Faltung für gelenkfreie Klappmechanik (Paradiesvogelbl. -> Fassadenverschattung)5. Oberflächenstrukturen für giftfreies Antifouling (Haihaut -> Schiffanstriche)6. Inhärent nachgiebige Aktoren für sichere Roboter (natürlicher -> künstl. Muskel)

Bionik Beispiele (BIOKON)