2022-05-31, Hornfeck, Rüdiger, Löffler, Robin

Im Rahmen des Projekts „Ein Eulenhalsgelenk für effizientere Maschinen“ wurden biologische Erkenntnisse der extremen Bewegungsfähigkeit der Eulenhalswirbelsäule gesammelt und analysiert, eine energieeffiziente und ressourcenschonende Aktorik ausgewählt, ein Steuerungskonzept auf Basis einer Bewegungssimulation entwickelt und ein Funktionsmuster in Form eines Gelenkroboterarms aufgebaut sowie evaluiert. Die biologische Datensammlung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl und Institut für Biologie II der RWTH Aachen und dem Tiergarten Nürnberg. Mit Hilfe der umfassenden biologischen Erkenntnisse entstand eine Abstraktion des biologischen Vorbilds hin zu einem technischen Prototyp. Als Antriebstechnik kommen Drahtaktoren aus Formgedächtnislegierungen (FGL) zum Einsatz, welche sich durch eine extreme Energiedichte [1] auszeichnen. Durch diese enorme Energiedichte kann mit geringem Materialeinsatz eine große Arbeit verrichtet werden. Das Steuerungskonzept des Prototyps basiert auf einer Bewegungssimulation, welche durch den Einsatz einer inversen Kinematik realisiert wird. Damit ist es möglich, alle erreichbaren Positionen des Greifers zu erfassen, anhand verschiedener Erreichbarkeitskarten darzustellen und mögliche Vereinfachungen der Einzelwinkel zwischen den Wirbeln zu ermitteln. Der aufgebaute Prototyp wurde hinsichtlich seiner Funktionsfähigkeit, maximalen Belastbarkeit und Dynamik evaluiert.

2023, Löffler, Robin, Tremmel, Stephan, Hornfeck, Rüdiger

Smart Materials actuators in the form of wires made of shape memory alloys in combination with additively manufactured carrier components are used in a wide variety of prototype developments of innovative joint assemblies. This combination is relevant because of the same manufacturing costs of the additively manufactured components, which are independent of the quantity of parts, the free geometric design possibilities as well as the huge energy density of the aforementioned actuator technology. In particular, the focus is on the possibility of appropriately fitting large wire lengths on a compact part volume while taking into account acceptable force losses. Since there is no design guideline for such joint developments, each is individual, which results in unnecessarily long development times and a higher risk of errors. Based on selected in-house and third-party examples, integration possibilities of shape memory alloy wire actuators in additively manufactured carrier components are analysed and transferred into a universally applicable design guideline. These recommendations are brought into the framework of existing design guidelines of the VDI (Verein Deutscher Ingenieure – Association of German Engineers), namely VDI 2206 and VDI 2221 with extensions for additive manufacturing, for a better usability and integrability into existing processes. Finally, this results in a simplified access to the topic of the combination of additive manufacturing and shape memory alloys and a more efficient realisation of such joint developments.

2023, Gründer, Johannes, Hornfeck, Rüdiger

A saddle joint enables the movement of two components relative to each other primarily about two axes of rotation and, to a limited extent, in translational direction. This type of joint is primarily found in nature, for example in the human thumb, in the ossicles and the cervical spine of owls. Motivated by the high degree of the owls’ head mobility, the authors aim to make this high motion potential technically accessible by defining relevant design parameters and developing calculation methods for dimensioning the saddle joint components. First, an abstracted contact geometry model based on the owls’ saddle joints is de-fined. A method for calculating the kinematics of the joint as a function of the previously introduced design parameters of the contact is derived mathematically. Regarding the implementation in a design process, this model is used to calculate the restoring forces required to stabilize the joint parts as well as the actuator torque needed for a specific rotational movement around those axes. Furthermore, the rotational stiffness of a specific joint geometry is calculated as an important design criterion. In summary, the defined contact geometry, the kinematics, and the computable forces serve as basis for designing technical saddle joints in the future.