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Erstellt: Wed, 20 Nov 2019 23:05:26 +0100 in 0.0303 sec


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
Siedler, Konrad;
Numerische und experimentelle Verifikation von adaptiven Regelungsstrukturen an einem mechatronischen, nachgiebigen System - Ilmenau - 200 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

In der vorliegenden Masterarbeit werden durch eine Simulationsstudie adaptive Regelungsstrategien dahingehend untersucht, einen Roboterarm mit Doppelpendelstruktur - angetrieben durch antagonistisch angeordnete, muskelähnliche Aktoren - möglichst schnell und präzise auf vorgegebenen Bahnen zu regeln. Parallel dazu wird ein derartiger Roboter als Prototyp aufgebaut und die untersuchten Regelungsstrategien am realen Modell verifiziert. Über erste Simulationen mit einem Modell mit Freiheitsgrad n=1 werden die Wirkprinzipien der adaptiven Regler untersucht (v.a. mit Blick auf die Absolutwerte von Rückführung und Verstärkungsfaktor, Einregelzeit und Genauigkeit der Einhaltung von Zielvorgaben) und eine Vorauswahl der als am besten eingeschätzten Regler getroffen, um diese anschließend auf ein System mit Freiheitsgrad n=2 anzuwenden. Dazu werden vorerst Modellanpassungen bzgl. der realen Mechanik des Prototypen vorgenommen und daraus eine Intensitätensteuerung ermittelt, mit der die Reglergrößen der Regler auf die jeweiligen Muskelpaare aufgeteilt werden können. Es folgt eine Simulationsstudie an einem System mit Freiheitsgrad n=2 (Doppelpendelstruktur). Die vorher beschriebenen und analysierten Regelungsstrukturen werden bzgl. einer Referenzposition mit Positionswechsel und einer Referenzbahn untersucht. Hierbei werden für eine Optimierung des Simulationsergebnisses verschiedene Ansätze eingeführt, wie bspw.: Begrenzung der Muskelleistung, Einführung eines Fehlervektors, adaptives Ermitteln von Faktoren einer beschränkten Regelung. Während oben genannten Simulationsarbeiten wird der zur Verifikation einzusetzende Prototyp der TU Ilmenau aus vorherigen, älteren Untersuchungen rekonstruiert und optimiert: Dabei müssen fehlende Teile neu konstruiert, sowie die Ansteuerung neu entworfen werden. Hierfür wird der Microcontroller "Arduino" eingesetzt. Vor einem möglichen Betrieb des Roboterarms müssen zunächst Messdaten zur Ermittlung des Kontraktionsverhaltens und der Muskelleistung der pneumatischen Muskeln ermittelt werden. Anschließend werden weitere Simulationen mit den Systemparametern des Prototypen durchgeführt. Mithilfe der Regelungsstrukturen wird dem Prototyp die Verfolgung einer Bahn ermöglicht.



Linß, Sebastian; Schorr, Philipp; Zentner, Lena;
General design equations for the rotational stiffness, maximal angular deflection and rotational precision of various notch flexure hinges. - In: Mechanical sciences : MS ; an open access journal for theoretical and applied mechanics. - Göttingen : Copernicus Publ., ISSN 2191-916X, Bd. 8 (2017), 1, S. 29-49

Notch flexure hinges are often used as revolute joints in high-precise compliant mechanisms, but their contour-dependent deformation and motion behaviour is currently difficult to predict. This paper presents general design equations for the calculation of the rotational stiffness, maximal angular elastic deflection and rotational precision of various notch flexure hinges in dependence of the geometric hinge parameters. The novel equations are obtained on the basis of a non-linear analytical model for a moment and a transverse force loaded beam with a variable contour height. Four flexure hinge contours are investigated, the semi-circular, the corner-filleted, the elliptical, and the recently introduced bi-quadratic polynomial contour. Depending on the contour, the error of the calculated results is in the range of less than 2 % to less than 16 % for the suggested parameter range compared with the analytical solution. Finite elements method (FEM) and experimental results correlate well with the predictions based on the comparatively simple and concise design equations.



