WO2022078549A1 - Gelenk mit kontrollierbaren freiheitsgraden - Google Patents

Gelenk mit kontrollierbaren freiheitsgraden Download PDF

Info

Publication number
WO2022078549A1
WO2022078549A1 PCT/DE2021/100799 DE2021100799W WO2022078549A1 WO 2022078549 A1 WO2022078549 A1 WO 2022078549A1 DE 2021100799 W DE2021100799 W DE 2021100799W WO 2022078549 A1 WO2022078549 A1 WO 2022078549A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
joint
sliding film
adaptive
viscosity
grease
Prior art date
Application number
PCT/DE2021/100799
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan-Henning Dirks
Susanna Labisch
Milan Sixt
Original Assignee
Hochschule Bremen Körperschaft des öffentlichen Rechts
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hochschule Bremen Körperschaft des öffentlichen Rechts filed Critical Hochschule Bremen Körperschaft des öffentlichen Rechts
Publication of WO2022078549A1 publication Critical patent/WO2022078549A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0004—Braking devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0062—Lubrication means

Definitions

  • the present invention relates to an adaptive joint system which comprises at least one joint which comprises at least two rigid bodies and a joint gap, the joint in the joint gap comprising a sliding film with controllable viscoelastic properties and the mobility of the joint being reversibly adjustable by means of the sliding film.
  • the viscosity of the sliding film can be adjusted between at least a first viscosity and a second viscosity which is higher than the first viscosity, and the joint system can be held passively in its position.
  • An ideal joint for a morphing structure therefore has an adjustable number of degrees of freedom, a reversible limitation of the mobility and a failsafe system in the event of a control failure.
  • the calcified bones lock by stiffening the collagen tissue in between, which can be changed on a biophysical level.
  • the collagen fibers consist of homotrimers, which can be crosslinked by various glycans and proteins as well as other as yet unknown stiffening factors. Accordingly, it is not the collagen fibers themselves that change, but the extracellular matrix surrounding them.
  • the stiffening process is reversible, allows a position to be fixed in a large number of degrees of freedom and, after locking, does not consume any more energy because it is not muscular.
  • an adaptive joint system which comprises at least one joint which comprises at least two rigid bodies and a joint gap, the joint comprising a sliding film with controllable viscoelastic properties in the joint gap and in contact with the two rigid bodies and the mobility of the joint can be reversibly adjusted by means of the sliding film, in that the viscosity of the sliding film can be adjusted between at least a first viscosity and a second viscosity that is higher than the first viscosity, and the joint system can be held passively in its position.
  • the mobility of the at least one joint can be reversibly adjusted by changing the viscoelastic properties of the sliding film.
  • the type and number of joints in the joint system according to the invention allows an almost free choice of degrees of freedom.
  • the joint retains its mechanical stability and can thus hold its position passively, i.e. without external energy supply.
  • the joint system according to the invention is simpler in construction, more controllable and fail-safe, lighter and more versatile than conventional joint systems.
  • a (technical) joint is a flexible connection between two rigid bodies and has at least one degree of freedom.
  • the viscosity of the sliding film can be adjusted between at least a first viscosity and a second viscosity that is higher than the first viscosity.
  • the sliding film preferably has a first viscosity at which the sliding film is liquid and/or a second viscosity which is higher than the first viscosity at which the sliding film is solid.
  • the viscoelastic properties of the sliding film can be controlled by controlling the application of thermal, chemical, or electrical energy.
  • the viscoelastic properties of the sliding film are controlled using thermal energy.
  • the viscoelastic properties of the sliding film can also be influenced by magnetic fields, electric fields, electromagnetic radiation (UV light), Crystallization processes, gas pressure, hydraulic pressure or the pH value of the sliding film can be controlled.
  • the locking is advantageously reversible. However, it can also be at least partially irreversible. Irreversibility can be achieved, for example, by UV irradiation, e.g. the polymerization of epoxides, or recrystallization.
  • composition and the distribution of the sliding film in the joint space are preferably homogeneous.
  • the composition and the distribution of the sliding film in the joint space can also be inhomogeneous independently of one another.
  • complex degrees of freedom can be achieved within a joint with little external control.
  • a composite sliding film layer can have different viscosities at different points, resulting in controlled and complex mobility of the entire joint. This can be achieved, for example, by a "cellular" structure of the sliding film layer, in which different sliding film materials are used without mixing.
  • joint materials with different thermal or physical properties.
  • part of the joint space may heat up and become flexible more quickly, while another part of the joint continues to exhibit increased viscosity.
  • This can be achieved by, for example, controlled local heating, different thermal conductivity of the materials used and/or controlled control of the gap thickness.
  • the lubricating film with controllable viscoelastic properties preferably comprises a polymer, an oil, a grease, a wax, a suspension, a solid lubricant, liquid metal or mixtures thereof.
  • the polymer can be a thermoplastic or an electroactive polymer.
  • thermoplastics are acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyamides (PA), polycaprolactone (PCL), polylactate (PLA), poly(meth)acrylates such as polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET) , Polyolefin, in particular polyethylene (PE) and polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyetheretherketone (PEEK) and polyvinyl chloride (PVC) and mixtures thereof.
  • Polycaprolactone is particularly preferred.
  • EAP electroactive polymers
  • ionic EAPs e.g. conductive polymers, ionic gels, ionic hydrogels, ionic metal-polymer composites, ionic CNT composites and mixtures thereof
  • electronic EAPs e.g., ferroelectric polymers, electrostrictive polymers, electrostrictive graft elastomers, liquid crystal elastomers, and dielectric elastomers.
  • Preferred oils are all types of tribologically-grade lubricating oils. Particularly suitable are lubricating oils with a non-linear change in the viscosity-temperature relationship and a low viscosity index VI (according to DIN ISO 2909). These preferably include mineral oils (paraffins, naphthenes, aromatics) and synthetic oils (polyether oils, carboxylic acid esters, ester oils, phosphoric acid esters, silicone oils and halogenated hydrocarbons). Animal and vegetable oils are also suitable.
  • Preferred greases are all types of tribologically suitable greases with a temperature-dependent yield point. Fats from the group consisting of sodium fats, lithium fats, calcium fats, aluminum fats, barium fats and complex fats are particularly suitable.
  • Preferred suspensions are all types of tribologically suitable mono-, iso- and polydisperse colloidal mixtures of substances from the groups of pastes, gels and liquid crystals with a liquid dispersion medium and a gaseous, solid or liquid disperse phase.
  • Emulsions and microemulsions are particularly preferred.
  • the dispersion medium can preferably comprise water or particularly preferably all types of oils, fats, waxes and lubricants mentioned in this text.
  • the disperse phase can contain all the solids mentioned in this text.
  • Minerals from the group of silicates, for example mica, clay minerals, amphiboles, garnet, olivine, pyroxenes and quartz, are also particularly preferred.
  • Particle sizes between 0.05 and 2 mm are preferred.
  • Particle sizes between 0.1 and 1 mm are very particularly preferred.
  • Particle sizes between 0.4 and 0.8 mm are most preferred.
  • Preferred solid lubricants are temperature-dependent lubricants from the groups of dichalcogenides of transition metals, e.g. molybdenum sulfide; Graphite, graphite fluoride, hexagonal boron nitride and metal halides, oxidic and fluorine-containing compounds of transition and alkaline earth metals, e.g. lead oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, zinc oxide, cadmium oxide, copper oxide, titanium dioxide, calcium fluoride, strontium fluoride, cerium fluoride, antimony trioxide, lithium fluoride, sodium fluoride; and soft metals, e.g., lead, indium, silver, and tin.
  • transition metals e.g. molybdenum sulfide
  • Graphite, graphite fluoride, hexagonal boron nitride and metal halides, oxidic and fluorine-containing compounds of transition and alkaline earth metals
  • Preferred waxes are natural, animal, vegetable, mineral, fossil, synthetic or partially synthetic waxes and mixtures thereof, such as stearin, candle wax or paraffin.
  • the joint system according to the invention comprises at least one joint.
  • the at least one joint is in contact with the sliding film.
  • the sliding film is advantageously located in the joint gap.
  • the at least one joint is locked by increasing the viscosity of the sliding film. By lowering the viscosity of the sliding film, the at least one joint becomes movable. This allows the joint to move freely within its design limits.
  • the combination of joint and sliding film makes it possible to limit mobility in a reversible manner.
  • the locking of the joint is also guaranteed if, for example, electronic control systems no longer react, since the structure is mechanically fixed in its position by the sliding film, i.e. it can hold its position passively.
  • the joint has at least one heating element, by means of which the sliding film can be heated, so that its viscoelastic change properties.
  • Temperature control can be done using a microcontroller and temperature sensors, ZBDS18B20.
  • a joint system according to the invention with two or more joints can be viewed as a kinematic chain.
  • a joint system according to the invention or a kinematic chain can preferably comprise more than 3, more than 4, more than 5 joints.
  • the joint system according to the invention particularly preferably comprises 2-20 joints, very particularly preferably 3-10 joints, most preferably 4-8 joints.
  • the joints may be independently selected from the group consisting of ball joint, hinge joint, pivot joint, sliding joint, screw joint, plate joint, saddle joint, egg joint, trunnion joint and rotary sliding joint.
  • the joint system and/or the joints can be made of plastic, wood, fiber-reinforced composites, carbon fibers, metal, metal alloys or ceramic materials.
  • Suitable plastics are all types of plastics with sufficient mechanical strength for the respective application. These include duroplastic and thermoplastic materials as well as elastomers. Thermoplastics from the groups of acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polyamide (PA), polylactate (PLA), polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyethylene terephthalate (PET), polyolefins (PE, PP), polystyrene are particularly suitable (PS), polyetheretherketone (PEEK) and polyvinyl chloride (PVC) and mixtures thereof. Durable thermosets from the groups of polyesters, polyurethanes, cyanate esters, aminoplasts and phenoplasts are also particularly suitable.
  • Suitable metals are all types of metals that can be machined according to the mechanical requirements of the joint and have mechanical properties suitable for the respective application. Metals with are particularly suitable controllable and specific thermal conductivity. These include aluminium, copper, silver, gold, platinum, iron, chromium, zinc, tin, cesium, tungsten, osmium, lithium and lead.
