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Herrmann, David; Schaeffer, Leon; Schmitt, Lukas; Körber, Wolfgang; Merker, Lukas; Zentner, Lena; Böhm, Valter
Compliant robotic arm based on a tensegrity structure with x-shaped members. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2024), S. 1042-1047

The use of intrinsically compliant tensegrity structures in manipulation systems is an attractive research topic. In this paper a 3D compliant robotic arm based on a stacked tensegrity structure consisting of x-shaped rigid members is considered. The rigid members are interconnected by a net of prestressed, tensioned members with pronounced intrinsic elasticity and by inelastic tensioned members. The system's motion is achieved by length-change of the inelastic tensioned members. The operating principle of the system is discussed with the help of kinematic considerations and verified by experiments.



https://doi.org/10.1109/RoboSoft60065.2024.10521941
Jahn, Hannes; Fröhlich, Thomas; Zentner, Lena
Analytical description of transversally symmetric hinges with semicircular contours. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 502-509

Compliant mechanisms are becoming increasingly important, especially in force measurement and weighing technology, due to their zero backlash, wear resistance, and zero friction. Their deformation under external forces can be analyzed well with analytical calculations and FEM simulations. Analytically, only mechanisms with symmetrical and longitudinally symmetrical hinges are described. This paper presents a method that allows transversally symmetric hinges to be described analytically. The model must be computed numerically due to the built neutral fiber and the nonlinearities in the used calculation method. The developed method is then compared with FEM calculations in a parameter study and considered to be validated. Finally, outlooks are formulated on how the created method can for instance be used to develop load cells for later calculations. Moreover, it is shown to what extent it is possible to implement this method for general calculations of compliant mechanisms.



https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_49
Platl, Vivien; Zentner, Lena
An analytical approach for calculating the first natural frequency of flexure hinges with variable cross-sections for compliant mechanisms. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 491-501

In this paper, we present an analytical approach for enabling the calculation of the natural frequencies of flexure hinge contours with variable cross-sections. In regard to the planned implementation of this approach into an existing analytical method based on Euler-Bernoulli-beams and the transfer matrix method, the flexure hinges will be discretized into a specific amount of individual beam segments with constant cross-sections. Three possible discretization approaches are presented, the optimum numbers of segments is found and the influence of the mass on the actual natural frequency calculation is discussed. The analytical method is finally validated on a compliant parallel four-bar linkage. The studies show that the presented approaches yield sufficiently accurate results for the calculation of the natural frequencies of compliant mechanisms with flexure hinges with variable cross-sections.



https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_48
Schmitz, Maximilian; Bisinger, Jochen; Zentner, Lena
Potentials of an early digital twin for dimensional vehicle concept creation in the concept phase. - In: Advances in mechanism and machine science, (2024), S. 806-814

In more than 100 years of automotive technology, existing vehicle architectures have evolved and aligned with the requirements of combustion engine drive technology. The automotive industry is currently in a turbulent phase of transformation. Vehicle development must adapt to battery-electric powertrains in a short time. Automation of driving functions, electrification and connectivity are leading to revolutionary changes in the vehicle as a product. At the same time, digitalization, a changed competitive environment, shorter development cycles and a stronger focus on in-vehicle software are also causing radical changes in the vehicle development process. As a result of this transformation, established standard concepts and solutions are being called into question. In the early phase of vehicle design, answers to the changed framework conditions and new questions must be found quickly. Solutions must be achieved in a shorter time and a high degree of maturity must be ensured. Here, the methods of digital, virtual product development open up new opportunities and possibilities. The assignment of geometric parameters in the vehicle concept phase to technical requirements and the knowledge of the interactions of these parameters with each other enable early evaluation of the vehicle concepts. The article describes the use of a development methodology by means of a digital twin in the early phase of vehicle concept development and shows interfaces, potentials and challenges that an introduction of this methodology including the connection of different digital representatives in the concept phase entails.



https://doi.org/10.1007/978-3-031-45709-8_78
Sindersberger, Dirk;
Development of a self-sensing electroadhesive soft gripper : implementation of magnetic and electrically conductive hybrid materials to improve workpiece ejection. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xviii, 149 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Gegenstand der Arbeit ist die Neuentwicklung eines elektroadhäsiven Greifers für den Einsatz in der soft robotics, welcher durch die Verwendung von sogenannten "smart materials" sowohl die Problematik der Ablöseverzögerung durch elektrostatische Restladungen umgehen als auch seinen Verformungszustand durch self-sensing Eigenschaften bestimmbar machen soll. Die verbesserte Werkstückablösung resultiert aus einer nach innen gerichteten Wölbung der weichen Greiferoberfläche, die durch einen magnetischen Antrieb hervorgerufen wird. Zur Erfüllung der self-sensing Bedingung werden Eigenschaften des magnetischen Antriebs verwendet, die den Einwölbungsgrad der Greiferoberfläche messtechnisch bestimmbar machen. Gleichzeitig dient die Verformungsdetektion zur Vermessung sowie zum Greifen von nicht-planaren Werkstücken mit begrenzter räumlicher Topologie. Die Erzeugung des elektrischen Feldes geschieht durch extrinsisch elektrisch leitfähige thermoplastische Elektroden, wobei eine bestimmte Anordnung eine Verformung der Greifoberfläche erlaubt. Ein aus den Konstruktionsergebnissen entwickelter Prototyp dient dem funktionellen Nachweis der Greifkraftentwicklung, der self-sensing Eigenschaft und der verbesserten Werkstückablösung durch die Oberflächenverformung. Grundlage ist die Analyse bestehender Greiftechniken und des aktuellen Entwicklungsstandes nachgiebiger elektroadhäsiver Greifer sowie die theoretische Beschreibung der elektroadhäsiven Kräfte und der magnetosensitiven und elektrisch leitfähigen Polymere. Ausgehend von der Festlegung der Fähigkeiten im Systemdesign werden im Verlauf der Entwicklungsarbeit die Materialien auf deren Eignung im Bereich der soft robotics ausgewählt und geprüft. Im Vordergrund der Entwicklung steht stets das Überwinden der Ablöseproblematik durch die positiven Eigenschaften neuer Materialien. Die Materialienauswahl der nachgiebigen Trägerstruktur des Gesamtsystems wird durch die Aspekte der soft robotics eingeschränkt und ausgewählt. Der mittels eines magnetosensitiven Elastomers realisierte Antrieb zur Oberflächenverformung wird in seiner Funktion analysiert und realisiert. Sowohl das Material für die Elektroden als auch das Material für das Dielektrikum werden gemäß anwendungsnaher Kriterien festgelegt, das resultierende elektrische Feld simuliert und anschließend realen Messungen gegenübergestellt. Mittels einer integrierten Sensorspule wird die self-sensing Eigenschaft realisiert und deren Einsatzfähigkeit experimentell bestätigt. Die Arbeit schließt mit den Ergebnissen der elektroadhäsiven Greifkräfte des aus dem Entwicklungsprozesses hervorgegangenen Prototypen ab.



https://doi.org/10.22032/dbt.59199
Gast, Simon;
Ein Beitrag zur Untersuchung der Deformation magneto-sensitiver Elastomere und deren Nutzung als Sensorelement. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XII, 127 Seiten, Seite XIV-XXXVII)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Magneto-sensitive Elastomere sind magnetische Hybridwerkstoffe, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften aktuell im Fokus der anwendungsorientierten Forschung stehen. Die Kopplung von elastischer und elektromagnetischer Energie innerhalb des Werkstoffes bietet besonderes Potential im Bereich der mechanischen Sensoren. Hier werden für die Erfassung mechanischer Größen (beispielsweise Kraft und Verschiebung) bevorzugt biegeelastische Strukturen (Verformungskörper) eingesetzt. Die Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Der erste Teil stellt die Simulation einer zweischichtigen biegeelastischen Struktur mit magneto-sensitiven Elastomer vor. Mit einem analytischen Modell gelingt es, die dynamische Verformung des Balkens vorherzusagen. Dieses basiert auf einem Timoshenko-Balken und berücksichtigt ein äußeres Magnetfeld. Mit asymptotischen Methoden erfolgt eine Näherungslösung für die Durchbiegung des Balkens. Ein Vergleich mit numerischen Lösungen zeigt, dass die verwendete Methode für mehrere Periodendurchläufe eine ausreichende Güte aufweist. Im zweiten Teil der Arbeit wird die modellbasierte Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines neuartigen taktilen Sensors vorgestellt. Dieser zeichnet sich durch einen Schichtaufbau mit einem Spulen-Array und magneto-sensitiven Elastomer aus. Die Messaufgabe des Sensors beinhaltet in erster Linie die Erfassung der Kontaktstelle einer Beanspruchung an der Sensoroberfläche. Zu der Entwicklung des Sensors zählt das Abbilden des magneto-mechanischen Verhaltens des Systems auf Basis von analytischen und numerischen Methoden. Dabei gelingt die theoretische Vorhersage des Sensorsignals, die Identifikation kritischer Systemparameter und die Grobauslegung des Sensors selbst. Im Anschluss erfolgt der Entwurf eines Prototyps, der eine Positionsbestimmung eines eindringenden Körpers in einer Richtung erlaubt. Unter anderem erfolgt die Untersuchung einer variablen Verschaltung mehrerer Spulen und eine mathematische Analyse der Signale. Hiermit gelingt die Positionsbestimmung unabhängig vom Querversatz und der Eindringtiefe. Schließlich bietet die Arbeit einen Funktionsnachweis für den taktilen Sensor, der eine Positions- und Kraftbestimmung erlaubt.



https://doi.org/10.22032/dbt.59060
Herrmann, David; Schaeffer, Leon; Zentner, Lena; Böhm, Valter
Theoretical considerations on 3D tensegrity joints for the use in manipulation systems. - In: Engineering for a changing world, (2023), 3.3.060, S. 1-13

This paper presents a comprehensive analysis of a three-dimensional compliant tensegrity joint structure, examining its actuation, kinematics, and response to external loads. The study investigates a baseline configuration and two asymmetric variants of the joint. The relationship between the shape parameter and the parameters of the tensioned segments is derived, enabling the mathematical description of cable lengths for joint actuation. Geometric nonlinear static finite element simulations are performed to analyze the joint's response under various load conditions. The results reveal the joint's range of motion, the effect of different stiffness configurations, and its deformation behavior under external forces. The study highlights the asymmetric nature of the joint and its potential for targeted motion restriction. These findings advance the general understanding of the behavior of the considered tensegrity joint and provide valuable insights for their design and application in soft robotic systems.



https://doi.org/10.22032/dbt.58888
Hermoza-Llanos, Estefania; Rodríguez Hernández, Jorge A.; Zentner, Lena
Development of a novel synthesis method of a rigid-body four-bar linkage into a compliant mechanism. - In: Engineering for a changing world, (2023), 3.3.004, S. 1-12

The four-bar linkage mechanism is widely used in various machinery applications. This study presents a synthesis method to transform a rigid-body four-bar mechanism into a compliant mechanism using four leaf-type hinges based on linear theory and Castigliano's Theorem. The objective is to determine the dimensions and configuration of a flexible four-bar mechanism that replicates the behavior of the initial rigid-body mechanism. The meeting point between the two mechanisms is the flexure hinge of the compliant mechanism, which is determined using the Pseudo-Rigid-Body model (PRBM). To validate the proposed method, a program based on non-linear theory is employed. The results confirm that the dimensional differences between the two are minimal, ranging from 0% to 0.13%. This study demonstrates the feasibility of synthesizing a Rigid-Body Four-Bar Mechanism into a compliant mechanism using the PRBM, as long as the deformations are within the linear domain.



https://doi.org/10.22032/dbt.58886
Torres Melgarejo, Mario André; Henning, Stefan; Zentner, Lena; Theska, René
Synthesis of optimized compliant mechanisms for ultra-precision applications. - In: Engineering for a changing world, (2023), 1.4.071, S. 1-9

Compliant mechanisms for ultra-precision applications are often required to achieve highest accuracy over largest possible ranges of motion along multiple axes. The typical synthesis approach for such high demands is based on the substitution of the revolute joints of a suitable rigid-body model with optimized flexure hinges. However, during the transition from rigid-body model to compliant mechanism, the effects of multiple input parameters are still widely unknown. Among them are the degrees of freedom of the rigid-body model, the integration of the drive elements, as well as the coupling of mechanisms to achieve multiple motion axes. The following contribution expands the fundamentals of the synthesis of compliant mechanisms based on rigid-body models for their application in ultra-precision technologies. Based on the investigation of the aforementioned parameters as well as the knowledge gained from previous research work, a novel synthesis method has been developed.



https://doi.org/10.22032/dbt.58844
Platl, Vivien; Zentner, Lena
Eigenfrequenzberechnung von Parallelschwingen mit unterschiedlichen Festkörpergelenkkonturen. - In: 15. Kolloquium Getriebetechnik, (2023), S. 67-72

Merker, Lukas; Böhm, Valter; Zentner, Lena
Modellbildung und Steifigkeitsanalyse eines nachgiebigen Tensegrity-ähnlichen Koppelelements. - In: 15. Kolloquium Getriebetechnik, (2023), S. 63-66

Jahn, Hannes; Zentner, Lena
Methode zum dreidimensionalen Exportieren von nachgiebigen Mechanismen aus dem Analysetool „CoMSys“. - In: 15. Kolloquium Getriebetechnik, (2023), S. 57-62

Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Greiser, Steffen; Marx, Julia
Analysis of kinematic constraints in the linkage model of a Mecanum-wheeled robot and a trailer with conventional wheels. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 13 (2023), 13, 7449, S. 1-15

Mechanical systems that consist of a four-wheeled or two-wheeled robot with Mecanum wheels and a two-wheeled trailer with conventional wheels are considered. The kinematic characteristics of the mechanical systems under consideration of holonomic and non-holonomic constraints are presented and compared. From this, it is shown that the structure of the kinematic constraint equations for mobile systems with a trailer does not apply to Chaplygin’s dynamic equations. If the mechanical system is not Chaplygin’s system, then the dynamic equations cannot be integrated separately from the equations of kinematic constraints. This is the difference between the kinematic constraint equations for the robot-trailer system and the constraint equations for a single robot with Mecanum wheels. Examples of numerical calculations using the equations of kinematic constraints are given.



https://doi.org/10.3390/app13137449
Reiche, Marius; Becker, Tatiana; Stepanov, Gennady V.; Zimmermann, Klaus
A multipole magnetoactive elastomer for vibration-driven locomotion. - In: Soft Robotics, ISSN 2169-5180, Bd. 10 (2023), 4, S. 770-784

Smart materials such as magnetoactive elastomers (MAEs) combine elastic and magnetic properties that can be significantly changed in response to a magnetic field and therefore offer enormous potential for applications in both scientific research and engineering. When such an elastomer contains microsized hard magnetic particles, it can become an elastic magnet once magnetized in a strong magnetic field. This article studies a multipole MAE with the aim of utilizing it as an actuation element of vibration-driven locomotion robots. The elastomer beam has three magnetic poles overall with the same poles at the ends and possesses silicone bristles protruding from its underside. The quasi-static bending of the multipole elastomer in a uniform magnetic field is investigated experimentally. The theoretical model exploits the magnetic torque to describe the field-induced bending shapes. The unidirectional locomotion of the elastomeric bristle-bot is realized in two prototype designs using magnetic actuation of either an external or an integrated source of an alternating magnetic field. The motion principle is based on cyclic interplay of asymmetric friction and inertia forces caused by field-induced bending vibrations of the elastomer. The locomotion behavior of both prototypes shows a strong resonant dependency of the advancing speed on the frequency of applied magnetic actuation.



https://doi.org/10.1089/soro.2022.0106
Wedrich, Karin; Cherkasova, Valeriya; Platl, Vivien; Fröhlich, Thomas; Strehle, Steffen
Stiffness considerations for a MEMS-based weighing cell. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 23 (2023), 6, 3342, S. 1-15

In this paper, a miniaturized weighing cell that is based on a micro-electro-mechanical-system (MEMS) is discussed. The MEMS-based weighing cell is inspired by macroscopic electromagnetic force compensation (EMFC) weighing cells and one of the crucial system parameters, the stiffness, is analyzed. The system stiffness in the direction of motion is first analytically evaluated using a rigid body approach and then also numerically modeled using the finite element method for comparison purposes. First prototypes of MEMS-based weighing cells were successfully microfabricated and the occurring fabrication-based system characteristics were considered in the overall system evaluation. The stiffness of the MEMS-based weighing cells was experimentally determined by using a static approach based on force-displacement measurements. Considering the geometry parameters of the microfabricated weighing cells, the measured stiffness values fit to the calculated stiffness values with a deviation from -6.7 to 3.8% depending on the microsystem under test. Based on our results, we demonstrate that MEMS-based weighing cells can be successfully fabricated with the proposed process and in principle be used for high-precision force measurements in the future. Nevertheless, improved system designs and read-out strategies are still required.



https://doi.org/10.3390/s23063342
Herrmann, David; Schaeffer, Leon; Zentner, Lena; Böhm, Valter
Preliminary theoretical and experimental investigations on manipulators based on compliant tensegrity structures :
Theoretische und experimentelle Voruntersuchungen von Manipulatoren auf Basis von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen. - In: Neunte IFToMM D-A-CH Konferenz 2023, (2023), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/77397
Jahn, Hannes; Henning, Stefan; Fröhlich, Thomas; Zentner, Lena
Analytical description of transversally symmetrical hinges :
Analytische Beschreibung transversalsymmetrischer Gelenke. - In: Neunte IFToMM D-A-CH Konferenz 2023, (2023), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/77402
Zirkel, Marten; Luo, Yinnan; Römer, Ulrich; Fidlin, Alexander; Zentner, Lena
A compliant mechanism with an adjustable characteristic curve through bistability :
Ein nachgiebiger Mechanismus mit einstellbarer charakteristischer Kennlinie durch Bistabilität. - In: Neunte IFToMM D-A-CH Konferenz 2023, (2023), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/77388
Schmitz, Maximilian; Bisinger, Jochen; Zentner, Lena
Effiziente parametrisierte Fahrzeugarchitekturauslegung in der frühen Konzeptphase. - In: Neunte IFToMM D-A-CH Konferenz 2023, (2023), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/77391
Hügl, Silke;
Beitrag zur Minimierung der Insertionskräfte von Cochlea-Implantat-Elektrodenträgern : Untersuchung gerader, lateral liegender Elektrodenträger sowie deren Funktionalisierung mittels nachgiebiger Aktuatoren. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 1 Online-Ressource (172 Seiten). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 8)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Sensorineurale Hörstörungen können mit einem Cochlea-Implantat behandelt werden. Der zu implantierende Teil des Cochlea-Implantat-Systems besteht aus Empfängerspule und Elektrodenträger. Der Elektrodenträger wird vom Chirurgen in die Cochlea inseriert, um dort die geschädigten Haarzellen zu ersetzen und die elektrische Stimulation des Hörnervs zu übernehmen. Diese manuelle Insertion des Elektrodenträgers in die Cochlea soll möglichst vorsichtig erfolgen, um keine intra-cochleären Strukturen zu beschädigen sowie post-operative Entzündungen und die iatrogene Ertaubung von Patienten mit Restgehör zu vermeiden, weswegen für diese Herangehensweise der Begriff „Soft Surgery“ geprägt wurde (Lehnhardt (1993), „Intracochlear placement of cochlear implant electrodes in soft surgery technique“). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Elektrodenträger und dessen Insertionsprozess in die Cochlea. Dazu werden zunächst digitale und anschließend physikalische, planare Modelle der humanen Cochlea erstellt, die die morphologische Variation abbilden. Diese werden anschließend für Insertionsstudien verwendet, welche dazu dienen, die Insertionskräfte während der Insertion zu messen. Es werden Einflussfaktoren auf den Insertionsprozess systematisiert und drei davon anhand von Studien mit eigens hergestellten Labormustern untersucht: Die Geometrie der Cochleamodelle, die Insertionsgeschwindigkeit des Elektrodenträgers und eine Beschichtung des Elektrodenträgers. Die Insertionsstudie in Cochleamodelle unterschiedlicher Größe wird verwendet, um die Abhängigkeit der Insertionskräfte von der Geometrie der Modelle zu analysieren. Der Einfluss der Insertionsgeschwindigkeiten und die Beschichtung des Elektrodenträgers werden mit dem Ziel einer Reduktion der Insertionskräfte untersucht. Abschließend wird ein fluidisch-aktuierter, nachgiebiger Mechanismus zur Funktionalisierung des Elektrodenträgers betrachtet. Zunächst wird ein im spannungsfreien Zustand gerader Mechanismus analysiert. Die Skalierbarkeit des vorgeschlagenen nachgiebigen Mechanismus wird analytisch und numerisch gezeigt. Anschließend liefert die Synthese des fluidmechanischen Aktuators dessen geometrische Maße, um unter Druckbeaufschlagung mit definiertem Druck einer vorgegebenen Form zu entsprechen. Diese Synthese wird angewandt, um die Geometrien eines nachgiebigen Mechanismus für drei unterschiedlich große Formen der Cochlea zu bestimmen.



https://doi.org/10.22032/dbt.53719
Platl, Vivien; Lechner, Leo; Mattheis, Thomas; Zentner, Lena
Free vibration of compliant mechanisms based on Euler-Bernoulli-Beams. - In: Microactuators, Microsensors and Micromechanisms, (2023), S. 1-18

This paper presents an analytical approach for computing the natural frequencies of planar compliant mechanisms consisting of any number of beam segments. The approach is based on the Euler-Bernoulli Beam theory and the transfer matrix method (TMM), which means there is no need for a global dynamics equation, but instead low-order matrices are used which result in high computational efficiency. Each beam segment is elastic, thin, has a different rectangular cross-section or a different orientation and is treated as an Euler-Bernoulli beam. The approach in principle does not differentiate between the flexure hinges, and the more rigid beam sections, both are treated as beams. The difference in stiffness solely results from the changes in the cross sections and length. A finite element analysis (FEA), as often used in practical applications, has been carried out for various geometries to serve as state-of-the-art reference models to which the results obtained by the presented analytical method could be compared. Various test specimens (TS) consisting of concentrated and distributed compliance in various degrees of complexity were produced and measured in free- and forced vibration testing. The results from experiments and the FEA compared to those of the proposed method are in very good correlation with an average deviation of 1.42%. Furthermore, the analytical method is implemented into a readily accessible computer-based calculation tool which allows to calculate the natural frequencies efficiently and to easily vary different parameters.



https://doi.org/10.1007/978-3-031-20353-4_1
Henning, Stefan; Zentner, Lena
Analytical characterization of spatial compliant mechanisms using beam theory. - In: Microactuators, Microsensors and Micromechanisms, (2023), S. 61-76

Due to the advantages of compliant mechanisms, they are widely used in technical fields such as precision engineering, measurement and medical technology. The movement of the mostly monolithically designed mechanisms is primarily achieved by bending the individual structural sections. Due to geometric nonlinearities caused by large deflections, the analytical description of the deformation behavior under the influence of external loads is not trivial. While plane compliant mechanisms can be reliably calculated with different models, the analysis of spatial compliant mechanisms is accordingly more difficult. Due to the complexity of the motion, simplifications are often made in the model assumptions, which have a detrimental effect on the precision of the results. Therefore, this paper presents a method to apply nonlinear beam theory to complex spatial structures that can include both curved sections and sections with non-constant cross-sections. Using selected examples of varying complexity, the model is validated using FEM simulations. In addition, a procedure to characterize branched spatial compliant mechanisms with the proposed analytical model and to calculate their deformation is explained. By efficiently solving the analytical model numerically, the deformed state of the mechanism can be obtained in seconds. Therefore, the model is particularly suitable for early stages of development or iterative synthesis tasks.



https://doi.org/10.1007/978-3-031-20353-4_5
Zirkel, Marten; Luo, Yinnan; Römer, Ulrich; Fidlin, Alexander; Zentner, Lena
Development of a database to simulate and adapt compliant mechanisms to a given characteristic for improving energy efficiency of a walking robot. - In: Microactuators, Microsensors and Micromechanisms, (2023), S. 46-60

Compliant mechanisms with variable geometric parameters are investigated for the application in a bipedal robot to improve its walking efficiency. These mechanisms have nonlinear torque-angle characteristics and act like torsion springs to change the systems free oscillation frequency. High energy efficiency is achieved if the free oscillation frequency matches the step frequency, meaning the that the robot walks in resonance. For this purpose, the desired characteristic of the optimized elastic coupling is identified via optimization. Then, a database is developed, which consists of boundary conditions and beam elements. In this paper, there are three boundary conditions and three beam elements for demonstration purpose. To simulate a large number of compliant mechanisms with different characteristics, two boundary conditions and a beam element can be combined. The boundary conditions serve as bearing types to connect the beam element to the thighs of a robot. The large deformation behavior is assumed to be simulated by the Euler-Bernoulli beam theory, which is validated by FEM models. Thus, the desired characteristic from the proceeding optimization process is realized by a specific compliant mechanism.



https://doi.org/10.1007/978-3-031-20353-4_4
Pandey, Ashok Kumar; Pal, Prem; Nagahanumaiah; Zentner, Lena
Microactuators, Microsensors and Micromechanisms : MAMM 2022. - Cham : Springer International Publishing, 2023. - 1 Online-Ressource (xiii, 364 p. 234 illus., 186 illus. in color.). - (Mechanisms and machine science ; volume 126) ISBN 978-3-031-20353-4

This book brings together investigations which combine theoretical and experimental results related to such systems as flexure hinges and compliant mechanisms for precision applications, the non-linear analytical modeling of compliant mechanisms, mechanical systems using compliance as a bipedal robot and reconfigurable tensegrity systems and micro-electro-mechanical systems (MEMS) as energy efficient micro-robots, microscale force compensation, magnetoelectric micro-sensors, acoustical actuators and the wafer bonding as a key technology for the MEMS fabrication. The volume gathers the contributions presented at the 6th Conference on Microactuators, Microsensors and Micromechanisms (MAMM), held in Hyderabad, India in December 2022. The aim of the conference was to provide a special opportunity for a know-how exchange and collaboration in various disciplines concerning systems pertaining to micro-technology. The conference was organized under the patronage of IFToMM (International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science).



https://doi.org/10.1007/978-3-031-20353-4
Luo, Yinnan; Römer, Ulrich J.; Zentner, Lena; Fidlin, Alexander
Improving energy efficiency of a bipedal walker with optimized nonlinear elastic coupling. - In: Advances in nonlinear dynamics, (2022), S. 253-262

A method to improve the energy efficiency of a bipedal walking robot by means of nonlinear elastic couplings between the robot’s thighs is presented. The robot model consists of five rigid segments which are connected by four actuated revolute joints in the hip and knees. The walking movement is generated and stabilized by a nonlinear controller based on the hybrid zero dynamics approach. The optimum walking gaits and the optimum characteristic of the elastic coupling are identified via numerical optimization whereby the energy consumption of locomotion is minimized. Different walking speeds from 0.2 m/s to 1.4 m/s are considered in the study. According to simulations, the optimal nonlinear elastic coupling reduces the mean energy consumption by 78% over the range of investigated speeds. This is significantly better compared to the coupling with optimal linear torsion spring, which saves 62% energy. The free oscillations frequency of the swing leg under influence of the elastic coupling is derived from a simplified pendulum model. This free oscillations frequency closely matches with the double step frequency of the robot at different walking speeds. The nonlinear elastic coupling gives the robot the capability to walk in resonance at different speeds with a very high energy efficiency.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-81166-2_23
Prem, Nina; Schale, Florian; Sindersberger, Dirk; Zimmermann, Klaus
Thermosensitive elastomers for shape adaption of soft robotic systems. - In: ACTUATOR 2022: International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications, (2022), S. 290-293

Recent advances in soft robotics demonstrate robust and versatile performance for dexterous grasping and manipulation. Due to their intrinsically mechanical compliance, soft robots passively adapt their shape to an object during contact. This results in large contact patches and damping of contact dynamics, which compensates for uncertainties in sensing, modeling, and actuation. Therefore, the behavior of soft robots is also determined by contact-based deformations. Building these kinds of compliant structures by using thermosensitive hybrid materials of polydimethylsiloxane and different thermoplastic filler particles as thermosensitive elastomers (TSE) the design could receive a higher versatility and extra functionality. Thermosensitive elastomers (TSE) consist of an addition curing RTV-2 silicone in which different thermoplastic filler particles are embedded. These thermoplastic particles are polycaprolactone (PCL), polyamide-6 (PA6) and polymethylmethacrylat (PMMA) with melting temperatures in the range of 58deg C to 215deg C. In certain examinations, soft magnetic carbonyl iron particles (CIP) are also included to prove the compatibility of the two particle types within the polydimethylsiloxane (PDMS) matrix and to utilize a possible symbiotic effect of the particle mixtures. By means of mechanical tests, the thermosensitive hybrid materials enable shape changes by applying both external heat and stress/force. With a low melting point in the range of 58 deg C to 60 deg C, PCL offers good application potential compared to the other thermoplastic filler particles. One of PCL most important and application-oriented phenomena is the shape memory effect, which results from internal stresses between elastomer molecular chains and PCL particles. Whereby the external shape arises from the equilibrium of all internal forces. Consequently, the material composites can be referred to as both TSE and shape memory polymers (SMP). By adding soft magnetic particles, an accelerated heat distribution within the samples was detected, which results in a faster occurrence of the corresponding effects. Micro computed tomography (mu-CT) and scanning electron microscopy (SEM) examinations indicate that a homogeneous distribution of PCL and CIP within the thermosensitive elastomer prevails. Moreover, the TSE additionally contain CIP can combine the benefits of temperature and magnetic field effects. Due to the material's ability to imprint or adapt to any shape, thermosensitive elastomers as shape memory polymers represent a potential opportunity to modify pre-existing robotic components. Depending on the initial design and force application, the modified systems could adapt to almost any shape under the influence of temperature. This leads to their use in a variety of applications in adaptive sensors, smart actuators, and gripping elements in soft robotics.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9899226
Jahn, Hannes; Henning, Stefan; Zentner, Lena
A method for optimising compliant mechanisms :
Eine Methode zur Optimierung nachgiebiger Mechanismen. - In: Getriebetagung 2022, (2022), S. 133-142

In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, mit deren Hilfe nachgiebige Mechanismen bezüglich ihres Verformungsverhaltens optimiert werden können. Berechnungsgrundlage der Methode ist die Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen. Die Berechnung erfolgt mit numerischen Lösungsverfahren in Python. Für die Optimierung werden Festkörpergelenke entlang einer vorgegebenen Balkenachse verschoben. Durch Parameterstudien dreier Mechanismen wird zunächst die Auswirkung der Gelenkposition auf das Verformungsverhalten herausgestellt. Abschließend wird die Berechnungsmethode mit Hilfe von den aus den Parameterstudien resultierenden Ergebnissen erfolgreich verifiziert.



Merker, Lukas;
Vibrissa-inspired tactile sensing : object shape detection under frictional influences. - Ilmenau, 2022. - x, 154 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Die taktile Sensorik birgt große Potenziale für die Weiterentwicklung von technischen Geräten und deren Einsatz in unstrukturierten Umgebungen. Häufig sind taktile Sensorkonzepte von der Natur inspiriert, z.B. durch die mystazialen Vibrissen der Ratte. Diese speziellen Tasthaare dienen als multimodale Sensoren, die Ratten u.a. zur Objektformkennung befähigen. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen biomimetischen Ansatz mit dem Ziel der Weiterentwicklung vibrissen-inspirierter Sensoren für die 3D-Objektformerkennung unter Reibungseinflüssen. Das biologische Vorbild Vibrisse besteht im Wesentlichen aus einem hochflexiblen, nicht-sensorischen Haarschaft, welcher in seinen eigenen Follikel-Sinus-Komplex eingebettet ist, der sensorische Komponenten enthält. Diese Struktur wird abstrahiert und auf ein technisches Sensorkonzept übertragen. Zur Realisierung der Objektabtastung wird ein schlanker, einseitig eingespannter, hochflexibler Taster durch lineare Verschiebung der Einspannung entlang des Zielobjekts gestrichen. Die resultierenden Lagerreaktionen dienen als einzige Observablen für die Rekonstruktion von Kontaktpunktfolgen zwischen Taster und Objekt, die schließlich auf die Form des letzteren schließen lassen. Zu diesem Zweck wird das Sensorkonzept mechanisch modelliert und mithilfe von Modellgleichungen beschrieben. Aufbauend auf der Analyse der 2D-Objektabtastung und -Rekonstruktion unter Reibungseinflüssen wird das Modell auf den allgemeinen 3D Fall erweitert. In Simulationen und Experimenten wird die allgemeine Umsetzbarkeit der Objektformerkennung demonstriert. Simulationsbasierte Parameterstudien verdeutlichen zudem den Einfluss der (Coulomb) Reibung auf die Lagerreaktionen und die Rekonstruktionsergebnisse. Während die Lagerreaktionen signifikant von Reibungseffekten beeinflusst werden, ist der Fehler der rekonstruierten Kontaktpunkte reibungsinvariant (unbeeinflusst durch den Reibungskoeffizienten). Diese Erkenntnisse werden im Zusammenhang mit den experimentellen Ergebnissen diskutiert. Darüber hinaus wird für den Fall der 2D-Objektabtastung ein Ansatz zur Rekonstruktion von Reibungsparametern vorgestellt, für den ein erster experimenteller Konzeptnachweis erbracht wird. Schließlich wird das Sensormodell mit Blick auf das biologische Vorbild durch Implementierung einer elastischen Lagerung und einer rotatorischen Abtastkinematik angepasst.



