http://www.tu-ilmenau.de

Logo TU Ilmenau


Ansprechpartner

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Zimmermann

Fachgebietsleiter

Telefon 03677 69-2478

E-Mail senden

Ihre Position

INHALTE

Publikationen

Publikationen (gesamt)

Anzahl der Treffer: 683
Erstellt: Mon, 14 Oct 2019 23:03:51 +0200 in 0.0375 sec


Merker, Lucas;
Objektabtastung und -konturerkennung durch rotatorisch gelagerte, taktile Sensoren mittels nichtlinearer Balkentheorie - Ilmenau - 106 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Aktuelle Forschungsthemen in der Bionik beschäftigen sich mit der Analyse und Synthese der Umgebungswahrnehmung von Säugetieren mithilfe ihrer Vibrissen (spezielle Tasthaare). Durch Verwendung dieses komplexen Sinnesorgans sind beispielsweise Ratten und Mäuse in der Lage mithilfe weniger Berührungen Objektabstände, -konturen oder -oberflächenbeschaffenheiten zu detektieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung und Untersuchung eines biologisch inspirierten mechanischen Modells zur Objektabtastung und Konturrekonstruktion. Vibrissen, als Reizaufnehmer, werden häufig durch einen zylindrischen oder konischen Euler-Bernoulli-Balken modelliert, der einseitig eingespannt ist und zum Zwecke der Abtastung translatorisch an einem Objekt entlanggeführt wird. Mit Blick auf das biologische Vorbild wird die Abtastprozedur in der vorliegenden Arbeit um eine Rotationsbewegung erweitert. Die Modellierung der Vibrisse erfolgt mithilfe eines langen schlanken Balkens, der eine vorgekrümmte, konische Form aufweist und drehbar gelagert ist. Die Rotationsabtastung eines streng konvexen Profils wird im quasi-statischen Fall betrachtet. Dabei erfährt der Balken große Verformungen, die mithilfe der nichtlinearen Euler-Bernoulli-Theorie beschrieben werden. Zunächst wird für das Modell das beschreibende Differentialgleichungssystem hergeleitet. Anschließend wird zwischen der Phase des Spitzen- und des Tangentialkontakts (Phase A und Phase B) mit dem Objekt unterschieden und für beide Fälle die zugehörigen Randbedingungen aufgestellt. Die entstandenen Randwertprobleme werden auf verschiedenen Abstraktionsebenen betrachtet. Der rotatorische Vorbeizug einer geraden zylindrischen Vibrisse an einer streng konvexen Profilkontur wird weitestgehend analytisch beschrieben. Anschließend wird durch Lösung eines Anfangswertproblems gezeigt, wie die Kontaktlokalisierung möglich ist, wenn ausschließlich Informationen an der Lagerstelle (Lagerreaktionen, Lagerposition und Stellwinkel), die möglicherweise auch den Tieren zur Verfügung stehen, ausgewertet werden. Auf Grundlage des mechanischen Modells wird ein Matlab-Programm aufbereitet, das die Simulation des rotatorischen Vorbeizugs einer Vibrisse an einem streng konvexen Profil sowie dessen Rekonstruktion anhand der berechneten Lagerreaktionen ermöglicht. Der Abbruch des Algorithmus, der auf ein in der Realität stattfindendes Ablösen der Vibrisse vom Profil hindeuten könnte, wird genauer untersucht. Die Abtastprozedur wird um eine Rotationsbewegung in entgegengesetzter Richtung und eine Variation der Lagerposition erweitert. Durch Überlagerung der entstehenden Abtastbereiche kann anschließend ein Großteil des Profils rekonstruiert werden. Zuletzt werden Parameterstudien durchgeführt, um das Potential einiger durch die Biologie vorgegebener Eigenschaften zur Verbesserung des Abtastverhaltens zu untersuchen.



