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Entwicklung elektrostatischer Festkörperaktoren mit elastischen Dielektrika für den Einsatz in taktilen Anzeigefeldern

Jungmann, Markus :
Entwicklung elektrostatischer Festkörperaktoren mit elastischen Dielektrika für den Einsatz in taktilen Anzeigefeldern.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung elektrostatischer Festkörperaktoren mit elastischen Dielektrika für den Einsatz in taktilen Anzeigefeldern
Language: German
Abstract:

Zur taktilen Rückmeldung in Telemanipulations- oder VR-Systemen kommen sogenannte taktile Displays zum Einsatz. Bisher vorgestellte taktile Displays erfüllen nicht die Anforderungen, welche sich aus der Physiologie des Tastsinnes ableiten lassen. Aufgrund der Baugröße ist des Weiteren keine Anbringung auf der Haut des Benutzers, z.B. durch Integration in einen Datenhandschuh möglich. In dieser Arbeit werden die Anforderungen an taktile Displays aus der Wahrnehmungsphysiologie abgeleitet. Hierzu zählen u. a. die räumliche Auflösung und die dynamischen Wahrnehmungsschwellwerte für taktile Reize. Der Stand der Forschung wird am Beispiel in der Literatur beschriebener Realisierungen aufgezeigt. Hierbei werden die verschiedenen Funktionsprinzipien sowie die technischen Daten erläutert und mit den Anforderungen verglichen. Die Analyse der Funktionsweise und der Eigenschaften von elektrostatischen Aktoren mit elastischem Dielektrikum zeigt deren Potential für den erfolgreichen Einsatz in taktilen Displays bei Erfüllung sämtlicher Anforderungen. Ein elektromechanisches Modell für die einachsige Stauchung eines Elastomerkörpers aufgrund elektrostatischer Kräfte wird vorgestellt. Hierbei werden die unter großen Dehnungen entstehenden geometrischen Nichtlinearitäten sowie viskoelastischen Materialeigenschaften berücksichtigt. Das Modell verdeutlicht die statischen und dynamischen Vorgänge sowie Stabilitätsbedingungen während der Deformation eines Aktors. Basierend auf dem zuvor erstellten Modell wird eine Dimensionierung von Aktoren zur Stimulation der Haut am Beispiel des Elastomers P 7670 von WACKER durchgeführt. Hierzu wurden die erforderlichen dynamischen Material- und Gewebeparameter meßtechnisch ermittelt. Eine Technologie zur automatisierten Fertigung von Stapelaktoren wird vorgestellt. Hierbei werden die Elastomerkomponenten dosiert, vermischt, aufgeschleudert und thermisch vernetzt. Danach werden Elektroden durch Aufsprühen von Graphitpulver mit Druckluft über eine rotierende Spaltdüse auf den maskierten Elastomerfilm aufgebracht. Der nachfolgende Elastomerfilm wird direkt auf die zuvor erzeugte Elektrodenschicht aufgeschleudert. Die minimal erreichte Dicke der dielektrischen Schichten beträgt etwa 20 µm bei einer Dicke der Elektroden von etwa 5 µm. Der Erhalt der Leitfähigkeit wurde bis zu einer radialen Dehnung von 25 % nachgewiesen. An 50-schichtigen Prototypen wurden bei einer Feldstärke von 90 V/µm Dehnungen von bis zu 17 % bei einem Druck von 28 kPa und einer Grenzfrequenz von 90 Hz erreicht. Mit dem entwickelten Konzept ist es möglich, taktile Displays mit beliebig hoher Aktordichte in Parallelfertigung zu realisieren. Aufgrund ihrer strukturellen Flexibilität eignen sich Elastomeraktoren in besonderer Weise zur Integration in Datenhandschuhe.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The realisation of tactile feedback in telemanipulation and VR requires so-called tactile displays. Actually there doesn´t exist any tactile display system that fulfills all of the requirements regarding the abilities of the tactile sense. Systems presented in literature don´t allow the implementation into data gloves as a reason of their large volume. This work summarises all of the requirements on tactile displays derived from the physiology of the human sense of touch. Those are for example the spacial resolution and the sensation threshold of tactile stimulations. Futher the state of the art with respect to tactile displays is shown. Different function principles are discussed and the technical data is compared with the requirements. A new approach for the development of tactile displays is shown. Therefor the function principle of electrostatic solid state actuators with elastic dielectrics and their abilities are described. Further an electromechanical model for uniaxial compression of an elastomeric body caused by coulombic forces is developed. This model respects the geometric nonlinearities due to large deformations and viscoelestic material properties. The model shows the static and dynamic operating behaviour and stability conditions during deformation of an actuator. Based on this model actuators for stimulation of human skin are dimensioned exemplarily. The needed dynamic material parameters of the used elastomer and the human tissue are determined by measurements. A new technology for automated fabrication of actuator stacks is described. Here the components of the elastomer are dosed, mixed and applied to a spincoater. After spincoating the elastomerfilm is heat cured. The elastomer film is masked and graphite powder is sprayed onto the film. The following elastomer film is spun directly upon the electrode. The thickness of the produced dielectric films is 20 µm at an electrode thickness of 5 µm. The electrodes remain conductive up to a biaxial strain of more than 25 %. With actuators built of 50 dielectric layers there are shown thickness strains of up to 17 % at an electric field strength of 90 V/µm, a pressure of 28 kPa and a maximum Frequency of 90 Hz. The new concept developed in this work allows realisation of very thin tactile displays with a high actuator density in batch processing. Because of their high structural flexibility elastomer actuators are suitable for integration into data gloves.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 10 Dec 2012 10:03
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000500
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5000
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Lehr, Prof. Dr. Heinz
Advisors: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut F.
Refereed: 9 September 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/500
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