  • Suitable metal alloys are all types of ferrous and non-ferrous alloys with mechanical and thermal properties sufficient for the respective application. Steel, brass, bronze, amalgams, gold alloys and shape memory alloys and Heusler alloys are particularly suitable. Also suitable are all types of pseudo-alloys that result from sintering processes, for example in D printing.
  • Suitable ceramic materials are all ceramics with mechanical and thermal properties suitable for the respective application. All types of inorganic, non-metallic and polycrystalline technical ceramics from the groups of oxide ceramics, e.g. aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, titanium dioxide and mixtures thereof (mulite, piezoceramics) are particularly suitable. Also suitable are dispersion ceramics (ZTA) and non-oxide ceramics (carbides, nitrides, borides, silicides).
  • oxide ceramics e.g. aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide, titanium dioxide and mixtures thereof (mulite, piezoceramics) are particularly suitable. Also suitable are dispersion ceramics (ZTA) and non-oxide ceramics (carbides, nitrides, borides, silicides).
  • Suitable composite materials are all types of ceramic, polymer, mineral, biological and metallic composite materials that have mechanical properties suitable for the respective application.
  • Particle composites, fiber composites from the groups of short fiber composites, long fiber composites or continuous fiber composites (CFRP, GRP, ARP, NRP, WPC), layered composites, penetration composites and structural composites are particularly suitable.
  • the joint system and/or the joints can be produced using 3D printing processes.
  • the joints may include joint capsules and sockets.
  • the joint capsules can, for example, have a diameter of 20-40 mm, preferably 25-35 mm.
  • the joint capsules can preferably contain copper or silver or consist of copper or silver.
  • the joint capsule and joint head can have different roughnesses.
  • the joint system according to the invention can include at least one actuator.
  • the joint system according to the invention can include at least one sensor.
  • the joint system according to the invention can include a covering and/or seal which prevents the sliding film from leaking out.
  • the joint system according to the invention can preferably be used in robotics, vehicle technology, shipbuilding, production technology and aerospace technology, e.g. aircraft construction. It is particularly suitable for use in morphing structures in the field of aerodynamics, e.g. aircraft or wind turbine rotors.
  • the joint system according to the invention is particularly suitable for the short and medium-term adjustment of the three-dimensional shape of aircraft parts, such as wings and tail units.
  • Adaptive structures as made possible by the joint system according to the invention, lead to increased fuel efficiency, reduced noise and improved flight safety in these areas of application.
  • the joint system according to the invention meets the requirements of such aircraft parts to a high degree, such as simplicity through directly moving elements, redundancy through many equivalent connecting elements and fail-safety through maintenance of the function even after damage to an element. In particular, the control of the mobility of the elements is made possible.
  • the adaptive deformability of the joint system according to the invention enables it to be used in rotor blades, turbine blades or screws of conventional ship propulsion systems and an associated gain in efficiency.
  • the joint system according to the invention enables the blade geometry to be optimized during operation.
  • Fig. 1 shows the cross-sectional view of the CAD construction of the prototype used in example 1, including two ball joints 1 which connect the articulated arms 3.
  • the ball joints 1 each consist of the joint capsules 5 and the joint heads 7 and are secured with the sleeves 9 .
  • the joint gap 11, which is filled with the sliding film, is located between the joint capsules 5 and the joint heads 7.
  • Example 1 joint system with two joints
  • the core element of Example 1 is a lubricating film located in a joint capsule, which changes its viscoelastic properties by the application of heat.
  • This layer of material connects the joint capsule to the joint head.
  • a specific temperature can be set in the joint capsule using heating elements and temperature sensors.
  • the changed viscosity of the lubricating film leads to mobility of the joint, in that the head and capsule can slide on each other.
  • the hardening of the sliding film leads to a passive locking of the head located in the capsule.
  • the use of a material with variable viscosity as the connecting element of the joint thus makes it possible to limit mobility in a reversible manner.
  • the prototype can be bent or stretched using cable pulls.
  • the prototype according to example 1 consists of two independently controllable ball joints, which form the connection to three tubular structures. These are referred to below as articulated arms. The heads of the ball joint are slipped out of the joint capsule via collars prevented.
  • the parts were designed in Autodesk Fusion 360 (Autodesk Inc., Version 2020).
  • the STL files of the elements were prepared for D-printing using the open source slicing software Ultimaker Cura (version 4.5). Printing was done with the Creality Ender 3 Pro (Shenzen Creality 3D Technology Co., LTD) with a nozzle width of 0.4 mm.
  • the filament is PLA (polylactate) printed with a layer height of 0.16 mm at a temperature of 200 °C.
  • the joint capsules and thus the functional components of the prototype were embedded in the articulated arms 2 and 3.
  • the heating elements have been moved to the back of the capsule for even heating of the capsule.
  • the heating element was guided along the cylinder axis from behind to the capsule. Due to the position of articulated arm 2, the heating element was moved through a recess inside the cylinder.
  • Both articulated arms also have a recess in the same position to allow access to the joint capsule for the temperature sensors.
  • the articulated arms each have two straps to guide a cable along the longitudinal axis. This was attached to articulated arm 3 and allows the arm to move.
  • the joint capsules can use heating elements to bring the lubricating film into different viscosity states up to the solid state. Due to its thermal conductivity, the joint capsules are made of copper. The median joint space is 2 mm. Copper tubes (length: 2 and 3 cm) serve as sockets for the heating elements and temperature sensors and increase the contact area of the heating elements and the sensors.
  • the copper tube of the heating element was soldered to the convex side of the copper hemisphere using a blowtorch (CFH cartridge soldering device Lötmeister PZ 5000, toom Bau here GmbH, Cologne, Germany).
  • the copper tube of the temperature sensors was attached to the copper capsule with superglue (UHU lightning-fast MINIS, Dirk Rossmann GmbH, Burgwedel, Germany).
  • the sensors should record the temperature inside the copper capsule as best as possible, which is why they were not placed directly on the heating elements. To further improve the heat transfer between the copper pipes and heating elements and temperature sensors, these were filled with thermal paste.
  • the articulated arms 1 and 2 were processed with a multi-tool (Dremel 3000, Dremel, Racine, USA) in order to be able to insert the copper capsules precisely into the recess of the articulated arms. When put together, the structure has a length of 33.5 cm. Starting from a stretched position, each joint can bend in a 360° radius of 24 ° , limited by the cuff.
  • Each heating element was connected to the power supply and an chicken via MOSFETs. Sufficient current could flow through this circuit to heat the heating elements without damaging the PC.
  • the current flow was regulated via the gate of the MOSFET, enabling modulation to regulate the temperature.
  • the power supply had a set voltage of 10 volts, the current in amps varied by the PID controller.
  • the temperature sensors were connected to the chicken via a breadboard.
  • the chicken formed the central control of the electronic components.
  • the desired temperatures were set and controlled via the microcontroller using connected temperature sensors and heating elements.
  • the temperature sensors continuously measured the current temperature.
  • a temperature was set via the MOSFETs using pulse width modulation. This could be entered into the electrician's serial monitor, which was then compared to the current temperature.
  • a PID controller was implemented to smooth the temperature curve.
  • example 1 A total of three different materials were used in example 1, which connect the articulated arms as a sliding film. These materials are:
  • Coolmorph (Thermoworx Ltd, Ardrossan, UK), stated melting point 42°C; Polymorph (Thermoworx Ltd, Ardrossan, UK), stated melting point 62°C; and
  • the articulated arm was locked horizontally in a drill vice and positioned in such a way that articulated arm 3 could bend over the edge of the table.
  • a laser pointer (R400 Presenter, Logitech international SA, Apples, Switzerland) fastened to the articulated arm 3 reproduced the position of the arm by synchronous movement. Two meters away, the laser hit a vertical screen (wooden panel) with a metric tape attached.
  • a camera (iPhone 8, 30 fps, Apple Inc, Cupertino, California, USA) recorded the laser on the screen.
  • the temperature, the time and the output of the PC were recorded via the serial monitor of the PC.
  • the temperature was continuously increased to 50°C until the hinge completely buckled.
  • the camera was recording the whole time.
  • the joint was then returned to the extended starting position and the heating elements were switched off. A new test was only carried out after the temperature had cooled down to below 21 °C.
  • the output of the PC correlated linearly with the current flowing.
  • the maximum output of 255 corresponded to a current of 0.66 amps.
  • the energy consumption of the hinge with a specific material was defined as the energy output required to bring the hinge from 21 °C to full buckling.
  • P is the electrical power in watts and is calculated from the voltage U in volts and the current I in amperes.
  • J P * s.
  • the energy consumed in joules is calculated from the power P in watts and the time in seconds.
  • Coolmorph (39.9 ⁇ 0.7 °C) breaks down within a narrower temperature range than polymorph (40 ⁇ 2.2 °C) and wax (29.2 ⁇ 2.3 °C). In comparison, polymorph buckles in the highest temperature ranges, wax in the lowest. Coolmorph's temperature range is in between. creep test
  • Constant temperatures were set instead of a continuous increase in temperature. These temperatures were chosen to define a safety range in which no buckling of the joint occurs at a continuous temperature. These were determined as 90%, 95% and 98% of the temperature at which an angle change of 0.1° can be determined. The temperature at the angle change of 0.1° was determined as in the temperature-time-angle measurement. After that, the temperature was continuously increased by 1 °C until 10 measurements were taken. The camera took a picture every 30 seconds.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Gelenksystem, das mindestens ein Gelenk (1) umfasst, das zumindest zwei starre Körper (3) und einen Gelenkspalt (11) umfasst, wobei das Gelenk (1) in dem Gelenkspalt (11) einen Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften umfasst und wobei die Beweglichkeit des Gelenks (1) mittels des Gleitfilms reversibel einstellbar ist, indem die Viskosität des Gleitfilms zwischen mindestens einer ersten Viskosität und einer zweiten Viskosität, die höher als die erste Viskosität ist, einstellbar ist, und das Gelenksystem in seiner Position passiv haltbar ist.

