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SCHMITT, Syn (Friedrich-Hartmann-Str. 23, Weil der Stadt, 71263, DE)
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| Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels, bestehend aus einer mechanischen Energiequelle (Motor), beispielsweise einem elektromechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, sowie aus einem zu dieser in Reihe geschalteten elastischen Element, z. B. einer mechanischen Zugfeder, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanischen Energiequelle (2) ein von der Vorrichtung an die Last abgegebenen Kraft (5) geregeltes Dämpfungsglied (6) parallel geschaltet ist. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ein elektrischer Motor 2 eingesetzt wird. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein pneumatischer Antrieb eingesetzt wird. 4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein hydraulischer Antrieb Verwendung findet. 5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Polymerantrieb genutzt wird. 6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit Metallhydrid als Arbeitsmedium eingesetzt wird. 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit Formgedächtnislegierung als Arbeitsmedium eingesetzt wird. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit organischen Stoffen als Arbeitsmedium eingesetzt wird. 9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied (6) ein magneto-rheologischer Dämpfer verwendet wird. 10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied (6) ein hydropneumatisches Federungssystem verwendet wird. |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels, mit welcher dieses Bewegungsverhalten hinsichtlich Elastizität und Dämpfung möglichst reell nachgestaltet werden soll, so dass dieser Aktuator in seiner Wirkung als künstlicher Muskel eingesetzt werden kann. Dies soll sowohl für kleine oder große Stellwege als auch für die Erzeugung kleiner oder großer Kräfte des Aktuators zutreffen.
Menschliche und tierische Muskulatur zeichnet sich durch Nachgiebigkeit und durch ein lastabhängiges Dämpfungsverhalten aus. Diese Eigenschaften erleichtern die Kontrolle der Bewegung, erhöhen die Effizienz der Durchfuhrung und reduzieren die Belastung der Elemente.
Allgemein wird erwartet, dass durch Antriebe mit muskelähnlichen Eigenschaften die Performanz auch technischer Systeme verbessert werden kann. Dies gilt insbesondere für Roboterarme, Laufmaschinen und Prothesen.
Antriebe mit hyperbolischer Abhängigkeit der Kraft- Geschwindigkeitskennlinien und integrierter Nachgiebigkeit sind bekannt (beispielsweise B. Hannaford, K. Jaax, G. Klute: Bio-Inspired actuation and sensing, Autonomous Robots, vol. 11, 2001, 267-272), eine dynamische Anpassung der Muskeleigenschaften an die Anforderungen des Bewegungssystems ist darin allerdings nicht realisiert. Hier liegt dies u. a. daran, dass die zu erzeugende Kraft vorgegeben wird und nur ein Dehnungssignal in Serie zum Motor gemessen wird (Nachbildung des Dehnungsreflexes, nicht der Muskeleigenschaften selbst). Antriebe mit sowohl Last- als auch Dehnungs- als auch Dehnungsgeschwindigkeits-abhängigen Eigenschaften isolierter natürlicher Muskeln sind allerdings nicht bekannt geworden. Insbesondere limitieren die Eigenschaften der vorhandenen Antriebselemente und deren Wechselwirkung eine solche Reproduktion der Eigenschaftskombination. Durch Verwendung von Materialen, die ihre Ausdehnung in Abhängigkeit von Spannungen oder Strömen ändern, können Antriebe hergestellt werden. Dielektrische Polymere sind ein bekanntes Beispiel (z. B. R. Pelrine, R. D. Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, O. H. Seajin, J. Eckerle, R. J. Füll, M. A. Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomer artificial muscle actuators: toward biomimetic motion, Conference Paper, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. Proceedings of Spie - the International Society for Optical Engineering, vol. 4695, 2002, pp. 126-37, USA, die allerdings meist sehr steif und inelastisch sind und daher für den Aufbau muskelähnlicher Antriebe ungeeignet sind.
Weiterhin bekannt sind mechano-chemische Antriebe durch Interkalationsmaterialien (US 6,577,039), welche die
Energieumwandlung (von chemisch zu mechanisch) lebender Organismen nachbilden.