https://doi.org/10.5194/ms-8-29-2017
Mittag, Hannah;
Untersuchung des Bewegungsverhaltens einer nachgiebigen Tensegrity-Struktur für einen Zweifingergreifer - Ilmenau - 91 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

In dieser Arbeit wird das mechanische Verhalten eines Zweifingergreifers auf Basis einer ebenen Tensegrity-Struktur mit zwei stabilen Gleichgewichtskonfigurationen theoretisch und experimentell betrachtet. Im Fokus der Untersuchungen liegt die Beschreibung des Bewegungsverhaltens, der Greifkraft sowie der mechanischen Nachgiebigkeit des betrachteten Kraftschlussgreifers. Nach Umkonstruktion eines vorhandenen Prototypen und dessen Neuaufbau wird in einem ersten Schritt sein Bewegungsverhalten mit und ohne Greifobjekt während der Aktuierung untersucht und analysiert. Hierfür wurde ein Algorithmus in Matlab entwickelt, der die Bewegung charakteristischer Punkte des Greifers aus Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen ermittelt. Anschließend wird ein Messstand zur Messung der Greifkraft und mechanischer Nachgiebigkeit konzipiert, konstruiert und aufgebaut. Die Ergebnisse der durchgeführten Messungen werden mit Ergebnissen aus theoretischen Untersuchungen verglichen. Letztere wurden mit Hilfe eines vorliegenden FE-Berechnungsalgorithmus ermittelt. Abschließend werden auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse konstruktive Verbesserungsvorschläge für den Zweifingergreifer gegeben.



Kräml, Jonas;
Erarbeitung von objektiven Bewertungskriterien für einen Spurwechselassistenten anhand des menschlichen Verhaltens im realen Straßenverkehr - Ilmenau - 113 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Um das Ziel des autonomen Fahrens möglichst schnell zu erreichen, spielen Fahrerassistenzsysteme bei der Entwicklung von Automobilen eine immer größere Rolle. Diese erhöhen den Komfort und die Sicherheit für den Fahrer. Damit Fahrerassistenzsysteme vom Kunden als angenehm und komfortabel empfunden werden, müssen sie das Verhalten des Menschen in den jeweiligen Fahrsituationen bestmöglich abbilden. Ziel der vorliegenden Master-Arbeit ist das Analysieren des menschlichen Verhaltens und der Wahrnehmung beim Spurwechsel. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Auslegung des Spurwechselassistenten der BMW Group ein. Hierzu wird eine Probandenstudie mit einem Versuchsfahrzeug im Realverkehr durchgeführt. Führt der Fahrer einen Spurwechsel aus, so werden relevante Fahrzeugsignale und Bewegungsgrößen umliegender Objekte aufgezeichnet und das subjektive Empfinden des Fahrers beim Spurwechsel erfragt. Im ersten Schritt ist die Probandenstudie zu planen und zu organisieren. Dazu müssen zunächst die relevanten Szenarien im Verkehr festgelegt werden, woraus objektive und subjektive Kennwerte für einen Spurwechsel abgeleitet werden. Anschließend werden Hypothesen über den Zusammenhang von objektiven und subjektiven Größen formuliert. Nach der Durchführung der Studie werden die erfassten Daten ausgewertet. Hierfür werden zunächst die aufgezeichneten Daten nach der Entwicklung eines neuartigen Datenverarbeitungsalgorithmus aufbereitet. Anschließend wird die in der Abteilung bestehende Objektivierungsmethodik erweitert und mit deren Anwendung die Hypothesen überprüft. Zusätzlich wird erstmalig ein Durchschnittsprofil aus den Daten aller Fahrer hinsichtlich des Spurwechsels erstellt. Abschließend wird mit den Ergebnissen eine Auslegungsempfehlung für den Spurwechselassistenten abgegeben.



