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

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Erstellt: Tue, 25 Feb 2020 23:06:36 +0100 in 0.0540 sec


Jugl, Lukas;
Sensorikintegration und automatisierte Steuerung eines rollenden mobilen Roboters auf Basis von Tensegrity-Strukturen. - Ilmenau. - 90 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Diese Arbeit befasst sich mit der Sensorintegration und der Feststellung der Eignung eines IMU Sensors für die automatisierte Steuerung eines rollenden mobilen Roboters auf Basis einer Tensegrity Struktur. Um die Eignung festzustellen, werden dabei folgende Aufgabenbereiche bearbeitet: - Entwurf, Aufbau und Inbetriebnahme einer neuen Elektronik für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Baugruppen am Roboter. - Entwurf und Implementierung einer automatisierten Steuerung für modellbasierte Ansätze. - Test und Validierung der Sensordaten für die Steuerung. Für die Sensorintegration wird der Boschsensor BNO055 verwendet, welcher über einen Sensor-Fusion Algorithmus die räumliche Orientierung in Form von Euler-Winkel oder Quaternionen bestimmt. Der Schwerpunkt in diesem Kontext bildet der Entwurf der Baugruppenkommunikation und eine Regelung. Der in dieser Arbeit präsentierte Lösungsansätz für die Kommunikation zwischen Motorsteuerung, Sensor und Funkmodul verwendet als zentrales Element den Mikrocontroller XMC1302 sowie eine Verschaltung mehrerer Logik-Gatter. Für die modellbasierte automatisierte Steuerung wird zudem auf dem Mikrocontroller ein PID-Regler implementiert, welcher mit Hilfe der Sensordaten den Auslenkwinkel der Aktoreinheit regelt. In verschiedenen Testszenarien konnte schließlich die Eignung des Boschsensors festgestellt werden. Mit dieser Lösung ist einen Regelung der Antriebseinheit mit einer maximalen Abweichung von 0,7˚ des Auslenkwinkels realisierbar.



Dera, Samuel;
Modellierung und Simulation des prozessabhängigen Reibverhaltens zwischen Sandwichkern und -deckschicht bei der Herstellung von Sandwichbauteilen. - Ilmenau. - 85 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Bei der Herstellung von Sandwichbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen in Kombination mit Honigwaben kann es zu verschiedenen Bauteilfehlern kommen. Mit Hilfe von Prozesssimulationen kann das Risiko möglicher Fehlstellen bereits vor der Bauteilherstellung bewertet werden. Um das Materialverhalten realitätsgetreu in der Simulation abbilden zu können, werden neben den mechanischen Kennwerten der Materialien auch die tribologischen Eigenschaften benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Reibverhalten zwischen Sandwichkern und Deckschicht in die Simulation eingearbeitet werden. Dafür sollen bereits vorhandene Reibwerte in Abhängigkeit der relevanten Prozessparameter ausgewertet und anschließend ein Modell in der Simulationssoftware ABAQUSTM entworfen werden. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit Testbauteilen soll zur Validierung der Simulation erfolgen. Bereits vorhandene Reibwerte werden in Abhängigkeit der verschiedenen Einflussfaktoren ausgewertet. Mit Hilfe modellfreier Kinetik wird die Aushärtekinetik des Epoxidfilmklebers FM300 bestimmt und darauf aufbauend ein athematisches Modell zur Beschreibung der Viskosität entworfen. Zur Berechnung des Reibwertes aus den Viskositäten des Epoxidfilmekleber FM300 vom Hersteller Solvay und des Harzes des Prepregs M18 vom Hersteller Hexcel wird ein Reibmodell aufgebaut. Mit Hilfe einer UFIELD Subroutine wird das Modell in die Simulationssoftware Abaqus integriert und ein Abgleich sowie eine Bewertung der Simulation mit Hilfe von Testbauteilen durchgeführt. Zur besseren Darstellung des Wabeneinfalls wird die Dehnung des Prepregs mit Hilfe einer Vorrichtung aufgenommen und die Ergebnisse in die Simulation integriert. Erste Annahmen über die Ursache und die verschiedenen Einflüsse auf den Wabeneinfall konnten getroffen werden. Die modellfreie Kinetik des Epoxidfilmklebers FM300 ermöglicht näherungsweise die Bestimmung der Viskosität und kann für beliebige Zyklen verwendet werden. Die Stärke des Wabeneinfalls kann in Abhängigkeit des Härtungszyklus, der Orientierung von Fasern und Honigwabe, der Anzahl an Lagen FM300 und des Schrägenwinkels der Wabe in der Simulation dargestellt werden. Erste Aussagen über das Auftreten des Wabeneinfalls können auf diese Weise bereits in der Bauteilentwicklungsphase getroffen und Maßnahmen zur Reduzierung des Einfalls bewertet werden.



