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Bibliographic Metadata

Title
Entwicklung und Analyse eines digitalzylindrischen Antriebs für Exoskelette auf Basis eines binären hydraulischen Zählers / eingereicht von Simon Mittlböck, BSc
AuthorMittlböck, Simon
CensorScheidl, Rudolf
PublishedLinz, 2018
DescriptionXIII, 175 Blätter : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Linz, Masterarbeit, 2018
LanguageGerman
Document typeMaster Thesis
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-24764 Persistent Identifier (URN)
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Entwicklung und Analyse eines digitalzylindrischen Antriebs für Exoskelette auf Basis eines binären hydraulischen Zählers [12.35 mb]
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Abstract (German)

Der Einsatz von Exoskeletten am Menschen wird in naher Zukunft sehr wahrscheinlich deutlich ansteigen. Der Grund dafür ist, dass die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine laufend weiterentwickelt und optimiert wird und somit die Einsatzmöglichkeiten und der Bedienungskomfort zunehmen. Exoskelette können sowohl als Rehabilitationsunterstützung, nach Unfällen oder Krankheiten, aber auch als Verstärkung des intakten menschlichen Körpers eingesetzt werden. So ist es zum Beispiel möglich, dass gehbehinderte Menschen wieder gehen können. Aber auch gesunden Menschen kann mit einem Exoskelett mehr Kraft, Beweglichkeit, aber auch Ausdauer verliehen werden, zum Beispiel um diesen bei seiner Arbeit zu unterstützen und ihm diese angenehmer zu machen. Ein Großteil der existierenden Exoskelette basiert auf elektrischen Antriebskonzepten. Dies resultiert aus der Tatsache, dass elektrische Komponenten ausgereift und am Markt etabliert sind. Aufgrund der hohen Stückzahlen können diese Komponenten kostengünstig angeboten werden. Aber elektrische Systeme haben einige Nachteile bezüglich jene Kriterien, die für die Anwendung als Antrieb eines Exoskelettes essentiell sind. Für den Einsatz eines hydraulischen Aktuators an einem Exoskelett sprechen einige dieser Kriterien, vor allem geringes Gewicht an den Extremitäten, kompakte Bauweise und die Möglichkeit Energie zu rekuperieren. Vergleicht man elektrische Systeme mit hydraulischen Systemen hinsichtlich der Leistungsdichte, ist der hydraulische Antrieb dem elektrischen Antrieb überlegen. Durch die höhere Leistungsdichte können die oben genannten Anforderungen besser realisiert werden. Deswegen werden für den Einsatz von hydraulischen Aktuatoren neue Konzepte verfolgt, die es erlauben, Hydraulikelemente kompakter und leichter zu bauen. ^Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Digitalzylinder Antriebs auf Basis eines binären hydraulischen Zählers, welcher in einem Exoskelett als Aktuator für ein Kniegelenk eingesetzt werden könnte. Durch die Verwendung eines Digitalzylinders als Aktuator kann eine sehr gute Energieeffizienz erreicht werden. Weiters ist es durch den Digitalzylinder möglich, den Antrieb kraftlos zu schalten oder einfach Energie zu rekuperieren. Mithilfe eines binären hydraulischen Zählers ist es möglich den Antrieb sehr kompakt und leicht zu bauen, da die Magnete der Ventile eingespart werden können. Der binäre Zähler besteht aus einer hydraulischen Vorsteuerleitung und vier logischen Ventilen, die den Digitalzylinder ansteuern. Ziel der Arbeit ist es das Problem theoretisch zu analysieren, eine Simulation mithilfe eines numerischen Models durchzuführen und abschließend einen Prototyp des Aktuators anzufertigen. Um diesen Prototypen auf dessen Funktion zu testen, soll auf einem Versuchsstand eine Kraftmessung durchgeführt werden.

Abstract (English)

The use of human exoskeletons is very likely to increase significantly in the near future. The reason is that the interface between a human and a machine is constantly being advanced and optimized. As a result, possible applications and ease of use increase. Exoskeletons can be used as rehabilitation support after accidents or illnesses, but also as a reinforcement of the unimpaired human body. With such devices, hampered people can walk again. Even healthy people can be given more strength, mobility, as well as endurance with an exoskeleton, for example, to support a human-being in his work and to make it more pleasant. Many of the existing exoskeletons are based on electric drive concepts. This results from the fact that electrical components are mature and quite established in the market. Due to the high quantities, these components can be offered at low cost. However, electrical systems have some disadvantages regarding to some criteria that are essential for the use of an exoskeleton drive. For the use of a hydraulic actuator on an exoskeleton speak some criteria such as low weight on the extremities, compact construction and the ability to recuperate energy. Comparing both drive systems in terms of power density, the hydraulic drive is superior to the electric drive. Due to the higher power density of the medium, the requirements above can be realized better. Therefore, new concepts are being pursued for the use of hydraulic actuators, which make it possible to build hydraulic elements more compactly and lighter. This master thesis deals with the development of a digital cylinder drive based on a binary hydraulic counter, which could be used in an exoskeleton as an actuator for a knee joint. By using a digital cylinder as an actuator, a very good energy efficiency can be achieved. Furthermore, with the digital cylinder it is possible to realize an inactive kind of freewheeling operating mode and the ability to simply recuperate energy. With the use of a binary hydraulic counter it is possible to build the drive very compact and light, because the solenoids of the valves can be omitted. The binary counter consists of a hydraulic piloting line and four logic valves that control the digital cylinder. The goal is to theoretically analyze the problem, perform a simulation study with a numerical model and finally build a prototype of the actuator. In order to test this prototype for its function, a force measurement is to be carried out on a test rig.

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