Becker, Tatiana; Stolbov, Oleg V.; Biller, Armin M.; Borin, Dmitry Yu.; Stolbova, Olga S.; Zimmermann, Klaus; Raikher, Yuriy L.
Shape-programmable cantilever made of a magnetoactive elastomer of mixed content. - In: Smart materials and structures, ISSN 1361-665X, Bd. 31 (2022), 10, 105021, S. 1-14

This work presents an approach to the macroscopic field-controlled mechanics of magnetoactive elastomers of mixed content, which are a special type of smart materials made of an elastic composite and a combination of two essentially different ferromagnetic fillers. High-coercive particles of NdFeB-alloy powder for the magnetically hard (MH) filler and carbonyl iron powder particles with nearly zero coercivity for the magnetically soft (MS) filler are usually used. The MH particles are tens-of-micron in size and impart to the elastomer a remanent magnetisation, whereas due to the MS particles of several microns in size, the elastomer acquires a high magnetic susceptibility. Since large MH particles once magnetised in a strong field possess their own fields to which the MS particles are susceptible, the overall elastomer magnetisation as well as its mechanical response greatly depends on the relative concentration of both fillers. This work particularly studies the bending deformation of horizontally fixed magnetoactive cantilevers with the permanent magnetisation along the length axis under the action of gravity and a vertically applied uniform magnetic field. The cantilevers of the same geometry and fixed NdFeB content but different carbonyl iron concentration are considered. The magnetomechanical model is developed based on the finite-strain theory assuming the plane-stress approximation of the two-dimensional cantilever of infinite width. The magnetic energy comprises two magnetic terms, one of which is qualitatively linear and the other one is quadratic in the applied field strength. The numerically calculated field-programmed equilibrium bending shapes of the cantilevers are compared with the experimentally observed shapes. The model provides good agreement with the experiment up to moderate concentrations of the MS filler, when the coefficients of customary interpolation formulas for the concentration dependencies of elastic modulus and magnetic susceptibility are properly adjusted.



https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac8f79
Henning, Stefan;
Modellbasierte Entwicklung von Methoden, Algorithmen und Werkzeugen zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2022. - 1 Online-Ressource (XXI, 184 Seiten, Seite XXIII-LV). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 7)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Nachgiebige Mechanismen sind in technischen Anwendungen weit verbreitet, insbesondere in der Robotik, Präzisions-, Mess- und Medizintechnik. Ihr Verformungsverhalten wird maßgeblich durch die Gestaltung ausgewählter nachgiebiger Strukturabschnitte, beispielsweise durch die gezielte Reduktion der Querschnittsabmessungen, beeinflusst. Die Bewegung des Mechanismus erfolgt vorwiegend durch Biegung dieser Abschnitte. Die Berechnung des Verformungsverhaltens unter dem Einfluss äußerer Belastungen stellt aufgrund von geometrischer Nichtlinearität eine anspruchsvolle Aufgabe bei der Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen dar. Daher wird in dieser Arbeit ein Beitrag zur analytischen Modellbildung und damit zum Analyse- und Syntheseprozess geleistet. Die Modellgleichungen werden für ebene und räumliche Anwendungsfälle gegeben. Mit Hilfe dieser können nachgiebige Mechanismen mit variierenden Querschnitten, Krümmungen, Werkstoffen und Verzweigungen charakterisiert werden. Für die Betrachtung beliebiger Mechanismen werden die Gleichungen in einer rekursiven Form gegeben. Aufgrund von Strukturabschnitten unterschiedlicher Querschnitte werden, über reine Biegung hinaus, auch Querkraftschub und Querkontraktion im Modell berücksichtigt. Es werden Untersuchungen durchgeführt um zu definieren, wann diese Effekte, in Abhängigkeit der Geometrie, zu berücksichtigen sind. Auf Basis dieser Untersuchungen werden Empfehlungen für die zu verwendende Theorie gegeben. Durch die Formulierung der Gleichungen in einer einheitlichen Form wird ermöglicht, die Theorie für einzelne Abschnitte eines nachgiebigen Mechanismus individuell anzupassen. Weiterhin wird das Modell durch Beispielmechanismen für zwei- und dreidimensionale Anwendungsfälle mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode und experimentellen Untersuchungen validiert. Dabei werden die Empfehlungen der einzusetzenden Theorie angewendet. Daraufhin werden Algorithmen zur Dimensionierung einzelner Festkörpergelenke und nachgiebiger Mechanismen gegeben. Dadurch kann deren Bewegungsverhalten im Hinblick auf konkrete Zielkriterien verbessert werden. Abschließend werden die Methoden in drei eigenständig ausführbare Softwarewerkzeuge implementiert, die frei zur Verfügung gestellt sind. Durch deren Entwicklung wird ein Beitrag zum Entwurf sowie zur Analyse und Synthese von Festkörpergelenken und nachgiebigen Mechanismen geleistet.



https://doi.org/10.22032/dbt.53126
Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Gast, Simon; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Actuators based on a controlled particle-matrix interaction in magnetic hybrid materials for applications in locomotion and manipulation systems. - In: Magnetic hybrid-materials, (2022), S. 653-680

The paper deals with the investigation of magneto-sensitive elastomers (MSE) and their application in technical actuator systems. MSE consist of an elastic matrix containing suspended magnetically soft and/or hard particles. Additionally, they can also contain silicone oil, graphite particles, thermoplastic components, etc., in various concentrations in order to tune specific properties such as viscosity, conductivity and thermoelasticity, respectively. The focuses of investigations are the beneficial properties of MSE in prototypes for locomotion and manipulation purposes that possess an integrated sensor function. The research follows the principle of a model-based design, i.e. the working steps are ideation, mathematical modelling, material characterization as well as building first functional models (prototypes). The developed apedal (without legs) and non-wheeled locomotion systems use the interplay between material deformations and the mechanical motion in connection with the issues of control and stability. Non-linear friction phenomena lead to a monotonous forward motion of the systems. The aim of this study is the design of such mechanical structures, which reduce the control costs. The investigations deal with the movement and control of 'intelligent' mechanisms, for which the magnetically field-controlled particle-matrix interactions provide an appropriate approach. The presented grippers enclose partially gripped objects, which is an advantage for handling sensitive objects. Form-fit grippers with adaptable contour at the contact area enable a uniform pressure distribution on the surface of gripped objects. Furthermore, with the possibility of active shape adaptation, objects with significantly differing geometries can be gripped. To realise the desired active shape adaptation, the effect of field-induced plasticity of MSE is used. The first developed prototypes mainly confirm the functional principles as such without direct application. For this, besides the ability of locomotion and manipulation itself, further technological possibilities have to be added to the systems.



Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. - In: Magnetic hybrid-materials, (2022), S. 625-652

Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to inplane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.



Zentner, Lena; Henning, Stefan; Fröhlich, Thomas
Design of compliant mechanisms based on rigid-body mechanisms. - In: Romanian journal of technical sciences, ISSN 2601-5811, Bd. 67 (2022), 1, S. 61-78

The design of compliant mechanisms is a much more complicated task than their analysis. Consequently, there are many more methods available for the analysis of compliant mechanisms than for their synthesis. In this article, a contribution to the synthesis of compliant mechanisms is made by presenting a comparison of two different methods for their design. In both methods rigid-body systems are used as a basis for compliant mechanisms. Depending on the task of the compliant mechanism, one of these methods can be selected and applied. The deviations between the results of the used theory and measurement results as well as FEM results are less than 5.5 % for displacements and acting forces. Selected mechanisms for the realization of a straight-line motion of a point and for given relative motions are presented as examples.



Wittke, Martin; Wolf, Matthias; Weigert, Florian; Darnieder, Maximilian; Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Theska, René
Investigations on a torque-compensating adjustment drive for mechanically sensitive devices. - In: Proceedings of the 22nd International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2022), S. 81-82

Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana
Parametric instability of a vertically driven magnetic pendulum with eddy-current braking by a flat plate. - In: Nonlinear dynamics, ISSN 1573-269X, Bd. 109 (2022), 2, S. 509-529

The vertically driven pendulum is one of the classical systems where parametric instability occurs. We study its behavior with an additional electromagnetic interaction caused by eddy currents in a nearby thick conducting plate that are induced when the bob is a magnetic dipole. The known analytical expressions of the induced electromagnetic force and torque acting on the dipole are valid in the quasistatic limit, i.e., when magnetic diffusivity of the plate is sufficiently high to ensure an equilibrium between magnetic field advection and diffusion. The equation of motion of the vertically driven pendulum is derived assuming that its magnetic dipole moment is aligned with the axis of rotation and that the conducting plate is horizontal. The vertical position of the pendulum remains an equilibrium with the electromagnetic interaction. Conditions for instability of this equilibrium are derived analytically by the harmonic balance method for the subharmonic and harmonic resonances in the limit of weak electromagnetic interaction. The analytical stability boundaries agree with the results of numerical Floquet analysis for these conditions but differ substantially when the electromagnetic interaction is strong. The numerical analysis demonstrates that the area of harmonic instability can become doubly connected. Bifurcation diagrams obtained numerically show the co-existence of stable periodic orbits in such conditions. For moderately strong driving, chaotic motions can be maintained for the subharmonic instability.



https://doi.org/10.1007/s11071-022-07555-8
Behn, Carsten; Will, Christoph; Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim
Bending vibration systems which are complementary with respect to eigenvalues. - In: Mechatronics and life sciences, (2022), S. 277-286

In developing prototypes, one fundamental activity is to model appropriate systems which mimic fundamental features of (biological) paradigms. In this way, we set up different models for the investigation of natural frequencies. The aim is to detect object contacts of technical sensors in observing their vibration behavior. For this, we compare the range and the shift of natural frequencies determined from the analysis of the arising two-point boundary-value problems. In particular, we found two systems with complementary spectra of eigenvalues. Considering boundary damping we analyzed these eigenvalues in the first octant of the complex plane. The fundamental result is that these two systems offer no common eigenvalue, they are alternative. This is an interesting and unique observation.



Platl, Vivien; Zentner, Lena
An analytical method for calculating the natural frequencies of spatial compliant mechanisms. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 175 (2022), 104939, S. 1-17

Compliant mechanisms are becoming increasingly important in both research and industry. The design and the static analysis of such mechanisms has made much progress in recent years, yet comparatively little research has been done on their dynamic behaviour. The aim of this paper is to advance the dynamic analysis of spatial compliant mechanisms by pursuing the calculation of their natural frequencies. So far, their determination is only possible with time-consuming 3D-FEM simulations or via pseudo-rigid-body models and Lagrangian equations. An analytical method is developed to simplify and accelerate the calculation of the natural frequencies of compliant mechanisms. The method is integrated into an algorithm on which a graphical user interface is developed to allow the design and calculation of the system in the most time efficient and intuitive way. The results are verified by 3D-FEM simulations and validated through an experiment. The evaluation shows good agreement with the reference models. The results of this paper allow a reliable and efficient calculation of natural frequencies and serve to facilitate further work regarding the dynamic analysis of compliant mechanisms.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2022.104939
Harfensteller, Felix; Henning, Stefan; Zentner, Lena; Husung, Stephan
Modeling of corner-filleted flexure hinges under various loads. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 175 (2022), 104937, S. 1-11

Compliant mechanisms are widely applied in precision engineering, measurement technology and microtechnology, due to their potential for the reduction of mass and assembly effort through the integration of functions into fewer parts and an increasing motion repeatability through less backlash and wear, if designed appropriately. However, a challenge during the design process is the handling of the multitude of geometric parameters and the complex relations between loads, deformations and strains. Furthermore, some tasks such as the dimensioning by means of optimization or the modeling for a controller design require a high number of analysis calculations. From this arises the need for sufficient computational analysis models with low calculation time. Existing studies of analysis models are mostly based on selected load cases, which may limits their general validity. The scope of this article is the comparison of models for the analysis of corner-filleted flexure hinges under various loads, to determine their advantages, disadvantages and application fields. The underlying methods of the study can further be used to evaluate future models based on a broad selection of possible load cases.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2022.104937
Zimmermann, Martin;
Untersuchung des Feuchtetransportes und dessen Einfluss auf Form- und Eigenspannungsänderungen in Furnieren. - Düren : Shaker Verlag, 2022. - XII, 181 Seiten. - (Berichte aus der Mechanik)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

ISBN 978-3-8440-8523-5

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, die Untersuchung der Feuchteaufnahme und -weiterleitung in Furnieren, wie sie während der industriellen Verarbeitung vorkommt. Es steht damit die Aufnahme von freiem Wasser einschließlich der damit einhergehenden quellungsbedingten Form- und Eigenspannungsänderungen bei Furnieren im Fokus der Betrachtungen. Hierzu werden, nach Vorstellung ausgewählter Grundlagen aus Forschung und Technik, Konzeption und Realisierung experimenteller Untersuchungen erläutert. Die am Beispiel von Rotbuchenfurnier (Fagus Sylvatica L.) durchgeführten Untersuchungen unterscheiden dabei zwischen Versuchsreihen zur Wasseraufnahme und der damit verbundenen Verformungsentwicklung. Die Randbedingungen der verschiedenen Messreihen berücksichtigen für Holz typische anatomische Eigenschaften (z. B. Faserausrichtung), relevante Befeuchtungsszenarien aus der industriellen Furnierverarbeitung (einseitige, zweiseitige und allseitige Feuchtezufuhr) sowie Einflüsse aus der Furnierherstellung (Unterscheidung rissbehaftete/rissfreie Furniersichtseite). Darüber hinaus ist die mathematische Beschreibung der Feuchtebewegung in Furnieren Gegenstand der Arbeit. So werden auf Basis der Fick’schen Diffusionsgesetze, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, feuchteabhängige Kennwertverläufe (Transportkoeffizienten) für longitudinalen und radialen Feuchtetransport in Rotbuchenfurnier abgeleitet. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Feuchtetransport in Furnier sehr gut mit Hilfe der entwickelten Modelle beschrieben werden kann. Ferner werden, basierend auf den durchgeführten Untersuchungen, ein für Furnier typisches und von Vollholzerzeugnissen abweichendes Verformungsverhalten herausgestellt sowie allgemeine Aussagen zur Formstabilität von Furnieren abgeleitet.



Platl, Vivien; Lechner, Leo; Mattheis, Thomas; Zentner, Lena
Development of a calculation tool for the natural frequencies of planar compliant mechanisms :
Entwicklung eines Berechnungstools für die Eigenfrequenzen von planaren nachgiebigen Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75420
Henning, Stefan; Zentner, Lena
Analytical calculation of the deformation behavior of spatial compliant mechanisms :
Analytische Berechnung des Verformungsverhaltens räumlicher nachgiebiger Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75435
Jahn, Hannes; Henning, Stefan; Zentner, Lena
CoMSys - a GUI-based calculation tool for the analysis and optimisation of compliant mechanisms :
CoMSys - ein GUI-basiertes Berechnungstool zur Analyse und Optimierung nachgiebiger Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75432
Torres Melgarejo, Mario André; Henning, Stefan; Zentner, Lena; Theska, René
On the influence of geometrical deviations of flexure hinges on the trajectory behaviour of straight-line compliant mechanisms for ultra-precision applications :
Zum Einfluss von geometrischen Abweichungen von Festkörpergelenken auf das Bahnverhalten von nachgiebigen Geradführungsmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/75447
Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Gast, Simon; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Actuators based on a controlled particle-matrix interaction in magnetic hybrid materials for applications in locomotion and manipulation systems. - In: Physical sciences reviews, ISSN 2365-659X, Bd. 7 (2022), 11, S. 1263-1290

The paper deals with the investigation of magneto-sensitive elastomers (MSE) and their application in technical actuator systems. MSE consist of an elastic matrix containing suspended magnetically soft and/or hard particles. Additionally, they can also contain silicone oil, graphite particles, thermoplastic components, etc., in various concentrations in order to tune specific properties such as viscosity, conductivity and thermoelasticity, respectively. The focuses of investigations are the beneficial properties of MSE in prototypes for locomotion and manipulation purposes that possess an integrated sensor function. The research follows the principle of a model-based design, i.e. the working steps are ideation, mathematical modelling, material characterization as well as building first functional models (prototypes). The developed apedal (without legs) and non-wheeled locomotion systems use the interplay between material deformations and the mechanical motion in connection with the issues of control and stability. Non-linear friction phenomena lead to a monotonous forward motion of the systems. The aim of this study is the design of such mechanical structures, which reduce the control costs. The investigations deal with the movement and control of 'intelligent' mechanisms, for which the magnetically field-controlled particle-matrix interactions provide an appropriate approach. The presented grippers enclose partially gripped objects, which is an advantage for handling sensitive objects. Form-fit grippers with adaptable contour at the contact area enable a uniform pressure distribution on the surface of gripped objects. Furthermore, with the possibility of active shape adaptation, objects with significantly differing geometries can be gripped. To realise the desired active shape adaptation, the effect of field-induced plasticity of MSE is used. The first developed prototypes mainly confirm the functional principles as such without direct application. For this, besides the ability of locomotion and manipulation itself, further technological possibilities have to be added to the systems. The first steps are therefore being taken towards integrated MSE based adaptive sensor systems.



https://doi.org/10.1515/psr-2019-0087
Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. - In: Physical sciences reviews, ISSN 2365-659X, Bd. 7 (2022), 10, S. 1063-1090

Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to in-plane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.



https://doi.org/10.1515/psr-2019-0125
Steinmeier, René;
Ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXIII, 120 Seiten)
Ilmenau, TU Ilmenau, Dissertation 2020

Der Gegenstand der Arbeit ist die Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben durch magnetisch kontrollierbare Fluide, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen unter Einbeziehung des Magnetfeldes und des Wärmestromes. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik gibt einen Überblick über magnetische und rheologische Flüssigkeiten und zeigt die Anwendungsmöglichkeiten magnetisch kontrollierbarer Fluide. In Voruntersuchungen wird der kraftverstärkende Einfluss des Ferrofluids im Luftspalt eines Eisenkreises dargestellt und mittels des FEM-Simulationswerkzeuges COMSOL nachgebildet und berechnet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Modellierung, bei der das Taylor-Couette-System die Basis bildet und die Navier-Stokes-Gleichungen das Strömungsverhalten im System beschreiben. Berechnungen zum Geschwindigkeitsfeld bei konstanter und variabler Viskosität werden durchgeführt und ein Temperaturmodell, angenähert an das Verhalten des Elektromotors, analytisch hergeleitet. Nach den theoretischen Untersuchungen am Taylor-Couette-Modell als Abstraktionsstufe für einen Elektromotor folgt die experimentelle Evaluierung am Prototyp einer ferrofluidunterstützten permanenterregten Synchronmaschine. Dem konstruktiven Entwicklungsprozess folgend, wird eine simulative Berechnung des Prototyps mit der FE-Software COMSOL durchgeführt. Die Messergebnisse zum Erwärmungs- und Dauerlauf werden detailliert dargestellt. Das Ferrofluid ist in diesem genannten Kontext ein effizienzsteigerndes Element. Im letzten Teil der Arbeit wird eine innovative Entwicklung vorgestellt, bei dem, im Unterschied zu dem Antrieb aus den Kapiteln 3 und 4, eine magnetisch kontrollierbare rheologische Flüssigkeit ein funktionsbestimmendes Element ist. Die modellbasierte Untersuchung und die Prototypenbeschreibung sowohl eines rotatorischen, als auch translatorischen Antriebes schließen die Arbeit ab.



https://doi.org/10.22032/dbt.48855
Luo, Yinnan; Zirkel, Marten; Römer, Ulrich J.; Zentner, Lena; Fidlin, Alexander
Improving energy efficiency of bipedal walking using nonlinear compliant mechanisms. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100197, S. 1-3

A method to improve the energy efficiency of a bipedal robot by coupling its thighs with compliant smart mechanisms is introduced. The walking gaits are driven by electric motors in its revolute joints, whose reference trajectories are generated via numerical optimization. The optimized nonlinear characteristic of the compliant mechanism modifies the free oscillation frequency of the system that matches the current double step frequency even under different conditions, which results in a very high energy efficiency.



https://doi.org/10.1002/pamm.202100197
Merker, Lukas; Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Soft touch between a highly flexible bio-inspired tactile sensor and 3D objects. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100003, S. 1-3

Scanning and reconstructing the environment using tactile sensors alongside optical sensors is a promising approach in mobile robotics. Within the present paper, we take advantage of a recently presented vibrissa-inspired tactile sensor concept for 3D object scanning and reconstruction, broadening our previous studies. The sensor consists of a slender, cylindrical, highly flexible probe, one-sided clamped to some force-torque measuring device. The probe is shifted relatively to an object of interest by displacing its clamping position quasi-statically. Consequently, the probe gets bent, sweeps over the object and transmits mechanical signals (observables) to its support. The focus of the present investigation is on how the probe sweeps over a new type of object (paraboloid), verifying a necessary condition for optional contact points. Finally, this condition allows to find multiple equilibrium states for a single clamping position.



https://doi.org/10.1002/pamm.202100003
Zirkel, Marten; Luo, Yinnan; Fidlin, Alexander; Zentner, Lena
Synthesis of a compliant system from a given curve :
Synthese eines Nachgiebigen Systems mit gegebener Kennlinie. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 87-88

https://doi.org/10.17185/duepublico/74063
Linß, Sebastian; Henning, Stefan; Zhao, Chengwu; Erbe, Torsten
Das Biege-Torsions-Steifigkeitsverhältnisses von Festkörpergelenken mit Standard- und Polynomkonturen :
The bending-torsion-stiffness ratio of flexure hinges with common and polynomial notch shapes. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 74-75

https://doi.org/10.17185/duepublico/74059
Harfensteller, Felix; Henning, Stefan; Linß, Sebastian
Comparison of nonlinear continuum beam models with finite beam models for the analysis of compliant mechanisms :
Vergleich nichtlinearer Kontinuums-Balkenmodelle mit finiten Balkenmodellen für die Analyse nachgiebiger Mechanismen. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 58-61

Nachgiebige Mechanismen haben sich für eine Vielzahl von Anwendungen in der Feinwerk-, Mess- und Mikrotechnik etabliert. Für den iterativen Entwurf sowie die Optimierung von nachgiebigen Mechanismen besteht ein Bedarf an zeiteffizienten Analysemodellen mit möglichst geringen Abweichungen zum gefertigten Mechanismus. Hierfür wurden eine Reihe verschiedener Modellierungsansätze zur Beschreibung des Bewegungsverhaltens entwickelt und untersucht, unter denen nichtlineare Kontinuums-Balkenmodelle und nichtlineare finite Balkenmodelle ein hohes Potenzial zeigen. Trotz der ähnlichen Ansätze der Balkentheorie ergeben sich Unterschiede im Einsatz beider Modelle, die aufbauend auf den Ergebnissen bestehender Veröffentlichungen im Rahmen dieses Beitrages näher diskutiert werden.



https://doi.org/10.17185/duepublico/74053
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Zentner, Lena
Synthesis method for the determination of suitable geometric parameters of flexure hinges :
Synthesemethode zur Bestimmung geeigneter Geometrieparameter von Festkörpergelenken. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 28-29

https://doi.org/10.17185/duepublico/74040
Warsito, Indhika Fauzhan; Machts, René; Griebel, Stefan; Fiedler, Patrique; Haueisen, Jens
Influence of silver/silver chloride electroless plating on the Shore hardness of polyurethane substrates for dry EEG electrodes. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 7 (2021), 2, S. 9-12

Dry electrodes enable a shorter preparation time for infant EEG. Since infant skin is more sensitive than adult skin, soft electrodes are required to reduce the mechanical stress for this sensitive skin. Thus, soft electrodes are crucial for eventual repetitive and long-term use like in neonatal intensive care units. A biocompatible polyurethane (PU) can be produced in low hardness resulting in a soft and flexible electrode substrate. Silver/silver chloride (Ag/AgCl) electroless plating provides a conductive, electrochemically stable coating but the process may alter the mechanical properties of the electrode substrate. In this study, we assess the hardness of PU material before and after Ag/AgCl plating. The test sample design for Shore hardness measurement is based on ISO 7619-1:2010. Sample production consists of a 3D print master model, silicone molding, PU casting, and finally electroless plating. UPX 8400-1 (Sika AG, Switzerland) is used for the sample substrates. Test samples are produced with 7 different Shore hardness (range A40-A95) and 14 samples (each hardness: 1 uncoated and 1 coated). The hardness measurements are carried out with a lever-operated test stand Shore hardness tester model with a digital hardness tester (TI-AC with HDA 100-1, KERN & SOHN GmbH, Germany). It is shown that there is a hardness increase (Shore A) due to Ag/AgCl coating with a grand average of 1.1±0.7 (p<0.05). The largest increase of 2.1±0.2 is seen on the initial lowest Shore hardness sample (Shore hardness: 43.4±0.1). The absolute increase of hardness due to the Ag/AgCl coating decreases with increasing substrate hardness. It is concluded that there is no strong hardness increase of PU substrates due to Ag/AgCl plating. Therefore, the material is suitable as a soft electrode for repetitive and long-term use in infant applications.



https://doi.org/10.1515/cdbme-2021-2003
Luo, Yinnan; Römer, Ulrich; Riegraf, Sören; Fidlin, Alexander; Zirkel, Marten; Zentner, Lena
Anwendung einer Homotopie-Optimierungs-Methode zur Identifikation der Modellparameter eines Roboterprototyps. - In: Schwingungen 2021, (2021), S. 259-271

Bei der Entwicklung eines Roboter Prototyps mit fünf Segmenten sind die Systemparameter zu identifizieren, die für den modellbasierten Regelungsentwurf notwendig sind. Die periodische Gehbewegung bei konstanter Geschwindigkeit wird durch die geregelten Schwingungen der Beine erzeugt. Das dynamische Experiment in Form eines Doppelpendels wird auf der Hälfte des Prototyps inklusive einem Oberschenkel und einem Unterschenkel durchgeführt. Die Rotationswinkel in der Hüfte- und Kniegelenke wird durch zwei Winkelsensoren aufgenommen. Das Parameteridentifikationsprocess wird als ein Homotopie-Methode basiertes Optimierungsproblem formuliert, das die Abweichung zwischen der gemessenen Zeitreihe und der simulierten Winkel-Trajektorie minimiert. Währenddessen werden die Anfangsbedingungen der Simulation, Sensorkalibrierung und Systemparameter variiert, bis ein globales Minimum erreicht ist. Die vorgestellte Methode zeigt eine zuverlässige und reproduzierbare Abschätzung der Parameter auf das reale System.



https://elibrary.vdi-verlag.de/10.51202/9783181023914-259
Zirkel, Marten; Fidlin, Alexander; Zentner, Lena
Eine Methode zum Design von nachgiebigen Systemen mit KI Unterstützung. - In: 14. Kolloquium Getriebetechnik, (2021), S. 63-72

In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, mit deren Hilfe ein nachgiebiges System mit einen gewünschten qualitativen Momenentenverlauf erstellt werden kann. Die Methode basiert auf einem neuronalen Netz, das auf Grundlage dieses Verlaufes ein System vorschlägt. Ein nachgiebiges System besteht aus der Kombination von maximal zwei nachgiebigen Elementen (NE) mit vier Randbedingungen, welche immer mit zwei Starrkörpern verbunden sind. Die Starrkörper teilen sich ein Drehgelenk. Durch die Kombination von zwei NE und vier Randbedingungen lassen sich bis zu 168 verschiedene nachgiebige Systeme bilden. Die Berechnung des Momentenverlaufs beruht auf der Theorie großer nichtlinearer Verformungen stabförmiger Strukturen. Es wird gezeigt, dass KI-basierte Methoden zum Design von nachgiebigen Systemen erfolgreich eingesetzt werden können.



Scharff, Moritz;
Bio-inspired tactile sensing : analysis of the inherent characteristics of a vibrissa-like tactile sensor. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (xviii, 169 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Die Weiterentwicklung taktiler Sensoren gewinnt an Bedeutung bspw. durch eine verstärkte Anwendung taktiler Sensoren zur Navigation in unbekannten Umgebungen von autonomen mobilen Robotern. Eine Möglichkeit taktile Sensoren weiter zu entwickeln ist, sich - wie auch schon andere Entwicklungen zeigen - der Natur zu bedienen, Vorbilder zu identifizieren, diese fundamental zu analysieren und als wesentlich befundene Eigenschaften und Funktionstüchtigkeiten zu adaptieren. Ratten besitzen auffällige Tasthaare an beiden Seiten der Schnauze, sogenannte Vibrissen. Diese sind gekennzeichnet durch einen langen, schlanken und natürlich vorgekrümmten Haarschaft mit konischem Querschnittsverlauf. Der Haarschaft wird von einem Haarfollikel gehalten, der sich unter der Haut befindet und in dem überdies Mechanorezeptoren zur Reizdetektion zu finden sind. Während der Erkundung von unbekannten Umgebungen und Objekten setzen Ratten ihre Vibrissen ein, um bspw. die Form oder Textur eines Objektes zu bestimmen, indem die Vibrisse daran entlang bewegt wird. Die Informationsaufnahme wird im Haarfollikel durch die Mechanorezeptoren realisiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dieses komplexen und hochentwickelten Sensorsystems der Natur für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Eigenschaften einer Vibrisse sind synergetisch und beeinflussen ihre Funktionen in bedeutendem Maß. Deshalb wird das natürliche Vorbild detailliert analysiert und mit den Konzepten des biomechatronischen Systems und des Reizleitungsapparats beschrieben und auf dieser Basis ein Vibrissen-ähnlicher Sensor entworfen, um die inhärenten Eigenschaften eines solchen Sensorsystems zu untersuchen. Um die Funktionstüchtigkeit des entworfenen Protoyps, aufgebaut auf Basis der detaillierten Vorabanalyse, zu untersuchen, werden verschiedene Testobjekte, einschließlich verschiedener Oberflächenbeschaffenheiten, mit dem Sensor vermessen. Anhand der aufgezeichneten Messsignale zeigt sich, dass ein Objekt durch seine generelle Form sowie seine makroskopische und mikroskopische Oberflächenstruktur beschrieben werden kann. Die genannten Informationen überlagern sich in den gemessenen Signalen und müssen für eine weiterführende Auswertung extrahiert werden. Der Abstand zwischen Sensorlagerung und Objekt hat entscheidenden Einfluss. Makroskopische Oberflächenelemente lassen sich im Abstand von 80% der Länge des Sensorschafts besonders gut detektieren. Ein mittlerer Abstand, ca. 60% der Länge des Sensorschafts, unterstützt die Erfassung der Eigenschaften einer mikroskopischen Textur. Hingegen ist ein kleiner Abstand von 45% der Sensorschaftlänge besonders geeignet zur Detektion der generellen Form des Objekts. Diese Effekte sind in enger Verbindung zur Elastizität des Sensorschafts zu interpretieren. Beispielsweise verhindert die starke Krümmung des Sensorschafts in Folge eines kleinen Objektabstandes eine Detektion von makroskopischen Oberflächenelementen wie Rillen und Stufen, da sich der Sensorschaft in dieser Konfiguration wie ein adaptiver morphologischer Filter auswirkt und damit eine inhärente Eigenschaft des Sensorsystems ist. Der Übergang zwischen der makroskopischen und mikroskopischen Oberflächenstruktur wird durch den Durchmesser der Spitze des Sensorschafts bestimmt. Oberflächenstrukturelemente, die kleiner als dieser Durchmesser sind, gehören zur mikroskopischen Oberflächenstruktur. Daraus folgt, dass auch der Durchmesser der Spitze eine inhärente Eigenschaft ist. Eine weitere inhärente Eigenschaft wird bei der Detektion einer mikroskopischen Oberflächenstruktur erkennbar. Wenn der, sich im Kontakt befindende, stark verformte, Sensorschaft so bewegt wird, dass die konkave Seite des Sensorschafts in Bewegungsrichtung zeigt, werden die erfassten Signale verstärkt - im Vergleich zur entgegengesetzten Bewegungsrichtung. Unter Berücksichtigung der genannten und weiterer Ideen, wird der durch eine natürliche Vibirsse inspirierte Sensor in der vorliegenden Arbeit untersucht.



https://doi.org/10.22032/dbt.47879
Gast, Simon; Prem, Nina; Schale, Florian; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Vklad v mechaniku mnogoslojnoj podatlivoj sistemy s priloženijami dlja mjagkoj robototechniki :
A contribution to the mechanics of a multi-layered compliant system with applications for soft robotics. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 2(83), Seite 7-17

Griebel, Alexandra; Henning, Stefan; Griebel, Stefan; Schale, Florian; Fröhlich, Thomas; Töpfer, Hannes; Zentner, Lena
Naučnye issledovanija na osnove modelirovanija s cel&softcy;ju raspoznavanija sily putem monitoringa a deformacionnogo sostojanija gibkogo mechanizma :
Model-based investigations of force detection by monitoring the deformation state of a compliant mechanism. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 3(84), Seite 51-62

A strong, long-lasting pressure on the human skin whose effect is increased by shear forces can lead to the development of a pressure ulcer (decubitus). In order to minimize the risk of pressure ulcers developing, critical forces acting between the body and a sitting or lying surface should be detected and eliminated in time. One possibility for detecting critical forces is the actuation of tactile switches. In this article, miniature tactile switches are integrated into a compliant mechanism using the example of a MATF1 mattress spring made by Hartmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG. For this purpose, the deformation behavior of the spring is analyzed by means of non-linear analytical and finite elements method (FEM) calculations and the required tactile switches parameters as well as suitable locations for their placement are determined. A functional model is then built and examined.



Prem, Nina; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus; Gowda, Darshan Kare; Odenbach, Stefan
Synthesis and characterization of the properties of thermosensitive elastomers with thermoplastic and magnetic particles for application in soft robotics. - In: Journal of applied polymer science, ISSN 1097-4628, Bd. 138 (2021), 44, 51296, insges. 14 S.

