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Fedlmeier, Alexander;
A Critical Analysis of the Potential Benefits of a Cobot Implementation in the Industry. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Mit der kontinuierlichen Innovation und Optimierung von Fertigungsebenen und Produktionslinien und dem Übergang zu Industrie 4.0 werden Lösungen gesucht, die die Lücke zwischen Vollautomatisierung und "mass customization" schließen können. Eine solche Lösung könnte der kollaborative Roboter sein, der mit seiner leichten Bauweise, seinen Sensoren und anderen Sicherheitsmerkmalen an der Seite von menschlichen Arbeitern arbeiten kann, um Aufgaben gemeinsam zu bewältigen. Dieser Beitrag befasst sich mit den Vorteilen und Herausforderungen, die mit dem Einsatz von kollaborativen Robotern, kurz Cobots, verbunden sind, und mit der Frage, wie sich ein solcher Einsatz auf einen Prozess in der Industrie auswirken könnte. Zu diesem Zweck wird eine Montage von Motorkomponenten untersucht. Der aktuelle, roboterlose Prozess wird analysiert und dann damit verglichen, wie er mit einem Cobot-Assistenten aussehen könnte. Dies geschieht mit Hilfe von Netzwerkdiagrammen und Maschinenbelegungsplänen, die bewerten, wie viel Zeit der Arbeiter durch einen Cobot einsparen könnte. Der Wert dieser eingesparten Zeit wird dann analysiert und mit den Kosten für die Implementierung des Roboters verglichen. Gleichzeitig wird der Wert anderer vorteilhafter Eigenschaften erörtert, wie z. B. die ergonomische Unterstützung, die der Roboter dem Arbeitsplatz bieten kann. Als Ergebnis wird festgestellt, dass in diesem Fall die Einführung eines Roboters wirtschaftlich vorteilhaft ist.



Planitzer, Phillip;
Entwicklung und Aufbau eines Ratten-Exoskeletts für die Aufprägung mechanischer Perturbationen. - Ilmenau. - 105 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Um die Bewegungskontrolle von Säugetieren besser zu verstehen, werden im Institut für Zoologie und Evolutionsforschung der Friedrich-Schiller-Universität Jena Bewegungsanalysen mit Laborratten durchgeführt. Diese werden in mehreren Versuchsreihen auf unterschiedliche Weise in ihrer Lokomotion gestört, um die Reaktionen der Körperstrukturen zu beobachten, die ihre Bewegungen kontrollieren. In zukünftigen Versuchsreihen sollen mithilfe eines Rattenexoskeletts gezielt Perturbationen in der Sagittalebene auf die caudalen Knöchel der Ratte aufgeprägt werden, die in ihrer Kraftgröße und -richtung, sowie ihrem Interaktionszeitpunkt variiert werden sollen. Im Rahmen dieser Thesis wurden nach einer Grundlagenrecherche mehrere Lösungsvarianten für dieses Exoskelett erstellt und bewertet. Die am besten bewertete Variante wurde vollständig konzipiert und in mechanischer und elektrischer Hinsicht entwickelt. Des Weiteren wurde ein Anschauungsmodell (Proof of Concept) des Exoskeletts additiv gefertigt, montiert und an dem Modell einer Ratte angebracht. Das entwickelte Exoskelett soll nach der tatsächlichen Herstellung, Montage und Implementierung der Regelung bei zukünftigen Bewegungsanalysen eine vollständige Bewegungssteuerung der caudalen Knöchel durchführen können. Dadurch könnte auch bewegungseingeschränkten Ratten das Gehen ermöglicht werden. Die Erkenntnisse der Versuchsreihen sollen zudem dabei helfen, die bereits existierenden digitalen Modelle einer gehenden Ratte und eines synthetischen Nervensystems zu optimieren.



Wendt, Eric;
Entwicklung und Aufbau einer mobilen Plattform für die Aufprägung von Kraftgrößen auf Exoskelette für Ratten. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Das interdisziplinäre Projekt NeuroNex (C3NS) beschäftigt sich mit der Kommunikation, Koordination und Steuerung neuromechanischer Systeme. Die zentrale Frage ist, wie das biologische Nervensystem die Interaktion zwischen Extremitäten und Umgebung steuert, um eine bestimmte Bewegung zu erzeugen. Zu diesem Zweck wurde es als notwendig erachtet, die Reizreaktion auf verschiedene reproduzierbare Störungen während der Fortbewegung von kleinen Säugetieren zu analysieren. Exoskelette können verwendet werden, um kontrollierte Perturbationen zu induzieren. In dieser Arbeit wurde eine mobile Plattform nach den Richtlinien der VDI 2206 entwickelt. Die Plattform soll als Widerlager von zwei verschiedenen Exoskeletten für Ratten der Gattung Rattus norvegicus dienen. Im Dialog mit den zukünftigen Anwendern und auf Basis der vorgegebenen Testumgebung wurden die Anforderungen an das System sowie die notwendigen Funktionselemente definiert. Dies ermöglichte die Entwicklung verschiedener Lösungen und die Auswahl einer optimalen Lösung, die in der Konstruktionssoftware Autodesk Inventor® entwickelt wurde. Die entworfene Plattform trägt die notwendigen elektronischen Elemente, darunter Aktoren und Sensoren und kompensiert das Gewicht des Exoskeletts, um unerwünschte Auswirkungen auf die natürliche Bewegung der Ratte zu vermeiden. Die Plattform kann manuell gesteuert werden, um der Bewegung der Ratte durch einen Laufkanal zu folgen. Beispiele für die automatische Verfolgung der Ratte und automatische Steuerung der Plattform wurden ebenfalls in diese Arbeit einbezogen.



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.