Nutzung von einstellbaren, nichtlinearen Nachgiebigkeiten in aktiven Exoskelett-Systemen. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Bei der Entwicklung von aktiven Exoskelett-Systemen liegt der Fokus auf Anwendersicherheit und Biokompatibilität. Eine Möglichkeit, diese Anforderungen zu erfüllen, besteht in der Nutzung von Nachgiebigkeiten in der Aktorik solcher Systeme. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist eine Konzeptentwicklung auf Grundlage der systematischen Aufbereitung einer Recherche zum Stand der Technik zu einstellbaren und/oder nichtlinearen Nachgiebigkeiten. Die Vorteile der Nutzung von Nachgiebigkeiten nach dem Vorbild des menschlichen Skelettmuskels werden anhand eines Konzepts demonstriert. Das Konzept wird durch ein mechanisches Modul umgesetzt. Basis des entwickelten Moduls stellt ein passiver Übertragungsmechanismus in Kombination mit einer linearen Zugfeder dar. Eine geeignete Methode zur Validierung des Konzepts wurde gewählt und umgesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte passive Modul sowohl eine einstellbare als auch nichtlineare Nachgiebigkeit besitzt, die dem Verhalten des Skelettmuskels stark ähnelt. Das Modul kann mit seinem passiven Funktionsprinzip in allen seilgetriebenen aktiven Exoskelett-Systemen eingesetzt werden.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Inertiale Messeinheiten (engl.: Inertial measurement units, kurz: IMUs) kombinieren verschiedene Sensoren (z.B. 3 Gyroskope und 3 Beschleunigungssensoren) in einem Messsystem auf kleinstem Raum. Bei einer Bewegung lassen sich über die Änderung der Orientierung und der Beschleunigung Informationen über die neue Position ableiten. Eine IMU besitzt also die Fähigkeit ihre Position und Orientierung, in Bezug auf die Ausgangsposition, ohne Hilfe von äußeren Signalen zu bestimmen. Mit den kleinen Abmessungen der MEMS-Sensoren im Mikrometerbereich sind viele neue Anwendungsbereiche für die Sensoren dazugekommen, welche immer höhere Präzision erfordern. In der vorliegenden Arbeit werden, unter Verwendung der Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme (VDI 2206), unterschiedliche Konzepte zur technischen Umsetzung eines Prüfstandes für die Qualifizierung inertialer Messeinheiten vorgestellt und bewertet. Daraufhin wurde ein Pendelprüfstand konzipiert und umgesetzt, welcher die Genauigkeit von IMUs bewerten kann. Abschließend erfolgte eine Validierung des Versuchsaufbaus durch praktische Versuchsdurchführungen.
Systematisierung des Stands der Wissenschaft und Technik von Handprothesen und -exoskeletten. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Mit dieser Arbeit wurde eine Systematisierung von Unterstützungs- und Ersatzlösungen für die menschliche Hand erarbeitet. Dabei wurden sowohl aktive als auch passive Systeme zur Unterstützung (Exoskelette und Orthesen) wie auch zur Substitution (Teil- und Vollprothesen) betrachtet. Die Systematisierung wurde ausgehend von einer Beschreibung der Nutzung und Funktionsweise der menschlichen Hand und des allgemeinen Aufbaus von Unterstützungs- und Ersatzlösungen durchgeführt. In die Recherche wurden marktverfügbare Lösungen wie auch Entwicklungen und Prototypen aus Forschung und Entwicklung einbezogen. Die Systematisierung erfolgte bei den über eine qualitative Online-Recherche ermittelten Systeme und Lösungen anhand selbstaufgestellter Gestaltungskriterien und Kategorien. Wesentlich war dabei die Anwendbarkeit und Verfügbarkeit von Informationen über den Erfüllungsgrad. Es konnte gezeigt werden, dass es übergreifende Designkriterien gibt, die weitgehend von allen gefundenen Beispielen erfüllt werden wie auch spezielle Ausführungsvarianten, die eine bestimmte Lösung charakterisieren. Die Rechercheergebnisse belegen auch, dass es eine Reihe von Produkten an der Schwelle zur Marktreife gibt, die jedoch den letzten Schritt zur Markteinführung noch nicht geschafft haben oder deren Weiterentwicklung sogar beendet wurde. Ursachen und Lösungsmöglichkeiten dafür müssen in weiteren Untersuchungen gefunden werden.
