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Schönfeld, Aron;
Untersuchung intraoraler Zwangskräfte – ein Beitrag zur Objektivierung kieferorthopädischer Behandlungen. - Ilmenau. - 128 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In der Masterarbeit wird ein Beitrag zur Objektivierung der kieferorthopädischen Behandlung durch die Entwicklung einer sensorischen herausnehmbaren Zahnspange – zur Untersuchung intraoraler Zwangskräfte – geleistet. Auf der Grundlage des aktuellen Standes der Wissenschaft und Technik werden geeignete Sensorkonzepte zur Messung intraoraler Kräfte bei der kieferorthopädischen Behandlung entwickelt. Dabei werden anhand von Simulationen geeignete Sensorpositionen ermittelt und Konzepte sowie erste Prototypen einer sensorischen herausnehmbaren Zahnspange erstellt. Für die Überprüfung der Sensorkonzepte bzw. Prototypen wird der Aufbau einer Messvorrichtung realisiert.



Jäger, Max;
Optimierung der Kraft- und Drucksensorik zur Regelung eines aktiven Exoskelett-Systems für die Oberextremität. - Ilmenau. - 107 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Exoskelette als mechatronische Maschinen gewinnen immer mehr an Bedeutung, um Bewegungen zu unterstützen und Belastungen zu verringern. Ihre Einsatzgebiete werden zunehmend von medizinischen und Rehabilitations-Anwendungen hin zu Industrie und Handwerk erweitert. Während passive Exoskelette dort schon zur Anwendung kommen, befinden sich aktive Exoskelette noch in der Entwicklung. Ein wichtiger mechanischer Parameter zur Verbesserung von Tragekomfort und Ansteuerung aktiver Exoskelette sind die Interaktionskräfte zwischen Exoskelett und Nutzer. Die Erfassung dieser Kräfte kann mit verschiedenen Sensoren realisiert werden. Im Rahmen des Projekts Leviaktor wird ein aktives Exoskelett für den Oberkörper entwickelt. In dieser Arbeit wird eine 3D-gedruckte Manschette als Schnittstelle zwischen dem Leviaktor-Exoskelett und dem Nutzer entworfen und aufgebaut, die die Interaktionskraftmessung mittels FSR-Sensoren realisiert. Die mechanische Funktion der Manschette und ihre Eignung zur Erfassung der Interaktionskräfte werden durch Messungen untersucht. Es wird gezeigt, dass die verwendeten FSR-Sensoren ein deutliches Hystereseverhalten und Drift aufweisen und die Elastizität 3D-gedruckter Bauteile nicht zu vernachlässigen ist. Ausgehend von diesen Ergebnissen werden Verbesserungsmöglichkeiten des Aufbaus der Manschette diskutiert. Weiterhin wird die prinzipielle Umsetzbarkeit der Pulsmessung durch FSR-Sensoren am Handgelenk gezeigt. Anforderungen an die Messungen werden diskutiert und Grenzen der Anwendung aufgezeigt.



Steinz, Josefine;
Erstellung und Diskussion eines Konzepts für ein VR-gestütztes, individualisierbares EMS-Trainingssystem für Freizeit- und Hobbysportler. - Ilmenau. - 176 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Zeitmangel und fehlende Motivation werden in der modernen Gesellschaft häufig als Gründe für den Verzicht auf konventionelle sportliche Betätigung genannt. Als Alternative ist deshalb seit einigen Jahren das Training mittels elektrischer Muskelstimulation (EMS) populär geworden, welches schnelle Erfolge mit nur 20 Minuten pro Trainingseinheit verspricht. Das Ziel der Masterarbeit war die Erarbeitung eines Konzepts für ein neuartiges EMS-Trainingssystem für den Studio- und Heimgebrauch, welches eine individualisierte und an die Bewegung angepasste Muskelstimulation mit einer virtuellen Realität verbindet und somit Nutzer-akzeptanz und Effektivität des Trainings steigert. Auf Basis einer Literaturrecherche wurden der Stand der Technik, der Markt und potenzielle Nutzer analysiert und mittels eines Probandenversuchs Erkenntnisse zur Aktivierung spezifischer Muskeln gewonnen. Im Ergebnis der Arbeit stehen ein umfassender Anforderungskatalog und ein Konzept, deren Fokus auf der Kombination von Elektromyostimulation und Elektromyographie zur parallelen Stimulation und Messung der Muskelaktivität liegt. Entscheidend hierfür ist neben dem zeitlichen Zusammenspiel der Komponenten die Konfiguration der verwendeten Oberflächenelektroden. Aufgrund der Ergebnisse wird erwartet, dass bei der Implementation des Systems Probleme unter anderem in Bezug auf die Wahrnehmung des Anwenders und die zeitliche Koordination der Aktivitätsmessung und der Regelung der Stimulationsparameter auftreten. Die theoretischen Ausführungen dieser Arbeit dienen als Grundlage für die praktische Entwicklung des Trainingssystems und den nutzerzentrierten Designprozess.



