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Marstedt, Marvin Carl;
Nutzung von elektromyografischen Daten zur Steuerung mechatronischer Systeme. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die Fähigkeit zur Bewegung ist ein wichtiger Faktor für die Lebensqualität des Menschen. Bei Verlust oder Einschränkung dieser können Exoskelette, unter Verwendung der elektrischen Signale der Muskeln, zumindest teilweise dazu beitragen die Beweglichkeit wiederzuerlangen. Auch einem Menschen mit gesundem Bewegungsapparat kann ein Exoskelett dabei unterstützen körperliche Aufgaben zu bewältigen. Hierbei spielen die Latenzen zwischen Ausführung der Bewegung und Reaktion des Bewegungssystems für die Nutzbarkeit eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund sollte in dieser Masterarbeit ein Demonstrator zur Charakterisierung und Untersuchung der Latenzen in einem mechatronischen System das mittels elektromyografischer Daten gesteuert wird entwickelt werden. Als Modell wurde ein "cross-coupled antagonistic variable stiffness actuator" gewählt. Das hierfür verwendete Messsystem besteht aus kabellosen Elektromyografie-Sensoren und einer Empfangsstation, die die vorverarbeiteten Daten in analoger Form zur Verfügung stellt. Diese Daten werden von einem Arduino Uno eingelesen und durch einen gleitenden Mittelwertfilter so weiterverarbeitet, dass auf Grundlage dieser das Bewegungssystem gesteuert werden kann. Für den umgesetzten Demonstrator ergab sich eine Gesamtlatenz vom Eingang eines Signals an den Sensoren, bis zur Ausführung der Bewegung von 302 ms. Diese wurde mittels Videoanalyse erfasst.



Wüstehoff, Stefanie;
Untersuchung von schwingungsfähigen Membranen nach dem Vorbild der menschlichen Membrana Tympani. - Ilmenau. - 132 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Das menschliche Trommelfell (Membrana tympani) stellt die Schnittstelle zwischen dem eingehenden Schall und den Gehörknöchelchen (Ossicula auditoria) im Mittelohr dar und spielt infolgedessen eine fundamentale Rolle bei der Schallübertragung auf die Hörschnecke (Cochlea). Die Trommelfellmembran besteht zum einen aus der stark vorgespannten Pars tensa, welche differenzierbare Kollagenfaseranteile unterschiedlicher Ausrichtungen beinhaltet zum anderen aus einem spannungslosen Bereich, der Pars flaccida. Bis heute gibt es eine große Anzahl an Publikationen, welche sich mit dem Schwingungs- und Übertragungsverhalten der Membrana tympani mittels einer FE-Simulation auseinandergesetzt haben. Dabei wurde einerseits die Faserstruktur vorrangig vernachlässigt und andererseits das vollständige Mittelohrsystem modelliert. Darüber hinaus existieren keine konkreten Informationen über die verhältnismäßige Zusammenstellung der verschiedenen Kollagenfaserarten auf der Trommelfellmembran. Ziel dieser Masterthesis war die grundlegende Analyse des Schwingungsverhaltens durch die vorherrschende Faserstrukturierung auf der Trommelfellmembran sowie weiterer Einflussfaktoren mittels der Finite-Elemente-Analyse. Es konnte ein starker Einflusscharakter der Kollagenfasern bereits nach der Implementierung einer einzelnen Modellfaser nachgewiesen werden. Darüber hinaus zeigte sich, dass eine Erhöhung der Faseranzahl ebenfalls die Eigenfrequenzen erhöht, wobei insbesondere die radialen Faseranteile dies implizierten. Die radialen und zirkulären Modellfasern wiesen zudem ein gegensinniges Verhaltensmuster auf. Weitere Einflussfaktoren stellen die Dichte der Trommelfellmembran sowie deren Gestalt dar. Die äußere Formgebung wurde untersucht indem sowohl das idealisierte kreisförmige Modell mit einem elliptischen verglichen wurde als auch über einen mehrschichtigen Modellansatz.



Sun, Jiabin;
Entwurf einer Schwebebalken-Struktur zum Testen eines Regelkonzeptes für ein Fluglotsen Schlagflügelsystem mit einer IMU (Inertial Measurement Unit). - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

