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【Festo】仿生技术助力工业自动化升级

时间:2019-08-19 来源:FESTO

   2019年8月20-25日,全球领先的工业自动化和教学培训企业Festo将亮相世界机器人大会(展位号:A210)。这是Festo第四次参加世界机器人大会,每年Festo展台都会带来精彩的仿生表演。今年Festo飞行家族成员智能飞鸟以及水下机器人仿生水母,将亲临现场,揭秘超轻型飞行机器人的飞行奥秘以及水下机器人的神秘世界。此外,Festo还将展示数字化产品墙、革命性的数字化气动技术数字控制终端(VTEM)、节能模块等Festo最新的数字化产品和解决方案。

    

   在Festo,自然和技术是一个不可分割的整体。自20世纪90年代初以来,Festo在仿生学领域投入了大量精力,回顾Festo 25年的企业仿生学历史,是一个研究自然的时代,一个丰富经验的时代,一个自动化领域技术飞速发展的时代。Festo 与多所著名高校、研究所和研发公司联手,致力于将自然基本原理应用到自动化技术领域。

   具有团队合作精神的蚂蚁机器人,像章鱼一样的机器人手臂,带吸盘的抓握触手,成群结伴起舞的蝴蝶,带仿生翼膜的蝙蝠,具有敏锐触感的气动机械臂,人工智能的仿生工位,用思维控制的机器,过去的25年,Festo仿生团队完成了抓取、空气和水运动以及气动机器人技术领域的多项仿生项目。掌握技术的复杂性、开拓未来的业务领域并以负责任的方式塑造未来自动化。仿生学为未来自动化创造了新的解决方案空间,揭示了生物如何满足不断变化的条件和智能进化策略如何转化为一个高效的自动化——适者生存。我们的仿生学家开辟了未来的商业领域,并指出,可以通过仿生学研究来战胜日益增长的技术复杂性。流程数字化、物联网和工业4.0是当前自动化领域的主要发展趋势。

    

   优雅的水中舞者——仿生水母AquaJellies 2.0

    

仿生水母


   此次亮相机器人大会的仿生家族成员之一的仿生水母,模仿自然界中水母的运动方式,优雅自如地在水中翩翩起舞。


   仿生水母是一个高度集成的轻量化模型,由一个透明的半球、一个中央防水机身以及八条用于推进的触手组成。仿生水母的透明半球内安装了环形控制板,集成了光电、压力和无线电传感器。通过处理器监控推进方向。防水机身位于仿生水母的中心,里面安装了中央电驱动单元、两块锂电池和旋转盘的伺服电机。电驱动单元可以驱动防水机身顶部和底部安装的两个传动盘,并由传动盘上的菱形关节带动水母的八只触手运动。


   仿生水母有智能化的自适应机构,集成了通信和传感器技术以及实时诊断功能,实现多个水母在有限空间内的协调集体行为。每个水母自主确定推进系统方向的下一步取决于电池电量的状态以及与其他水母的距离。通过一个应用程序便可显示并跟踪每个水母的当前状态,实现实时诊断。


   作为制造和加工行业的全球合作伙伴,Festo 的核心竞争力在于面对未来的生产和工作环境寻求新的解决方案。借助仿生水母,Festo展示了水处理行业未来高效系统的潜力与理念。过程监控和状态监控在所有设备与过程工业中是十分重要的主题,在水处理技术中也不例外。自我组织功能已经在今天的水处理技术中得以应用,例如从多个分散的雨水储水池中将收集的雨水引进集中的污水净化设备中。状态监控实现了高效的操作、保养和维修。借助持续的实时数据传输和诊断功能,可以从污水处理厂的远程控制中心对整个工厂进行控制和监控。如果将仿生水母中的信息结构原理应用于雨水储水池的控制系统,分散单元状态监测的持久校准等通信功能将成为可能。在未来的工厂中,信息和通信技术将与传统工业流程相融合,而仿生水母的出现已经成为这类整体互联系统的最好说明。

    

   破译鸟类飞行——智能飞鸟Smartbird

智能飞鸟


   从银鸥中汲取灵感,利用从仿生学习项目“空中鳐鱼”和“空中企鹅”中获得的经验, Festo首次解密鸟类飞行原理,成功地将高能效的技术与自然模型相结合。本次大会,智能飞鸟将再次来到中国北京,与现场观众们亲密互动。


   自然界中没有浪费,所有能量使用都最大化。智能飞鸟的外形和轻量化碳纤维结构经过优化,是运动节能和节省材料使用的典范。仅通过怕打翅膀就能前进和爬升,功耗仅为25瓦。它是一种高性能、超轻型飞行模型,总重量约为450克,翼展2米。


