Elektromechanisch gekoppelte Balkenmodelle for dielektrische Elastomerstapelaktoren

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Sigrid Leyendecker
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426808054

Das Ziel dieses Projekts ist die Formulierung kosteneffizienter und gleichzeitig genauer Balkenmodelle für dielektrische Elastomeraktoren zur Verwendung in Optimalsteuerungsproblemen. Das Verhalten dielektrischer Stapelaktoren ist vergleichbar mit dem Verhalten natürlicher Muskeln. Die Stapelaktoren kontrahieren beim Anlegen einer elektrischen Spannung in Längsrichtung und sind deshalb zur Aktuierung von Systemen durch konzentrierte Krafteinwirkung geeignet. Dielektrische Elastomeraktoren bieten einen fortschrittlichen, effizienten und geräuschlosen Antrieb von Systemen. Der Einsatz der elastischen Aktoren ist jedoch auch mit Herausforderungen in der Regelung verbunden. Ausgefeilte Regelungsalgorithmen müssen unerwünschte Schwingungen vermeiden, Systeme schnell in ihren Zielzustand überführen und vorgegebenen Bewegungstrajaktorien bestmöglich folgen. Die Theorie der Optimalsteuerung wird angewandt, um die mit der elastischen Struktur der Aktoren inhärenten Schwingungen zu vermeiden und optimierte Steuerungstrajektorien zu berechnen. Da der Aufwand zur Lösung von Optimalsteuerungsproblemen mit der Anzahl der Freiheitsgrade des Systems stark ansteigt, sind reduzierte, problemspezifische und kosteneffiziente Simulationsmodelle gegenüber vielseitigeren aber auch kostenintensiveren Finite-Elemente Modellen zu bevorzugen. In den ersten zwei Jahren des Projekts wird ein effizientes Balkenmodell zur Simulation dielektrischer Stapelaktoren entwickelt und getestet. Das Balkenmodell wird mit einem existierenden Finite-Elemente Modell und mit einem existierenden reduzierten Modell hinsichtlich Rechenzeit und Genauigkeit verglichen. Zudem wird das reduzierte Balkenaktormodell exemplarisch mit einem Mehrkörpersystem gekoppelt, um das Verhalten von Systemen zu untersuchen, die von dielektrischen Elastomeraktoren angetrieben werden. In der zweiten Phase des Projekts nach zwei Jahren wird eine strukturierte und molulare Kopplung des Balkenmodells mit einer zu aktuierenden Struktur entwickelt, die beliebig komplexe Szenarios abdeckt und es werden Optimalsteuerungsprobleme für das gekoppelte System formuliert und gelöst. Die Simulation wird in numerischen Beispielen auf einfache biomechanische Systeme wie ein Ellbogengelenk angewandt, um zu untersuchen, welche Anforderungen an dielektrische Elastomeraktoren gestellt werden müssen, um beispielsweise Skelettmuskulatur zu ersetzen. Experimente an einfachen Strukturen zur Parameteridentifikation und zur Simulationsvalidierung sind geplant.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen