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

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

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DE102008058604A1
DE102008058604A1 DE200810058604 DE102008058604A DE102008058604A1 DE 102008058604 A1 DE102008058604 A1 DE 102008058604A1 DE 200810058604 DE200810058604 DE 200810058604 DE 102008058604 A DE102008058604 A DE 102008058604A DE 102008058604 A1 DE102008058604 A1 DE 102008058604A1
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DE
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mechanical
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drive
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DE200810058604
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German (de)
Inventor
Reinhard Prof. Dr. Blickhan
Michael Dr. Günther
Syn Dr. Schmitt
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Friedrich Schiller Universtaet Jena
Stuttgart Universitaet
Original Assignee
Friedrich Schiller Universtaet Jena
Stuttgart Universitaet
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1075Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with muscles or tendons

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

  • [0001]
    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. The invention relates to a device for simulating the movement behavior of a natural muscle with which this movement behavior is to be recreates real as possible with respect to elasticity and damping, so that this actuator may be used in its effect as an artificial muscle. Dies soll sowohl für kleine oder große Stellwege als auch für die Erzeugung kleiner oder großer Kräfte des Aktuators zutreffen. This should apply to both small and large travel ranges as well as for the production of small or large forces of the actuator.
  • [0002]
    Menschliche und tierische Muskulatur zeichnet sich durch Nachgiebigkeit und durch ein lastabhängiges Dämpfungsverhalten aus. Human and animal muscle is characterized by flexibility and by a load-dependent damping behavior. Diese Eigenschaften erleichtern die Kontrolle der Bewegung, erhöhen die Effizienz der Durchführung und reduzieren die Belastung der Elemente. These features facilitate the control of movement, increase the efficiency of implementation and reduce the burden of the elements.
  • [0003]
    Allgemein wird erwartet, dass durch Antriebe mit muskelähnlichen Eigenschaften die Performanz auch technischer Systeme verbessert werden kann. It is generally expected that the performance and technical systems can be improved by drives with muscle-like properties. Dies gilt insbesondere für Roboterarme, Laufmaschinen und Prothesen. This is especially true for robot arms, running machines and prostheses.
  • [0004]
    Antriebe mit hyperbolischer Abhängigkeit der Kraft-Geschwindigkeitskennlinien und integrierter Nachgiebigkeit sind bekannt (beispielsweise Drives with hyperbolic dependence of the force-velocity characteristics of and integrated compliance are known (for example, ), eine dynamische Anpassung der Muskeleigenschaften an die Anforderungen des Bewegungssystems ist darin allerdings nicht realisiert. ), A dynamic adaptation of the muscle properties to the requirements of the motor system is, however, not realized. Hier liegt dies ua 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). Again, this is partly because the force to be generated is specified and only one strain signal is measured in series with the motor (replica of the stretch reflex, not the muscle properties itself). Antriebe mit sowohl Last- als auch Dehnungs- als auch Dehnungsgeschwindigkeits-abhängigen Eigenschaften isolierter natürlicher Muskeln sind allerdings nicht bekannt geworden. Drives with both load and strain and strain speed-dependent properties of isolated natural muscles, however, are not known. Insbesondere limitieren die Eigenschaften der vorhandenen Antriebselemente und deren Wechselwirkung eine solche Reproduktion der Eigenschaftskombination. In particular, the properties of the existing drive elements and their interaction limit such a reproduction of the property combination.
  • [0005]
    Durch Verwendung von Materialen, die ihre Ausdehnung in Abhängigkeit von Spannungen oder Strömen ändern, können Antriebe hergestellt werden. By using materials that change their expansion as a function of voltages or currents, drives can be produced. Dielektrische Polymere sind ein bekanntes Beispiel (z. B. Dielectric polymers are a well known example (z. B. , die allerdings meist sehr steif und inelastisch sind und daher für den Aufbau muskelähnlicher Antriebe ungeeignet sind. Which, however, are very stiff and inelastic mostly muscle and therefore similar to building drives are unsuitable.
