Self-Sensing-Aktor auf Basis von Formgedächtnislegierungen : Fraunhofer Geschäftsbereich Adaptronik

Self-Sensing-Aktor auf Basis von Formgedächtnislegierungen

Motivation

Der aktorische Einsatz thermischer Formgedächtnislegierungen (FGL) rückt aufgrund der deutlichen Verbesserungen der Werkstoffeigenschaften immer mehr in den Fokus der anwendungsorientierten Forschung. Die Hauptvorteile sind dabei in dem hohen spezifischen Arbeitsvermögen im Vergleich zu anderen Aktorprinzipien und der sehr guten strukturellen Integrierbarkeit zu sehen. Neben den Möglichkeiten des Einsatzes derartiger Aktoren im Bereich der Werkzeugmaschinen und der Fahrzeugtechnik, welche zwei Schwerpunkte des Fraunhofer IWU darstellen, erlauben die Formgedächtnismaterialien auch medizintechnische Applikationen. Aktuell werden thermische FGL auf ihre Anwendung als Aktoren für die Exoprothetik untersucht. Das Hauptanliegen der Arbeiten am Fraunhofer IWU ist hierbei die Entwicklung eines sensorlosen Antriebs- und Steuerungskonzeptes zur Ergänzung vorhandener Antriebssysteme von Fremdkraftprothesen.

Systembeschreibung

Die Grundlage des „Self-Sensing-Konzeptes“ stellt ein Modell dar, das hinreichend genau das dynamische, das stationäre und das thermische Verhalten der eingesetzten Aktoren beschreibt. Zur Steuerung der Fingerpositionen wird der lineare Zusammenhang zwischen elektrischem Widerstand und mechanischer Dehnung (Ω-Kennlinie) der eingesetzten Nickel-Titan-Kupfer-Legierung genutzt. Hierdurch ist es möglich, die Position der einzelnen Finger ohne externen Sensor über den Widerstand der Drahtaktoren zu erfassen. Die Datenverarbeitung und die Regelung der Aktoren werden auf einem dSpace-System realisiert. Da die elektrische Kontaktierung für die Leistungszufuhr zur Beheizung der Aktordrähte vorhanden ist, beschränkt sich der Aufwand für die Widerstandsmessung auf wenige zusätzliche elektrische Bauelemente. Ergänzt wird das Antriebs- und Steuerungskonzept durch einen automatischen Kalibriervorgang, welcher nach dem Einschalten die Widerstände der Aktoren an definierten Positionen misst und somit die Ω-Kennlinie ermittelt. Danach kann der Bediener die Fingerbewegungen über eine grafische Oberfläche vorgeben. Das Resultat der Entwicklung stellt einen Greifmechanismus auf Basis eines „Self-Sensing-Aktors“ dar und bietet verschiedene Ansätze zur Ergänzung vorhandener Antriebssysteme im Bereich der Exoprothetik und Orthetik. Neben den rein medizintechnischen Anwendungen besteht auch die Möglichkeit des Einsatzes der NiTiCu-Aktoren in anderen interdisziplinären Gebieten. Sie bieten aufgrund ihrer hohen spezifischen Arbeitsdichte und der damit verbundenen kompakten Bauweise vielfältige Integrationsmöglichkeiten in vorhandene Systeme. Potentielle Einsatzfelder liegen im Bereich der technischen Greifer für Industrieroboter oder auch möglicher zukünftiger Serviceroboter.

Bild 3: Volumenspezifisches Arbeitsvermögen ausgewählter Aktorprinzipien

Projekte