PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005020188A1 09.11.2006
Titel Mechatronisches System
Anmelder Fachhochschule München, 80335 München, DE
Erfinder Horoschenkoff, Alexander, Prof. Dr.-Ing., 82024 Taufkirchen, DE;
Mayer, Albrecht, 83727 Schliersee, DE
Vertreter Abitz & Partner, 81679 München
DE-Anmeldedatum 28.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005020188
Offenlegungstag 09.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.11.2006
IPC-Hauptklasse F16K 31/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61F 2/60(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   A61F 2/74(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01L 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H02N 2/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F15B 21/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein mechatronisches System, mit:
- einem Piezoventil (11, 12), das ein piezoelektrisches Ventilelement (36) aufweist;
- einem Piezosensor (13, 14), der ein piezoelektrisches Sensorelement (13b, 14b) aufweist;
- einem Verbindungsnetz (32), das den Piezosensor elektrisch mit dem Piezoventil verbindet;
wobei:
- der Piezosensor ein elektrisches Signal erzeugt, wenn eine Kraft auf das Sensorelement ausgeübt wird;
- das Ventilelement in Abhängigkeit von dem Signal eine Ventilbewegung ausführt.
Die Erfindung betrifft auch ein gedämpfes System, mit:
- dem mechatronischen System;
- einem ersten Glied und einem zweiten Glied, die sich relativ zueinander bewegen können;
- einem Dämpfer mit fluidem Dämpfungsmedium, der die Bewegung zwischen den beiden Gliedern dämpft;
wobei:
- der Piezosensor (13) an dem zweiten Glied angebracht ist;
- das Piezoventil (11, 12) derart mit dem Dämpfer verbunden ist, dass es die Strömung des Dämpfungsmediums beeinflussen kann.
Das gedämpfte System kann beispielsweise eine Beinprothese oder eine Radaufhängung sein.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein mechatronisches System.

Im Stand der Technik sind Piezoventile in vielen Bauarten gut bekannt.

So beschreibt beispielsweise die DE 36 08 550 A1 ein Piezoventil, das als 3/2-Wegeventil ausgebildet ist und ein piezoelektrisches Ventilelement in Gestalt einer lang gestreckten Platte aufweist, die an einem Ende an dem Ventilgehäuse eingespannt ist. Das Ventilelement wird zur Ventilbetätigung mit einer elektrischen Gleichspannungsquelle verbunden und verschließt im Ruhezustand, in dem keine elektrische Spannung am Ventilelement angelegt wird, einen ersten der drei Ventilwege. Wenn über die Gleichspannungsquelle eine Spannung an das Ventilelement angelegt wird, so verbiegt es sich soweit, dass es den ersten Ventilweg freigibt und einen zweiten der drei Ventilwege verschließt.

Es sind aber auch Piezoventile bekannt, die als Strom- oder Proportionalventile ausgebildet sind, bei denen die Durchbiegung des piezoelektrischen Ventilelementes, und damit auch dessen Position relativ zu einem Ventilweg, von der Größe der angelegten Spannung abhängt.

Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein mechatronisches System, mit:

  • – einem Piezoventil, das ein piezoelektrisches Ventilelement aufweist;
  • – einem Piezosensor, der ein piezoelektrisches Sensorelement aufweist;
  • – einem Verbindungsnetz, das den Piezosensor elektrisch mit dem Piezoventil verbindet;

    wobei:
  • – der Piezosensor ein elektrisches Signal erzeugt, wenn eine Kraft auf das Sensorelement ausgeübt wird;
  • – das Ventilelement in Abhängigkeit von dem Signal eine Ventilbewegung ausführt.

Das mechatronische System kann beispielsweise auch noch wenigstens ein weiteres piezoelektrisches Ventilelement und/oder ein weiteres piezoelektrisches Sensorelement und/oder ein weiteres Verbindungsnetz aufweisen.

Die Bauweise und die Funktion des Piezoventils können je nach Anwendung frei gewählt sein. So kann das Piezoventil beispielsweise ein Sperrventil, ein Wegeventil, ein Stromventil oder ein Proportionalventil sein. Das Piezoventil kann beispielsweise auch noch wenigstens ein weiteres piezoelektrisches Ventilelement aufweisen.

