Mit Ultraschall kollisionsfrei schwimmen

Artikel vom 29. Juni 2018 

Fünf Ultraschallsensoren an seinem Kopf messen permanent die Abstände zu den Wänden

Durch Ultraschall können sich Delfine und Grindwale mit ihrem natürlichen Echolot sogar in trüben und dunklen Gewässern orientieren. Auch U-Boote setzen die Ultraschall-Technologie zur Ortung ein. Ultraschallsensoren können Entfernungen berechnen, auch zu transparenten Materialien und unter Wasser. Diese Eigenschaften macht sich der BionicFinWave zu Nutze: Der Unterwasserroboter von Festo schwimmt dank Ultraschallsensoren kollisionsfrei durch ein Rohrsystem aus Acrylglas.

Ultraschallsensoren senden Schallwellen im hochfrequenten Bereich in Richtung ihres Zielobjekts, von wo die Schallwellen als Echo wieder zurückgeworfen werden. Die Sensoren empfangen diese Signale und können über die Zeitspanne bis das Echo zurückkommt, die Entfernung berechnen. Mit diesem Messprinzip lassen sich Abstände messen und die eigene Position bestimmen.

Der Unterwasserroboter BionicFinWave von Festo nutzt die Technik um mit seiner undulierenden Flossenbewegung kollisionsfrei durch ein transparentes Rohrsystem zu schwimmen. Fünf Ultraschallsensoren an seinem Kopf und die Inertialsensorik messen permanent die Abstände zu den Wänden und seine aktuelle Ausrichtung im Wasser. Ein Prozessor wertet diese Daten aus und kann daraus ableiten, wenn eine Kurve im Rohrsystem kommt. Er regelt die Flossen so, dass der BionicFinWave möglichst mittig schwimmt und nicht gegen die Wände stößt.

Undulierende Flossenbewegung

Zur Fortbewegung nutzt der BionicFinWave seine beiden Seitenflossen. Mit diesen erzeugt er eine durchgängige Welle, die so genannten undulierende Flossenbewegung. So bewegen sich auch der freilebende Meeresstrudelwurm, der Sepia und der Großnilhecht durch die Meere. Mit der wellenförmigen Bewegung der Flossen schieben die Fische das Wasser nach hinten, wodurch ein Vorwärtsschub entsteht.

Flexible Silikonflossen

Die Flossen des BionicFinWaves sind komplett aus Silikon gegossen und kommen ohne Verstrebungen oder andere Stützelemente aus. Dadurch sind sie äußerst nachgiebig und können so flüssige Wellenbewegungen wie die natürlichen Vorbilder umsetzen. Sie sind links und rechts jeweils an neun kleinen 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, sodass sich die beiden Flossen individuell bewegen lassen. Dadurch können sie unterschiedliche Wellenmuster generieren.

Um eine Kurven zu schwimmen, bewegt sich beispielsweise die äußere 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. Die Kurbelwellen und Gelenke sind in einem Stück im 3D-Druck-Verfahren gefertigt und daher entsprechend flexibel und biegsam sind.

Der BionicFinWave schwimmt dank Ultraschallsensoren kollisionsfrei durch das Rohrsystem.
Der BionicFinWave schwimmt dank Ultraschallsensoren kollisionsfrei durch das Rohrsystem.