  • [0006]
    Weiterhin bekannt sind mechano-chemische Antriebe durch Interkalationsmaterialien ( Also known mechano-chemical drives (by intercalation US 6,577,039 US 6,577,039 ), welche die Energieumwandlung (von chemisch zu mechanisch) lebender Organismen nachbilden. ), Which mimic the energy conversion (survivor of chemically mechanically) organisms.
  • [0007]
    Die Verwendung von Kunststoffen kann dabei zumindest in einem begrenzten Bereich eine materialabhängige Nachgiebigkeit und Dämpfung bewirken ( The use of plastics can in this case at least in a limited area of ​​a material-dependent resilience and damping effect ( ). ). Beide Eigenschaften reichen aber für die bekannten Materialen in ihrer Kombination nicht an die nachzubildenden Eigenschaften natürlicher Muskeln heran; Both properties are not sufficient for the known materials in their combination to be replicated properties of natural muscle approach; das gilt insbesondere für deren andersgerichteten Dämpfungskoeffizienten (hyperbolisch: sinkt mit zunehmender Geschwindigkeit), der zudem bei den für Bewegungssysteme dominanten tiefen Frequenzen zu gering ist ( this is particularly true for the other directional damping coefficient (hyperbolic: decreases with increasing velocity), which is also too low at the dominant motion systems for low frequencies ( ). ).
  • [0008]
    Pneumatische künstliche Muskeln (mit geflochtener Hülle: „McKibben-Muskeln”), z. Pneumatic artificial muscles (with braided sleeve: "McKibben muscles"), for example. B. Festo-Mas ( B. Festo Mas ( DE 100 52 663 C1 DE 100 52 663 C1 mit dort angegebenen Literaturstellen), erzeugen Verkürzungen von maximal 30% (dh nicht mehr als die Hälfte der Werte natürlicher Muskeln) und geben bei Belastung elastisch nach. with references cited therein), reductions of more than 30% no longer produce (ie, half of the values ​​of natural muscles) and enter to resiliently under load. Auch Dämpfungseigenschaften bei Kontraktionen konnten inzwischen nachgewiesen werden ( Also damping properties contractions could now be detected ( ; ; ). ). 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 ( The force-velocity characteristic is even hyperbolic contraction in this special situation (quick-release with firm pressure), but the hysteresis are high (in realistic stress situations (stretch-shortening cycles) even at low speeds unusable ). ). Zudem ist die Dämpfung zu gering, was bei dynamischen Belastungen zu starken Schwingungen führt. In addition, the damping is too low, which under dynamic loads leads to strong vibrations.
  • [0009]
    In einer Studie zum Aufbau eines künstlichen Muskels ( In a study for the construction of an artificial muscle ( ) 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. ), A damping element in parallel with a "McKibben muscle" used (both in series to a chord), the attenuation coefficient was not regulated as in the present invention. Im Ergebnis war das Kraft-Geschwindigkeits-Verhalten des so zusammengesetzten Aktuators nicht hyperbolisch wie beim realen Muskel, sondern zeigt eine exakt umgekehrte Krümmung (dh niedrige Dämpfung in Ruhe und hohe Dämpfung bei hoher Kontraktionsgeschwindigkeit). As a result, the force-velocity behavior of such composite actuator was not hyperbolic as with real muscle, but shows an exact reverse curvature (ie, low attenuation at rest and high attenuation at high speed of contraction).
  • [0010]
    Mittlerweile gibt es „McKibben-Muskeln”, die eine hyberbolische Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie haben ( There are now "McKibben muscles" that have a hyberbolische force-velocity curve ( ,). ,). 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 (ua 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 (ua zusätzliche Masse) mittransportiert werden müssen. However, there remain following basic problems that the "McKibben muscle" technology inherent: they show on contraction non-constant volumes (strong broadening) and even at very low speeds significant hysteresis, have lower maximum shortening routes than the real muscle work (Although its own weight is among others low, the weight is, however, increased by the connection end-pieces by a multiple) is energetically inefficient in comparison to other technologies and the moving substrate has only limited autonomy, as volumes of gas consuming (including additional mass) must be transported.