Die Verwendung von Kunststoffen kann dabei zumindest in einem begrenzten Bereich eine materialabhängige Nachgiebigkeit und Dämpfung bewirken (R. Pelrine, R. D. Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, O. H. Seajin, J. Eckerle, R. J. Füll, M. A. Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomer artificial muscle actuators: toward biomimetic motion, Conference Paper, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. Proceedings of Spie - the International Society for Optical Engineering, vol. 4695, 2002, USA, 126-37). Beide Eigenschaften reichen aber für die bekannten Materialen in ihrer Kombination nicht an die nachzubildenden Eigenschaften natürlicher Muskeln heran; das gilt insbesondere für deren andersgerichteten Dämpfungskoeffizienten (hyperbolisch: sinkt mit zunehmender Geschwindigkeit), der zudem bei den für Bewegungssysteme dominanten tiefen Frequenzen zu gering ist (R. Pelrine, R. D. Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, O. H. Seajin, J. Eckerle, R. J. Füll, M. A. Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomer artificial muscle actuators: toward biomimetic motion, Conference Paper, SPIE- Int. Soc. Opt. Eng. Proceedings of Spie - the International Society for Optical Engineering, vol. 4695, 2002, USA, 126-37). Pneumatische künstliche Muskeln (mit geflochtener Hülle:„McKibben- Muskeln"), z. B. Festo-Mas (DE 100 52 663 Cl mit dort angegebenen Literaturstellen), erzeugen Verkürzungen von maximal 30 % (d. h. nicht mehr als die Hälfte der Werte natürlicher Muskeln) und geben bei Belastung elastisch nach. Auch Dämpfungseigenschaften bei Kontraktionen konnten inzwischen nachgewiesen werden (T. Kerscher, J. Albiez, J. M. Zöllner, R. Dillmann: Evaluation of the dynamic modeling of fluidic muscles using quick-release, Proceedings of the first IEEE/RAS -EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2006, 637-642; B. Tondu, P. Lopez: Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuators, IEEE Control Systems Magazine, 2000, vol.20, no.2, 15-38). Die Kraft- Geschwindigkeits-Charakteristik ist in dieser speziellen Kontraktionssituation (quick-release bei festem Druck) sogar hyperbolisch, jedoch sind die Hysteresen in realistischen Belastungssituationen (Dehnungs-Verkürzungs-Zyklen) schon bei unbrauchbar geringen Geschwindigkeiten hoch (Vortrag von Ivo Boblan, Technische Universität Berlin, an der Friedrich-Schiller-Universität Jena am 15.10.2008). Zudem ist die Dämpfung zu gering, was bei dynamischen Belastungen zu starken Schwingungen fuhrt.
In einer Studie zum Aufbau eines künstlichen Muskels (G. K. Klute, J. M. Czerniecki, B. Hannaford: Artificial muscles: actuators for biorobotic Systems, The International Journal of Robotics Research, vol.21, 2002, 295-309) wurde ein Dämpferelement parallel zu einem „McKibben-Muskel" eingesetzt (beide in Serie zu einer Sehne), dessen Dämpfungskoeffizient jedoch nicht wie bei vorliegender Erfindung geregelt wurde. Im Ergebnis war das Kraft-Geschwindigkeits-Verhalten des so zusammengesetzten Aktuators nicht hyperbolisch wie beim realen Muskel, sondern zeigt eine exakt umgekehrte Krümmung (d. h. niedrige Dämpfung in Ruhe und hohe Dämpfung bei hoher Kontraktionsgeschwindigkeit) .
Mittlerweile gibt es„McKibben-Muskeln", die eine hyberbolische Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinie haben (B. Tondu: Artificial Muscles for Humanoid Robots, in: Humanoid Robots, Human-like Machines, ed. M. Hackel, I-Tech Education and Publishing, Wien, Austria, 2007,). Es bleiben jedoch folgende prinzipielle Probleme, welche der„McKibben- Muskel"-Technologie inhärent sind: sie zeigen bei Kontraktion nichtkonstante Volumina (starke Verbreiterung) und schon bei sehr geringen Geschwindigkeiten deutliche Hysteresen, haben geringere maximale Verkürzungswege als der reale Muskel, arbeiten energetisch ineffizient im Vergleich zu anderen Technologien (u. a. ist zwar ihr Eigengewicht niedrig, das Gewicht wird jedoch von den Anbindungsendstücken um ein Vielfaches erhöht) und das bewegte Substrat besitzt nur eingeschränkte Autonomität, da Gasvolumina aufwendig (u. a. zusätzliche Masse) mittransportiert werden müssen.