   鸟类飞行的奥秘在于鸟翼的主动扭转。主动扭转将空气动力效率从 30%(被动扭转)提高到了 80%。智能飞鸟与众不同的特性就在于它的翅膀可主动扭转,无需使用额外爬升装置,仅凭扑翼便可进行自主起飞、飞行、滑翔和降落, 具有优秀的空气动力学性能和最大的飞行灵活性。

   由于关节式主动扭转驱动需要拍打动作和扭转动作精确协调,因此受到不间断全方位监控。智能飞鸟的躯干中安装了电池、马达、传动机构、曲轴机构以及控制和调节性电子元件。通过双向无线电通信传送(即 ZigBee 协议)电池电量、功耗和操作员的输入数据等工作参数,以便监控翅膀的位置和扭转。在飞行过程中,不仅可以持续记录智能飞鸟的翅膀位置和扭转数据,还可以实时调整并优化扭转控制参数,从而确保飞行的稳定性,保证飞行的安全。

   受到仿生成果技术转化的启发,Festo早在过去就已经开发了得到行业认可的产品,更注重节能和节省资源。我们正试图将能源效率和轻质结构等方面的知识应用到 Festo 或客户的产品上,为合作伙伴提供更高效的产品和解决方案。Festo已结合气缸和直线电驱的优势开发了混合驱动器,实现了快速、高精度的直线电驱动器技术。智能飞鸟中用于直线和旋转动作的耦合驱动技术可用于水力发电机(即所谓的翼冲程发电机)以及过程自动化中的新型驱动器。


   从仿生概念到批量产品


   抓取这项技能一直在仿生学习网络中扮演着重要角色。大自然常常为工业应用提供令人惊叹的创意与全新的解决方案。在Festo跨学科研究网络中已开发出多种仿生抓取应用,其中两项已经进一步发展为批量产品。


   自适应抓手手指DHAS的设计基于鱼尾鳍令人惊叹的行为特性。如果按压鳍片的侧面,尾鳍会朝压力点弯曲,而不是远离压力点。开发人员通过两个利用中间桥板相互连接的柔性聚氨酯胶带,在技术上实现了鱼鳍效应FinRay Effect®。无论是平行还是居中排列:抓手手指坚固且柔性,可在抓取时轻松适应工件的外形,进行自动调节。这样可以轻柔且牢固地抓住具有不规则表面的易损物体。DHAS已经在食品工业中得到了应用,如水果及蔬菜分类。


自适应抓手DHEF


   另一个自适应抓手DHEF,它的工作原理和变色龙舌头一样。为了捕获猎物,变色龙可以让它的舌头像橡皮筋一样突然弹出。在它的舌头触到昆虫之前,舌头中央向后拉伸,而边缘继续向前移动。由此,变色龙的舌头可匹配各个猎物的外形和大小,并且可以牢固包裹。DHEF抓手的重要组成部分是一个仿照变色龙的舌头设计的、略微过压填充的硅胶帽盖,可根据物体外型灵活地进行翻转,由此包裹并抓取物体。通过使用比例阀进行相应控制,可实现对多个物体的抓取,例如盒子中的螺丝。

    

   仿生互动型教育Bionics4Education

    

   Festo于2006年建立了仿生学学习网络,与知名大学、研究部门和小型创新公司合作。借助仿生学习网络,Festo利用“仿生”方法解决自动化行业的问题。仿生学习网络与Festo教学培训部(Festo Didactic)的创新流程紧密相连,体现了我们对技术教育和培训的承诺。


   Festo创建仿生学习网络的目标不仅包括从自然中学习,更是要激发年轻一代对技术的热忱。Bionics4Education项目是为未来的工程师量身打造的互动型教育理念。借助互动型教育理念中包含的数字化学习环境与学习套件,学生们可以创造性地制作仿生样本。Festo研发的Bionics Kit仿生学习套件,将仿生技术带进课堂。仿生学习套件将动手操作工具和数字教学平台结合。学生们可以利用仿生学习套件的核心组件、微控制器、伺服电机搭配不同的配件拼装成鱼、象鼻子和变色龙的舌头。仿生学习套件的概念不局限于这三种仿生机器人的组装,而是启发思考更多可能性。锻炼学生们的创造力、创新力、与解决问题的能力。所有教学材料均在Festo教学培训部(Festo Didactic)教育专家的帮助下,为教育学与教学领域内的应用量身定做。


   本届机器人大会,您将有机会在Festo展台参与Bionics Kit仿生学习套件的趣味互动。共同探索更多仿生技术奥秘。

仿生学习套件


VTEM


   除了精彩的仿生表演和互动,作为工业自动化领域的领先企业,Festo也将带来最新的工业自动化应用展示,包括气动领域的革新产品,世界上首个由APP控制的阀,Festo数字控制终端VTEM;Festo能源效率解决方案;以及全新的数字化产品及行业解决方案。

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