TEST4http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/891225641merke.txt
Kemper, Thilo;
Simulation von Ein- und Mehrmassenschwingern mit nichtlinearen Koppelelementen - Ilmenau - 70 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Diese Arbeit behandelt die Erstellung von MKS-Simulationsmodellen von Koppelelementen. Bei dynamischen Messungen zeigen viele reale Bauteile eine Hysterese im Kraft-Weg-Diagramm. Um diese, teilweise nichtlinearen, Effekte nachzubilden, werden Ersatzmodelle bestehend aus Feder, Dämpfer und Reibelementen in der Simulationssoftware "alaska" aufgebaut. Die Struktur der Modelle lehnt sich an bekannte rheologische Ersatzmodelle an. Die so erzeugbaren Kraft-Weg-Verläufe dienen als Vorlage für die Modellierung realer Bauteile. Dies ermöglicht die Simulation als Mehrkörpersystemen. Durch die Kombination der Ersatzmodelle wird das Verhalten, z.B. die Dämpfungseigenschaften, von realen Bauteilen nachgebildet. In der Arbeit werden die aus Versuchen bekannten Kraft-Weg-Verläufe der realen Bauteile Gummi-Metall-Element, Hydrolager und Metallkissen modelliert. Für die zunächst als "black box" betrachteten Bauteile werden durch das Zusammenschalten von Feder-, Dämpfer- und Reibelementen solche Ersatzmodelle aufgebaut, die die entsprechenden Kraft-Weg-Verläufe erzeugen. Eine Validierung der Modelle erfolgt durch den Vergleich mit den real gemessenen Verläufen. In einem Modellkatalog wurden die einzelne Ersatzmodelle zusammengefasst, um die Erstellung von weiteren Simulationsmodellen zu erleichtern.



TEST4http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/890442460kempe.txt
Ebert, Andreas;
Tragfähigkeitsanalyse von Hohlrädern mit Kranzeinfluss - Ilmenau - 86 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Für die Drehzahlübersetzung elektrischer Antriebsachsen von Elektrofahrzeugen hat sich in der Elektromobilität das Planetengetriebe etabliert. Aufgrund der Lastaufteilung auf mehrere Zahnräder (Planetenräder) ist die Übertragung von großen Momenten bei einem relativ kleinen axialen Bauraum möglich. Die Größe des Getriebes in Radialrichtung wird durch das äußere Rad, dem sog. Hohlrad, festgelegt. Da es bei der Belastung von dünnwandigen Hohlrädern zu einer nicht zu vernachlässigbaren radialen Verformung kommt, sind die gängigen Berechnungsmethoden zur Zahnfußtragfähigkeit von Stirnrädern nur bedingt geeignet. Die Berechnungsverfahren der ISO 6336-3 sowie der VDI 2737 berücksichtigen zwar den Einfluss der radialen Verformung auf die Zahnfußsicherheit, sind jedoch nur für Hohlräder mit freiem Zahnkranz - d. h. keine Anschlussgeometrie an der äußeren Mantelfäche - gültig. Die in der Abteilung "Planetenradsätze und Differentiale" der Schaeffler AG eingesetzten Hohlräder sind mit einer zusätzlichen Außenverzahnung im Gehäuse gelagert und können demnach mit den Berechnungsmethoden der ISO 6336-3 oder VDI 2737 nicht exakt ausgelegt werden. In dieser Abschlussarbeit werden zunächst die Auslastung der Innen- sowie Außenverzahnung verschiedener Hohlräder der Schaeffler AG miteinander verglichen. Anschließend erfolgt ein Vergleich der mit der Verzahnungssoftware KISSsoft möglichen Berechnungsmethoden. Zentraler Aspekt dieser Abschlussarbeit ist schließlich die Erarbeitung eines Hilfsprogramms zur Vorabschätzung der Zahnfußtragfähigkeit von Hohlrädern für den Modulbereich von 1 bis 2 mm. Zuletzt werden Auslegungsrichtlinien für Hohlräder der Schaeffler AG definiert.