Bekannt sind weitere pneumatische (US 6,684,754) und hydraulische (US 6,168,634; US 5,021,064) Aktuatoren. Allerdings sind ihrem Wesen entsprechend bei diesen weder die Elastizizät noch das Dämpfungsverhalten definiert, noch ist vorgesehen, dass diese Eigenschaften dort einstellbar und damit entsprechend der Größe (Masse) des anzutreibenden Bewegungssystems skalierbar sein sollen, noch liefern die genannten Patente Anweisungen, wie diese Größen einstell- und skalierbar zu machen wären.
Elektromotoren können mit Federelementen gekoppelt werden, um elastisches Verhalten zu erzeugen. Die Drehmoment-Drehzahlkennlinien können als Äquivalent zur Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie gewertet werden. Insbesondere elektromagnetische und/oder elektrostatische Antriebe zeigen prinzipiell hyperbolische Drehmoment- Geschwindigkeits-Kennlinien (T. Frank, C. Schilling: The development of cascadable microdrives with muscle-like operating behaviour, J. Micromech. Microeng. 8, 1998, 222-229).
In der Regel werden die schnell drehenden Elektromotoren mit Getrieben kombiniert, so dass Momente und Geschwindigkeiten den bei Laufmaschinen und Robotern üblichen Werten angepasst sind. Die mit den Getrieben verbundenen Reibungen und Trägheiten verhindern allerdings muskelähnliche Performanz. Direct-Drive-Motoren, die ohne Getriebe auskommen, erreichen hohe Drehmomente bei hoher Drehzahl, zeigen also einen umgekehrten Verlauf der Drehmoment-/(Kraft)-Drehzahl-/(Geschwindigkeits- )Charakteristik gegenüber der Kraft-Geschwindigkeits-Relation natürlicher Muskeln. Sie haben darüber hinaus eine hohe Baugröße.
In der modernen Prothetik werden Motoren mit Dämpfungselementen kombiniert, um möglichst naturnahe Bewegungen zu erreichen (S. K. Au et al.: Powered ankle-foot prosthesis for the improvement of amputee ambulation, Engineering in Medicine and Biology Society, 29th Annual International Conference of the IEEE 22-26 Aug. 2007, 3020-3026). In diesem Zusammenhang wären Antriebe mit muskelartigem Bewegungsverhalten sehr vorteilhaft. In der Fachwelt ist hierüber jedoch nichts bekannt geworden.
Flexible muskelähnliche, ballonartige Antriebe (z. B. US 6,067,892, US 6,223,648) erlauben größere Kontraktionswege als die vorgenannten pneumatischen [McKibben] -Muskeln. Bezogen auf die Muskeleigenschaften sind die Eigenschaften des resultierenden Antriebs nicht genau definiert, eine flexible Anpassung an Anforderungen ist nur sehr eingeschränkt möglich.
In US 7,264,289 wird ein Mechanismus vorgeschlagen, wie mehrere muskelähnliche Antriebe hintereinandergeschaltet werden können. Eine Skalierbarkeit ist dabei allerdings nicht gegeben. Ebenfalls bekannt sind muskelähnliche Antriebe zur Steuerung von Ventilen in Motoren (US 6,830,019).
Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von weiteren Antriebsarten, die als mechanische Energiequelle für Aktuatoren eingesetzt werden können, beispielsweise hydraulische Antriebe (wie US 7,284,374; US 6,868,773) sowie Polymerantriebe, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln (z. B. US 6,940,211; US 6,909,220; US 6,194,073; US 5,976,648).
