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

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Publikationen

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Anzahl der Treffer: 672
Erstellt: Sun, 21 Jul 2019 07:40:29 +0200 in 0.0193 sec


Behn, Carsten; Heinz, Leo; Krüger, Martin;
Kinematic and dynamic description of non-standard snake-like locomotion systems. - In: Mechatronics : the science of intelligent machines : an international journal. - Amsterdam [u.a.] : Elsevier Science, Bd. 37 (2016), S. 1-11

http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.10.010
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
On the motion of lumped-mass and distributed-mass self-propelling systems in a linear resistive environment. - In: ZAMM : journal of applied mathematics and mechanics. - Berlin : Wiley-VCH, ISSN 1521-4001, Bd. 96 (2016), 6, S. 747-757

Schardt, Philipp;
Modellbildung, Schwingungsanalyse und Regelung eines biologisch-inspirierten, mechanischen Bewegungssystems mit einstellbarer Lagerviskoelastizität - 80 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016

Vibrissen sind die taktilen Sensoren für Ratten und anderen Säugetieren, um ihre Umgebung zu erkunden und bestimmte Objekte zu erkennen. Dabei erfolgt die Reizaufnahme nicht direkt über das leblose Tasthaar, sondern über die Mechanorezeptoren im Follikel-Sinus-Komplex, der einer visko-elastischen Lagerung gleicht. Bei Ratten befinden sich die Vibrissen vor allem in der Schnauzenregion, welche durch die dort vorkommende Muskulatur über ihre Follikel-Sinus-Komplexe miteinander gekoppelt sind. Es gibt schon einige biologischen Modelle zu einzelnen Vibrissen und dem kompletten Vibrissenfeld, welche aber alle sehr detailliert und daher für die Analyse und Untersuchungen mit Mitteln der Mechanik und Bionik ungeeignet sind. Während sich die bestehenden mechanisches Modelle auf die Beschreibung der Tasthaare und ihren Eigenschaften konzentrieren, liegt in dieser Arbeit der Fokus auf der Entwicklung von Modellen in unterschiedlichen Abstraktionsstufen, welche die Eigenschaften und die Funktionsweise des Follikel-Sinus-Komplexes beschreiben. Dafür wird eine passende Regelung gewählt und in das Modell implementiert. Diese Modelle werden dann mathematisch beschrieben und analysiert. Ein erstes Modell besteht aus einem zylindrischen Stab, der in einem Drehgelenk beweglich gelagert ist und über eine Feder mit einer vorgegebenen Schwingung erregt wird. Die erzeugten Bewegungen entsprechen den Schwingungen der Vibrisse, die bei Ratten durch die umliegende Muskulatur eingestellt wird. Diese Referenzbewegung wird für eine Regelung für ein Steuerdrehmoment verwendet, welches dann für verschiedene äußere Störeinflüsse auf das System analysiert wird. Ein weiteres Modell ist ein, über eine Feder indirekt erregtes, Loslager einer Vibrisse, welche drehbar gelagert ist. Ein letztes Modell besteht aus einer Vibrissendose, die ebenfalls drehbar auf einem Loslager gelagert ist und indirekt über eine Feder in Bewegung versetzt wird. Die Analyse der entwickelten Modelle besteht aus der Untersuchung der Verläufe der Steuerdrehmomente, bei unterschiedlichen angreifenden Störkräften. Dadurch kann festgestellt werden, dass die Momente direkt mit den Störeinflüssen zusammenhängen und es wird eine Idee entwickelt, wie unbekannte Störeinflüsse identifiziert werden können, wenn man die sonstigen Modellparameter kennt.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/860172724schar.txt
Böhm, Valter;
Mechanik von Tensegrity-Strukturen und ihre Anwendung in der mobilen Robotik - Ilmenau - xiv, 225 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Habilitationsschrift 2016