In the currently rapidly developing field of soft robots, smart materials with controllable properties play the central role. Thermosensitive elastomers are soft, smart materials whose material properties can be controlled by changing their temperature. The aim of this work is to investigate the mechanical properties, to analyze the surface, the inner structure, and the heat transfer within the thermosensitive elastomer materials. This should provide a knowledge base for new combinations, such as a combination of thermosensitive and the well-known magneto sensitive elastomers, in order to realize new applications. Thermoplastic polycaprolactone particles were incorporated into a flexible polydimethylsiloxane matrix to produce thermosensitive elastomer samples. With a low melting point in the range of 58-60&ring;C, polycaprolactone offers good application potential compared to other thermoplastic materials such as polymethamethylacrylate with a melting point above 160&ring;C. Test samples of different material compositions and geometries were made to examine temperature-depending material properties. Two useful effects were identified: temperature-dependent change in stiffness and the shape memory effect. In certain examinations, carbonyl iron particles were also included to find out if the two particle systems are compatible with each other and can be combined in the polydimethylsiloxane matrix without disadvantages. Changes in shore hardness before and after the influence of temperature were investigated. Micro computed tomography images and scanning electron microscopy images of the respective samples were also obtained in order to detect the temperature influence on the material internally as well as on the surface of the thermosensitive elastomers in combination with carbonyl iron particles. In order to investigate the heat transfer within the samples, heating tests were carried out and the influence of different particle concentrations of the thermosensitive elastomers with and without carbonyl iron particles was determined. Further work will focus on comprehensive investigations of thermo-magneto-sensitive elastomers, as this will enable the functional integration in the material to be implemented with increased efficiency. By means of the different investigations, the authors see future applications for this class of materials in adaptive sensor and gripper elements in soft robotics.



https://doi.org/10.1002/app.51296
Ortlepp, Ingo; Fröhlich, Thomas; Füßl, Roland; Reger, Johann; Schäffel, Christoph; Sinzinger, Stefan; Strehle, Steffen; Theska, René; Zentner, Lena; Zöllner, Jens-Peter; Rangelow, Ivo W.; Reinhardt, Carsten; Hausotte, Tino; Cao, Xinrui; Dannberg, Oliver; Fern, Florian; Fischer, David; Gorges, Stephan; Hofmann, Martin; Kirchner, Johannes; Meister, Andreas; Sasiuk, Taras; Schienbein, Ralf; Supreeti, Shraddha; Mohr-Weidenfeller, Laura; Weise, Christoph; Reuter, Christoph; Stauffenberg, Jaqueline; Manske, Eberhard
Tip- and laser-based 3D nanofabrication in extended macroscopic working areas. - In: Nanomanufacturing and metrology, ISSN 2520-8128, Bd. 4 (2021), 3, S. 132-148

The field of optical lithography is subject to intense research and has gained enormous improvement. However, the effort necessary for creating structures at the size of 20 nm and below is considerable using conventional technologies. This effort and the resulting financial requirements can only be tackled by few global companies and thus a paradigm change for the semiconductor industry is conceivable: custom design and solutions for specific applications will dominate future development (Fritze in: Panning EM, Liddle JA (eds) Novel patterning technologies. International society for optics and photonics. SPIE, Bellingham, 2021. https://doi.org/10.1117/12.2593229). For this reason, new aspects arise for future lithography, which is why enormous effort has been directed to the development of alternative fabrication technologies. Yet, the technologies emerging from this process, which are promising for coping with the current resolution and accuracy challenges, are only demonstrated as a proof-of-concept on a lab scale of several square micrometers. Such scale is not adequate for the requirements of modern lithography; therefore, there is the need for new and alternative cross-scale solutions to further advance the possibilities of unconventional nanotechnologies. Similar challenges arise because of the technical progress in various other fields, realizing new and unique functionalities based on nanoscale effects, e.g., in nanophotonics, quantum computing, energy harvesting, and life sciences. Experimental platforms for basic research in the field of scale-spanning nanomeasuring and nanofabrication are necessary for these tasks, which are available at the Technische Universität Ilmenau in the form of nanopositioning and nanomeasuring (NPM) machines. With this equipment, the limits of technical structurability are explored for high-performance tip-based and laser-based processes for enabling real 3D nanofabrication with the highest precision in an adequate working range of several thousand cubic millimeters.



https://doi.org/10.1007/s41871-021-00110-w
Zuniga, M. Geraldine; Hügl, Silke; Engst, Benjamin G.; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
The effect of ultra-slow velocities on insertion forces : a study using a highly flexible straight electrode array. - In: Otology & neurotology, ISSN 1537-4505, Bd. 42 (2021), 8, S. e1013-e1021

Objective: The present study sought to 1) characterize insertion forces resulting from a flexible straight electrode array (EA) inserted at slow and ultra-slow insertion velocities, and 2) evaluate if ultra-slow velocities decrease insertion forces independent of other variables. Background: Low insertion forces are desirable in cochlear implant (CI) surgery to reduce trauma and preserve hearing. Recently, ultra-slow insertion velocities (lower than manually feasible) have been shown to produce significantly lower insertion forces using other EAs. Methods: Five flexible straight EAs were used to record insertion forces into an inelastic artificial scala tympani model. Eleven trial recordings were performed for each EA at five predetermined automated, continuous insertion velocities ranging from 0.03 to 1.6 mm/s. Results: An ultra-slow insertion velocity of 0.03 mm/s resulted in a median insertion force of 0.010 N at 20 mm of insertion depth, and 0.026 N at 24.3 mm - the final insertion depth. These forces represent only 24 to 29% of those measured using 1.6 mm/s. After controlling for insertion depth of the EA into the artificial scala tympani model and trial insertion number, decreasing the insertion velocity from 0.4 to 0.03 mm/s resulted in a 50% decrease in the insertion forces. Conclusion: Using the tested EA ultra-slow velocities can decrease insertion forces, independent of variables like insertion depth. Our results suggest ultra-slow velocities can reduce insertion forces at least 60%, compared with humanly feasible continuous velocities (≥0.9 mm/s).



https://doi.org/10.1097/MAO.0000000000003148
Milojeviâc, Andrija; Linß, Sebastian; Handroos, Heikki
Soft robotic compliant two-finger gripper mechanism for adaptive and gentle food handling. - In: 2021 IEEE 4th International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), (2021), S. 163-168

In the field of soft robotics there is still a great need for a versatile, simple, and affordable gripper with a high level of adaptability to unknown objects of different sizes, shapes, and stiffness. Most of the existing soft robotic grippers are complex solutions realized with fluid-mechanically driven actuators, active smart materials, cable-driven actuation, and different form-closure principles. However, soft grippers based on compliant mechanisms are rarely introduced and explored so far. Therefore, we present a novel compliant two-finger gripper mechanism for adaptive and gentle gripping, especially of soft and easily squeezable objects like fruits, vegetables, sweets, and sushi. The structurally inherent adaptability is achieved using an optimally synthesized compliant mechanism in combination with a conventional linear actuator. Furthermore, the two-finger gripper passively realizes pinch (parallel) or/and encompass (power) grasping. It is shown by FEM simulations and confirmed by prototype tests that the developed gripper realizes both pinch and encompass grasping with high adaptability. A special advantage of the gripper is the possibility to achieve gentle food-handling of objects with comparable weight independent of the object shape, size, and position without the need for sensors. Moreover, the precise, safe, and fast manipulation of very delicate objects is exemplarily demonstrated for different sushi pieces using the gripper mechanism with an industrial robotic arm.



https://doi.org/10.1109/RoboSoft51838.2021.9479337
Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Schale, Florian; Kaufhold, Tobias; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Worm-like mobile robot based on a tensegrity structure. - In: 2021 IEEE 4th International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), (2021), S. 358-363

This work presents a novel concept to develop mobile robots enabling crawling locomotion in tubular environment. Chain-like systems are designed by serial cascading a uniform tensegrity module. Inspired by the movement of worms in nature, an undulating shape change of the system is targeted to generate locomotion. The shape changeability of an exemplary tensegrity module due to internal actuation is examined in simulations and experiments. A prototype consisting of these tensegrity modules is manufactured and the locomotion principle is verified in experiments. Comparing to existing prototypes this approach enables an enhanced compliance due to the modular assembly of tensegrity structures.



https://doi.org/10.1109/RoboSoft51838.2021.9479193
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Harfensteller, Felix; Torres, Mario; Zentner, Lena; Theska, René
High-precision and large-stroke XY micropositioning stage based on serially arranged compliant mechanisms with flexure hinges. - In: Precision engineering, Bd. 72 (2021), S. 469-479

Compliant mechanisms are state of the art in micropositioning stages due to their many beneficial features. However, their design usually compromises between motion range, motion accuracy and design space, while mechanisms with distributed compliance are mostly applied. The further use of flexure hinges with common notch shapes strongly limits the stroke in existing high-precision motion systems. Therefore, this paper presents a high-precision compliant XY micropositioning stage with flexure hinges capable of realizing a motion range of ± 10 mm along both axes. The stage is based on a novel plane-guidance mechanism, which is optimized to realize a precise rectilinear motion of the coupler link while keeping the rotation angles of all hinges below 5&ring;. The XY motion is then achieved by coupling two of these mechanisms in a serial arrangement. Next, the synthesis of the monolithic XY stage is realized by replacing all revolute joints of the rigid-body model with flexure hinges using optimized power function notch shapes. Emphasis is also placed on the embodiment design of the stage and the actuator integration to minimize possible error sources. Finally, the quasi-static behavior of the compliant stage is characterized by a simulation with a 3D FEM model and by an experimental investigation of a prototype. According to the results, the developed compliant XY micropositioning stage achieves a maximum positioning deviation of less than 10 μm in both axes and a yaw error of less than 100 μrad over a working range of 20 mm × 20 mm with a comparably compact design of the compliant mechanism of 224 mm × 254 mm.



https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.02.001
Henning, Stefan; Zentner, Lena
Analysis of planar compliant mechanisms based on non-linear analytical modeling including shear and lateral contraction. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 164 (2021), 104397, insges. 23 S.

Compliant mechanisms are commonly used in precision engineering while analyzing their deflection is particularly challenging. Often, FEM simulations are chosen in an iterative process. Analytical approaches that consider pure bending, shear or other effects are usually limited to the mechanism as a system. However, certain configurations comprise compliant elements with different aspect ratios. The aim of this paper is to integrate the theories of shear and lateral contraction into a unified form with the existing theory of bending for large deflections and make them applicable individually for specific sections of continuous compliant mechanisms. Recommendations are made as to when which theory should be used. Building on that, a comprehensive tool for analyzing compliant mechanisms developed in Python is introduced. The tool offers the possibility to create arbitrary compliant mechanisms including branched links and various boundary conditions. A tool for parametric studies allows to optimize the given geometry for realizing a specific motion task. Further, FEM and measurement results correlate well with the application results. The presented user interface can be beneficial for the accelerated analysis and synthesis of compliant mechanisms.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2021.104397
Chavez, Jhohan;
Theoretical and experimental investigations of magnetic hybrid materials and their application in soft gripping. - Ilmenau, 2021. - xix, 193 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Soft Robotics ist ein aktuelles Forschungsfeld. Die Anwendung mechanisch nachgiebiger Materialien in technischen Applikationen wird aktuell intensiv vorangetrieben. Intelligente nachgiebige Materialien, beispielsweise Materialien, die ihre mechanischen Eigenschaften reversibel ändern können, werden in immer mehr technischen Anwendungen eingesetzt. Vordergründig geschieht dies mit den Zielen der Funktionserweiterung und der individuellen reversiblen Anpassbarkeit an veränderte Umgebungsbedingungen. Magnetorheologische Elastomere sind intelligente nachgiebige Hybridmaterialien, bestehend aus einer Elastomermatrix, die mit ferromagnetischen Partikeln gefüllt ist. In Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung dieser Hybridmaterialien werden weich- oder hartmagnetische Partikel eingesetzt. Diese Materialien besitzen die besondere Fähigkeit, ihre mechanischen Eigenschaften zu ändern, wenn auf sie Magnetfelder einwirken. Diese vorteilhaft nutzbare Eigenschaft macht ihren Einsatz in zahlreichen technischen Anwendungen dort effizient, in welchen Strukturen mit reversibel veränderbarer mechanischer Nachgiebigkeit eingesetzt werden sollen. Bedingt durch ihre vorteilhaften Eigenschaften werden diese Materialien aktuell intensiv erforscht. Im Fokus der meisten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet stehen dabei die mechanische und magnetische Charakterisierung der Materialeigenschaften, sowie die Erarbeitung von Materialmodellen, die eine Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mit hoher Genauigkeit erlauben. Viele Effekte im Verhalten dieser Materialien sind aktuell noch nicht tiefgründig untersucht bzw. verstanden worden. In dieser Arbeit werden diese Hybridmaterialien aus ingenieurtechnischer Sicht betrachtet. Die Untersuchungen an diesen Materialien werden auf potentielle technische Applikationen fokussiert. Dabei wird der Schwerpunkt auf den magnetfeldinduzierten elasto-plastischen Effekt dieser Materialien, sowie auf die Nutzung dieses Effektes in einer exemplarischen technischen Anwendung, in End-Effektoren für die Greifertechnik, gelegt. In der Arbeit werden magnetorheologische Elastomere untersucht, die weichmagnetische Partikel in verschiedenen Volumenkonzentrationen enthalten. Im ersten Teil der Arbeit werden schwerpunktmäßig experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um geeignete Material- und Zusammensetzungsdesigns für das Hybridmaterial im Hinblick auf die gewünschte Anwendung definieren zu können. Mit Hilfe der anschließenden theoretischen Untersuchungen wird die Quantifizierung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien auf der Makro-Skala erreicht. Aufbauend auf diese Untersuchungen wird eine Methodik erarbeitet, die die Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mittels Anwendung der Finite-Elemente-Methode ermöglicht. Die exemplarische Verwendung dieser Materialien als End-Effektor beim Greifen von empfindlichen Objekten impliziert die formschlüssige Umhüllung der zu greifenden Gegenstände. Mit Magnetfeldern werden die Effekte der Nachgiebigkeitsänderung und der magnetfeldinduzierten Plastizität in diesen Hybridmaterialien stimuliert. Dadurch wird eine Formanpassung und damit formschlüssiges Greifen ermöglicht. In der Arbeit wird ein End-Effektor-Prototyp hergestellt und getestet, um die vorteilhafte Anwendbarkeit magnetorheologischer Elastomere in der Soft Robotics aufzuzeigen.



Sindersberger, Dirk; Prem, Nina; Monkman, Gareth; Zimmermann, Klaus
Self-sensing electroadhesive polymer gripper with magnetically controllable surface geometry. - In: Actuator 2021, (2021), S. 318-320

Schorr, Philipp; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
Jumping locomotion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Mechanical systems and signal processing, ISSN 1096-1216, Bd. 152 (2021), 107384

All known locomotion principles are limited respective to environmental conditions. Often, the occurrence of obstacles or gaps means the break-off for the operating motion systems. For such circumstances, a controllable jumping locomotion is required to cross these barriers. However, this locomotion demands sophisticated requirements to the actuation. The abrupt actuation is commonly realized by high dynamic actuators or complex mechanisms. In this work, a simple solution utilizing the multistability of a compliant tensegrity structure is described. Therefore, a two-dimensional tensegrity structure featuring four stable equilibria is considered. Based on bifurcation analyses a feasible actuation to control the current equilibrium configuration is derived. Changing between selected equilibrium states enables a great difference in potential energy, which yields a jumping motion of the structure. Based on numerical simulations a suitable actuation strategy is chosen to overcome obstacle and steps by jumping forward or backward, respectively. The theoretical approach is examined experimentally with a prototype of the multistable tensegrity structure.



https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107384
Schorr, Philipp; Chavez, Jhohan; Zentner, Lena; Böhm, Valter
Reconfiguration of planar quadrilateral linkages utilizing the tensegrity principle. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 156 (2021), 104172

The development of reconfigurable planar four-bar linkages by applying the tensegrity principle is considered. Conventional quadrilateral linkages enable two operation modes differing in the kinematic behavior. However, a change between these states is not possible due to the geometric constraints. To enable a reconfiguration between the different modes one-sided limited nonholonomic constraints are introduced in this work. This issue is realized by applying ropes that cannot resist compression. However, to guarantee an appropriate load case in operation a prestress within the mechanism is required. Hence, the linkage is extended to a tensegrity-based mechanism. The structural dynamics are derived using the Lagrange formalism and the structural behavior is evaluated using numerical simulations. Furthermore, a prototype of an exemplary tensegrity-based mechanism is manufactured and experiments regarding the mechanical properties, in particular the reconfiguration, are performed. The results suggest the potential benefit of applying the tensegrity principle within conventional planar four-bar linkages.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2020.104172
Chavez, Jhohan; Ziolkowski, Marek; Schorr, Philipp; Spieß, Lothar; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
A method to approach constant isotropic permeabilities and demagnetization factors of magneto-rheological elastomers. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 527 (2021), 167742

The use of non-conventional materials is nowadays of much interest in scientific community. Magneto-rheological elastomers are hybrid materials, which in presence of magnetic fields state a change in their mechanical properties. They are composed by an elastomeric matrix with embedded magnetic particles. One of the most attractive features of these materials is that as soon as the magnetic field is removed from the material, the original mechanical properties are completely recovered, with negligible differences in comparison to the original state. This paper focuses on the study of magnetic characteristics of these smart materials, such as relative permeability and demagnetizing factors, for samples with different volume concentration of ferromagnetic particles.



https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.167742
Milojeviâc, Andrija; Linß, Sebastian; âCojbašiâc, Žarko; Handroos, Heikki
A novel simple, adaptive, and versatile soft-robotic compliant two-finger gripper with an inherently gentle touch. - In: Journal of mechanisms and robotics, ISSN 1942-4310, Bd. 13 (2021), 1, S. 011015-1-11015-14

https://doi.org/10.1115/1.4048752
Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim; Marangoni, Rafael R.; Behn, Carsten
A vibrissa-inspired highly flexible tactile sensor: scanning 3D object surfaces providing tactile images. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 21 (2021), 5, 1572, insges. 29 S.

Just as the sense of touch complements vision in various species, several robots could benefit from advanced tactile sensors, in particular when operating under poor visibility. A prominent tactile sense organ, frequently serving as a natural paragon for developing tactile sensors, is the vibrissae of, e.g., rats. Within this study, we present a vibrissa-inspired sensor concept for 3D object scanning and reconstruction to be exemplarily used in mobile robots. The setup consists of a highly flexible rod attached to a 3D force-torque transducer (measuring device). The scanning process is realized by translationally shifting the base of the rod relative to the object. Consequently, the rod sweeps over the object’s surface, undergoing large bending deflections. Then, the support reactions at the base of the rod are evaluated for contact localization. Presenting a method of theoretically generating these support reactions, we provide an important basis for future parameter studies. During scanning, lateral slip of the rod is not actively prevented, in contrast to literature. In this way, we demonstrate the suitability of the sensor for passively dragging it on a mobile robot. Experimental scanning sweeps using an artificial vibrissa (steel wire) of length 50 mm and a glass sphere as a test object with a diameter of 60 mm verify the theoretical results and serve as a proof of concept.



https://doi.org/10.3390/s21051572
Griebel, Stefan;
Entwicklung und Charakterisierung fluidmechanischer nachgiebiger Aktuatoren am Beispiel eines multifunktionalen Sauggreifers. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (183, A-1 - A-53, LII Seiten). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik ; Band 6)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Zum Greifen verschiedener Greifobjekte finden fluidmechanische nachgiebige Aktuatoren (FNA) auf Silikonbasis als Greifer zunehmend Verbreitung. Aufgrund der stoffschlüssigen Bauweise ermöglichen diese die Integration verschiedener Funktionen auf Strukturebene. Vor allem zur Senkung des Hygienerisikos sind FNA für Greifaufgaben in Reinräumen und der Verpackungsindustrie in Form geschlossener Sauggreifer besonders geeignet. Die Untersuchung derartiger Sauggreifer ist Gegenstand dieser Arbeit. Im Rahmen der Arbeit wird ausgehend von verschiedenen Anwendungen eine allgemeine Klassifikation für FNA vorgestellt und entwickelte FNA anhand dieser eingeordnet. Die Entwicklung von FNA wird am Beispiel des geschlossenen Sauggreifers detailliert beschrieben. Eine der Besonderheiten des geschlossenen Sauggreifers ist, dass er im Gegensatz zu offenen Sauggreifern greifobjektseitig eine Membran aufweist. Die Membran ermöglicht neben der Trennung des Mediums im Innenraum des Sauggreifers vom Umgebungsmedium, auch das aktive, zeitlich sowie örtlich gezielte Ablegen von Greifobjekten. Eine weitere Besonderheit des gewählten Beispiels ist dessen nichtlineare Federkennlinie. Diese führt zu einem Bewegungsverhalten mit Durchschlag und ermöglicht die Adaption an verschiedene Objektlagen und -formen. Durch Modellbetrachtungen und experimentelle Untersuchungen von ausgewählten Geometrie und Materialparametern werden Beeinflussungsmöglichkeiten der Durchschlaggrößen aufgezeigt. Die Formulierung einer allgemeinen Vorgehensweise für das Erreichen festgelegter FNA-Kennwerte bilden dabei einen wesentlichen Beitrag dieser Arbeit. Darüber hinaus werden prinzipielle Lösungen für die Implementierung einer stoffkohärenten sowie nachgiebigen Sensorik für FNA auf Silikonbasis vorgestellt. Die Umsetzung der Sensorik wird am Beispiel des Sauggreifers beschrieben. Die Möglichkeit zur Ableitung qualitativer Aussagen zu Greifzustand, Greifobjektleitfähigkeit sowie zu den Greifprozessphasen wird diskutiert. Die für die Herstellung und Erprobung des multifunktionalen Sauggreifers notwendigen neuartigen Werkzeuge, Vorrichtungen und Prozesse werden im Rahmen der Arbeit jeweils beschrieben. Durch die Gesamtschau der untersuchten FNA-Eigenschaften, nichtlinearen Kennlinie, Adaptivität sowie Sensorisierung liefert die Arbeit einen Beitrag zu multifunktionalen FNA sowie auch zum Vorgehen bei deren Entwicklung.



https://doi.org/10.22032/dbt.46923
Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana
Dynamics of a magnetic pendulum in the presence of an oscillating conducting plate. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 20 (2021), 1, e202000083, insges. 2 S.

A pendulum with an attached permanent magnet moving near a conductor is a typical experiment for the demonstration of electromagnetic braking. When the conductor itself moves, it can transfer energy to the pendulum. We study a simple but exact analytical model where the conductor is a horizontally unbounded flat plate. For this geometry, eddy currents and induced Lorentz force due to the motion of a magnetic dipole are known analytically in the quasistatic limit. A vertical oscillation of such a horizontal plate located beneath the magnet is considered. In this setup, the vertical position of the pendulum is an equilibrium point when the magnetic moment of the magnet is perpendicular to its plane of motion. Depending on the strength of the magnetic dipole moment, the frequency and amplitude of the plate as well as the distance between plate and magnet, the plate oscillation can destabilize the equilibrium. The stability limits for weak electromagnetic coupling are computed analytically using the harmonic balancing method. For stronger coupling, the stability limits are obtained numerically using Floquet analysis. Chaotic motions with finite amplitudes are also found.



https://doi.org/10.1002/pamm.202000083
Zentner, Lena; Strehle, Steffen
Microactuators, microsensors and micromechanisms : MAMM 2020. - Cham : Springer, 2021. - 1 Online-Ressource (viii, 148 Seiten). - (Mechanisms and machine science ; Volume 96) ISBN 978-3-030-61652-6
Description based on publisher supplied metadata and other sources.

Intro -- Preface -- Contents -- A Novel Planar Two-Axis Leaf-Type Notch Flexure Hinge with Coincident Rotation Axes and Its Application to Micropositioning Stages -- 1 Introduction -- 2 Design of the Two-Axis Leaf-Type Notch Flexure Hinge -- 3 FEM-Based Investigation of the TLNFH -- 3.1 FEM Model -- 3.2 Parametric Study -- 3.3 Discussion of Results -- 4 Application to Compliant Micropositioning Stages -- 4.1 10-Hinge Rectilinear Stage -- 4.2 12-Hinge XY Stage -- 5 Conclusions -- References -- Characterization of Thin Flexure Hinges for Precision Applications Based on First Eigenfrequency -- 1 Introduction -- 2 Materials and Methods -- 2.1 Experiment -- 2.2 Theoretical Approaches -- 3 Results and Discussion -- 4 Conclusions and Outlook -- References -- Optimization of Compliant Path-Generating Mechanisms Based on Non-linear Analytical Modeling -- 1 Introduction -- 2 Analytical Model -- 2.1 Large Deflections of Rod-Like Structures -- 2.2 Modeling of Compliant Mechanisms as Continua -- 3 Verification of the Analytical Model by FEM Simulation -- 3.1 Analytical Solution -- 3.2 FEM Simulation -- 3.3 Results and Discussion -- 4 Analytical Optimization of Example Compliant Path-Generating Mechanisms -- 5 Conclusions -- References -- Modelling and Investigation of a Compliant Cable-Driven Finger-Like Mechanism -- 1 Introduction -- 2 Basic Concept of Compliant Cable-Driven Mechanism -- 3 Model and Simulation -- 3.1 Mechanical Model -- 3.2 Mathematical Model -- 4 Calculation Results -- 4.1 Bending Shapes Without Consideration of Gravity -- 4.2 Bending Shapes Under Consideration of Gravity -- 4.3 Bending Moment -- 5 Experimental Validation of the Model -- 5.1 Experimental Setup and Test Procedure -- 5.2 Test Results -- 6 Conclusions -- References -- Reconfigurable Planar Quadrilateral Linkages Based on the Tensegrity Principle -- 1 Introduction.



https://ebookcentral.proquest.com/lib/kxp/detail.action?docID=6381324
Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Torres, Mario; Kaletsch, Tobias; Theska, René; Zentner, Lena
A novel planar two-axis leaf-type notch flexure hinge with coincident rotation axes and its application to micropositioning stages. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 1-14

Compliant mechanisms with flexure hinges are well-suited for high-precision applications due to their smooth and repeatable motion. However, the synthesis of planar compliant mechanisms based on notch flexure hinges is mostly limited to the use of single-axis hinges due to the lack of certain multiple-axis flexure hinges. This contribution introduces a novel planar leaf-type notch flexure hinge with two coincident rotation axes based on circular pre-curved leaf springs. A generally suitable hinge geometry is determined through a parametric study using the finite element method (FEM). Finally, the two-axis flexure hinge is applied and investigated for the use in two planar micropositioning stages for the rectilinear guidance of an output link with a large centimeter stroke. The presented two-axis flexure hinge turns out to be a suitable approach to monolithically connect three links of a compliant mechanism in a planar and precise way.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_1
Darnieder, Maximilian; Harfensteller, Felix; Schorr, Philipp; Scharff, Moritz; Linß, Sebastian; Theska, René
Characterization of thin flexure hinges for precision applications based on first eigenfrequency. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 15-24

Flexure hinges with small cross-section heights are state of the art in numerous precision engineering applications due to their capability for smooth and repeatable motion. However, the high sensitivity to manufacturing influences represents a challenge. We propose a characterization method for flexure hinges based on the measurement of the free oscillation, to enable the consideration of manufacturing influences in the early stages of the design process. Three semi-circular flexure hinges with different cross-section heights and highly accurate geometry were investigated experimentally to compare them with three theoretical modeling approaches. The results for the three flexure hinge specimens showed small deviations to the predicted values from the models which is in agreement with the results of dimensional measurements. With each modeling approach, a deviation of the minimal notch height from the nominal value can be calculated. This value, in turn, can be used as manufacturing allowance for subsequent manufacturing of compliant mechanisms using the same manufacturing method. An exemplary compliant parallel-crank mechanism proves the applicability of the concept to compliant mechanisms with multiple flexure hinges.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_2
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Schneider, Julien David; Theska, René; Zentner, Lena
Optimization of compliant path-generating mechanisms based on non-linear analytical modeling. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 25-35

Monolithic compliant mechanisms are often used in precision engineering applications for path-generating tasks due to their many advantages. They are mostly realized with concentrated compliance in form of notch flexure hinges and achieve their motion due to bending of the hinges. This contribution presents the non-linear analytical modeling of compliant mechanisms with power function-based notch flexure hinges and their efficient optimization of the elasto-kinematic path-generating properties using MATLAB. Different planar mechanisms are analytically characterized with the theory for large deflections of curved rod-like structures. A verification of the analytical model is exemplified by FEM simulations for a four-hinge Watt mechanism as a point guidance mechanism and for a 12-hinge pantograph mechanism as a plane guidance mechanism. Further, the exponents of the power function contours for each hinge are individually optimized on the example of an Evans and a Roberts mechanism. This is achieved with the goal of minimizing the straight-line deviation of their coupler points realizing a stroke of 10 mm.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_3
Uhlig, René; Zentner, Lena; Wolfenstetter, Matthias
Modelling and investigation of a compliant cable-driven finger-like mechanism. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 36-47

This paper deals with the modelling of a compliant finger-like mechanism that is actuated by a single cable. The mechanism has a desired elastic deformation behavior which can be adjusted by the mechanism design. The modelling of the compliant mechanism is based on the nonlinear theory of large deformations of curved rods. The known theory is extended by a novel approach of modelling the interaction between the cable and the mechanism itself. In addition, the influence of the gravity is discussed. The resulting model is verified by experiments.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_4
Schorr, Philipp; Chavez, Jhohan; Zentner, Lena; Böhm, Valter
Reconfigurable planar quadrilateral linkages based on the tensegrity principle. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 48-57

A feasible possibility to develop planar reconfigurable mechanisms is introduced in this work. Applying the tensegrity principle to common four-bar linkages allows a controllable change between two configurations of the mechanism. These two states correspond to different working spaces which vary regarding to the kinematic and mechanical properties. Therefore, the reconfiguration of the mechanism enables two different operation modes. Hence, this kind of mechanism enables the advantageous properties of conventional linkages with an additional enhanced adaptability of the kinematic and mechanic behavior. Beside the conceptual design of such tensegrity-based mechanisms, a reconfigurable four-bar parallel linkage is considered exemplarily. Numerical simulations are evaluated focusing on the kinematic behavior and the structural mechanics of this mechanism. Especially the reconfiguration of the mechanism by changing between two different working spaces is considered. The simulation results clarify the benefit of utilizing the tensegrity principle in mechanism theory. Adding only a few members to the original linkage enables a reconfigurable mechanism with comparable complexity.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_5
Zirkel, Marten; Luo, Yinnan; Römer, Ulrich J.; Fidlin, Alexander; Zentner, Lena
Parameter study of compliant elements for a bipedal robot to increase its walking efficiency. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 58-75

In this paper, we introduce a method to place compliant elements with parameters that can be adjusted during operation in the joints of the bipedal walker to improve its energy efficiency. The bipedal walking robot is modelled with five rigid segments and driven by electric motors in its revolute joints. Minimizing the energy consumption of locomotion is formulated as a numerical optimization problem. An Euler-Bernoulli beam is used to describe the nonlinear behavior, caused by large deflections, of a compliant element loaded with forces and moments. The static problem for the beam deflection for given boundary conditions is solved numerically. Four parameters defining either the undeformed geometry or the boundary conditions are varied to modify the torque that this compliant element exerts on two robot segments connected by a revolute joint. The torque-deflection dependence and its dependence on the four different parameters is approximated by simple ansatz functions via fitting. The fitted functions are then included in a numerical optimization problem to determine the optimal parameters of the compliant element and the corresponding energy optimal gait simultaneously. We evaluate the optimized energy efficiency at different walking speeds, where the robot has different optimal gaits or parameters of the compliant elements. Two kinds of elastic couplings are investigated: the elastic coupling between the robot's upper body and its thighs; or between the robot's thighs and shanks. These specific compliant elements show a negligible performance gain from nonlinearity due to the small active operating range of these joints. However, the practicability of the proposed method for combining the detailed, model-based description of manufacturable compliant elements and the optimization of the overall robot system to achieve maximum energy efficiency is successfully demonstrated.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_6
Stojiljkoviâc, Dušan; Zentner, Lena; Pavloviâc, Nenad T.; Linß, Sebastian; Uhlig, René
Modeling, design and prototyping of a pantograph-based compliant mechanism. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 76-88

The main task of the compliant mechanism synthesis is to generate a pre-defined motion path as accurately as possible. A general approach to the compliant mechanism synthesis is to develop a compliant mechanism based on the rigid-body model by replacing conventional joints with compliant joints, i.e. flexure hinges. Using the example of a mechanism producing a scissors-like motion, in this paper a more specific and iterative synthesis process is implemented for the design of a compliant path-generating mechanism. Based on two symmetric pantograph mechanisms, a kinematic analysis of the multi-link rigid-body model is performed. The final dimensions and link lengths of the rigid-body model are used to implement a compliant mechanism with different flexure hinges. Therefore, several designs are iteratively investigated by means of FEM simulations in order to improve the path accuracy and the opening angle of the scissors-like motion.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_7
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Lysenko, Victor
Mathematical model of a linear motor controlled by a periodic magnetic field considering dry and viscous friction. - In: Applied mathematical modelling, Bd. 89 (2021), S. 1155-1162

The paper deals with a drive concept that uses the controllable mechanical properties of a magnetorheological fluid (MRF). The biologically inspired operating principle is based on crawling using anisotropic friction, as of worms, and non-Newtonian fluids, as of snails. The MRF located between a slider and two slide-blocks is functionally relevant for the drive system to generate a translational motion. A controlled magnetic field is utilized to change the friction conditions in the drive system by varying the properties of the MRF. An extended friction model takes the dry friction into account, along with the viscous friction. In this case, apart from the ratio of the coefficients of viscous friction, it is necessary to introduce two more parameters: the ratio of the coefficients of dry friction in the absence and presence of the magnetic field, and the ratio of the characteristic forces of viscous and dry frictions. These parameters allow refining the mathematical model that governs the behavior of a linear motor. Using asymptotic methods of non-linear mechanics, an expression for the average velocity of the slider is obtained for the case when the friction force is assumed to be small in comparison with the driving force of the slide-blocks. The theoretical results are verified experimentally on a prototype.



https://doi.org/10.1016/j.apm.2020.08.021
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Theska, René; Zentner, Lena
Non-linear analytical modeling of planar compliant mechanisms. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 155 (2021), 104067, insges. 15 S.

