DE102008058604A1 - For Natural muscle's movement behavior simulation device for e.g. robot arm, has mechanical energy source arranged parallel to damping member, where damping member regulates force delivered by device to load - Google Patents

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Abstract

The device has a mechanical energy source (2) and an elastic element e.g. mechanical tension spring (3), arranged in series. The mechanical energy source is arranged parallel to a damping member (6) e.g. magneto-rheological damper and hydro-pneumatic suspension system, that regulates force (5) delivered by the device to a load. The mechanical energy source comprises electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, electric motor, a drive using metal hydride as a working medium, a drive using shape memory alloy as a working medium, or a drive using organic materials as a working medium.

Description

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.The The invention relates to a device for simulating the movement behavior a natural muscle with which this movement behavior in terms of elasticity and damping as possible Really should be reshaped, so this actuator in his Effect can be used as an artificial muscle. This is intended for both small or large travel ranges as well as for the generation of small or large ones Forces of the actuator apply.

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 Durchführung und reduzieren die Belastung der Elemente.human and animal muscle is characterized by compliance and by a load-dependent damping behavior. These features make it easier to control the movement, increase it the efficiency of the implementation and reduce the burden of the elements.

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.Generally is expected to be due to muscle-like drives Properties improves the performance of technical systems can be. This is especially true for robotic arms, running machines and prostheses.

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.Actuators with hyperbolic dependence of the force-velocity characteristics and integrated compliance are known (for example B. Hannaford, K. Jaax, G. Klute: Bio-Inspired Actuation and Sensing, Autonomous Robots, vol. 11, 2001, 267-272 However, a dynamic adaptation of the muscle properties to the requirements of the movement system is not realized therein. Among other things, this is due to the fact that the force to be generated is predetermined and only a strain signal is measured in series with the engine (simulation of the stretch reflex, not of the muscle properties themselves). However, drives with both load and strain as well as strain rate-dependent properties of isolated natural muscles have not been disclosed. In particular, the properties of the existing drive elements and their interaction limit such a reproduction of the property combination.

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. Full, 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.By using materials that change their extent depending on voltages or currents, drives can be made. Dielectric polymers are a known example (e.g. R. Pelrine, RD Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, OH Seajin, J. Eckerle, RJ Full, MA Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomeric 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 However, these are usually very stiff and inelastic and therefore unsuitable for the construction of muscle-like drives.

Weiterhin bekannt sind mechano-chemische Antriebe durch Interkalationsmaterialien ( US 6,577,039 ), welche die Energieumwandlung (von chemisch zu mechanisch) lebender Organismen nachbilden.Mechano-chemical drives are also known through intercalation materials ( US 6,577,039 ), which simulate the energy conversion (from chemical to mechanical) of living organisms.

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. Full, 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. Full, 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 ).The use of plastics can cause a material-dependent compliance and damping at least in a limited range ( R. Pelrine, RD Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, OH Seajin, J. Eckerle, RJ Full, MA Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomeric 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 ). However, both properties are not sufficient for the known materials in their combination of the nachzubildenden properties of natural muscles; this applies in particular to their different-order damping coefficients (hyperbolic: decreases with increasing speed), which is also too low for the low frequencies dominant for motion systems ( R. Pelrine, RD Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, OH Seajin, J. Eckerle, RJ Full, MA Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomeric 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 C1 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 an 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 führt.Pneumatic artificial muscles (with plaited shell: "McKibben muscles"), eg. Eg Festo-Mas ( DE 100 52 663 C1 with references given there), produce a maximum shortening of 30% (ie, not more than half of the values of natural muscles) and yield elastically under load. Damping properties in contractions have also been demonstrated ( T. Kerscher, J. Albiez, JM Zöllner, R. Dillmann: Evaluation of the Dynamic Modeling of Fluidic Muscles Using Quick Release, Proceedings of the First IEEE / RAS-EMBS International Conference to 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 ). The force-velocity characteristic is even hyperbolic in this special contraction situation (quick-release at fixed pressure), but the hystereses in realistic load situations (strain-shortening cycles) are high even at unusually low speeds ( Lecture by Ivo Boblan, Technical University Berlin, at the Friedrich-Schiller-University Jena on 15.10.2008 ). In addition, the damping is too low, resulting in dynamic loads to strong vibrations.