In den letzten Jahren entwickelt sich das bionische Luftflugzeug mit Schlagflügel schnell, das Fliegen der Vögel oder Insekten nachahmen. Aufgrund seiner geringen Größe, des geringen Gewichts, der geringen Kosten, gute Stealth-Fähigkeiten und hohe Manövrierfähigkeit hat es wichtige und umfassende Anwendungen im Verteidigungs- und Zivilbereich. In dieser Arbeit wurde ein Fluglosten Schlagflügelsystem, das auf die Schwebebalken-Struktur basiert, mit einer IMU (Inertial Measurement Unit), über das Gleichgewicht getestet. Das Schlagflügelsystem wurde durch PID-Regler mit Hilfe der Arduino und des Sensors kontrolliert. Zuerst wurde ein Schwebebalken-Struktur aufgebaut. Einige Elemente von diesem System wurden durch Inventor konstruiert und durch 3D-Drucker produziert. Und in diesem System gibt es noch elektrische Elemente, die Arduino mit IMU, Motor-driver-Carrier und Strom-Sensor verbunden wurde. Dann wurde der Arduino Code, der auf Mathematik bzw. Euler-Formel basiert, programmiert. Durch den Code wurde das Schlagflügelsystem kalibriert und das Gleichgewicht kontrolliert. In diesem Code gibt es wichtige Regelparameters: K_P, K_i, K_d, die Reaktionszeit und Stabilität des Systems beeinflussen. Danach wurde durch Versuchen und theoretisch Methode die verschiedenen Werte von Parameter bestimmt und verglichen. Nach der Modellierung des Systems wurde durch MATLAB und SIMULINK die theoretische Werte und Diagramm erzielt. Die zweite theoretische Methode ist Ziegler-Nichols-Regel, die ein mathematisches Modell ist. Um die Situation des Systems besser zu beobachten und analysieren, werden echtzeitliche Veränderungen des Winkels durch Wifi-Verbindung von Arduino an IoT Server übermittelt. Schließlich wurden Vor- und Nachteil analysiert und einige Vorschläge für folgenden Forschungsmöglichkeiten erarbeitet.



Meyer, Tristan;
Untersuchung der Einsatzmöglichkeit einer EMG-Datenbasierten Gestensteuerung für verschiedene Aufgabenkontexte. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Für diese Arbeit wurde das Myo der Firma Thalmic Labs genutzt. Ziel war es, zu untersuchen in wie weit das Myo für verschiedene Aufgabenkontexte geeignet ist. Dies sollte durch eine Hardwareplattform bewiesen werden. Zuerst wurde herausgearbeitet, welche Daten das Myo zur Verfügung stellt. Außerdem in welcher Form die Daten zur Verfügung stehen. Anschließend wurden die Grundlagen der verschiedenen Sensortypen und die Eigenschaften der Unterarmmuskulatur erörtert. Im Anschluss daran, wurde einerseits die Qualität der Daten, die das Myo per Bluetooth überträgt geprüft. Hierzu wurden die Daten über einen Zeitraum von einer Stunde aufgezeichnet und anschließend ausgewertet. Es wurde festgestellt, dass die Qualität für die meisten Einsatzzwecke absolut ausreichend ist. Weiterhin sind andererseits die Werte der neuen Gesten aufgenommen worden. Nachdem auch hier die Daten ausgewertet wurden, sind daraus die Schwellen für die Erkennung festgelegt worden. Danach wurden diverse Möglichkeiten zur Visualisierung für die späteren Probandentests vorgestellt. Hierbei wurde besonders auf eine ergonomische Gestaltung und einen niedrigen mentalen Workload geachtet. Mit Hilfe einer Entscheidungsmatrix ist dann die beste Lösung ausgewählt worden. Nachdem die Windows Forms Applikation programmiert worden ist, wurde mit den Probandentests begonnen. Da die Gesten alle einwandfrei erkannt wurden, sind somit auch die festgelegten Schwellen bestätigt worden. Außerdem konnte so nachgewiesen werden, dass die Vorgehensweise während dieser Arbeit, das Erreichen des Ziels ermöglicht.



Simo Kamga, Vanilla;
Entwicklung und Untersuchung von Impedanzspektroskopiesonden zur qualitativen und quantitativen Erfassung von Zellen in Flüssigkeit am Beispiel von Einzellern. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

In vielen Anwendungen wie der Lebensmittelindustrie sowie der pharmazeutischen und medizinischen Forschung besteht ein wachsender Bedarf an Prozessanalysesystemen zur Erfassung der Zusammensetzung von pflanzlichen und tierischen Einzellern auf und in Nährmedien. Die verwendete Flüssig-Overlay-Zellkultur eignet sich besonders für Anwendungen mit hohem Probendurchsatz und die Messmethode sollte weitgehend automatisiert und echtzeitfähig sein. Hierfür sind Messverfahren mit elektromagnetischen Wechselwirkungsmechanismen besonders gut geeignet. Die Bestimmung verschiedener spezifischer Eigenschaften wie Leitfähigkeiten, Dielektrizitätszahlen oder Zeitkonstanten erlaubt Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung der Probe. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Sondenprototyps zur Charakterisierung von Zellen in Flüssigkeiten durch Impedanzspektroskopie im Ultrabreitbandbereich. Zunächst wird der Stand der Technik, theoretische und experimentelle Grundlagen der Impedanzspektroskopie, ihre Ziele und Methoden diskutiert. Anschließend wird eine Untersuchung und Charakterisierung einer bestehenden Zylindersonde für die Impedanzspektroskopie erarbeitet und störende Einflüsse benannt und analysiert, um die Entwicklung der neuen Messsonde zu verbessern. Eine im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Messsonde wird im folgenden Kapitel vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Messsonden wird durch Labormessungen nachgewiesen, die zu berücksichtigenden Störeinflüsse werden ebenfalls benannt und analysiert. Am Ende wird eine kurze Zusammenfassung der Arbeit gegeben, sowie Aussichten auf zukünftige Verbesserungen für das Experiment und empfohlene Verfahren.