David, Jonas;
Entwurf und prototypische Umsetzung eines Wearables zur Erfassung kinematischer Daten der Hand. - Ilmenau. - 197 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Hand ist eines der komplexesten Körperteile des menschlichen Körpers und kann als vielseitiges Werkzeug eingesetzt werden. Die online Bestimmung der Kinematik der Hand kann Erkenntnisse und Fortschritte in den Bereichen der kollaborativen Robotik, der Medizin und der Unterhaltungsindustrie bieten. Diese Arbeit dokumentiert den systematischen Entwicklungsprozess eines prototypischen Wearables, das in der Lage ist, die Flexions- und Extensionswinkel der Gelenke des Daumens und des Zeigefingers einer menschlichen Hand zu messen. Die Grundlage der Entwicklung stellte eine Analyse der Literatur in Hinblick auf verschiedene Funktionselemente des Wearables dar. Es wurden drei unterschiedliche Lösungsprinzipe erstellt, von denen eines durch einen objektiven Bewertungsprozess ausgewählt und schließlich realisiert wurde. Im Rahmen eines domänenspezifischen Entwurfs wurden Komponenten zur Elektronik, Mechanik und Software des Wearables ausgelegt und anschließend zu einem Gesamtsystem integriert. Das Ergebnis war ein Wearable auf Basis eines textilen Handschuhs, der mit Biege-, Druck- und Inertial Measurement Unit (IMU) Sensoren ausgestattet ist. Die erzeugten Messdaten können drahtlos über eine Bluetooth®-Verbindung versendet werden. Für die Auswertung der Daten wurde eine grafische Benutzeroberfläche entworfen, die die Messwerte in Form mehrerer Liveplots visualisiert. Im Mittel wurden Messabweichungen für die Beugewinkel des Daumens und des Zeigefingers von 0,99˚ und 1,53˚ erreicht. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das Konzept des Prototyps als digitales Goniometer für die medizinische Untersuchung eines Patienten eingesetzt werden könnte und Potenzial für weiterführende Anwendungsbereiche bietet.



Yuan, Yujian;
Untersuchungen und Konzepterstellung für eine teilautomatisierte Montagestrecke mit kooperativen Leichtbaurobotern. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Der Einsatz kollaborativer Robotersysteme in Produktionssystemen und -einrichtungen gewinnt eine immer größere Bedeutung. Diese Entwicklung betrifft insbesondere Fertigungsbereiche mit hohen Anforderungen an die Flexibilität der Stückzahlen oder Variabilität der Produkte. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich der Einsatz von kollaborativen Robotern in einer Montagestrecke auswirkt und dafür ein entsprechendes Anwendungskonzept entworfen. Nach Festlegung der Anforderungskriterien wurde eine Auswahl möglicher Roboter getroffen, deren Einsatzmöglichkeiten geprüft und ein Konzeptvorschlag für den Einsatz in der Montage von Autobatteriemodulkomponenten erarbeitet. Dieser Vorschlag wurde mit dem jetzigen Stand verglichen und bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz zweier zusätzlicher kollaborativer Roboter in diesem Scenario lohnenswert ist gegenüber der bisherigen Lösung mit lediglich einem Entladeroboter. Der Nachweis wurde geführt über die Betrachtung ökonomischer Kennzahlen (Arbeitszeit, Investitionskosten) wie auch Qualitätskriterien (Montagegenauigkeit).



Ein Beitrag zur Gestaltung mechanischer Schnittstellen von Mensch-Maschine-Systemen. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Ziel der Arbeit war es, eine Erweiterung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle von Exoskeletten zur Nachverfolgung eines konstanten Anpressdrucks zu realisieren. Im Stand der Technik wurde neben der Problematik der Interaktionskraftmessung das Schnittstellendesign an bestehenden Exoskeletten betrachtet. Neben wenigen maßangefertigten Schnittstellen kommen hauptsächlich Universalsysteme zum Einsatz, bei denen kein Augenmerk auf die Interaktionskräfte und den Komfort gelegt wurden. Aus diesem Grund wurde eine Anforderungsliste erstellt, welche den Ansatz einer universellen Anwendung unter Beachtung der Interaktionskraft und des Komforts genüge tut. Drei Konzepte wurden erarbeitet, bei denen sich ein automatisches Auf- und Abrollsystem als Favorit herausstellte. Über diesen Konzeptentwurf wurde eine Konstruktion erstellt. Die Einzelkomponenten wurden mit herkömmlichen Fertigungsmethoden wie Drehen und Fräsen sowie dem 3D-Druck-Verfahren hergestellt und zusammen mit einem kommerziellen Getriebemotor zu einem fertigen Modul integriert. Eine Anpresskraftmessung wurde durch einen FSR realisiert. Durch die gewonnenen Messwerte wurde der Getriebemotor mikrokontrollergestützt angesteuert. Das automatisch regelnde Modul konnte erfolgreich in eine bestehende Schnittstelle integriert werden. Anhand von Messdatenaufzeichnungen während verschiedenen Bewegungsabläufen konnte die Funktion zufriedenstellend getestet werden.



Ringkamp, Alexandra;
Aufbau und Validierung eines digitalen Menschmodells in Verbindung mit einem Exoskelett unter alaska/Dynamicus. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der Industrie führen muskuloskelettale Erkrankungen durch das Heben und Tragen schwerer Gegenstände sowie durch repetitive Tätigkeiten häufig zu Fehltagen. Eine Möglichkeit, Fehl- und Überbelastungen vorzubeugen, ist der Einsatz von Exoskeletten. Da es sich hierbei um ein eher junges Forschungsgebiet handelt, gibt es bisher keine standardisierten Methoden zur Evaluierung dieser Systeme. Zum Teil werden Probandenstudien mit gefertigten Prototypen durchgeführt. Eine andere Möglichkeit ist die vollständig virtuelle Analyse mit Hilfe eines digitalen Menschmodells. Ziel dieser Arbeit war es, ein virtuelles Modell aufzubauen, das aus dem Menschmodell alaska/Dynamicus und einer Tragstruktur besteht, die die Bewegungen des Ellenbogengelenkes unterstützt. Im Fokus der Modellbildung stand der Ankopplungsmechanismus, der hier durch drei viskoelastische Lagerungen in Form von Feder-Dämpfer-Elementen, sogenannte Bushing-Elemente, realisiert wurde. Durch die Wahl geeigneter richtungsabhängiger Steifigkeiten und Dämpfungen an den Kontaktstellen war ein realitätsnahes Verhalten abzubilden. Für die Wahl einer optimalen Kombination dieser wurde empirisch vorgegangen (Simulation Opt). Während einer Flexion um 90˚ und einer anschließenden Extension des Armes wurde die Parameterwahl anhand der Relativbewegungen, die zwischen Tragstruktur und Arm entstehen, bewertet. Ein Vergleich mit Werten aus der Literatur (Simulation S und Simulation L) gibt Aufschluss darüber, wie gut Simulation Opt die Realität abbildet. Die Steifigkeiten in Simulation Opt sind etwa 32-mal so groß wie in Simulation S und etwa sechsmal so groß wie die in Simulation L. Der Dämpfungsgrad in Simulation L ist 150-mal so groß wie der in Simulation Opt und Simulation S. Der Vergleich der drei Simulationen zeigt, dass die Relativbewegungen insgesamt klein sind und einen ähnlichen Kurvenverlauf aufzeigen. Während der Armbewegung ist eine Verschiebung der Tragstruktur in negative 3-Richtung entlang des Armes zu erkennen (Simulation Opt: 0,08 mm; Simulation L: 0,50 mm; Simulation S: 2,70 mm). Die Kräfte, die an den Bushing-Elementen zwischen der Tragstruktur und dem Arm wirken, sind bei allen drei Simulationen ähnlich groß und betragen maximal 3,30 N. Insgesamt wird deutlich, dass der Einfluss der getesteten Steifigkeiten und Dämpfungen auf die Relativbewegungen gering und auf die Kontaktkräfte vernachlässigbar ist.



Frentzel genannt Bär, Peter;
Entwurf eines Sensorkonzepts zur Regelung eines aktiven Oberarm-Exoskelett-Systems basierend auf kinetischen Daten. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Beim Einsatz eines Exoskeletts findet eine Übertragung von Kräften an der Schnittstelle zwischen Exoskelett und Nutzer statt. Informationen über den so entstehenden Druck, welcher über die menschliche Haut auf das Gewebe wirkt, können zur Vermeidung von Schäden und zur Verbesserung der Ergonomie eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Masterarbeit die aktuellen Möglichkeiten der wissenschaftlichen Technik untersucht, diesen Druck anwendungsgerecht zu messen. Anschließend wird mit einem ausgewählten Sensor der Firma Interlink Electronics® ein Prototyp in Form einer Manschette entwickelt, welche an den Unterarm angelegt wird. Die Konstruktion wird im Detail erläutert und Hinweise für zukünftige Entwicklungen gegeben. Zunächst wird der Sensor selbst mittels eines Messaufbaus im Hinblick auf Kennlinie und zeitlichen Drift seines Messsignals unter konstanter Last untersucht. Schließlich werden mit dem Prototypen Messungen zur Auswirkung externer Lasten sowie Änderungen des Muskeltonus und der Einfluss seines Eigengewichts an der Schnittstelle zum Nutzer untersucht.



