Analytical description of transversally symmetric hinges with semicircular contours. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 502-509
Compliant mechanisms are becoming increasingly important, especially in force measurement and weighing technology, due to their zero backlash, wear resistance, and zero friction. Their deformation under external forces can be analyzed well with analytical calculations and FEM simulations. Analytically, only mechanisms with symmetrical and longitudinally symmetrical hinges are described. This paper presents a method that allows transversally symmetric hinges to be described analytically. The model must be computed numerically due to the built neutral fiber and the nonlinearities in the used calculation method. The developed method is then compared with FEM calculations in a parameter study and considered to be validated. Finally, outlooks are formulated on how the created method can for instance be used to develop load cells for later calculations. Moreover, it is shown to what extent it is possible to implement this method for general calculations of compliant mechanisms.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_49
An analytical approach for calculating the first natural frequency of flexure hinges with variable cross-sections for compliant mechanisms. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 491-501
In this paper, we present an analytical approach for enabling the calculation of the natural frequencies of flexure hinge contours with variable cross-sections. In regard to the planned implementation of this approach into an existing analytical method based on Euler-Bernoulli-beams and the transfer matrix method, the flexure hinges will be discretized into a specific amount of individual beam segments with constant cross-sections. Three possible discretization approaches are presented, the optimum numbers of segments is found and the influence of the mass on the actual natural frequency calculation is discussed. The analytical method is finally validated on a compliant parallel four-bar linkage. The studies show that the presented approaches yield sufficiently accurate results for the calculation of the natural frequencies of compliant mechanisms with flexure hinges with variable cross-sections.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_48
Potentials of an early digital twin for dimensional vehicle concept creation in the concept phase. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 806-814
In more than 100 years of automotive technology, existing vehicle architectures have evolved and aligned with the requirements of combustion engine drive technology. The automotive industry is currently in a turbulent phase of transformation. Vehicle development must adapt to battery-electric powertrains in a short time. Automation of driving functions, electrification and connectivity are leading to revolutionary changes in the vehicle as a product. At the same time, digitalization, a changed competitive environment, shorter development cycles and a stronger focus on in-vehicle software are also causing radical changes in the vehicle development process. As a result of this transformation, established standard concepts and solutions are being called into question. In the early phase of vehicle design, answers to the changed framework conditions and new questions must be found quickly. Solutions must be achieved in a shorter time and a high degree of maturity must be ensured. Here, the methods of digital, virtual product development open up new opportunities and possibilities. The assignment of geometric parameters in the vehicle concept phase to technical requirements and the knowledge of the interactions of these parameters with each other enable early evaluation of the vehicle concepts. The article describes the use of a development methodology by means of a digital twin in the early phase of vehicle concept development and shows interfaces, potentials and challenges that an introduction of this methodology including the connection of different digital representatives in the concept phase entails.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_78
