Development of biomechatronic devices for measurement of wrenches occuring in animal and human prehension

Jiménez López, Omar Eduardo

Biomechatronics and in its context biosensors dedicate their ability to support new applications inspired from nature on automotive, exoskeleton systems, and intelligent robotics, with a combination of technical knowledge, biology, bionics and mechatronics. There is a market trend towards the use of intelligent sensors. The main reasons for this development are increased measurement accuracy, programmability, decreased inventory cost from the larger turndown available, and decreased maintenance costs by self­diagnostics. On the other hand, for climbing machines biomechatronics discovered important descriptive models of animal locomotion, in which each gross aspect of the animal’s movement is biologically clearly defined except grasping (cf. No. 10 of this book series). Adaptable and ergonomic grips used in cars need a deep and vast supportive knowledge about human grasping. This knowledge only can be won by experimentation in natural prehension. Hands and fingers have to be mapped through sensors to discover and understand the principles of manipulation. We propose a special design of sensor nodes to measure forces and torques in manipulation. Self-evidently, sensor technology should as well be oriented to the fulfillment of the requirements of new applications in industry. It is our deep desire that the sensor proposed finds a place in industrial and automotive applications.

Biomechatronik und speziell Biosensoren unterstützen auf der Grundlage biologischer Inspiration das Entstehen neuer Anwendungen in der ganzen Spanne vom Fahrzeugbau bis zur Bio­Robotik. Dabei werden Mechatronik, technologisches Wissen, Bionik und Biologie miteinander kombiniert. “There is a market trend towards the use of intelligent sensors. In the past the main reasons for this have been increased measurement accuracy, programmability, decreased inventory cost from the larger turndown available, and a decreased maintenance cost for self­ diagnostics.” (Expertise,1997). Im speziellen Anwendungsfall der Kletterrobotik erlaubt der Einsatz von biokompatiblen Kraftgrößen­Sensoren die Etablierung dynamischer Modelle der Fortbewegung von Tieren als bionische Basis biologischer Inspiration. Ergonomische Gestaltung von Griffen bedarf fundierter Kenntnisse über die vektoriellen Greifkräfte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher miniaturisierte 6 DOF­Kraftgrößensensoren entwickelt, die als aktive Knoten eines Sensor­Netzwerks firmieren können. Multisensorenanwendungen können die räumliche und zeitliche Auflösung eines Messaufbaus deutlich steigern. “Durch die Verknüpfung der Signale mehrerer Sensoren lassen sich die Zuverlässigkeit und der Anwendungsbereich vergrößern und die Signalqualität deutlich steigern. Neben einer Verbesserung der Signalqualität ergeben sich durch die Nutzung der in der Steuerung vorhanden Positions­ und Richtungsinformation neue Anwendungen“ (Adam, 2000). Dabei wird in der vorgelegten Arbeit Wert auf eine Detaillierung der Darstellung des Entwurfsprozesses gelegt, um in Zeiten fragmentierten Publizierens durch Dokumentation an einem Orte verallgemeinerbares Erfahrungswissen für die Entwicklung biokompatibler Kraftgrößensensoren zu sichern.

Biomechatronics and biosensors dedicate their ability to support new applications inspired from nature on automotive, exoskeleton systems (Hwang & Moo, 2009), intelligent humanoid robots (Wu & Wu, 2010) and robotics (Qiakang Liang, 2010), with a combination of technical knowledge, biology, bionics and mechatronics. “There is a market trend towards the use of intelligent sensors. In the past the main reasons for this have been increased measurement accuracy, programmability, decreased inventory cost from the larger turndown available, and a decreased maintenance cost for self­ diagnostics.” (Expertise,1997). On the other hand, for climbing machines (Mämpel, Koch & Köhring, 2009) biomechatronics discovers important descriptive models of locomotion of monkeys, rats or chameleons in which each aspect of the animal’s movement is clearly defined (Witte, Lutherdt & Schilling, 2004). Adaptable and ergonomic grips used in cars, motorcycles and trains need a deep and vast supportive knowledge from human grasping. This knowledge cannot be won without the help of experimentation in animal and human prehension to produce enough evidence and valid data about the biological structures (Jeffrey, 2008). Hands and fingers will be mapped through sensors to discover and understand the principles of animal manipulation. This work explains a methodology for designing and construction of sensor nodes to measure forces and torques from animal or human manipulation in order to increase the spatial resolution and the precision of the measurement (Multisensorenanwendung). “Durch die Verknüpfung der Signale mehrerer Sensoren lassen sich die Zuverlässigkeit und der Anwendungsbereich vergrößern und die Signalqualität deutlich steigern. Neben einer Verbesserung der Signalqualität ergeben sich durch die Nutzung der in der Steuerung vorhanden Positions­ und Richtungsinformation neue Anwendungen“ (Adam, 2000). Sensor technology should be oriented to the fulfillment of the requirements of new applications in industry (Singh, 2004), and probably be based on a science oriented to market. It is our deep desire that this sensor finds a place in industrial and automotive applications (D'Ascoli, Tonarelli, & Melani, 2005).

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Jiménez López, Omar Eduardo: Development of biomechatronic devices for measurement of wrenches occuring in animal and human prehension. Ilmenau 2014. Universitätsverlag Ilmenau.

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