Methoden zur Gefährdungsbeurteilung von Arbeitsplätzen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Eine Zielstellung der Arbeitswissenschaft und Arbeitsmedizin ist die Vermeidung von Gesundheitsschäden bei berufsbedingten Tätigkeiten. Laut der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin gehören die Muskel-Skelett-Erkrankungen zu den häufigsten Gründen eines Arbeitsausfalls in Deutschland. Physische Belastungen sind Ursache, Mitursache oder auch Moderator solcher Beschwerden. Die Folgen von Überbelastungen können Arbeitsunfähigkeit sowie Frühverrentung sein, welche wiederum mit hohen betrieblichen als auch volkswirtschaftlichen Kosten verbunden sind. Zur Gefährdungsbeurteilung von Arbeitsplätzen können die von der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin und der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung entwickelten und modifizierten Leitmerkmalmethoden der sechs Belastungsarten dienen. Die Leitmerkmalmethoden gehören zu den speziellen Screening-Methoden. In dieser Bachelorarbeit werden die Unterschiede der zwei Versionen der Leitmerkmalmethode zu den Belastungsarten Heben, Halten und Tragen aus dem Jahr 2001 und 2019 aufgezeigt und verglichen. Dies erfolgt anhand eines ausgewählten realen Arbeitsplatzes. Die Tätigkeit mit ihren einzelnen Arbeitsphasen wird anhand von zwei fiktiven Beispielfällen unter Annahme eines minimalen und eines maximalen Laufwegs beim Bedienen beschrieben. Der Vergleich beider Versionen der Leitmerkmalmethoden zeigt eine effizientere Beurteilung mittels der modifizierten Version aus dem Jahr 2019. Diese ist weniger aufwendig, schneller und einfacher in der Anwendung. Die Ergebnisse ergeben eine gleiche oder höhere Gefährdungsbeurteilung der beruflichen Tätigkeiten mittels der Leitmerkmalmethode aus dem Jahr 2019. Dadurch ist eine sicherere Identifizierung des höchstmöglichen Gefährdungspotenzials gegeben. Zusätzlich werden weitere Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe die Anwendung der Leitmerkmalmethoden unterstützt werden können.
Ergonomic workplace assessment for spray painting the photocatalysts and suggestions for improvement. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die Lynatox GmbH war auf der Suche nach Maßnahmen, welche die wachsende Nachfrage nach ihrem Produkt 'Lynatox Clean Air' erfüllen und gleichzeitig die Arbeitsumgebung für die Mitarbeiter verbessern. In dieser Arbeit wird der Arbeitsplatz für die Beschichtung von Photokatalysatoren bei der Lynatox GmbH untersucht und die damit verbundene physikalische, sowie die psychische Arbeitsbelastung und Arbeitsbeanspruchung der Arbeiter bewertet. Für die ergonomische Evaluierung werden physikalische Methoden - Leitmerkmalmethode bei manuellen Arbeitsprozessen (KIM-MHO), Rapid Entire Body Assessment (REBA), Quick Exposure Checklist (QEC) und Hauttemperaturmessung - und physiopsychologische Methoden - Fragebogen zur Erfassung mentaler Arbeitsbelastungen (FEMA), Flimmerverschmelzungsfrequenz (FFT) und Herzfrequenzmessung mit Dauerleistungsgrenze - durchgeführt. Das Ergebnis zeigt, dass die Arbeiter am Beschichtungsprozess einer hohen Arbeitsbelastung ausgesetzt sind und eine Neugestaltung des Arbeitsplatzes und des Arbeitsprozesses notwendig ist. Eine halbautomatisierte Beschichtungsanlage wird als Verbesserungsmaßnahme vorgeschlagen. Die Steigerung der Produktionsrate wird mit 320 % angenommen und es wird erwartet, dass die Maschine eine deutliche Reduzierung der physikalischen und mentalen Arbeitsbelastung und Arbeitsbeanspruchung bewirkt, indem sie die belastenden Körperbewegungen des Arbeiters übernimmt.
