WO2011098056A1 - Vorrichtung zur nachbildung des bewegungsverhaltens eines natürlichen muskels - Google Patents

Vorrichtung zur nachbildung des bewegungsverhaltens eines natürlichen muskels Download PDF

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mechanical energy
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Reinhard Blickhan
Michael Günther
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Friedrich-Schiller-Universität Jena
Universität Stuttgart
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    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
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    • A61F2/08—Muscles; Tendons; Ligaments
    • A61F2002/0894—Muscles

Definitions

  • the invention relates to a device for simulating the movement behavior of a natural muscle, with which this movement behavior in terms of elasticity and damping as real as possible should be reshaped, so that this actuator can be used in its action as an artificial muscle. This should apply both for small or large travel ranges as well as for the generation of small or large forces of the actuator.
  • Human and animal musculature is characterized by compliance and by a load-dependent damping behavior. These features make it easier to control the movement, increase the efficiency of the passage and reduce the load on the elements.
  • Dielectric polymers are a known example (eg, BR Pelrine, RD Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, OH Seajin, J. Eckerle, RJ Gear, MA Rosenthal, K. Meijer: Dielectric elastomeric artificial muscle actuators: toward biomimetic motion, Conference Paper, SPIE Int.Soc.Ot. Eng. Proceedings of Spie - the International Society for Optical Engineering, vol 4695, 2002, pp. 126-37, USA, however, are usually very stiff and inelastic, and therefore, for the Structure of muscle-like drives are unsuitable.
  • plastics can cause material-dependent compliance and damping, at least in a limited range (R. Pelrine, RD Kornbluh, Q. Pei, S. Stanford, OH Seajin, J. Eckerle, RJ Hill, 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).
  • 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.
  • electromagnetic and / or electrostatic drives show, in principle, hyperbolic torque-velocity characteristics (T. Frank, C. Schilling: The development of cascadable microdrives with muscle-like operating behavior, J. Micromech, Microeng., 8, 1998, 222-229). ,
  • the fast-rotating electric motors are combined with gearboxes, so that moments and speeds are adapted to the usual values of running machines and robots.
  • the friction and inertia associated with the gears prevent muscle-like performance.
  • Direct Drive non-geared motors achieve high torque at high RPM, thus exhibiting a reversed course of torque / (force) speed / (speed) characteristics versus the force-velocity relation of natural muscles. They also have a large size.
  • Flexible muscle-like balloon-type drives (eg, US 6,067,892, US 6,223,648) permit larger contraction paths than the aforementioned pneumatic [McKibben] muscles.
  • the properties of the resulting drive are not precisely defined; flexible adaptation to requirements is only possible to a very limited extent.
  • drives that can be used as a mechanical power source for actuators, such as hydraulic drives (such as US 7,284,374, US 6,868,773) and polymer drives that convert electrical energy into mechanical energy (eg, US 6,940,211; 6,909,220, US 6,194,073, US 5,976,648).
  • hydraulic drives such as US 7,284,374, US 6,868,773
  • polymer drives that convert electrical energy into mechanical energy (eg, US 6,940,211; 6,909,220, US 6,194,073, US 5,976,648).
  • devices are known in general which vary the damping properties as a function of their power (for example, a hydropneumatic suspension system according to US 5,344,124).
  • the invention has for its object to provide a basic structure of an actuator that behaves in terms of elasticity and load dependence of the movement of a natural muscle and the most aufwandgering and with as few elements for both large and small artificial muscles and manipulated by these travel paths can be technically implemented.
  • the device for simulating the movement behavior of a natural muscle consists, in a manner known per se, of a mechanical energy source (motor), for example an electromechanical, hydraulic or pneumatic drive, and of at least one connected in series to the mechanical energy source elastic element, z. B. a mechanical tension spring.
  • the mechanical energy source is connected in parallel with an attenuator, which is controlled by the force exerted by the entire device as an actuator (artificial muscle) to a load to be moved by it.
  • an actuator-principle structure is made possible, which shows the movement behavior of a natural muscle with high robustness and stability of movement and carried out in the load-dependent controls for such a movement behavior already directly in the actuator.
  • damping and elasticity a movement behavior which corresponds to a natural muscle or comes very close to such a movement behavior is already produced at the lowest level of the generation of movement (in the actuator itself).
  • the elasticity and the load-dependent response of the actuator can be adjusted so that the actuator on the one hand, as mentioned above, with minimal effort and on the other hand with minimal discrepancies between theoretical requirements and requirements and the practical implementation of which can be realized both for large and for small artificial muscles in the art and the connection to a substrate to be manipulated (eg prosthesis, robot) can be appropriately scaled with the desired typical loads and travel ranges.
  • a substrate to be manipulated eg prosthesis, robot
  • the drawing represents the basic arrangement of an actuator for simulating the movement behavior of a natural muscle 1 according to the invention, the symbol of the natural muscle 1 to be reproduced being symbolized at the top of the image for better understanding, the length of which corresponds to the external length l a of the artificial muscle (actuator).
  • 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 motor 2 can be realized for example by a technical tension spring.
  • the actuator represented by the illustrated basic arrangement thereby acts with a force F on said adjacent external load.
  • This Kjraft F acts on the load to be moved by the artificial muscle in a feedback 5 (symbolized by an arrow) according to the invention to a parallel to the motor 2 and controllable in size attenuator 6, wherein the arrow of the attenuator 6, the changeable with this feedback control attenuation should symbolize.