Description

Gelenk mit kontrollierbaren Freiheitsgraden
Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptives Gelenksystem, das mindestens ein Gelenk umfasst, das zumindest zwei starre Körper und einen Gelenkspalt umfasst, wobei das Gelenk in dem Gelenkspalt einen Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften umfasst und wobei die Beweglichkeit des Gelenks mittels des Gleitfilms reversibel einstellbar ist, indem die Viskosität des Gleitfilms zwischen mindestens einer ersten Viskosität und einer zweiten Viskosität, die höher als die erste Viskosität ist, einstellbar ist, und das Gelenksystem in seiner Position passiv gehalten werden kann.
Zur Konstruktion von komplexen beweglichen Strukturen ist der Einsatz von Gelenken essenziell. Klassische technische Gelenke funktionieren dabei zumeist auf dem Prinzip der Reibungsminimierung, bei gleichzeitig definierten Freiheitsgraden. Eine nachträgliche oder sogar reversible Modifikation der Freiheitsgrade ist schwer möglich. Gleichzeitig erfordert die minimierte Reibung zwischen den Strukturen eine permanente Regulierung der Position.
Zur Konstruktion von komplexen technischen Strukturen und Maschinen müssen Elemente entweder temporär oder permanent zueinander beweglich verbunden werden. Der klassische Lösungsansatz zur beweglichen Verbindung einzelner Elemente ist dabei die Nutzung von Lagern oder Gelenken. Die Form und Funktion dieser kinematischen Paare müssen hierbei im Vorfeld an die jeweils gewünschte Beweglichkeit (respektive Anzahl der Freiheitsgrade) in der fertigen Struktur angepasst werden. Dabei wird in der technischen Konstruktion oft auf erprobte und bekannte reibungsminimierte Lager und Gelenke mit definierten Freiheitsgraden zurückgegriffen (z. B. Kugelgelenke, Scharniere, etc.).
Bei vielen einfachen Strukturen und Bewegungsmustern sind diese „klassischen“ Gelenkkonzepte mit vordefinierten Freiheitsgraden und minimierter Reibung sinnvoll und ausreichend. Die Konstruktion und gezielte Bewegung von komplexeren zwei- oder dreidimensionalen Strukturen stellen jedoch deutlich höhere Ansprüche an die Verbindung von Elementen. Insbesondere in adaptiven Systemen im Flugzeug- und Fahrzeugbau und in der Produktionstechnik werden diese Anforderungen deutlich. Hier limitieren vordefinierte Freiheitsgrade die Einsatzmöglichkeiten von sogenannten morphenden Strukturen.
Zusätzlich erfordert geringe Reibung zwischen zwei beweglichen Elementen eine kontinuierliche komplexe Regulierung der „Ist"-Position durch Überwachung der Gelenkstellung. Bei Ausfall der Regelung bzw. Energiezufuhr können solche Strukturen unkontrollierte Bewegungen durchführen und Anwender gefährden. Reibungsminimierte Gelenkssysteme sind somit keine ideale Lösung für adaptive Strukturen.
Ein ideales Gelenk für eine morphende Struktur hat demnach eine einstellbare Anzahl der Freiheitsgrade, eine reversible Limitierung der Beweglichkeit und eine Ausfallsicherung bei Versagen der Regelung.
Insbesondere im Flugzeugbau ist das Konzept der „morphenden Strukturen“ bereits seit einigen Jahren bekannt (Mabe, J. H., Ruggert, R. T., Butler, G. W. and Sellmeyer, S. (2004). “Morphing Chevrons for Take Off and Cruise Noise Reduction.”; Barbarino, S., Bilgen, O., Ajaj, R. M., Friswell, M. I. and Inman, D. J. (2011). A review of morphing aircraft. J. Intell. Mater. Syst. Struct. 22, 823-877). Diverse Patentanmeldungen beschreiben grundlegende Designprinzipien für z.B. bewegliche Flügelspitzen oder adaptive Oberflächen zur Beeinflussung von Grenzflächen. Mit verbesserten Möglichkeiten zur Herstellung von komplexeren Materialien (z.B. Steifigkeitsgradienten) gab es in den letzten Jahren zunehmend Konzepte zur Konstruktion von biologisch inspirierten Gelenksystemen. Der Aufbau dieser reibungsminimierten technischen Gelenke ähnelt prinzipiell jedoch noch nahezu ausschließlich der Struktur endoskeletaler Gelenke. Dabei werden bewegliche Elemente mithilfe einer zusätzlichen Stützstruktur (Gelenkskapsel bzw. Umhüllung des Lagers) geführt und liegen direkt aufeinander oder sind über dünne Schmierfilme verbunden.
Ein evolutionär extrem erfolgreiches Beispiel für hochfunktionale Gelenksstrukturen mit definierten und reversibel kontrollierten Freiheitsgraden kann in der Haut von Echinodermata (Stachelhäuter), speziell des Seesterns gefunden werden. Über den genauen Aufbau dieser vielseitigen Gelenksstrukturen ist bislang relativ wenig bekannt. Viele kleine kalzifizierte Elemente verbinden sich zu einer Art Kettenhemd und bilden so eine stabile Außenhaut. Eine Besonderheit des Skeletts vieler Echinodermata ist die Fähigkeit, die Beweglichkeit einzelner Elemente ohne zusätzlichen Energieaufwand gezielt einzuschränken und reversibel wieder freizugeben. Diese Eigenschaft wird beispielsweise genutzt, um Beutetiere wie Muscheln mit geringem Energieaufwand zu öffnen. Erreicht wird diese kontrollierte Beweglichkeit durch das für Echinodermata einzigartige Kollagengewebe. Dieses kann über sogenannte "Juxtaligamental Celis" neuronal angesteuert werden und innerhalb sehr kurzer Zeit seine mechanischen Eigenschaften ändern. Die kalzifizierten Knöchelchen arretieren durch das Versteifen des dazwischen befindlichen, auf biophysischer Ebene veränderbaren, Kollagengewebes. Die Kollagenfasern bestehen aus Homotrimeren, welche durch verschiedene Glykane und Proteine sowie weitere noch unbekannte Versteifungsfaktoren vernetzt werden können. Demnach verändern sich nicht die Kollagenfasern selbst, sondern die sie umgebende extrazelluläre Matrix. Der Versteifungsprozess ist reversibel, erlaubt die Fixierung einer Position in einer Vielzahl von Freiheitsgraden und verbraucht nach der Arretierung, da nicht muskulär, keine Energie mehr.
Unter Betrachtung der Fähigkeiten des Seesterns wurde versucht, die im Stand der Technik vorhandenen Nachteile und Hindernisse zu überwinden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Freiheitsgraden bei gleichzeitig energiearmer Positionskontrolle und Reversibilität des Versteifungsprozesses zu ermöglichen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein adaptives Gelenksystem, das mindestens ein Gelenk umfasst, das zumindest zwei starre Körper und einen Gelenkspalt umfasst, wobei das Gelenk in dem Gelenkspalt und in Kontakt mit den zwei starren Körpern einen Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften umfasst und wobei die Beweglichkeit des Gelenks mittels des Gleitfilms reversibel einstellbar ist, indem die Viskosität des Gleitfilms zwischen mindestens einer ersten Viskosität und einer zweiten Viskosität, die höher als die erste Viskosität ist, einstellbar ist, und das Gelenksystem in seiner Position passiv haltbar ist.
Durch die Veränderung der viskoelastischen Eigenschaften des Gleitfilms kann die Beweglichkeit des mindestens einen Gelenks reversibel eingestellt werden. Die Art und Anzahl der Gelenke im erfindungsgemäßen Gelenksystem ermöglicht eine nahezu freie Wahl an Freiheitsgraden. Vorteilhafterweise behält das Gelenk bei Ausfall der Kontrolle seine mechanische Stabilität und kann damit seine Position passiv halten, d.h. ohne Energiezufuhr von außen. Das erfindungsgemäße Gelenksystem ist insbesondere einfacher konstruiert, regelungs- und ausfallsicherer, leichter und vielseitiger als konventionelle Gelenkssysteme.
