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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine flexible Schichtstruktur zur
Erfassung von mechanischen Parametern, insbesondere von Drücken oder
Kräften,
und Verfahren zur Anpassung der Steifigkeit dieser Schichtstruktur
an verschiedene Messbedingungen.
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Kräfte und
daraus resultierende Verformungen eines technischen Systems werden
meistens mit Vorrichtungen gemessen, die an starre Trägerstrukturen
gebunden sind. Das erschwert ihren Einsatz in dynamischen und nachgiebigen
Systemen. Insbesondere bei der Anwendung in der Robotertechnik oder
der Biomechanik bzw. Prothetik werden höchste Anforderungen an Flexibilität und Integrierbarkeit
von Sensoren gestellt.
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Aus
dem Stand der Technik sind nachgiebige Sensorsysteme bekannt, die
jedoch meist für
eine spezifische Anwendung im Bereich der Robotik entwickelt wurden.
Als Beispiel dafür
kann ein sensorischer „Handschuh” japanischer
Entwickler genannt werden, der Druck und Temperatur wahrnehmen kann.
Dazu wurden in ein gummiartiges Polymer organische Transistoren
und Drucksensoren aus Gummi eingebettet. Die biegsamen Transistoren
aus dem organischen Material Pentacen® in
einer 32 × 32-Matrix
mit Feldern in Größe von 2,5
mm2 leiten die Veränderungen des elektrischen
Feldes als elektrisches Signal weiter, mit denen sich der Druck
lokalisieren lässt.
So entsteht ein netzähnliches
Grundgerüst, das
eine Dehnung der Schicht um bis zu 25% zulässt. Ziel ist es, mit einer solchen
Kunsthaut beschichtete Roboter vor allem in komplex strukturierten
Umgebungen sicherer arbeiten zu lassen. Parallel dazu haben sich
auch amerikanische Forscher mit diesem Thema beschäftigt. Die
von ihnen entwickelte „Haut” besteht
wiederum aus einem Polymer, in das Sensoren eingelassen sind. Diese
Haut soll Roboterhände
(Manipulatoren) dazu befähigen,
chirurgische Instrumente zu halten, um präzise Schnitte setzen zu können. Bei
den bekannten Sensormatten ist jedoch nachteilig, dass sie entweder
mit Hilfe einer steifen Trägerstruktur
realisiert werden oder starre Sensoren enthalten, wodurch das Gesamtsystem
seine Nachgiebigkeit weitgehend verliert.
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Weiterhin
werden im Stand der Technik Verbundgewebe mit Massageeffekten vorgestellt
(
DE 195 29 500 A1 ).
Hierbei werden Drähte
aus Legierungen mit Formgedächtniseigenschaften
in das Gewebe eingearbeitet, die nach elektrischer Ansteuerung reversible
Kontraktionen bewirken. Diese Verbundgewebe mit integrierten Aktoren
mit Formgedächtniseigenschaften
haben jedoch den Nachteil, dass der gewünschte Effekt auf einer Temperaturänderung basiert.
Für die
Erhitzung der metallischen Bauteile ist elektrische Antriebsenergie
erforderlich. Damit sind EMV-Verträglichkeit sowie Röntgen- und MRT-Tauglichkeit
nicht gesichert.
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In
der
DE 103 60 309
A1 ist ein resistiver Dehnungssensor beschrieben, bei dem
eine gewünschte
Kennlinie durch die Art und Weise der Einbindung in einen textilen
Verbund fest eingestellt wird. Eine Anpassung der Sensorfunktion
an exogene Einflüsse
wie z. B. eine Änderung
der statischen Belastung ist hierbei nicht möglich.
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In
der
DE 10 2007
020 131 A1 ist ein taktiler Flächensensor zum Einsatz in technischen
Handhabungssystemen beschrieben. Der Flächensensor weist mehrere elektrische
Widerstandsleitungen an oder in einem elektrisch nichtleitenden
und elastischen Grundkörper
auf. Die Leitungen werden von Partikelbahnen aus elektrisch leitenden
Partikeln in einem elektrisch nichtleitenden und elastisch verformbaren
Leitungskörper
gebildet. Eine Anpassung der Sensorfunktion an exogene Einflüsse wie
z. B. eine Änderung
der statischen Belastung ist hier wie auch in oben beschriebenen
Patent nicht möglich.
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Aus
dem Stand der Technik sind außerdem quer-
und/oder längs
segmentierte Matratzen bekannt, deren Segmente wechselnd mit Druck
beaufschlagt werden. Dadurch können
Steifigkeitsänderungen
oder Verschiebungen in dem System realisiert werden. So werden z.