Ruhland, Daniel;
Aufbau eines Antriebsmoduls für mobile Roboter. - Ilmenau. - 85 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

In den letzten Jahren haben sich mobile Roboter aus einem Nischenbereich der Forschung herausentwickelt und sind heutzutage ein Massenprodukt, welches selbst in private Haushalte Einzug gehalten hat. Besonders leistungsfähigere Steuerungen und Energiespeicher führten zu enormen Fortschritten in der mobilen Robotik, vergleichbar mit der Performancesteigerung des Kraftfahrzeugs. Automobile wurden nicht nur durch gestiegene Motorleistungen sondern vor allem mit Hilfe der Fahrwerksentwicklung zu sportlicheren und sichereren Fahrzeugen sowohl für den Individualverkehr als auch im Transportwesen. Ziel dieser Arbeit ist die Kombination der mobilen Robotik mit der Dynamik moderner Kraftfahrzeuge. Aus diesem Grund wird ein Antriebsmodul für mobile Roboter entwickelt, welches die Anforderungen der omnidirektionalen Bewegungsmöglichkeit in ein gesteigertes querdynamisches Fahrverhalten integriert. Es werden verschiedene Varianten eines Modul Achsgetriebes aufgezeigt und nach Abwägung der Vor- und Nachteile eines davon konstruiert. In den Radaufhängungen wird sowohl eine Einstellbarkeit von Radstellungsgrößen realisiert als auch die Anbindung und Federung an ein Roboterchassis geschaffen. Für kritische Stellen der Belastung werden Festigkeitsrechnungen nachgewiesen und für die tragende Achse eine einfache Simulation der Belastung durchgeführt. Ebenfalls wird der Antrieb ausgelegt und alle Komponenten nach ihrer Verfügbarkeit und Kosten gewählt. Die Konstruktion wird in einem realen Model eines Antriebsmoduls umgesetzt, welches die Funktion verdeutlichen soll, jedoch nicht als Teil eines Prototyps eingesetzt werden kann. Abschließend wird ein Vorschlag zum Komplettaufbau eines Roboterprototyps unterbreitet.



Yang, Weiye;
Implementierung magneto-sensitiver Elastomere für Beschleunigungssensor mit magnetisch einstellbarer Sensitivität. - Ilmenau. - 78 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Magneto-sensitive Elastomere (MSE) sind sogenannte "intelligente Materialien", deren mechanische und magnetische Eigenschaften durch äußeres Magnetfeld beeinflusst werden können. Infolgedessen kann dieses Material an die Aktoren und Sensoren mit einstellbarer Sensitivität eingesetzt werden. In dieser Masterarbeit wird die Möglichkeit der sensorischen Anwendung von MSE untersucht. Das Ziel der Arbeit ist es, ein Prototyp eines Beschleunigungssensors mit magnetisch einstellbarer Sensitivität für die Messung externer mechanischer Erregung zu entwickeln. Die Steifigkeitsänderung von MSE wird durch ein externes Magnetfeld von der Helmholtz-Spule erreicht. Während der Biegeschwingungen von MSE-Körper wird die Magnetfeldänderung mit Hallsensoren detektiert. Der Einfluss von Magnetfeld auf das Schwingungsverhalten von MSE wird untersucht. Darüber hinaus wird auch die Beziehung zwischen der Schwingung des MSEs und den von ihr verursachten Magnetfeldänderungen untersucht.



