Entwicklung und Analyse neuer flexibler Fluidaktoren und Realisierung nachgiebiger Leichtbau

302 Pages·2016·8.44 MB·German

Entwicklung und Analyse neuer flexibler
Fluidaktoren und Realisierung nachgiebiger
Leichtbau- Robotersysteme
ZurErlangungdesakademischenGradeseines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
vonderFakultätfürMaschinenbaudes
KarlsruherInstitutesfürTechnologie
genehmigte
D
ISSERTATION
vorgelegtvon
Dipl.-Ing. Immanuel Nicolas Gaiser
ausReutlingen
Hauptreferent: Prof.Dr.-Ing.habil.GeorgBretthauer
Korreferenten: Prof.Dr.-Ing.Dr.h.c.AlbertAlbers
TagdermündlichenPrüfung: 01.Februar2016
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Weitergabe unter gleichen Bedingungen 3.0 Deutschland Lizenz
(CC BY-SA 3.0 DE): http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner der Tätigkeit am Institut für Angewandte In-
formatik/AutomatisierungstechnikamKarlsruherInstitutfürTechnologie.
Mein besonderer Dank gilt zunächst Herrn Prof. Dr. Ing. habil. Georg Bretthauer für die
wohlwollende Unterstützung meiner Arbeit und seine ausführlichen und konstruktiven Anre-
gungenbeiderErstellungdesManuskripts.
WeiterhindankeichHerrnProf.Dr.Ing.Dr.h.c.AlbertAlbersherzlichstfürdieÜbernahme
desKorreferatsundseinInteresseanderArbeit.
Herrn Dr. Stefan Schulz danke ich besonders für die Aufnahme in seiner Arbeitsgruppe und
für sein Beispiel des unermüdlichen Strebens nach der Lösung. Mein außerordentlicher Dank
gilt Frau Maika Torge und Herr Dr. Mario Walter vom Institut für Angewandte Materialien
für ihre stetige Hilfsbereitschaft bei Werkstoffuntersuchungen sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. Karl
Schweizerhof vom Institut für Mechanik an der Fakultät für Bauingenieur-, Geo- und Um-
weltwissenschaften für seine Anregungen bezüglich der Modellierung. Herrn Dipl.-Ing. Stefan
Griebel von der TU Illmenau (Forschungsgruppe Prof. Lena Zentner) sowie dem CADFEM-
ANSYS-SupportdankeichfürdieBereitstellungderMaterialdaten.
Ich danke HerrnGottlob Dietz sowie dergesamten Belegschaft der GottlobDietz GmbH für
ihre stetige Hilfsbereitschaft und die offene Zusammenarbeit, die sie mir bei der Erstellung der
Prototypenentgegengebrachthaben.
Ich möchte außerdem meiner ganzen Arbeitsgruppe und Institutskollegen für die kollegiale
ZusammenarbeitundstetigeBereitschaftzurDiskussiondanken.Imeinzelnensinddas:Dr.Ar-
tem Kargov, Tino Werner, Helmut Breitwieser, Reinhold Oberle, Dr. Christian Pylatiuk, Wolf-
gang Rössler, Stefan Vollmannshauser und Andreas Hofmann sowie meine Mitstreiter aus der
GruppederDoktorandenAlexanderPfriem,BastianSchmitzundRolandWiegand.
Des weiteren gilt mein Dank allen meinen studentischen Mitarbeitern, die die Arbeit immer
wieder mit frischem Schwung befruchtet haben. Im Besonderen möchte ich nennen: Markus
Hollik,PatrickPrestelsowieAdrianAndres,dessenlangeAusdauermaßgeblichzurErstellung
desFEM-Modellsbeigetragenhat.
IchdankeallenmeinenFreunden,dasssiemichtrotzmeinerdeutlichreduziertenPräsenzim
ZeitraumderFertigstellungderArbeitnievergessenhaben.
Meinen Eltern Gudrun und Horst danke ich für ihre Unterstützung in allen Lebenslagen und
meinenGeschwisternSophia,CarolineundKonstantinfürihreimmertatkräftigeHilfe.
Mein größter Dank gilt meiner Frau Erin und meinen Söhnen Linus und Levi, die sicher die
größtenEntbehrungenerfahrenhaben.IchdankeEuchfürdieunermüdlicheUnterstützungund
denimmerscharfenSinnfürdasWesentliche.
IhrseidmeinganzesGlück.
Durmersheim, ImmanuelGaiser
imFebruar2016 KarlsruherInstitutfürTechnologie
Kurzfassung
Mit der Tatsache, dass die Grenzen zwischen Mensch und Maschine immer enger gezogen
werden, sind besondere Anforderungen an die Antriebstechnologie und Maschinenkonzeption
verbunden. Besonders die sichere Kooperation zwischen Mensch und Roboter fordert von Ma-
schinenseite Nachgiebigkeit und Adaptivität in Verbindung mit geringen beschleunigten Mas-
sen.
In der Dämpfer- und Hebetechnik sind Balgaktoren und Rollbalgzylinder Beispiele für das
Wirkprinzip flexibler Fluidaktoren. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, das Antriebsprinzip
flexibler Fluidaktoren weiterzuentwickeln und durch die Realisierung einer kompletten Aktor-
baureiheeinembreitenAnwendungsspektrumzuerschliessen.
Die Arbeit beginnt mit der Diskussion des Entwicklungsstandes zu flexiblen Fluidaktoren und
nachgiebigen Strukturelementen. Dann wird der neu entwickelte Herstellungsprozess für fle-
xible Fluidaktoren und die damit verbundene Materialentwicklung erläutert. Es folgt die Vor-
stellung des konzipierten FEM-Modells zur Auslegung neuer flexibler Fluidaktoren sowie die
Charakterisierung und Evaluierung der spezifischen Leistungsparameter. Das vorletzte Kapi-
tel beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger Gelenkstrukturen, die in Kombination mit
neuen flexiblen Fluidaktoren besonders leichte und hochintegrierte Roboterstrukturen ermög-
lichen. Die Arbeit schliesst mit den Entwicklungsergebnissen zu modularen Robotereinheiten
undAnwendungsbeispielenausderhumanoidenRobotikundderMedizintechnik.

Der Weg ist das Ziel.
Konfuzius,551-579v.Chr.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 BedeutungflexiblerFluidaktorenfürnachgiebigeLeichtbaurobotersysteme 1
1.1.1 Beziehung Mensch-Roboter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 Robotersicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 RoboteranwendungenimKontextnachgiebigerLeichtbau-Robo-
tersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Aktuelle Herausforderungen im Bereich nachgiebiger Leichtbau-
robotik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Entwicklungsstand relevanter Teilgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Leichtbau- Robotersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Nachgiebige Roboterantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.3 Flexible Fluidaktoren und flexible fluidische Strukturelemente . . . 16
1.3 Ziele und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2 Neuer Herstellungsprozess für flexible Fluidaktoren und nachgiebiger
Strukturbauteile 49
2.1 Anforderungen an Herstellungsprozess und Produkt . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Relevante Aspekte der Elastomertechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3 Konzeption und Prozessentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.1 NeuerHerstellungsprozesszurFertigungflexiblerHohlstrukturen
flexibler Fluidaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.2 Neue Materialien für die Herstellung flexibler Fluidaktoren . . . . 54
2.3.3 Aufbau und Geometrie neuer flexibler Fluidaktoren . . . . . . . . . 69
2.3.4 Entwurf nachgiebiger Strukturelemente . . . . . . . . . . . . . . . 75
3 StrukturmechanischeBetrachtungenundEntwicklungeinesAuslegungs-
werkzeugs für Entwurf und Evaluierung flexibler Fluidaktoren 81
3.1 Grundlagen zum Verständnis dünnwandiger Hohlstrukturen . . . . . . . . 81
3.2 Grundlagen zum Verständnis nichtlinearer Analysen . . . . . . . . . . . . 82
3.2.1 Strukturbedingte Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.2 Geometrische Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.3 Werkstoffliche Nichtlinearitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.2.4 Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3 Analytische und numerische Modelle für flexible Hohlstrukturen . . . . . 86
3.4 Aufbau des neuen FEM-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.4.1 Generierung des Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4.2 Randbedingungen und Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.4.3 Auswertung und Darstellung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . 108
3.5 Übersicht des Aktormodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6 Verformungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.7 Spannungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4 Experimentelle Charakterisierung und Simulation der neuen flexiblen
Fluidaktoren 119
4.1 Statische Charakterisierung flexibler Hohlstrukturen . . . . . . . . . . . . 119
4.1.1 Drehmomentcharakteristik 11mm-Aktor . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.1.2 Drehmomentcharakteristik 18mm-Aktor . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.1.3 Drehmomentcharakteristik 36mm-Aktor . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.1.4 Drehmomentcharakteristik Einzelkammeraktor . . . . . . . . . . . 129
4.1.5 Steifigkeitscharakterisierung nachgiebiger Strukturelemente . . . 131
4.2 Dauerfestigkeit flexibler Fluidaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.2.1 Zyklischer Belastungstest der 18mm-Aktoren . . . . . . . . . . . . 135
4.2.2 Zyklischer Belastungstest 36mm-Aktoren . . . . . . . . . . . . . . 135
4.2.3 Zyklischer Belastungstest der Einzelkammeraktoren . . . . . . . . 137
4.3 Modellverhalten und Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.3.1 Strukturelle axiale Steifigkeit des drucklosen Aktors . . . . . . . . 139
4.3.2 Drehmomentdaten der Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5 Neuartige Gelenkstrukturen für flexible Fluidaktoren 147
5.1 Prinzipieller Aufbau von Festkörpergelenken für die Robotik . . . . . . . 147
5.2 Herstellungsprozess, Materialauswahl und Leistungsfähigkeit faserver-
stärkter Festkörpergelenke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.1 FaserauswahlfürneueverstärkteFestkörpergelenkeinFaserver-
bundbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2.2 Statische Leistungsfähigkeit neuer faserverstärkter Festkörper-
gelenke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.2.3 Dynamische Leistungsfähigkeit faserverstärkter Festkörpergelenke168
5.3 Aktorintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.3.1 Herstellungsprozess eines einfachwirkenden Festkörpergelenks . 171
5.3.2 Herstellungsprozess eines doppelwirkenden Festkörpergelenks . 174