Weiche Robotik (eBook)

Erforschung anpassbarer Systeme für die Automatisierung der Zukunft

Fouad Sabry (Autor)

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2025 | 1. Auflage
250 Seiten
Eine Milliarde Sachkundig [German] (Verlag)
978-0-00-069687-8 (ISBN)

Infos

Entdecken Sie die Welt der Softrobotik mit 'Soft Robotics' von Fouad Sabry. Als Teil der 'Robotics Science'-Reihe bietet dieses Buch eine eingehende Erkundung innovativer, flexibler und adaptiver Robotertechnologien. Es richtet sich an Fachleute, Studenten und Enthusiasten und vereint modernste Konzepte auf eine zugängliche und dennoch umfassende Weise. Egal, ob Sie sich mit der Mechanik hinter der Softrobotik befassen oder ihre realen Anwendungen erkunden, dieses Buch ist eine unschätzbare Ressource für alle, die sich für die Zukunft der Robotik begeistern.

Softrobotik-Eine Einführung in die Prinzipien, Anwendungen und Bedeutung der Softrobotik in der modernen Technologie.

Aktuator-Verstehen der Rolle von Aktuatoren in der Softrobotik und wie sie Bewegung und Flexibilität ermöglichen.

Haptische Technologie-Erkundung von haptischem Feedback und seiner Integration in die Softrobotik für eine realistische Mensch-Roboter-Interaktion.

Elektroaktives Polymer-Untersuchung elektroaktiver Polymere und ihrer Rolle bei der Ermöglichung der Formänderung und Reaktion von Softrobotern auf Reize.

Dielektrische Elastomere-Ein Blick auf dielektrische Elastomere und ihre Fähigkeit, als flexible Aktuatoren in weichen Robotersystemen zu fungieren.

Anpassungsfähige Robotik-Verständnis anpassbarer Roboter, die ihre Form oder Eigenschaften ändern können, um mit verschiedenen Umgebungen zu interagieren.

Dehnbare Elektronik-Die Entwicklung und Integration dehnbarer Elektronik, die es weichen Robotern ermöglicht, ihre Funktionalität beizubehalten und gleichzeitig flexibel zu bleiben.

Haptische Wahrnehmung-Untersuchung, wie Roboter sensorisches Feedback verwenden, um intuitivere und reaktionsschnellere Interaktionen mit Menschen zu ermöglichen.

Robotik-Ein allgemeiner Überblick über die Robotik, der die weiche Robotik in den breiteren Kontext der Robotertechnologien einordnet.

Ferroelektrisches Polymer-Ein Blick auf ferroelektrische Polymere und ihr Potenzial zur Schaffung intelligenter Materialien in weichen Roboteranwendungen.

Taktiler Sensor-Die Rolle taktiler Sensoren bei der Bereitstellung von Feedback und der Ermöglichung, dass weiche Roboter ihre Umgebung 'fühlen'.

Robotersensorik-Verständnis der Sensoren, die es weichen Robotern ermöglichen, Informationen aus ihrer Umgebung zu sammeln und zu verarbeiten.

Künstliche Muskeln-Erforschung künstlicher Muskeln, wie sie die biologische Muskelfunktion nachbilden und ihre Auswirkungen auf die Softrobotik.

Elektronische Haut-Die Entwicklung elektronischer Haut und ihre Fähigkeit, taktiles Feedback zu geben und so lebensechtere Interaktionen zu ermöglichen.

Projektionsmikrostereolithografie-Eine Einführung in die Projektionsmikrostereolithografie und ihre Anwendung in der Softrobotik für den 3D-Druck.

Flüssigkristallines Elastomer-Ein tiefer Einblick in flüssigkristalline Elastomere, Erforschung ihrer Eigenschaften und Verwendung in der Softrobotik.

Stéphanie P. Lacour-Eine Untersuchung der Arbeit von Stéphanie P. Lacour und ihrer Beiträge zum Bereich der Softrobotik.

Kontinuumsroboter-Verständnis von Kontinuumsrobotern, die flexible Materialien verwenden, um kontinuierliche, anpassbare Bewegungen zu erzeugen.