Oehmke, Marco;
Simulation der mechanischen Eigenschaften von magnetosensitiven Elastomeren auf Basis der Finite-Elementen-Methode. - Ilmenau. - 58 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Erstellung eines numerischen Simulationsmodelles von magnetosensitiven Elastomeren (MSE), hinsichtlich ihrer Verformung und die dadurch verbundenen mechanischen Eigenschaftsänderungen, durch Einfluss äußerer Magnetfelder. MSE unterscheiden sich von gewöhnlichen Elastomeren durch die Zugabe von Eisenpartikeln, mithilfe dieser eine Verformung der Geometrie durch ein äußeres Magnetfeld möglich ist. Die resultierende Verformung führt zu einer Änderung der Steifigkeit des Materials, womit eine variierbare Anpassung der statischen und dynamischen Eigenschaften ermöglicht wird. Die grundlegende Herangehensweise ist die Verknüpfung zwischen magnetischer und mechani-scher Simulation unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode. Aus der magnetischen Simulation werden die Magnetkräfte ermittelt und ausgelesen. Die Magnetkräfte werden anschließend in die mechanische Simulation exportiert, wodurch die Verformung der Prüfkörpers, bestimmt wird. Materialkennwerte und Positionierungsgrößen für die Modellierung werden aus den bereits durchgeführten Experimenten überführt. Diese dienen der Simulationsvalidierung und anschließend als Beurteilungsgrundlage des Simulationsmodells. Abschließend wird die Veränderlichkeit der Eigenfrequenz überprüft. Durch diese Analysen sind Aussagen zum grundlegenden Verhalten von MSE in Magnetfeldern, sowie zur Steuerung der Steifigkeit durch Einfluss eines Magnetfeldes, möglich. Das strukturelle Verhalten dieses Materials, mit Einfluss von Magnetfeldern, ist bisher nur auf der experimentellen Ebene beobachtet worden. Der Fokus dieser Arbeit ist es, durch Erstellung eines Simulationsmodells, Voreinschätzungen für zukünftige Versuche liefern zu können.



Klein, Marvin;
Untersuchung und Simulation der Belastungen bei hydrodynamisch gelagerten Generatoren im Anlauf und stationären Betrieb. - Ilmenau. - 75 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Technische Systeme sind meist in kontrollierten Umgebungsbedingungen im Einsatz. Sollte sich ein solches System jedoch in freier Natur befinden, so ist es den Naturgewalten schutzlos ausgesetzt. Regen, Schnee und Wind sind dabei nur geringe Belastungen im Vergleich zu Erdbeben oder Fluten. Um auch unter Extrembedingungen eine Energieversorgung zu gewährleisten ist es für elektrische Generatoren relevant diese Lasten zu berücksichtigen. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Validierung der Ölversorgung eines Generators im Phasenschieberbetrieb für die am Aufstellungsort geltenden Umgebungsbedingungen durchzuführen. Dabei werden die aus den Umgebungsbedingungen resultierenden Belastungen auf die Baugruppen zusammengetragen und nach entsprechenden Regelwerken in berechenbare Größen überführt. Diese Lasten werden dann zu Lastkombinationen zusammengefasst und auf die Baugruppen angewendet. Um die Auswirkungen zu ermitteln werden verschiedene Rechenmethoden verwendet. Die dominierende Methodik ist eine Auswertung der Spannungen mittels Finite Elemente Methoden in einer rechnergestützten Anwendung. Das Ergebnis der Betrachtungen ist, dass die Konstruktion den Umgebungsbedingungen in allen Lastkombinationen standhält. Da die Berechnung einen rein theoretischen Hintergrund mit konservativen Annahmen besitzt, kann mit einer Abweichung der real auftretenden Spannungen und Verformungen gerechnet werden. Diese Differenzen werden mit ausreichend großen Reserven, sowie Sicherheitsfaktoren in der Ausnutzung berücksichtigt.