Eine größere Effizienz mobiler Roboter wird zukünftig neue, nicht konventionelle Fortbewegungsprinzipien erfordern. Bei der Inspektion von komplexen, unstrukturierten Umgebungen ist der Einsatz von formvariablen Lokomotionssystemen mit ausgeprägter mechanischer Nachgiebigkeit vorteilhaft bzw. unbedingt erforderlich. Mechanisch vorgespannte nachgiebige Strukturen erlauben eine solche geforderte Formvariabilität mit nur wenigen Aktuatoren bei gleichzeitig einfachem Aufbau. Eine Klasse dieser Strukturen bilden nachgiebige Tensegrity-Strukturen. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen in Lokomotionssystemen zu leisten. Im Vordergrund steht dabei der systematische, modellbasierte Entwurf von Systemen basierend auf nichtkonventionellen Strukturen, nichtklassischer Aktuierung und Fortbewegungsart. Nach einleitenden Betrachtungen zu Tensegrity-Strukturen, ihrer Anwendung in der mobilen Robotik werden zunächst bekannte Lokomotionssysteme auf Basis der betrachteten Strukturen in der Arbeit klassifiziert. Anschließend erfolgen Betrachtungen zu den Besonderheiten eines Berechnungsverfahrens nach der statischen FE-Methode in Hinblick auf die Formfindung von nachgiebigen Tensegritätsstrukturen. Weiterhin werden Nachgiebigkeit und Formvariabilität charakterisierende Kenngrößen diskutiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu drei Klassen von Lokomotionssystemen auf Basis der betrachteten Strukturen: Systeme mit rollender und vibrationsinduzierter Fortbewegung sowie Systeme mit Fortbewegung auf Basis von multistabilen Tensegrity Strukturen mit mehreren Gleichgewichtskonfigurationen. Abschließend werden eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten und ein Ausblick gegeben.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/859799271boehm.txt
Pozo Fortuni´c, Juan Edmundo;
Design and implementation of a bristle bot swarmsystem - 75 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Die Schwarmrobotik ist ein Wissenschaftsgebiet, das sich auf die Untersuchung und Entwicklung von Robotersystemen fokussiert, die aus einer großen Menge von Einzelrobotern (Agenten) bestehen. Die Agenten interagieren dabei miteinander und erreichen so ein gemeinsames Verhalten. Das Ziel ist die kooperative Erfüllung von Aufgaben und die Überwindung von Hindernissen. Bristlebots sind vibrationsbasierte mobile Roboter. Sie sind durch eine geringe Größe, eine hohe Geschwindigkeit, einen einfachen Aufbau und geringe Kosten für Produktion und Betrieb gekennzeichnet, was vorteilhafte Eigenschaften für Agenten in einem Roboterschwarm darstellen. Die in der Literatur bisher vorgestellten Systeme besitzen keine Steuerung oder arbeiten mit zwei oder mehr Antrieben. An dieser Stelle setzt die vorliegende Masterarbeit an. Ziel ist die Entwicklung eines Bristlebot-basierten Agenten für einen miniaturisierten Roboterschwarm. Der Roboter soll ein Lokomotions-, Sensor-, Informationsverarbeitungs-, Kommunikations- und Energiespeicherungssystem besitzen. Neue Beiträge zu Modellierung und Entwicklung von Schwarmrobotern werden geleistet und ein neuartiger Prototyp wird vorgestellt. Der Prototyp wird von einem einzigen Gleichstrommotor angetrieben und benutzt ein Fortbewegungssystem auf Basis von Borsten. Der Systementwurf erfolgte unter den Kriterien einer möglichst geringen Masse, Größe und Komplexität. Mit dem entwickelten Prototyp wurden Experimente durchgeführt, um seine Bewegungsfähigkeiten zu analysieren. Das System bewegt sich auf leicht gekrümmten Trajektorien vorwärts. Die Richtung der Kurvenfahrt kann durch die Rotationsrichtung des Motors gesteuert werden. Eine Vergrößerung der Drehzahl führt zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Roboters. Übersteigt die Drehzahl einen kritischen Wert, invertiert sich das Kurvenverhalten und die translatorische Geschwindigkeit sinkt.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/859496090pozo.txt
Preiß, Tobias;
Anwendung nichtlinearer Biegetheorie auf elastische, konische, vorgekrümmte Balken zur Objektabtastung - 120 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016

