DE102008062447B3 - Flexible Schichtstruktur zur Erfassung mechanischer Parameter und Verfahren zu deren adaptiven Verhalten - Google Patents

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Cornelius Dr. rer. nat. Schilling
Hartmut Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. Witte
Lena Prof. Dr.-Ing. Habil. Zentner
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    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine flexible Schichtstruktur zur Erfassung mechanischer Parameter, insbesondere von Drücken oder Kräften, bereitgestellt werden, die in ihrer Gestalt und Steifigkeit an exogene Einflüsse, die als mechanische Messbedingungen anwendungsbedingt variieren können, angepasst werden kann. Erfindungsgemäß werden in eine aus Teilschichten bestehende Schichtstruktur Sensoren zur Erfassung der mechanischen Parameter und Mittel zur Änderung der Steifigkeit integriert. Überschreiten die mechanischen Parameter bestimmte vorgegebene Grenzwerte wird der Binnendruck in den Mitteln zur Änderung der Steifigkeit verändert. Die erfindungsgemäße Lösung kann sowohl in der Robotik als auch in der Medizintechnik oder in der Sportmedizin eine Anwendung finden.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und fünften Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Lösung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 – ein erstes Ausführungsbeispiel für die Positionierung der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft für eine wellenförmige Grenzfläche
  • 2 – ein zweites Ausführungsbeispiel für die Positionierung der Sensoren zur Messung der Normalkraft für eine wellenförmige Grenzfläche
  • 3 – ein drittes Ausführungsbeispiel für die Positionierung der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft für eine wellenförmige Grenzfläche
  • 4 – erfindungsgemäße Schichtstruktur mit zapfenförmiger Grenzfläche
  • 5 – ein erstes Ausführungsbeispiel für die Positionierung der Sensoren zur Messung der Normal- und Tangentialkraft für eine zapfenförmige Grenzfläche
  • 6 – ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Mittel zur Änderung der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine wellenförmige Grenzfläche
  • 7 – ein erstes Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Mittel zur Änderung der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine zapfenförmige Grenzfläche
  • 8 – ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Mittel zur Änderung der Steifigkeit der Schichtstruktur für eine zapfenförmige Grenzfläche
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösung vorgestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Flexible Schichtstruktur zur Erfassung mechanischer Parameter, insbesondere von Drücken oder Kräften, bestehend aus mindestens zwei elastischen Teilschichten dadurch gekennzeichnet, dass die aneinandergrenzenden Oberflächen der elastischen Teilschichten wellen- oder zapfenförmig ausgebildet sind und zwischen die elastischen Teilschichten oder eingebettet in eine der elastischen Teilschichten Sensoren zur Erfassung der normal- und/oder tangentialgerichteten mechanischen Parameter positioniert sind und mindestens eine der elastischen Teilschichten Mittel zur Änderung ihrer Steifigkeit aufweist.
  2. Flexible Schichtstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Erfassung der tangentialgerichteten mechanischen Parameter als Flächensensoren ausgebildet sind und auf den Flanken der Wellen oder Zapfen und die Sensoren zur Erfassung der normalgerichteten mechanischen Parameter als Flächensensoren ausgebildet sind und auf den Spitzen und/oder an der Basis der Wellen oder Zapfen der aneinandergrenzenden Oberflächen der elastischen Teilschichten positioniert sind.
  3. Flexible Schichtstruktur nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren zur Erfassung der normal- und der tangentialgerichteten mechanischen Parameter als Fasersensoren ausgebildet sind und zwischen den aneinandergrenzenden Oberflächen der elastischen Teilschichten geneigt angeordnet sind, wobei sie jeweils die Spitzen benachbarter Wellen oder Zapfen miteinander verbinden.
  4. Flexible Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Änderung der Steifigkeit mindestens einer elastischen Teilschicht binnendruckgesteuerte Schlauch- oder Hohlraumsysteme sind.
  5. Verfahren zur Anpassung der Steifigkeit einer flexiblen Schichtstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die normal- und/oder tangentialgerichteten mechanischen Parameter mit den zwischen die oder in den Teilschichten positionierten Sensoren erfasst werden und der Binnendruck in den Mitteln zur Änderung der Steifigkeit bei Überschreitung bestimmter vorgegebener Grenzwerte für die mechanischen Parameter verändert wird.
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