Mohsen Shahinpoor-Eine Hommage an die Beiträge von Mohsen Shahinpoor, einem Pionier auf dem Gebiet der Softrobotik und künstlichen Muskeln.

Peristaltikroboter-Erforschung peristaltischer Roboter, die die Bewegungen biologischer Organismen für praktische Anwendungen nachahmen.

Weiches Exoskelett-Ein Blick auf weiche Exoskelette, ihr Design und wie sie die Art und Weise verändern, wie Menschen mit Robotern interagieren.

Textauszug

Kapitel 2 : Stellglied

Das Öffnen eines Ventils ist ein Beispiel dafür, wie ein Aktuator verwendet werden kann, um andere Teile einer Maschine zu steuern und zu bewegen. Es ist ein "Mover", um es klar zu sagen.

Für den Betrieb eines Aktuators wird sowohl ein Befehlssignal als auch Energie benötigt. Die Energie des Steuersignals, bei der es sich um elektrische Spannung oder Strom, den Druck von pneumatischen oder hydraulischen Flüssigkeiten oder sogar die menschliche Kraft handeln kann, ist gering. Seine primäre Energiequelle kann Elektrizität, Flüssigkeitsdruck oder Luftdruck sein. Ein Aktuator ist ein Gerät, das Energie von einer Quelle aufnimmt und sie als Reaktion auf ein Steuersignal in eine mechanische Bewegung umwandelt. Es handelt sich um eine Form der Automatisierung oder automatischen Steuerung im elektrischen, hydraulischen und pneumatischen Sinne.

Ein Aktuator ist ein Gerät, das Anweisungen von einem Steuerungssystem erhält, um diese auszuführen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Steuerung fest verdrahtet (mechanisch oder elektronisch) oder softwarebasiert (Druckertreiber, Robotersteuerungssystem), von Menschen bedient wird oder eine Kombination aus den dreien ist.

Sowohl pneumatische als auch hydraulische Betätigungssysteme haben ihren Ursprung in der Zeit des Zweiten Weltkriegs (1938). Xhiter Anckeleman hat mit seinem Know-how sowohl mit Motoren als auch mit Bremssystemen diese innovative Methode entwickelt, um Bremsen effektiver zu machen und gleichzeitig ihren Verschleiß zu reduzieren.

Ein weicher Aktuator ist ein formveränderndes Gerät, das durch mechanische, thermische und elektrische Kräfte aktiviert werden kann.

Ein Zylinder oder Fluidmotor ist das Herzstück des hydraulischen Aktuators, der die Fluidenergie kanalisiert, um mechanische Teile zu bewegen. Die Ausgabe der mechanischen Bewegung kann als lineare, rotierende oder oszillierende Bewegung beschrieben werden. Ein hydraulischer Aktuator kann sehr viel Kraft erzeugen, weil Flüssigkeiten so schwer zu verdichten sind. Das Verfahren hat den Nachteil der langsamen Beschleunigung.

Der Hydraulikzylinder ist ein Zylinder mit einem hohlen Zentrum, in dem sich der Kolben bewegen kann. Wenn der Flüssigkeitsdruck nur auf einer Seite des Kolbens wirkt, wird diese Konfiguration als einfachwirkend bezeichnet. Da sich der Kolben nur in eine Richtung bewegen kann, wird in der Regel eine Feder verwendet, um einen Rückhub zu ermöglichen. Wenn Druck auf beide Seiten eines Kolbens ausgeübt wird, drückt oder zieht die resultierende Kraftdifferenz den Kolben in Richtung der größeren Kraft. Dieses Phänomen wird als "Double Acting" bezeichnet.

Pneumatische Aktuatoren können aus vernachlässigbaren Druckunterschieden große Kräfte erzeugen. Die Hauptsteuerung des Motors profitiert von der pneumatischen Energie, da sie eine sofortige Reaktion beim Starten und Abschalten ermöglicht, ohne dass eine Batterie erforderlich ist. Pneumatische Aktuatoren sind nicht nur günstiger, sondern in der Regel auch leistungsstärker als ihre Gegenstücke. Um den Luftstrom durch ein Ventil zu steuern, werden diese Kräfte typischerweise auf eine Membran ausgeübt.

