Entwicklung und Charakterisierung fluidmechanischer nachgiebiger Aktuatoren am Beispiel eines multifunktionalen Sauggreifers

Zum Greifen verschiedener Greifobjekte finden fluidmechanische nachgiebige Aktuatoren
(FNA) auf Silikonbasis als Greifer zunehmend Verbreitung. Aufgrund der stoffschlüssigen
Bauweise ermöglichen diese die Integration verschiedener Funktionen auf Strukturebene. Vor allem zur Senkung des Hygienerisikos sind FNA für Greifaufgaben in Reinräumen und der Verpackungsindustrie in Form geschlossener Sauggreifer besonders geeignet. Die Untersuchung derartiger Sauggreifer ist Gegenstand dieser Arbeit. Im Rahmen der Arbeit wird ausgehend von verschiedenen Anwendungen eine allgemeine Klassifikation für FNA vorgestellt und entwickelte FNA anhand dieser eingeordnet. Die Entwicklung von FNA wird am Beispiel des geschlossenen Sauggreifers detailliert beschrieben.
Eine der Besonderheiten des geschlossenen Sauggreifers ist, dass er im Gegensatz zu offenen
Sauggreifern greifobjektseitig eine Membran aufweist. Die Membran ermöglicht neben der
Trennung des Mediums im Innenraum des Sauggreifers vom Umgebungsmedium, auch das
aktive, zeitlich sowie örtlich gezielte Ablegen von Greifobjekten. Eine weitere Besonderheit des gewählten Beispiels ist dessen nichtlineare Federkennlinie. Diese führt zu einem Bewegungsverhalten mit Durchschlag und ermöglicht die Adaption an verschiedene Objektlagen und -formen. Durch Modellbetrachtungen und experimentelle Untersuchungen von ausgewählten Geometrie und Materialparametern werden Beeinflussungsmöglichkeiten der Durchschlaggrößen aufgezeigt. Die Formulierung einer allgemeinen Vorgehensweise für das Erreichen festgelegter FNA-Kennwerte bilden dabei einen wesentlichen Beitrag dieser Arbeit. Darüber hinaus werden prinzipielle Lösungen für die Implementierung einer stoffkohärenten sowie nachgiebigen Sensorik für FNA auf Silikonbasis vorgestellt. Die Umsetzung der Sensorik wird am Beispiel des Sauggreifers beschrieben. Die Möglichkeit zur Ableitung qualitativer Aussagen zu Greifzustand, Greifobjektleitfähigkeit sowie zu den Greifprozessphasen wird diskutiert. Die für die Herstellung und Erprobung des multifunktionalen Sauggreifers notwendigen neuartigen Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozesse werden im Rahmen der Arbeit jeweils beschrieben. Durch die Gesamtschau der untersuchten FNA-Eigenschaften, nichtlinearen Kennlinie, Adaptivität sowie Sensorisierung liefert die Arbeit einen Beitrag zu multifunktionalen FNA sowie auch zum Vorgehen bei deren Entwicklung.

Fluid-mechanical compliant actuators (FCAs) based on silicone are becoming increasingly
common for grippers of different objects types. Due to the material-consistent design, FCAs
enable the implementation of various functions on the structural level. FCAs in the form of
closed suction grippers are particularly suitable for reducing the hygiene risk during gripping
tasks in clean rooms and the packaging industry. This thesis focuses on the investigation and development of such suction grippers. Within the scope of the work, a general classification for FCAs is presented based on different application types. Multiple developed FCAs are classified accordingly. The development of FCAs is described in detail using the example of the closed suction gripper. One of the special features of the closed suction gripper is that, unlike open suction grippers, it comprises a membrane on the side of the object. In addition to separating the medium inside the suction gripper from the surrounding medium, this membrane enables the active release of objects at specific times and locations. The non-linear spring characteristic curve is another special feature of the selected example FCA. It leads to a movement behavior with snap-through characteristic and enables the adaption to different object positions and shapes. Different possibilities for influencing the snap-through variables are presented by means of model considerations and experimental investigations of selected geometries and material parameters. An essential contribution of this work is the formulation of a general procedure for achieving defined FCA parameters. In addition, generalized principles for implementing a silicone-based material-coherent and compliant sensor technology for FCAs are presented. The possibility of deriving qualitative statements on gripping state, gripping object conductivity and the gripping process phases is discussed. The new types of tools, devices and processes required for the production and testing of the multifunctional suction gripper are described in each case. By providing an overall view of the investigated FCA properties, nonlinear characteristics, adaptivity and sensorization, the work contributes to multifunctional FCAs as well as to their development procedure.

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