Compliant mechanisms are state of the art in technical applications, especially in precision engineering. They mostly achieve their motion due to bending-dominated deformation of their compliant segments, i.e. flexure hinges. Accurately analyzing a compliant mechanism in dependence of specific flexure hinges is still a challenging task due to the monolithic design and non-linearities caused by large deflections. Most existing accurate analytical models are restricted to single hinges. Therefore, this paper presents a non-linear analytical approach to calculate the elasto-kinematic properties of arbitrary planar compliant mechanisms. The approach is based on the theory for large deflections of rod-like structures. As a typical example, a compliant parallel four-bar linkage with varying compliant segments is investigated by means of the proposed analytical approach. The motion and deformation behavior are numerically calculated with the use of MATLAB®. It is shown, that the analytical results are in good correlation with FEM-based simulations and measurements of a manufactured prototype. To demonstrate the generality of the proposed method, two further and more complex mechanism examples are considered. As a result, the implemented modeling approach allows an accurate and fast analysis as well as synthesis of manifold planar compliant mechanisms with distributed or concentrated compliance.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2020.104067
Schorr, Philipp; Carrillo Li, Enrique Roberto; Kaufhold, Tobias; Hernández, Jorge Antonio Rodríguez; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
Kinematic analysis of a rolling tensegrity structure with spatially curved members. - In: Meccanica, ISSN 1572-9648, Bd. 56 (2021), 4, S. 953-961

In this work, a tensegrity structure with spatially curved members is applied as rolling locomotion system. The actuation of the structure allows a variation of the originally cylindrical shape to a conical shape. Moreover, the structure is equipped with internal movable masses to control the position of the center of mass of the structure. To control the locomotion system a reliable actuation strategy is required. Therefore, the kinematics of the system considering the nonholonomic constraints are derived in this paper. Based on the resulting insight in the locomotion behavior a feasible actuation strategy is designed to control the trajectory of the system. To verify this approach kinematic analyses are evaluated numerically. The simulation data confirm the path following due to an appropriate shape change of the tensegrity structure. Thus, this system enables a two-dimensional rolling locomotion.



https://doi.org/10.1007/s11012-020-01199-x
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Kinematika koles i koncepcii šassi dlja senapravlennych :
The kinematics of wheels and chassis concepts for omnidirectional robots. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2020), No. 4(81), Seite 21-33

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Kinematika sistemy robot-pricep s Mekanum kolesami :
Kinematics of a robot-trailer system with Mecanum wheels. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2020), No. 2(79), Seite 13-20

Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik
Arbeitsbuch Technische Mechanik
Unicopy Campus Edition. - Ilmenau : Technische Universität, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Technische Mechanik, 2020. - iv, 241 Seiten. - (Ilmenauer Editionen)
Schorr, Philipp;
Ein Beitrag zur Entwicklung mobiler Roboter basierend auf multistabilen Tensegrity Strukturen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (xviii, 135 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

In: Universitätsverlag Ilmenau

In dieser Arbeit wird die Anwendung von Tensegrity Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen zur Realisierung von Lokomotionssystemen in der mobilen Robotik untersucht. Diese Strukturen werden unter dem mechanischen Aspekt modelliert und verschiedene Aktuatorstrategien zur Realisierung eines kontrollierten Wechsels zwischen den unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen abgeleitet. Zur experimentellen Verifikation der theoretischen Ansätze wird ein Prototyp einer multistabilen Tensegrity Struktur entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die vorteilhaften Eigenschaften multistabiler Tensegrity Strukturen sowie die Möglichkeit von kontrollierten Konfigurationswechseln. Infolge von Erweiterungen des mechanischen Modells unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen wird das Bewegungsverhalten von Tensegrity Strukturen simuliert. In dieser Arbeit wird die Fortbewegung durch die Gleichgewichtslagenwechsel der multistabilen Tensegrity Struktur realisiert. Abhängig von der gewählten Aktuierungsstragie kann eine schreitende Lokomotion, eine kriechende Lokomotion sowie eine springende Lokomotion realisiert werden. Experimente mit dem entwickelten Prototyp bestätigen die zuvor untersuchten Lokomotionsformen. Durch Kombination der verschiedenen Bewegungsmodi resultiert ein multimodales Lokomotionssystem. Dieses Lokomotionssystem erlaubt die Anpassung des Lokomotionsprinzips hinsichtlich der gegebenen Umgebungsbedingungen.



https://doi.org/10.22032/dbt.45203
Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana
Parametric instability of a magnetic pendulum in the presence of a vibrating conducting plate. - In: Nonlinear dynamics, ISSN 1573-269X, Bd. 102 (2020), 4, S. 2039-2056

A pendulum with an attached permanent magnet swinging in the vicinity of a conductor is a typical experiment for the demonstration of electromagnetic braking and Lenz law of induction. When the conductor itself moves, it can transfer energy to the pendulum. An exact analytical model of such an electromagnetic interaction is possible for a flat conducting plate. The eddy currents induced in the plate by a moving magnetic dipole and the resulting force and torque are known analytically in the quasistatic limit, i.e., when the magnetic diffusivity is sufficiently high to ensure an equilibrium of magnetic field advection and diffusion. This allows us to study a simple pendulum with a magnetic dipole moment in the presence of a horizontal plate oscillating in vertical direction. Equilibrium of the pendulum in the vertical position can be realized in three cases considered, i.e., when the magnetic moment is parallel to the rotation axis, or otherwise, its projection onto the plane of motion is either horizontal or vertical. The stability problem is described by a differential equation of Mathieu type with a damping term. Instability is only possible when the vibration amplitude and the distance between plate and magnet satisfy certain constraints related to the simultaneous excitation and damping effects of the plate. The nonlinear motion is studied numerically for the case when the magnetic moment and rotation axis are parallel. Chaotic behavior is found when the eigenfrequency is sufficiently small compared to the excitation frequency. The plate oscillation typically has a stabilizing effect on the inverted pendulum.



https://doi.org/10.1007/s11071-020-06054-y
Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Feldmeier, Tanja; Chavez, Jhohan; Henning, Stefan; Zimmermann, Klaus; Zentner, Lena
An approach to robotic end effectors based on multistable tensegrity structures. - In: New trends in mechanism and machine science, (2020), S. 470-478

In this paper compliant multistable tensegrity structures with discrete variable stiffness are investigated. The different stiffness states result from the different prestress states of these structures corresponding to the equilibrium configurations. Three planar tensegrity mechanisms with two stable equilibrium configurations are considered exemplarily. The overall stiffness of these structures is characterized by investigations with regard to their geometric nonlinear static behavior. Dynamical analyses show the possibility of the change between the equilibrium configurations and enable the derivation of suitable actuation strategies.



Schorr, Philipp; Schale, Florian; Otterbach, Jan Marc; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
Investigation of a multistable tensegrity robot applied as tilting locomotion system. - In: 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), (2020), S. 2932-2938

https://doi.org/10.1109/ICRA40945.2020.9196706
Gast, Simon; Zimmermann, Klaus
FEM model of a tactile sensor based on inductance measurements and magnetosensitive elastomer. - In: SMSI 2020, (2020), S. 333-334

Otterbach, Jan Marc;
Ein Beitrag zur Entwicklung eines portablen Systems zur bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (xxvii, 151 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019

Die zerstörungsfreie Prüfung ist von besonderer Bedeutung im Lebenszyklus technischer Produkte. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Komponenten in Flugzeugen, Zügen, Pipelines oder Kraftwerken helfen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, Qualitätsmängel bereits während des Herstellungsprozesses oder in regelmäßigen Wartungskontrollen zu erkennen, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Heute erfordern steigende Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen sowie die Entwicklung neuer Materialien für moderne Leichtbaukonstruktionen immer zuverlässigere Prüfverfahren, um den ordnungsgemäßen Betrieb von Bauteilen und technischen Anlagen zu gewährleisten. Für die Untersuchung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen kommen häufig Wirbelstromprüfverfahren zum Einsatz. Im Gegensatz zu klassischen Induktionsverfahren werden die Wirbelströme bei der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung durch die Relativbewegung zwischen einer Magnetfeldquelle und einem elektrisch leitfähigen Prüfkörper hervorgerufen. Die dabei auftretenden physikalischen Effekte ermöglichen die Detektion von Fehlern im Prüfkörper. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prinzips für ein portables System zur bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, welches für den Einsatz als handgeführtes Prüfgerät zur Untersuchung von Bauteilen an ihrem Einsatzort geeignet ist. Nach einer Einführung in die zerstörungsfreie Prüfung und die in der Industrie am häufigsten eingesetzten Prüfverfahren, werden die bekannten Verfahren der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen vorangegangener Studien im Bereich der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, erfolgt die Präzisierung der Anforderungen an das zu entwickelnde Sensorsystem und die Diskussion möglicher Lösungsvarianten. Im Rahmen dieser Ideenfindung werden zwei favorisierte Lösungsvarianten beschrieben, für die jeweils ein Messsystem zur experimentellen Validierung entwickelt und aufgebaut wird. Außerdem werden die angewendeten Verfahren der Messdatenauswertung erläutert. Das für den Anwendungszweck besser geeignete Prinzip wird anhand eines Variantenvergleichs ermittelt. Weiterführende Experimente mit dem ausgewählten Sensorsystem dienen dazu, Handlungsempfehlungen für dessen Einsatz als handgeführtes Prüfgerät abzuleiten. Darüber hinaus werden verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung und Interpretation von Prüfergebnissen aufgezeigt.



https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00044645
Henning, Stefan; Zentner, Lena
Development of a PC program for the analysis of compliant mechanisms for arbitrary motion tasks :
Entwicklung eines PC-Programms zur Analyse von nachgiebigen Mechanismen für beliebige Bewegungsaufgaben. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2020 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2020), insges. 2 S.

Abhängig von der Bewegungsaufgabe werden nachgiebige Mechanismen mit konzentrierter oder verteilter Nachgiebigkeit in der Feinwerk-, Mess- und Mikrotechnik eingesetzt. Aufgrund von geometrischen Nichtlinearitäten durch große Verformungen und die Querschnittsänderungen entlang des Mechanismus ist eine analytische Beschreibung besonders herausfordernd. Daher werden bisher meist zeitaufwendige FEM-Simulationen für die Analyse eingesetzt. Die Synthese, also die gezielte Anpassung der geometrischen Parameter an ein gewünschtes Bewegungsverhalten ist meist nicht-intuitiv und iterativ. Umfassende Berechnungsprogramme zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen mit konzentrierter und verteilter Nachgiebigkeit sind nicht bekannt. Daher wird ein eigenständiges, in PYTHON entwickeltes PC-Programm zur nichtlinearen analytischen Berechnung von kontinuierlichen nachgiebigen Mechanismen vorgestellt. Die Grundlage für die Berechnung bilden die nichtlineare Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen und deren Erweiterungen mit Berücksichtigung des Querkraftschubs und der Querkontraktion. Durch die Modellierung des Mechanismus als Kontinuum, liegen im Anschluss an die Lösung des Differentialgleichunggsystems Lösungen für das Schnittmoment, den Neigungsinkel und die Koordinaten x und y für jeden Punkt entlang der Stabachse vor. Diese Ergebnisse werden anschließend verwendet um eine Reihe wichtiger Parameter wie Verschiebungen und Dehnungen zu ermitteln und in der Programmoberfläche für jedes Element anzuzeigen. Es wird eine grafische Benutzeroberfläche präsentiert, mit der über vordefinierte Bausteine ein nachgiebiger Mechanismus elementweise aufgebaut werden kann. Die wichtigsten geometrischen Parameter sowie die Kräfte im Bereich jedes Elements werden über eine umfangreiche Eingabetabelle definiert. Der Nutzer kann zudem die Randbedingungen an beiden Enden des Mechanismus durch Auswahl festlegen. Das Programm bietet zusätzlich die Möglichkeit Parameterstudien durchzuführen. Dies eröffnet die Möglichkeit einen Mechanismus in Bezug auf eine Bewegungsaufgabe oder ein Dehnungsminimum iterativ zu optimieren. Damit leistet das Programm über den detaillierten Analysemöglichkeiten hinaus einen Beitrag zur Synthese nachgiebiger Mechanismen.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:464-20200220-110951-3
Becker, Tatiana; Stolbov, Oleg V.; Borin, Dmitry Yu.; Zimmermann, Klaus; Raikher, Yuriy L.
Basic magnetic properties of magnetoactive elastomers of mixed content. - In: Smart materials and structures, ISSN 1361-665X, Volume 29 (2020), number 7, 075034, Seite 1-15

https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab8fc9
Merker, Lukas; Fischer Calderon, Sebastian J.; Scharff, Moritz; Alencastre Miranda, Jorge Hernan; Behn, Carsten
Effects of multi-point contacts during object contour scanning using a biologically-inspired tactile sensor. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 20 (2020), 7, 2077, insges. 18 S.

https://doi.org/10.3390/s20072077
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Design of a vibration driven motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Informatics in control, automation and robotics, (2020), S. 302-307

Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus
Vibrating sensor unit made of a magnetoactive elastomer with field-adjustable characteristics. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 498 (2020), 166196

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166196
Gon¸calves Junior, Luis Antonio; Theska, René; Lepikson, Herman A.; Ribeiro Junior, Armando Sá; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp
Theoretical and experimental investigation of performance characteristics and design aspects of cross-spring pivots. - In: International journal of solids and structures, Bd. 185/186 (2020), S. 240-256

Cross-spring pivots have been widely employed over the last decades in a broad variety of precision engineering applications due to the high motion repeatability achieved thanks to the absence of stick slip and clearance. In this paper, the non-linear effect of the anticlastic curvature of the leaf-springs is considered for the accurate analytical modeling of the elasto-kinematic behavior of cross-spring pivots. Finite element analyses (FEA), based on a non-linear thin-shell model, are carried out in order to compare them with the analytical results for the main performance parameters of this type of device, i.e. center-shift, rotational stiffness and stress in the leaf-springs. Furthermore, an experimental setup is built to assess the applicability limits of both models. Finally, remarkable performance aspects of cross-spring pivots are discussed aiming for design improvements.



https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.08.023
Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics and control of a vibration-diven capsule robot with an opposing spring. - In: NODYCON 2019, (2019), S. 765-766

Merkulov, Dmitri I.; Pelevina, Daria A.; Turkov, Vladimir A.; Becker, Tatiana; Naletova, Vera A.
Experimental research of the multistability of bodies with magnetizable elastomer. - In: Magnetohydrodynamics, Bd. 55 (2019), 1/2, S. 125-132

https://doi.org/10.22364/mhd.55.1-2.15
Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim; Marangoni, Rafael; Behn, Carsten
Dreidimensionale Objektabtastung und -rekonstruktion mittels taktiler Sensoren der Bionik. - In: 20. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz, (2019), S. 196-198

Zimmermann, Klaus; Chavez, Jhohan; Becker, Tatiana; Witte, Hartmut; Schilling, Cornelius; Köhring, Sebastian; Böhm, Valter; Monkman, Gareth J.; Prem, Nina; Sindersberger, Dirk; Lutz, Irina
Podchod k sozdaniju gibkogo &ptbov;elementa zachvata s adaptivnoj formoj na osnove magnitočuvstvitel&softcy;nych &ptbov;elastomerob s bioinspirirovannoj sensornoj poverchnost&softcy;ju :
An approach to a form-adaptive compliant gripper element based on magneto-senstive elastomers with a bioinspired sensorized surface. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2019), No. 2(75), Seite 23-38

Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics of a four-wheeled mobile robot with Mecanum wheels. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Volume 99 (2019), issue 12, e201900173, 22 Seiten
Editor's choice

https://doi.org/10.1002/zamm.201900173
Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics and motion control of a capsule robot with an opposing spring. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 89 (2019), 10, S. 2193-2208

https://doi.org/10.1007/s00419-019-01571-8
Griebel, Alexandra; Henning, Stefan; Schale, Florian; Griebel, Stefan; Zentner, Lena
Modellbasierte Untersuchungen der Kraftüberwachung anhand des Verformungsverhaltens einer Matratzenfeder. - In: Tagungsband 13. Kolloquium Getriebetechnik, (2019), S. 191-200

Henning, Stefan; Zentner, Lena
Nichtlinear-analytische Modellbildung nachgiebiger Mechanismen unter Berücksichtigung des Querkraftschubs. - In: Tagungsband 13. Kolloquium Getriebetechnik, (2019), S. 31-40

Hügl, Silke; Aldag, Nina; Becker, Alexander; Lenarz, Thomas; Glasmacher, Birgit; Rau, Thomas S.
Identification of factors influencing insertion characteristics of cochlear implant electrode carriers. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 5 (2019), 1, S. 441-443

https://doi.org/10.1515/cdbme-2019-0111
Suzaly, Nuha; Keller, Marie Christina; Hügl, Silke; Karsten, Elvira; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
Characterization of a measurement setup for the thermomechanical characterization of curved shape memory alloy actuators. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 5 (2019), 1, S. 445-448

https://doi.org/10.1515/cdbme-2019-0112
Hügl, Silke; Erfurt, Peter; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Reconstruction accuracy of an automated serial cross-sectional preparation technique for morphological human temporal bone imaging. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 5 (2019), 1, S. 191-194

https://doi.org/10.1515/cdbme-2019-0049
Rau, Thomas S.; Suzaly, Nuha; Hügl, Silke; Lenarz, Thomas
On the characterization of thermomechanical properties of nitinol shape memory wires intended for cochlear implant electrode arrays. - In: The international journal of artificial organs, ISSN 1724-6040, Bd. 42 (2019), 8, S. 441

https://doi.org/10.1177/0391398819860985
Hügl, Silke; Aldag, Nina; Becker, Alexander; Lenarz, Thomas; Glasmacher, Birgit; Rau, Thomas S.
Toward understanding the impact of cochlear model curvature, insertion speed and implant stiffness for the prediction of insertion forces. - In: The international journal of artificial organs, ISSN 1724-6040, Bd. 42 (2019), 8, S. 431

https://doi.org/10.1177/0391398819860985
Scharff, Moritz; Schorr, Philipp; Becker, Tatiana; Resagk, Christian; Alencastre Miranda, Jorge H.; Behn, Carsten
An artificial vibrissa-like sensor for detection of flows. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 19 (2019), 18, 3892, insges. 16 S.

In nature, there are several examples of sophisticated sensory systems to sense flows, e.g., the vibrissae of mammals. Seals can detect the flow of their prey, and rats are able to perceive the flow of surrounding air. The vibrissae are arranged around muzzle of an animal. A vibrissa consists of two major components: a shaft (infector) and a follicle-sinus complex (receptor), whereby the base of the shaft is supported by the follicle-sinus complex. The vibrissa shaft collects and transmits stimuli, e.g., flows, while the follicle-sinus complex transduces them for further processing. Beside detecting flows, the animals can also recognize the size of an object or determine the surface texture. Here, the combination of these functionalities in a single sensory system serves as paragon for artificial tactile sensors. The detection of flows becomes important regarding the measurement of flow characteristics, e.g., velocity, as well as the influence of the sensor during the scanning of objects. These aspects are closely related to each other, but, how can the characteristics of flow be represented by the signals at the base of a vibrissa shaft or by an artificial vibrissa-like sensor respectively? In this work, the structure of a natural vibrissa shaft is simplified to a slender, cylindrical/tapered elastic beam. The model is analyzed in simulation and experiment in order to identify the necessary observables to evaluate flows based on the quasi-static large deflection of the sensor shaft inside a steady, non-uniform, laminar, in-compressible flow.



https://doi.org/10.3390/s19183892
Rau, Thomas S.; Kreul, Diana; Lexow, Jakob; Hügl, Silke; Zuniga, M. Geraldine; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Characterizing the size of the target region for atraumatic opening of the cochlea through the facial recess. - In: Computerized medical imaging and graphics, ISSN 1879-0771, Volume 77 (2019), article 101655

https://doi.org/10.1016/j.compmedimag.2019.101655
Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
3D recognition of obstacles using a vibrissa-like tactile sensor. - In: IEEE FLEPS 2019, (2019), insges. 3 S.

https://doi.org/10.1109/FLEPS.2019.8792255
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Vollrath, Thomas; Zentner, Lena
Elasto-kinematic modeling of planar flexure hinge-based compliant mechanisms incorporating branched links. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 1599-1608

Nesic, Nicola; Zentner, Lena
Free vibration of compliant mechanisms consisting of Euler-Bernoulli beams. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 3255-3262

Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Stépán, Gábor; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Multi-mode motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 3007-3016

Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Henning, Stefan; Harfensteller, Felix; Theska, René; Zentner, Lena
Synthesis method for compliant mechanisms of high-precision and large-stroke by use of individually shaped power function flexure hinges. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 1569-1578

Harfensteller, Felix; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Weber, Christian; Zentner, Lena; Theska, René
Optimization-based approach to the embodiment design of compliant mechanisms with different flexure hinges. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 1579-1588

Zentner, Lena; Griebel, Stefan; Hügl, Silke
Fluid-mechanical compliant actuator for the insertion of a cochlear implant electrode carrier. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 142 (2019), 103590, insges. 16 S.

In this paper an insertion method of electrode carriers of straight and curved form is shown for the use in cochlear implants. The aim of using a fluid-mechanical actuator is to minimise the contact between the electrode carrier and the cochlea and consequently avoiding damage during its insertion. First, the synthesis method used for beam-shaped fluid-mechanical actuators is shown. The model-based scaling of parameters demonstrates that actuators must be geometrically similar to reach the same form by same inner pressure. This fact facilitates the experimental investigations using up-scaled demonstrators. Electrode carriers as fluid-mechanical actuators of straight and curved form are designed by theory of curved rods for large deformations. For these carriers, a gentle insertion used a stylet and fluidic actuation in combination and is described analytically by the above mentioned theory. The results demonstrate that the insertion of a curved electrode carrier requires lower pressure and does not need any inner pressure in the end position. The measurements of the deformation behaviour of carrier demonstrators prove the validity of the analytical model. The maximum value of the differences between calculated and measured results of the inner pressure is about 10%.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2019.103590
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Investigations of different compliant manipulator concepts for a high-precise rotational motion. - In: Proceedings of the 19th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2019), S. 64-67

Due to their advantages over conventional mechanisms, compliant mechanisms with notch flexure hinges are state of the art in precision engineering and micro systems technology. These compliant mechanisms are often used in positioning and adjustment applications with up to six degrees of freedom. In addition to the translational motions, as they are mainly required in linear tables and planar stages, also rotational motions are needed. For the realization of a high-precise rotation by compliant manipulators certain concepts with different complexity are existing. One approach is the use of flexure hinges with different geometrical parameters and notch shapes, which can be purposefully optimised depending on the requirements of the specific application. Another approach is the use of compliant mechanisms, in which the instantaneous centre of rotation represents the axis of rotation of the guided link either according to the remote centre of compliance concept or within the mechanism design space itself. In addition, a novel concept using a specific configuration of a four-bar mechanism, in which two adjacent links are of an equal length is presented in this contribution. The different approaches are compared by means of kinematic investigations and FEM-based simulations and the potential regarding a high-precise rotation with path deviations in the low micrometre range is shown.



Darnieder, Maximilian; Pabst, Markus; Fröhlich, Thomas; Zentner, Lena; Theska, René
Mechanical properties of an adjustable weighing cell. - In: Proceedings of the 19th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2019), S. 86-89

Scharff, Moritz; Alencastre, Jorge H.; Behn, Carsten
Detection of surface texture with an artificial tactile sensor. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 43-50

Chavez, Jhohan; Scharff, Moritz; Helbig, Thomas; Alencastre, Jorge H.; Böhm, Valter; Behn, Carsten
Analysis of the dynamic behavior of beams supported by a visco-elastic foundation in context to natural vibrissa. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 51-59

Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Optimization of compliant mechanisms by use of different polynomial flexure hinge contours. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 265-274

This paper presents the application of different polynomial flexure hinge contours in one compliant mechanism in order to increase both simultaneously the precision and the stroke of the output motion of compliant mechanisms. The contours of the flexure hinges are optimized in dependency of the required elasto-kinematic properties of the mechanism. This new approach for optimization is described in comparison to the use of identical common hinge contours. Based on previously optimized single polynomial flexure hinges, the validity of proposed guidelines is analyzed for a combination of several flexure hinges in two compliant mechanisms for linear point guidance. The rigid-body models of both mechanisms realize an approximated straight line as output motion. The compliant mechanisms are designed through the rigid-body replacement method and with different polynomial flexure hinges with orders varying from 2 to 16. The multi-criteria optimization is performed by use of non-linear FEM simulations. The derived values for the kinematic output parameters are compared for the ideal model and the optimized compliant mechanism. The results are discussed and conclusions for ongoing research work are drawn.



Theska, René; Zentner, Lena; Fröhlich, Thomas; Weber, Christian; Manske, Eberhard; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Harfensteller, Felix; Darnieder, Maximilian; Kühnel, Michael
Compliant mechanisms for ultra-precise applications. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 249-256

This paper reports about enhanced compliant mechanisms with flexure hinge based on new analytic and/or FEM models that have been manufactured by state of the art wire EDM technology. Experimental proofs at test benches, equipped with ultra-precise interferometer based length and angular measurement systems, show first time the residual deviation to the intended path of motion with a resolution of nanometers/arc seconds. Theoretically determined and measured data are in good correlation. Repeatability limitations are rather more given by the residual noise of the overall test arrangement and mainly not by the mechanism itself.



Merker, Lukas; Scharff, Moritz; Behn, Carsten
Approach to the dynamical scanning of object contours using tactile sensors. - In: Proceedings, 2019 IEEE International Conference on Mechatronics (ICM), (2019), S. 364-369

https://doi.org/10.1109/ICMECH.2019.8722882
Chavez, Jhohan; Schorr, Philipp; Scharff, Moritz; Schale, Florian; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Towards magneto-sensitive elastomers based end-effectors for gripping application technologies. - In: Proceedings, 2019 IEEE International Conference on Mechatronics (ICM), (2019), S. 217-222

https://doi.org/10.1109/ICMECH.2019.8722922
Suzaly, Nuha; Hügl, Silke; Majdani, Omid; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
Histological evaluation of a cochlear implant electrode array with the integration of an electrically activated shape memory alloy :
Histologische Evaluierung des Elektrodenträgers eines Cochlea-Implantats mit einer für elektrische Erwärmung integrierten Formgedächtnislegierung. - In: Laryngo-Rhino-Otologie, ISSN 1438-8685, Bd. 98 (2019), S 02, S299

https://doi.org/10.1055/s-0039-1686291
Hügl, Silke; Henke, Maximilian; Kahrs, Lüder; Ortmaier, Tobias; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
Development of a test bench for insertion force measurements with precise orientation of specimen using a stereo optical navigation system :
Entwicklung eines Versuchsstandes für die Insertionskraftmessung bei präziser Ausrichtung von Präparaten mittels stereooptischer Navigation. - In: Laryngo-Rhino-Otologie, ISSN 1438-8685, Bd. 98 (2019), S 02, S173-S174

https://doi.org/10.1055/s-0039-1686177
Hügl, Silke; Scheper, Verena; Gepp, Michael M.; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.; Schwieger, Jana
Coating stability and insertion forces of an alginate-cell-based drug delivery implant system for the inner ear. - In: Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, ISSN 1878-0180, Bd. 97 (2019), S. 90-98

https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2019.05.007
Uhlig, René;
Konzeption und Untersuchung eines bistabilen Sicherheitsventils und simulationsbasierte Entwicklung einer Methode zu dessen Dimensionierung. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2019. - 1 Online-Ressource (XXI, 146 Seiten). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 5)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018

Sicherheitsventile für Gasrohrleitungen - sogenannte Gasströmungswächter - sind unverzichtbare mechanische Schutzvorrichtungen, die den unkontrollierten Austritt großer Gasmengen im Havariefall oder bei beabsichtigter Manipulation verhindern. Damit können Gasexplosionen und die resultierenden existenziellen Folgen abgewendet werden. Die bisher bekannten Lösungen für Sicherheitsventile weisen aufgrund ihres monostabilen Schaltverhaltens einen gravierenden Nachteil auf, da diese nach dem Auslösen selbsttätig wieder öffnen und somit den Gasstrom freigeben. Potentielle Gefahrenquellen bleiben damit unerkannt. Der wesentliche Vorteil eines neuartigen Sicherheitsventils besteht in der Realisierung einer bistabilen Schaltcharakteristik durch den Einsatz vorgespannter nachgiebiger Aufhängungselemente. Die zuverlässige Dimensionierung eines solchen neuartigen Ventils erweist sich in der Praxis als äußerst anspruchsvolle Aufgabe und erfordert viel Erfahrung, vor allem im Umgang mit numerischen Simulationswerkzeugen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich intensiv mit der Untersuchung der nachgiebigen Aufhängungselemente und dem resultierenden Ventilschaltverhalten für unterschiedliche geometrische Abmessungen. Das Ziel und die Motivation der Arbeit besteht darin, die vorhandenen Hürden bei der Dimensionierung abzubauen und ein einfach anzuwendendes Dimensionierungsmodell zur Verfügung zu stellen. Die Ergebnisse der Arbeit stützen sich maßgeblich auf FEM-Simulationen zum Verformungsverhalten der nachgiebigen Aufhängungselemente. Anhand der ermittelten Kraft-Verschiebungs-Kennlinien ist es gelungen, das Schaltverhalten mathematisch anhand von abgeleiteten Dimensionierungsgleichungen zu beschreiben und darauf basierend eine Methode zur Dimensionierung neuartiger Sicherheitsventile zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus wurde das Dimensionierungsmodell anhand experimenteller Untersuchungen an realen Aufhängungselementen sorgfältig validiert. Zum Abschluss der Arbeit wurde auch das Verhalten von verschiedenen Ventilprototypen im praktischen Einsatz an Versuchsanlagen betrachtet. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Ergebnisse ein und gewährleisten eine hohe Qualität des Dimensionierungsmodells. Darüber hinaus können die Ergebnisse auch zur Dimensionierung von bistabilen Systemen in anderen Anwendungsfeldern genutzt werden.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000718
Linß, Sebastian; Henning, Stefan; Zentner, Lena
Modeling and design of flexure hinge-based compliant mechanisms. - In: Kinematics, (2019), S. 1-24

A compliant mechanism gains its mobility fully or partially from the compliance of its elastically deformable parts rather than from conventional joints. Due to many advantages, in particular the smooth and repeatable motion, monolithic mechanisms with notch flexure hinges are state of the art in numerous precision engineering applications with required positioning accuracies in the low micrometer range. However, the deformation and especially motion behavior are complex and depend on the notch geometry. This complicates both the accurate modeling and purposeful design. Therefore, the chapter provides a survey of different methods for the general and simplified modeling of the elasto-kinematic properties of flexure hinges and compliant mechanisms for four hinge contours. Based on non-linear analytical calculations and FEM simulations, several guidelines like design graphs, design equations, design tools or a geometric scaling approach are presented. The obtained results are analytically and simulatively verified and show a good correlation. Using the example of a path-generating mechanism, it will be demonstrated that the suggested angle-based method for synthesizing a compliant mechanism with individually shaped hinges can be used to design high-precise and large-stroke compliant mechanisms. The approaches can be used for the accelerated synthesis of planar and spatial flexure hinge-based compliant mechanisms.



https://doi.org/10.5772/intechopen.85224
Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Chavez, Jhohan; Odenbach, Stefan; Raikher, Yuriy L.; Zimmermann, Klaus
Magnetic-field-controlled mechanical behavior of magneto-sensitive elastomers in applications for actuator and sensor systems. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 89 (2019), 1, S. 133-152

https://doi.org/10.1007/s00419-018-1477-4
Dubovikova, Nataliia; Gerlach, Erik; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Mathematical modeling of friction stir welding considering dry and viscous friction. - In: Applied mathematical modelling, Bd. 67 (2019), S. 1-8
Corrigendum: Bd. 77 (2020), part 1, page 981

https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.10.014
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Compliant class 1 tensegrity structures for gripper applications. - In: EuCoMeS 2018, (2019), S. 392-399

This paper describes concepts for finger-grippers based on compliant multistable class 1 tensegrity structures. Two of these concepts are selected and examined in detail. With theoretical investigations the member parameters and the resulting gripping forces are determined. There are done dynamical analyses of one of these grippers to obtain the behaviour with an actuation force. Moreover demonstrators of both grippers are built.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-98020-1_46
Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Vibration-driven capsubot with an opposing spring: an experimental study. - In: ROMANSY 22 – Robot Design, Dynamics and Control, (2019), S. 126-133

A vibration-driven locomotor (capsubot) consisting of a rigid housing and an internal body connected to the housing by a spring is considered. The system is driven and controlled by an electromagnetic actuator that provides a force interaction between the housing and the internal body. The housing moves along a line on a horizontal plane with dry friction. The control voltage is applied to the robot in a periodic pulse-width mode, the voltage polarity remaining unchanged. Theoretical analysis predicts that the speed and direction of motion of the robot can be controlled by varying the period or/and the duty cycle of the control signal. An experimental prototype of the robot is built and the experiments are performed. The experiments confirm the theoretical prediction.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-78963-7_17
Zentner, Lena; Linß, Sebastian
Compliant systems : mechanics of elastically deformable mechanisms, actuators and sensors. - Berlin : De Gruyter, 2019. - IX, 166 Seiten ISBN 3-11-047731-9
Literaturverzeichnis: Seite 157-164

Darnieder, Maximilian; Torres, Mario; Linß, Sebastian; Theska, René; Zentner, Lena; Fröhlich, Thomas
Modellierung der Drehsteifigkeit dünner Festkörpergelenke in der Präzisionsgerätetechnik. - In: Jahrbuch Optik und Feinmechanik, ISSN 0075-272X, Bd. 64 (2018), S. 139-165

Festkörpergelenke werden seit langem in verschiedensten Bereichen der Feinwerktechnik eingesetzt, besonders dort, wo erhöhte Anforderungen an die Präzision bestehen. Beispiele dafür sind Präzisionswaagen und Massekomparatoren, die bereits eine beeindruckende Leistungsfähigkeit erreicht haben. Dies ist nicht zuletzt auf die genaue Kenntnis der mechanischen Eigenschaften und deren Modellierung zurückzuführen. Dennoch ergeben viele in der Literatur verfügbare analytische Modellgleichungen zur Berechnung der Drehsteifigkeit der hier typischen, besonders dünnen Festkörpergelenke eine Abweichung von rund 10 % gegenüber dem 3D-Modell basierend auf der Finiten-Elemente-Methode. Dies wird anhand der genauen Betrachtung des Spannungszustandes im belasteten Gelenk aufgezeigt und ist ein relevanter Aspekt für die Entwicklung von Geräten für Präzisionsanwendungen und deren Justierung. Der Beitrag beleuchtet dieses Phänomen im Detail, zeigt Grenzen verschiedener Modellansätze in Abhängigkeit der Geometrie auf und bietet dem Leser einen Vorschlag zur präzisen Modellierung in einem großen Parameterraum an, die ohne eine aufwändige Finite-Elemente-Analyse auskommt.