Der Hauptvorteil von pneumatischen Antrieben liegt in der hohen Kraft, die sie trotz ihrer kompakten Größe erzeugen können. Die Energieeffizienz mit Totalverlusten von bis zu 95 % ist ein großer Nachteil der Technologie, da sie ein Druckluftnetz erfordert, das aus zahlreichen Komponenten wie Kompressoren, Behältern, Filtern, Trocknern, Subsystemen für die Luftaufbereitung, Ventilen, Rohren usw. besteht.

In der Zeit seit 1960 wurden viele verschiedene Arten von Antriebstechnik entwickelt:

Die Rotationskraft eines Elektromotors wird mittels eines Riemens (Riemenantriebsachse mit Schrittmotor oder Servo) oder einer Schraube in eine lineare Bewegung umgewandelt, um die gewünschte lineare Bewegung zu erzeugen (entweder eine Kugel- oder Gewindespindel oder Planetenmechanik)

Die Hauptvorteile elektromechanischer Aktuatoren liegen in ihrem geringen Wartungsaufwand, ihrer langen möglichen Lebensdauer und ihrer hohen Genauigkeit im Vergleich zu pneumatischen Aktuatoren (für die möglicherweise Fett erforderlich ist). Die erzielbare Kraft liegt in der Größenordnung von 100 kN, was recht hoch ist.

Die maximale Geschwindigkeit, die großen Abmessungen und das hohe Gewicht, die diese Aktuatoren erfordern, sind ihre Hauptnachteile. Obwohl solche Aktuatoren in medizinischen Geräten und automatisierten Fertigungssystemen weit verbreitet sind.

Ähnlich wie Dieselmotoren/Hydrauliken typischerweise in schweren Geräten eingesetzt werden, ist ein elektrohydraulischer Aktuator auf einen Elektromotor als Antriebsmaschine angewiesen, um das für den Betrieb eines Hydraulikspeichers erforderliche Drehmoment bereitzustellen, der wiederum die Betätigungskraft überträgt.

Drehventile und elektrisch betriebene Bau- und Aushubgeräte sind nur zwei Beispiele für Maschinen, die elektrisch angetrieben werden können.

In der Regel wird in einem Ventilsteuerungssystem eine Bremse über dem Motor montiert, um zu verhindern, dass der Flüssigkeitsdruck das Ventil öffnet. In Ermangelung einer Bremse wird der Stellantrieb ausgelöst und das Ventil geschlossen, bis es langsam wieder aufgedrückt wird. Dies führt dazu, dass der Motor und der Aktuator in ein oszillierendes Muster von (offen, zu, offen...) übergehen.

Im Gegensatz zu elektromechanischen Aktuatoren arbeiten Linearmotoren nach dem gleichen Prinzip wie elektrische Rotationsmotoren; Tatsächlich kann man sich einen Linearmotor als abgerollten Rotationsmotor vorstellen. Sie erzeugen eine lineare Kraft entlang ihrer Länge und keine Drehbewegung. Einige Produkte, die von Linearmotoren angetrieben werden, haben aufgrund der reduzierten Reibungsverluste, die sie erzeugen, eine Lebensdauer von über hundert Millionen Zyklen.

Es ist möglich, Linearmotoren entweder als flache (traditionelle) Linearmotoren, U-Kanal-Linearmotoren oder röhrenförmige Linearmotoren zu klassifizieren.

Wenn es um eine leichte Last (bis zu 30 kg) geht, ist die Linearmotortechnologie aufgrund ihrer überlegenen Geschwindigkeit, Kontrolle und Präzision die beste Wahl.