Die Bauweise und die Funktion des Piezosensors können je nach Anwendung frei gewählt sein. So kann der Piezosensor beispielsweise ein Kraftsensor, ein Biegesensor oder ein Beschleunigungssensor sein. Der Piezosensor kann beispielsweise auch noch wenigstens ein weiteres piezoelektrisches Sensorelement aufweisen.

Das Verbindungsnetz umfasst im einfachsten Fall zwei Leitungen, die das Ventilelement mit dem Sensorelement verbinden.

Das von dem Piezosensor erzeugte elektrische Signal kann bevorzugt die an dem Sensorelement auf Grund des piezoelektrischen Effekts anliegende elektrische Spannung sein, die auftritt, wenn das Sensorelement sich als Reaktion auf die auf es ausgeübte Kraft verformt. Diese elektrische Spannung kann an das Ventilelement angelegt werden, das sich auf Grund des umgekehrten piezoelektrischen Effekts verformt und eine dieser Verformung entsprechende Ventilbewegung ausführt.

Dieses mechatronische System ist energetisch autark, das heißt es braucht nicht an eine externe Spannungsquelle angeschlossen zu werden, da das Sensorelement selbst die für den Betrieb des Piezoventils erforderliche elektrische Spannung erzeugt und somit als Generator dient.

Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das mechatronische System an eine externe Spannungsquelle angeschlossen werden kann.

Dieses mechatronische System braucht auch nicht an eine externe Steuereinheit angeschlossen zu werden, da das Piezoventil, der Piezosensor und das Verbindungsnetz leicht derart aufeinander abgestimmt werden können, dass je nach Bedarf die gewünschte Abhängigkeit der Ventilbewegung vom Signal erreicht wird.

Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das mechatronische System an eine externe Steuereinheit angeschlossen werden kann.

Da das mechatronische System gemäß der Erfindung mechanische Größen zu regeln vermag, ohne dass eine externe Energiequelle oder Steuerung erforderlich wäre, werden eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht, wie zum Beispiel Arm- und Beinprothesen in der Medizintechnik, Greifer mit taktiler Sensorik in der Robotik, die Schaltung von Notfunktionen bei Stromausfall (Notaus, die Auslösung eines Airbags, usw.)

Es kann vorgesehen sein, dass:

  • – das Sensorelement mit einem verformbaren Träger verbunden ist,
  • – die Geometrie des Sensorelements und/oder die Geometrie des Trägers derart gewählt ist, dass das Sensorelement über seine Fläche gleichmäßig verformt wird, wenn der Träger verformt wird.

Da das Sensorelement gleichmäßig verformt wird, entsteht bereits bei kleinen Verformungen eine relativ starke Ladungsverschiebung im piezoelektrischen Material.

Es kann vorgesehen sein, dass das Verbindungsnetz wenigstens ein passives elektrisches Bauelement aufweist. Als passive Bauelemente kommen beispielsweise Widerstände, Spulen, Dioden und Kondensatoren in Frage.

Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement bei positiver Polarität des Signals sich in eine andere Richtung verformt als bei negativer Polarität. Dies kann beispielsweise im einfachsten Fall dadurch erreicht werden, dass die an dem Sensorelement anliegende Spannung direkt an das Ventilelement angelegt wird.

Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement bei positiver Polarität des Signals sich in dieselbe Richtung verformt wie bei negativer Polarität. Dies kann bevorzugt durch einen Gleichrichter erreicht werden, der im Verbindungsnetz enthalten ist und beispielsweise vier in Brückenschaltung angeordnete Dioden aufweist.

Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement bei einer Polarität des Signals sich verformt und bei der entgegen gesetzten Polarität nicht. Dies kann bevorzugt durch eine Diode erreicht werden, die im Verbindungsnetz enthalten ist.

Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilelement sich erst verformt, wenn das Signal einen Schwellwert überschritten hat. Dies kann bevorzugt durch eine Zenerdiode erreicht werden, die im Verbindungsnetz enthalten ist und den Schwellwert definiert.

Es kann vorgesehen sein, dass die Stärke der Verformung des Ventilelements linear zur Stärke des Signals ist.

Es kann vorgesehen sein, dass die Stärke der Verformung des Ventilelements nicht-linear zur Stärke des Signals ist.

Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt ein gedämpftes System, mit:

  • – einem mechatronischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
  • – einem ersten Glied und einem zweiten Glied, die sich relativ zueinander bewegen können;
  • – einem Dämpfer mit fluidem Dämpfungsmedium, der die Bewegung zwischen den beiden Gliedern dämpft;

    wobei:
  • – der Piezosensor an dem zweiten Glied angebracht ist;
  • – das Piezoventil derart mit dem Dämpfer verbunden ist, dass es die Strömung des Dämpfungsmediums beeinflussen kann.

Das gedämpfte System kann beispielsweise auch noch wenigstens ein weiteres mechatronisches System und/oder wenigstens ein weiteres Glied und/oder wenigstens einen weiteren Dämpfer aufweisen.

Das Dämpfungsmedium kann beispielsweise gasförmig oder flüssig sein.

Das gedämpfte System kann beispielsweise eine Beinprothese sein, bei der das erste Glied den Oberschenkel und das zweite Glied den Fuß darstellt, der über ein drittes Glied, das den Unterschenkel darstellt, und ein das Kniegelenk darstellendes Gelenk mit dem ersten Glied verbunden ist. Der Dämpfer kann beispielsweise zwischen dem Oberschenkel und dem Unterschenkel angeordnet sein. Der Piezosensor kann beispielsweise die Verformung des Fußes fühlen.

Das gedämpfte System kann beispielsweise auch die Radaufhängung eines Fahrzeugs sein, bei der das erste Glied die Karosserie des Fahrzeugs und das zweite Glied einen das Rad tragenden Lenker darstellt, der über den Dämpfer und ein Gelenk mit der Karosserie verbunden ist. Der Piezosensor kann beispielsweise die Beschleunigung des Lenkers fühlen.

Bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung sind in den angehängten Ansprüchen beschrieben.

Im Folgenden werden bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung an Hand der angehängten Zeichnungen detailliert beschrieben.

1 ist die Seitenansicht und Draufsicht eines Piezosensors in einer ersten Ausführungsform, bei dem ein piezoelektrisches Sensorelement auf einen Träger mit parabelförmigem Seitenprofil geklebt ist;

2 ist die Seitenansicht und Draufsicht eines Piezosensors in einer zweiten Ausführungsform, bei dem piezoelektrische Sensorelemente auf einen Träger mit einem Grundriss in Form eines gleichschenkligen Trapezes geklebt sind;

3 ist die Seitenansicht und Draufsicht eines Piezosensors in einer dritten Ausführungsform, bei dem ein piezoelektrisches Sensorelement in einen quaderförmigen Träger integriert ist;

4 ist ein Graph, der die über den Piezoeffekt erzeugten elektrischen Signale in Abhängigkeit von der Krafteinwirkung und dem Aufbau des Piezosensors darstellt;

5 ist die Seitenansicht einer Beinprothese, die mit einem mechatronischen System ausgerüstet ist; und

6 ist ein Schaltplan des mechatronischen Systems der Beinprothese der 5.

Die 1 bis 3 zeigen Piezosensoren 20 in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die jeweils einen Sensorträger 1 und wenigstens ein Sensorelement 2 aufweisen. Der Sensorträger 1 ist auf einer Seite (links in den 1 bis 3) fest einspannt und wird auf der anderen Seite durch eine Kraft F belastet. Durch das erzeugte Biegemoment, das von der Krafteinleitungsstelle zur Einspannung linear ansteigt, wird der Sensorträger 1 gebogen. Auf der Ober- bzw. Unterseite werden je nach Kraftrichtung Druck- und Zugverformungen erzeugt.

Wird nun zur Bildung der Sensorelemente 2 piezoelektrisches Material auf der Oberseite und/oder Unterseite des Sensorträgers 1 aufgeklebt (1 und 2) oder bei laminarem Materialaufbau in den Sensorträger 1 integriert (3), so werden bei einer Verformung des Sensorträgers 1 über den Piezoeffekt elektrische Signale bzw. Spannungen U generiert, die ein Piezoventil (nicht dargestellt) betätigen können, das an die Sensorelemente 2 angeschlossen ist. Dabei werden die Polarität, die Größe und der Verlauf des elektrischen Signals durch die Geometrie des Sensorträgers 1, die Anordnung des piezoelektrischen Materials bzw. der Sensorelemente 2 auf dem oder in dem Sensorträger 1 sowie die Richtung und Größe der Kraft bestimmt. Somit kann die Ventilbewegung eines Ventilelements in dem Piezoventil hinsichtlich Zeitpunkt, Grad der Öffnung und Öffnungsdauer gesteuert werden. Zudem kann der Verlauf des Signals durch passive elektrische Schaltelemente nach Bedarf geändert werden.