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).In a study on the structure of an artificial muscle ( GK Klute, JM Czerniecki, B. Hannaford: Artificial muscles: actuators for biorobotic systems, The International Journal of Robotics Research, vol. 21, 2002, 295-309 ), a damper element was used in parallel with a "McKibben's muscle" (both in series with a chord), but with the damping coefficient not controlled as in the present invention. As a result, the force-velocity behavior of the actuator thus assembled was not hyperbolic as in the real muscle, but exhibits a precisely reversed curvature (ie, low damping at rest and high damping at high contraction speed).

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 nicht-konstante 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.Meanwhile, there are "McKibben muscles" that have a hybernoid force-velocity curve ( B. Tondu: Artificial Muscles for Humanoid Robots, in: Humanoid Robots, Human-like Machines, Ed. M. Hackel, I-Tech Education and Publishing, Vienna, Austria, 2007 ,). However, there remain the following principal problems inherent in "McKibben's muscle" technology: they show non-constant volumes (large broadening) on contraction, and clear hystereses even at very low speeds, have lower maximum shortening pathways than the real muscle energetically inefficient compared to other technologies (among others, although its weight is low, but the weight is increased many times by the connection end pieces) and the moving substrate has only limited autonomy, as gas volumes consuming (including additional mass) must be transported.

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 waren.Are known further pneumatic ( US 6,684,754 ) and hydraulic ( US 6,168,634 ; US 5,021,064 ) Actuators. However, according to their nature, neither the elasticity nor the damping behavior are defined in these, nor is it intended that these properties should be adjustable and thus scalable according to the size (mass) of the movement system to be driven, nor do the abovementioned patents provide instructions as to how to adjust these variables - and scalable.

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 ).Electric motors can be coupled with spring elements to produce elastic behavior. The torque-speed characteristics can be considered as equivalent to the force-velocity curve. In particular, electromagnetic and / or electrostatic drives show in principle hyperbolic torque-speed characteristics ( T. Frank, C. Schilling: The development of cascadable microdrives with muscle-like operating behavior, 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.In usually the fast rotating electric motors with gears Combined, giving moments and speeds to running machines and robots are adjusted to usual values. The with the Prevent geared friction and inertia muscle-like performance though.

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.Direct-drive motors, Those who do without gearboxes achieve high torques at high speeds Speed, so show a reverse course of the torque / (force) speed - / (speed) characteristic compared to the force-speed relation of natural Muscles. They also have a large size.

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.In modern prosthetics, motors are combined with damping elements in order to achieve movements that are as natural as possible ( SK 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 this context, drives with muscle-like movement behavior would be very beneficial. In the professional world, however, nothing has become known about this.

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.Flexible, muscle-like, balloon-like drives (eg US 6,067,892 . US 6,223,648 ) allow larger contraction pathways than the aforementioned pneumatic [McKibben] muscles. With regard to the muscle properties, the properties of the resulting drive are not precisely defined; flexible adaptation to requirements is only possible to a very limited extent.

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 ).In US 7,264,289 For example, a mechanism is proposed for sequencing several muscle-like drives. Scalability is not given here. Also known are muscle-like drives for controlling valves in engines ( 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 ).In addition, there are a variety of other types of drives that can be used as a mechanical energy source for actuators, such as hydraulic drives (such US 7,284,374 ; US 6,868,773 ) as well as polymer drives that convert electrical energy into mechanical energy (eg 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 ).Also known drives with metal hydride as a working medium (eg. US 6,405,532 ), mechanical energy sources, represented by shape memory alloys, whose properties are close to those of a contractile element in the natural muscle (eg. US 5,092,901 ) and organic materials that can serve as a mechanical energy source (for example 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.In summary It must be noted that all these drives no load-dependent movement behavior exhibit how they are from the properties of natural muscle are known. Also in the professional world are no measures known to such actuators with related movement characteristics equip.

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.Devices are also known which can be switched between complete elasticity and elasticity coupled with damping properties (eg. US 4,673,169 ). These are used in particular for suspensions of vehicle engines.

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.Furthermore, devices are generally known which vary the damping properties as a function of force (for example, a hydropneumatic suspension system according to US Pat US 5,344,124 ). Nothing has become known about their use, in particular to impart natural muscle movement properties to actuators for robot arms, running machines and prostheses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prinzipaufbau eines Aktuators zu schaffen, der hinsichtlich Elastizität und Lastabhängigkeit dem Bewegungsverhalten 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.Of the Invention is based on the object, a basic structure of a To create actuator that respects elasticity and Load dependence on the movement behavior of a natural Muskels corresponds and the most aufwandgering as well as with as few elements as possible for both big ones as well as for small artificial muscles and through these manipulated paths to be manipulated can be technically implemented.