Ein Beitrag zur Ermittlung von Gelenkdaten mittels Oberflächen-Elektromyografie unter Nutzung von Open-Source-Hardware. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Oberflächen-Elektromyografie-Daten können dazu genutzt werden, Bewegungen unter Einbeziehung der beteiligten Muskeln zu beschreiben. Dieses Wissen kann möglicherweise genutzt werden, um die Bewegungsintention eines Nutzers zu prädizieren. In dieser Arbeit wird ein Messaufbau konzipiert, mit dem diese These für die Flexion und Extension im Ellenbogengelenk untersucht wird. Als Muskeln werden der Musculus brachioradialis, der Musculus biceps brachii und der Musculus triceps brachii für die Prädiktion untersucht. Ziel der Prädiktion ist die Gelenkwinkeländerung. Um die Gesamtkosten im Hinblick auf eine spätere Finanzierbarkeit für kleine und mittelständische Unternehmen sicherzustellen, wird das gesamte Messsetup mit Open-Source-Hardware realisiert. Die Messungen an drei Proband*innen mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Lasten zeigen, dass der Musculus biceps brachii und der M. triceps brachii in einem adaptiven Berechnungsmodell ausreichen, um gute Prädiktionsergebnisse zu erzielen. Besonders, wenn die Elektromyografie-Signale mit höheren Lasten stärker werden, ist die Prädiktion sehr zuverlässig und nah an den wahren gemessenen Werten. Das Bestimmtheitsmaß liegt über alle Messungen im Mittel bei einem Wert von R2 = 0.8052. Wenn die Messungen ohne Last ausgeschlossen werden, steigt das Bestimmtheitsmaß auf R2 = 0.8940. Sowohl das Messsetup als auch die Berechnungsalgorithmen können noch weiter optimiert werden. Dennoch zeigen schon die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Prädiktion der Gelenkwinkeländerung mit günstiger Open-Source-Technik und nur zwei gemessenen Muskeln erfolgreich sein kann.
Entwicklung eines Konzeptes für die technisch unterstützte anthropometrische Vermessung des Oberkörpers. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die Anzahl der Einsatzbereiche, in denen anthropometrische Daten angewendet werden können, wächst stetig. In dieser Arbeit werden existierende Konzepte beschrieben und mit der klassischen Anthropometrie verglichen. Anschließend werden Motion-Capture-Daten, die im Rahmen einer Probandenstudie erfasst wurden, verwendet, um anthropometrische Körpermaße zu berechnen. Mit der Verwendung von MATLAB können insgesamt elf anthropometrische Körpermaße aus den Daten berechnet werden. Die berechneten Werte werden Literaturwerten und nach der klassischen Anthropometrie gemessenen Werten gegenübergestellt. Die Abweichungen der Werte voneinander ist dabei nicht konsistent. Auf die Ergebnisse der Datenauswertung folgt abschließend die Methodenkonzeption zur anthropometrischen Vermessung des Oberkörpers mit einem Motion-Capture-Systemen. Die Erkenntnisse der vorherigen Datenanalyse und des Konzeptvergleiches fließen in das erstellte Konzept mit ein.
Qualifizierung eines Foliendruckmesssystems durch Ermittlung und Überprüfung relevanter Einflussparameter und Ableitung von Empfehlungen zum Handling der Folien im Einsatz. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht das Verhalten der Prescale Druckmessfolie der Firma Fujifilm im Hinblick auf Auswirkungen durch die Verwendung dieser in gekrümmtem Zustand. Ergänzend wird das Verhalten bei unterschiedlichem Krümmungsradius, unterschiedlicher Krümmungsrichtung sowie die Auswirkung von Fluiden und unterschiedlicher Belastungsdauer betrachtet. Des Weiteren wird der beim Zuschneiden der Folie abgenutzte Bereich um die Schnittkante näher betrachtet und verschiedene Utensilien zur Trennung der Folie bezüglich ihrer Eignung verglichen. Dafür wurden unter Nutzung vollständig faktorieller Versuchspläne verschiedene Experimente durchgeführt und mithilfe der beigelegten Software und statistischen Mitteln ausgewertet. Zu den beobachteten Auswirkungen der Krümmung gehört eine erhöhte Standardabweichung der gepressten Fläche sowie die Abhängigkeit der Standardabweichung dieser Fläche vom Krümmungsradius. Ein signifikanter Unterschied durch Verwendung unterschiedlicher Krümmungsrichtungen konnte nicht bestätigt werden, jedoch ein hochsignifikanter Einfluss der Belastungsdauer auf den durchschnittlichen Druck. Die Anwesenheit von Flüssigkeit führte zur Störung des Reaktionsprozesses bzw. zum Verlaufen des Farbbildners. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass der Einsatz der Prescale Folien auf gekrümmten Flächen ohne Einschränkung möglich ist. Jedoch gilt es die beobachteten Einflüsse auf die Standardabweichung der gepressten Fläche und weitere Parameter zu berücksichtigen.