Bekannt sind auch Antriebe mit Metallhydrid als Arbeitsmedium (z. B. US 6,405,532), mechanische Energiequellen, repräsentiert durch Formgedächtnislegierungen (shape memory alloy), die in ihren Eigenschaften denen eines kontraktilen Elements im natürlichen Muskel nahe kommen (z. B. US 5,092,901) und organische Materialien, die als mechanische Energiequelle dienen können (beispielsweise US 7,128,707; US 6,921,360; US 6,781,284; US 6,749,556).
Zusammenfassend muss festgestellt werden, dass alle diese Antriebe kein lastabhängiges Bewegungsverhalten aufweisen, wie sie von den Eigenschaften natürlicher Muskel bekannt sind. Auch sind in der Fachwelt keine Maßnahmen bekannt, um solche Aktuatoren mit diesbezüglichen Bewegungseigenschaften auszustatten.
Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, die zwischen vollständiger Elastizität und Elastizität, gekoppelt mit Dämpfungseigenschaft, umschaltbar sind (z. B. US 4,673,169). Diese kommen insbesondere für Aufhängungen von Fahrzeugmotoren zum Einsatz.
Ferner sind allgemein Vorrichtungen bekannt, die kraftabhängig die Dämpfungseigenschaften verändern (z. B. ein hydropneumatisches Federungssystem gemäß US 5,344,124).
Über deren Verwendung, um insbesondere Aktuatoren für Roboterarme, Laufmaschinen und Prothesen Bewegungseigenschaften natürlicher Muskel zu verleihen, ist nichts bekannt geworden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prinzipaufbau eines Aktuators zu schaffen, der hinsichtlich Elastizität und Lastabhängigkeit dem Bewegungs verhalten eines natürlichen Muskels entspricht und der möglichst aufwandgering sowie mit möglichst wenigen Elementen sowohl für große als auch für kleine künstliche Muskeln und durch diese zu manipulierende Stellwege technisch umgesetzt werden kann.
Die Vorrichtung zur Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels, besteht in an sich bekannter Weise aus einer mechanischen Energiequelle (Motor), beispielsweise einem elektro- mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, sowie aus wenigstens einem zur mechanischen Energiequelle in Reihe geschalteten elastischen Element, z. B. eine mechanische Zugfeder. Vorschlagsgemäß ist der mechanischen Energiequelle ein Dämpfungsglied parallel geschaltet, das von derjenigen Kraft, welche die gesamte Vorrichtung als Aktuator (künstlicher Muskel) an eine von diesem zu bewegende Last abgibt, geregelt wird.
Auf überraschend aufwandgeringe Weise, insbesondere mit nur wenigen Elementen, wird ein Aktuator-Prinzipaufbau ermöglicht, der das Bewegungsverhalten eines natürlichen Muskels mit hoher Robustheit und Bewegungsstabilität zeigt und bei dem belastungsabhängige Steuerungen für ein solches Bewegungsverhalten bereits unmittelbar im Aktuator erfolgen. Es wird bereits auf der niedersten Ebene der Bewegungsgenerierung (im Aktuator selbst) in Bezug auf Dämpfung und Elastizität ein Bewegungsverhalten erzeugt, das einem natürlichen Muskel entspricht bzw. einem solchen Bewegungsverhalten sehr nahe kommt.
Mit den besagten ausgesprochen wenigen Elementen und deren Dimensionierang und Abstimmung aufeinander können zudem die Elastizität und die lastabhängige Reaktion des Aktuators so eingestellt werden, dass damit der Aktuator einerseits, wie vorgenannt, mit geringstem Aufwand und andererseits auch mit minimalen Abweichungen zwischen theoretischen Vorgaben und Erfordernissen sowie deren praktischer Umsetzung sowohl für große als auch für kleine künstliche Muskeln in der Technik realisiert und die Anbindung an ein zu manipulierendes Substrat (z. B. Prothese, Roboter) mit den gewünschten typischen Lasten und Stellwegen entsprechend skaliert werden kann.
