Überführung der Curved-Line-Kinematik der Wasserfalle in einen multifunktionalen Materialverbund am Beispiel eines Roboterarms für die Pflege

Problemstellung
Der demografische Wandel und die COVID-19 Pandemie zeigen die zukünftige, gesellschaftliche Herausforderung der Pflegebranche. Physisch unterstützende Roboter bieten ein hohes Potenzial zur Entlastung des Pflegepersonals sowie eine Alternative für eine finanzierbare und menschenwürdige Patientenbetreuung. Meist werden hierzu Roboter aus dem industriellen Umfeld angepasst. Im Gegensatz zur Industrierobotik, bei der Positioniergenauigkeit und hohe Dynamik benötigt werden, stehen in der Pflegebranche und der Alltagsrobotik Aspekte der Kollaboration, Sicherheit, Greifsensibilität und -flexibilität, aber auch Preis und Akzeptanz im Vordergrund.

Ziel
Im Projekt Corubot werden Gelenkkomponenten entwickelt, deren Bewegungserzeugung auf dem Prinzip von speziellen Falttechniken beruht, wie es in der Natur beim pflanzlichen Vorbild der Wasserfalle Aldrovanda vesiculosa zu finden ist. Das Forschungsziel ist, das biologische Prinzip in einen Roboterarm mit drei Gelenken zu überführen und durch einen schichtweisen Aufbau des Systems aus mehrlagigen funktionalisierten Kunststofffolien, eine Annäherung an die in der Biologie übliche maximale Funktionsverdichtung zu bewirken.

Vorgehensweise
Basierend auf der Analyse der Einsatzumgebung erfolgt simulationsgestützt die anforderungs-gerechte Entwicklung einer Faltgeometrie und des funktionalisierten Schichtaufbaus. Dafür wird anhand erster Entwurfsmodelle eine Vorzugsvariante der Faltgeometrie evaluiert und ein Simulationsmodell aufgebaut. Daraus werden die Vorzugsgeometrie und -materialien des Schichtaufbaus berechnet. Die Vorzugsmaterialien werden hergestellt, experimentell charakterisiert und mit einem Aktorikkonzept in Form von vereinfachten Prüfkörpern kombiniert. Die Gelenkbewegung erfolgt durch die pneumatische Ansteuerung integrierter aufblasbarer Hohlräume entlang eingebrachter Kanäle, die die Faltung der steifen Strukturbestandteile entlang von weichen gefalteten Festkörpergelenken bewirkt. Nach erfolgreicher Prozessentwicklung und Anpassung des bestehenden Presschweißverfahrens wird der Materialverbund mithilfe von Prüfkörpern hinsichtlich Funktionalität und Haltbarkeit in einer Langzeitbelastung getestet und das Fertigungsverfahren iterativ optimiert.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Im Ergebnis entsteht ein pneumatisch aktivierbarer Proof-of-Concept Demonstrator mit vier Freiheitsgraden und einer Greifeinheit, der die Funktionstüchtigkeit des Bewegungs-mechanismus experimentell nachweist und ein Gewicht von 500 g heben kann. Die wirtschaftliche Bewertung hinsichtlich Herstellungskosten, industrieller Übertragbarkeit des Prozesses und eine Roadmap zur Produktreife bilden den Projektabschluss. Das Forschungsprojekt bildet damit die Basis zur Überführung der biologischen Vorbilder in die branchenübergreifende, technische Anwendung und bietet ein großes Potenzial zur Verwertung in Folgeprojekten und Unternehmensgründungen. Im Bereich Robotik wird damit ein erweiterter Kompetenzaufbau in der Auslegung und Fertigung dynamisch belasteter Faltkinematiken in gefügten Kunststoffverbünden in Deutschland ermöglicht.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein