Methodische Integration pneumatischer Gelenkantriebe im Produktentwicklungsprozess

Der Blick in die Natur bietet für viele technische Fragestellungen innovative und effiziente Lösungsansätze. Das Gelenksystem in den Beinen von Spinnentieren ist ein Beispiel für bislang technisch ungenutztes Potenzial, welches kürzlich bionisch umgesetzt wurde. Damit das Gelenksystem in physischen Entwicklungsprojekten optimal integriert werden kann, wird in dieser Arbeit eine Modellierung des pneumatischen Gelenksystems vorgestellt. Das Modell wird durch Messungen an einem realen Gelenk validiert und um einen Reglerentwurf erweitert.

Das modellierte Gelenk besteht aus einem druckdichten Exoskelett, welches zwei Gelenkglieder mit einem Scharniergelenk und einer elastischen Membran zur Abdichtung verbindet. Der Druck im Exoskelett streckt das Gelenk und als Antagonist findet ein fluidischer Muskel Verwendung. Die Modellierung des fluidischen Muskels basiert auf dem Faserwinkel bei Nennlänge sowie dem Ausgangsdurchmesser. Für die Beschreibung der Muskelkraft im kontrahierten Zustand wird das Modell um eine zusätzliche Verlustkraft erweitert. Die vorgestellte Modellierung der Muskelkraft zeigt eine gute Übereinstimmung mit realen Messungen. Eine Gegenüberstellung mit existierenden Muskelmodellen zeigt über den kompletten Arbeitsbereich eine vergleichbare Genauigkeit. Jedoch beinhaltet dieses Modell deutlich weniger Parameter und kann aufgrund des Geometriebezuges leichter auf andere Baugrößen übertragen werden. Des Weiteren legen Mikro-CT Untersuchungen den inneren Aufbau und die tatsächlichen Größen eines analysierten Muskels offen.

Ein Vergleich des Gesamtmodells mit einem physischen Prototyp zeigt innerhalb des Gültigkeitsbereiches eine gute Übereinstimmung. Zur Regelung wird das Modell auf eine eingangsaffine Form gebracht und mittels exakter Ein- und Ausgangslinearisierung ein lineares Gesamtverhalten aufgeprägt.