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VTR Mechatronik und Mikrosystemtechnik 2010

M E C H A T R O N I K

und

Mikrosystemtechnik

Georg Bretthauer


Institut für Angewandte Informatik /Automatisierungstechnik (AIA)

Forschungszentrum KarlsruheTechnik und Umwelt

Institut für Angewandte Informatik (IAI)

Georg Bretthauer

Professor für Angewandte Informatik/Automatisierungstechnikan der Universität Karlsruhe (TH)

• Leiter des Instituts für Angewandte Informatik/ Automatisierungstechnik (AIA) am Campus Süd des KIT

• Leiter des Instituts für Angewandte Informatik (IAI) amCampusNord des KIT


Mechatronik (engl.: mechatronics) setzt sich zusammen aus den Begriffen

Mechanik und Elektronik.

Die japanische Firma Yaskawa Electric Corporation prägte den Begriff 1969 und ließ ihn ab 1971 als Handelsnamen schützen.

Bedeutung: Ergänzung mechanischer Komponentendurch Elektronik in der Gerätetechnik

Seit 1982 ist der Begriff frei verfügbar.

Es existieren verschiedene Definitionen.

Definition Definition derder MechatronikMechatronik


MECHATRONIK ist ein neues, interdisziplinäres technisches Fachgebiet, das auf dem klassischen Maschinenbau und der klassischen Elektrotechnik aufbaut und diese beiden Fachgebiete sowohl untereinander als auch mit den Fachgebieten der Automatisierungstechnik und der Informatik verbindet.

Im Mittelpunkt der MECHATRONIK steht dabei dieganzheitliche Entwicklung von Systemen aus technischen Komponenten („Mecha“), die mit einerintelligenten Steuerung („tronik“) versehen sind.


Werden Sensoren, Signalverarbeitung und Aktoren ineiner miniaturisierten Bauform so zu einem Gesamt-system verknüpft, daß sie „empfinden“, „entscheiden“und „reagieren“ können, spricht man von einemMIKROSYSTEM. (BMBF, 1994)

MIKROSYSTEMTECHNIK ist die Gesamtheit aller Objekte sowie Verfahren zur Herstellung von Mikro-systemen. (Knoll, 1994)

Mikrosystemtechnik: Systeme im Mikro-Bereich

Mechatronik: Systeme im Makro-Bereich

Definition Definition derder MikrosystemtechnikMikrosystemtechnik

103_3005


103_003

EntwurfKonstruktion

mechanischesTeilsystem

elektronischesTeilsystem

Ganzheitlicher Entwurf

Mechatronisches Gesamtsystem


Kognitive Automobile

ABC – Preview

Das vorausschauende Fahrwerk

Dissertation Schindler 2009


Daimler AG

Vorausschauendes Fahrwerk


Kognitive Automobile

TR-28 KIT – TU München

Fahrerloses Fahren

Urban Challenge 2009


M. Werling KIT

Fahrtrichtungswechsel


Humanoide Roboter

SFB - 588 KIT

Informatik – Maschinenbau - Elektrotechnik

Roboter hilft in der Küche

CeBit 2009


Flasche Wasser reichen

T. Asfour KIT


Künstliche Hände

FZK – KIT

SFB - 588 KIT

Entwicklung einer Künstlichen Hand

Programmorientierte Forschungsförderung


KÜNSTLICHE HÄNDE- Vision und Wirklichkeit -

Kopplung von Technik und Organismus


Zeigefinger ZylindergriffLateralgriff

Hakengriff Pinzettengriff

Griffarten


Signalerfassung

Sensor 1 Sensor 2

bipolare Potentialableitung

ab

c

d

e

Myoelektroden (a), Li-Ion-Akku (b), Steuerungselektronik (c), Pumpe (d), Ventile (e)

Steuerungssystem


Klinische Erprobung Orthopädie Heidelberg


Fünf Griffarten (60% möglicher Griffe)

S. Schulz FZK


Technik – Organismus Organismus - Organismus


Piza et al., Universität Insbruck

o. Univ.-Prof. Dr. H. Piza


Annähen natürlicher Hände Universität Innsbruck

H. Piza Innsbruck


Sinneswahrnehmung

- Kräfte spüren

- Temperatur fühlen

- Oberflächenbeschaffenheit wahrnehmen

- Schmerz empfinden


Prinzip einer Kraftrückkopplung


Patiententest

S. Mounier FZK


Intelligente Steuerung

Signalverarbeitung

Steuerung


Anlernen von Bewegungen

S. Schulz FZK


Künstliches Akkommodationssystem

FZK – KIT

Mechatronik - Mikrosystemtechnik

Entwicklung eines intelligenten Implantates


Vision

Keiner soll in Zukunft mehr eine Brille brauchen

oder

Sehen wie ein Adler


Motivation1. Presbyopie (Altersichtigkeit)

0Alter [Jahre]

14

55

Duane [1912]

Verlust der Akkommodationsfähigkeit

Akk

omm

odat

ions

brei

te[d

pt]

Abhilfe schafft eine Brille

1,4 Milliarden Menschen


Motivation2. Katarakt (Grauer Star)

Wiederherstellung der Sicht durch Implantation einer starren IOL

*Acri.Tec

Verlust der Akkommodationsfähigkeit

ca. 7 Mio. Implantationen weltweit/Jahr.