  • [0011]
    Bekannt sind weitere pneumatische ( are known other pneumatic ( US 6,684,754 US 6,684,754 ) und hydraulische ( ) And hydraulic ( US 6,168,634 US 6,168,634 ; ; US 5,021,064 US 5,021,064 ) Aktuatoren. ) Actuators. 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. However, by their very nature are in accordance with these defined neither the Elastizizät nor the damping behavior, nor is intended that these properties there adjustable and therefore corresponding to the size (mass) of the driven movement system should be scalable, nor the foregoing patents provide instructions on how these quantities sett - had to make and scalable.
  • [0012]
    Elektromotoren können mit Federelementen gekoppelt werden, um elastisches Verhalten zu erzeugen. Electric motors can be coupled with spring elements in order to produce elastic behavior. Die Drehmoment-Drehzahlkennlinien können als Äquivalent zur Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie gewertet werden. The torque-speed characteristics can be regarded as equivalent to the force-velocity characteristic. Insbesondere elektromagnetische und/oder elektrostatische Antriebe zeigen prinzipiell hyperbolische Drehmoment-Geschwindigkeits-Kennlinien ( In particular, electromagnetic and / or electrostatic actuators show in principle hyperbolic torque-speed characteristics ( ). ).
  • [0013]
    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. In general, the rapidly rotating electric motors are combined with gearboxes so that torques and speeds are adapted to the usual running machines and robots values. Die mit den Getrieben verbundenen Reibungen und Trägheiten verhindern allerdings muskelähnliche Performanz. However, the costs associated with the gear friction and inertia prevent muscle-like performance.
  • [0014]
    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. Direct-drive motors that do not require transmission, reach high torque at high speed, therefore, show an inverse course of the torque - / (force) pot reference - / (velocity) characteristic against the force-velocity relation natural muscles. Sie haben darüber hinaus eine hohe Baugröße. They have a high size beyond.
  • [0015]
    In der modernen Prothetik werden Motoren mit Dämpfungselementen kombiniert, um möglichst naturnahe Bewegungen zu erreichen ( In the modern prosthetics motors are combined with damping elements to achieve the most natural movements ( ). ). In diesem Zusammenhang wären Antriebe mit muskelartigem Bewegungsverhalten sehr vorteilhaft. In this context drives would be very beneficial with muskelartigem movement behavior. In der Fachwelt ist hierüber jedoch nichts bekannt geworden. In the professional world here on, however, nothing is known.
  • [0016]
    Flexible muskelähnliche, ballonartige Antriebe (z. B. Flexible muscle-like, balloon-like drives (z. B. US 6,067,892 US 6,067,892 , . US 6,223,648 US 6,223,648 ) erlauben größere Kontraktionswege als die vorgenannten pneumatischen [McKibben]-Muskeln. ) Allow greater contraction way than the aforementioned pneumatic [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. Based on the muscle properties, the properties of the resulting drive are not exactly defined, a flexible adaptation to requirements is very restricted.
  • [0017]
    In In US 7,264,289 US 7,264,289 wird ein Mechanismus vorgeschlagen, wie mehrere muskelähnliche Antriebe hintereinandergeschaltet werden können. A mechanism is proposed as more muscle-like actuators can be connected in series. Eine Skalierbarkeit ist dabei allerdings nicht gegeben. Scalability is, however, not given. Ebenfalls bekannt sind muskelähnliche Antriebe zur Steuerung von Ventilen in Motoren ( Also known are muscle-like actuators for controlling valves in engines ( US 6,830,019 US 6,830,019 ). ).
  • [0018]
    Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von weiteren Antriebsarten, die als mechanische Energiequelle für Aktuatoren eingesetzt werden können, beispielsweise hydraulische Antriebe (wie In addition, there are a variety of other drive types, which can be used as a mechanical energy source for actuators, for example hydraulic actuators (such as US 7,284,374 US 7,284,374 ; ; US 6,868,773 US 6,868,773 ) sowie Polymerantriebe, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln (z. B. ) And polymer actuators, the electrical energy into mechanical energy converting (z. B. US 6,940,211 US 6,940,211 ; ; US 6,909,220 US 6,909,220 ; ; US 6,194,073 US 6,194,073 ; ; US 5,976,648 US 5,976,648 ). ).