TEST4http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/888122462ebert.txt
Böhm, Valter; Sumi, Susanne; Kaufhold, Tobias; Zimmermann, Klaus;
Compliant multistable tensegrity structures. - In: Mechanism and machine theory : the scientific journal of the International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms. - Amsterdam [u.a.] : Elsevier Science, Bd. 115 (2017), S. 130-148

In this paper, a method to identify compliant tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium is described. The considered algorithm is based on the repeated use of a form-finding procedure, using the static Finite-Element-Method. The algorithm can be used in the development process of compliant multistable tensegrity structures with simple topologies, consisting of only few members. As examples four planar tensegrity structures with two or three stable equilibrium configurations are considered and verified experimentally. Furthermore, a specific kind of multistable tensegrity structures, which have identical convex hulls, but differing prestressed states in their equilibrium configurations, is investigated. The potential technical use of the considered structures is discussed in the context of shape-changing locomotion systems using transitions between their equilibrium configurations.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.04.013
Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
Dynamic analysis of a spherical mobile robot based on a tensegrity structure with two curved compressed members. - In: Archive of applied mechanics : (Ingenieur-Archiv). - Berlin : Springer, ISSN 1432-0681, Bd. 87 (2017), 5, S. 853-864

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robotics is an attractive research topic. The mechanical properties and therefore the locomotion performance of mobile robots based on these structures can be adjusted reversibly during locomotion. In the present work, a rolling mobile robot, based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected curved members connected to a continuous net of eight prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. Pure rolling uniaxial locomotion and also planar locomotion can be realized with small control effort, induced by the movement of two internal masses. After kinematic considerations, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed, to study the system behavior. Also the dependency of the rolling movement behavior on structural and actuation parameters is discussed. The uniaxial and planar locomotion performance of the system are verified experimentally.



https://doi.org/10.1007/s00419-016-1183-z
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus;
A multistable tensegrity structure with a gripper application. - In: Mechanism and machine theory : the scientific journal of the International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms. - Amsterdam [u.a.] : Elsevier Science, Bd. 114 (2017), S. 204-217

Multistable tensegrity structures are a new interesting class of compliant prestressed structures. Due to their beneficial properties, these structures are attractive for robotic applications. In this paper a gripper is introduced, which is based on a mechanical compliant, multistable tensegrity structure. The underlying tensegrity structure of the considered gripper is investigated in detail. The influence of the member parameters on the existence of multiple states of self-equilibrium and the mechanical compliance is discussed with the help of static geometric nonlinear analyses, based on the Finite Element Method. The dynamical behaviour of the structure, during the change between the equilibrium configurations, is considered. Therefor the dynamical equations of motion are derived. Then gripper arms are added to the tensegrity structure to obtain a gripper. Different actuation principles for the gripper are discussed. Additionally, a prototype of the gripper has been built and is presented, as well as, selected experimental results.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.04.005
Gast, Simon;
Modellierung von Tensegrity-Strukturen als Mehrkörpersystem und Simulation des dynamischen Verhaltens - Ilmenau - 99 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

In der vorliegenden Arbeit werden Tensegrity-Strukturen auf ihre dynamischen Eigenschaften hinsichtlich einer Anwendung als Bewegungssystem untersucht. Dies erfolgt mit der dynamischen Analyse dieser Systeme in dem Mehrkörpersystem-Simulationstool alaska. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung und Realisierung einer Lokomotion. Für die Fortbewegung wird jeweils ein System mit geraden und gekrümmten Stäben vorgestellt und simuliert. Die Implementierung der Bogenelemente erfolgt durch ein analytisch ermitteltes Ersatzmodell. Mit der Realisierung beliebiger Trajektorien sind die Grundlagen für eine Bahnplanung oder eine geregelte Fortbewegung gelegt. Für die Lokomotion der Strukturen kommen zusätzliche Massen zum Einsatz, die entlang vorgegebener Bahnen verschoben werden. Der Großteil der Fortbewegung ist durch eine Steuerung der Position der Massen gekennzeichnet. Für die Struktur mit geraden Stäben stellt die Arbeit einen Ansatz für eine geregelte Fortbewegung vor. Eine Untersuchung der Systemzustände zeigt, dass diese einfach messbar und für eine geregelte Lokomotion nutzbar sind. Ferner wird in dieser Arbeit ein Tensegrity-ähnlicher Aufbau mit mehreren Gleichgewichtslagen untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf der Einstellbarkeit und Variation zweier Zustände hinsichtlich einer technischen Nutzbarkeit als Lagerelement. Dazu wird das gefundene System einer Eigenfrequenzanalyse unterzogen.



