Entwicklung elektrostatischer Festkörperaktoren mit elastischen Dielektrika

Kurzfassung der Dissertation von Dr.-Ing. Markus Jungmann

Zur taktilen Rückmeldung in Telemanipulations- oder VR-Systemen kommen sogenannte taktile Displays zum Einsatz. Bisher vorgestellte taktile Displays erfüllen nicht die Anforderungen, welche sich aus der Physiologie des Tastsinnes ableiten lassen. Aufgrund der Baugröße ist des Weiteren keine Anbringung auf der Haut des Benutzers, z.B. durch Integration in einen Datenhandschuh möglich.

In dieser Arbeit werden die Anforderungen an taktile Displays aus der Wahrnehmungsphysiologie abgeleitet. Hierzu zählen u. a. die räumliche Auflösung und die dynamischen Wahrnehmungsschwellwerte für taktile Reize. Der Stand der Forschung wird am Beispiel von in der Literatur beschriebener Realisierungen aufgezeigt. Hierbei werden die verschiedenen Funktionsprinzipien sowie die technischen Daten erläutert und mit den Anforderungen verglichen.

Die Analyse der Funktionsweise und der Eigenschaften von elektrostatischen Aktoren mit elastischem Dielektrikum zeigt deren Potential für den erfolgreichen Einsatz in taktilen Displays bei Erfüllung sämtlicher Anforderungen.

Ein elektromechanisches Modell für die einachsige Stauchung eines Elastomerkörpers aufgrund elektrostatischer Kräfte wird vorgestellt. Hierbei werden die unter großen Dehnungen entstehenden geometrischen Nichtlinearitäten sowie viskoelastischen Materialeigenschaften berücksichtigt. Das Modell verdeutlicht die statischen und dynamischen Vorgänge sowie Stabilitätsbedingungen während der Deformation eines Aktors. Basierend auf dem zuvor erstellten Modell wird eine Dimensionierung von Aktoren zur Stimulation der Haut am Beispiel des Elastomers P 7670 von Wacker durchgeführt. Hierzu wurden die erforderlichen dynamischen Material- und Gewebeparameter messtechnisch ermittelt.

Eine Technologie zur automatisierten Fertigung von Stapelaktoren wird vorgestellt. Hierbei werden die Elastomerkomponenten dosiert, vermischt, aufgeschleudert und thermisch vernetzt. Danach werden Elektroden durch Aufsprühen von Graphitpulver mit Druckluft über eine rotierende Spaltdüse auf den maskierten Elastomerfilm aufgebracht. Der nachfolgende Elastomerfilm wird direkt auf die zuvor erzeugte Elektrodenschicht aufgeschleudert. Die minimal erreichte Dicke der dielektrischen Schichten beträgt etwa 20 µm bei einer Dicke der Elektroden von etwa 5 µm. Der Erhalt der Leitfähigkeit wurde bis zu einer radialen Dehnung von 25 % nachgewiesen.

An 50-schichtigen Prototypen wurden bei einer Feldstärke von 90 V/µm Dehnungen von bis zu 17 % bei einem Druck von 28 kPa und einer Grenzfrequenz von 90 Hz erreicht.

Mit dem entwickelten Konzept ist es möglich, taktile Displays mit beliebig hoher Aktordichte in Parallelfertigung zu realisieren. In der Abbildung sind Aktorarray mit 100 Schichten und einer Gesamtschichtdicke von 2,5 mm in passiver Matrixanordnung gezeigt. Aufgrund ihrer strukturellen Flexibilität eignen sich Elastomeraktoren in besonderer Weise zur Integration in Datenhandschuhen.

Realisierungen von Aktorfeldern als hexagonale Matrix bzw. orthogonale Matrix mit 100 strukturierten Schichten und einer Gesamtdicke von jeweils 2,5 mm.

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak

S3/06 128
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

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