Die 1 zeigt einen Piezosensor 20 in einer ersten Ausführungsform, dessen Sensorträger 1 eine konstante Breite b (vgl. Draufsicht im unteren Bild der 1) und ein parabelförmiges Seitenprofil (vgl. Seitenansicht im oberen Bild der 1) hat, dessen Dickenverlauf durch die Formel h(x) = h0(x/l)S beschrieben werden kann, worin: x die Längenkoordinate ist, deren Ursprung in der 1 am rechten, freien Ende des Sensorträgers 1 liegt und die nach links zum eingespannten Ende des Sensorträgers 1 ansteigt; l die Länge des Sensorträgers 1 zwischen seinem freien Ende und seinem eingespannten Ende ist; h(x) die Dicke des Sensorträgers 1 am Ort x ist; und h0 die maximale Dicke des Sensorträgers 1 an seinem eingespannten Ende ist.

Das piezoelektrische Material des Sensorelements 2 ist gleichmäßig auf der Oberseite des Sensorträgers 1 angeordnet und über Elektroden (nicht dargestellt) auf seiner Ober- und Unterseite elektrisch kontaktiert, von denen Anschlussdrähte 22 abgehen. Bei einer Krafteinwirkung nach unten werden der Sensorträger 1 und das fest mit ihm verbundene Sensorelement 2 nach unten gebogen und ein zur Höhe der Kraft F proportionales elektrisches Signal, die Spannung U erzeugt. Durch die parabelförmige Ausbildung des Sensorträgers 1 wird das Sensorelement 2 über die gesamte Länge des Sensorträgers 1 gleichmäßig gedehnt. Dadurch wird bereits bei einer geringen Krafteinwirkung bzw. Verformung ein hohes elektrisches Signal erzeugt. Bei Kraftrichtung nach oben wird das Material des Sensorelements 2 gestaucht und die Polarität des Signals wechselt. Der Zusammenhang zwischen Kraft F und Signal U ist in 4 als Kurve 1a dargestellt.

Durch die Verwendung eines Zweiweg-Gleichrichters (nicht dargestellt), der an das Sensorelement 2 angeschlossen ist, kann mit dem gleichen Piezosensor 20 ein von der Kraftrichtung unabhängiges Signal generiert werden. Somit erfolgt die Öffnung eines angeschlossenen Ventils unabhängig davon, ob am Sensorträger 1 gedrückt oder gezogen wird. Der Zusammenhang zwischen Kraft F und Signal U bei Verwendung eines Gleichrichters ist in 4 als Kurve 1b dargestellt.

Ebenso kann mit dem gleichen Piezosensor 20 durch die Verwendung einer Zenerdiode (nicht dargestellt) ein Schwellwert eingestellt werden, der erreicht werden muss, bevor ein angeschlossenes Ventil öffnet. Der Zusammenhang zwischen Kraft F und Signal U bei Verwendung einer Zenerdiode ist in 4 als Kurve 1c dargestellt.

Die Steigung des Signals U(F) in Abhängigkeit von der Kraft F kann durch die verwendete Menge des piezoelektrischen Materials des Sensorelements 2 angehoben werden. Wird gegenüber der Kurve 1a eine größere Menge an piezoelektrischem Material verwendet, so erhält man bei gleicher Krafteinwirkung F ein höheres Signal U. Der Zusammenhang zwischen Kraft F und Signal U bei einer dickeren Schicht piezoelektrischen Materials ist in 4 als Kurve 1d dargestellt.

Durch die Geometrie und den Aufbau des Piezosensors 20 kann der Verlauf des Signals angepasst werden kann. Die 2 zeigt einen Piezosensor 20 in einer zweiten Ausführungsform, der gegenüber dem Piezosensor 20 der 1 ein nicht-lineares Verhalten hat. Der Piezosensor 20 weist einen Sensorträger 1 auf, der zwei Materialien 3a und 3b mit unterschiedlichen E-Moduln umfasst. Eines der Materialien 3a, das beispielsweise ein glasfaserverstärkter Kunststoff sein kann, hat einen geringeren E-Modul und ist in der Mitte des Sensorträgers 1 angeordnet. An der Einspannseite ist zusätzlich beidseitig das andere Material 3b mit höherem E-Modul angeordnet, das beispielsweise ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff sein kann.