López Ochoa, Alexander Richard;
Investigations and simulations of magneto elastomer materials (MSE) influenced by static magnetic fields for soft robotics applications. - Ilmenau. - 88, 55 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Magneto-sensitive Elastomere sind Verbundwerkstoffe, die hauptsächlich aus einer Elastomermatrix bestehen, in der magnetischen Partikeln dispergiert sind. Ein ins magneto-sensitive Elastomer eingreifende Magnetfeld bewirkt Änderungen der Eigenschaften dieses Materials. Diese Qualität macht die MSE zu einer Option mit hohem Potenzial für Soft Robotics-Anwendungen. Für die Realisierung dieser Masterarbeit wurden MSE-Proben aus einer Elastomermatrix, Silikonöl und Carbonyleisenpartikeln hergestellt. Tests wurden durchgeführt, um Verbesserungen zu entwickeln, die sich auf Soft-Robot-Anwendungen konzentrieren, insbesondere bei Endeffektoren. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von magneto-sensitive Elastomerproben in Abwesenheit und Gegenwart eines Magnetfeldes experimentell untersucht. Die untersuchungen wurden mittels eines Magnetfeldes realisiert, dass durch einen Permanentmagneten induziert wurde. Um die Intensität zu varriieren, wurde der Permanetmagent in unterschiedlichen Abständen zur Probe positioniert. Die experimentell erhaltenen Ergebnisse wurden verwendet, um den Einfluss der MF über der MSE zu verstehen und ein geeignetes Materialmodell unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode zu entwickeln.



Rohn, Michel;
Entwicklung eines Antriebssystems basierend auf einer magnetorheologischen Flüssigkeit - Modellbildung, Simulation und experimentelle Ergebnisverifizierung am Prototyp. - Ilmenau. - 46 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Magnetorheologische Fluide sind Suspensionen aus einem Öl und mikrometergroßen magnetischen Partikeln. Unter dem Einfluss von Magnetfeldern ändern sie unter anderem ihre rheologischen Eigenschaften. Die folgende Arbeit befasst sich mit Aktoren, die mithilfe solcher Flüssigkeiten, Schwingungen in gleichgerichtete Bewegungen umwandeln, sowie mit der Entwicklung eines Systems zur Umwandlung von Schwingungen in eine Linearbewegung. Zunächst wird eine Einführung in den Stand der Technik gegeben. Anschließend werden die bestehenden MR-Antriebe beschrieben und die Vor- und Nachteile erläutert. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen des magnetischen Feldes und die Einflüsse auf das magnetorheologische Material. Im weiteren Verlauf werden die verschiedenen Entwicklungsschritte und Berechnungen vorgestellt, die zu einem Entwurf und zu einem Prototyp geführt haben. Weiterhin erfolgt eine Beschreibung des ersten Funktionstests und die Veröffentlichung der Testergebnisse.