Scharff, Moritz; Rivera Campos, Richard A.; Merker, Lukas; Alencastre, Jorge H.; Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Flow detection using an artificial vibrissa-like sensor - simulations and experiments. - In: 18th Mechatronika 2018, (2018), insges. 6 S.

everal animal species like rats or seals explore the surrounding environment with their sensory hairs, the so-called vibrissae. Regarding to natural vibrissa, the functionalities of tactile object sensing to receive information about, e.g., the shape and/or the surface texture are often discussed. But, the usage of natural vibrissae to detect flows is reported as well. The necessary information about the flow are coded in the signals recorded at the base of the vibrissa. Due to the natural paragon, we adapt this behavior in order to show up how the information about flows can be extracted from these observables. This is an important procedure because the detection and determination of information about flow effects become interesting for several reasons. For example, in the case of other sensing tasks and strategies like object contour scanning, flows are considered as (possible) disturbances that have to be known to reconstruct any sensed boundary. Otherwise, the flow itself can be of interest. In a first step, simulations are performed to examine the relations between the observables at the base of the sensor and the applied velocity of a flow. Here, a steady-state uniform flow is assumed. The simulations are validated by experiments.



https://ieeexplore.ieee.org/document/8624786
Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik; Zeidis, Igor; Otterbach, Jan Marc; Töpfer, Hannes; Brauer, Hartmut; Ziolkowski, Marek; Schmidt, Reinhard
Mechaničeskoe i čislennoe modelirovanie kompaktnoj sistemy dlja defektoskopii indukcionnymi vichrevymi tokami :
Mechanical modeling and simulation of a portable system for Motion Induced Eddy Current Testing. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2018), No. 3(72), S. 17-28

The paper deals with the mechanical modeling of a sensor concept in the framework of Motion Induced Eddy Current Testing (MIECT). The system consists of a magnet arrangement with two axially magnetized cylinder magnets, which are fixed to a shaft, driven by a motor with a constant angular velocity. A pick-up coil, assembled around the magnet arrangement and fixed to the sensors framework, measures the magnetic flux varying in time. The mechanical behavior of this experimental setup is analyzed using analytical and numerical methods. The main conclusions concerning the systems behavior are made with the asymptotic method. The investigations based on methods of Bogoliubov & Mitropolski show, that the main contribution to the solution is given by the first fundamental harmonic. The exact equation of motion is integrated numerically. The results of the theoretic investigations are compared with experimental data.



Merker, Lukas; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Mathematical models of bio-inspired rotatable sensors with elasticities for object scanning. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 18 (2018), 1, e201800264, insges. 2 S.

https://doi.org/10.1002/pamm.201800264
Torres Melgarejo, Mario André; Darnieder, Maximilian; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Fröhlich, Thomas; Theska, René
On modeling the bending stiffness of thin semi-circular flexure hinges for precision applications. - In: Actuators, ISSN 2076-0825, Bd. 7 (2018), 4, 86, S. 1-16

Compliant mechanisms based on flexure hinges are widely used in precision engineering applications. Among those are devices such as precision balances and mass comparators with achievable resolutions and uncertainties in the nano-newton range. The exact knowledge of the mechanical properties of notch hinges and their modeling is essential for the design and the goal-oriented adjustment of these devices. It is shown in this article that many analytical equations available in the literature for calculating the bending stiffness of thin semi-circular flexure hinges cause deviations of up to 12% compared to simulation results based on the three-dimensional finite element model for the considered parameter range. A close examination of the stress state within the loaded hinge reveals possible reasons for this deviation. The article explains this phenomenon in detail and shows the limitations of existing analytical models depending on specific geometric ratios. An accurate determination of the bending stiffness of semi-circular flexure hinges in a wide range of geometric parameters without the need for an elaborate finite element analysis is proposed in form of FEM-based correction factors for analytical equations referring to Euler-Bernoulli's beam theory.



https://doi.org/10.3390/act7040086
Sumi, Susanne;
Form- und Parameterfindung von multistabilen Tensegrity-Strukturen mittels Optimierungsalgorithmen und Anwendungen in der Greifertechnik. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2018. - 1 Online-Ressource (viii, 227 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018

Der Gegenstand der Arbeit sind Tensegrity-Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen, sogenannte multistabile Tensegrity-Strukturen. Im Vordergrund der Arbeit steht die Entwicklung von Algorithmen, mit denen solche Strukturen entworfen, untersucht und gezielt ausgelegt werden können. Dafür werden Möglichkeiten zur Bestimmung der Gleichgewichtskonfigurationen von multistabilen Tensegrity-Strukturen betrachtet. Des Weiteren wird untersucht, wie Tensegrity-Strukturen so ausgelegt werden können, dass sie vorgegebene Eigenschaften aufweisen. Dazu werden Kenngrößen zur Charakterisierung dieser Eigenschaften definiert. Für beide Aufgabenstellungen werden Optimierungsprobleme hergeleitet. Zur Lösung dieser Optimierungsprobleme werden Algorithmen entworfen, getestet und analysiert. Aufbauend auf diesen theoretischen Untersuchungen liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit in der Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten von multistabilen Tensegrity-Strukturen in der Greifertechnik. Es werden verschiedene Konzepte für die Entwicklung von Greifern aus diesen Strukturen diskutiert. Zu ausgewählten Konzepten erfolgen weiterführende Betrachtungen, unter anderem durch Einbeziehung dynamischer Analysen. Neben theoretischen Untersuchungen dieser Greifer werden die wichtigsten Erkenntnisse experimentell an Funktionsmustern überprüft und potentielle Einsatzgebiete werden aufgezeigt.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000245
Otterbach, Jan Marc; Gerlach, Erik; Ziolkowski, Marek; Brauer, Hartmut; Schmidt, Reinhard
Portable system for motion induced eddy current testing. - In: Sensors and Measuring Systems, (2018), S. 300-303

https://ieeexplore.ieee.org/document/8436178
Rau, Thomas S.; Suzaly, Nuha; Pawsey, Nick; Hügl, Silke; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Histological evaluation of a cochlear implant electrode array with electrically activated shape change for perimodiolar positioning. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 63 (2018), S1, Seite S135
Enthalten in: Biomedical Implants and Devices (2)

https://doi.org/10.1515/bmt-2018-6027
Hügl, Silke; Blum, Tobias; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Impact of anatomical variations on insertion forces - an investigation using artificial cochlear models. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 63 (2018), S1, Seite S330
Enthalten in: Poster Session

https://doi.org/10.1515/bmt-2018-6051
Rau, Thomas S.; Witte, Sina; Uhlenbusch, Lea; Lexow, G. Jakob; Hügl, Silke; Kahrs, Lüder A.; Majdani, Omid; Lenarz, Thomas
Minimally invasive mastoidectomy approach using a mouldable surgical targeting system : a proof of concept. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 63 (2018), S1, Seite S247
Enthalten in: Computer Assisted Surgery

https://doi.org/10.1515/bmt-2018-6046
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Zentner, Lena
detasFLEX - a computational design tool for the analysis of various notch flexure hinges based on non-linear modeling. - In: Mechanical sciences, ISSN 2191-916X, Bd. 9 (2018), 2, S. 389-404

A novel computational design tool to calculate the elasto-kinematic flexure hinge properties is presented. Four hinge contours are implemented. It is shown, that FEM results correlate well with the analytical design tool results. For a given deflection angle of 10&ring; and a corner-filleted contour, the deviations of the bending stiffness are between 0.1 % and 9.4 %. The design tool can be beneficial for the accelerated and systematic synthesis of compliant mechanisms with optimized flexure hinges.



https://doi.org/10.5194/ms-9-389-2018
Hügl, Silke; Rülander, Katharina; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Investigation of ultra-low insertion speeds in an inelastic artificial cochlear model using custom-made cochlear implant electrodes. - In: European archives of oto-rhino-laryngology and head & neck, ISSN 1434-4726, Bd. 275 (2018), 12, S. 2947-2956

https://doi.org/10.1007/s00405-018-5159-1
Merker, Lukas; Scharff, Moritz; Zimmermann, Klaus; Behn, Carsten
Signal tuning of observables at the support of a vibrissa-like tactile sensor in different scanning scenarios. - In: High tech human touch, ISBN 978-1-5386-8183-1, (2018), S. 1138-1143

https://doi.org/10.1109/BIOROB.2018.8487961
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Motion characteristics of a vibration driven mobile tensegrity structure with multiple stable equilibrium states. - In: Journal of sound and vibration, ISSN 0022-460X, Bd. 437 (2018), S. 198-208

https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.09.019
Rau, Thomas S.; Suzaly, Nuha; Pawsey, Nick; Hügl, Silke; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Histological evaluation of a cochlear implant electrode array with electrically activated shape change for perimodiolar positioning. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 4 (2018), 1, S. 145-148

https://doi.org/10.1515/cdbme-2018-0036
Hügl, Silke; Blum, Tobias; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Impact of anatomical variations on insertion forces : an investigation using artificial cochlear models. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 4 (2018), 1, S. 509-512

https://doi.org/10.1515/cdbme-2018-0122
Rau, Thomas S.; Witte, Sina; Uhlenbusch, Lea; Lexow, G. Jakob; Hügl, Silke; Kahrs, Lüder A.; Majdani, Omid; Lenarz, Thomas
Minimally invasive mastoidectomy approach using a mouldable surgical targeting system : a proof of concept. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 4 (2018), 1, S. 403-406

https://doi.org/10.1515/cdbme-2018-0096
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Dynamical investigation of crawling motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: ICINCO 2018, (2018), S. 122-130

The basic idea of this article is the utilization of the multistable character of a compliant tensegrity structure to control the direction of motion of a crawling motion system. A crawling motion system basing on a two-dimensional tensegrity structure with multiple stable equilibrium states is considered. This system is in contact with a horizontal plane due to gravity. For a selected harmonic actuation of the system small oscillations around the given equilibrium state of the tensegrity structure occur and the corresponding uniaxial motion of the system is evaluated. A change of the equilibrium state of the tensegrity structure yields to novel configuration of the entire system. Moreover, the motion behavior of the novel configuration is totally different although the actuation strategy is not varied. In particular, the direction of motion changes. Therefore, this approach enables a uniaxial bidirectional crawling motion with a controllable direction of motion using only one actuato r with a selected excitation frequency.



Behn, Carsten; Kräml, Jonas
Gait transitions in artificial non-standard snake-like locomotion systems using adaptive control. - In: Dynamical Systems in Applications, (2018), S. 1-12

This chapter contributes to the modeling, analysis and control of terrestrial artificial locomotion systems. Inspired by previous models, we set up an unconventional model for a snake-like locomotion systems in form of a chain of visco-elastically interconnected mass points in a plane with passive joints, but - in contrast to literature - active links (time-varying link-length) and rotatable skids to change the movement direction and to avoid obstacles. We investigate this model in a dynamical way and focus on controlling these link lengths to achieve a global movement, steered by the skids. From dynamics, the actuator forces have to adjust the prescribed link length for the locomotion. Since it is impossible to determine the necessary actuator forces a-priori, we apply an adaptive lambda-tracking controller to enable the system to adjust these force outputs on-line on its own. Prescribed motion patterns, i.e. specific gaits, are required to guarantee a controlled movement that differ in the number of resting mass points, the load of actuators and spikes, and the lateral forces of the skids. In contrast to literature, the investigated system of n = 10 mass points exhibit a large variety of possible gaits. To determine the most advantageous gaits, numerical investigations are performed and a weighting function offers a decision of best possible gaits. Using these gaits, a gait transition algorithm, which autonomously changes velocity and number of resting mass points depending on the spike, actuator and lateral skid force load, is presented and tested in numerical simulations.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-96601-4_1
Sumi, Susanne; Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of a compliant tensegrity structure for the use in a gripper application. - In: Dynamical systems in theoretical perspective, (2018), S. 323-334

The use of compliant tensegrity structures in robotic applications offers several advantageous properties. In this work the dynamic behaviour of a planar tensegrity structure with multiple static equilibrium configurations is analysed, with respect to its further use in a two-finger-gripper application. In this application, two equilibrium configurations of the structure correspond to the opened and closed states of the gripper. The transition between these equilibrium configurations, caused by a proper selected actuation method, is essentially dependent on the actuation parameters and on the system parameters. To study the behaviour of the dynamic system and possible actuation methods, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed. The movement behaviour is analysed in relation to the prestress of the structure and actuation parameters.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-96598-7_26
Scharff, Moritz; Darnieder, Maximilian; Steigenberger, Joachim; Alencastre, Jorge H.; Behn, Carsten
Theoretical investigations on the behavior of artificial sensors for surface texture detection. - In: Dynamical systems in theoretical perspective, (2018), S. 311-321

Animal vibrissae are used as natural inspiration for artificial tactile sensors, e.g., the mystacial vibrissae enable rodents to perform several tasks in using these tactile hairs: object shape determination and surface texture discrimination. Referring to the literature, the Kinetic Signature Hypothesis states that the surface texture detection is a highly dynamic process. It is assumed that the animals gather information about the surface texture out of a spatial, temporal pattern of kinetic events. This process has to be analyzed in detail to develop an artificial tactile sensor with similar functionalities. Hence, we set up a mechanical model for theoretical investigations of the process. This model is analyzed in two different directions using numerical simulations: at first a quasi-static and then a fully dynamic description.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-96598-7_25
Prem, Nina; Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Sindersberger, Dirk; Monkman, Gareth J.; Zimmermann, Klaus
Properties of polydimethylsiloxane and magnetoactive polymers with electroconductive particles. - In: Macromolecular chemistry and physics, ISSN 1521-3935, Bd. 219 (2018), 18, S. 1800222, insges. 8 S.

Magnetoactive polymers are intelligent materials whose mechanical and electrical characteristics are reversibly influenced by external magnetic stimuli. They consist of a highly elastic polymer matrix in which magnetically soft and/or hard particles are distributed by means of special fabrication processes. In addition to ferromagnetic particles such as carbonyl iron powder, electrically conductive particles may also be embedded into the polymer matrix. After characterizing a range of compounds, this work focuses on a comparison of the electrical properties and the suitability of various materials for applications, with particular emphasis on integration into 3D and 6D printing processes. 6D printing is based on the selective positioning of particles in a 3D polymer matrix with a further three degrees of freedom for a graduated dispersion of the particles at certain points and in desired directions. The aim is therefore to ensure that the polymers containing electroconductive tracks have the best possible electrical properties, that is, low resistivity but are still capable of being printed. A comparison between the traditionally used compounds containing graphite and carbon black is made for the first time. This latter is found to be greatly superior both in terms of electrical conductivity and applicability to 3D printing and 6D printing.



https://doi.org/10.1002/macp.201800222
Bolotnik, Nikolai N.; Schorr, Philipp; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Periodic locomotion of a two-body crawling system along a straight line on a rough inclined plane. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 98 (2018), 11, S. 1930-1946

The motion of a two-body limbless crawler along a line of maximum slope on an inclined plane is considered. Dry friction (anisotropic in the general case) acts between the system's bodies and the underlying plane. The motion is excited and controlled by a periodic change in the distance between the bodies. Of most interest is the periodic upward motion of the system, when the velocity of the system's center of mass changes periodically with a period coinciding with that of the excitation. A mathematical model of the crawler is presented. An upper bound for the inclination angles of the plane at which the system can move upward is estimated. This estimate is based on the averaged model, which implies smallness of the coefficient of friction. Numerical and physical simulation is performed to verify the theoretical results and define an applicability area for them.



https://doi.org/10.1002/zamm.201800107
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
An approach to the estimation of the actuation parameters for mobile tensegrity robots with tilting movement sequences. - In: 2018 International Conference on Reconfigurable Mechanisms and Robots (ReMAR 2018), ISBN 978-1-5386-6380-6, (2018), insges. 8 S.

https://doi.org/10.1109/REMAR.2018.8449871
Milojeviâc, Andrija; Linß, Sebastian; âCojbašiâc, Žarko; Handroos, Heikko; Luostarinen, Lauri; Zentner, Lena
Adaptive soft robotic gripper based on shape morphing compliant system. - In: 2018 International Conference on Reconfigurable Mechanisms and Robots (ReMAR 2018), ISBN 978-1-5386-6380-6, (2018), insges. 10 S.

This paper presents a new shape morphing compliant system - a shape morphing compliant structure with integrated actuators and sensors - for application as an adaptive soft robotic gripper. In many of today industries, there is a need to grasp differently shaped and sized objects as well as objects of a different stiffness or very soft objects. Classical rigid-body based grippers cannot safely manipulate such a wide variety of objects, as they are stiff and not adaptive. By integrating actuators within a compliant structure or mechanism, it is possible to develop an adaptive soft gripper that can achieve multiple shapes of its grasping surface i.e. different grasping patterns. Such gripper would be able to adapt its shape to different shaped objects and to realize safe grasping. By additionally integrating sensors, a compliant system results and the gripper can detect contact with objects. Via developed controller and actuators, appropriate shape morphing of its grasping surface can be realised. The concept of a two-finger gripper and a functional model of one gripper finger are presented in the paper. Actuators are formed by using shape memory alloy wire nitinol and sensors are formed by using conductive graphite foam. It will be shown that developed compliant system can realize an adaptive soft gripper finger with different grasping shapes. The control algorithm for the gripper finger is developed as well and it will be demonstrated that the gripper finger can decide which actuator needs to be activated in order to achieve appropriate shape morphing. The presented adaptive soft gripper structure can have many potential applications in robotics.



https://doi.org/10.1109/REMAR.2018.8449831
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Räder, Thomas; Zentner, Lena; Theska, René
Investigations of the geometrical scaling in the systematic synthesis of compliant mechanisms. - In: Proceedings of the 18th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2018), S. 67-68

Merker, Lukas; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Object shape recognition and reconstruction using pivoted tactile sensors. - In: Mathematical problems in engineering, ISSN 1563-5147, (2018), Article ID 1613945, insges. 11 S.

https://doi.org/10.1155/2018/1613945
Schwieger, Jana; Hügl, Silke; Hamm, Annika; Lenarz, Thomas; Hoffmann, Andrea; Rau, Thomas S.; Scheper, Verena
BDNF-producing human mesenchymal stem cells in an alginate-matrix: neuroprotection and cochlear implant coating stability in vitro. - In: Laryngo-Rhino-Otologie, ISSN 1438-8685, Bd. 97 (2018), S 02, S388, insges. 1 S.

https://doi.org/10.1055/s-0038-1641059
Rau, Thomas S.; Hügl, Silke; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Über den Vorteil sehr langsamer Insertionsgeschwindigkeit: niedrigere Insertionskräfte bei Cochlea-Implantaten :
On the benefit of ultra-slow insertion speed: reduced insertion forces in cochlear implantation surgery. - In: Laryngo-Rhino-Otologie, ISSN 1438-8685, Bd. 97 (2018), S 02, S239, insges. 1 S.

https://doi.org/10.1055/s-0038-1640541
Darnieder, Maximilian; Torres, Mario; Linß, Sebastian; Theska, René
On precise modelling of very thin flexure hinges. - In: Proceedings of the 18th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2018), S. 87-88

The continuously rising demands for precision favour the application of monolithic compliant mechanisms with flexure hinges in various fields of precision engineering. It gives way to an almost frictionless and precise motion even under vacuum conditions. These advantages have made compliant mechanism an integral component of high precision weighing cells. A downside of compliant joints is their stiffness towards deflection, which limits the sensitivity of the overall system. Consequently, the flexure hinges are manufactured as thin as possible. The present limit in terms of manufacturing technology is within the range of 50 [my]m. The objective of predicting the behaviour of highest precision weighing cells by modelling is directly interconnected with the exact knowledge of the behaviour of flexure hinges in terms of stiffness. Especially, for flexure hinges with high aspect ratios, typically found in weighing cells, the existing analytical equations and finite element models show pronounced deviations. The present research effort is dedicated to a clarification of this observation. Structure mechanical finite element models are developed to identify the deviations of the models precisely. Results obtained are compared to analytical results and conclusions for the modelling of thin flexure hinges are drawn.



Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Räder, Thomas; Henning, Stefan; Theska, René; Zentner, Lena
Influence of geometric scaling on the elasto-kinematic properties of flexure hinges and compliant mechanisms. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 125 (2018), S. 220-239

https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2018.03.008
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Zentner, Lena
Numerical calculation of compliant four-bar mechanisms with flexure hinges. - In: The 4th International Conference Mechanical Engineering in XXI Century, (2018), S. 267-270

Milojeviâc, Andrija; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Handroos, Heikki
A new prismatic crossed leaf-type flexure hinge based on topology optimization with discrete beam elements. - In: The 4th International Conference Mechanical Engineering in XXI Century, (2018), S. 243-246

Theska, René; Zentner, Lena; Fröhlich, Thomas; Weber, Christian; Manske, Eberhard; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Harfensteller, Felix; Darnieder, Maximilian; Kühnel, Michael
State of the art precision motion systems based on compliant mechanisms. - In: The 4th International Conference Mechanical Engineering in XXI Century, (2018), S. 3-8

Will, Christoph;
Continuum models for biologically inspired tactile sensors : theory, numerics and experiments. - Ilmenau, 2018. - xi, 164 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018

In der Biologie existiert ein hoch effizientes und mächtiges Tastorgan: die Sinushaare von Säugetieren. Unter Verwendung dieser Sinushaare können sich Tiere in ihrer Umgebung zurechtfinden, ohne auf die Unterstützung durch andere Sinne angewiesen zu sein, Abstände zu Objekten erkennen, die Oberflächenbeschaffenheit abschätzen und Konturen unterscheiden. Um das Prinzip der Konturerkennung auch in technischen Anwendungen nutzen zu können, werden in dieser Arbeit zunächst die fundamentalen Eigenschaften dieses taktilen Sinnesorgans analysiert: Das Tier erlangt Informationen aus seiner Umgebung, indem es ein langes, schlankes Haar gegen ein Objekt bewegt. Durch die dabei auftretende Verformung des Haares kann der Kontakt in der Lagerung, dem Follikel-Sinus-Komplex, registriert werden. Auf diesen Eigenschaften basierend wird ein unter klaren Annahmen formuliertes, ebenes, quasi-statisches Modell im Rahmen der Kontinuumsmechanik aufgestellt, welches das Problem der Objektabtastung in dimensionsloser Form beschreibt. Nach einer sorgfältigen Analyse des Modells dient dieses dazu die Observablen - jene Informationen, die dem Tier zur Verfügung stehen - zu generieren und im Anschluss, wenn die Observablen bekannt sind, den Kontaktpunkt von Haar und Objekt zu rekonstruieren. Sobald hinreichend viele Kontaktpunkte bekannt sind, kann die Objektkontur abgeschätzt werden. Nachdem die Tauglichkeit der Rekonstruktionsmethode mit Messdaten erfolgt ist, werden die Modellannahmen erweitert. Dies ermöglicht es auch den Einfluss einer elastischen Lagerung, der konischen Form der Haare und einer erweiterten Klasse von Objektkonturen während der Objektabtastung zu bestimmen. Um das Modell zusätzlich zu erweitern und weitere Eigenschaften des biologischen Vorbilds untersuchen zu können, wird auch ein Modell basierend auf der Finiten Elemente Methode verwendet und dessen Ergebnisse denen des kontinuierlichen Modells gegenübergestellt. Mit Hilfe des Finiten Elemente Modells ist es möglich, die Observablen für beliebig geformte Objekte, sowie für vorgekrümmte Haare zu bestimmen. Die entworfenen Modelle können für die Entwicklung von taktilen Sensoren, die Simulation von unterschiedlichen Kontaktbedingungen und die Einschätzung der Lagerreaktionen für diverse Anwendungsgebiete verwendet werden.



Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Capsubot with an opposing spring: simulation and experiments. - In: MATHMOD 2018 extended abstract volume, (2018), S. 71-72

https://doi.org/10.11128/arep.55.a55251
Fiedler, Patrique; Mühle, Richard; Griebel, Stefan; Pedrosa, Paulo; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Contact pressure and flexibility of multipin dry EEG electrodes. - In: IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering, ISSN 1558-0210, Bd. 26 (2018), 4, S. 750-757

https://doi.org/10.1109/TNSRE.2018.2811752
Darnieder, Maximilian; Pabst, Markus; Wenig, Ronny; Zentner, Lena; Theska, René; Fröhlich, Thomas
Static behavior of weighing cells. - In: Journal of sensors and sensor systems, ISSN 2194-878X, Bd. 7 (2018), 2, S. 587-600

https://doi.org/10.5194/jsss-7-587-2018
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Schorr, Philipp; Zentner, Lena
PC program for the analysis and synthesis of flexure hinges with different notch geometries :
PC-Programm zur Analyse und Synthese von Festkörpergelenken mit unterschiedlichen Aussparungsgeometrien. - In: Vierte IFToMM D-A-CH Konferenz 2018, (2018), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/45331
Schorr, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Influence of the orientation of flexure hinges on the elastokinematic properties :
Einfluss der Orientierung von Festkörpergelenken auf die elastokinematischen Eigenschaften. - In: Vierte IFToMM D-A-CH Konferenz 2018, (2018), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/45330
Uhlig, René; Zentner, Lena
Nachgiebige Elemente für den Einsatz in Gassicherheitsventilen. - In: Vierte IFToMM D-A-CH Konferenz 2018, (2018), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/45320
Will, Christoph; Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
Object contour scanning using elastically supported technical vibrissae. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 98 (2018), 2, S. 298-305

https://doi.org/10.1002/zamm.201600161
Schümann, Malte; Morich, Julian; Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus; Odenbach, Stefan
A mechanical characterisation on multiple timescales of electroconductive magnetorheological elastomers. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 453 (2018), S. 198-205

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.01.029
Dietzel, Andreas;
Modellgestützte Ermittlung und Bewertung der Formgebungsgrenzen von Rotbuchenfurnier. - Aachen : Shaker Verlag, 2018. - xxx, 241 Seiten. - (Berichte aus der Mechanik)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

ISBN 3-8440-5673-4

Gegenstand dieser Arbeit ist die kontinuumsmechanische Beschreibung des Werkstoffes Furnier bei zweidimensionaler Umformung. Die experimentellen Betrachtungen werden an quer gemessertem, industriell hergestelltem Rotbuchenfurnier (Fagus sylvatica L.) durchgeführt. Umformversuche sind dabei Kurzzeitversuche. Auf Basis bekannter Materialmodelle von Vollholz (Kurzzeitbereich) werden verschiedene Umformmodelle für Furnier entwickelt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Erfassung der Kennwertdifferenzen zwischen Vollholz und Furnier, der stark von den Parametern Holzfeuchte und Temperatur abhängigen Zug-Druck-Asymmetrie des Werkstoffes sowie des plastischen Verformungspotentials bei Druckbelastung. Darauf aufbauend werden, anhand mikroskopischer Untersuchungen, fertigungsbedingte Werkstoffschädigungen von Furnier (Messerrisse und Oberflächendefekte) charakterisiert und quantifiziert. Die Ergebnisse werden mit Blick auf die bei Vollholz und Furnier stark differierenden mechanischen Werkstoffkennwerte diskutiert und die Kennwertdifferenzen m.H. eines Schichtmodells erfasst. Des Weiteren werden ein neu entwickelter Biegeversuch und eine entsprechende Prüfvorrichtung zur Erfassung der zweidimensionalen Formungseigenschaften von Furnier vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt in der Aufzeichnung der Randfaserdehnungen der Biegeprobe m.H. eines digitalen Bildkorrelationsmesssystems. Anhand umfangreicher Versuche werden die Biegeeigenschaften und das Versagensverhalten von Furnier in Abhängigkeit der Parameter Furnierdicke, Holzfeuchte, Faser- und Krümmungsrichtung (offene, geschlossene Furnierseite) ermittelt. Furnier zeigt dabei asymmetrische Biegeeigenschaften sowie ein sehr komplexes Versagensverhalten, mit sukzessiv zunehmender Werkstoffschädigung. Die minimal erreichbaren Biegeradien werden in Bezug auf die daraus resultierenden Oberflächendefekte des Furniers ausgewertet und diskutiert. Im Gültigkeitsbereich der entwickelten Umformmodelle zeigen die Versuchsergebnisse eine gute Übereinstimmung. Hin zu sehr kleinen Radien ist aus den Dehnungsmessungen ersichtlich, dass in der Zugrandfaser die, aus uniaxialen Zugversuchen bekannten, Bruchdehnungen deutlich überschritten werden. Es wird aufgezeigt, wie die zugrunde gelegte Werkstoffmodellbeschreibung zu erweitern ist, um auch diesen Grenzbereich der Furnierformung im Umformmodell abbilden zu können.



Volkova, Tatiana I.; Zimmermann, Klaus; Borin, Dmitry Yu.; Stepanov, Gennady V.; Storozhenko, P. A.
Dynamic response of a sensor element made of magnetic hybrid elastomer with controllable properties. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 449 (2018), S. 77-82

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.09.081
Zentner, Lena; Corves, Burkhard; Jensen, Brian; Lovasz, Erwin-Christian
Microactuators and Micromechanisms : Proceedings of MAMM-2016, Ilmenau, Germany, October 5-7, 2016. - Cham : Springer, 2017. - Online-Ressource (VIII, 261 p. 197 illus., 141 illus. in color, online resource). - (Mechanisms and Machine Science ; 45) ISBN 978-3-319-45387-3

https://doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3
Böhm, Valter; Sumi, Susanne; Kaufhold, Tobias; Zimmermann, Klaus
Compliant multistable tensegrity structures with simple topologies. - In: New Trends in Mechanism and Machine Science, (2017), S. 153-161

This paper describes a method to identify compliant tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium. The considered algorithm is based on the repeated use of a form-finding procedure, using the static Finite-Element-Method. The algorithm can be used to develop compliant multistable tensegrity mechanisms with simple topologies. Therefore three planar tensegrity mechanisms with two or three stable equilibrium configurations are exemplary considered and verified experimentally.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-44156-6_16
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus
Compliant gripper based on a multistable tensegrity structure. - In: New Trends in Mechanism and Machine Science, (2017), S. 143-151

This paper describes a new design approach of compliant grippers based on tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium. As an example a planar tensegrity structure with two stable equilibrium states is considered and its potential use in a two-finger-gripper is discussed. The form finding and the influence of the segment parameters on global structural properties (e.g. mechanical compliance, static stability) are considered, with the help of static geometric nonlinear analyses, based on the Finite Element Method. The working principle is verified for a selected prototype.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-44156-6_15
Schorr, Philipp; Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Dynamical investigation of a vibration driven locomotion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Vibration, control and stability of dynamical systems, ISBN 978-83-935312-5-7, (2017), S. 485-496

Dubovikova, Nataliia; Gerlach, Erik; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
An approach to the mechanical modeling of contact problems in the application to friction stir welding. - In: Engineering dynamics and life sciences, ISBN 978-83-935312-4-0, (2017), S. 173-182

Behn, Carsten; Siedler, Konrad
Tracking control of a muscle-like actuated double pendulum. - In: Engineering dynamics and life sciences, ISBN 978-83-935312-4-0, (2017), S. 45-56

Scharff, Moritz; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten; Alencastre, Jorge
Influence of vibrissa morphology on artificial tactile sensors for surface texture detection. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 17 (2017), 1, S. 219-220

https://doi.org/10.1002/pamm.201710079
Chavez, Jhohan; Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Zimmermann, Klaus; Martens, Michael; Schilling, Meinhard; Gundermann, Thomas; Odenbach, Stefan
Field-induced plasticity of magneto-sensitive elastomers in context with soft robotic gripper applications. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 17 (2017), 1, S. 23-26

https://doi.org/10.1002/pamm.201710007
Schorr, Philipp; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Motion by variation of the contact force on an inclined plane. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 17 (2017), 1, S. 167-168

https://doi.org/10.1002/pamm.201710053
Rau, Thomas S.; Hügl, Silke; Salcher, Rolf; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Hydraulisch automatisierte Elektrodeninsertion. - In: CURAC 2017 - Tagungsband, ISBN 978-3-95900-158-8, (2017), S. 131-135

Kaufhold, Tobias;
Modellbildung, Simulation und Prototypenentwurf von mechanisch nachgiebigen, mobilen Robotern. - Ilmenau, 2017. - 131 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

In der Robotik werden zunehmend mechanisch nachgiebige Systeme eingesetzt, um unter anderem die Interaktion zwischen Mensch und Maschine für den Menschen sicher zu gestalten. Ebenfalls wächst aufgrund vorteilhafter Eigenschaften, wie Formvariabilität, einfacher Aufbau und Möglichkeit der Stoßabsorption, der Anteil mechanisch nachgiebiger Systeme in der mobilen Robotik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Strukturen in mobilen Robotern zu leisten. Dabei bilden strukturelle und antriebstechnische Aspekte den Forschungsfokus. Die Untersuchungen sollen einen Impuls zur Entwicklung solcher nachgiebiger Lokomotionssysteme geben, bei welchen Fortbewegung mittels nur weniger Aktuatoren, unter Nutzung besonderer struktureller oder werkstoffseitiger Charakteristika, realisiert wird. Auf diese Weise können vielseitig einsetzbare mobile Roboter entwickelt werden, die sich durch einen einfachen Aufbau, moderaten Steuerungsaufwand und somit durch eine geringe Fehleranfälligkeit auszeichnen. Die Betrachtungen in dieser Arbeit haben Grundlagencharakter. Im Vordergrund steht nicht die Weiterentwicklung bekannter klassischer Lokomotionssysteme, sondern die exemplarische Umsetzung von im Vergleich zu bekannten Systemen alternativen Realisierungsmöglichkeiten derartiger mobiler Roboter. In diesem Zusammenhang werden wissenschaftliche Fragestellungen bezüglich struktureller, werkstoffseitiger und antriebstechnischer Aspekte formuliert und mittels theoretischer und experimenteller Untersuchungen beantwortet. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Betrachtung von mechanisch vorgespannten Systemen auf Basis von Tensegrity-Strukturen. Die Anwendung solcher Strukturen ermöglicht die Realisierung von Systemen, deren mechanische Nachgiebigkeit und daraus folgend auch dynamische Eigenschaften ohne Formänderung reversibel veränderbar sind. Dies ermöglicht eine Anpassungsfähigkeit dieser Systeme an veränderte Umgebungsbedingungen während der Fortbewegung.



