Development of a self-sensing electroadhesive soft gripper : implementation of magnetic and electrically conductive hybrid materials to improve workpiece ejection

Gegenstand der Arbeit ist die Neuentwicklung eines elektroadhäsiven Greifers für den Einsatz in der soft robotics, welcher durch die Verwendung von sogenannten "smart materials" sowohl die Problematik der Ablöseverzögerung durch elektrostatische Restladungen umgehen als auch seinen Verformungszustand durch self-sensing Eigenschaften bestimmbar machen soll. Die verbesserte Werkstückablösung resultiert aus einer nach innen gerichteten Wölbung der weichen Greiferoberfläche, die durch einen magnetischen Antrieb hervorgerufen wird. Zur Erfüllung der self-sensing Bedingung werden Eigenschaften des magnetischen Antriebs verwendet, die den Einwölbungsgrad der Greiferoberfläche messtechnisch bestimmbar machen. Gleichzeitig dient die Verformungsdetektion zur Vermessung sowie zum Greifen von nicht-planaren Werkstücken mit begrenzter räumlicher Topologie. Die Erzeugung des elektrischen Feldes geschieht durch extrinsisch elektrisch leitfähige thermoplastische Elektroden, wobei eine bestimmte Anordnung eine Verformung der Greifoberfläche erlaubt. Ein aus den Konstruktionsergebnissen entwickelter Prototyp dient dem funktionellen Nachweis der Greifkraftentwicklung, der self-sensing Eigenschaft und der verbesserten Werkstückablösung durch die Oberflächenverformung.

Grundlage ist die Analyse bestehender Greiftechniken und des aktuellen Entwicklungsstandes nachgiebiger elektroadhäsiver Greifer sowie die theoretische Beschreibung der elektroadhäsiven Kräfte und der magnetosensitiven und elektrisch leitfähigen Polymere. Ausgehend von der Festlegung der Fähigkeiten im Systemdesign werden im Verlauf der Entwicklungsarbeit die Materialien auf deren Eignung im Bereich der soft robotics ausgewählt und geprüft. Im Vordergrund der Entwicklung steht stets das Überwinden der Ablöseproblematik durch die positiven Eigenschaften neuer Materialien. Die Materialienauswahl der nachgiebigen Trägerstruktur des Gesamtsystems wird durch die Aspekte der soft robotics eingeschränkt und ausgewählt. Der mittels eines magnetosensitiven Elastomers realisierte Antrieb zur Oberflächenverformung wird in seiner Funktion analysiert und realisiert. Sowohl das Material für die Elektroden als auch das Material für das Dielektrikum werden gemäß anwendungsnaher Kriterien festgelegt, das resultierende elektrische Feld simuliert und anschließend realen Messungen gegenübergestellt. Mittels einer integrierten Sensorspule wird die self-sensing Eigenschaft realisiert und deren Einsatzfähigkeit experimentell bestätigt. Die Arbeit schließt mit den Ergebnissen der elektroadhäsiven Greifkräfte des aus dem Entwicklungsprozesses hervorgegangenen Prototypen ab.