Fischer Calderon, Juan Sebastian;
Theoretische und experimentelle Untersuchung von Mehrpunktkontakten zwischen einem biologisch inspirierten taktilen Sensor und verschiedenen Objekten. - Ilmenau. - 72 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Das Tasthaar-Sinnessystem (Vibrissen) von Säugetieren ist ein multifunktionales Sinnesorgan, welches der taktilen Nahfeld-Erkundung dient. Durch die Interaktion des Tasthaars mit der Umwelt nimmt das Tier Reize auf, die im Haarfollikel (Follikel-Sinus-Komplex) verarbeitet und an das zentrale Nervensystem weitergeleitet werden. So sind z.B. Ratten dazu in der Lage Objekte hinsichtlich ihrer Oberfläche und geometrischen Gestalt zu charakterisieren. Angeregt durch das biologische Vorbild, ist die Umsetzung eines vibrissenähnlichen taktilen Sensors Gegenstand ingenieurwissenschaftlicher Forschung. In Anlehnung an das Tasthaar-Sinnessystem basiert die Funktionsweise der technischen Vibrisse auf der Reizaufnahme durch den künstlichen Haarschaft und der Messung der Signale in der Lagerstelle. Dadurch wird die Erfassung technisch relevanter Informationen ermöglicht. Die vorliegende Arbeit ist in diesem Kontext dem Forschungsfeld der Objektkonturrekonstruktion unterzuordnen. Diese erfolgt auf Basis der Lagerreaktionen, die während der Abtastung eines Objekts bestimmt werden. Bisherige Untersuchungen widmen sich dabei ausschließlich der Abtastung von Objekten mit konvexen Konturen. Ursache dafür ist die Limitierung der mechanischen Modelle auf Einpunktkontakt-Szenarien. Die Arbeit leistet einen Beitrag zur Erweiterung der bestehenden mechanischen Modelle der künstlichen Vibrisse als nichtlinearer Euler-Bernoulli-Balken durch die Berücksichtigung beliebig vieler Kontaktpunkte. Aus der mathemathischen/theoretischen Beschreibung der Verformungszustände während der quasi-statischen Abtastung, resultiert ein Multipunkt-Randwertproblem mit Switching Point. Zur Umsetzung einer simulierten Abtastung zweier unterschiedlicher Objekttypen werden die Multipunkt-Randwertprobleme durch die Anwendung des numerischen Schießverfahrens gelöst. Dabei werden die Lagerreaktionen während der Abtastung berechnet. Es zeigt sich, dass der Mehrpunktkontakt in den Lagerreaktionen identifiziert werden kann. Die Simulation wird anhand ausgewählter Beispiele durch Experimente validiert.



Carrillo Li, Enrique Roberto;
A contribution to the investigation of the rolling movement of mobile robots based on tensegrity structures. - Ilmenau. - 110 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die vorliegende Arbeit hat ihren Ursprung in den Algorithmen und Ansätzen zur Analyse eines Roboters mit variabler Geometrie, der an der TU Ilmenau entwickelt wurde. Ein solcher Roboter hat einen anfangs zylindrischen Roboter in eine kegelstumpfförmige Geometrie umgewandelt, um um die vertikale Achse drehen zu können, die sich am Erzeugungspunkt eines solchen Kegels befindet. Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer Einführung der Grundlagen für das Studium von Tensegrity-Strukturen; Später werden aus den variablen Parametern der geometrischen Beschreibung des Roboters die kinematischen Gleichungen von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung für jeden Punkt der Geometrie des Roboters ausgewertet. In demselben Kapitel wird eine Alternative zum Vorhersagen der Bahn des Roboters unter Verwendung einer Klothoide vorgeschlagen. Diese Kurve hat den Zweck, Gleichungen der Bewegungsbahn des geometrischen Mittelpunkts des Roboters zu geben. In einem folgenden Kapitel werden die Steuerungsalgorithmen für die Abrollbewegung des Roboters sowie eine mögliche konstruktive Form vorgestellt, die zuvor für eine ähnliche Anwendung verwendet wurde. Im letzten Kapitel werden verschiedene Alternative von Materialien für die Herstellung des Roboterkörpers sowie die Grundlagen eines Ansatzes zur Bewertung gekrümmter Zugstrukturen vorgestellt. Darüber hinaus wird eine Berechnungsform für die spätere Entwicklung der endgültigen Geometrie des Roboters vorgeschlagen.