Das Sensorträger 1 kann somit in zwei Abschnitte I und II aufgeteilt werden. Abschnitt I wird durch das Material 3b bedeckt, Abschnitt II wird nur durch das Material 3a gebildet. Das piezoelektrische Material ist ungleichmäßig auf dem Sensorträger 1 angeordnet und bildet drei räumlich getrennte Sensorelemente 2, die jeweils mit verschiedenen Ventilen (nicht dargestellt) oder aber gemeinsam mit einem Ventil verbunden sein können. Während das piezoelektrische Material im Abschnitt II nur einseitig, nämlich auf der Unterseite des Sensorträgers 1, aufgebracht ist und dort ein Sensorelement 2, ein „rechtes", bildet, ist es im Abschnitt I beidseitig aufgebracht und bildet dort zwei weitere Sensorelement 2, ein „oberes" und ein „unteres".

Der Sensorträger 1 hat den Grundriss eines abgeschnittenen gleichschenkligen Dreiecks oder eines gleichschenkligen Trapezes (vgl. Draufsicht im unteren Bild der 2), so dass sich abschnittsweise ein Träger gleicher Biegebeanspruchung ergibt. Das piezoelektrische Material der Sensorelemente 2 wird so abschnittsweise gleichmäßig verformt und so abschnittsweise ein hohes piezoelektrisches Signal erzeugt.

Bei der in 2 dargestellten Krafteinwirkung F wird zunächst nur der vordere Teil des Sensorträgers 1, nämlich der Abschnitt I mit geringem E-Modul verformt. In Verbindung mit der geringeren Menge an piezoelektrischem Material des einen, rechten Sensorelements 2 ergeben sich kleinere elektrische Signale. Erst bei einer höheren Krafteinwirkung wird auch der hintere Teil des Sensorträgers 1, nämlich der Abschnitt II mit höherem E-Modul an der Einspannstelle verformt. In Verbindung mit der großen Menge an piezoelektrischem Material der beiden anderen, oberen und unteren Sensorelemente 2 wird bei höheren Kräften ein starkes elektrisches Signal generiert. Es ergibt sich ein nichtlineares Signal zur Ventilansteuerung. Der Zusammenhang zwischen Kraft F und Signal U für diesen Piezosensor 20 in der zweiten Ausführungsform ist in 4 als Kurve 2 dargestellt.

Die 3 zeigt einen Piezosensor 20 in einer dritten Ausführungsform, der laminar aufgebaut ist und dessen Sensorträger 1 quaderförmig ist (konstante Breite und Höhe). Hier ist das piezoelektrische Material des Sensorelements 2 gleichförmig zwischen den laminaren Schichten des Sensorträgers 1 integriert. Bei Krafteinwirkung F wird im wesentlichen nur der Teil des Sensorelements 2 verformt, der in der Nähe der Einspannstelle angeordnet ist. Daher entstehen selbst bei hohen Krafteinwirkungen bzw. Verformungen nur geringe elektrische Signale. Der Zusammenhang zwischen Kraft F und Signal U für diesen Piezosensor 20 in der dritten Ausführungsform ist in 4 als Kurve 3 dargestellt.

An Hand der 5 und 6 wird eine Beinprothese als beispielhafte Anwendung für das mechatronische System beschrieben.

Die 5 zeigt schematisch eine Beinprothese, die einen Oberschenkel 7, einen Unterschenkel 8, ein Gelenk 9, das das untere Ende des Oberschenkels 7 mit dem oberen Ende des Unterschenkels 8 verbindet, und einen Dämpfer 10, der mit seinem oberen Ende am Oberschenkel 7 und mit seinem unteren Ende am Unterschenkel 8 angelenkt ist, aufweist und somit ein gedämpftes System bildet.

Die Schenkel sind bevorzugt jeweils aus einem Rohr aus Kohlefaserverbundwerkstoff hergestellt. Der Dämpfer 10 weist einen doppelt wirkenden Zylinder 24, der mit einem fluiden, also gasförmigen oder flüssigen Dämpfungsmedium gefüllt ist, und einen darin frei verschiebbaren Kolben 26 auf. Der Kolben 26 unterteilt den Zylinderinnenraum in eine obere und eine untere Arbeitskammer 28, 30.

