Einsatz funktioneller Materialien zur Realisierung inhärenter Sensorik bei elastischen Strukturen

Issa, Mirna GND

Sensorisierung der technischen Systeme hat in vielen Forschungsbereichen der Robotik zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere für Mensch-Maschine-Schnittstellen sind sensorisierte und nachgiebige Systeme von Interesse. Die Nachgiebigkeit eines Systems kann zum Beispiel durch die Materialeigenschaften sowie durch die geometrische Gestaltung gewährleistet werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Möglichkeit zur Sensorisierung nachgiebiger Systeme, die für den Bereich der Robotik von Interesse sind, beschrieben. Dafür wird ein elektrisch leitfähiger Silikonkautschuk eingesetzt. Der Vorteil der Anwendung des leitfähigen Silikonkautschuks ist, dass die Nachgiebigkeit solcher Systeme weiterhin erhalten bleibt bzw. sich verbessert. Unter Nutzung experimenteller Untersuchungen von den leitfähigen Silikonkautschuken ELASTOSIL R 570/50 MH C1 und POWERSIL® 466 A/B VP konnte das elektrische Verhalten dieser Materialien unter den mechanischen Beanspruchungen charakterisiert werden. Die Einsatzmöglichkeiten des leitfähigen Silikonkautschuks als Sensorelemente werden am Beispiel von drei nachgiebigen Systemen aufgezeigt. Die hier verwendeten Sensorelemente beruhen auf dem Prinzip der elektrischen Widerstandsänderung unter den mechanischen Beanspruchungen. Das erste System ist eine taktile Struktur und hat eine einfache Gestalt. Mit dem ersten System wird die Anwendbarkeit von dem Material ELASTOSIL R 570/50 MH C1 als Sensorelement aufgezeigt. Verschiedene Tests werden an der taktilen Struktur zur Ermittlung der Kontaktstellen durchgeführt. Die Messergebnisse werden dargestellt und diskutiert. Bei dem zweiten System handelt es sich um einen nachgiebigen Greifer. Der Greifer kann sich an verschiedene Objekte beim Greifvorgang anpassen. Des Weiteren können durch die inhärente nachgiebige Sensorik Informationen über das gegriffene Objekt beim Greifvorgang geliefert werden. Im letzten Teil der Arbeit wird das dritte System, eine nachgiebige Gelenkverbindung mit inhärenter Sensorik, diskutiert. Die Sensorelemente des Systems können dank der Materialeigenschaften des Silikonkautschuks zusätzlich die Funktionen einer Feder und eines Dämpfers übernehmen. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau des Systems mit einer Steuerungsmöglichkeit der Drehrichtung mithilfe der gelieferten Sensorsignale bei einem Kollisionsfall.

Sensorization of technical systems has become increasingly important in many research fields of robotics. The sensorized and compliant systems are especially of interest for human-machine interfaces. The compliance of a system can be, for example, achieved by the material properties as well as by the geometrical design. In the presented thesis, a possibility of the sensorization of compliant systems is described, that are of interest for robotics. In order to do this, an electrical conductive silicone rubber is used. The advantage of this material is that the compliance of the system remains available or can be even improved. Based on experimental investigations of the conductive silicone rubber ELASTOSIL R 570/50 MH C1 and POWERSIL® 466 A/B VP, the electrical behavior of these materials could be characterized in dependence on the mechanical loads. The application possibilities of the conductive silicone rubber as sensor elements are shown by using the examples of three compliant systems. The sensor elements made of the conductive silicone rubber are based on the principle of the change in the electrical resistance under the mechanical loads. The first system is a tactile structure with a simple design. By using the first system, the applicability of the material ELASTOSIL R 570/50 MH C1 as a sensor element is shown. Several tests are performed on the tactile structure to determine the contact points. The measurement results are presented and discussed. The second system is a compliant gripper. This gripper can accommodate to different grasped objects during the gripping process. Furthermore, information about the grasped object can be provided by the inherent compliant sensor elements during the gripping process. In the last part of this thesis, the third system is discussed, which is a compliant joining structure with embedded sensor elements. Thanks to the material properties of the silicone rubber, the sensor elements of the system can additionally take the tasks of a spring and a damper. This allows a compact construction of the system and a control possibility of the rotation direction with the help of the sensor signals, which will be provided during the collision.

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Issa, Mirna: Einsatz funktioneller Materialien zur Realisierung inhärenter Sensorik bei elastischen Strukturen. gw 2017.

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