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Entwicklung einer funktionalisierten Strukturkomponente mit adaptiver Steifigkeit für die Soft-Robotik

 
: Wockenfuß, Wilhelm Richard
: Weisheit, Linda

Dresden, 2020, 138 S.
Dresden, TU, Dipl.-Arb., 2020
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IWU ()
programmierbare Materialien; adaptive Steifigkeit; Soft-Robotik; Vakuum

Abstract
Derzeitige Soft-Roboter besitzen meist nicht die nötige Steifigkeit zur Aufbringung ausreichend großer Kräfte und Momente. Zur Gewährleistung der inhärenten Sicherheit und Tragfähigkeit erscheint eine schaltbare Steifigkeit sinnvoll. Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Strukturkomponente mit schaltbarer Steifigkeit für die Realisierung neuer Greifer- und Bewegungskonzepte für die Soft-Robotik. Dazu werden geeignete Effekte und Materialien recherchiert, die anhand von definierten Anforderungen und Bewertungskriterien miteinander verglichen werden. Aufgrund der großen Steifigkeitsveränderungen, geringen Schalt-zeiten und geringen Form- und Volumenänderungen werden die Partikel-Stauung, Schicht-Stauung und Elektrostatik für eine vertiefende Bewertung ausgewählt. Mithilfe von analytischen, strukturmechanischen und experimentellen Untersuchungen werden die mechanischen und strukturellen Eigenschaften der Vorzugseffekte gegenübergestellt, um die Effekte abschließend zu priorisieren. Aufgrund der guten Eignung werden die Partikel- und Schicht-Stauung als Kombination für die Strukturentwicklung ausgewählt. Es erfolgt die Entwicklung und experimentelle Charakterisierung einer Strukturkomponente, die die gestellten Anforderungen erfüllt. Anhand einer rechnerischen Überführung wird herausgestellt, dass die Entwicklung im derzeitigen Stadium noch nicht für die Soft-Robotik einsetzbar ist. Deshalb werden konzeptionell geeignete Weiterentwicklungsmaßnahmen abgeleitet.

 

Current soft robots mostly lack the stiffness to apply sufficient loads. To ensure inherent safety and load capacity, an adjustable stiffness behavior seems promising. This thesis mainly focusses on the development of a structural component with adjustable stiffness for the realization of new gripper and motion concepts for soft robotics. Therefore, suitable effects and materials are researched and compared based on requirements and defined evaluation criteria. Providing high stiffness ratio, rapid stiffness control and low change in deformation and volume, the vacuum-based particle and layer jamming as well as the electrostatic layer jamming are found to be suitable for detailed investigations. Analytical, structural-mechanical and experimental investigations are made to compare and prioritize the effects regarding their structural and mechanical characteristics. Due to their best suited characteristics, a combination of the two vacuum-based jamming approaches is selected for the development of the structure. From there a structural component with adjustable stiffness, meeting the defined requirements, is developed and experimentally characterized. Mathematical calculations show that the development is not yet fully suitable to be applied in soft robotics. Therefore, appropriate measures for further developments are conceptually derived.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-589826.html

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