Ein (technisches) Gelenk ist eine bewegliche Verbindung zwischen zwei starren Körpern und weist mindestens einen Freiheitsgrad auf.
Die Viskosität des Gleitfilms ist zwischen mindestens einer ersten Viskosität und einer zweiten Viskosität, die höher als die erste Viskosität ist, einstellbar. Bevorzugt weist der Gleitfilm eine erste Viskosität, bei der der Gleitfilm flüssig ist, und/oder eine zweite Viskosität auf, die höher als die erste Viskosität ist, bei der der Gleitfilm fest ist.
Die viskoelastischen Eigenschaften des Gleitfilms können mittels der Steuerung der Zuführung von thermischer, chemischer oder elektrischer Energie kontrolliert werden. Vorzugsweise werden die viskoelastischen Eigenschaften des Gleitfilms mittels thermischer Energie kontrolliert.
Die viskoelastischen Eigenschaften des Gleitfilms können ferner auch über Magnetfelder, elektrische Felder, elektromagnetische Strahlung (UV-Licht), Kristallisationsprozesse, Gasdruck, hydraulischen Druck oder den pH-Wert des Gleitfilms kontrolliert werden.
Die Arretierung ist vorteilhafterweise reversibel. Sie kann aber auch zumindest teilweise irreversibel sein. Irreversibilität kann beispielsweise durch eine UV- Bestrahlung, z.B. die Polymerisation von Epoxiden, oder Umkristallisierung erreicht werden.
Die Zusammensetzung und die Verteilung des Gleitfilms im Gelenksspalt sind vorzugsweise homogen. Die Zusammensetzung und die Verteilung des Gleitfilms im Gelenksspalt können aber auch unabhängig voneinander inhomogen sein. Durch eine entsprechende Auswahl der Art, Menge, Zusammensetzung (z.B. thermische Eigenschaften) und der Verteilung des Gleitfilms können so innerhalb eines Gelenks mit geringer externer Steuerung komplexe Freiheitsgrade erreicht werden. So kann beispielsweise bei einer einzigen Gelenkstemperatur eine zusammengesetzte Gleitfilmschicht an verschiedenen Stellen unterschiedliche Viskositäten aufweisen, wodurch eine kontrollierte und komplexe Beweglichkeit des Gesamtgelenks entsteht. Dies kann z.B. erreicht werden durch einen „zellulären“ Aufbau der Gleitfilmschicht, bei welcher unterschiedliche Gleitfilmmaterialien ohne Durchmischung verwendet werden.
Gleiches kann auch durch Gelenksmaterialien mit unterschiedlichen thermischen oder physikalischen Eigenschaften erreicht werden. So kann sich z.B. ein Teil des Gelenkspalts schneller erwärmen und beweglich werden, während ein anderer Teil des Gelenks eine weiterhin erhöhte Viskosität aufweist. Dies kann erreicht werden durch zum Beispiel kontrollierte lokale Erhitzung, unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien und/ oder kontrollierte Steuerung der Spaltdicke.
Der Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften umfasst vorzugsweise ein Polymer, ein Öl, ein Fett, ein Wachs, eine Suspension, ein Festschmierstoff, flüssiges Metall oder Mischungen davon. Das Polymer kann ein Thermoplast oder ein elektroaktives Polymer sein. Bevorzugte geeignete Thermoplaste sind Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polycaprolacton (PCL), Polylactat (PLA), Poly(meth)acrylate, wie z.B. Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefin, insbesondere Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) und Mischungen davon. Polycaprolacton ist besonders bevorzugt.
Bevorzugte elektroaktive Polymere (EAP) sind elektroaktive thermoplastische Polymere aus der Gruppe der ionischen EAPs, z.B. leitfähige Polymere, ionische Gele, ionische Hydrogele, ionische Metall-Polymer-Komposite, ionische CNT-Komposite und Mischungen davon, sowie aus der Gruppe der elektronischen EAPs, z.B. ferroelektrische Polymere, elektrostriktive Polymere, elektrostriktive Graft- Elastomere, Flüssigkristall-Elastomere und dielektrische Elastomere.
Bevorzugte Öle sind alle Arten von tribologisch-geeigneten Schmierölen. Besonders bevorzugt geeignet sind Schmieröle mit einer nicht-linearen Änderung der Viskosität- Temperatur-Beziehung und einem geringen Viskositätsindex VI (nach DIN ISO 2909). Hierzu gehören bevorzugt mineralische Öle (Paraffine, Naphthene, Aromaten) und synthetische Öle (Polyetheröle, Carbonsäureester, Esteröle, Phosphorsäureester, Siliconöle und Halogenkohlenwasserstoffe). Weiterhin geeignet sind tierische und pflanzliche Öle.
Bevorzugte Fette sind alle Arten von tribologisch-geeigneten Schmierfetten mit einer temperaturabhängigen Fließgrenze. Besonders bevorzugt geeignet sind Fette aus der Gruppe der Natriumfette, Lithiumfette, Calciumfette, Aluminiumfette, Bariumfette und Komplexfette.
Bevorzugte Suspensionen sind alle Arten von tribologisch geeigneten mono-, iso- und polydispersen kolloidalen Stoffgemischen aus den Gruppen der Pasten, Gele und Flüssigkristalle mit einem flüssigen Dispersionsmedium und einer gasförmigen, festen oder flüssigen dispersen Phase. Besonders bevorzugt sind Emulsionen und Mikroemulsionen. Das Dispersionsmedium kann bevorzugt Wasser oder besonders bevorzugt alle Arten der in diese Text genannten Öle, Fette, Wachse und Schmierstoffe umfassen. Die disperse Phase kann alle in diesem Text genannten Feststoffe enthalten. Besonders bevorzugt sind zudem Minerale aus der Gruppe der Silikate, z.B. Glimmer, Tonminerale, Amphibole, Granat, Olivin, Pyroxene und Quarz. Bevorzugt sind Partikelgrößen zwischen 0.05 und 2 mm. Ganz besonders bevorzugt sind Partikelgrößen zwischen 0.1 und 1 mm. Am meisten bevorzugt sind Partikelgrößen zwischen 0.4 und 0.8 mm.
Bevorzugte Festschmierstoffe sind temperaturabhängige Schmierstoffe aus den Gruppen der Dichalkogenide der Übergangsmetalle, z.B. Molybdänsulfid; Graphit, Graphitfluorid, hexagonales Bornitrid und Metallhalogenide, oxidische und fluorhaltige Verbindungen der Übergangs- und Erdalkalimetalle, z.B. Bleioxid, Molybdänoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Cadmiumoxid, Kupferoxid, Titandioxid, Calciumfluorid, Strontiumfluorid, Ceriumfluorid, Antimontrioxid, Lithiumfluorid, Natriumfluorid; und weiche Metalle, z.B. Blei, Indium, Silber und Zinn.
Bevorzugte Wachse sind natürliche, tierische, pflanzliche, mineralische, fossile, synthetische oder teilsynthetische Wachse und Mischungen davon, wie z.B. Stearin, Kerzenwachs oder Paraffin.
Gelenk
Das erfindungsgemäße Gelenksystem umfasst mindestens ein Gelenk. Das mindestens eine Gelenk steht in Kontakt mit dem Gleitfilm. Der Gleitfilm befindet sich vorteilhafterweise im Gelenkspalt. Durch die Erhöhung der Viskosität des Gleitfilms wird das mindestens eine Gelenk arretiert. Durch die Absenkung der Viskosität des Gleitfilms wird das mindestens eine Gelenk beweglich. Das Gelenk wird dadurch innerhalb seiner konstruktionsbedingten Grenzen frei beweglich. Durch die Kombination von Gelenk und Gleitfilm ist es möglich, die Beweglichkeit reversibel zu limitieren. Ferner ist die Arretierung des Gelenks auch dann gewährleistet, wenn z.B. elektronische Steuerungssysteme nicht mehr reagieren, da die Struktur durch den Gleitfilms mechanisch in ihrer Position fixiert ist, d.h. passiv ihre Position halten kann.