Müller, Jeanine;
Modellbildung und numerische Simulation biologisch inspirierter Schwingungssysteme von Vibrissen - Ilmenau - 80 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017

Vibrissen sind die taktilen Tasthaare von Ratten und anderen Säugetieren und dienen der Umgebungswahrnehmung. In der Schnauzenregion, dem mystazialen Vibrissenfeld, ist jede Vibrisse in einem separaten sensoraktorischen Apparat eingebettet, dem Follikel-Sinus-Komplex (kurz FSC). Der widerstandsfähige Haarschaft fungiert als Reizaufnehmer, welcher sowohl aktiv durch das Tier, als auch passiv durch äußere Einflüsse ausgelenkt werden kann. Die aufgenommenen mechanischen Stimuli erzeugen in der Basis des Haarschafts ein Moment, dass seinerseits von Mechanorezeptoren im FSC registriert und als Signal an das Zentralnervensystem (ZNS) des Tieres geleitet wird. Es besteht die Annahme, dass der FSC als viskoelastisches Lager mit einer Blutdruckregulierung betrachtet werden kann, worüber eine adaptive Regelung durch ein Steuermoment möglich ist, dass den Stellwinkel der Vibrisse variiert. Elektrische Impulse die vom ZNS ausgehen, aktivieren zusätzlich die Muskeln des FSC und versetzen damit das Tasthaar in Schwingungen. Dieses Bewegungsverhalten, auch Whiskern genannt, muss in zwei Arten unterschieden werden: dem Erkundungs-Whiskern und dem Fovealen Whiskern. Dieses Verhalten und die aktive Steuerung des Vibrissenwinkels ermöglicht es den Tieren Oberflächen und dreidimensionale Gegenstände auch unter dem Einfluss von Störkräften zu erkennen und zu unterscheiden. Bisherige biologische Modelle sind aufgrund ihrer Detailliertheit zu Simulationszwecken ungeeignet, weshalb sich die vorliegende Arbeit mit der Modellierung, mathematischen Beschreibung und Simulation einfacher Grundprinzipien des Tasthaar-FSC-Systems befasst. In der ersten Abstraktionsstufe wird dafür das dynamische Verhalten einer Vibrisse analysiert. Diese wird als langer, dünner, homogener, starrer Stab betrachet, an dessen unterem Stabende ein viskoelastisches Festlager befestigt ist. Eine indirekt Anregung über das Gehäuse veranlasst das System zum Schwingen. Eine Berücksichtigung zweier unterschiedlich langer, über ein Feder-Dämpfer-System gekoppelter Vibrissen mit teils variierenden Erregungen, führte zu einer Erhöhung der Komplexität der Modelle in der zweiten und dritten Abstraktionsstufe. In allen Stufen und Verhaltensweisen (Erkundungs/Foveales Whiskern) werden die Vibrissen unterschiedlichen Störkräften ausgesetzt. Mit dem Ansatz der adaptiven Regelung können qualitative Rückschlüsse aus den Winkelpositionen der Vibrissen, sowie ihrer generierten Steuermomente auf die Störkräfte getroffen werden.



Keßler, Tobias;
Optimierung der Konstruktion omnidirektionaler Räder von mobilen Robotern - Ilmenau - 69 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Optimierung der Konstruktion omnidirektionaler Räder von mobilen Robotern am Beispiel des Ethon-Roboters. Zwangserregte Schwingungen auf der Roboterplatform beinflussen das Kamerasystem negativ und beeinträchtigen somit die Orientierung. Die Arbeit präsentiert eine Vibrationsanalyse und untersucht die Radgeometrie der verwendeten Allseitenräder. Die resultierende Erregung wird systemtheorethisch modelliert. Das Robotersystem wird dabei mit konzentrierten Variablen und mittels Impedanz Analogie beschrieben. Zirkularitätsfehler der Räder die zu periodischen Stößen durch Diskontinuitäten zwischen den passiven Rollern führen, generieren vertikale Vibrationen und werden in der Vibrationanalyse untersucht. Zwei erarbeitete Messmethoden; eine indirekte Methode und eine neuartige direkte Methode, werden vorgestellt, um die zwangserregten Schwingungen durch Reaktionskräfte auf der Roboterplatform zu bestimmen und die dazugehörigen Erregerfrequenzen der Räder anhand von Beschleunigungsmessungen nachzuweisen. Die Erregerfrequenzen mit den dazugehörigen Oberwellen der periodischen Stöße des omnidirektionalen Rades werden mittels Frequenzanalyse der Leistungsspektren identifiziert. Die Annahmen bezüglich Linearität des Systems und Geschwindigkeitsabhängigkeit werden durch Messungen nachgewiesen. Die Reaktionskräfte basierend auf den ermittelten absolut Werten aus den Leistungsspektren werden berechnet und diskutiert. Beide Messmethoden werden auf ihre Konsistenz durch einen Vergleich der entstehenden Frequenzen geprüft. Resultierend wird eine erarbeitete Prototypenkonstruktion mit einem äußeren Durchmesser von 200 mm, basierend auf dem Continuous Alternate Wheel (CAW) Model, vorgestellt. Die in der Arbeit durchgeführte Analyse bestätigt die zwangserregten Schwingungen, welche durch die omnidirektionalen Räder ausgelöst werden und präsentiert eine alternative Prototypenkonstruktion zur Minimierung der vertikalen Vibrationen.