Die Vorrichtung zur Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels, besteht in an sich bekannter Weise aus einer mechanischen Energiequelle (Motor), beispielsweise einem elektromechanischen, 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.The Device for simulating the movement behavior of a natural Muskels, consists in a conventional manner of a mechanical energy source (Engine), for example, an electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, and at least one for mechanical Energy source connected in series elastic element, z. Legs mechanical tension spring. According to the proposal is the mechanical energy source an attenuator in parallel switched, that of the force, which the entire device as an actuator (artificial muscle) to one of this too moving load is regulated.

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.On surprising low-cost manner, in particular with only a few elements, is an actuator principle structure allows the movement behavior a natural muscle with high robustness and movement stability shows and in the load-dependent controls for Such a movement behavior already takes place directly in the actuator. It is already at the lowest level of motion generation (in the actuator itself) in terms of damping and elasticity creates a movement that is a natural muscle corresponds or comes very close to such a movement behavior.

Mit den besagten ausgesprochen wenigen Elementen und deren Dimensionierung 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.With the said very few elements and their sizing and coordination can also increase the elasticity and set the load-dependent response of the actuator so be, that so that the actuator on the one hand, as mentioned above, with least effort and on the other hand with minimal deviations between theoretical requirements and requirements as well as their practical Implementation for both big and for small artificial muscles realized in the technique and the connection to a substrate to be manipulated (eg prosthesis, Robot) with the desired typical loads and travel ranges can be scaled accordingly.

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.These technical implementation regarding elasticity, damping and scalability is possible in the proposed basic structure, in what way and by what means the individual elements (mechanical energy source, steamed elastic element as well as the force-controlled feedback damping according to the invention the mechanical energy source) are specially designed. In the subclaims examples are given without however, to limit the scope of the invention to these.

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.In addition, devices such as z. B. by US 5,648,709 (Control method and control apparatus for controlling the output path and dynamic characteristics of a non-linear system) are described, used for higher control tasks appropriate. The invention provides the prerequisite for control and regulation principles, as they are to be found abundantly in biology and which have developed in close evolutionary interlocking with the actuator "muscle" as well as its movement economy and dynamic stability, in the simplest possible way to technical systems can be transmitted.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to an embodiment be explained in more detail.

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 symbolisiert ist, dessen Länge der Außenlänge la des künstlichen Muskels (Aktuator) entspricht.The drawing shows the basic arrangement of an actuator for the simulation of the movement behavior of a natural muscle according to the invention 1 is symbolized at the top of the picture for better understanding additionally the natural muscle to be replicated, whose length corresponds to the outer length l a of the artificial muscle (actuator).

Eine in der Figur ebenfalls dargestellte innere Länge li des künstlichen Muskels bildet einen zur Außenlänge la 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.An also illustrated in the figure inside length l i of the artificial muscle forming the outer length l a additional and independent mechanical degree of freedom for a motor 2 , in the technical implementation of any mechanical energy source, such as a elektromechani rule, hydraulic or pneumatic drive represented.

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 Prinzip anordnung dargestellte Aktuator wirkt dadurch mit einer Kraft F auf die besagte anliegende äußere Last.The motor 2 as a mechanical energy source transmits its mechanical work generally via a visco-elastic element (represented by parallel connection of a spring 3 as an elastic element and an attenuator 4 ) to the load applied to the artificial muscle (not explicitly shown in the figure for reasons of clarity). The visco-elastic element (spring 3 and attenuator 4 ) in series with the engine 2 can be realized for example by a technical tension spring. The arrangement shown by the principle shown actuator thereby acts with a force F to said adjacent external load.

Diese Kraft 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.This force F on the load to be moved by the artificial muscle acts in a feedback 5 (symbolized by an arrow) according to the invention to a motor 2 parallel and in size controllable attenuator 6 , where the arrow of the attenuator 6 should symbolize the variable with this feedback control variable attenuation.