In einer Ausführungsform weist das Gelenk mindestens ein Heizelement auf, mittels derer der Gleitfilm erwärmt werden kann, sodass sich dessen viskoelastischen Eigenschaften verändern. Die Temperaturregelung kann mittels eines Mikrocontrollers und Temperatursensoren, Z.B.DS18B20, erfolgen.
Ein erfindungsgemäßes Gelenkssystem mit zwei oder mehr Gelenken kann als kinematische Kette betrachtet werden. Bevorzugt kann ein erfindungsgemäßes Gelenkssystem bzw. eine kinematische Kette mehr als 3, mehr als 4, mehr als 5 Gelenke umfassen. Besonders bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Gelenksystem 2-20 Gelenke, ganz besonders bevorzugt 3-10 Gelenke, am meisten bevorzugt 4-8 Gelenke. Durch die Kombination mehrerer Gelenke lassen sich beliebige ein- bis dreidimensionale kinematischen Ketten mit unabhängig voneinander einstellbaren kontrollierbaren Freiheitsgraden erstellen.
Die Gelenke können unabhängig voneinander ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Kugelgelenk, Scharniergelenk, Drehgelenk, Schubgelenk, Schraubgelenk, Plattengelenk, Sattelgelenk, Eigelenk, Zapfengelenk und Drehschubgelenk.
Das Gelenksystem und/oder die Gelenke können aus Kunststoff, Holz, faserverstärkten Kompositen, Kohlenstofffasern, Metall, Metalllegierungen oder Keramikwerkstoffen hergestellt sein.
Geeignete Kunststoffe sind alle Arten von Kunststoffen mit für die jeweilige Anwendung ausreichender mechanischer Belastbarkeit. Hierzu gehören duroplastische und thermoplastische Kunststoffe sowie Elastomere. Besonders geeignet sind Thermoplaste aus den Gruppen der Acrylnitril-Butadien-Styrole (ABS), Polyamide (PA), Polylactate (PLA), Polymethylmethacrylate (PMMA), Polycarbonate (PC), Polyethylenterephthalate (PET), Polyolefine (PE, PP), Polystyrole (PS), Polyetheretherketone (PEEK) und Polyvinylchloride (PVC) sowie Mischungen daraus. Weiterhin besonders geeignet sind belastbare Duroplaste aus den Gruppen der Polyester, Polyurethane, Cyanat-Ester, Aminoplasten und Phenoplasten.
Geeignete Metalle sind alle Arten von Metallen, die entsprechend der mechanischen Anforderungen des Gelenks zu bearbeiten sind und über für die jeweilige Anwendung geeignete mechanische Eigenschaften verfügen. Besonders geeignet sind Metalle mit kontrollierbarer und spezifischer Wärmeleitfähigkeit. Hierzu zählen Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Platin, Eisen, Chrom, Zink, Zinn, Cäsium, Wolfram, Osmium, Lithium und Blei.
Geeignete Metalllegierungen sind alle Arten von Eisen- und Nichteisen-Legierungen mit für die jeweilige Anwendung ausreichenden mechanischen und thermischen Eigenschaften. Besonders geeignet sind Stahl, Messing, Bronze, Amalgame, Goldlegierungen sowie Formgedächtnislegierungen und Heuslersche Legierungen. Weiterhin geeignet sind alle Arten von Pseudolegierungen, welche durch Sinter- Prozesse beispielsweise im D-Druck entstehen.
Geeignete Keramikwerkstoffe sind alle Keramiken mit für die jeweilige Anwendung geeigneten mechanischen und thermischen Eigenschaften. Insbesondere geeignet sind alle Arten von anorganischer, nicht-metallischer und polykristalliner technischer Keramik aus den Gruppen der Oxid-Keramiken, z.B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid und Mischungen davon (Mulit, Piezokeramiken). Weiterhin geeignet sind Dispersionskeramiken (ZTA) und Nicht-Oxid-Keramiken (Carbide, Nitride, Boride, Silicide).
Geeignete Kompositwerkstoffe sind alle Arten von keramischen, polymeren, mineralischen, biologischen und metallischen Verbundwerkstoffen, welche für die jeweilige Anwendung geeignete mechanische Eigenschaften aufweisen. Besonders geeignet sind Teilchenverbundwerkstoffe, Faserverbundwerkstoffe aus den Gruppen der Kurzfaserverbundwerkstoffe, Langfaserverbundwerkstoffe oder Endlosfaserverbundwerkstoffe (CFK, GFK, AFK, NFK, WPC), Schichtverbundwerkstoffe, Durchdringungsverbundwerkstoffe sowie Strukturverbundwerkstoffe.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform können das Gelenksystem und/oder die Gelenke mittels 3-D-Druckverfahren hergestellt werden. Ferner können die Gelenke Gelenkkapseln und Gelenkpfannen umfassen. Die Gelenkkapseln können beispielsweise einen Durchmesser von 20 -40 mm haben, vorzugsweise 25-35 mm aufweisen. Die Gelenkkapseln können vorzugsweise Kupfer oder Silber enthalten oder aus Kupfer oder Silber bestehen. Zur Verbesserung der Haft- und Gleiteigenschaften des Gleitfilms können Gelenkkapsel und Gelenkkopf unterschiedliche Rauigkeiten aufweisen. Das erfindungsgemäße Gelenksystem kann mindestens einen Aktuator umfassen.
Das erfindungsgemäße Gelenksystem kann mindestens einen Sensor umfassen.
Das erfindungsgemäße Gelenksystem kann eine Umhüllung und/oder Abdichtung umfassen, welche ein Auslaufen des Gleitfilms verhindern.
Verwendung
Das erfindungsgemäße Gelenksystem kann vorzugsweise in der Robotik, der Fahrzeugtechnik, dem Schiffbau, der Produktionstechnik und der Luft- und Raumfahrttechnik, z.B. dem Flugzeugbau, verwendet werden. Insbesondere eignet es sich für die Verwendung in morphenden Strukturen im Bereich der Aerodynamik, z.B. Flugzeuge oder Rotoren von Windkraftanlagen.
Das erfindungsgemäße Gelenkssystem eignet sich insbesondere zur kurz- und mittelfristigen Anpassung der dreidimensionalen Form von Flugzeugteilen, wie z.B. Tragflächen und Leitwerken. Adaptive Strukturen, wie sie das erfindungsgemäße Gelenkssystem ermöglicht, führen in diesen Anwendungsbereichen zu erhöhter Treibstoffeffizienz, verringertem Lärm und verbesserter Flugsicherheit. Das erfindungsgemäße Gelenksystem erfüllt in hohem Maße die Anforderungen an solche Flugzeugteile, wie die Einfachheit durch direkt bewegte Elemente, Redundanz durch viele gleichwertige Verbindungselemente und Ausfallsicherheit durch Aufrechterhaltung der Funktion auch nach Beschädigung eines Elements. Dabei wird insbesondere die Kontrolle der Beweglichkeit der Elemente ermöglicht.
Die adaptive Verformbarkeit des erfindungsgemäßen Gelenkssystems ermöglicht dessen Verwendung in Rotorblättern, Turbinenschaufeln oder Schrauben von konventionellen Schiffsantrieben und einen damit verbundenen Effizienzgewinn. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Gelenkssystem die Optimierung der Blattgeometrie im laufenden Betrieb.
Sämtliche Kombinationen von bevorzugten Bereichen oder von Ausführungsformen sind besonders bevorzugt. Beschreibung der Figuren und Zeichnungen
Fig. 1 zeigt die Querschnittsansicht der CAD-Konstruktion des in Beispiel 1 verwendeten Prototypens samt zweier Kugelgelenke 1, die die Gelenkarme 3 verbinden. Die Kugelgelenke 1 bestehen jeweils aus den Gelenkkapseln 5 und den Gelenkköpfen 7 und sind mit den Manschetten 9 gesichert. Zwischen den Gelenkkapseln 5 und den Gelenkköpfen 7 befindet sich jeweils der Gelenkspalt 11, der mit dem Gleitfilm gefüllt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Ausführungsbeispiele
Beispiel 1 - Gelenkssystem mit zwei Gelenken
Gelenksystem