Eichelberg, Katja;
Konzeption eines Moduls zur Nachbildung der Lagerreaktionen bei der Explantation von Hüftgelenkendoprothesen. - Ilmenau. - 124 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Hintergrund: Höhere Lebenserwartungen, sowie frühere Erstversorgungen mit Hüftimplantaten führen zu einem Anstieg der Implantationen von Hüftendoprothesen. Hiermit verbunden ist jedoch auch eine steigende, totale Anzahl der notwendigen Explantationen bei auftretenden Problematiken. Die Effizienz und der Grad der Schonung bei der Entfernung einer Prothese ist hierbei weitestgehend von der Erfahrung des Operateurs abhängig. Mit Hilfe des zu entwickelnden Moduls soll es operierenden Ärzten ermöglicht werden, verschiedene Techniken zu simulieren und Erfahrungen zur Explantation am Modell zu sammeln. Hierbei stehen nicht nur ein knochenschonender Vorgang, sondern auch eine Verkürzung der Operationszeit im Fokus. Methode: Grundlage der vorliegenden Arbeit ist ein vom Fachgebiet Biomechatronik (TU Ilmenau) entwickelter Messaufbau zur ex vivo Aufnahme der auftretenden Belastungen während einer Explantation. Für die Entwicklung eines Moduls zur Nachbildung der Explantation, wird aus drei Konzepten eines ausgewählt und ausführlich konkretisiert. Anhand von rheologischen Elementen soll die Explantation eines Hüftprothesenschaftes unter verschiedenen Ausgangssituationen nachgestellt werden können. Ergebnisse: Das ausgewählte Konzept stellt eine bestmögliche Darstellung einer zu explantierenden Hüftendoprothese dar. Hierbei wird der Fokus vor allem auf die verschiedenen Verankerungen der Prothese im Femur gelegt. Durch die Einbeziehung umliegender elastischen Strukturen, wie der bestehenden unteren Extremität und des Muskel-Sehnen-Komplexes, ist es möglich eine natürliche und reale Operationssituation zu erzielen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass für eine genaue Kalibrierung des umzusetzenden Moduls weitere Testmessungen durchgeführt werden müssen. Fazit: Nachbildungen zur Durchführung einer Explantation ermöglichen es dem Anwender, ein genaues Gefühl zur Festigkeit und der Stabilität einer Hüftendoprothese im Knochen zu bekommen. Durch eine zusätzliche Aufnahme der auftretenden Belastungen mittels Kraftmessplatte und der hieraus detektierten Schlagtechniken, werden effiziente Operationsdurchführungen ermöglicht. Innerhalb der Modellentwicklung ist jedoch zu berücksichtigen, dass es sich hierbei um eine vereinfachte Abbildung handelt. Eine genaue Replikation der Originalsituation würde zu einem sehr komplexen Modell führen, welches durch eine Vielzahl an Variablen zu einer erhöhten Ungenauigkeit führt.



Design and validation of an algorithm for recognition a stop gesture with Kinect. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Um Menschen mit Maschinen zu verbinden, wurden verschiedene Techniken entwickelt. Menschliche Interaktionen können auf verschiedene Arten interpretiert und verschiedene Techniken können verwendet werden, um diese zu deuten. Für die Kommunikation werden mehrere unterschiedliche Ansätze angewendet, einige davon erfordern zusätzliche Hardware. In geräuschvollen Umgebungen ist es wichtig, die Informationen mit gefiltertem Rauschen zu erfassen, um die wichtigen Daten nicht zu beeinflussen. Für diese Funktion wird ein Gerät benötigt, das Daten durch Bildverarbeitung bereitstellt. Die vorliegende Arbeit führt eine Analyse von menschlichen Körperwinkeln durch, um die ausgeführte Interaktion als Stopp- oder Nicht-Stopp-Geste zu identifizieren. Für diese Arbeit wird die Tiefenkamera Microsoft Kinect V2 verwendet. Ausgewählte joint-Punkte werden für den Algorithmus analysiert, um die Stopp-Gesten der Teilnehmer zu erkennen.



