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Entwicklung eines Sensors zur Erfassung der Zugkraft in einem seriell elastischen Schnurantrieb

Yamazaki, André (2014):
Entwicklung eines Sensors zur Erfassung der Zugkraft in einem seriell elastischen Schnurantrieb.
TU Darmstadt Institut EMK / FG M+EMS, [Bachelor Thesis]

Abstract

Im Rahmen des Projekts „Adaptive Orthese“ des Instituts für Elektromechanische Konstruktionen der Technischen Universität Darmstadt wird ein seriell elastischer Schnurantrieb entwickelt, welcher eine Zugkraft von bis zu 100 N aufbringen soll. Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einen Kraftsensors, welcher die Zugkraft dieses Antriebs erfassen kann. Für die Entwicklung dieses Sensors werden unterschiedliche Positionierungsmöglichkeiten für den Sensor betrachtet, ebenso wie verschiedene physikalische Wirkprinzipien, die zur Kraftmessung verwendet werden können. Ein Bewertungsverfahren wählt daraus die besten Optionen aus. Daraufhin wird ein zum gewählten Wirkprinzip passender Verformungskörper entworfen und zu einem Sensorelement verarbeitet. Der Sensor ist vollständig im Antrieb integriert und ändert dessen Geometrien in keiner Weise. Dabei wird das resistive Messprinzip zur Messung der Kraft genutzt. Der Verformungskörper besteht aus zwei konzentrischen Ringen, welche über drei Biegebalken verbunden sind Abb.??. Die Krafteinleitung erfolgt über den Innenring, während der Außenring fest und verdrehsicher gelagert ist. Der Verformungskörper besteht aus der Aluminiumlegierung AlZnMgCu1,5. Vier Folien-DMS der Firma HBM (1-LY13-0.3/120) sind auf zwei Biegebalken angebracht und bilden eine Vollbrücke, um eine möglichst lineare und störungsfreie Messung zu ermöglichen. Die Nennkraft des Sensors beträgt 100 N. FEM-Simulationen des Verformungskörpers ergeben Spannungsspitzen von bis zu 430 MPa. Hieraus ergibt sich eine Überlastsicherheit von 1,11. Eine Charakterisierung des gefertigten Sensors ergibt einen Sensorkennwert von 6,06 mV/V und eine Messunsicherheit von 9,76 %. Die Produktionskosten pro Sensor betragen 122,95 €. Hierbei wird mit einer Produktion von 14 Sensoren gerechnet, welche für eine Herstellung von zwei Orthesen benötigt werden.

Item Type: Bachelor Thesis
Erschienen: 2014
Creators: Yamazaki, André
Title: Entwicklung eines Sensors zur Erfassung der Zugkraft in einem seriell elastischen Schnurantrieb
Language: German
Abstract:

Im Rahmen des Projekts „Adaptive Orthese“ des Instituts für Elektromechanische Konstruktionen der Technischen Universität Darmstadt wird ein seriell elastischer Schnurantrieb entwickelt, welcher eine Zugkraft von bis zu 100 N aufbringen soll. Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung einen Kraftsensors, welcher die Zugkraft dieses Antriebs erfassen kann. Für die Entwicklung dieses Sensors werden unterschiedliche Positionierungsmöglichkeiten für den Sensor betrachtet, ebenso wie verschiedene physikalische Wirkprinzipien, die zur Kraftmessung verwendet werden können. Ein Bewertungsverfahren wählt daraus die besten Optionen aus. Daraufhin wird ein zum gewählten Wirkprinzip passender Verformungskörper entworfen und zu einem Sensorelement verarbeitet. Der Sensor ist vollständig im Antrieb integriert und ändert dessen Geometrien in keiner Weise. Dabei wird das resistive Messprinzip zur Messung der Kraft genutzt. Der Verformungskörper besteht aus zwei konzentrischen Ringen, welche über drei Biegebalken verbunden sind Abb.??. Die Krafteinleitung erfolgt über den Innenring, während der Außenring fest und verdrehsicher gelagert ist. Der Verformungskörper besteht aus der Aluminiumlegierung AlZnMgCu1,5. Vier Folien-DMS der Firma HBM (1-LY13-0.3/120) sind auf zwei Biegebalken angebracht und bilden eine Vollbrücke, um eine möglichst lineare und störungsfreie Messung zu ermöglichen. Die Nennkraft des Sensors beträgt 100 N. FEM-Simulationen des Verformungskörpers ergeben Spannungsspitzen von bis zu 430 MPa. Hieraus ergibt sich eine Überlastsicherheit von 1,11. Eine Charakterisierung des gefertigten Sensors ergibt einen Sensorkennwert von 6,06 mV/V und eine Messunsicherheit von 9,76 %. Die Produktionskosten pro Sensor betragen 122,95 €. Hierbei wird mit einer Produktion von 14 Sensoren gerechnet, welche für eine Herstellung von zwei Orthesen benötigt werden.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Kraftmessung dreidimensional Kraftregelung Kraftsensor Wirkprinzipien Dehnungsmessstreifen DMS Antrieb Rotatorisch Biegebalken
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 20 May 2014 08:04
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKB 1838

Art der Arbeit: Bachelorarbeit

Beginn Datum: 04-09-2013

Ende Datum: 03-02-2014

Identification Number: 17/24 EMK B 1838
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F.
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