Das Kernelement von Beispiel 1 ist ein in einer Gelenkkapsel befindlicher Gleitfilm, welcher seine viskoelastischen Eigenschaften durch Zuführung von Wärme ändert. Diese Materialschicht verbindet die Gelenkkapsel mit dem Gelenkkopf. Über Heizelemente und Temperatursensoren kann eine gezielte Temperatur in der Gelenkkapsel eingestellt werden. Die veränderte Viskosität des Gleitfilms führt zu einer Beweglichkeit des Gelenkes, indem Kopf und Kapsel aneinander abgleiten können. Das Aushärten des Gleitsfilms führt zu einer passiven Arretierung des in der Kapsel befindlichen Kopfes. Der Einsatz eines Materials veränderbarer Viskosität, als verbindendes Element des Gelenkes, ermöglicht es somit, die Beweglichkeit reversibel zu limitieren. Über Seilzüge kann der Prototyp gebeugt oder gestreckt werden.
Der Prototyp gemäß Beispiel 1 besteht aus zwei unabhängig voneinander kontrollierbaren Kugelgelenken, welche die Verbindung zu drei rohrförmigen Strukturen bilden. Diese werden im Folgenden als Gelenkarme bezeichnet. Die Köpfe des Kugelgelenks werden über Manschetten am Herausrutschen aus der Gelenkkapsel gehindert. Die Bauteile wurden in Autodesk Fusion 360 (Autodesk Inc., Version 2020) konstruiert.
Die STL-Dateien der Elemente wurden mit der Open Source Slicing-Software Ultimaker Cura (Version 4.5) für den D-Druck vorbereitet. Gedruckt wurde mit dem Creality Ender 3 Pro (Shenzen Creality 3D Technology Co., LTD) mit einer Düsenweite von 0,4 mm. Das Filament ist PLA (Polylactat), welches mit einer Schichthöhe von 0,16 mm bei einer Temperatur von 200 °C gedruckt wurde.
In den Gelenkarmen 2 und 3 wurden die Gelenkkapseln und damit die funktionellen Komponenten des Prototyps eingelassen. Die Heizelemente wurden für ein gleichmäßiges Erhitzen der Kapsel von hinten an die Kapsel verlegt. Im Gelenkarm 1 wurde das Heizelement entlang der Zylinderachse von hinten bis zur Kapsel geführt. Aufgrund der Position des Gelenkarmes 2 wurde das Heizelement durch eine Aussparung in das Innere des Zylinders verlegt. Beide Gelenkarme haben außerdem noch an gleicher Position eine Aussparung, um einen Zugang zur Gelenkkapsel für die Temperatursensoren zu ermöglichen. Die Gelenkarme verfügen über jeweils zwei Laschen, um einen Seilzug entlang der Längsachse zu führen. Dieser wurde am Gelenkarm 3 befestigt und ermöglicht die Bewegung des Armes.
Die Gelenkkapseln können den Gleitfilm durch Heizelemente in verschiedene Viskositätszustände bis zum festen Zustand bringen. Aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit sind die Gelenkkapseln aus Kupfer. Der mittlere Gelenkspalt beträgt 2 mm. Kupferrohre (Länge: 2 und 3 cm) dienen als Fassung der Heizelemente und Temperatursensoren und erhöhen die Kontaktfläche der Heizelemente und der Sensoren. Das Kupferrohr des Heizelementes wurde mit einer Lötlampe (CFH Kartuschenlötgerät Lötmeister PZ 5000, toom Baumarkt GmbH, Köln, Deutschland) an die konvexe Seite der Kupferhalbkugel gelötet. Das Kupferrohr der Temperaursensoren wurde mit Sekundenkleber (UHU blitzschnell MINIS, Dirk Rossmann GmbH, Burgwedel, Deutschland) an der Kupferkapsel befestigt. Die Sensoren sollen bestmöglich die Temperatur innerhalb der Kupferkapsel erfassen, weshalb sie nicht direkt an den Heizelementen platziert wurden. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen den Kupferrohren und Heizelementen und Temperatursensoren wurden diese mit Wärmeleitpaste gefüllt. Die Gelenkarme 1 und 2 wurden mit einem Multifunktionswerkzeug (Dremel 3000, Dremel, Racine, USA) bearbeitet, um die Kupferkapseln passgenau in die Aussparung der Gelenkarme einsetzen zu können. Zusammengesetzt hat der Aufbau eine Länge von 33,5 cm. Ausgehend von einer gestreckten Position kann jedes Gelenk limitiert durch die Manschette in einem 360° Radius um 240 knicken.
Elektronik und Ansteuerung
Jedes Heizelement wurde über MOSFETs an das Netzgerät und einen Arduino angeschlossen. Über diese Verschaltung konnte ausreichend Strom fließen, um die Heizelemente zu erhitzen ohne den Arduino zu beschädigen. Über das Gate des MOSFET wurde der Stromfluss reguliert und so eine Modulation zur Regelung der Temperatur ermöglicht. Das Netzgerät hatte eine eingestellte Spannung von 10 Volt, die Stromstärke in Ampere variierte durch den PID-Regler. Die Temperatursensoren wurden mit dem Arduino über eine Steckplatine verschaltet.
Der Arduino bildete die zentrale Ansteuerung der elektronischen Bauteile. Über den Mikrocontroller wurden mittels angeschlossener Temperatursensoren und Heizelemente gewünschte Temperaturen eingestellt und geregelt. Die Temperatursensoren maßen kontinuierlich die aktuelle Temperatur. Durch eine Pulse Width Modulation wurde eine Temperatur über die MOSFETs eingestellt. Diese konnte in den seriellen Monitor des Arduino eingegeben werden, welche dann mit der aktuellen Temperatur verglichen wurde. Um die Temperaturkurve zu glätten, wurde ein PID-Regler implementiert.
Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften
Insgesamt wurden in Beispiel 1 drei verschieden Materialien verwendet, die als Gleitfilm die Gelenkarme verbinden. Diese Materialien sind:
Coolmorph (Thermoworx Ltd, Ardrossan, Großbritannien), angegebener Schmelzpunkt 42 °C; Polymorph (Thermoworx Ltd, Ardrossan, Großbritannien), angegebener Schmelzpunkt 62 °C; und
• Kerzenwachs (Rustikstumpen weiß 80 x 68 mm, Dirk Rossmann GmbH, Burgwedel, Deutschland), angegebener Schmelzpunkt ca. 45 °C.
In Vorversuchen wurde geprüft ob die Materialien für die Anwendung in der Gelenkkapsel geeignet sind. Im ausgehärteten Zustand konnten Belastungen des Armes von 5 N gehalten werden.
Für die Charakterisierung des Gelenkes wurden jeweils alle drei Materialien untereinander verglichen. Um eine Vergleichbarkeit der Experimente zu gewährleisten, wurden alle Materialien mit dem gleichen Gelenk, zwischen Gelenkarm 2 und 3, getestet. Das Befüllen der Kapsel und der Zusammenbau des Gelenkarmes waren ebenfalls identisch. Der Gelenkarm 2 wurde in einer vertikalen Position in einem Bohrschraubstock (Güde GmbH & Co KG, Wolpertshausen, Deutschland) befestigt und anschließend die Kapsel zur Hälfte mit dem jeweiligen Material befüllt. Die Gelenkkapsel wurde kontinuierlich erhitzt bis die Polymere transparent und viskos waren, beziehungsweise das Wachs verflüssigt war. Danach wurde der Kopf 2 in die Kapsel gesetzt und die Heizelemente ausgestellt. Nach dem Aushärten der Materialien wurde der Gelenkarm 3 montiert. Alle Versuche wurden jeweils mit den drei ausgewählten Materialien durchgeführt. Der Stichprobenumfang für jedes getestete Material betrug n =10.
Temperatur-Zeit-Winkel-Messung
Verschiedene Parameter zur Charakterisierung des Gelenkes im Prozess des Aufheizens wurden ermittelt. Der Gelenkarm wurde in einem Bohrschraubstock horizontal arretiert und so positioniert, dass der Gelenkarm 3 über der Tischkante abknicken konnte. Ein auf dem Gelenkarm 3 befestigter Laserpointer (R400 Presenter, Logitech international S.A., Apples, Schweiz) gab durch die synchrone Bewegung, die Position des Armes wieder. In zwei Metern Entfernung traf der Laser auf eine vertikale Leinwand (Holzplatte) mit befestigtem metrischem Maßband. Eine Kamera (iPhone 8, 30 fps, Apple Inc, Cupertino, Kalifornien, USA) nahm den Laser auf der Leinwand auf. Über den seriellen Monitor des Arduino wurden dabei die Temperatur, die Zeit, und der Output des Arduino aufgenommen. Der Gelenkarm 3 wurde einschließlich des Laserpointers mit einem Gewicht von 100 g belastet. Aufgrund der Hebelarme ri = 3,2 cm und r2= 9,5 cm ergab sich durch den allgemeinen Momentensatz ein Moment von 0,07 Nm.