Development of a self-sensing electroadhesive soft gripper : implementation of magnetic and electrically conductive hybrid materials to improve workpiece ejection. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xviii, 149 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Gegenstand der Arbeit ist die Neuentwicklung eines elektroadhäsiven Greifers für den Einsatz in der soft robotics, welcher durch die Verwendung von sogenannten "smart materials" sowohl die Problematik der Ablöseverzögerung durch elektrostatische Restladungen umgehen als auch seinen Verformungszustand durch self-sensing Eigenschaften bestimmbar machen soll. Die verbesserte Werkstückablösung resultiert aus einer nach innen gerichteten Wölbung der weichen Greiferoberfläche, die durch einen magnetischen Antrieb hervorgerufen wird. Zur Erfüllung der self-sensing Bedingung werden Eigenschaften des magnetischen Antriebs verwendet, die den Einwölbungsgrad der Greiferoberfläche messtechnisch bestimmbar machen. Gleichzeitig dient die Verformungsdetektion zur Vermessung sowie zum Greifen von nicht-planaren Werkstücken mit begrenzter räumlicher Topologie. Die Erzeugung des elektrischen Feldes geschieht durch extrinsisch elektrisch leitfähige thermoplastische Elektroden, wobei eine bestimmte Anordnung eine Verformung der Greifoberfläche erlaubt. Ein aus den Konstruktionsergebnissen entwickelter Prototyp dient dem funktionellen Nachweis der Greifkraftentwicklung, der self-sensing Eigenschaft und der verbesserten Werkstückablösung durch die Oberflächenverformung. Grundlage ist die Analyse bestehender Greiftechniken und des aktuellen Entwicklungsstandes nachgiebiger elektroadhäsiver Greifer sowie die theoretische Beschreibung der elektroadhäsiven Kräfte und der magnetosensitiven und elektrisch leitfähigen Polymere. Ausgehend von der Festlegung der Fähigkeiten im Systemdesign werden im Verlauf der Entwicklungsarbeit die Materialien auf deren Eignung im Bereich der soft robotics ausgewählt und geprüft. Im Vordergrund der Entwicklung steht stets das Überwinden der Ablöseproblematik durch die positiven Eigenschaften neuer Materialien. Die Materialienauswahl der nachgiebigen Trägerstruktur des Gesamtsystems wird durch die Aspekte der soft robotics eingeschränkt und ausgewählt. Der mittels eines magnetosensitiven Elastomers realisierte Antrieb zur Oberflächenverformung wird in seiner Funktion analysiert und realisiert. Sowohl das Material für die Elektroden als auch das Material für das Dielektrikum werden gemäß anwendungsnaher Kriterien festgelegt, das resultierende elektrische Feld simuliert und anschließend realen Messungen gegenübergestellt. Mittels einer integrierten Sensorspule wird die self-sensing Eigenschaft realisiert und deren Einsatzfähigkeit experimentell bestätigt. Die Arbeit schließt mit den Ergebnissen der elektroadhäsiven Greifkräfte des aus dem Entwicklungsprozesses hervorgegangenen Prototypen ab.
https://doi.org/10.22032/dbt.59199
Ein Beitrag zur Untersuchung der Deformation magneto-sensitiver Elastomere und deren Nutzung als Sensorelement. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XII, 127 Seiten, Seite XIV-XXXVII)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
Magneto-sensitive Elastomere sind magnetische Hybridwerkstoffe, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften aktuell im Fokus der anwendungsorientierten Forschung stehen. Die Kopplung von elastischer und elektromagnetischer Energie innerhalb des Werkstoffes bietet besonderes Potential im Bereich der mechanischen Sensoren. Hier werden für die Erfassung mechanischer Größen (beispielsweise Kraft und Verschiebung) bevorzugt biegeelastische Strukturen (Verformungskörper) eingesetzt. Die Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Teil stellt die Simulation einer zweischichtigen biegeelastischen Struktur mit magneto-sensitiven Elastomer vor. Mit einem analytischen Modell gelingt es, die dynamische Verformung des Balkens vorherzusagen. Dieses basiert auf einem Timoshenko-Balken und berücksichtigt ein äußeres Magnetfeld. Mit asymptotischen Methoden erfolgt eine Näherungslösung für die Durchbiegung des Balkens. Ein Vergleich mit numerischen Lösungen zeigt, dass die verwendete Methode für mehrere Periodendurchläufe eine ausreichende Güte aufweist. Im zweiten Teil der Arbeit wird die modellbasierte Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines neuartigen taktilen Sensors vorgestellt. Dieser zeichnet sich durch einen Schichtaufbau mit einem Spulen-Array und magneto-sensitiven Elastomer aus. Die Messaufgabe des Sensors beinhaltet in erster Linie die Erfassung der Kontaktstelle einer Beanspruchung an der Sensoroberfläche. Zu der Entwicklung des Sensors zählt das Abbilden des magneto-mechanischen Verhaltens des Systems auf Basis von analytischen und numerischen Methoden. Dabei gelingt die theoretische Vorhersage des Sensorsignals, die Identifikation kritischer Systemparameter und die Grobauslegung des Sensors selbst. Im Anschluss erfolgt der Entwurf eines Prototyps, der eine Positionsbestimmung eines eindringenden Körpers in einer Richtung erlaubt. Unter anderem erfolgt die Untersuchung einer variablen Verschaltung mehrerer Spulen und eine mathematische Analyse der Signale. Hiermit gelingt die Positionsbestimmung unabhängig vom Querversatz und der Eindringtiefe. Schließlich bietet die Arbeit einen Funktionsnachweis für den taktilen Sensor, der eine Positions- und Kraftbestimmung erlaubt.
