Entwicklung eines nachgiebigen Sensor- und Aktuatorsystems zur Erfassung und Reduktion von Normal- und Scherkräften im Lagerungssystem

Prof. L. Zentner
Dipl.-Ing. A. Griebel

Ein lang einwirkender Druck, dessen Wirkung durch Scherkräfte verstärkt wird, kann eine Schädigung der Haut und des darunterliegenden Gewebes verursachen. Die Anwendung von speziellen Lagerungssystemen mit der Sensorik und Aktuatorik soll es ermöglichen diese durch die Normal- und Scherkräfte verursachenden Schädigungen zu minimieren bzw. zu eliminieren.
Zurzeit sind nur wenige Systeme bekannt, die eine gezielte Entlastung der Körperstellen nach einer Normalkraftmessung gewährleisten. Die Lagerungssysteme, die die Scherkräfte identifizieren und diese anschließend gezielt eliminieren, existieren bisher nicht.

Für die Entwicklung der Aktuatoren wurde ein modellbasiertes Syntheseverfahren entwickelt, welches die Finite Elemente Methode und die analytische Methode verbindet. Durchgeführte Skalierungsbetrachtungen zeigten, dass geometrisch ähnliche hohlzylinderförmige Stäbe mit eingebettetem Faden und bei identischem Material und Innendruck eine geometrisch ähnliche Form erzielen. Diese Erkenntnis ermöglichte die theoretischen und experimentellen Untersuchungen im vergrößerten Maßstab durchzuführen.

Es konnte an zwei Arten von Aktuatoren (im Ausgangszustand gerade und vorgekrümmte Aktuatoren), nachgewiesen werden, dass die angestrebten Verformungen der Aktuatoren erreicht werden können. Hierdurch konnte das entwickelte Syntheseverfahren verifiziert werden. Weiterhin zeigten experimentelle Insertionsversuche am skalierten Cochleamodell, dass die bei der Insertion auf die Cochlea wirkenden Insertionskräfte verringert werden können.

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, eine neuartige nachgiebige Sensorik und Aktuatorik zur Erfassung und Reduktion von Normal- und Scherkräften im Lagerungssystem zu entwickeln. Ein weiteres Ziel ist es, die Potenziale des aktuatorischen Teils durch Kombination mit einer Scherkraft- und Normalkraftsensorik auf ein neues Niveau zu bringen und möglichst auch auf weitere Anwendungsfelder (z. B. Sitzkissen für Rollstühle, Autositze u. a.) zu übertragen und somit die Innovation der neuartigen Lösung in vielfältigen anderen Bereichen zugänglich zu machen.
Eine besondere Herausforderung dieses Vorhabens stellt die Entwicklung einer neuartigen, nachgiebigen und preiswerten Sensorik zur gleichzeitigen Erfassung von Normal- und Scherkräften dar. Diese muss eine ausreichende Elastizität für die Anpassung an 3D-Flächen sowie in der Interaktion mit dem Nutzer aufweisen.

• Chaykina, A; Griebel, S.; Zentner, L: Design, Fabrication, and Characterization of a Compliant Shear Force Sensor for a Human-Machine Interface. Sensors and actuators A 246 (2016), S. 91-101

TU Ilmenau - FG Nachgiebige Systeme
- Projektkoordination -

ergomed GmbH

03/2015 - 01/2018

Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)