Die Temperatur wurde kontinuierlich auf 50 °C erhöht bis das Gelenk vollständig abknickte. Die Aufnahme der Kamera lief während dieser gesamten Zeit. Anschließend wurde das Gelenk in die gestreckte Ausgangsposition zurückgesetzt und die Heizelemente ausgestellt. Ein erneuter Versuch wurde erst nach Abkühlen der Temperatur auf unter 21 °C durchgeführt.
Der Output des Arduino korrelierte linear mit dem fließenden Strom. Der maximale Output von 255 entsprach einer Stromstärke von 0,66 Ampere. Der Energieverbrauch des Gelenkes mit einem bestimmten Material wurde definiert als die benötigte Energieleistung, um das Gelenk von 21 °C zum vollständigen Abknicken zu bringen. Die elektrische Leistung wurde über P = U * I berechnet. Dabei ist P die elektrische Leistung in Watt und berechnet sich aus der Spannung U in Volt und der Stromstärke I in Ampere. Die Leistung über die Zeit und damit der ermittelte Energieverbrauch wurde über J = P * s berechnet. Die verbrauchte Energie in Joule berechnet sich aus der Leistung P in Watt und der Zeit in Sekunden.
Ergebnisse
Es konnte festgestellt werden, dass die Temperatur über der Zeit linear ansteigt, solange die Gelenkkapsel kontinuierlich geheizt wird. Die folgenden Mittelwerte und Standardabweichungen beziehen sich auf die Temperatur bei einer Winkeländerung von o,5°.
Coolmorph (39,9±o,7 °C) knickt innerhalb eines schmaleren Temperaturbereichs als Polymorph (4ö±2,2 °C) und Wachs (29,2±2,3 °C) ab. Im Vergleich knickt Polymorph in den höchsten Temperaturbereichen ab, Wachs in den niedrigsten. Der Temperaturbereich von Coolmorph liegt dazwischen. Kriechversuch
Zur Überprüfung, ob ein Kriechverhalten der Materialien bei bestimmten Temperaturen vorlag, wurde die Winkeländerung des Gelenkes über einen Zeitraum von einer Stunde getrackt. Dafür wurde der gleiche Versuchsaufbau und auch die gleiche Auswertung der Daten wie zur Temperatur-Zeit-Winkel-Messung genutzt.
Statt einer kontinuierlichen Temperaturerhöhung wurden konstante Temperaturen eingestellt. Diese Temperaturen wurden gewählt, um einen Sicherheitsbereich zu definieren, in dem bei einer kontinuierlichen Temperatur kein Abknicken des Gelenkes stattfindet. Bestimmt wurden diese als 90%, 95% und 98% der Temperatur bei der eine Winkeländerung von o,i° festzustellen ist. Die Temperatur bei der Winkeländerung von o,i° wurde wie bei der Temperatur-Zeit-Winkel-Messung bestimmt. Danach wurde die Temperatur kontinuierlich um 1 °C erhöht bis 10 Messungen aufgenommen wurden. Die Kamera nahm alle 30 Sekunden ein Bild auf.
Ergebnisse
Bei Coolmorph und Polymorph wurde keine Winkeländerung gemessen. Ebenso konnte bei der 90% Messung bei Wachs keine Änderung festgestellt werden. Nur bei Wachs konnten größere Winkeländerungen von bis zu 120 festgestellt werden, die Polymere bewegten sich in Bereichen < 0,2°.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Patentansprüche Adaptives Gelenksystem, das mindestens ein Gelenk umfasst, das zumindest zwei starre Körper und einen Gelenkspalt umfasst, wobei das Gelenk in dem Gelenkspalt und in Kontakt mit den zwei starren Körpern einen Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften umfasst und wobei die Beweglichkeit des Gelenks mittels des Gleitfilms reversibel einstellbar ist, indem die Viskosität des Gleitfilms zwischen mindestens einer ersten Viskosität und einer zweiten Viskosität, die höher als die erste Viskosität ist, einstellbar ist, und das Gelenksystem in seiner Position passiv haltbar ist. Adaptives Gelenksystem nach Anspruch i, das zwei oder mehr Gelenke umfasst. Adaptives Gelenksystem nach Anspruch i oder 2, bei dem die viskoelastischen Eigenschaften des Gleitfilms mittels der Steuerung der Zuführung von thermischer, chemischer oder elektrischer Energie, vorzugsweise thermischer Energie, oder mittels Magnetfelder, elektrischer Felder, elektromagnetische Strahlung (UV-Licht), Kristallisationsprozessen, Gasdruck, hydraulischem Druck oder des pH-Werts des Gleitfilms kontrollierbar sind. Adaptives Gelenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gleitfilm inhomogen im Gelenk verteilt ist. Adaptives Gelenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften ein thermoplastisches Polymer, ein Öl, ein Fett, ein Wachs, eine Suspension, ein Festschmierstoff, flüssiges Metall oder Mischungen davon umfasst. Adaptives Gelenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polycaprolacton (PCL), Polylactat (PLA), Poly(meth)acrylat, wie z.B. Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyolefin, insbesondere Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC) und Mischungen davon, oder mindestens ein elektroaktives Polymer (EAP) umfasst, vorzugsweise ein ionisches EAP oder ein elektronisches EAP. Adaptives Gelenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gleitfilm mit kontrollierbaren viskoelastischen Eigenschaften mindestens ein Schmieröl, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mineralischen Ölen, synthetischen Ölen, tierischen Ölen, pflanzlichen Ölen und Mischungen davon, oder mindestens ein Schmierfett, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Natriumfetten, Lithiumfetten, Calciumfetten, Aluminiumfetten, Bariumfetten und Komplexfetten, oder mindestens einen Festschmierstoff, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Dichalkogeniden der Übergangsmetalle, Graphit, Graphitfluorid, hexagonalem Bornitrid, Metallhalogeniden, oxidischen und fluorhaltigen Verbindungen der Übergangs- und Erdalkalimetalle, und Metalle, die weicher als die umhüllende Gelenkstruktur sind, oder mindestens ein Wachs umfasst, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus mineralischen Wachsen, synthetischen Wachsen, tierischen Wachsen, pflanzlichen Wachsen, natürlichen Wachsen, fossilen Wachsen, teilsynthetischen Wachsen und Mischungen davon. Adaptives Gelenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das mindestens ein Heizelement umfasst. Adaptives Gelenksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Gelenk unabhängig voneinander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kugelgelenk, Scharniergelenk, Drehgelenk, Schubgelenk, Schraubgelenk, Plattengelenk, Sattelgelenk, Eigelenk, Zapfengelenk und Drehschubgelenk. Verwendung des adaptiven Gelenksystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Robotik, der Fahrzeugtechnik, dem Schiffbau, der Produktionstechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik, insbesondere zur kurz- und mittelfristigen Anpassung der dreidimensionalen Form von Flugzeugteilen, wie z.B. Tragflächen und Leitwerken, oder in Rotorblättern, Turbinenschaufeln oder Schrauben von konventionellen Schiffsantrieben.
PCT/DE2021/100799 2020-10-12 2021-10-05 Gelenk mit kontrollierbaren freiheitsgraden WO2022078549A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020126705.3A DE102020126705A1 (de) 2020-10-12 2020-10-12 Gelenk mit kontrollierbaren Freiheitsgraden
DE102020126705.3 2020-10-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022078549A1 true WO2022078549A1 (de) 2022-04-21