Hennen, André;
Untersuchung des Einflusses der Streifenhonung auf das dynamische Verhalten der Kolbengruppe bei Dieselmotoren - Ilmenau - 112 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Der Inhalt dieser Masterarbeit stellt die Untersuchung des Einflusses der Streifenhonung auf das dynamische Verhalten der Kolbengruppe bei Dieselmotoren dar. Insbesondere stehen dabei die Parameter Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch im Fokus. Die Einführung der Arbeit ergibt sich aus einer kurzen Vorstellung des Unternehmens und einer Einführung in das Thema. Es folgen eine Analyse des Standes der Technik bezüglich der Streifenhonung und eine Übersicht über die nötigen theoretischen Grundlagen. Anschließend wird die konkrete Problemstellung dargelegt und ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Kolbenbewegung entwickelt. Ferner erfolgt eine Auslegung von Prototypen des Kurbelgehäuses hinsichtlich der Oberflächenrauheit und der axialen Aufteilung der Streifenhonung. Darüber hinaus ist der Einfluss der Zylinderrohrverzüge Gegenstand dieser Arbeit. Final folgt eine Versuchsreihe mit befeuerten Motormessungen sowohl im Serienzustand als auch mit streifengehonten Zylinderlaufflächen. Hierdurch wird der Einfluss der Streifenhonung im befeuerten Motorbetrieb untersucht.



Holota, Danny;
Entwicklung eines Prüfstandes zur Messung von Reibungskräften zwischen vibrierenden Oberflächen - Ilmenau - 112 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017

Gleitreibung entsteht bei der Berührung zweier sich relativ zueinander bewegender Körper. Sie ist eine Eigenschaft, die in technischen Systemen häufig nachteilig ist und reduziert werden soll. Typische Methoden zur Reibungsreduzierung sind die Variation der Materialpaarung sowie der Einsatz von Schmiermitteln. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Reibkraft ist die hochfrequente mechanische Anregung der Reibpartner, die virbrationsinduzierte Reibungsreduzierung. Durch diese Technik kann die Reibung vermindert und in Grenzen gesteuert werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prüfstand zur Messung von Reibungskräften zwischen vibrierenden Oberflächen entwickelt. Die Konzeption beinhaltet die Erstellung einer Anforderungsliste und die Betrachtung verschiedener Auslegungsvarianten. Weiterhin erfolgt die Auslegung potenziell kritischer Stellen und die Fertigung des Versuchsaufbaus. Nach der Inbetriebnahme erfolgt die Justierung, um das angestrebte Betriebsverhalten der konstruierten Führung des Prüfstandes zu realisieren. Mit Hilfe des Prüfstandes werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Abhängigkeit der Reibungsreduktion von festgelegten Parametern durchgeführt. Im Anschluss erfolgen die Auswertung der aufgenommenen Messwerte, Interpretation, Dokumentation und Fehlerbetrachtung. Es konnte gezeigt werden, dass eine Reibungsreduktion von bis zu 90 % für die untersuchten Parameter möglich.