TEST4http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/884800954gast.txt
Volkova, Tatiana I.; Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Popp, Jana; Becker, Felix; Borin, Dmitry Yu.; Stepanov, Gennady V.; Zimmermann, Klaus;
Motion behaviour of magneto-sensitive elastomers controlled by an external magnetic field for sensor applications. - In: Journal of magnetism and magnetic materials : MMM. - Amsterdam : North-Holland Publ. Co., ISSN 0304-8853, Bd. 431 (2017), S. 262-265

The development of sensor systems with a complex adaptive regulation of the operating sensitivity and behaviour is an actual scientific and technical challenge. Smart materials like magneto-sensitive elastomers (MSE) are seen as one potential solution for this problem, since their mechanical properties may be controlled by external magnetic fields. The present paper deals with the investigation of elastic and damping properties of MSE containing magnetically soft particles under the influence of a uniform magnetic field. Based on the measurement of the first eigenfrequency of free bending vibrations of a fixed beam, the effective Young's modulus is evaluated theoretically and also numerically using Finite Element Method. It is shown that this parameter, as well as the first eigenfrequency of the beam, increases monotonically with the magnitude of the applied magnetic field. The results are aimed to develop an acceleration sensor with adaptive magnetically controllable sensitivity range for the detection of external mechanical stimuli of the environment.



http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.009
Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Naletova, Vera A.; Kaufhold, Tobias; Becker, Felix; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
A ferrofluid based artificial tactile sensor with magnetic field control. - In: Journal of magnetism and magnetic materials : MMM. - Amsterdam : North-Holland Publ. Co., ISSN 0304-8853, Bd. 431 (2017), S. 277-280

The paper deals with a tactile sensor inspired by biological hairs of mammals. The working principle is based on the effect of the magnetic force exerted on a paramagnetic body submerged into a ferrofluid volume under the influence of a nonuniform magnetic field. The deflection of the sensor's rod caused by external mechanical stimuli may be unambiguously identified by the distortion of the magnetic field, which occurs due to the motion of the attached body in the ferrofluid. The magnetic force acting on the body is evaluated experimentally and theoretically for the nonuniform magnetic field of a permanent magnet. The controlled oscillations of the rod are realised by applying a nonuniform magnetic field of perodically altering direction.



http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.105
Niederschuh, Sandra J.; Helbig, Thomas; Zimmermann, Klaus; Schmidt, Manuela; Witte, Hartmut;
Kinematic response in limb and body posture to sensory feedback from carpal sinus hairs in the rat (Rattus norvegicus). - In: Zoology - Amsterdam [u.a.] : Elsevier, ISSN 1873-2720, Bd. 121 (2017), S. 18-34

One of the most challenging adaptations within the therians has been to ensure dynamic stability of the trunk during rapid locomotion in highly structured environments. A reorganization of limb mechanics and development of new sensors has taken place within their stem lineage. Rats, which have a similar lifestyle to the first therians, possess sinus hairs specialized for tactile sensing. It is supposed that carpal sinus hairs have a role in sensing substrate properties and can thus induce adjustments in limb kinematics and body posture according to the different surface diameters and structures detected. This implies a shared sensorimotor control loop of sinus hairs and body posture. To investigate the role of the carpal sinus hairs during locomotion and to explore a possible interaction between limb and spine motion, spatiotemporal and kinematic parameters as well as the contact mechanics of the hairs with regard to the surface were quantified. Locomotion on a treadmill with continuous and discontinuous substrates was compared in the presence/absence of the carpal sinus hairs across a speed range from 0.2 m/s to 0.6 m/s. Recordings were taken synchronously using x-ray fluoroscopy and normal-light high-speed cameras. Our investigation revealed that the three tactile hairs made a triangle-like contact with the ground approximately 30 ms before touchdown of the forelimb. Within that time, it is likely that both the body posture and its oscillation are adjusted according to the different surface textures. The sensory input of the carpal sinus hairs induces a stabilization of the trajectory of the center of mass and, therefore, improves the dynamic stability of the trunk; conversely, the absence of the sensors results in a more crouched frontal body posture, similar to that seen in rats when they are moving in an unknown terrain. The carpal sinus hairs also sense the animal's speed during surface contact. This implicates an adjustment of the limb and spine kinematics, by increasing the speed-dependent effect or by increasing the distance between the trunk and the ground when the rat is walking faster.



http://dx.doi.org/10.1016/j.zool.2017.02.001