Family

ID=78676247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2021/100799 WO2022078549A1 (de) 2020-10-12 2021-10-05 Gelenk mit kontrollierbaren freiheitsgraden

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020126705A1 (de)
WO (1) WO2022078549A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19717705A1 (de) * 1997-04-26 1998-10-29 Schenck Ag Carl Schaltkupplung
US20160355253A1 (en) * 2014-01-31 2016-12-08 Bombardier Inc. Apparatus and methods for actuation of flight control surfaces
WO2017182389A1 (de) * 2016-04-20 2017-10-26 Helmut-Schmidt-Universität Universität der Bundeswehr Hamburg Elastisches und steuerbares gelenk, zur verwendung in körpernahen systemen
EP3695940A1 (de) * 2017-10-20 2020-08-19 Guangdong O-matic Intelligent Robot Limited Gelenkmechanismus, verfahren zur steuerung davon, mehrarmige vorrichtung und roboter

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19910782C2 (de) 1999-03-11 2001-01-25 Stabilus Gmbh Türscharnier mit einer Blockierung aufgrund einer Feldkraft

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19717705A1 (de) * 1997-04-26 1998-10-29 Schenck Ag Carl Schaltkupplung
US20160355253A1 (en) * 2014-01-31 2016-12-08 Bombardier Inc. Apparatus and methods for actuation of flight control surfaces
WO2017182389A1 (de) * 2016-04-20 2017-10-26 Helmut-Schmidt-Universität Universität der Bundeswehr Hamburg Elastisches und steuerbares gelenk, zur verwendung in körpernahen systemen
EP3695940A1 (de) * 2017-10-20 2020-08-19 Guangdong O-matic Intelligent Robot Limited Gelenkmechanismus, verfahren zur steuerung davon, mehrarmige vorrichtung und roboter

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BARBARINO, S.BILGEN, O.AJAJ, R. M.FRISWELL, M. I.INMAN, D. J.: "A review of morphing aircraft", J. INTELL. MATER. SYST. STRUCT., vol. 22, 2011, pages 823 - 877, XP009191244
MABE, J. H.RUGGERT, R. T.BUTLER, G. W.SELLMEYER, S., MORPHING CHEVRONS FOR TAKE OFF AND CRUISE NOISE REDUCTION, 2004

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020126705A1 (de) 2022-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE602004000357T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zum drehenden Reibungsschweissen mit einem geschwindigkeitwechselnden Werkzeug
CN109676110B (zh) 将填充材料注入复合层中的孔中的装置和方法
EP2263021B1 (de) Durch druckmittel vorspannbare elastomerbauteile und deren herstellungsverfahren
EP2586595B1 (de) Verfahren zum Verbinden eines Kunststoffwerkstücks mit einem weiteren Werkstück
DE102013105680A1 (de) Funkenerosions-Werkzeug und Elektrode für ein Funkenerosions-Werkzeug
DE102013203514A1 (de) Räumlich gradierte SMA-Aktuatoren
DE102010001321A1 (de) Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs
DE102015005407A1 (de) Rührreibschweißen von Thermoplasten
DE102013203260A1 (de) Verfahren zum Zusammenfügen von Werkstücken unter Verwendung einer Aktivierung eines Formgedächtnispolymers zum Erleichtern von Ausrichtung und Halterung
DE112015001129T5 (de) Dichtelement und Wälzlager für Windradhauptwelle
DE19634417C2 (de) Verfahren zur Verbindung mindestens zweier dünnwandiger metallischer Werkstücke
WO2022078549A1 (de) Gelenk mit kontrollierbaren freiheitsgraden
EP3746280A1 (de) Extrusionsvorrichtung und verfahren zur herstellung von kohlefaserverstärkten kunststoffhalbzeugen
DE102014107036A1 (de) Gelenklager mit beschichteter Titankugel
EP3175036B1 (de) Verfahren zur herstelung oder bearbeitung einer walze, walze und funktionsschicht einer walze
WO2017067759A1 (de) Gleitlagerbuchse mit integrierter dichtlippe
EP1983203A2 (de) Vorrichtung zum Drehen und Klemmen beweglicher Klappen
EP3178627B1 (de) Extrusionsvorrichtung und verfahren zum auffüllen einer nut mit einer füllmasse
DE102019106446A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer thermoplastischen Fügeverbindung, Verfahren zur Reparatur eines ersten Bauteils und Fügeverbindung
EP2977135B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Erstellen einer Vertiefung in Dämmstoffen
DE102005032725A1 (de) Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung mit einer Welle und Festkörperaktoren
DE102016123297B4 (de) Gelenk
DE102018207130B4 (de) Homokinetisches Gelenk
DE102016205531A1 (de) Generatorkopf zur Erzeugung von stabförmigen Strukturelementen, Generator und Verfahren zur Erzeugung von stabförmigen Strukturelementen
WO2019206560A1 (de) Vorrichtung zum setzen eines setzelements

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21810278

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21810278

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1