Die Beinprothese weist außerdem ein mechatronisches System auf, das hier zwei als Proportionalventile ausgebildete Piezoventile 11, 12 (6), zwei Piezosensoren 13, 14 und ein Verbindungsnetz 32 mit Anschlussdrähten 22 und Steuereinheit 15 aufweist.

Die Arbeitskammern 28, 30 sind über die Piezoventile 11, 12 miteinander verbunden. Über die Piezoventile 11, 12 kann die Drosselöffnung und damit der Strömungswiderstand und die Strömungsgeschwindigkeit des zwischen den Arbeitskammern 28, 30 strömenden Dämpfungsmediums eingestellt und so die Höhe des Dämpfungsgrades gesteuert werden. Während das Piezoventil 11 die Strömung des Dämpfungsmediums beim Zusammenschieben des Dämpfers 10, also die Strömung von der unteren Arbeitskammer 28 in die obere Arbeitskammer 30, bestimmt, kann mit dem Piezoventil 12 die Strömung des Dämpfungsmediums beim Auseinanderziehen des Dämpfers 10, also die Strömung von der oberen Arbeitskammer 30 in die untere Arbeitskammer 28, bestimmt werden.

Die 6 zeigt schematisch das mechatronische System in einer beispielhaften Ausführungsform. Das Piezoventil 11 weist hier zwei Anschlüsse, nämlich einen Einlass (links in der 6) und einen Auslass (rechts in der 6) für das Dämpfungsmedium, und einen piezoelektrischen Biegewandler auf.

Der Einlass ist mit der unteren Arbeitskammer 28 verbunden, und der Auslass mit der oberen Arbeitskammer 30. Der piezoelektrische Biegewandler weist einen Ventilträger 34 und ein piezoelektrisches Ventilelement 36 auf. Der Biegewandler ist an seinem linken Ende am Ventilgehäuse befestigt und an seinem freien, rechten Ende derart nach unten vorgespannt, dass die Unterseite des Ventilträgers 34 dicht auf einem Ventilsitz aufliegt, der den Einlass umgibt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung wird das Ventilelement 36 derart verformt, dass sich sein freies, rechtes Ende aufwärts, also weg vom Ventilsitz biegt, wodurch das Piezoventil 11 geöffnet wird.

Das Piezoventil 12 ist wie das Piezoventil 11 aufgebaut, allerdings ist sein Einlass mit der oberen Arbeitskammer 30 und sein Auslass mit der unteren Arbeitskammer 28 verbunden.

Die beiden Piezosensoren 13, 14 weisen jeweils einen biegeweich ausgebildeten Sensorträger 13a, 14a und ein mit diesem verbundenes Sensorelement 13b, 14b auf.

Der Sensorträger 13a bildet den Vorderfuss der Beinprothese und ist an seinem hinteren Ende am unteren Ende des Unterschenkels 8 befestigt. Er ist hier aus Faserverbundwerkstoff gefertigt und hat das Sensorelement 13b in seinem Inneren zwischen den einzelnen Schichten des Faserverbundwerkstoffs integriert.

Der Sensorträger 14a bildet die Ferse der Beinprothese, ist im Wesentlichen U-förmig gebogen und ist an dem Ende seines oberen Schenkels unter dem hinteren Ende des Sensorträgers 13a befestigt. Er ist hier aus Aluminium gefertigt und hat das Sensorelement 13c auf der Oberseite seines unteren Schenkels aufgeklebt.

Die Steuereinheit 15 weist hier vier Anschlussdrähte 22, einen Gleichrichter 15a und eine Zenerdiode 15b auf.

Zwei der Anschlussdrähte 22 (unten in der 6) verbinden das Piezoventil 11 mit dem Piezosensor 13, und die zwei anderen Anschlussdrähte 22 (oben in der 6) verbinden das Piezoventil 12 mit dem Piezosensor 14.

Der Gleichrichter 15a ist in die unteren Anschlussdrähte 22 geschaltet und richtet somit die Spannung gleich, die von dem Sensorelement 13b am Vorderfuss erzeugt wird. Am Piezoventil 11 liegt daher eine gleichgerichtete Spannung an. Hingegen wird die Spannung, die von dem Sensorelement 14b an der Ferse erzeugt wird, ohne Gleichrichtung an das Piezoventil 12 weitergeleitet.