Pendzialek, Matthias; Zentner, Lena; Höhe, Kurt; Schneider, Jürgen
Reduzierte nachgiebige Spiralstrukturen für Rückschlagventile in Doppelkupplungsgetrieben. - In: Tagungsband 12. Kolloquium Getriebetechnik, (2017), S. 255-266

Das Ziel dieser Untersuchung ist langfristig konventionelle Rückschlagventile in Doppelkupplungsgetrieben mit vollintegrierten Flachfederrückschlag-ventilen ersetzen zu können. Hierfür wurde das System auf einen einzelnen Federarm reduziert und daraus vier Modelle abgeleitet. Diese sind mit und ohne Anbindung des Federarmes an das umliegende Material und jeweils mit idealem und real vermessenem Querschnitt. Die Modellergebnisse wurden mit experimentellen Ergebnissen für zehn Prüflinge mit Anbindung des Federarmes und realem Querschnitt verglichen. Dieser Vergleich sowie der Vergleich zwischen Ergebnissen der vier Modelle ergaben Hinweise auf die Verwendbarkeit der Modelle und die Auswirkung der Abweichungen des Querschnittes.



Griebel, Stefan; Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Majdani, Omid; Zentner, Lena
Nachgiebiger fluidmechanischer Aktuator für eine schonende Implantation am Beispiel eines vorgekrümmten Cochlea-Implantat-Elektrodenträgers. - In: Tagungsband 12. Kolloquium Getriebetechnik, (2017), S. 235-254

Am Beispiel eines vorgekrümmten Cochlea-Implantat-Elektrodenträgers wird die Entwicklung und Untersuchung eines nachgiebigen, fluidmechanischen Aktuators gezeigt. Über eine entwickelte Synthesemethode wird die Außenform des Aktuators im Maßstab 9.5:1 gefunden. Ein entwickelter Fertigungsprozess, dessen Schritte und der Versuchsaufbau zur Untersuchung der Verformung von elf Funktionsmustern unter steigendem Innendruck werden vorgestellt. Ein Vergleich der benötigten Drücke zum Erreichen sieben ausgewählter Verformungszustände, ermittelt aus dem analytischen Modell, zeigt, dass alle Zustände qualitativ gut erreicht werden, wobei die Drücke 6.1 bis 10.8 % geringer ausfallen. Mögliche Ursachen werden benannt. - Using the example of curved-shape cochlear implant electrode carrier, the development and examination of a compliant, fluid-mechanical actuator is shown. The 9.5:1 scaled external shape of the actuator is found using a developed synthesis method. In addition, a new production process, its steps and the experimental setup for the investigation of the deformation of eleven functional models under increasing internal pressure are presented. A comparison of the required pressures to achieve seven selected deformation states, determined from the analytical model, shows that all states are achieved qualitatively well, the pressures being 6.1 to 10.8 % lower. Possible causes are named.



Günther, Lars; Becker, Felix; Becker, Tatiana I.; Stepanov, Gennady V.; Zimmermann, Klaus
Development of an acceleration sensor incorporating a magneto-sensitive elastomer. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 9 S.

The present paper introduces an operating principle and concept of an acceleration sensor with an adaptable measuring range and sensitivity basing on the adjustability of the material properties of magneto-sensitive elastomers. The development of such a sensor requires a comprehensive understanding of the behaviour of the utilized material. Therefore, the magnetic field dependent behaviour of magnetic hybrid elastomer (MHE) with embedded magnetically soft and hard particles is investigated. Free vibrations of MHE beams are executed and hereafter, the frequency and damping behaviour are established. It is shown that the change of the magnetic field caused by a vibrating MHE beam contains detailed information about its deflection. Basing on the revealed results, the acceleration sensor concept incorporating a functional MHE element is presented. The possibility to adjust the material properties of this element with an externally applied magnetic field is used.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-055:3
Linß, Sebastian; Schorr, Philipp; Henning, Stefan; Zentner, Lena
Contour-independent design equations for the calculation of the rotational properties of commonly used and polynomial flexure hinges. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 14 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-001:5
Stubbig, Leon; Lichtenheldt, Roy; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
Model-based development of a compliant locomotion system for a small scout rover. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 20 S.

All currently active planetary exploration robots employ wheels for locomotion. In this work an alternative robotic locomotion concept is examined: the rimless wheel, also known as whegs. It has been proven to be successful in traversing rough terrain on earth and inhibits an appealing simplicity in its mechanics and controls. These aspects along with its inherent redundancy make the rimless wheel particularly suited for planetary exploration. The rimless wheel's kinematics and compliant spokes are analytically examined using mechanical models. The dynamics of these models are explored in a computational multi-body simulation which confirms the conclusions drawn from the analytical models about running, climbing and movement on rough terrain. A parameter variation then yields a set of suitable parameters for a future scout rover. The application in sand is considered separately both analytically and computationally. Based on these results a single wheel is build and tested on the conclusions drawn from modelling and simulation. These experiments provide strong support that the two-sided goal of efficient movement on hard and flat surfaces as well as reliable negotiation of rough terrain can be achieved with the developed locomotion system.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-012:0
Tomiâc, Miša; Milojeviâc, Andrija; Miloševiâc, Miloš; Linß, Sebastian; Pavloviâc, Nenad T.; Pavloviâc, Nenad D.; Handroos, Heikki
Analytical model of conductive graphite foam based sensors characteristics. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 9 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-100:4
Hügl, Silke; Zentner, Lena; Griebel, Stefan; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Analysis of the customized implantation process of a compliant mechanism with fluidic actuation used for cochlear implant electrode carriers. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 6 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-111:0
Scharff, Moritz; Alencastre, Jorge H.; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Investigations on the mechanical relevance of prominent vibrissa features for surface texture detection. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 9 S.

The tactile hairs of animals are used as paradigm for artificial tactile sensors. In the case of mystacial vibrissae, the animals can determine the distance to an object, recognize the shape of the object and detect the surface texture of the object. The goal is to design an artificial tactile sensor inspired by the natural paradigm. In the present work, the vibrissa and the follicle-sinus-complex are modeled as a one-sided clamped beam within the limits of the non-linear Euler-Bernoulli beam theory. The theoretical background of the function principle and the effects of typical properties of the natural vibrissa, e.g., a tapered shape and a pre-curvature while operating in surface texture detection are analyzed. The beam-surface contact is described by Coulomb's law of friction. When the beam is in touch with the surface, a quasi-static displacement of the support takes place. As a consequence of the displacement the support reactions are changing. The resulting support reactions are analyzed in parameter studies and beneficial levels of tapering and pre-curvature are identified.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-094:0
Behn, Carsten; Ackermann, Lisa; Will, Christoph; Helbig, Thomas; Steigenberger, Joachim
Vibrissa-based design of tapered tactile sensors for object sensing. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 13 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-050:5
Merker, Lukas; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Object contour sensing using artificial rotatable vibrissae. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 13 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-049:9
Lichtenheldt, Roy; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
Screw-driven robot for locomotion into sand. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 13 S.

The locomotion into sand is needed in various applications, but due to the complex mechanics of granular matter it causes special difficulties. High resistance forces on penetration systems and parameter dependent behavior, like stable or instable boreholes, complicate the design of mobile robots for the locomotion in sandy soil. The most effective state of the art devices deploy hammering mechanisms. Screw-driven systems arise more and more in the literature, as they promise to be a simple, robust and low-cost solution. In this paper, an autonomous drilling robot for the locomotion into sandy soils is presented. The design is based on theoretical modeling and experimental analyses of the screw drive aiming to minimize the needed torque and to maximize the locomotion speed. The presented prototype is able to reach a depth of 20 centimeters within a minute with a torque of 0.66 Nm.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-005:6
Steinmeier, René; Becker, Felix; Günther, Lars; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Approaches to the application of magnetic fluids in electromechanical drive systems. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 12 S.

This paper shows the approach of applications of magnetic liquids in electromechanical drive systems. Magnetic fluids consist of colloidal ferromagnetic nanoparticles, a particle surfactant and carrier liquid. These fluids are divided into two groups called ferrofluids and magneto-rheological fluids (MRF). Both liquids are examined in two different kinds of electric motor prototypes. Following the ideas of Nethe [4], a ferrofluid is located in the air gap of an electrical drive. The influence on torque and especially heat transfer is shown by experiments. The system is also studied analytically as a classical Taylor-Couette-System. A second motor prototype is a novel and innovative magnetorheological assisted electrical machine. The construction and the functional principle are presented in this paper. In addition, some of first measurements are shown.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-057:9
Chigarev, Vitalij; Zimmermann, Klaus; Becker, Felix; Minchenya, Vladimir
Theoretical and experimental investigations of micro robots based on piezoelectric triangular plates. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 19 S.

The creation of mobile miniature robots is an advanced and promising branch of modern engineering. The most important issues in the design of such robots are the development of propulsion and energy systems. The use of miniature electromechanical systems in the technological world is growing rapidly. Considering new applications the piezoelectric drive is a practical base to create miniature robots which move on different surfaces and in different media. Due to the small dimensions and low energy supply the development of piezoelectric platforms for miniature robots in the form of spheres, cylinders, plates with support rods can effectively solve many theoretical and practical problems. To study complex stress-strain states of plate-platforms for miniature robots methods of numerical analysis (finite element calculation) are used. This allows to obtain solutions of boundary value problems for plates with various shapes in conditions of a controlled resonance. This results can be compared with experimental data. This approach leads to a significant reduction of the design costs.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-004:8
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
On the influence of the flexure hinge orientation in planar compliant mechanisms for ultra-precision applications. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 10 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-090:9
Becker, Tatiana; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Zimmermann, Klaus
Surface shape stability analysis of a magnetic fluid in the field of an electromagnet. - In: Journal of fluid mechanics, ISSN 1469-7645, Bd. 830 (2017), S. 326-349

https://doi.org/10.1017/jfm.2017.488
Hügl, Silke; Rülander, Katharina; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Impact of insertion velocity on insertion forces in cochlear implantation surgery. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 62 (2017), S1, Seite S167
Enthalten in: Poster session 13: Organ and patient support systems I

https://doi.org/10.1515/bmt-2017-5034
Rau, Thomas S.; Hügl, Silke; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Toward steerable electrodes : an overview of concepts and current research. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 3 (2017), 2, S. 765-769

https://doi.org/10.1515/cdbme-2017-0161
Hügl, Silke; Zentner, Lena; Griebel, Stefan; Majdani, Omid; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
Individualized design of fluidically actuated cochlear implants. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 62 (2017), S1, Seite S280
Enthalten in: Session 33: Modelling and simulation II

https://doi.org/10.1515/bmt-2017-5054
Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Dynamic properties of magneto-sensitive elastomer cantilevers as adaptive sensor elements. - In: Smart materials and structures, ISSN 1361-665X, Volume 26 (2017), number 9, 095035, Seite 1-9

https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa75ec
Kaufhold, Tobias; Schale, Florian; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Indoor locomotion experiments of a spherical mobile robot based on a tensegrity structure with curved compressed members. - In: 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), ISBN 978-1-5090-6000-9, (2017), S. 523-528

This work presents theoretical and experimental investigations on an untethered rolling tensegrity robot. Previous research has shown, that rolling locomotion of compliant tensegrity robots can be realized without change of their shape, by using only internal mass shifting. The use of simple tensegrity structures, based on curved compressed members enables pure rolling locomotion in contrast to the most known prototypes of this kind. Therefore, theoretical and experimental investigations of an untethered locomotion system based on a simple tensegrity structure, consisting of two disconnected compressed curved members connected to a continuous net of twelve prestressed tensioned members with pronounced elasticity, are considered. Planar locomotion is induced by the movement of only two drive units as internal masses along the curved compressed members. Theoretical considerations show the influence of the geometrical system parameters on the movement behavior of the system. With the help of experimental investigations, by using motion-capturing technique, main properties of the locomotion performance of a prototype are discussed.



https://doi.org/10.1109/AIM.2017.8014070
Pozo Fortuniâc, Edmundo; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Cuellar, Francisco
Bristle-bots in swarm robotics - approaches on agent development and locomotion. - In: 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), ISBN 978-1-5090-6000-9, (2017), S. 1424-1429

Bristle-bots are vibration-driven mobile robots characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application - qualities which are advantageous for agents of swarm robotics. Current studies have focused on their natural behaviour on confined spaces, navigation capabilities through pipes, and mathematical modelling of the bristle-based motion, however, trajectory generation capabilities were not evaluated. Therefore, this paper presents our robot "Donipodis", a mobile micro-robot for swarm robotics research. Our robot uses a single vibro-motor controlled over an 8-bit microprocessor that generates locomotion using bristles. It possess two IR receivers at its front as antennae and one IR transmitter at its back for peer-to-peer communications, an RGB colour identifier and IrDA communication for master host programming. A modelling of the micro-robot was also developed. Simulations and experimental results show a proper modelling of the locomotion and performance over displacement with slightly curved trajectories. Translation and rotation speeds characterization results show potential for controllable trajectory generation by varying the motor speed properties (PWM frequency and duty cycle) and direction.



https://doi.org/10.1109/AIM.2017.8014218
Becker, Felix; Seith, Rebecca; Köhring, Sebastian; Voges, Danja; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus
Mehrkörperdynamische Modelle und Methoden der Bewegungsanalyse zur Diagnostik und Prävention von Störungen der Bewegungskontrolle. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2017), S. 377-384

Faenger, Bernd; Michaelis, Anne; Schumann, Nikolaus; Lutherdt, Stefan; Becker, Felix; Witte, Hartmut; Pezoldt, Kerstin; Scholle, Hans-Christoph
Generation 50plus auf der Überholspur - Nahfeld-Mobilitätssysteme im Vergleich. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2017), S. 345-348

Carlstedt, Matthias;
A contribution to the experimental validation in Lorentz force eddy current testing. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (xviii, 143 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Die zerstörungsfreie Materialprüfung elektrisch leitfähiger Komponenten und Baugruppen ist ein integraler Bestandteil im Produktlebenszyklus heutiger technischer Produkte. Insbesondere im Automobilbau sowie der Luft- und Raumfahrttechnik ist durch den Einsatz moderner Leichtbaumaterialien die Entwicklung immer leistungsfähigere mechanischer Komponenten möglich. Diese hochbeanspruchbaren Bauteile müssen sowohl in der Fertigungsphase als auch in der späteren Betriebsphase auf ihre strukturelle Integrität geprüft werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Die in dieser Arbeit untersuchte Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung ist eines der Prüfverfahren, welche in diesem Zusammenhang erforscht und weiterentwickelt werden. Nach einer kurzen Einführung in den Stand der Technik der zerstörungsfreien Materialprüfung und einer Vorstellung der relevanten Märkte, werden die vorangegangen Arbeiten auf dem Gebiet der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfverfahren beleuchtet. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den experimentellen Untersuchungen, welche in vorangegangenen Machbarkeitsstudien erfolgreich durchgeführt wurden. Die Betrachtung der für das Messprinzip relevanten physikalischen Phänomene ermöglicht mittels der durchgeführten Dimensionsanalyse einen vertiefenden Einblick in die Wechselwirkungen der elektromagnetischen und geometrischen Größen. Umfassende numerische Studien begleiten diese Untersuchung und führen zur Formulierung von praktischen Skalierungsregeln. Den umfassendsten Teil der Arbeit bilden die Klassifizierung und die systematische Beschreibung des untersuchten Messverfahrens, sowie die repräsentative Darstellung experimenteller Studien. Hierbei kommt ein mehrkomponentiges Sensorsystem zum Einsatz, welches die zeitgleiche Erfassung der auftretenden Messkräfte sowie deren Beschleunigungswirkung auf den Messaufbau ermöglicht. Das idealisierte Messverfahren wird durch die Betrachtung der beteiligten physikalischen Größen als Zufallsvariablen zu einem realen Messprozess erweitert. Dabei zeigt sich, dass die statistischen Eigenschaften des Messprozesses nicht zeitunabhängig sind und somit ein Messsignal einer einzelnen Messung kein vollständiges Messergebnis, im Sinne einer experimentellen Standardabweichung, liefern kann. Aus dieser Einsicht heraus werden Ansätze für die Bildung von künstlichen Signalscharen beschrieben und in unterschiedlichen experimentellen Studien erprobt. Diese Signalensembles, welche aus Einzelsignalen bestehen, ermöglichen dabei erstmals eine statistische Auswertung der Messergebnisse. Einen Neuheitswert stellt ebenfalls die in der Arbeit vorgestellte Erweiterung des Messmodells zu einem nicht rückwirkungsfreien Messverfahren dar, welches die mechanische Wechselwirkung der Lorentzkraft und des mechanischen Messaufbaus beschreibt. Hierfür werden für zwei praktisch relevante Beispiele geeignete Verfahren zur Systemidentifikation vorgestellt, welche sowohl in der Signalvorverarbeitung als auch der modellspezifischen Parameterschätzung eine einfache Modellbildung des mechanischen Systems ermöglichen. Aus den so gewonnenen mechanischen Modellen wird anschließend beispielhaft der Entwurf digitaler Filter zur Kompensation des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens dargestellt.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000307
Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir
New methods for designing the moving robots using biological prototypes. - Minsk. - 1 Online-Ressource (1 Seite)Online-Ausgabe: Novye napravlenija razvitija priborostroenija : materialy 10-j meždunarodnoj naučno-techničeskoj konferencii molodych i studentov, Minsk, 26-28 aprelja 2017 g. / Belorusskij Nacional'nyj Techniceskij Universitet. Redkol.: O.K. Gusev. - Minsk, 2017. - T. 1, S. 226

http://rep.bntu.by/handle/data/30963
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Large stroke ultra-precision planar stage based on compliant mechanisms with polynomial flexure hinge design. - In: Proceedings of the 17th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2017), S. 107-108

Precision stages based on compliant mechanisms have many advantages over conventional linear guides. Therefore they are widely used in many applications in precision engineering, measurement technology, semiconductor industry and space technology. The motion range of high-precise compliant mechanisms is often limited to some micrometres up to submillimetre. This contribution presents the development in the design of a compliant mechanism allowing a bidirectional planar motion with a large stroke of up to 10 mm and a straight line deviation of only a few micrometres. Based on the outstanding reproducibility of the path of motion, positioning and measurement of large objects with accuracy in the nanometre range have been realised.



Helbig, Thomas; Zárate, José; Voges, Danja; Behn, Carsten; Witte, Hartmut
Mechanical bearings with tunable compliance - the follicle-sinus-complex as paragon. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2017), S. 261-267

Siedler, Konrad; Behn, Carsten
Adaptively controlled dynamical behavior of sensory systems based on mechanoreceptors. - In: International journal of structural stability and dynamics, ISSN 0219-4554, Bd. 17 (2017), 5, S. 1740002, insges. 14 S.

https://doi.org/10.1142/S0219455417400028
Hügl, Silke; Lexow, G. Jakob; Majdani, Omid; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
Untersuchung der anatomischen Variabilität perimodiolarer Scala Tympani Pfade als Grundlage individueller Cochlea-Implantat Elektrodenträger. - In: 88. Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie e.V., (2017), Meeting Abstract (17hno299), insges. 2 S.

http://dx.doi.org/10.3205/17hno299
Mirsalehi, Marjan; Rau, Thomas S.; Harbach, Lenka; Hügl, Silke; Mohebbi, Saleh; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Insertion forces and intracochlear trauma in temporal bone specimens implanted with a straight atraumatic electrode array. - In: European archives of oto-rhino-laryngology and head & neck, ISSN 1434-4726, Bd. 274 (2017), 5, S. 2131-2140

https://doi.org/10.1007/s00405-017-4485-z
Böhm, Valter; Sumi, Susanne; Kaufhold, Tobias; Zimmermann, Klaus
Compliant multistable tensegrity structures. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 115 (2017), S. 130-148

In this paper, a method to identify compliant tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium is described. The considered algorithm is based on the repeated use of a form-finding procedure, using the static Finite-Element-Method. The algorithm can be used in the development process of compliant multistable tensegrity structures with simple topologies, consisting of only few members. As examples four planar tensegrity structures with two or three stable equilibrium configurations are considered and verified experimentally. Furthermore, a specific kind of multistable tensegrity structures, which have identical convex hulls, but differing prestressed states in their equilibrium configurations, is investigated. The potential technical use of the considered structures is discussed in the context of shape-changing locomotion systems using transitions between their equilibrium configurations.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.04.013
Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of a spherical mobile robot based on a tensegrity structure with two curved compressed members. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 87 (2017), 5, S. 853-864

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robotics is an attractive research topic. The mechanical properties and therefore the locomotion performance of mobile robots based on these structures can be adjusted reversibly during locomotion. In the present work, a rolling mobile robot, based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected curved members connected to a continuous net of eight prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. Pure rolling uniaxial locomotion and also planar locomotion can be realized with small control effort, induced by the movement of two internal masses. After kinematic considerations, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed, to study the system behavior. Also the dependency of the rolling movement behavior on structural and actuation parameters is discussed. The uniaxial and planar locomotion performance of the system are verified experimentally.



https://doi.org/10.1007/s00419-016-1183-z
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
A multistable tensegrity structure with a gripper application. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 114 (2017), S. 204-217

Multistable tensegrity structures are a new interesting class of compliant prestressed structures. Due to their beneficial properties, these structures are attractive for robotic applications. In this paper a gripper is introduced, which is based on a mechanical compliant, multistable tensegrity structure. The underlying tensegrity structure of the considered gripper is investigated in detail. The influence of the member parameters on the existence of multiple states of self-equilibrium and the mechanical compliance is discussed with the help of static geometric nonlinear analyses, based on the Finite Element Method. The dynamical behaviour of the structure, during the change between the equilibrium configurations, is considered. Therefor the dynamical equations of motion are derived. Then gripper arms are added to the tensegrity structure to obtain a gripper. Different actuation principles for the gripper are discussed. Additionally, a prototype of the gripper has been built and is presented, as well as, selected experimental results.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.04.005
Volkova, Tatiana I.; Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Popp, Jana; Becker, Felix; Borin, Dmitry Yu.; Stepanov, Gennady V.; Zimmermann, Klaus
Motion behaviour of magneto-sensitive elastomers controlled by an external magnetic field for sensor applications. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 431 (2017), S. 262-265

The development of sensor systems with a complex adaptive regulation of the operating sensitivity and behaviour is an actual scientific and technical challenge. Smart materials like magneto-sensitive elastomers (MSE) are seen as one potential solution for this problem, since their mechanical properties may be controlled by external magnetic fields. The present paper deals with the investigation of elastic and damping properties of MSE containing magnetically soft particles under the influence of a uniform magnetic field. Based on the measurement of the first eigenfrequency of free bending vibrations of a fixed beam, the effective Young's modulus is evaluated theoretically and also numerically using Finite Element Method. It is shown that this parameter, as well as the first eigenfrequency of the beam, increases monotonically with the magnitude of the applied magnetic field. The results are aimed to develop an acceleration sensor with adaptive magnetically controllable sensitivity range for the detection of external mechanical stimuli of the environment.



http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.009
Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Naletova, Vera A.; Kaufhold, Tobias; Becker, Felix; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
A ferrofluid based artificial tactile sensor with magnetic field control. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 431 (2017), S. 277-280

The paper deals with a tactile sensor inspired by biological hairs of mammals. The working principle is based on the effect of the magnetic force exerted on a paramagnetic body submerged into a ferrofluid volume under the influence of a nonuniform magnetic field. The deflection of the sensor's rod caused by external mechanical stimuli may be unambiguously identified by the distortion of the magnetic field, which occurs due to the motion of the attached body in the ferrofluid. The magnetic force acting on the body is evaluated experimentally and theoretically for the nonuniform magnetic field of a permanent magnet. The controlled oscillations of the rod are realised by applying a nonuniform magnetic field of perodically altering direction.



http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.105
Issa, Mirna;
Einsatz funktioneller Materialien zur Realisierung inhärenter Sensorik bei elastischen Strukturen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (xv, 144 Seiten, 110.47 MB)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Sensorisierung der technischen Systeme hat in vielen Forschungsbereichen der Robotik zunehmend an Bedeutung gewonnen. Insbesondere für Mensch-Maschine-Schnittstellen sind sensorisierte und nachgiebige Systeme von Interesse. Die Nachgiebigkeit eines Systems kann zum Beispiel durch die Materialeigenschaften sowie durch die geometrische Gestaltung gewährleistet werden. In der vorliegenden Arbeit wird eine Möglichkeit zur Sensorisierung nachgiebiger Systeme, die für den Bereich der Robotik von Interesse sind, beschrieben. Dafür wird ein elektrisch leitfähiger Silikonkautschuk eingesetzt. Der Vorteil der Anwendung des leitfähigen Silikonkautschuks ist, dass die Nachgiebigkeit solcher Systeme weiterhin erhalten bleibt bzw. sich verbessert. Unter Nutzung experimenteller Untersuchungen von den leitfähigen Silikonkautschuken ELASTOSIL R 570/50 MH C1 und POWERSIL® 466 A/B VP konnte das elektrische Verhalten dieser Materialien unter den mechanischen Beanspruchungen charakterisiert werden. Die Einsatzmöglichkeiten des leitfähigen Silikonkautschuks als Sensorelemente werden am Beispiel von drei nachgiebigen Systemen aufgezeigt. Die hier verwendeten Sensorelemente beruhen auf dem Prinzip der elektrischen Widerstandsänderung unter den mechanischen Beanspruchungen. Das erste System ist eine taktile Struktur und hat eine einfache Gestalt. Mit dem ersten System wird die Anwendbarkeit von dem Material ELASTOSIL R 570/50 MH C1 als Sensorelement aufgezeigt. Verschiedene Tests werden an der taktilen Struktur zur Ermittlung der Kontaktstellen durchgeführt. Die Messergebnisse werden dargestellt und diskutiert. Bei dem zweiten System handelt es sich um einen nachgiebigen Greifer. Der Greifer kann sich an verschiedene Objekte beim Greifvorgang anpassen. Des Weiteren können durch die inhärente nachgiebige Sensorik Informationen über das gegriffene Objekt beim Greifvorgang geliefert werden. Im letzten Teil der Arbeit wird das dritte System, eine nachgiebige Gelenkverbindung mit inhärenter Sensorik, diskutiert. Die Sensorelemente des Systems können dank der Materialeigenschaften des Silikonkautschuks zusätzlich die Funktionen einer Feder und eines Dämpfers übernehmen. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau des Systems mit einer Steuerungsmöglichkeit der Drehrichtung mithilfe der gelieferten Sensorsignale bei einem Kollisionsfall.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000071
Niederschuh, Sandra J.; Helbig, Thomas; Zimmermann, Klaus; Schmidt, Manuela; Witte, Hartmut
Kinematic response in limb and body posture to sensory feedback from carpal sinus hairs in the rat (Rattus norvegicus). - In: Zoology, ISSN 1873-2720, Bd. 121 (2017), S. 18-34

One of the most challenging adaptations within the therians has been to ensure dynamic stability of the trunk during rapid locomotion in highly structured environments. A reorganization of limb mechanics and development of new sensors has taken place within their stem lineage. Rats, which have a similar lifestyle to the first therians, possess sinus hairs specialized for tactile sensing. It is supposed that carpal sinus hairs have a role in sensing substrate properties and can thus induce adjustments in limb kinematics and body posture according to the different surface diameters and structures detected. This implies a shared sensorimotor control loop of sinus hairs and body posture. To investigate the role of the carpal sinus hairs during locomotion and to explore a possible interaction between limb and spine motion, spatiotemporal and kinematic parameters as well as the contact mechanics of the hairs with regard to the surface were quantified. Locomotion on a treadmill with continuous and discontinuous substrates was compared in the presence/absence of the carpal sinus hairs across a speed range from 0.2 m/s to 0.6 m/s. Recordings were taken synchronously using x-ray fluoroscopy and normal-light high-speed cameras. Our investigation revealed that the three tactile hairs made a triangle-like contact with the ground approximately 30 ms before touchdown of the forelimb. Within that time, it is likely that both the body posture and its oscillation are adjusted according to the different surface textures. The sensory input of the carpal sinus hairs induces a stabilization of the trajectory of the center of mass and, therefore, improves the dynamic stability of the trunk; conversely, the absence of the sensors results in a more crouched frontal body posture, similar to that seen in rats when they are moving in an unknown terrain. The carpal sinus hairs also sense the animal's speed during surface contact. This implicates an adjustment of the limb and spine kinematics, by increasing the speed-dependent effect or by increasing the distance between the trunk and the ground when the rat is walking faster.



http://dx.doi.org/10.1016/j.zool.2017.02.001
Linß, Sebastian; Schorr, Philipp; Zentner, Lena
General design equations for the rotational stiffness, maximal angular deflection and rotational precision of various notch flexure hinges. - In: Mechanical sciences, ISSN 2191-916X, Bd. 8 (2017), 1, S. 29-49

Notch flexure hinges are often used as revolute joints in high-precise compliant mechanisms, but their contour-dependent deformation and motion behaviour is currently difficult to predict. This paper presents general design equations for the calculation of the rotational stiffness, maximal angular elastic deflection and rotational precision of various notch flexure hinges in dependence of the geometric hinge parameters. The novel equations are obtained on the basis of a non-linear analytical model for a moment and a transverse force loaded beam with a variable contour height. Four flexure hinge contours are investigated, the semi-circular, the corner-filleted, the elliptical, and the recently introduced bi-quadratic polynomial contour. Depending on the contour, the error of the calculated results is in the range of less than 2 % to less than 16 % for the suggested parameter range compared with the analytical solution. Finite elements method (FEM) and experimental results correlate well with the predictions based on the comparatively simple and concise design equations.



https://doi.org/10.5194/ms-8-29-2017
Zentner, Lena; Griebel, Stefan; Wystup, Clemens; Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Majdani, Omid
Synthesis process of a compliant fluidmechanical actuator for use as an adaptive electrode carrier for cochlear implants. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 112 (2017), S. 155-171

The cochlear implant, consisting of an electrode carrier and embedded electrodes, is an auditory neuroprosthesis surgically inserted into the cochlea in order to create an auditory impression in deaf or profoundly hearing-impaired patients. This contribution presents a fluidically actuated electrode carrier with a changeable curvature to simplify insertion. Targeted deformation of the carrier is accomplished by applying pressure internally as well as using a non-stretchable thin fibre embedded in its wall. An analytical examination of the scaled model shows that enlarged geometrically similar systems can be studied in place of actual systems, reducing the effort required for measurements. The geometry of the electrode carrier was determined using model-based synthesis combining the finite element method with an analytical model. The material parameters for the finite element model were found experimentally and fitted by using a third-order Ogden material model. The result of the synthesis yielded a conical shape for the carrier. Synthesis of other forms is also possible and one form is shown which was calculated using a polynomial approach. Demonstrators (3:1-scale) were manufactured and measured. The difference between the measured and calculated pressures was less than 0.6 bar for the cylindrical form and less than 0.78 bar for the conical form.



http://dx.doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.02.001
Behn, Carsten; Schale, Florian; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Bolotnik, Nikolai N.
Dynamics and motion control of a chain of particles on a rough surface. - In: Mechanical systems and signal processing, ISSN 1096-1216, Bd. 89 (2017), S. 3-13