Eines der aktuellen Forschungsschwerpunkte der Bionik beschäftigt sich mit der Analyse und Synthese tierischer Umgebungserkennung anhand ihrer Tastsinnesorgane, besonders den Vibrissen. Zum Verständnis hierfür sind Modelle und ihre Berechnungen zielführend. Die meisten Literaturquellen beschränken sich dabei auf Untersuchungen von zylindrischen und nicht vorgekrümmten, von zylindrischen und vorgekrümmten, oder von konisch und nicht vorgekrümmten Vibrissen. An diesem Punkt setzt diese Bachelo-Arbeit an. Zunächst wird eine, für stark vorgekrümmte Biegebalken geltende, exakte Theorie hergeleitet. Dem folgt eine Reihenentwicklung dieser, welche beim ersten Glied abgebrochen wird und eine Grenzfall-Betrachtung für sehr kleine Vorkrümmungen, welche auf die Euler-Bernoulli-Biegetheorie für den leicht vorgekrümmten Balken führt. Für den Biegebalken mit rechteck- und kreisförmigen Querschnitt werden die sogenannten "geometrischen Steifigkeiten" berechnet. Nachfolgend werden Fehlerfunktionen bezüglich der exakten Theorie und ihrer Taylor-Entwicklung formuliert. Dem folgt die Anwendung der drei Theorien auf den einseitig eingespannten Biegebalken unter richtungstreuem Kraftangriff unter Variation der Systemparameter. Hierfür werden Grenzwerte zwischen den Theorien so bestimmt, dass ein definierter Fehler nicht überschritten wird. Dem folgt eine Auswertung der Fehlerfunktionen von der exakten Theorie bezüglich ihrer Taylor-Entwicklung und die Anwendung dieser Fehlerfunktionen zur Verschiebung der gefundenen Berechnungsgrenzen, durch die Erhöhung der Gliedzahlen von der Taylor-Reihe ohne Fehlererhöhung. Nach der Berechnung der zuvor definierten Fehler einiger Beispielvibrissen, wird das Abtastverhalten von konisch verlaufenden und vorgekrümmten Vibrissen untersucht. Dies soll mit besonderem Augenmerk auf die Möglichkeit eines spannungsfreien Ablösevorgangs und dem äquivalenten Verhalten der Vibrisse zu einer zylindrischen gleichen Volumens geschehen. Abschließend werden linear veränderliche Vorkrümmungen mit Integralmittelwerten von Null betrachtet und auf ihre Vorteile bezüglich ihres Abtastverhaltens überprüft.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/858953498preis.txt
Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten;
Bio-inspired technical vibrissae for quasi-static profile scanning. - In: Informatics in control, automation and robotics - Cham : Springer, ISBN 978-3-319-26451-6, (2016), S. 277-295

A passive vibrissa (whisker) is modeled as an elastic bending rod that interacts with a rigid obstacle in the plane. Aim is to determine the obstacle's profile by one quasi-static sweep along the obstacle. To this end, the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory are solved analytically followed by numerical evaluation. This generates in a first step the support reactions, which represent the only observables an animal solely relies on. In a second step, these observables (possibly made noisy) are used for a reconstruction algorithm in solving initial-value problems which yield a series of contact points (discrete profile contour).