  • [0019]
    Bekannt sind auch Antriebe mit Metallhydrid als Arbeitsmedium (z. B. are also known drives with a metal hydride as a working medium (z. B. US 6,405,532 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. ), Mechanical energy sources, represented by shape memory alloys (shape memory alloy), which have properties which a contractile element in the near natural muscle (z. B. US 5,092,901 US 5,092,901 ) und organische Materialien, die als mechanische Energiequelle dienen können (beispielsweise ) And organic materials which can serve as a mechanical energy source (e.g., US 7,128,707 US 7,128,707 ; ; US 6,921,360 US 6,921,360 ; ; US 6,781,284 US 6,781,284 ; ; US 6,749,556 US 6,749,556 ). ).
  • [0020]
    Zusammenfassend muss festgestellt werden, dass alle diese Antriebe kein lastabhängiges Bewegungsverhalten aufweisen, wie sie von den Eigenschaften natürlicher Muskel bekannt sind. In summary, it must be noted that all these drives have no load-dependent movement behavior, as they are known on the properties of natural muscle. Auch sind in der Fachwelt keine Maßnahmen bekannt, um solche Aktuatoren mit diesbezüglichen Bewegungseigenschaften auszustatten. No measures are known in the art to equip such actuators with related motion characteristics.
  • [0021]
    Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, die zwischen vollständiger Elastizität und Elastizität, gekoppelt mit Dämpfungseigenschaft, umschaltbar sind (z. B. Devices are also known which are (z. B. between complete elasticity and resilience, coupled with damping characteristic switchable US 4,673,169 US 4,673,169 ). ). Diese kommen insbesondere für Aufhängungen von Fahrzeugmotoren zum Einsatz. These are particularly suitable for suspensions of vehicle engines.
  • [0022]
    Ferner sind allgemein Vorrichtungen bekannt, die kraftabhängig die Dämpfungseigenschaften verändern (z. B. ein hydropneumatisches Federungssystem gemäß Further devices, a hydropneumatic suspension system are generally known, the force-dependent change the damping characteristics (eg. B. accordance US 5,344,124 US 5,344,124 ). ). Über deren Verwendung, um insbesondere Aktuatoren für Roboterarme, Laufmaschinen und Prothesen Bewegungseigenschaften natürlicher Muskel zu verleihen, ist nichts bekannt geworden. About using them to give particular actuators for robotic arms, walking machines and prostheses movement properties of natural muscle, nothing is known.
  • [0023]
    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. The invention has for its object to provide a basic structure of an actuator of resilience and load dependence corresponds to the movement behavior of a natural muscle and technically possible expenses low and with the fewest possible elements for both large and small artificial muscles and through these to be manipulated Ranges can be implemented.
  • [0024]
    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. The apparatus for simulating the movement behavior of a natural muscle consists in known manner of a mechanical power source (motor), for example an electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, as well as from at least one connected to the mechanical energy source in series elastic element, eg. B. eine mechanische Zugfeder. B. a mechanical tension spring. 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. According to the proposal, an attenuator is connected in parallel with the mechanical energy source, which will be that of the force, which gives the entire apparatus as an actuator (artificial muscle) to a to be moved by this load.
  • [0025]
    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. In a surprisingly expenses small way, especially with just a few elements, an actuator principle construction is made possible, which shows the behavior of a natural muscle with high robustness and motion stability and already take place directly at the load-dependent control of such a movement behavior in the actuator. 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. It is (even in the actuator) is generated already in the lowest level of the motion generation in terms of cushioning and a movement behavior that corresponds to a natural muscle or comes very close to such a movement behavior.
  • [0026]
    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 said very few elements and their dimensioning and tuning each other, the elasticity and the load-dependent reaction of the actuator can also be adjusted so that so that the actuator on the one hand, as aforementioned, with minimal effort, and on the other hand with minimal deviation between theoretical specifications and requirements, as well as their practical implementation can be scaled in accordance with the desired typical loads and adjustment paths realized for both large and small artificial muscles in the art and the connection to a to be manipulated substrate (eg. B. prosthesis robots).
