Miniaturisierte Positioniersysteme auf Basis monolithischer Strukturen

Kurzfassung der Dissertation von Dr.-Ing. Uwe Jungnickel

Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, neue Wege zur Realisierung miniaturisierter Manipulatoren für die Miniatur- und Mikrorobotik aufzuzeigen. Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf einen montagearmen Aufbau gelegt, der eine kostengünstige und damit serientaugliche Fertigung ermöglicht. Dieses Ziel wurde durch den Einsatz von monolithischen Parallelkinematiken in Kombination mit gestellfest angeordneten monolithischen Aktoren erreicht, so dass ein Manipulator unabhängig von seinem Freiheitsgrad mit nur zwei Fertigungsteilen realisiert werden kann.

Eine eingehende Analyse der Eigenschaften von Festkörpergelenken zeigte, dass zur Realisierung einer monolithischen Kinematik besondere Gestaltungskriterien berücksichtigt werden müssen. Unter Berücksichtigung dieser Gestaltungskriterien und den Erkenntnissen einer Analyse von kinematischen Grundstrukturen wurde eine Familie von Festkörperkinematiken mit 3 bis 6 Freiheitsgraden entwickelt, die sich durch eine planare Fertigung auszeichnet.

Zur Realisierung von monolithischen Antrieben mit großen Stellwegen und großen Stellkräften wurden monolithische Schrittantriebe entwickelt, die in ihrem Konzept auf einer historischen Bergwerkstechnik basieren und von Niedervolt-Piezostapelaktoren angetrieben werden (Inchwormplattform). Eine Modellbildung der Antriebselemente zeigte deutlich die Besonderheiten in der Auslegung eines miniaturisierten Systems. Für einen positionsgeregelten Betrieb der Antriebe konnte eine kapazitive Wegsensorik in den monolithischen Aufbau integriert werden.

Die entwickelten Ansätze wurden in einem Prototypen (s. Abbildung) verifiziert und bestätigt, wobei die Inchwormplattform aus Edelstahl durch Laserschneiden und Mikrofräsen sowie die Parallelkinematik aus Kunststoff hergestellt wurden. Der realisierte Bewegungsraum beträgt 4 cm³. Das gefundene Konzept lässt sich in einem weiten Bereich skalieren, so dass sowohl Miniatur- als auch Mikroroboter auf diesen Grundlagen realisiert werden können.

 

Planare Einzelteile und Gesamtaufbau des Prototypen eines Positioniersystems mit 3 translatorischen Freiheitsgraden

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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