Wozniakowski, Peter;
Aufbau und Inbetriebnahme einer automatisierten Messeinrichtung für die Messung von Schallabstrahlungen an Maschinen - 97 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Mit Einführung der Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung am 6. März 2007 in Deutschland sind die Hersteller von Arbeitsmaschinen verpflichtet worden, Angaben zur verursachten Geräuschemission ihrer Produkte bei üblichen Einsatzbedingungen zu machen. Lärmschwerhörigkeit gehört nach wie vor zu den führenden Berufskrankheiten in Deutschland, weshalb die Hersteller entsprechend Wert darauf legen, vorgeschriebene Geräuschemissionskennwerte ihrer Produkte einzuhalten. Dazu ist es notwendig, den emittierten Schall einer Maschine genau, reproduzierbar und möglichst effektiv zu bestimmen. In dieser Arbeit wird ein vorhandener Portalaufbau mit Handachsen erweitert und in Betrieb genommen, um später als Messroboter automatisiert Schallabstrahlungen an Maschinen messen zu können. Basierend auf der Modellierung der kinematischen Struktur wird es dem fünf-achsigen Roboter ermöglicht, beliebige Trajektorien im dreidimensionalen Raum mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen abzufahren. Dabei werden die Eigenschaften kubischer Splines genutzt, um aus dem vorgegebenen Positionierverlauf des Roboters umsetzbare Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile zu generieren. In zahlreichen praktischen Tests hat sich gezeigt, dass die Lageregelungen ihren Sollwert mit einem kleinen Schleppfehler gut folgen können, jedoch mit der verwendeten Software nicht in jedem Fall ein glatter Positionierverlauf umgesetzt werden kann. Ein Vorschlag zur Verbesserung des Positionierverhaltens wird aus dem Fazit heraus getroffen. Darüber hinaus finden alle im Arbeitsraum vorhandenen Hindernisse in der Programmierung Berücksichtigung, indem ausgehend von der Modellierung des Konfigurationsraumes das Potentialverfahren zur Kollisionsvermeidung angewandt wird.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/857616919wozni.txt
Darnieder, Maximilian;
Artificial tactile sensors for surface texture detection - finite element models and numerical treatment - 120 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Das Vorbild für taktile Sensorkonzepte auf Basis von Balkenstrukturen sind die im Tierreich weit verbreiteten Tasthaare oder Vibrissen. Die nachgewiesene Leistungsfähigkeit des Sensorkonzeptes ist beeindruckend, jedoch lässt die bisherige technische Umsetzung auf Grund der Komplexität und des unvollkommenen Verständnisses noch viele Fragen offen. Dies gilt insbesondere für eine kürzlich entdeckte Funktionalität des Sensors, die sich auf die Unterscheidung verschiedener Oberflächen bezieht. Der Großteil der vorhandenen Veröffentlichungen basiert auf einer empirischen Vorgehensweise, bei der nichtlineare mechanische Aspekte und tribologische Gesichtspunkte oft nur unzureichend in Betracht gezogen werden. An dieser Stelle setzt die aktuelle Arbeit an, die auf einem nichtlinearen mechanischen Modell des Sensorsystems in Verbindung mit Coulomb'scher Reibung basiert. In drei Modellierungsstufen wird, beginnend mit einem punktuelle Kontakt, zunächst die Kontaktformulierung verfeinert und darauffolgend dynamische Effekte in die Berechnung einbezogen. Für die Berechnung wird auf die Finite-Elemente-Methode in ANSYS zurückgegriffen. Die Eigenschaften des biologischen Sensorsystems, wie elastische Lagerung, Konizität und Vorkrümmung, werden modelliert und deren Effekt mit der angestrebten Sensorfunktion in Beziehung gesetzt. Besondere Beachtung findet die Bestimmung der Grenzen des Arbeitsbereiches des Sensors, die auch in einem parallel durchgeführten Experiment beobachtet werden können. Das untersuchte komplexe statische Verhalten des Sensors wird durch eine erste, beispielhafte dynamische Berechnung des Sensors ergänzt, durch die, in Gegenüberstellung mit dem Experiment, eine konkrete Messstrategie für das Sensorkonzept erarbeitet wird.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/857438239darni.txt
Scharff, Moritz;
Artificial tactile sensors for surface texture detection - analytical and numerical investigations - 100 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Natürliche Vibrissen, z.B. von Ratten und Mäusen, erfüllen eine Reihe von Funktionen. So kann neben dem Abstand zu einen fremden Objekt und dessen Kontur auch die Oberflächenbeschaffenheit untersucht werden. Ausgehend vom natürlichen Vorbild soll der Prozess Oberflächenuntersuchung für eine technische Anwendung adaptiert werden. Ein erster theoretischer Ansatz wurde von der Gruppe um Steigenberger und Behn formuliert. In diesem wird die Vibrisse durch einen Euler-Bernoulli-Balken und der Vibrissen-Oberflächenkontakt mittels des Coulomb'schen Reibgesetztes modelliert. Im Zuge des Kontaktes mit der Oberfläche wird die Vibrisse verformt. Beim Einleiten einer linearen Bewegung des Fußpunktes der Vibrisse, so dass die Vibrisenspitze geschoben wird, haftet selbige anfangs an der Oberfläche. Die Reibungskraft verhindert eine Bewegung der Vibrissenspitze bis der entsprechende statische Reibkoeffizient überschritten ist. Durch das Anhaften der Vibrissenspitze wird die Vibrisse verformt. Die Bewegung des Fußpunktes geht einher mit einer Änderung der wirkenden Kräfte und der Momente. Aus diesen Änderungen soll der vorhandene statische Reibkoeffizient bestimmt werden. Die Einflüsse einer elastischen Lagerung, eines konischen Balkens, eines vorgekrümmten Balkens und einer geneigten Kontaktebene auf die wirkenden Kräfte und das Moment werden anhand von Parameterstudien analysiert. Aus den Untersuchungen zur elastischen Lagerung, dem vorgekrümmten Balken und der geneigten Kontaktebene können Rückschlüsse auf die Effekte für einen realen taktilen Sensor gezogen werden. Die Ergebnisse für den konischen Balken sind nur von theoretischer Relevanz. In einem nächsten Schritt werden die Ergebnisse eines quasi-statischen Modells experimentell ermittelten Daten gegenübergestellt. Die lineare Bewegung wird durch das schrittweises Weitersetzen der Sensoraufnahme realisiert. Mittels Bildverarbeitung werden alle Verformungszustände des Sensors ausgewertet. Diese Daten werden mit den Ergebnissen der Simulation verglichen. Die Grundidee des Messprinzip kann erfolgreich angewendet werden.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/85735678Xschar.txt