In this paper the mechanics and control of the motion of a straight chain of three particles interconnected with kinematical constraints are investigated. The ground contact is described by dry (discontinuous) or viscous (continuous) friction. Here, we understand this model as a methodological basis for the design of worm-like locomotion systems, i.e., non-pedal mobile robots. This kind of robots will prove an efficient form of locomotion in application to inspection of pipes or for rescue missions. In this paper, a number of issues related to the dynamics and control of artificial limbless locomotion systems are discussed. Simplest models of a limbless locomotor are two-body or three-body systems that move along a horizontal straight line. In the first part of the paper, the controls are assumed in the form of periodic functions with zero average, shifted on a phase one concerning each other. Thus, there is a traveling wave along the chain of particles. In the second part, actuator models are discussed. It is supposed that there are unknown actuator data or the worm system parameter are not known or exactly as well. The focus is on adaptive control algorithms for the worm-like locomotion systems in order to track given reference trajectories, like kinematic gaits. Finally, a prototype together with its signal processing and control software is presented. Theoretically (analytically and numerically) calculated results of the dynamical behavior of the mobile system are compared to experimental data.



http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.11.001
Pendzialek, Matthias; Schneider, Jürgen; Höhe, Kurt; Zentner, Lena
Miniaturization of check valves. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 15-26

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_2
Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
A biologically inspired sensor mechanism for amplification of tactile signals based on parametric resonance. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 27-38

In this paper, the vibrational motion of an elastic beam under the parametric excitation is investigated theoretically and numerically. The problem is motivated by biological tactile sensors, called vibrissae or whiskers. Mammals use these thin long hairs for exploration of the surrounding area, object localization and texture discrimination. We propose a mechanical model of the vibrissa sweeping across a rough surface as a straight truncated beam stimulated by a periodic following force. The equation of transverse motion of the beam is studied using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. The numerical analysis is performed by means of the finite element method. It is shown that the parametric resonance of the beam occurs at the specific ranges of the excitation frequency, which depend on the parameters of the beam and the amplitude of the applied force. For these frequency values, the vibrations of the beam are unstable with exponentially increasing amplitude. The comparison of the resonance ranges obtained theoretically and numerically is made. Thus, together with the realisation of the viscoelastic support of an artificial tactile sensor, the parametric resonance may be a potentially useful method for amplifying small signals arising from the contact with an object.



http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_3
Scharff, Moritz; Darnieder, Maximilian; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Towards the development of tactile sensors for determination of static friction coefficient to surfaces. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 39-48

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_4
Becker, Felix; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir T.; Kunze, Oliver; Zimmermann, Klaus
Locomotion principles for microrobots based on vibrations. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 91-102

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_9
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Schale, Florian; Roeder, Richard; Karguth, Andreas; Zimmermann, Klaus
A novel gripper based on a compliant multistable tensegrity mechanism. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 115-126

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_11
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Design and experimental characterization of a flexure hinge-based parallel four-bar mechanism for precision guides. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 139-152

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_13
Pollok, Fabian; Mandach, Christoph; Griebel, Stefan; Böhm, Valter; Zentner, Lena
Investigation of the Novelty brackets "Gold-S". - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 199-211

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_18
Milojeviâc, Andrija; Pavloviâc, Nenad; Linß, Sebastian; Tomiâc, Miša; Pavloviâc, Nenad T.; Handroos, Heikki
A concept of adaptive two finger gripper with embedded actuators. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 239-250

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_21
Hügl, Silke; Eckardt, Franziska; Lexow, G. Jakob; Majdani, Omid; Lenarz, Thomas; Rau, Thomas S.
Increasing the resolution of morphological 3D image data sets through image stitching: application to the temporal bone. - In: Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, ISSN 2168-1171, Bd. 5 (2017), 6, S. 438-445

http://dx.doi.org/10.1080/21681163.2015.1137080
Scharff, Moritz; Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Alencastre, Jorge
Towards the development of tactile sensors for surface texture detection. - In: InfoWare 2016, ISBN 978-1-61208-066-6, (2016), S. 33-38

Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Sauter, Anton; Will, Christoph
Pre-curved beams as technical tactile sensors for object shape recognition. - In: InfoWare 2016, ISBN 978-1-61208-066-6, (2016), S. 7-12

Recent research topics in bionics focus on the analysis and synthesis of animal spatial perception of their environment by means of their tactile sensory organs: vibrissae and their follicles. Using the vibrissae, these mammals (e.g., rats) are able to determine an obstacle shape using only a few contacts of the vibrissa with the object. The investigations lead to the task of creating models and a stringent exploitation of these models in form of analytical and numerical calculations to achieve a better understanding of this sense. The sensing lever element vibrissa for the stimulus transmission is frequently modeled as an EulerBernoulli bending rod. We assume that the rod is one-sided clamped and interacts with a rigid obstacle in the plane. But, most of the literature is limited to the research on cylindrical and straight, or tapered and straight rods. The (natural) combination of a cylindrical and pre-curved shape is rarely analyzed. The aim is to determine the obstacles contour by one quasi-static sweep along the obstacle and to figure out the dependence on the precurvature of the rod. To do this, we proceed in several steps: At first, we have to determine the support reactions during a sweep. These support reactions are equate with the observables an animal solely relies on and have to be measured by a technical device. Then, the object shape has to be reconstructed in using only these generated observables. The consideration of the precurvature makes the analytical treatment a bit harder and results in numerical solutions of the process. But, the analysis of the problem results in an extension of a former decision criterion for the reconstruction by the radius of pre-curvature. Is is possible to determine a formula for the contact point of the rod with the profile, which is new in literature in context of pre-curvature.



Kräml, Jonas; Behn, Carsten
Gait transition in artificial locomotion systems using adaptive control. - In: ICINCO 2016, (2016), S. 119-129

Naletova, Vera A.; Pelevina, Daria A.; Merkulov, Dmitri I.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Bi-stability of the deformation of a body with a magnetizable elastomer in a magnetic field. - In: Magnetohydrodynamics, ISSN 0024-998X, Bd. 52 (2016), 3, S. 357-368

Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Griebel, Stefan; Zentner, Lena; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Sensitivity analysis on cochlear implants with fluid actuation. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 61 (2016), S1, Seite S228
Enthalten in: Track T, Modelling and Simulation - Cardio Technology, ID: T-PP-07

https://doi.org/10.1515/bmt-2016-5018
Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus
Spherical mobile robot based on a tensegrity structure with curved compressed members. - In: 2016 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), ISBN 978-1-5090-2065-2, (2016), S. 1509-1514

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robots is an attractive research topic. This paper describes a new concept for rolling locomotion of mobile robots based on tensegrity structures. In particular, an untethered locomotion system based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected compressed curved members connected to a continuous net of twelve prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. The locomotion is induced by the movement of two internal masses. The working principle of the system is discussed with the help of kinematic considerations and verified with experimental tests.



http://dx.doi.org/10.1109/AIM.2016.7576984
Fiedler, Patrique; Strohmeier, Daniel; Hunold, Alexander; Griebel, Stefan; Mühle, Richard; Schreiber, M.; Pedrosa, Paulo; Vasconcelos, Beatriz; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Haueisen, Jens
Modular multipin electrodes for comfortable dry EEG. - In: 2016 38th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), ISBN 978-1-4577-0220-4, (2016), S. 5705-5708

http://dx.doi.org/10.1109/EMBC.2016.7592022
Becker, Felix; Faenger, Bernd; Mixanek, Florian; Wik, Alexander; Brandl, Michael; Köhring, Sebastian; Lutherdt, Stefan; Scholle, Hans-Christoph; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus
Messung und Beurteilung der Schwingungsbelastung durch Ganz-Körper-Schwingungen - eine Anleitung zur Nutzung von VDI 2057-1 und ISO 2631-5 mit Gegenüberstellung der Ergebnisse am Beispiel. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2016), S. 345-352

Täglich ist der Mensch Schwingungen ausgesetzt. Die Normen ISO 2631-5 und VDI 2057-1 haben den Anspruch, standardisierte Mess- und Auswertungsmethoden bereitzustellen, um das Gefährdungspotential solcher mechanischen Einwirkungen einschätzen zu können. Jedoch ist ihre Anwendung nicht trivial. Besonders die Signalaufnahme, -umrechnung und -auswertung erfordern Expertenwissen. In diesem Artikel werden, die in den Normen beschriebenen Vorgehensweisen zur Gefährdungseinschätzung von Ganz-Körper-Schwingungen erläutert, exemplarisch durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Als Beispiel dient ein Proband in einem elektrischen Rollstuhl. Messaufbau, Umrechnungen des Messsignals und die Bewertung der Gefährdung werden dargestellt. Es wird gezeigt, welche Einflüsse die verschiedenen zeitlichen Einwirkungsparameter auf die Berechnungsergebnisse haben. Es kann zusammengefasst werden, dass durch Anwendung der Normen nur unzureichende Prognosen für die Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren getroffen werden können, da die individuellen Eigenschaften der Probanden nicht berücksichtigt werden. Die Normen haben unterschiedliche Anwendungsbereiche und führen zu verschiedenen Gefährdungsbeurteilungen für ein und dieselbe Schwingungsbelastung.



Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Zimmermann, Klaus
The dynamical behavior of a spherical pendulum in a ferrofluid volume influenced by a magnetic force. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 86 (2016), 9, S. 1591-1603

The paper deals with a spherical pendulum inside a spherical ferrofluid volume in the presence of an uniform magnetic field. The problem is motivated by biological tactile sensors of mammals. These thin long hairs, called vibrissae, grow from a special follicle incorporating a capsule of blood and are used by mammals for exploration of the surrounding area. We propose a continuum model of the viscoelastic support of a vibrissa inside the follicle as a spherical volume filled with ferrofluid. It is a stable colloidal suspension of nanoscale ferromagnetic particles in a viscous carrier liquid. The tactile hair is modeled as a rigid rod with a spherical body at the end, which is submerged inside the ferrofluid. Using analytic expressions for the magnetic force acting on a paramagnetic body in the presence of an uniform magnetic field, Euler's equations of motion of the spherical pendulum are derived. The conditions for the maximum possible magnitude of the magnetic force acting on the body are analyzed. It is shown that the dynamical behavior of the pendulum may be controlled by means of an uniform applied magnetic field. The results are important for the development of artificial tactile sensors.



http://dx.doi.org/10.1007/s00419-016-1137-5
Becker, Felix; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Cuéllar, Francisco; Pozo Fortuniâc, Juan Edmundo; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir T.
Vibrochody v robototechnike roja - novye podchody v modelirovanii i razvitii agenta :
Bristlebots in swarm robotics - new approaches in modeling and agent development. - In: Vibracionnye technologii, mechatronika i upravljaemye mašiny, ISBN 978-5-7681-1116-8, (2016), S. 75-84

Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs of production and application, which are advantageous qualities for agents of swarm robotic systems. In this paper, new approaches in modeling and development of swarm agents are given. It is shown that a simple mass point model can be used to simulate the motion behavior of a bristlebot as complex as necessary for swarm studies. A robot prototype is presented, which has on-board everything needed as a robotic agent. The results of simulations and experiments are presented and compared.



Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Increasing the stroke of an ultra-precise compliant mechanism with optimised flexure hinge contours. - In: Proceedings of the 16th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, ISBN 978-0-9566790-8-6, (2016), S. 487-488

This paper presents the investigations of the influences of the flexure hinges contours in compliant linkage mechanisms for precision engineering applications. Especially the influence on the precision of the path of motion and the stroke of the compliant mechanism is reflected. Based on previous investigations on optimised single flexure hinges [1] the validity of the proposed guidelines is analysed for an interconnection of flexure hinges in one mechanism. A parallel crank mechanism is used as an example for such a compliant rectilinear guiding mechanism. The parameters of the approximated linear motion are compared for the rigid-body model, compliant analytic model, FEM simulation models and measurements on manufactured prototypes.



Becker, Felix; Börner, Simon; Lichtenheldt, Roy; Zimmermann, Klaus
Enabling autonomous locomotion into sand - a mobile and modular drilling robot. - In: Robotics in the era of digitalisation, (2016), S. 307-312

Established robots for locomotion into sandy soil are dominated by hammering systems. In this paper, we study an alternative design using a screw-driven mechanism. A testbed to find an efficient design is developed. Dependencies between velocity, drilling torque and depth are measured for different screw prototypes. The results show that the design of the screw is critical for the creation of fast and efficient mobile robots. Based on the experimental results, a prototype of an autonomous drilling robot is designed. With a torque of 0.66 Nm it is able to reach a depth of 20 cm within 2 min.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Schale, Florian; Flores-Alvarez, Pedro Alonso
Mechanics of mobile robots with mecanum wheels. - In: ROMANSY 21 - Robot design, dynamics and control, (2016), S. 103-111

Cicconofri, Giancarlo; Becker, Felix; Noselli, Giovanni; Desimone, Antonio; Zimmermann, Klaus
The inversion of motion of bristle bots: analytical and experimental analysis. - In: ROMANSY 21 - Robot design, dynamics and control, (2016), S. 225-232

Bristle bots are vibration-driven robots actuated by the motion of an internal oscillating mass. Vibrations are translated into directed locomotion due to the alternating friction resistance between robots' bristles and the substrate during oscillations. Bristle bots are, in general, unidirectional locomotion systems. In this paper we demonstrate that motion direction of vertically vibrated bristle systems can be controlled by tuning the frequency of their oscillatory actuation. We report theoretical and experimental results obtained by studying an equivalent system, consisting of an inactive robot placed on a vertically vibrating substrate.



Zentner, Lena; Hügl, Silke; Wystup, Clemens; Griebel, Stefan; Issa, Mirna; Rau, Thomas S.; Majdani, Omid
Compliant electrode carrier for cochlear implant with fluidic actuation :
Nachgiebiger Elektrodenträger für Cochlea-Implantate mit fluidischer Aktuierung. - In: Forschung im Ingenieurwesen, ISSN 1434-0860, Bd. 80 (2016), 1/2, S. 57-69

http://dx.doi.org/10.1007/s10010-016-0202-0
Lichtenheldt, Roy;
Lokomotorische Interaktion planetarer Explorationssysteme mit weichen Sandböden : Modellbildung und Simulation
1. Auflage. - München : Verlag Dr. Hut, 2016. - 1 Band (verschiedene Seitenzählungen)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Die Lokomotion von Systemen auf weichen verformbaren Sandböden ist aus dem Alltag bestens bekannt. Dennoch gehört die Interaktion mit granularen Materialien noch zu den weitestgehend unverstandenen und nur unvollständig abgebildeten Phänomenen in unserer Umwelt. Während das Lokomotionssystem auf der Erde häufig direkt beeinflusst werden kann, ergeben sich in der planetaren Exploration Probleme wie die Unzugänglichkeit des Systems. Bisherige Modellierungsansätze können dabei die Boden-Interaktion nur unzureichend abbilden. Diese Arbeit zielt daher darauf ab, die Diskrete Elemente Methode weiterzuentwickeln und für die Entwicklung von Systemen zum Erforschen unseres Sonnensystems nutzbar zu machen. Um das Scherversagen granularer Medien genau und effektiv abzubilden, wird eine Modellierung der Kornform über 2D-Rotationsgeometrien vorgestellt, wobei die Kugel für die Kontakterkennung beibehalten wird. Um auf die Partikel wirkende Kräfte wie Reibung und Kohäsion abzubilden, werden bestehende Kontaktmodelle erweitert. Um diese Kontaktmodelle sinnvoll einsetzen zu können, wird zudem ein Parameteridentifikationsverfahren vorgestellt, welches ohne Kalibrierungssimulationen auskommt. Damit kann ein Kontaktparametersatz über hinreichende Bedingungen, mikroskopische Bilder und einen Look-up Table in nur 5 s statt bis zu 5000 CPU-Stunden erstellt werden. Diese Methode wird mit dem Bevametertest für zwei Böden verifiziert. Die gesamte Modellmethodik wird dann als neues Framework DEMETRIA auf Basis von Pasimodo implementiert und für zwei Anwendungen genutzt. Bei der ersten Anwendung, dem HP3-Mole für den Mars, konnte für die Modelle der Eindringtiefe pro Schlag eine Abweichung von weniger als 16% gegenüber Messdaten erreicht werden. Weiterhin konnte durch eine Nutzung der Modelle in Optimierungen die Zieltiefe von 5m bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 5W erreicht und die dafür nötige Schlaganzahl auf 25% gesenkt werden. Für die zweite, exemplarische Anwendung, die Räder planetarer Rover, werden prinzipielle Effekte der Interaktion untersucht und die Simulationen qualitativ mit realen Testfahrten verglichen. In diesen Vergleichen wurde ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den realen Effekten der Bodenverformung festgestellt. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Modelle für Radoptimierungen zur Verbesserung der Effizienz und Traktion genutzt werden können.



Behn, Carsten; Heinz, Leo; Krüger, Martin
Kinematic and dynamic description of non-standard snake-like locomotion systems. - In: Mechatronics, ISSN 1873-4006, Bd. 37 (2016), S. 1-11

http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.10.010
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
On the motion of lumped-mass and distributed-mass self-propelling systems in a linear resistive environment. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 96 (2016), 6, S. 747-757

http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201500091
Lichtenheldt, Roy; Barthelmes, Stefan; Buse, Fabian; Hellerer, Matthias
Wheel-ground modeling in planetary exploration: from unified simulation frameworks towards heterogeneous, multi-tier wheel ground contact simulation. - In: Multibody dynamics, (2016), S. 165-192

Today's growing scientific interest in extraterrestrial bodies increases the necessity of extended mobility on these objects. Thus, planetary exploration systems are facing new challenges in terms of mission planning as well as obstacle and soil traversability. In order to fit the tight schedules of space missions and to cover a large variety of environmental conditions, experimental test setups are complemented by numerical simulation models used as virtual prototypes. In this context we present an integrated simulation environment which allows for using different available contact models, ranging from simple but real-time capable approximations based on rigid-body modeling techniques up to very accurate solutions based on Discrete Element Method (DEM). The models are explained and classified for their applications. For this work, a one-point Bekker based approach (BCM) and the so-called Soil Contact Model (SCM), which is a multi-point extension of the Bekker-Wong method taking soil deformation into account, are used for further analysis. These two contact models are applied for homogeneous simulations with only one type of contact model for all wheels as well as for a heterogeneous multi-tiered simulation with different contact models for the wheels. It will be shown that the multi-tiered approach enhances the simulation result accuracy compared to the results of a homogeneous model with a low level of detail while speeding up the simulation in comparison to a homogeneous higher-tier model.



http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30614-8_8
Böhm, Valter;
Mechanik von Tensegrity-Strukturen und ihre Anwendung in der mobilen Robotik. - Ilmenau. - xiv, 225 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Habilitationsschrift 2016

Eine größere Effizienz mobiler Roboter wird zukünftig neue, nicht konventionelle Fortbewegungsprinzipien erfordern. Bei der Inspektion von komplexen, unstrukturierten Umgebungen ist der Einsatz von formvariablen Lokomotionssystemen mit ausgeprägter mechanischer Nachgiebigkeit vorteilhaft bzw. unbedingt erforderlich. Mechanisch vorgespannte nachgiebige Strukturen erlauben eine solche geforderte Formvariabilität mit nur wenigen Aktuatoren bei gleichzeitig einfachem Aufbau. Eine Klasse dieser Strukturen bilden nachgiebige Tensegrity-Strukturen. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen in Lokomotionssystemen zu leisten. Im Vordergrund steht dabei der systematische, modellbasierte Entwurf von Systemen basierend auf nichtkonventionellen Strukturen, nichtklassischer Aktuierung und Fortbewegungsart. Nach einleitenden Betrachtungen zu Tensegrity-Strukturen, ihrer Anwendung in der mobilen Robotik werden zunächst bekannte Lokomotionssysteme auf Basis der betrachteten Strukturen in der Arbeit klassifiziert. Anschließend erfolgen Betrachtungen zu den Besonderheiten eines Berechnungsverfahrens nach der statischen FE-Methode in Hinblick auf die Formfindung von nachgiebigen Tensegritätsstrukturen. Weiterhin werden Nachgiebigkeit und Formvariabilität charakterisierende Kenngrößen diskutiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu drei Klassen von Lokomotionssystemen auf Basis der betrachteten Strukturen: Systeme mit rollender und vibrationsinduzierter Fortbewegung sowie Systeme mit Fortbewegung auf Basis von multistabilen Tensegrity Strukturen mit mehreren Gleichgewichtskonfigurationen. Abschließend werden eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten und ein Ausblick gegeben.



Griebel, Alexandra; Griebel, Stefan; Zentner, Lena
Design, fabrication, and characterization of a compliant shear force sensor for a human-machine interface. - In: Sensors and actuators, ISSN 1873-3069, Bd. 246 (2016), S. 91-101

http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2016.04.034
Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Bio-inspired technical vibrissae for quasi-static profile scanning. - In: Informatics in control, automation and robotics, ISBN 978-3-319-26451-6, (2016), S. 277-295

A passive vibrissa (whisker) is modeled as an elastic bending rod that interacts with a rigid obstacle in the plane. Aim is to determine the obstacle's profile by one quasi-static sweep along the obstacle. To this end, the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory are solved analytically followed by numerical evaluation. This generates in a first step the support reactions, which represent the only observables an animal solely relies on. In a second step, these observables (possibly made noisy) are used for a reconstruction algorithm in solving initial-value problems which yield a series of contact points (discrete profile contour).



Fiedler, Patrique; Strohmeier, Daniel; Hunold, Alexander; Griebel, Stefan; Mühle, Richard; Schreiber, M.; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Haueisen, Jens
Novel electrode technologies for neurosciences. - In: Innovationen bei der Erfassung und Analyse bioelektrischer und biomagnetischer Signale, (2016), S. 104-107

Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Griebel, Stefan; Wystup, Clemens; Zentner, Lena; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Fluidisch aktuierte Cochlear-Implant Elektrode. - In: 87. Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie e.V., (2016), Meeting Abstract (16hnod336), insges. 1 S.

http://dx.doi.org/10.3205/16hnod336
Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Witte, Hartmut; Schmidt, Manuela; Zimmermann, Klaus
Analysis of the vibrissa parametric resonance causing a signal amplification during whisking behaviour. - In: Journal of bionic engineering, ISSN 2543-2141, Bd. 13 (2016), 2, S. 312-323

http://dx.doi.org/10.1016/S1672-6529(16)60304-9
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
The motion of a two-body limbless locomotor along a straight line in a resistive medium. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 96 (2016), 4, S. 429-452

http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201400302
Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Synthesis and investigation of a compliant linkage mechanism for precision guides :
Synthese und Untersuchung eines nachgiebigen Koppelmechanismus für Präzisionsführungen. - In: Zweite IFToMM D-A-CH Konferenz 2016, 25. - 26. Februar 2016, Universität Innsbruck, (2016), insges. 8 S.

Al-Shammari, Eiman Tamah; Petkoviâc, Dalibor; Danesh, Amir Seyed; Shamshirband, Shahaboddin; Issa, Mirna; Zentner, Lena
Neuro-fuzzy estimation of passive robotic joint safe velocity with embedded sensors of conductive silicone rubber. - In: Mechanical systems and signal processing, ISSN 1096-1216, Bd. 72/73 (2016), S. 486-498

http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2015.11.031
Eichfelder, Gabriele; Gerlach, Tobias; Sumi, Susanne
A modification of the [alpha]BB method for box-constrained optimization and an application to inverse kinematics. - In: EURO journal on computational optimization, ISSN 2192-4414, Bd. 4 (2016), 1, S. 93-121

For many practical applications it is important to determine not only a numerical approximation of one but a representation of the whole set of globally optimal solutions of a non-convex optimization problem. Then one element of this representation may be chosen based on additional information which cannot be formulated as a mathematical function or within a hierarchical problem formulation. We present such an application in the field of robotic design. This application problem can be modeled as a smooth box-constrained optimization problem. We extend the well-known alphaBB method such that it can be used to find an approximation of the set of globally optimal solutions with a predefined quality. We illustrate the properties and give a proof for the finiteness and correctness of our modified alphaBB method.



http://dx.doi.org/10.1007/s13675-015-0056-5
Will, Christoph;
Bio-inspired tactile sensors for contour detection using an FEM based approach. - In: 13th International Conference Dynamical Systems Theory and Applications, (2015), S. 304
Enthalten in Abstracts

Behn, Carsten; Heinz, Leo; Krüger, Martin
Non-classical models of worm- and snake-like robotic systems. - In: Paper, (2015), insges. 9 S.

Sauter, Anton; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Artificial tactile sensors with pre-curvature for object scanning. - In: Mathematical and numerical approaches, ISBN 978-83-7283-706-6, (2015), S. 425-436

Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of the rolling locomotion of mobile robots based on tensegrity structures with two curved compressed components. - In: Mathematical and numerical approaches, ISBN 978-83-7283-706-6, (2015), S. 105-116

Behn, Carsten; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Mechanics of terrestrial locomotion systems in application to mobile robots. - In: Mathematical and numerical approaches, ISBN 978-83-7283-706-6, (2015), S. 91-104

Siedler, Konrad; Behn, Carsten
Long-term behavior of adaptive strategies for artificial sensors due to receptors. - In: Control and stability, ISBN 978-83-7283-708-0, (2015), S. 551-562

Linß, Sebastian; Milojeviâc, Andrija; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena
Synthesis of compliant mechanisms based on goal-oriented design guidelines for prismatic flexure hinges with polynomial contours. - In: Proceedings of the 14th IFToMM World Congress, ISBN 978-986-04-6098-8, (2015), insges. 6 S.

Compliant mechanisms are state of the art in high-precision motion systems. Therefore, often prismatic flexure hinges with basic cut-out geometries are used as revolute joints to realize an approximated rotation of a few degrees. Since the motion range and precision of a compliant mechanism depend on the flexure hinge design, the contour and hinge dimensions have to be considered as free parameters for the synthesis. Regarding this, polynomial contours are particularly suitable because they allow a simple modelling and a variable design too. In this paper, novel design guidelines for compliant mechanisms with identical or different polynomial contours are presented based on the rigid-body replacement synthesis method. Using the example of a compliant slider-crank mechanism it will be shown that the stress and path accuracy for the rectilinear guiding of a coupler point can be improved by using a look-up table and design graph instead of a multi-criteria optimization.



http://dx.doi.org/ 10.6567/IFToMM.14TH.WC.PS10.008
Milojeviâc, Andrija; Pavloviâc, Nenad D.; Linß, Sebastian; Zentner, Lena
A new adaptive controllable shape morphing compliant structure with embedded actuators and sensors. - In: Proceedings of the 14th IFToMM World Congress, ISBN 978-986-04-6098-8, (2015), insges. 8 S.

This paper presents a new adaptive controllable shape morphing compliant structure with embedded actuators and sensors. The shape morphing structure is obtained through simultaneous synthesis of compliant mechanism topology and actuators. We improved the existing design methodology so that compliant systems without intersecting elements were obtained. By embedding actuators within the compliant structure (compliant mechanism) it is possible to develop an adaptive system. It will be shown that by embedding the Nitinol wires - SMA (shape memory alloy) - as actuators the shape morphing structure could achieve multiple shapes of its output surface. Sensors are embedded as well. It will be shown that the shape morphing compliant structure with embedded conductive foam as sensing material is able to detect external pressure and thus its surroundings. Application of the developed shape morphing structure as an adaptive compliant gripper will also be shown.



http://dx.doi.org/10.6567/IFToMM.14TH.WC.OS13.051
Lichtenheldt, Roy; Hellerer, Matthias; Barthelmes, Stefan; Buse, Fabian
Heterogeneous, multi-tier wheel ground contact simulation for planetary exploration. - In: ECCOMAS Thematic Conference on Multibody Dynamics, ISBN 978-84-944244-0-3, (2015), S. 924-935

Hagemann, Ronny; Rau, Thomas; Hügl, Silke; Rust, Wilhelm; Nölke, Christian; Kaierle, Stefan; Overmeyer, Ludger; Wesling, Volker; Wolkers, Willem Frederik
Möglichkeiten der funktionellen lokalen Konfiguration von Mikroaktoren aus Nickel-Titan für medizinische Implantate durch selektives Laserstrahlmikroschmelzen. - In: Neue Entwicklungen in der Additiven Fertigung, (2015), S. 109-124

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-662-48473-9_8
Carlstedt, Matthias; Brauer, Hartmut; Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik; Uhlig, Robert Peter
Identifikacija mechaničeskich sistem v metode tokovichrevoj defektoskopii siloj Lorenca :
Identification of mechanical systems in Lorentz force eddy current testing. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2015), No. 4(61), S. 16-31

The paper deals with the mechanical modeling of the dynamics of force-proving instruments in the framework of Lorentz Force Eddy Current Testing (LET). An experimental setup for this kind of measurements is presented and the obtained Lorentz force signals are analyzed. The process of system identification is discussed for two different scenarios, using force profiles, computed in numerical field simulations, as known input signals. In the first case, two independent Single-lnput/Single-Output models were used to describe the dominant dynamical behavior of the experimental setup at relative high velocities. In the second case, a Multi-Input/Multi-Output model with three degree of freedoms is used to model the dynamics of a modified setup with a complex Haibach structure instead of a cylindrical permanent magnet. The signal analysis and the derivation of the Multi-Input/Multi-Output transfer function are emphasized and discussed in detail. LET requires a high velocity constancy during the linear motion of the specimen. Therefore, a mechanisms and its control is discussed, which is generating such aproperty on the output.



Hügl, Silke; Weiss, Claudia; Rau, Thomas S.; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Automatisierung der Schliffpräparation zur dreidimensionalen Rekonstruktion histologischer Proben. - In: GMS current posters in otorhinolaryngology, head and neck surgery, ISSN 1865-1038, Bd. 11.2015, 11:Doc257, insges. 1 S.

http://dx.doi.org/10.3205/cpo001222
Fiedler, Patrique; Pedrosa, Pedro; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Application parameters of dry electrodes for multichannel EEG. - In: International Conference on Basic and Clinical Multimodal Imaging, (2015), S. 114

Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Steigenberger, Joachim *1933-2021*; Behn, Carsten;
Obstacle scanning by technical vibrissae with compliant support. - Ilmenau : Techn. Univ., Inst. für Mathematik, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: 22 S., 773,5 KB). - (Preprint ; M15,07)

Rodents, like mice and rats, use tactile hairs in the snout region (mystacial vibrissae) to acquire information about their environment, e.g. the shape or contour of obstacles. For this, the vibrissa is used for the perception of stimuli due to an object contact. Mechanoreceptors are processing units of this stimuli measured in the compliant support (follicle sinus complex). We use this behavior from biology as an inspiration to set up a mechanical model for object contour scanning. An elastic bending rod interacts with a rigid obstacle in the plane. Analyzing only one quasi-static sweep of the rod along the obstacle (in contrast to literature), we determine a) the support reactions (the only observables of the problem), and then b) the (discrete) obstacle contour in form of a set of contact points. In doing this, we first assume a stiff support (clamping) of the vibrissa, but in a next step we increase the elasticity of the support in focussing on a bearing with a rotational spring (also to control or delimitate the bending moment at the support). Thereby, we present a fully analytical treatment of the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory and a representation by Standard Elliptic Integrals.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26923
Hartmann, Lars; Zentner, Lena
FEM-basierte Untersuchung der Formgebung nachgiebiger Durchschlagelemente für Gasströmungswächter. - In: 11. Kolloquium Getriebetechnik, (2015), S. 389-398

Dieser Beitrag beinhaltet die simulationsbasierte, nicht-lineare Untersuchung der Formgebung nachgiebiger Durchschlagelemente für den Einsatz in bistabilen Gasströmungswächtern. Mithilfe der FEM wird das Kraft-Verschiebungs-Verhalten von vorgespannten Durchschlagelementen unterschiedlicher geometrischer Form zur Beurteilung des Auslöseverhaltens von bistabilen Gasströmungswächtern untersucht. Für die untersuchten geometrischen Formen der Durchschlagelemente und die gewählten Parameter zeigen die Kraft-Verschiebungs-Kennlinien eine bistabile Charakteristik. Die Formgebung beeinflusst die Steifigkeit und damit die für den Durchschlag erforderliche Kraft.