Ziel: Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit


2. Konzepte

1. Akkommodative IOL

2. Femtosekunden-Laser Behandlung

3. Lens refilling

4. Mechatronischer Ansatz


Vision: Künstliches Akkommodationssystembasierend auf Nano- und Mikrotechnologien

KIT


Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit

Künstliches Akkommodationssystem


Systemstruktur

Medizin – Ingenieurwissenschaften - Naturwissenschaften


Künstliches Akkomodationssystem

Aktiv-optisches Element Informationserfassung

Steuerung/RegelungAktorelemente

Energieversorgung

Systemintegration

Kommunikation


3. Ergebnisse

• Aktiv-optisches Element

• Informationserfassung

• Aktoren

• Energieversorgung

• Steuerung

• Systemintegration


Brechkrafthub 0 - 4,6 dpt inkl. postoperativer Refraktionsausgleich

(Diss. Bergemann 2007)

Electrowetting-Linse Fluidlinse

Alvarez-Humphrey-LinseTriple-Optik

BdWBdW

296 µm

100 µm

3.4 mm

5.0

mm

296 µm

100 µm

3.4 mm

5.0

mm

296 µm296 µm296 µm

100 µm100 µm

3.4 mm

5.0

mm

5.0

mm

63 µm63 µm

300 µm

11 µm

300 µm

11 µm11 µm

225 µm200 µm

5.0

mm

2.0 mm

225 µm200 µm 225 µm225 µm200 µm200 µm

5.0

mm

5.0

mm

2.0 mm2.0 mm

Aktiv-optische Elemente variabler Brechkraft

Fail-Safe


Magnetfeldsensor

Erfassung des Akkommodationsbedarfs

VergenzwinkelPupillennahreaktion

GMR sensing Region

Ta (4.5 nm)FeMn (7.5 nm)NiFe (3.5 nm)Co (0.5 nm)Cu (2.5 nm)NiFe (3.5 nm)Co (0.5 nm)Ta (4.5 nm)Si

GMR sensing Region


GMR sensing Region


NVE

20 µm

SONY

Sensorzeile

(Diss. Klink 2008)


Energieversorgung

FunktionenMinimierung der VerlusteÜberwachung derEnergiespeicher

AnforderungenVersorgung des Systems mit 1 mWdurchschnittlicher LeistungLebensdauer 30 JahreAutonome Betriebszeit min. 24 h

Diss. Nagel 2011


Energiegewinnung (harvesting)

Thermische Wandler

Glucose Brennstoffzellen

Mechanische Wandler

Induktive Einkopplung

Energiemanagement

IMTEKIMTEK

MicropeltMicropelt

*Acri.Tec*Acri.Tec

StarcapStarcap

SpeicherungLi-Ion, Li-Polymer DünnschichtbatterienSuperkondensatoren

Strom-sammler Kathodenmaterial

SeperatorAnodenmaterial

AluminiumParylene C

StromsammlerSubstratFhGIZM

250 µm


Steuerung/Regelung

Software Architektur Low Power Mikroelektronik

Ungehäuste Chips: 3 x 3 mm

Kontaktabstand: 35 µm

Kontaktgröße: ~60 x 60 µm


Systemintegration

Anforderungen

Gewährleistung der Biokompatibilität des Implantats, Sterilisierbarkeit

Einhaltung der gesetzlichen Bestim-mungen, z.B. Medizinproduktegesetz

Sicherstellung der Funktion des mechatronischen Systems im Körperumfeld für 30 Jahre

Transparenz im optischen Bereich


Gehäuse Lösungsansätze am Beispiel Alvarez-Humphrey-Linse

Polymer Glas


Layoutentwurf für Demonstrator

Extern:• Antenne für

Transceiver• Spule für Energie-

einpeisung• Energiespeicher• Aktor mit Ansteu-

erungselektronik• Optik• Gehäuse


Demonstrator II


Ausblick


Mechatronik und Mikrosystemtechnik

Zusammenarbeit mehrerer Institute (gemäß Definition):

AIA Institut für Angewandte Informatik/ Automatisierungs-technik (Prof. Bretthauer)

IPEK Institut für Produktentwicklung (Prof. Albers)

IMR Insitut für Mess- und Regelungstechnik (Prof. Stiller)

ITM Institut für Technische Mechanik (Prof. Böhlke, Prof. Seemann, Prof. Proppe)


Lehrveranstaltungen AIA

Einführung in die Mechatronik (3 SWS)Fachpraktikum Mechatronik (4 SWS)Technische Informatik (2 SWS)Übungen zur Technischen Informatik (1 SWS)Computational Intelligence I (2 SWS)Computational Intelligence III (2 SWS)Computational Intelligence II (2 SWS)Adaptive Regelungssysteme (2 SWS)

schwarz: Sommersemesterrot: Wintersemester


Mechatronik• Möglicher Schwerpunkt in den Vertiefungsrichtungen

p – M+M

w – B.Sc., M.Sc., E+U, FzgT, PEK, PT, ThM

• Allgemein gilt:–mind. 12 LP für einen Schwerpunkt–davon mind. 8 aus Kernmodulfächern (K)–Details findet man im Studienplan

• Hinweis:– Welche Lehrveranstaltungen aktuell angeboten werden, ist dem

Vorlesungsverzeichnis zu entnehmen.

Professor Bretthauer06.07.2011


Mechatronik


Min

d. 8

LP

Min

d. 8

LP


Mechatronik



Ausstattung

Rechnerlabor mit PC für Praktika, Programmierung, graphische SimulationsanwendungenRoboterlabor für PraktikaProgrammpakete und Simulationswerkzeuge zur Bearbeitung von Forschungsprojekten

Für die Durchführung der Forschungsarbeiten können die Einrichtungen des KIT Campus Nord und Campus Süd benutzt werden.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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