Aktoren mit variabler Steifigkeit für den Einsatz in aktiven Exoskelett-Systemen. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem antagonistischen Aktor mit einstellbarer Steifigkeit. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, den bereits bestehenden "LEVIAKTOR - Muskelgesteuertes Exoskelett zur Kraftunterstützung" Demonstrator in Betrieb zu nehmen und seine Funktionsweise zu analysieren. Das System besteht hauptsächlich aus zwei Servo-Motoren und aus einem Federsystem nach einem antagonischtischen Mechanismus. Die Kraft von den Motoren zum Abtrieb wird anhand eines Riemen weitergeleitet. Die Nachgiebigkeit des Demonstrators beruht auf drei linearen Zugfedern, die im Dreieck angeordnet sind. Zwischen den Motoren und dem Abtrieb wird der Riemen von Zugfedern unterbrochen, welche sich bei Rotation der Motoren in entgegengesetzte Richtung spannen. Die Zugfeder ist in der Strecke zwischen den beiden Motoren in Ruhe ausgedehnt und dient der Kompensation des Längenunterschiedes bei Spannung der beiden anderen Federn. Dazu wurde ein geeignetes Messprinzip entworfen, welches den Hall-Effekt nutzt. Mit Hilfe des Hall-Sensors kann der Auslenkungswinkel des Abtriebs erfasst und ausgewertet werden. Um die mechanischen Eigenschaften des Demonstrators zu charakterisieren, wurden verschiedene Messungen durchgeführt. Für die Auswertung der Messdaten wurde in der Softwareumgebung MATLAB (MathWorks®, Natick, Massachusetts, U.S.A.), ein GUI (engl. Graphical User Interface) und Datenstreamer-Add-In von Excel verwendet. Vorbereitend auf die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche wird auf die Daten des Hall-Sensors durch ein Arduino-Uno verarbeitet. Zunächst werden die Grundlagen und der aktuelle Stand dargestellt. Die vorhandene Definition und Eigenschaften des Aktors werden zudem genauer untersucht. Als nächstes wird das verwendete Material und die Methoden zur Vorbereitung des Versuchs veranschaulicht. Dabei liegt der Schwerpunkt auf Charakterisierung der Übertragungsfunktion aus den zwei Servo-Motoren und dem Abtrieb. Aus den sich ergebenden Schlussfolgerungen und Auswertungen konnten anschließend Verbesserungsmöglichkeiten an den bestehenden Demonstator vorgenommen werden, um es als Ellenbogen-Gelenk einzusetzen. Die Verwendung des Ellenbogen-Gelenks bezieht sich anschließend auf den Einsatz in aktiven Exoskellett-Systemen.
Konzeptentwicklung für eine Mikro-Zellkultivierungsanlage. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Im Projekt SACCA (System for Automated Cell Cultivation and Analysis, z. Dt. System für automatisierte Zellkultivierung und Analyse) wurde auf Basis langjähriger Untersuchung und Forschung des Fachgebietes Biomechatronik der TU Ilmenau in Zusammenarbeit mit weiteren ein automatisiertes System zu Kultivierung und Beobachtung tierischer Knochen und Knorpelzellen entwickelt. Mit dieser Arbeit soll ein Konzept eines Zellkultivierungssystems für Pflanzen- und Hefezellen auf dem aktuellen Entwicklungsstandes des Projekts SACCA unter Einhaltung der mechatronischen Konzeptentwicklung nach VDI 2206 entworfen werden. Hierzu wird eine Analyse des bestehenden Systems bezüglich der neuen Anforderungen vorgenommen, welche auf Basis einhergehender Recherche zum aktuellen Stand der Technik mikrofluider Zellkultivierungssysteme und dem Dialog mit späteren Anwendern erarbeitet werden. Gemäß den erarbeiteten Anforderungen erfolgt eine Ausarbeitung der notwendigen Funktionselemente sowie der funktionalen Zusammenhänge in Bezug auf das Gesamtsystem und der direkten Peripherie. Basierend auf diesen Funktionselementen werden Lösungsansätze mit verschiedenen Varianten erarbeitet, in Bezug auf definierte Kriterien bewertet und als Bestandteil für das Gesamtsystems ausgewählt.