Die Zenerdiode 15b ist zwischen den oberen und den unteren Anschlussdrähten 22 derart geschaltet, dass das Sensorelement 14b an der Ferse über die in Sperrrichtung ausgerichtete Zenerdiode 15b mit dem Piezoventil 11 verbunden ist.

In Abhängigkeit von der Kinematik des Bewegungsablaufs wird die Wirkung der Gruppe aus Dämpfer 10 und mechatronischem System als autonomes System bestimmt, bei dem die dazu notwendige elektrische Energie über den Piezoeffekt gewonnen wird. Ziel der Anordnung ist die last- und bewegungsabhängige Steuerung des Dämpfers 10, um eine optimale Funktion der Prothese als künstliches Bein zu gewährleisten.

Bei einer Belastung des die Ferse bildenden Sensorträgers 14a wird ihr unterer Schenkel, auf dem das Sensorelement 14bsitzt, verformt und das piezoelektrische Material des Sensorelements 14b gestaucht. Da die Verformung über die Schenkellänge zunimmt, steigt das über den Piezoeffekt generierte elektrische Signal linear an.

Der den Vorderfuss bildenden Sensorträger 13a ist so ausgebildet, dass die Verformung in seiner Längsrichtung konstant ist. Dazu hat er bei konstanter Breite einen parabelförmigen Verlauf der Dicke (vgl. die Ausführungen weiter oben im Zusammenhang mit dem Piezosensor 20 in der ersten Ausführungsform). Das über den Piezoeffekt generierte elektrische Signal ist somit proportional zur Belastung des Sensorträgers 13a.

Die Steuerung der Dämpferventile soll nun anhand eines einfachen Bewegungsablaufs erläutert werden.

Die Verformung der Sensorträger 13a, 14a ist abhängig von der Bewegung und der Belastung, die auf die Prothese wirkt. Im Folgenden wird beispielhaft das Gehen betrachtet, genauer gesagt die Abrollbewegung oder Abstoßphase nach dem Aufsetzen der Ferse: Je weiter das Kniegelenk 9 gestreckt wird (5: der Winkel &agr; wird größer), umso stärker wird der Sensorträger 13a belastet und der Sensorträger 14a entlastet. Entsprechend wird das Sensorelement 13b stärker verformt und das Sensorelement 14b weniger stark verformt. Entsprechend wird die Größe des elektrischen Signals vom Sensorelement 13b zunehmen und die Größe des elektrischen Signals vom Sensorelement 14b abnehmen. Somit werden die Proportionalventile 11, 12 im Dämpfer 10 entsprechend gestellt und so die Durchflussrichtung und Durchflussmenge im Dämpfer 10 bewegungsabhängig gesteuert.

Je nach Verformungsrichtung der Sensorträger 13a, 14a werden die Sensorelemente 13b und 14b gestaucht oder gezogen. Somit ändert sich die Polarität des elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Verformungsrichtung und damit von der Bewegung der Prothese.

Durch die Verdrahtung über den Gleichrichter 15a wird das Ventil 11 unabhängig von der Polarität des elektrischen Signals vom Sensorelement 13b betätigt. Somit wird Piezoventil 11 unabhängig von der Bewegungsrichtung des Sensorträgers 13a geschaltet. Jedoch ist die Ventilöffnung und damit die Dämpfungswirkung abhängig von der Höhe des Verformungsgrades des Sensorträger 13a.

Da das Piezoventil 12 ohne Gleichrichtung mit dem Sensorelement 14b verdrahtet ist, wird es nur bei einer bestimmten Bewegungsrichtung des Sensorelement 14b betätigt. Die Polarität des elektrischen Signals vom Sensorelement 14b stimmt dann mit der Polarität des piezoelektrischen Biegewandlers im Piezoventil 12 überein. Bei der entgegengesetzten Polarität bleibt das Piezoventil 12 geschlossen. Auch hier wird die Höhe der Durchflussmenge im Dämpfer 10 durch das Maß der Verformung des Sensorträgers 14a bestimmt.