Odenkirchen, Till;
Robotic manipulator inspired by human fingers based on tendon-driven soft grasping. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die menschliche Hand ist in der Lage, verschiedene Greif- und Manipulationsaufgaben auszuführen und kann als einer der geschicktesten und vielseitigsten Effektoren angesehen werden. In dieser Arbeit wurde ein Soft Robotic Greifer entwickelt, der auf den Erkenntnissen aus der Literatur zur Taxonomie der menschlichen Greifähigkeiten und den biomechanischen Synergien der menschlichen Hand basiert. Im Bereich der Roboterhände sind sehnengetriebene, unteraktuierte Strukturen weit verbreitet. Inspiriert von der Morphologie der menschlichen Hand, bieten sie durch ihre Flexibilität passive Adaptivität und Robustheit. Es wurde ein Sensorsystem, bestehend aus Force Sensing Resistors (FSRs), Biegungssensoren und einem Stromsensor, implementiert, wo durch das System charakterisiert werden kann. Die Kraftsensoren wurden in die Fingerkuppen integriert. In Anlehnung an die menschliche Haut wurden Abgüsse aus Silikonkautschuk an den Fingerballen verwendet. Diese versprechen eine erhöhte Reibung und bessere Adaptivität zum gegriffenen Objekt. Um den entwickelten Greifer zu evaluieren, wurden erste Tests durchgeführt. Zunächst wurde die Funktionalität der Sensoren, wie z.B. der als FSRs ausgewählten Kraftsensoren, getestet. Im weiteren Verlauf wurden die Greiffähigkeiten des Greifers durch Manipulation verschiedener Objekte getestet. Basierend auf den Erkenntnissen aus den praktischen Versuchen kann festgestellt werden, dass der entwickelte Greifer ein hohes Maß an Geschicklichkeit aufweist. Auch die Adaptivität ist dank der verwendeten mechanischen Komponenten gewährleistet. Mittels der Sensorik ist es möglich den Greifprozess zu kontrollieren. Die Ergebnisse zeigten aber auch, dass z.B. die interne Systemreibung die Verlustleistung des Systems stark beeinflusst.



Uhrhan, Katja;
Entwurf eines Konzeptes zum Vitalparametermonitoring in Infrarot-Wärmekabinen. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Saunieren ist eine jahrtausendealte Tradition, die zahlreiche positive Effekte auf die Gesundheit hat. Die neuste Alternative zu klassischen Saunas sind Infrarot-Wärmekabinen, welche vor allem im privaten Bereich genutzt werden. Wie beim Fitnesstracking, welches einen gesundheitsbewussten Lebensstil fördern soll, ist ein Vitalparametermonitoring auch bei Infrarotkabinen denkbar. Zudem könnte auf Basis der Vitalwerte ein individuelles Saunaprogramm mit optimalem gesundheitlichem Nutzen für den Anwender erstellt werden. Da solche intelligenten Wärmekabinen noch nicht existieren, war das Ziel dieser Arbeit die Erstellung eines theoretischen Konzeptes für ein Vitalparametermonitoring in Infrarotkabinen. Hierfür wurden anhand einer Literaturrecherche die physiologischen Wirkungen des Saunierens untersucht und relevante Vitalparameter identifiziert. Im nächsten Schritt wurde nach geeigneten Messsystemen gesucht, um die Parameter zu überwachen. Zuletzt wurde ein Gesamtkonzept für die intelligente Infrarotkabine erstellt, welches das Zusammenwirken der Einzelkomponenten darstellt. Die wichtigsten Vitalparameter sind die Körperkerntemperatur, die Herzrate, der Blutdruck und die Schweißrate. Deren Messung kann über das tragbare Ohrthermometer Cosinuss ˚One, die Fitnessuhr immuneo T1 und das Schweißmessgerät KuduSmart erfolgen. Die Messdaten werden an ein Empfehlungssystem übermittelt, das individuelle Saunaempfehlungen und Sollwerte für die Heizkörperregelung ausgibt. Ausblickend kann das Gesamtkonzept als Grundlage für die Entwicklung einer intelligenten Infrarotkabine genutzt werden.