B. in der
US 5,267,364
A , und der
EP
0 261 830 A2 Matratzen beschrieben, die in mehrere einzelne,
quer verlaufende Lufttaschen segmentiert sind, die eigene Luftanschlüsse haben und
in steuerbarer Abfolge mit Druckluft betrieben werden.
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Weiterhin
ist aus der
EP 1 307
169 A1 ein Massagestuhl mit mechanisch angetriebenen Massageelementen
bekannt, die von einem ringförmigen mit
Luftdruck betriebenen Kissen umgeben sind.
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Eine
grob segmentierte Massageliege, bei der eine wechselnde Auflage
des Patienten auf Luftkissen und einer Polsterfüllung mit elastischen Fasern
realisiert ist, wird in der
US
6,592,533 B1 vorgestellt.
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Zum
Stand der Technik gehört
ebenfalls das in der
WO
2004/034 148 A1 vorgestellte Kissen zur Linderung von Wundliegen („Dekubitus”), welches als
Schaumstoffunterlage mit aufgelegter Fluidmatratze ausgeführt ist.
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Viele
der vorhandenen Lösungen
richten sich nur auf eine gezielte Anwendung, während eine universale Lösung, mit
der eine Anpassung an die äußeren Messbedingungen
erreicht werden kann und die deshalb ihre Anwendung sowohl in der
Robotik als auch in der Medizintechnik oder in der Sportmedizin
finden kann, aus dem Stand der Technik nicht bekannt ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem
Stand der Technik zu überwinden
und eine flexible Schichtstruktur zur Erfassung mechanischer Parameter,
insbesondere von Drücken
oder Kräften,
bereitzustellen, die in ihrer Gestalt und Steifigkeit an exogene
Einflüsse,
die als mechanische Messbedingungen anwendungsbedingt variieren
können,
angepasst werden kann.
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Erfindungsgemäß gelingt
die Lösung
dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und fünften Patentanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird
im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 – ein erstes
Ausführungsbeispiel
für die
Positionierung der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft
für eine
wellenförmige Grenzfläche
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2 – ein zweites
Ausführungsbeispiel
für die
Positionierung der Sensoren zur Messung der Normalkraft für eine wellenförmige Grenzfläche
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3 – ein drittes
Ausführungsbeispiel
für die
Positionierung der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft
für eine
wellenförmige Grenzfläche
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4 – erfindungsgemäße Schichtstruktur mit
zapfenförmiger
Grenzfläche
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5 – ein erstes
Ausführungsbeispiel
für die
Positionierung der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft
für eine
zapfenförmige Grenzfläche
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6 – ein erstes
Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung der Mittel zur Änderung
der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine wellenförmige Grenzfläche
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7 – ein erstes
Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung der Mittel zur Änderung
der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine zapfenförmige Grenzfläche
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8 – ein zweites
Ausführungsbeispiel
für die
Anordnung der Mittel zur Änderung
der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine zapfenförmige Grenzfläche
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine flexible Sensorfläche für die Erkennung
von Kräfte- und/oder
Druckverteilungen auf einer Oberfläche realisiert. Dabei detektieren
die eingebetteten Sensoren nicht nur auftretende Normalkräfte oder
-drücke, sondern
auch tangential wirkende Kräfte
oder Drücke.
Mögliche
Anwendungsfelder liegen überall
dort, wo in dynamischen Systemen Drücke oder Kräfte gemessen werden sollen.
Das erfindungsgemäße System
ist nachgiebig und kann in beliebigen Größen konfektioniert werden,
um beispielsweise als Mittlerschicht zwischen dem menschlichen Körper und
der Oberfläche
technischer Geräte
zu dienen.
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Als
Trägerstruktur
wird ein nachgiebiges flexibles Material verwendet, das als mehrschichtiges System
ausgeführt
ist und bei dem die einzelnen Schichten unterschiedliche Materialeigenschaften und
Oberflächenprofile
aufweisen. Das können
beispielsweise Schaumstoffe, Textilien oder Silikon-Elastomere mit wellenförmiger (im
Profil ähnlich den
Leisten der menschlichen Finger) oder zapfenförmiger (nach dem Vorbild biologischer
Papillen in der menschlichen Haut) Oberfläche sein.
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Als
Sensoren werden entweder dehnungsresistive Fasern oder flächige Sensoren
ausgewählt, deren
Größe und Anordnung
auf der Oberfläche
oder in der Gewebe-Matrix auf die Nachgiebigkeit des Gesamtsystems
keinen wesentlichen Einfluss haben.