Durch die gewählte Anordnung kann die Funktion der Prothese beim Gehen und Laufen dargestellt werden. Um die Funktion der Prothese in einem anderen Bewegungszustand, dem Springen, zu gewährleisten, kann das Piezoventil 11 unabhängig vom Verformungszustand des Sensorelements 13b über die Zenerdiode 15b geschaltet werden. Dabei kann über die Höhe der Durchbruchspannung der Zenerdiode 15b die Höhe der Verformung festgelegt werden, die am Sensorelement 13b auftreten muss, um eine Schaltung des Dämpfers 10 hervorzurufen.

Das Beispiel zeigt, dass die Dämpfung des Kniegelenks 9 über die Verformungen der Sensorelemente 13b, 14b der jeweiligen Bewegungssituation und des Belastungszustandes angepasst werden kann. Dabei werden über das piezoelektrische Material der Sensorelemente 13b, 14b sowohl die Steuersignale als auch die notwendigen elektrischen Energien zur Schaltung der Piezoventile 11, 12 bereitgestellt.

1
Sensorträger
2
Sensorelement
3a, 3b
Materialien für Sensorträger 1
7
Oberschenkel
8
Unterschenkel
9
Kniegelenk
10
Dämpfer
11, 12
Piezoventil
13
vorderer Piezosensor
13a
Sensorträger des vorderen Piezosensors 13
13b
Sensorelement des vorderen Piezosensors 13
14
hinterer Piezosensor
14a
Sensorträger des hinteren Piezosensors 14
14b
Sensorelement des hinteren Piezosensors 14
15
Steuereinheit
15a
Gleichrichter
15b
Zenerdiode
20
Piezosensor
22
Anschlussdrähte
24
Zylinder des Dämpfers 10
26
Kolben des Dämpfers 10
28
obere Arbeitskammer
30
untere Arbeitskammer
32
Verbindungsnetz
34
Ventilträger
36
Ventilelement


Anspruch[de]
Mechatronisches System, mit:

– einem Piezoventil (11, 12), das ein piezoelektrisches Ventilelement (36) aufweist;

– einem Piezosensor (13, 14; 20), der ein piezoelektrisches Sensorelement (13b, 14b; 2) aufweist;

– einem Verbindungsnetz (32), das den Piezosensor (13, 14; 20) elektrisch mit dem Piezoventil (11,12) verbindet;

wobei:

– der Piezosensor (13, 14; 20) ein elektrisches Signal erzeugt, wenn eine Kraft auf das Sensorelement (13b, 14b; 2) ausgeübt wird;

– das Ventilelement (36) in Abhängigkeit von dem Signal eine Ventilbewegung ausführt.
Mechatronisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass:

– das Sensorelement (13b, 14b; 2) mit einem verformbaren Träger (13a, 14a; 1) verbunden ist,

– die Geometrie des Sensorelements (13b, 14b; 2) und/oder die Geometrie des Trägers (13a, 14a; 1) derart gewählt ist, dass das Sensorelement (13b, 14b; 2) über seine Fläche gleichmäßig verformt wird, wenn der Träger (13a, 14a; 1) verformt wird.
Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsnetz (32) wenigstens ein passives elektrisches Bauelement (15a, 15b) aufweist. Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (36) bei positiver Polarität des Signals sich in eine andere Richtung verformt als bei negativer Polarität. Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (36) bei positiver Polarität des Signals sich in dieselbe Richtung verformt wie bei negativer Polarität. Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (36) bei einer Polarität des Signals sich verformt und bei der entgegen gesetzten Polarität nicht. Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (36) sich erst verformt, wenn das Signal einen Schwellwert überschritten hat. Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Verformung des Ventilelements (36) linear zur Stärke des Signals ist. Mechatronisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Verformung des Ventilelements (36) nicht-linear zur Stärke des Signals ist. Gedämpftes System, mit:

– einem mechatronischen System nach einem der vorhergehenden Ansprüche;

– einem ersten Glied (7) und einem zweiten Glied (8), die sich relativ zueinander bewegen können;

– einem Dämpfer (10) mit fluidem Dämpfungsmedium, der die Bewegung zwischen den beiden Gliedern (7,8) dämpft;

wobei:

– der Piezosensor (13) an dem zweiten Glied (8) angebracht ist;

– das Piezoventil (11, 12) derart mit dem Dämpfer (10) verbunden ist, dass es die Strömung des Dämpfungsmediums beeinflussen kann.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com