  • [0027]
    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. This technical implementation of resilience, cushioning and scalability is possible in the proposed principle construction, by whatever means, and the means by which the individual elements (mechanical energy source, damped elastic element and the force-controlled feedback damping according to the invention the mechanical energy source) are specifically carried out. In den Unteransprüchen sind hierzu Beispiele genannt, ohne jedoch den Schutzumfang der Erfindung auf diese zu beschränken. In the dependent claims this examples are mentioned, but without limiting the scope of the invention thereto.
  • [0028]
    Zusätzlich können Vorrichtungen, wie sie z. In addition, devices as such. B. durch example by US 5,648,709 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. are described (Control method and control apparatus for controlling output path and dynamic characteristics of a non-linear system), find for higher control tasks appropriate use. 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. The invention creates the prerequisite for control and regulation principles as they are plentiful to find in biology and which result in close evolutionary integration with the actuator "muscle" and its economy of movement and dynamic stability, in the simplest possible way to technical systems can be transferred.
  • [0029]
    Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. The invention will be further explained with reference to an embodiment.
  • [0030]
    Die Zeichnung stellt die Prinzipanordnung eines Aktuators zur erfindungsgemäßen Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels The drawing shows a principle arrangement of an actuator for the inventive reproduction of the movement behavior of a natural muscle 1 1 dar, wobei oben im Bild zum besseren Verständnis zusätzlich der nachzubildende natürliche Muskel symbolisiert ist, dessen Länge der Außenlänge l a des künstlichen Muskels (Aktuator) entspricht. represents, wherein the above-recreate natural muscle is symbolized in the image for better understanding in addition, whose length corresponds to the outer length l a of the artificial muscle (actuator).
  • [0031]
    Eine in der Figur ebenfalls dargestellte innere Länge l i des künstlichen Muskels bildet einen zur Außenlänge l a zusätzlichen und unabhängigen mechanischen Freiheitsgrad für einen Motor 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 2 , der in der technischen Umsetzung eine beliebige mechanische Energiequelle, beispielsweise einen elektromechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, repräsentiert. , Which in the technical implementation of any mechanical energy source, for example an electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, represents.
  • [0032]
    Der Motor The motor 2 2 als mechanische Energiequelle überträgt seine mechanische Arbeit generell über ein visko-elastisches Element (dargestellt durch Parallelschaltung einer Feder as a mechanical energy source (transmits its mechanical work generally via a visco-elastic element represented by parallel connection of a spring 3 3 als elastisches Element und eines Dämpfungsglieds as an elastic member and an attenuator 4 4 ) auf die am künstlichen Muskel anliegende Last (aus Übersichtsgründen in der Figur nicht explizit gezeigt). ) To present at the artificial muscle load (for reasons of clarity is not explicitly shown in the figure). Das visko-elastische Element (Feder The visco-elastic element (spring 3 3 und Dämpfungsglied and attenuator 4 4 ) in Serie zum Motor ) In series with the motor 2 2 kann beispielsweise durch eine technische Zugfeder realisiert sein. may for example be realized through a technical tension spring. Der durch die gezeigte Prinzip anordnung dargestellte Aktuator wirkt dadurch mit einer Kraft F auf die besagte anliegende äußere Last. The actuator arrangement illustrated by the embodiment shown principle works by a force F applied to said external load.
  • [0033]
    Diese Kraft F auf die durch den künstlichen Muskel zu bewegende Last wirkt in einer Rückkopplung This force F to be moved by the artificial muscle load acts in a feedback 5 5 (symbolisiert durch einen Pfeil) erfindungsgemäß auf ein zum Motor (Symbolized by an arrow) according to the invention to a motor for 2 2 paralleles und in seiner Größe steuerbares Dämpfungsglied parallel and controllable in its size attenuator 6 6 , wobei der Pfeil des Dämpfungsgliedes , Wherein the arrow of the attenuator 6 6 das mit dieser Rückregelung veränderbare Dämpfungsmaß symbolisieren soll. which will symbolize this return control variable damping.