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Der
mehrschichtige Aufbau, die Grenzflächenstruktur und die unterschiedlichen
Eigenschaften der Schichten wurden bionisch vom Vorbild der menschlichen
Haut abgeleitet. Für
die Auswahl optimaler Grenzflächenprofile,
die eine optimale Übertragung der
Kraft oder des Druckes von der Oberfläche zu den Sensoren und ihre
Zerlegung in die Normal- und Tangentialkomponenten gewährleistet,
wurden analytische Berechnungen durchgeführt. Mit Hilfe der FE-Methode
wurden die Modelle unter unterschiedlicher Belastung (senkrecht,
waagerecht, punktuelle und flächige
Kräfte)
und mit variablen mechanischen Zuständen (E-Modul, binnendruckbestimmte
Steifigkeit) in erster Nährung
2-dimensional und daraus folgend 3-dimensional berechnet. Aus diesen
Modellen können
die Kraft- oder Druckverteilung und die daraus resultierenden Verformungen
bewertet und Aussagen über
die Profile der Grenzfläche
zwischen zwei benachbarten Schichten und die optimale Anordnung
der Sensoren und Aktoren in dieser räumlichen Struktur festgelegt
werden.
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Die
Schichten des Systems werden wie in der menschlicher Haut mit unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften realisiert. Die ausgewählten Stoffe
für die
Trägermatrix
erlauben eine Fertigung mit verschiedenen Steifigkeiten der Schichten.
So wird ein Presetting einer der Schichten vor der Messung geschaffen.
Mit Hilfe einer aktorischen Komponente kann nun die Einstellung
der Steifigkeit einer oder mehrerer Schichten während der Messung realisiert
werden. Das führt
zu einer Regulierung der Empfindlichkeit (Messbereich) des Sensorsystems, indem
mindestens eine darunter liegende Schicht als mehr oder weniger
steifes Widerlager wirkt. Der mehrschichtige Aufbau des Systems
ermöglicht
außerdem
eine Integration weiterer Sensoren, wie z. B. Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren.
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Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösung vorgestellt.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel für die Positionierung
der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft für eine wellenförmige Grenzfläche dargestellt.
Die Sensoren sind als flächige
Gebilde auf der Oberfläche
der Schichten als Matrix verteilt. Diese Drucksensoren sollen die
von außen
wirkenden Normalkräfte
detektieren. Jeder Sensor wird einzeln adressiert, sodass nicht
nur die Intensität
der Druckkraft sondern auch ihre Lokalisierung auf der Oberfläche festgestellt
werden kann. Die Größe der Sensoren
soll im Millimeter-Bereich bleiben, um die Flexibilität der Gesamtstruktur
nicht zu beeinflussen. Für
die Messung von Scher- oder Tangentialkräften sind ähnliche flächige Drucksensoren an den
Flanken der Wellen der Grenzfläche
vorgesehen. Sie werden beim Versatz zwischen zwei Schichten jeweils
in beide Richtungen entlang der Tangentialen, der unter der äußeren tangentialen
Kraft verursacht wird, unterschiedlich beansprucht.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel für die Positionierung
der Sensoren zur Messung der Normalkraft für eine wellenförmige Grenzfläche dargestellt.
Eine FEM-Simulation
der Hautauschnitte belegt, dass unter einer Normalkraft die größten Kontaktkräfte an der
Basis der Leisten/Papillen und die mechanischen Spannungen an den
Spitzen verteilt werden. Davon ausgehend werden in der zweiten Ausführungsvariante
die Drucksensoren an den Spitzen bzw. an der Basis der Leisten/Papillen
angeordnet. Für
die Messung von Scherkräften
können
ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel
flächige
Drucksensoren an den Flanken der Leistenstruktur der Grenzfläche positioniert
werden, so dass sie beim Versatz zwischen zwei Schichten, der unter
der Einwirkung einer äußeren tangentialen
Kraft verursacht wird, beansprucht werden.
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In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel für die Positionierung
der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft für eine wellenförmige Grenzfläche dargestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel
werden Fasersensoren zwischen die Schichten eingebracht. Als Messelemente
werden graphitdotierte Silikonfasern ausgewählt, welche unter mechanischer
Dehnung ihren elektrischen Widerstand ändern. Die Sensorfäden sind
galvanisch getrennt und geneigt zwischen zwei Schichten implementiert,
so dass sie zwei Spitzen der gegeneinander liegenden Leisten verbinden.
So wird der äußere Druck,
der auf die Oberfläche
des Systems wirkt, einen Versatz zwischen zwei Flanken der Leisten
verursachen, wodurch die Fäden
gedehnt werden (Tensigritätsprinzip).
Bei einer Normalkraft werden dementsprechend die zwei benachbarten
Sensorfäden
gleichmäßig beansprucht,
die symmetrisch zu einander angeordnet sind. Falls eine tangentiale
Kraft auf die Oberfläche wirkt,
werden diese Fäden
nicht gleichmäßig gedehnt.