https://doi.org/10.22032/dbt.59060
Theoretical considerations on 3D tensegrity joints for the use in manipulation systems. - In: Engineering for a changing world, (2023), 3.3.060, S. 1-13
This paper presents a comprehensive analysis of a three-dimensional compliant tensegrity joint structure, examining its actuation, kinematics, and response to external loads. The study investigates a baseline configuration and two asymmetric variants of the joint. The relationship between the shape parameter and the parameters of the tensioned segments is derived, enabling the mathematical description of cable lengths for joint actuation. Geometric nonlinear static finite element simulations are performed to analyze the joint's response under various load conditions. The results reveal the joint's range of motion, the effect of different stiffness configurations, and its deformation behavior under external forces. The study highlights the asymmetric nature of the joint and its potential for targeted motion restriction. These findings advance the general understanding of the behavior of the considered tensegrity joint and provide valuable insights for their design and application in soft robotic systems.
https://doi.org/10.22032/dbt.58888
Development of a novel synthesis method of a rigid-body four-bar linkage into a compliant mechanism. - In: Engineering for a changing world, (2023), 3.3.004, S. 1-12
The four-bar linkage mechanism is widely used in various machinery applications. This study presents a synthesis method to transform a rigid-body four-bar mechanism into a compliant mechanism using four leaf-type hinges based on linear theory and Castigliano's Theorem. The objective is to determine the dimensions and configuration of a flexible four-bar mechanism that replicates the behavior of the initial rigid-body mechanism. The meeting point between the two mechanisms is the flexure hinge of the compliant mechanism, which is determined using the Pseudo-Rigid-Body model (PRBM). To validate the proposed method, a program based on non-linear theory is employed. The results confirm that the dimensional differences between the two are minimal, ranging from 0% to 0.13%. This study demonstrates the feasibility of synthesizing a Rigid-Body Four-Bar Mechanism into a compliant mechanism using the PRBM, as long as the deformations are within the linear domain.
https://doi.org/10.22032/dbt.58886
Synthesis of optimized compliant mechanisms for ultra-precision applications. - In: Engineering for a changing world, (2023), 1.4.071, S. 1-9
Compliant mechanisms for ultra-precision applications are often required to achieve highest accuracy over largest possible ranges of motion along multiple axes. The typical synthesis approach for such high demands is based on the substitution of the revolute joints of a suitable rigid-body model with optimized flexure hinges. However, during the transition from rigid-body model to compliant mechanism, the effects of multiple input parameters are still widely unknown. Among them are the degrees of freedom of the rigid-body model, the integration of the drive elements, as well as the coupling of mechanisms to achieve multiple motion axes. The following contribution expands the fundamentals of the synthesis of compliant mechanisms based on rigid-body models for their application in ultra-precision technologies. Based on the investigation of the aforementioned parameters as well as the knowledge gained from previous research work, a novel synthesis method has been developed.
https://doi.org/10.22032/dbt.58844
Eigenfrequenzberechnung von Parallelschwingen mit unterschiedlichen Festkörpergelenkkonturen. - In: 15. Kolloquium Getriebetechnik, (2023), S. 67-72
Modellbildung und Steifigkeitsanalyse eines nachgiebigen Tensegrity-ähnlichen Koppelelements. - In: 15. Kolloquium Getriebetechnik, (2023), S. 63-66