Diese technische Umsetzung hinsichtlich Elastizität, Dämpfung und Skalierbarkeit ist in dem vorgeschlagenen Prinzipaufbau möglich, gleich auf welche Weise und durch welche Mittel die einzelnen Elemente (mechanische Energiequelle, gedämpftes elastisches Element sowie die erfindungsgemäße kraftgeregelte Rückkopplungsdämpfung der mechanischen Energiequelle) speziell ausgeführt sind. In den Unteransprüchen sind hierzu Beispiele genannt, ohne jedoch den Schutzumfang der Erfindung auf diese zu beschränken. Zusätzlich können Vorrichtungen, wie sie z. B. durch US 5,648,709 (Control method and control apparatus for Controlling Output path and dynamic characteristics of a non-linear System) beschrieben werden, für höhere Steuerungsaufgaben zweckmäßig Verwendung finden. Die Erfindung schafft die Voraussetzung dafür, dass Steuerungs- und Regelungsprinzipien, wie sie reichhaltig in der Biologie zu finden sind und die in enger evolutionärer Verzahnung mit dem Aktuator„Muskel" sowie dessen Bewegungsökonomie und dynamischer Stabilität entstanden sind, in möglichst einfacher Weise auf technische Systeme übertragen werden können.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Zeichnung stellt die Prinzipanordnung eines Aktuators zur erfindungsgemäßen Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels 1 dar, wobei oben im Bild zum besseren Verständnis zusätzlich der nachzubildende natürliche Muskel 1 symbolisiert ist, dessen Länge der Außenlänge l a des künstlichen Muskels (Aktuator) entspricht.
Eine in der Figur ebenfalls dargestellte innere Länge lj des künstlichen Muskels bildet einen zur Außenlänge l a zusätzlichen und unabhängigen mechanischen Freiheitsgrad für einen Motor 2, der in der technischen Umsetzung eine beliebige mechanische Energiequelle, beispielsweise einen elektromechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, repräsentiert.
Der Motor 2 als mechanische Energiequelle überträgt seine mechanische Arbeit generell über ein visko-elastisches Element (dargestellt durch Parallelschaltung einer Feder 3 als elastisches Element und eines Dämpfungsglieds 4) auf die am künstlichen Muskel anliegende Last (aus Übersichtsgründen in der Figur nicht explizit gezeigt). Das visko- elastische Element (Feder 3 und Dämpfungsglied 4) in Serie zum Motor 2 kann beispielsweise durch eine technische Zugfeder realisiert sein. Der durch die gezeigte Prinzipanordnung dargestellte Aktuator wirkt dadurch mit einer Kraft F auf die besagte anliegende äußere Last. Diese Kjraft F auf die durch den künstlichen Muskel zu bewegende Last wirkt in einer Rückkopplung 5 (symbolisiert durch einen Pfeil) erfindungsgemäß auf ein zum Motor 2 paralleles und in seiner Größe steuerbares Dämpfungsglied 6, wobei der Pfeil des Dämpfungsgliedes 6 das mit dieser Rückregelung veränderbare Dämpfungsmaß symbolisieren soll.
Bei motorischer Veränderung der inneren Länge lj wird somit abhängig von der auf die Last wirkenden Kraft F des künstlichen Muskels mechanische Energie dissipiert (das Dämpfungsglied 6 parallel zum Motor 2 wirkt als regelbare Energiesenke). Die zum Motor 2 parallele Dämpfung steigt mit wachsender Kjraft F des Aktuators als künstlicher Muskel.
Als Dämpfüngsglied 6 findet beispielsweise ein magneto-rheologischer Dämpfer Verwendung.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 - natürlicher Muskel
2 - Motor
3 - Feder
4 - Dämpfungsglied
5 - Rückkopplung von der Kraft F zum steuerbaren
Dämpfungsglied 6
6 - von der Kraft F des künstlichen Muskels (Aktuator)
abhängiges Dämpfungsglied
l a - Außenlänge des Aktuators (entspricht der Länge des im
Bewegungsverhalten nachzubildenden natürlichen Muskels 1) Ii - innere Länge des Aktuators
F - Kraft, mit welcher der künstliche Muskel (Aktuator) auf eine äußere Last wirkt