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Abstract

Aufgabe war es, 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. Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit einer Kraft F, die zur Bewegung einer durch den Aktuator als künstlicher Muskel zu bewegenden Last wirkt, die Antriebsleistung (2) des Aktuators gedämpft (6). Verwendung findet die Erfindung beispielsweise für Roboterarme, Laufmaschinen und Prothesen mit Bewegungseigenschaften natürlicher Muskel.

Description

Vorrichtung zur Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels
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.
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 Durchfuhrung und reduzieren die Belastung der Elemente.
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.
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. 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. Füll, 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.
Weiterhin bekannt sind mechano-chemische Antriebe durch Interkalationsmaterialien (US 6,577,039), welche die
Energieumwandlung (von chemisch zu mechanisch) lebender Organismen nachbilden.
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. Füll, 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. Füll, 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). Pneumatische künstliche Muskeln (mit geflochtener Hülle:„McKibben- Muskeln"), z. B. Festo-Mas (DE 100 52 663 Cl 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 on 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 fuhrt.
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) .
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 nichtkonstante 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.
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 wären.
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).
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. 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.
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.
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.
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).
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).
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).
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.
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.
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.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prinzipaufbau eines Aktuators zu schaffen, der hinsichtlich Elastizität und Lastabhängigkeit dem Bewegungs verhalten 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.
Die Vorrichtung zur Nachbildung des Bewegungsverhaltens eines natürlichen Muskels, besteht in an sich bekannter Weise aus einer mechanischen Energiequelle (Motor), beispielsweise einem elektro- mechanischen, 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.
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.
Mit den besagten ausgesprochen wenigen Elementen und deren Dimensionierang 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.
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. 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.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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 1 symbolisiert ist, dessen Länge der Außenlänge la des künstlichen Muskels (Aktuator) entspricht.
Eine in der Figur ebenfalls dargestellte innere Länge lj 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.
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 Prinzipanordnung dargestellte Aktuator wirkt dadurch mit einer Kraft F auf die besagte anliegende äußere Last. Diese Kjraft 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.
Bei motorischer Veränderung der inneren Länge lj 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 Kjraft F des Aktuators als künstlicher Muskel.
Als Dämpfüngsglied 6 findet beispielsweise ein magneto-rheologischer Dämpfer Verwendung.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 - natürlicher Muskel
2 - Motor
3 - Feder
4 - Dämpfungsglied
5 - Rückkopplung von der Kraft F zum steuerbaren
Dämpfungsglied 6
6 - von der Kraft F des künstlichen Muskels (Aktuator)
abhängiges Dämpfungsglied
la - Außenlänge des Aktuators (entspricht der Länge des im
Bewegungsverhalten nachzubildenden natürlichen Muskels 1) Ii - innere Länge des Aktuators
F - Kraft, mit welcher der künstliche Muskel (Aktuator) auf eine äußere Last wirkt

Claims

Patentansprüche
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. 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.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle ein elektrischer Motor 2 eingesetzt wird.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein pneumatischer Antrieb eingesetzt wird.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein hydraulischer Antrieb Verwendung findet.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Polymerantrieb genutzt wird.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit Metallhydrid als Arbeitsmedium eingesetzt wird.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit Formgedächtnislegierung als Arbeitsmedium eingesetzt wird.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Energiequelle (2) ein Antrieb mit organischen Stoffen als Arbeitsmedium eingesetzt wird.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied (6) ein magneto-rheologischer Dämpfer verwendet wird.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Dämpfungsglied (6) ein hydropneumatisches Federungssystem verwendet wird.
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