Es ist die gefragteste und anpassungsfähigste Technologie. Die elektrische Aktuatortechnologie wurde erfolgreich in Marktsegmenten wie der Uhren-, Halbleiter- und Pharmaindustrie (bis zu 60 % der Anwendungen) eingeführt, was zum Teil auf die Einschränkungen der Pneumatik zurückzuführen ist. Die folgenden Merkmale dieser Technologie helfen dabei, ihre zunehmende Popularität zu erklären:

Genauigkeit auf a T (gleich oder kleiner als 0,1 mm); Schnelle Wiederholungsfrequenz (über 100 Hertz pro Minute); Mögliche Anwendung in unberührten, streng kontrollierten Umgebungen (kein Austreten von Luft, Feuchtigkeit oder Schmiermitteln erlaubt); Komplexe Vorgänge erfordern programmierbare Bewegungen.

Die Hauptnachteile von Linearmotoren sind:

Im Vergleich zu Pneumatik und anderen elektrischen Technologien sind sie recht teuer.

Aufgrund ihrer Größe und ihres hohen Gewichts lassen sie sich nur schwer in typische Maschinen einbauen.

Im Vergleich zu pneumatischen und elektromechanischen Aktuatoren ist ihre Kraftdichte gering.

Thermische und magnetische Aktuatoren, die in Festkörpermaterialien aktiviert werden können, haben in der Industrie Anwendung gefunden. Thermische Aktuatoren, die durch den Joule-Effekt aktiviert werden, sind klein, leicht, kostengünstig und haben eine hohe Leistungsdichte. In diesen Aktuatoren (MSMAs) kommen Formgedächtnislegierungen (SMAs) und magnetische Formgedächtnislegierungen (MSMs) zum Einsatz.

Um eine Bewegung auszuführen, muss ein mechanischer Aktuator eine Art von Bewegung, wie z. B. Drehbewegungen, in eine andere Art von Bewegung, wie z. B. lineare Bewegung, umwandeln. Ein Zahnstangenmechanismus dient zur Veranschaulichung. Kombinationen von Strukturbauteilen, wie Zahnräder und Schienen oder Riemenscheiben und Ketten, sind die Basis für den Betrieb mechanischer Aktuatoren.

Die meisten aktuellen weichen Aktuatoren werden durch zeitaufwändige manuelle Fertigung von Geräten, Nachbearbeitung/Montage und mehrere Iterationen hergestellt, bevor die Fertigungsreife mit mehrstufigen Prozessen mit geringer Ausbeute wie Mikrospritzguss erreicht ist. Die derzeitigen Methoden zur Herstellung von weichen Aktuatoren sind mühsam und zeitaufwändig, daher suchen Wissenschaftler nach alternativen Herstellungsmethoden. So wird die Lücke zwischen dem Design und der Implementierung von Soft-Aktuatoren durch den Einsatz spezieller Soft-Systeme reduziert, die in einem einzigen Schritt durch Rapid-Prototyping-Methoden wie den 3D-Druck hergestellt werden können. Sie ermöglichen es auch, den gesamten Aktuator in eine einzige Struktur zu integrieren, ohne dass Fugen, Klebstoffe oder Befestigungselemente an der Außenseite erforderlich sind.

Da sie auf eine Vielzahl von Reizen reagieren, darunter Licht-, elektrische, magnetische, Wärme-, pH- und Feuchtigkeitsänderungen, sind Formgedächtnispolymer (SMP)-Aktuatoren den menschlichen Muskeln am ähnlichsten. Intelligente Materialien und die Kombination verschiedener Materialien unter Verwendung fortschrittlicher Fertigungstechnologie haben dazu beigetragen, ihre Mängel wie Ermüdung und langsame Reaktionszeit zu beheben. Mit der Einführung von 3D-Druckern hat sich eine neue Methode eröffnet, um kostengünstige, reaktionsschnelle SMP-Aktuatoren herzustellen. SMP durchläuft einen Prozess, der als Formgedächtniseffekt bekannt ist, wenn es Umweltreizen wie Hitze, Feuchtigkeit, elektrischem Input, Licht oder Magnetfeld (SME) ausgesetzt wird. Geringe Dichte, hohe Stammrückgewinnung, Biokompatibilität und...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 3.1.2025
• Übersetzer: Daniel Hueber
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• ISBN-10: 0-00-069687-0 / 0000696870
• ISBN-13: 978-0-00-069687-8 / 9780000696878