Aus der Intensität
der Dehnung und entsprechend dem elektrischen Widerstand kann die
Intensität
der Kraft abgeleitet werden. Bei einer solchem Sensoranordnung ist
es zwar möglich
festzustellen, dass auf die Oberfläche eine tangentiale Kraft
wirkt, der Winkel der Kraft ist aber in dem Fall schwer identifizierbar.
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In 4 ist
eine Ausführung
der erfindungsgemäßen Schichtstruktur
dargestellt, bei der die aneinandergrenzenden Oberflächen der
einzelnen Teilschichten zapfenförmig
ausgebildet sind. Für
eben diese Ausführung
ist in 5 die Positionierung der Sensoren zur Messung
der Normal- und Tangentialkraft dargestellt. Mit den zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispielen
(1 bis 3) kann die Messung der Tangentialkräfte nur
in den zwei Richtungen der Wellenprofilierung erfolgen, weil die
Grenzstruktur zwischen den Schichten in Form der sogenannten Leisten
ausgeführt
ist. Als Alternative dazu wird eine glockenförmige Zapfenstruktur nach dem
Vorbild der Papillen in der menschlichen Haut vorgeschlagen. In dem
Fall erfolgt eine Verzapfung der Schichten ineinander, was zu einer
besseren Kraftübertragung
von der Oberfläche
des Systems zu den Sensoren führt. Werden
die Drucksensoren an den Flanken der vier Quadranten dieser Zapfen
angeordnet, so werden die tangentialen Abweichungen von den Normalkräften in
beide zueinander orthogonale Richtungen detektiert. Die Normalkraft
wird gemessen, indem alle vier Sensoren unter dem äußeren Druck
gleichmäßig beansprucht
werden.
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Erfindungsgemäß sind in
mindestens einer der Teilschichten Mittel zur Änderung der Steifigkeit (Aktoren)
der gesamten Schichtstruktur vorgesehen. Dies können z. B. Silikonelastomerschläuche mit
einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm sein. Abhängig von
der Größe des Modells
können
aber auch Schläuche
mit abweichenden Durchmessern angewendet werden. Die Änderung
der Steifigkeit der erfindungsgemäßen Schichtstruktur wird durch
eine Veränderung
des Innendruckes in diesen Elastomerschläuchen realisiert. Das Zusammenwirken
der in die Struktur integrierten Sensoren und Aktoren ermöglicht einerseits eine
zielgerichtete orts- und zeitabhängige
Steifigkeitsänderung über eine Änderung
des inneren pneumatischen Druckes und andererseits eine Anpassung
der Sensoren an die Messbedingungen. Ein integrierter Rückkopplungskreis
zwischen Sensoren und Aktoren des Systems ermöglicht eine Signalverarbeitung.
Bei Überschreitung
bestimmter vorgegebener Grenzwerte des äußeren Druckes werden die Aktoren
entsprechend aktiviert, um diese Drucküberschreitung zu minimieren.
So ermöglicht
die Kombination aus sensorischen und aktorischen Komponenten die
Adaptivität
des Gesamtsystems an exogene Einflüsse und variable Messbedingungen.
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In 6 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung
der Mittel zur Änderung
der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine wellenförmige Grenzfläche gezeigt.
Die Silikonschläuche
werden entlang jeder Leiste so implementiert, dass bei einer Druckbeaufschlagung
die Steifigkeit der gesamten Leiste erhöht wird.
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In 7 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung
der Mittel zur Änderung
der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine zapfenförmige Grenzfläche dargestellt.
Die Schläuche
werden hier in Form von Schlingen in jeden Zapfen integriert. Die Druckbeaufschlagung
der Schläuche
führt zu
einer Änderung
der Zapfensteifigkeit.
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In 8 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung
der Mittel zur Änderung
der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine zapfenförmige Grenzfläche vorgestellt.
In dieser Variante sind in jedem Zapfen einzelne Druckkammern vorgesehen. Mittels
Binnendruckbeaufschlagung der Kammern wird die Steifigkeit einzelner
Zapfen variiert.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. So können die auf die Schichtstruktur
wirkenden Normal- und Tangentialkräfte getrennt voneinander und
orts- und richtungsaufgelöst
erfasst werden. Aufgrund der Integration von binnendrucksteuerbaren
Aktoren kann die Schichtstruktur mit integrierten Sensoren in ihrer
Gestalt und Steifigkeit an exogene Einflüsse, die als mechanische Messbedingungen
anwendungsbedingt variieren können,
angepasst werden. Weiterhin wird eine Lokalisierung von punktuellen
Normalkräften und
zusammengesetzten Kräften
in einem relativ großen
Intensitätsbereich
möglich.
Und schlussendlich zeichnet sich die erfindungsgemäße flexible Schichtstruktur
durch eine nichtmetallische Bauweise aus. Sie ist in verschiedenen
Größen herstellbar und
konturschlüssig
an verschiedene Körperformen anpassbar.