Kerbl, Julia;
Geometrische Einflussfaktoren auf die Standfestigkeit der Paarung Femur - Gelenkschaft einer Hüftgelenkendoprothese. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Die Anzahl der Hüftprothesenoperationen nimmt stetig zu. Bedingt durch die demographische Entwicklung und häufig auftretende periprothetische Komplikationen nimmt die Notwendigkeit von Revisionsoperationen ebenfalls zu. Ein Forschungszweig des Fachgebiets Biomechatronik beschäftigt sich mit der Frage, ob sich geometrische Faktoren identifizieren lassen, die mit Blick auf die Vorgänge der Osseointegration zur Verlängerung der Standzeit beitragen können ohne die Revision zusätzlich zu erschweren. Die Prothesenauswahl wird unteranderem beeinflusst von der Prothesenabmessung und -form, welche wiederum von den Herstellern vorgegeben werden. Deshalb besteht die Vermutung, geometrische Optimierungspotenziale aufdecken zu können. Ziel dieser Masterarbeit ist es geometrisch optimierte Femur - Gelenkschaft Kombinationen zu ermitteln, die eine hohe Standfestigkeit erreichen können. Dies geschieht mit Hilfe von Expertenbefragungen und relevanter Literatur. Außerdem soll ein Hüftprothesenkatalog entstehen, der nach dem geometrischen Erscheinungsbild der Schäfte strukturiert wird. So kann die geometrische Vielfalt der angebotenen Schäfte aufgezeigt werden.



Niu, Mu;
Schwingungsreduzierung in einem Schlagflügelmechanismus. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Diese Arbeit zeigt eine Entwicklung eines MAV, das auf der Flugtechnik der Libelle basiert. Um bioinspirierte MAVs zu realisieren, muss zuerst eine gründliche mechanische Struktur konstruiert werden. Das Hauptziel in dieser Arbeit ist es, ein MAV in der richtigen Abmessung mit zwei Motoren zu erstellen, das gleichzeitig die geforderten Funktionen erfüllen kann. Aktuell haben einige Forscher den Schlagflugroboter schon realisiert, aber er wurde bisher noch nicht mit zwei Motoren hergestellt. Durch die Steuerung des Motors wird die Schlagfrequenz kontrolliert und mit zwei Motoren kann die Flugbahn bestimmt werden. Bei unterschiedlichen Frequenzen ergibt sich ein unterschiedlicher Auftrieb auf beide Flügel. Der vorliegende Prototyp hat die Erwartung nicht erfüllt. Aktuell bestehen noch viele Probleme, sodass er nicht fliegen kann. Außerdem hat dieser Prototyp ein Schwingungsproblem. Bei dieser Forschung soll ein 3D-Drucker benutzt werden, um den Prototyp besser herstellen zu können. Als Ergebnis ist der vorliegende Prototyp weiterentwickelt worden und es wurden zwei neue Prototypen konstruiert. Alle Prototypen wurden getestet und es zeigte sich, dass der neue Prototyp einen höheren Auftrieb erzeugen kann.



Peng, Yajun;
Entwurf und Analyse von Flügeln in einem Schlagflügelmechanismus. - Ilmenau. - 49 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018

Das Thema der Arbeit lautet: Entwurf und Analyse von Flügeln in einem Schlagflügelmechanismus. Die Zielsetzung für dieses Thema ist es, die richtigen Flügel und die richtige Auftriebskraft zu finden. Zuerst werden die Parameter untersucht, die das Fliegen beeinflussen. Die wichtigen Parameter sowie die Flügelflächen und Spannweiten werden analysiert. Die Flügelform ist durch die Struktur von Insekten und Vögeln bestimmt. Mit der Skalierungsanalyse werden die passende Flügelfläche und Spannweite ausgewählt. Dann werden die erforderlichen Teile so wie die Kupplung entworfen und gefertigt, um den Test vorzubereiten. Das Experiment wird nach spezifischen Parametern entworfen. Die optimalen Daten werden aus verschiedenen experimentellen Gruppen ermittelt. Auf Grund dieser Daten wird das gesuchte Modell erhalten. Dann wird die praktische Auftriebskraft des Modells durch ein bestehendes Messsystem getestet. Die Beziehung zwischen der Auftriebskraft des Modells und der Stromspannung wird ebenfalls durch die Testdaten erhalten. Auch die praktische Auftriebskraft des Flugroboters wird anhand von Testdaten ermittelt. Die theoretische Auftriebskraft des Flugroboters wird anhand der Parameter des Flugroboters abgeleitet. Weiter werden die praktische Auftriebskraft und die theoretische Auftriebskraft verglichen und analysiert. Durch den Vergleich zeigt es sich, wie viel Abweichung es gibt. Am Ende werden die Werte und die Optimierung des Schlagflügels sowie des gesamten Systems bewertet.