  • [0034]
    Bei motorischer Veränderung der inneren Länge l i wird somit abhängig von der auf die Last wirkenden Kraft F des künstlichen Muskels mechanische Energie dissipiert (das Dämpfungsglied In motorized variation of the internal length l i therefore is dependent of mechanical acting on the load force F of the artificial muscle energy dissipated (the attenuator 6 6 parallel zum Motor parallel to the motor 2 2 wirkt als regelbare Energiesenke). acts as a controllable energy sink). Die zum Motor The engine to 2 2 parallele Dämpfung steigt mit wachsender Kraft F des Aktuators als künstlicher Muskel. parallel attenuation increases with increasing force F of the actuator as an artificial muscle.
  • [0035]
    Als Dämpfungsglied As an attenuator 6 6 findet beispielsweise ein magneto-rheologischer Dämpfer Verwendung. found, for example, a magneto-rheological dampers use.
  • 1 1
    natürlicher Muskel natural muscle
    2 2
    Motor engine
    3 3
    Feder feather
    4 4
    Dämpfungsglied attenuator
    5 5
    Rückkopplung von der Kraft F zum steuerbaren Dämpfungsglied Feedback from the force F to the controllable attenuator 6 6
    6 6
    von der Kraft F des künstlichen Muskels (Aktuator) abhängiges Dämpfungsglied by the force F of the artificial muscle (actuator) dependent attenuator
    l a l a
    Außenlänge des Aktuators (entspricht der Länge des im Bewegungsverhalten nachzubildenden natürlichen Muskels External length of the actuator (corresponding to the length of the replicated in the movement behavior of natural muscle 1 1 ) )
    l i l i
    innere Länge des Aktuators inner length of the actuator
    F F
    Kraft, mit welcher der künstliche Muskel (Aktuator) auf eine äußere Last wirkt Force with which the artificial muscle (actuator) acts on an external load
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
  • [0036]
    Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. This list of references cited by the applicant is generated automatically and is included solely to inform the reader. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. The list is not part of the German patent or utility model application. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen. The DPMA is not liable for any errors or omissions.
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Claims (10)

  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. Apparatus for simulating the behavior of a natural muscle movement, comprising a mechanical energy source (motor), for example an electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, as well as a connected to this in series elastic element, eg. B. einer mechanischen Zugfeder, dadurch gekennzeichnet , dass der mechanischen Energiequelle ( B. a mechanical tension spring, characterized in that the mechanical energy source ( 2 2 ) ein von der Vorrichtung an die Last abgegebenen Kraft ( ) Is an output from the device to the load force ( 5 5 ) geregeltes Dämpfungsglied ( ) Controlled attenuator ( 6 6 ) parallel geschaltet ist. ) Is connected in parallel.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ein elektrischer Motor Device according to claim 1, characterized in that as the mechanical energy source, an electric motor 2 2 eingesetzt wird. is used.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ( Device according to claim 1, characterized in that (as a mechanical energy source 2 2 ) ein pneumatischer Antrieb eingesetzt wird. ), A pneumatic drive is employed.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ( Device according to claim 1, characterized in that (as a mechanical energy source 2 2 ) ein hydraulischer Antrieb Verwendung findet. ) Is a hydraulic drive use.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ( Device according to claim 1, characterized in that (as a mechanical energy source 2 2 ) ein Polymerantrieb genutzt wird. ) Is used a polymer actuator.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ( Device according to claim 1, characterized in that (as a mechanical energy source 2 2 ) ein Antrieb mit Metallhydrid als Arbeitsmedium eingesetzt wird. ), A drive with metal hydride is used as working medium.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ( Device according to claim 1, characterized in that (as a mechanical energy source 2 2 ) ein Antrieb mit Formgedächtnislegierung als Arbeitsmedium eingesetzt wird. ), A drive with shape-memory alloy is used as the working medium.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ( Device according to claim 1, characterized in that (as a mechanical energy source 2 2 ) ein Antrieb mit organischen Stoffen als Arbeitsmedium eingesetzt wird. ), A drive with organic substances is used as the working medium.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied ( Device according to claim 1, characterized in that (as an attenuator 6 6 ) ein magneto-rheologischer Dämpfer verwendet wird. ) Is used, a magneto-rheological damper.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied ( Device according to claim 1, characterized in that (as an attenuator 6 6 ) ein hydropneumatisches Federungssystem verwendet wird. ) Is used a hydropneumatic suspension system.
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