Bei motorischer Veränderung der inneren Länge li 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 Kraft F des Aktuators als künstlicher Muskel.When the internal length l i is changed by a motor, mechanical energy is thus dissipated (the attenuator depending on the force F of the artificial muscle acting on the load 6 parallel to the engine 2 acts as a controllable energy sink). The engine 2 Parallel damping increases with increasing force F of the actuator as an artificial muscle.

Als Dämpfungsglied 6 findet beispielsweise ein magneto-rheologischer Dämpfer Verwendung.As attenuator 6 For example, a magneto-rheological damper is used.

11
natürlicher Muskelnaturally muscle
22
Motorengine
33
Federfeather
44
Dämpfungsgliedattenuator
55
Rückkopplung von der Kraft F zum steuerbaren Dämpfungsglied 6 Feedback from the force F to the controllable attenuator 6
66
von der Kraft F des künstlichen Muskels (Aktuator) abhängiges Dämpfungsgliedfrom the force F of the artificial muscle (actuator) dependent attenuator
la l a
Außenlänge des Aktuators (entspricht der Länge des im Bewegungsverhalten nachzubildenden natürlichen Muskels 1)External length of the actuator (corresponds to the length of the natural muscle to be simulated in the movement behavior 1 )
li i
innere Länge des Aktuatorsinner Length of the actuator
FF
Kraft, mit welcher der künstliche Muskel (Aktuator) auf eine äußere Last wirktForce, with which the artificial muscle (actuator) on an outer Last acts

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Claims (10)

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.Device for simulating the movement behavior of a natural muscle, consisting of a mechanical energy source (motor), for example, an electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, as well as from a connected in series elastic element, for. B. a mechanical tension spring, characterized in that the mechanical energy source ( 2 ) a force delivered by the device to the load ( 5 ) controlled attenuator ( 6 ) is connected in parallel. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ein elektrischer Motor 2 eingesetzt wird.Device according to claim 1, characterized in that as mechanical energy source an electric motor 2 is used. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein pneumatischer Antrieb eingesetzt wird.Device according to claim 1, characterized in that as a mechanical energy source ( 2 ) a pneumatic drive is used. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein hydraulischer Antrieb Verwendung findet.Device according to claim 1, characterized in that as a mechanical energy source ( 2 ) a hydraulic drive is used. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Polymerantrieb genutzt wird.Device according to claim 1, characterized in that as a mechanical energy source ( 2 ) a polymer drive is used. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit Metallhydrid als Arbeitsmedium eingesetzt wird.Device according to claim 1, characterized in that as a mechanical energy source ( 2 ) a drive with metal hydride is used as the working medium. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit Formgedächtnislegierung als Arbeitsmedium eingesetzt wird.Device according to claim 1, characterized in that as a mechanical energy source ( 2 ) A shape memory alloy drive is used as the working medium. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit organischen Stoffen als Arbeitsmedium eingesetzt wird.Device according to claim 1, characterized in that as a mechanical energy source ( 2 ) a drive with organic substances is used as the working medium. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied (6) ein magneto-rheologischer Dämpfer verwendet wird.Device according to claim 1, characterized in that as an attenuator ( 6 ) a magneto-rheological damper is used. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied (6) ein hydropneumatisches Federungssystem verwendet wird.Device according to claim 1, characterized in that as an attenuator ( 6 ) a hydropneumatic suspension system is used.
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HANNFORD,B.,et.al.:Bio-Inspired cctuation and sensing,Autonomous Robots,Vol.11,2001,S.267-272 S.268,Sp.1,Z.8-12 NORITSUGU,T.,et.al.:Improvement of Control Performance of Pneumatic Rubber Artificial Muscle Manipulator by Using Electroreological Fluid Damper.In:International Conference on Systems, Man and Cybernetics,S.788-793 Fig.2 Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuators,IEEE Control Systems Magazine, 2000,Vol.20,No.2,S.15-38 KLUTE,G.K.:Artificial muscles:actuators for biorobotic Systems, the International Journal of Robotics Research, Vol.21,2002,S.295-309 S.301,302 FRANK,T.,SCHILLING,C.:The development of cascadable microdrives with muscle-like operating behavior, J.Micromech. Microeng., 8,1998,S.222-229 Fig.2
KLUTE,G.K.:Artificial muscles:actuators for biorobotic Systems, the International Journal of Robotics Research, Vol.21,2002,S.295-309 $S.301,302$ *
Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuators,IEEE Control Systems Magazine, 2000,Vol.20,No.2,S.15-38 *
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