Hügl, Silke; Griebel, Stefan; Issa, Mirna; Wystup, Clemens; Zentner, Lena; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Simulation used for feasibility study of fluid-actuated cochlear implant electrodes. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 60.2015, S1, S. S318

http://dx.doi.org/10.1515/bmt-2015-5013
Kohlhof, Hendrik; Zimmermann, Klaus; Marschner, Uwe; Witte, Hartmut
A biomechatronic approach to support explantation of endoprostheses. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 60.2015, S1, S. S148

http://dx.doi.org/10.1515/bmt-2015-5006
Zimmermann, Klaus; Steigenberger, Joachim
Das Fachgebiet Technische Mechanik. - In: Jenaer Jahrbuch zur Technik- und Industriegeschichte, ISSN 2198-6746, Bd. 18 (2015), S. 381-400

Christen, Gerhard; Zentner, Lena
Das Fachgebiet Mechanismentechnik. - In: Jenaer Jahrbuch zur Technik- und Industriegeschichte, ISSN 2198-6746, Bd. 18 (2015), S. 285-301

Behn, Carsten;
Modeling, analysis and control of mechanoreceptors with adaptive features. - In: Informatics in control, automation and robotics, (2015), S. 349-366

Helbig, Thomas; Voges, Danja; Schilling, Cornelius; Niederschuh, Sandra; Husung, Isabel; Becker, Tatiana; Zimmermann, Klaus; Schmidt, Manuela; Witte, Hartmut
Vom Tasthaar zum Sensor - Technische Biologie und Biomechatronik am Beispiel der Sinushaare von Rattus norvegicus. - In: Bionik: Patente aus der Natur, ISBN 978-3-00-048202-1, (2015), S. 204-210

Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Control of a chain-like locomotion system subject to undulatory excitation. - In: IFAC-PapersOnLine, ISSN 2405-8963, Bd. 48 (2015), 1, S. 836-841

http://dx.doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.05.012
Becker, Felix;
An approach to the dynamics of vibration-driven robots with bristles. - In: IFAC-PapersOnLine, ISSN 2405-8963, Bd. 48 (2015), 1, S. 842-843

http://dx.doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.05.120
Griebel, Stefan; Keller, Christian; Zentner, Lena
Energieeffizienter, adaptiver Sauggreifer für medizintechnische und pharmazeutische Produkte. - In: 11. Kolloquium Getriebetechnik, (2015), S. 277-294

Beim Sauggreifen von medizintechnischen und pharmazeutischen Produkten wird das Hygienerisiko verringert, wenn das Saugmittel vom Umgebungsmittel getrennt ist. Hierzu wurde ein geschlossener Sauggreifer mit instabilem Verformungsverhalten entwickelt. Der Sauggreifer hat einen Durchmesser von 21 mm und eine Höhe von 28 mm. Er kann u. a. eine ungenaue Greifobjektposition ausgleichen und einen erfolgreichen Greifprozess anzeigen. Zehn spritzgegossene Funktionsmuster wurden hergestellt und untersucht. Bei einem Unterdruck von 600 mbar wird eine Saugkraft von 9.85 N ± 0.06 N bei ebenen und 9.44 N ± 0.11 N bei zylindrischen Objekten (R = 25 mm) erreicht. - During suction gripping process of medical and pharmaceutical products, the risk of contamination is reduced if the suction medium is separated from the surrounding medium. For this purpose a closed suction gripper with unstable deformation behavior was developed. The suction gripper has a diameter of 21 mm and a height of 28 mm. It may,inter alia, compensate an inaccurate position of the gripping object and signalize a successful gripping process. Ten functional models were manufactured by injection molding and then tested. At a negative pressure of 600 mbar, a suction force of 9.85 N ± 0.06 N for flat and 9.44 N ± 0.11 N for cylindrical objects (R = 25 mm) is reached.



Hügl, Silke; Griebel, Stefan; Zentner, Lena; Rau, Thomas S.; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Simulation medizinischer Implantate - Analyse fluidisch aktuierter Cochlea-Implantat-Elektrodenträger. - In: Conference proceedings, (2015), insges. 7 S.

The loss of hearing is a severe diagnosis among modern society. The Cochlear Implant, which is directly stimulating the auditory nerve from within the inner ear, has successfully proven its ability to overcome the communicational restrictions caused by sensorineural hearing loss. Efforts are made to enable cochlear implantation not only for deaf patients but for patients with residual hearing, in which case the residual hearing has to be preserved during surgery. In order to achieve this, the implants themselves as well as surgical techniques are improved. Within this work a compliant mechanism is combined with the electrode carrier of the Cochlear Implant, which includes the stimulation electrodes and is located inside the cochlea after implantation. This compliant mechanism is comprised of a non-stretchable thin fibre embedded into the wall of the silicone electrode carrier and a cylindrical inner cavity. This enables the implant to be fluid actuated, thereby fitting step by step the local curvature of the spiral shaped cochlea. Analysis of this functionality is performed to identify relevant geometrical and experimental parameters in preparation for production and testing of laboratory prototype in experimental setups.



Becker, Felix;
Zur Mechanik vibrationsgetriebener Roboter für terrestrische und aquatische Lokomotion. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIX, 149 S., 11,82 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
Parallel als Druckausg. erschienen

Der Gegenstand der Arbeit ist die Mechanik von mobilen Robotern für terrestrische und aquatische Lokomotion. In den untersuchten Systemen wird die periodische Erregung eines inneren Antriebs durch nicht symmetrische Systemeigenschaften in eine gerichtete Fortbewegung gewandelt. Eine zweidimensionale Steuerbarkeit der Systeme wird durch frequenzabhängige mechanische Eigenschaften erreicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Beschreibung der Roboter mittels analytischer und numerischer Methoden sowie ihrer experimentellen Untersuchung. Prototypen mobiler Roboter dienen dem funktionellen Nachweis. Auf Basis von mechanischen Grundlagen werden terrestrische und aquatische Lokomotionsarten vorgestellt und klassifiziert. Mit Blick auf die praktische Realisierung von mobilen Robotern für unterschiedliche Umgebungsbedingungen werden Antriebssysteme in ihrer Eignung als Vibrationsquellen bewertet. Piezoelektrische Antriebe besitzen dabei besonderes Potential. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik zeigt die Anwendbarkeit von vibrationsgetriebener Lokomotion für miniaturisierte technische Anwendungen. Systeme mit Borsten dienen der unidirektionalen terrestrischen Lokomotion. Mittels eines Mehrkörpersystemmodells und experimentellen Untersuchungen werden die verschiedenen Wirkungsmechanismen analysiert. Ein Prototyp für die Fortbewegung in Röhren wird vorgestellt. Für eine steuerbare zweidimensionale Lokomotion mit nur einem Antrieb müssen die Grenzen von klassischen Starrkörpersystemen überwunden werden. Der verfolgte Lösungsansatz nutzt das frequenzabhängige Schwingungsverhalten von elastischen Systemen, wie Balken oder Platten. Zur Untersuchung werden kontinuumsmechanische Modelle sowie Finite-Elemente-Methoden verwendet und durch experimentelle Untersuchungen erweitert. Die Erkenntnisse werden für die Entwicklung eines programmier- und fernsteuerbaren Prototyps benutzt. Sein Bewegungsverhalten kann durch die Änderung der Antriebsfrequenz auf verschiedenen Untergründen gesteuert werden. Das System erreicht Geschwindigkeiten bis 100 mm/s und kann das Fünffache seiner Masse transportieren. Abschließend wird ein innovativer Prototyp vorgestellt, der mit einem einzigen Antrieb eine steuerbare Lokomotion auf festem Untergrund und an der Oberfläche von Flüssigkeiten durchführen kann. Das terrestrische und aquatische Bewegungsverhalten wird untersucht und die Tragfähigkeit solcher Systeme auf Basis eines hydrostatischen Modells bestimmt.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26306
Issa, Mirna; Zentner, lena
Electrical performance of electrically conductive silicone rubber in dependence on tensile load according to various parameters. - In: Microactuators and micromechanisms, ISBN 978-3-319-15861-7, (2015), S. 191-199

The paper presents the results of many investigations to make clear how the different parameters of tensile load which will possibly control the use of a strain sensor made of the conductive silicone rubber affect the electrical properties of this material. In order to clarify the behavior of this conductive silicone rubber during the cyclic load other tests are implemented on several specimens for each test to compare their behavior. The compliant systems with such sensors do not require mounting, and also they can be miniaturized. The target of these investigations is to use the conductive silicone rubber as a strain sensor by means of changing its electrical properties depending on the tensile load under different conditions.



Feierabend, Martin; Zentner, lena
Conception of a mechanical system for rehabilitation of hand function for use in medical training therapy. - In: Microactuators and micromechanisms, ISBN 978-3-319-15861-7, (2015), S. 143-158

Hartmann, Lars; Zentner, lena
A compliant mechanism as rocker arm with spring capability for precision engineering applications. - In: Microactuators and micromechanisms, ISBN 978-3-319-15861-7, (2015), S. 1-7

In precision engineering escapement and ratchet mechanism are often used to keep an element in a non-operating state e.g. in chronometers. Such mechanisms have a pivoted and spring-loaded pawl locking a ratchet. For miniaturized applications reducing the number of elements and functional integration is recommended. Spring clip mechanisms as rocker arms combine the rocker itself with a spring. Therefor a special formed wire is mounted in a frame by two shifted revolute joints. The spring capability is once determined by the geometry and the material and twice by the shifting of the axes and the deflection of the clip. In this contribution the force-deflection behavior of such mechanisms for different shiftings is focused utilizing the finite element method. Spring clip mechanisms realize a wide range of motion and due to a shifting of axes and the asymmetry the force-deflection behavior is influenced. Finally some precision engineering devices with a spring clip mechanism are suggested.



Linß, Sebastian; Zentner, Lena
FEM-based analysis of the influence of notch contour and scale on flexure hinge design goals. - In: Proceedings, ISBN 978-86-6055-072-1, (2015), S. 283-286

Compliant mechanisms are state of the art in high-precise motion systems. Therefore, prismatic flexure hinges with mostly basic or rarely special designed cut-out geometries are used as revolute joints to realize an approximated rotation of a few degrees. Since flexure hinges are established in macro and also micro applications, the influence of scale has to be considered within the design process. In this paper, a finite elements method (FEM) model is introduced to investigate the three design goals maximum strain, shift of the rotation axis and deflection force in dependence of the notch contour and the scale. It will be shown that contour optimization is relevant for macro and micro applications, why design guidelines based on variable polynomial contours offer potential for microelectromechanical systems (MEMS).



Milojeviâc, Andrija; Pavloviâc, Nenad D.; âCojbašiâc, Žarko; Tomiâc, Miša; Linß, Sebastian; Pavloviâc, Nenad T.; Miloševiâc, Miloš
A concept of adaptive compliant gripper with embedded actuators and sensors. - In: Proceedings, ISBN 978-86-6055-072-1, (2015), S. 263-266

Developing a gripper that can grasp objects of widely varying shapes represents a challenging task. Compliant mechanisms with embedded actuators and sensors are one way to obtain the gripper which could accommodate its grasping surface to any irregular and sensitive grasping object. This paper presents the concept of a new solution of adaptive compliant gripper finger with embedded actuators and sensors. Embedded actuators (within gripper finger structure) are able to morph shape of the grasping surface to accommodate different objects, while embedded sensors can provide information about the shape of an object that is grasp. Novel approach to the synthesis of compliant mechanisms with embedded actuators is also presented. It will be shown that gripper finger can achieve many complex grasping patterns.



Zentner, Lena;
Cooperation between the Ilmenau University of Technology and the University of Niš in "recent times" since 2008. - In: Proceedings, ISBN 978-86-6055-072-1, (2015), S. 251-254

Zentner, Lena; Scholle, Hans-Christoph; Feierabend, Martin; Faenger, Bernd; Schumann, Nikolaus
Mechanical system for the rehabilitation of human hand function. - In: Proceedings, ISBN 978-86-6055-072-1, (2015), S. 3-6

Behn, Carsten; Loepelmann, Peter; Steigenberger, Joachim
Analysis and simulation of adaptive control strategies for uncertain bio-inspired sensor systems. - In: Mathematics in engineering, science and aerospace, ISSN 2041-3165, Bd. 6 (2015), 3, S. 567-588

We consider mechanical systems, that are not known precisely. In detail, we assume that the system parameters are unknown (uncertainty of system). Moreover, we allow for uncertainties with respect to perturbations from the environment (ground excitations). Such (non-linearly perturbed) systems need adaptive controllers which achieve a pre-defined control objective. Almost all known controllers offer the same drawback: (possibly unboundedly) monotonically increasing gain parameters. For application it is necessary to design improved adaptation laws. We present numerical simulations of several models primarily in application to a bio-inspired sensor model.



Linß, Sebastian;
Ein Beitrag zur geometrischen Gestaltung und Optimierung prismatischer Festkörpergelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: LI, 126 S., 16,88 MB). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 4) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
Parallel als Druckausg. erschienen

Zur Realisierung von Bewegungen mit hohen Anforderungen an die Präzision werden Starrkörpermechanismen zunehmend durch nachgiebige Mechanismen ersetzt, in denen die Beweglichkeit durch stoffgekoppelte Drehgelenke realisiert wird. In diesen nachgiebigen Koppelmechanismen kommen überwiegend prismatische Festkörpergelenke mit einfachen geometrischen Aussparungen zum Einsatz. Im Gegensatz zu form- und kraftgekoppelten Gelenken ist der Auslenkwinkel eines Festkörpergelenkes begrenzt, wodurch der Bewegungsbereich des Mechanismus eingeschränkt wird. Zudem lässt sich mit einem Festkörpergelenk keine exakte relative Drehung zweier starrer Glieder realisieren, da grundsätzlich eine Drehachsenverlagerung stattfindet. Dadurch ergeben sich Bahnabweichungen des nachgiebigen Mechanismus im Vergleich zum Starrkörpermechanismus. Wesentlicher Aspekt bei der Synthese eines nachgiebigen Koppelmechanismus ist die in dieser Arbeit untersuchte Phase der geometrischen Gestaltung und Optimierung der prismatischen Festkörpergelenke hinsichtlich geforderter Mechanismuseigenschaften. Hierzu erfolgt eine ganzheitliche, d. h. vom Gelenk auf den Mechanismus übertragbare Betrachtung. Für die durchgeführte Untersuchung von Einzelgelenken ist ein geeigneter Ansatz zur Drehachsenmodellierung von entscheidender Bedeutung. Die anschließende mehrkriterielle Optimierung der Gelenkkontur findet für ein Einzelgelenk und im Mechanismus statt. Als Ergebnis der Arbeit wird eine allgemein anwendbare Synthesemethode nachgiebiger Koppelmechanismen abgeleitet, die ausgehend vom Starrkörpermechanismus eine gezielte Gestaltung sowie beschleunigte FEM-basierte Optimierung mit identischen oder unterschiedlichen Gelenken ermöglicht. Hiermit lassen sich der Bewegungsbereich vergrößern und die Bahngenauigkeit erhöhen. Die Besonderheit der Synthesemethode besteht in der Berücksichtigung der Gestaltung prismatischer Festkörpergelenke mit Standard- oder Polynomkonturen. Hierfür werden grundlegende Hinweise sowie drei neue Ansätze zur Bestimmung der geometrischen Parameter der Gelenkkontur und -abmessungen mittels Umsetzungstabelle, Kurventafel oder computergestützter Konturoptimierung vorgestellt. Auf diese Weise gestaltete Mechanismen eignen sich besonders für die Präzisionstechnik. Das Potenzial der Synthesemethode wird am Beispiel einer nachgiebigen Schubkurbel zur Realisierung einer Punktgeradführung aufgezeigt.



https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00026249
Böhm, Valter; Naletova, Vera A.; Popp, Jana; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Material transport of a magnetizable fluid by surface perturbation. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 395 (2015), S. 67-72

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.07.036
Fiedler, Patrique; Pedrosa, Paulo; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Supriyanto, Eko; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Novel multipin electrode cap system for dry electroencephalography. - In: Brain topography, ISSN 1573-6792, Bd. 28 (2015), 5, S. 647-656

https://doi.org/10.1007/s10548-015-0435-5
Zentner, Lena; Feierabend, Martin; Scholle, Hans-Christoph; Faenger, Bernd; Adami, Christiane; Schumann, Nikolaus
Konzeption eines Mechanotherapie-Systems zur Rehabilitation der Handfunktionalität. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2015), S. 325-332

Gräser, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Theska, René
Ultra-precise linear motion generated by means of compliant mechanisms. - In: Proceedings of the 15th international conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2015), S. 241-242

This article describes a measurement setup for experimental analysis of the path of motion of compliant linkage mechanisms. Especially mechanisms with an ultra-precise linear motion of one coupler point are considered. For a maximum in precision of measurement, interferometric length measure systems are used. In the evaluation of measurement the results of the experimental setup are compared to the results of the simulated path of motion. In this way the simulation model can be refined, thus giving a better description of the kinematic behavior.



Faenger, Bernd; Becker, Felix; Brandl, Michael; Fränzel, Norbert; Fremerey, Max; Köhring, Sebastian; Lawin, Meike; Lutherdt, Stefan; Michaelis, Anne; Weichert, Frank; Schumann, Nikolaus; Graßme, Roland; Kurz, Eduard; Scholle, Hans-Christoph; Zimmermann, Klaus; Augsburg, Klaus; Bergmann, Jean Pierre; Ament, Christoph; Linß, Gerhard; Notni, Gunther
Mobilitätssysteme für Best Ager (50plus): neue Präventionsansätze - Update 2014. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2015), S. 355-375
Richtiger Name des Verf.: Gunther Notni

Zhao, Xin;
A contribution to the computer aided development of an electrical window regulator system : mechatronic models, parameter identification and numerical simulations. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: XX, 192 S., 23,03 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
Parallel als Druckausg. erschienen

Die Arbeit orientiert sich daran, Modelle und Simulationen von elektrischen Fensterhebersystemen zu entwickeln. Das Ziel ist ein verbessertes Verständnis des Systemverhaltens und Einfluss von Parametern zu erlangen. Vor dem Hintergrund, dass Fensterhebersysteme komplizierte mechatronische Systeme darstellen, wird die Simulation als Werkzeug vermehrt eingesetzt. In dieser Arbeit werden verschiedene Simulationen von mechatronischen Systemen auf unterschiedlichen Ebenen verglichen. Applikationen von Fensterhebersimulationen werden zusummengefasst und bewertet. Basierend auf dieser Auswertung wurde die Systemsimulation mit der Modellierungssprache, VHDL-AMS, als Methode ausgewählt. Bevor sich tiefgründig mit der Modellierung von Fensterhebersystemen beschäftigt wird, soll zuvor ein stark abstrahiertes analytisches Modell für die Bewertung des dynamischen Verhaltens erstellt werden. Grundlegend besitzt das Modell 2 Freiheitsgrade und besteht aus 2 Massen, die über eine Feder und einen Dämpfer verbunden sind. Eine Masse stellt die Glasscheibe und die andere die Massenträgheit des Motorankers dar. Mit der Mittelwertmethode wird das analytische Modell hinsichtlich der Stabilitätsbedingungen untersucht. Die Modellbildung des Fensterhebersystems beginnt mit der Aufteilung des Systems in einzelne Komponenten, basierend auf deren Funktion. Die Komponenten, wie z.B. elektrische Motoren, Hebemechaniken, Türrahmen, Elektroniken, etc., werden untersucht und anschließend Modelle erstellt, um ihre elektrische oder mechanische Funktionsweise zu beschreiben. Abhängig von der Komplexität wird die Technik der Modellierung ausgesucht, zum Beispiel physikalische oder verhaltensmäßige Modellierung oder eine Kombination von beiden. Die Parameter der Modelle wurden anhand von gesammelten Informationen von Komponentenlieferanten, existierenden Datenbanken und Messungen ermittelt. Komponentenmodelle wurden anhand von Messdaten verifiziert, z.B. Motorkennlinie. Die Systemsimulation beschäftigt sich mit der Integration von allen Komponentenmodellen in eine Simulation und imitiert Ausführung der Fensterhebersysteme in verschiedenen Lastfällen. In einer konkreten Applikation wurden die Ergebnisse der Messung und der Simulation anhand der Werte von wichtigen Signalen, die den Status des Systems abbilden, wie zum Beispiel Drehzahl und Strom des Motors, verglichen. Außerdem wurde die Einklemmschutzfunktion quantitativ durch Messung der Einklemmkräfte bei verschiedenen Spannungen verglichen. Trotzdem sind die Simulationen nicht auf die demonstrierten Beispiele dieser Arbeit limitiert. Teilsystemsimulationen mit dem Schwerpunkt auf der Untersuchung von Komponenten können auch mit den Komponentenmodellen entwickelt werden.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26178
Zimmermann, Klaus;
Mechanische Systeme. - In: Taschenbuch der Mechatronik, (2015), S. 224-271
Literaturangaben

Eichfelder, Gabriele; Gerlach, Tobias; Sumi, Susanne;
A modification of the [alpha]BB method for box-constrained optimization and an application to inverse kinematics. - Ilmenau : Techn. Univ., Inst. für Mathematik, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: 25 S., 1,58 MB). - (Preprint ; M15,04)

For many practical applications it is important to determine not only a numerical approximation of one but a representation of the whole set of globally optimal solutions of a non-convex optimization problem. Then one element of this representation may be chosen based on additional information which cannot be formulated as a mathematical function or within a hierarchical problem formulation. We present such an application in the field of robotic design. This application problem can be modeled as a smooth box-constrained optimization problem. For determining a representation of the global optimal solution set with a predefined quality we modify the well known BB method. We illustrate the properties and give a proof for the finiteness and correctness of our modified BB method.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26001
Zentner, Lena; Issa, Mirna; Hügl, Silke; Griebel, Stefan; Rau, Thomas S.; Majdani, Omid
Compliant mechanism with hydraulic activation used for implants and medical instruments. - Ilmenau : ilmedia. - Online-Ressource (PDF-Datei: 4 S.)Finale Version (invited paper). - Druckausg.: Proceedings // XII International Conference on Systems, Automatic Control and Measurements, SAUM 2014, Niš, November 12 - 14, 2014 / University of Niš, Faculty of Electronic Engineering ... [ed.: Vlastimir Nikoliâc ...]. - Niš : Unigraf X-Copy, 2014, S. 1-4. - ISBN 978-86-6125-117-7

The hydraulic actuation of cochlear implant is considered in this research. The deformation behavior of the compliant mechanism by hydraulic actuation is of interest to facilitate the insertion of the implant or the instrument used in the non-linear access paths to the target area, and to avoid any damage, which could occur during the surgical procedure. The described implant is a hydraulically actuated compliant structure with a symmetric internal hollow core and with a non-stretchable thin fibre embedded in the wall. Under inner pressure of 6 bar, the structure is bended, thus the insertion will facilitate during the operation. With the help of the simulations, a specific geometry of the compliant structure is determined for the target deformation executed by hydraulic actuation.



https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00025969
Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten; Behn, Carsten *1974-*; Will, Christoph;
Mathematical model of vibrissae for surface texture detection. - Ilmenau : Techn. Univ., Inst. für Mathematik, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: 18 S., 489,3 KB). - (Preprint ; M15,03)

The plane elastic bending rod serves as a model of biological and artificial vibrissae. One task of vibrissae is to scan surfaces in order to detect their textures. We sketch the theory of static bending rod problems with a view to this field of applications. The solutions of the respective autonomous boundary value problems are given analytically. Numerical simulations are done in some worked out examples. Being aware of the fact that (1) in papers, object detecting by means of touch is seemingly exclusively investigated under the assumption of ideal contact (no stiction or friction), and (2) our present omission of this assumption is based upon simplifying model properties, the conclusions give some corresponding discussions and proposals for improvements and necessary work in future.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=25964
Zentner, Lena; Issa, Mirna; Griebel, Stefan; Wystup, Clemens; Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Majdani, Omid
Compliant fluidically actuated electrode carrier for cochlear implants :
Nachgiebiger fluidisch aktuierter Elektrodenträger für Cochlea-Implantate. - In: IFToMM D-A-CH Conference 2015, (2015), insges. 8 S.

http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:hbz:464-20150327-083215-4
Linß, Sebastian; Opfermann, Ronald; Gräser, Philipp; Theska, René; Zentner, Lena
Compliant linkage mechanisms with optimized flexure hinges for precision applications :
Nachgiebige Koppelmechanismen mit optimierten Festkörpergelenken für Präzisionsanwendungen. - In: IFToMM D-A-CH Conference 2015, (2015), insges. 7 S.

Festkörpergelenke werden aufgrund ihrer Vorteile als stoffgekoppelte Drehgelenke in nachgiebigen Koppelmechanismen eingesetzt. Für Präzisionsanwendungen kommen überwiegend prismatische Festkörpergelenke mit elementaren geometrischen Aussparungen zum Einsatz. Eine wesentliche Phase bei der Synthese eines nachgiebigen Koppelmechanismus ist die in diesem Beitrag untersuchte geometrische Gestaltung und Optimierung der prismatischen Festkörpergelenke hinsichtlich geforderter Mechanismuseigenschaften. Hierzu zählt neben dem Bewegungsbereich v. a. die Bahngenauigkeit im Vergleich mit dem zugrunde liegenden Starrkörpermechanismus. In diesem Zusammenhang wird die FEM-basierte Konturoptimierung im nachgiebigen Mechanismus auf der Basis von Polynomkonturen untersucht. Beispielhaft werden zwei Mechanismen zur Realisierung einer Punktgeradführung betrachtet. Die Ergebnisse der mehrkriteriellen Optimierung werden am Beispiel einer nachgiebigen Schubkurbel messtechnisch überprüft. Abschließend wird ein Ansatz für die Mechanismussynthese abgeleitet.



http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:hbz:464-20150327-082721-8
Lichtenheldt, Roy;
Hammering beneath the Surface of Mars : Analyse des Schlagzyklus und der äußeren Form des HP3-Mole mit Hilfe der Diskrete Elemente Methode. - In: IFToMM D-A-CH Conference 2015, (2015), insges. 8 S.
Im Titel ist "3" hochgestellt

Die Marsmission "InSight" (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transfer) der NASA hat das Ziel, Fragen zur Entstehung erdähnlicher Planeten zu beantworten. Dafür schlägt sich der HP3-Mole tiefer unter die Oberfläche des Mars als je ein anderes Instrument zuvor. Der Vortrieb dieses "selbsteinschlagenden Nagels" hängt dabei stark vom Ablauf des inneren Schlagzyklus, der äußeren Formgebung des Mechanismus und der Interaktion mit dem umgebenden Regolith ab. Nach erfolgreicher Verifikation und Validierung der DEM-MKS Co-Simulation mit Messdaten, wird nun der komplexe Schlagzyklus und die Interaktion mit dem Boden bei Variation der Mole-Spitzenform modellbasiert untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass unter Verwendung nichtlinearer Spitzenprofile anstelle linear-konischer Profile bei gleichem Bauraum geringereWiderstandskräfte auftreten. Diese Erkenntnisse ermöglichen geeignete Kompromisse zwischen der Steigerung der Penetrationsleistung, der Reduzierung der äußeren Abmessungen und der Minimierung der Masse, für künftige Missionen.



http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:hbz:464-20150327-082630-3
Hartmann, Lars; Reich, René; Kletzin, Ulf; Zentner, Lena
Investigation into an impact-loaded dilatant polymer :
Untersuchung eines dilatanten Polymers bei stoßartigen Belastungen. - In: IFToMM D-A-CH Conference 2015, (2015), insges. 7 S.

http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:hbz:464-20150327-082342-3
Fiedler, Patrique; Mühle, Richard; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Contact force and impedance in dry electroencephalography. - In: Scientific & social program, (2015), S. 32-33

Haueisen, Jens; Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank
A 64-channel dry multipin-electrode cap for EEG. - In: Scientific & social program, (2015), S. 32

Böhm, Valter; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
An approach to the dynamics and control of a planar tensegrity structure with application in locomotion systems. - In: International journal of dynamics and control, ISSN 2195-2698, Bd. 3 (2015), 1, S. 41-49

http://dx.doi.org/10.1007/s40435-014-0067-8
Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Pedrosa, Paulo; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Multichannel EEG with novel Ti/TiN dry electrodes. - In: Sensors and actuators, ISSN 1873-3069, Bd. 221 (2015), S. 139-147

http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2014.10.010
Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena
Potential of adaptive neuro-fuzzy inference system for contact positions detection of sensing structure. - In: Measurement, Bd. 61 (2015), S. 234-242

http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2014.10.040
Behn, Carsten; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim
Unlike behavior of natural frequencies in bending beam vibrations with boundary damping in context of bio-inspired sensors. - In: InfoWare 2014, (2014), S. 75-84

In this paper, we introduce certain models which arise in investigating some vibration problems of bio-inspired, vibrissa-like sensor models. Some approaches to the modeling of the biological paragon vibrissa use rigid body models in which a rod-like vibrissa is supported by a combination of spring and damping elements modeling the viscoelastic properties of the follicle-sinus complex. However, all the rigid body models can only offer limited information about the functionality of the biological sensory system. Therefore, we deal with bending problems of continuous beam systems. We present various beams with different supports (clamped and pivoted with discrete viscoelastic couplings) which are to model the biological tissues. This is new in and different from literature. We focus on investigations of the natural frequency spectra of various systems. The knowledge of dynamical characteristics is important for the design of artificial sensors. A close examination of vibrissa-like beam models with boundary damping exhibits features which are unlike in comparison to classical vibration systems.



Becker, Felix; Börner, Simon; Lysenko, Victor; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
On the mechanics of bristle-bots - modeling, simulation and experiments. - In: ISR/Robotik 2014, (2014), insges. 6 S.

Bristle-bots are simple and tiny robots, which use bristles and internal vibration sources to perform locomotion. In this paper, the locomotion behavior of such systems is studied. An analytical model is presented and solved numerically for different configurations and parameters. The goal is to obtain the influence of the system parameters to the locomotion velocity. The numerical results are compared with experimental studies of a prototype. Furthermore the state of the art of mobile robots with bristles is presented.



http://ieeexplore.ieee.org/document/6840103/
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Becker, Tatiana; Krautz, Maria; Waske, Anja; Schrödner, Mario; Popp, Jana; Kästner, Markus; Spieler, Christian
Mechanika aktuatorov na osnove magnitnych gibridnych materialov i ich priloženija v robototechnike, mikrofljuidike i sensornoj technologii :
Mechanics of actuators based on magnetic hybrid materials with applications for robotics, fluid control and sensor technology. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2014), No. 4(57), Seite 23-41

Becker, Felix; Bondarev, Olga; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Abdelrahman, Mohamed; Adamov, Boris
Issledovanie kinematiki i dinamiki mechaničeskoj sistemy s mekanum-kolesami :
An approach to the kinematics and dynamics of a four-wheel mecanum vehicle. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2014), No. 2(55), Seite 27-37

Hügl, Silke; Lexow, G. Jakob; Harbach, Lenka; Eckardt, Franziska; Majdani, Omid; Rau, Thomas S.
Ein Beitrag zur Etablierung navigationsgestützter Insertionsversuche von Cochlea-Implantat-Elektroden mit Kraftmessung. - In: CURAC 2014, ISBN 978-3-00-047154-4, (2014), S. 122-125

Köhring, Sebastian; Lutherdt, Stefan; Michaelis, Anne; Becker, Felix; Brandl, Michael; Faenger, Bernd; Holder, Silvio; Fremerey, Max; Lawin, Meike; Fränzel, Norbert; Weichert, Frank; Witte, Hartmut
Nahfeldmobilität - der Schlüssel zu einem selbstbestimmten Leben im Alter. - In: Mobilogisch!, ISSN 1611-9169, (2014), 4, S. 1-5

Hügl, Silke; Lexow, G. Jakob; Rau, Thomas S.; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Image fusion of histological images to generate high resolution datasets of the human middle and inner ear structures. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 59.2014, Suppl. 1, S. S582-S584

Preoperative planning of a surgical pathway for minimally invasive and computer-assisted cochlear implantation strongly depends on high resolution imaging of bony and soft tissue middle and inner ear structures. Since conventional medical imaging lacks information on delicate soft tissue structures inside the cochlea, sets of histological data were generated using a serial cross section imaging technique in order to prepare the development of a model-based segmentation algorithm. To increase the image resolution and to provide more detailed morphological information a currently developed 3D histology imaging approach was enhanced by a data processing with integrated automatic image fusion. Finally the generated datasets were converted into the DICOM standard. The presented study (n=15) evaluates the results of the image fusion based on the fiducial registration error (FRE).



http://dx.doi.org/10.1515/bmt-2014-5008
Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Kluge, Marcel; Kobler, Jan-Philipp; Ortmaier, Tobias; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid
Versuchsumgebung für die temperatur-kontrollierte, experimentelle Evaluation von Cochlea-Implantat-Elektroden. - In: Abstractband zur ... Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie e.V., Bd. 85 (2014), Meeting Abstract (14hnod103), insges. 1 S.

Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics and control of a two-module mobile robot on a rough surface. - In: Advances on theory and practice of robots and manipulators, ISBN 978-3-319-07057-5, (2014), S. 141-148

Fiedler, Patrique; Haueisen, Jens; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank
Rapid, dry multichannel electroencephalography. - In: Scientific & social program, (2014), S. 34-35

Haueisen, Jens; Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Felipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank
Electroencephalography with dry electrode caps. - In: Scientific & social program, (2014), S. 34

Behn, Carsten;
Modeling the adjustment of receptor cells via adaptive [lambda]-stabilizing control. - In: Journal of Mechatronics, ISSN 2326-2893, Bd. 2 (2014), 4, S. 275-290

This paper deals with the (adaptive) control of a sensory system. It is inspired by biological ideas concerning the behavior of animal receptor cells for the processing of information of the tactile sense. The equations of motion fall into the category of quadratic, finite-dimensional, nonlinearly perturbed, multi-input, multi-output systems (MIMO-systems) of relative degree two. Then, the typical adjustment of the receptor cells to continuing signals (described as perturbations from the environment) is realized via a universal adaptive control strategy, which also allows system parameter uncertainties, i.e., lack of precise knowledge. We present three control strategies, analytical proofs and simulations.



http://dx.doi.org/10.1166/jom.2014.1069
Fiedler, Patrique; Haueisen, Jens; Jannek, Dunja; Griebel, Stefan; Zentner, Lena; Vaz, Filipe; Fonseca, Carlos
Comparison of three types of dry electrodes for electroencephalography. - In: Acta IMEKO, ISSN 2221-870X, Bd. 3 (2014), 3, S. 33-37

https://doi.org/10.21014/acta_imeko.v3i3.94
Fremerey, Max; Köhring, Sebastian; Nassar, Omar; Schöne, Manuel; Weinmeister, Karl; Becker, Felix; &DZcy;or&dzcy;eviâc, Goran; Witte, Hartmut
Design of a phase-shifting double-wheg-module for quadruped robots. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 10 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-037:5
Griebel, Stefan; Feierabend, Martin; Bojtos, Attila; Zentner, Lena
Characteristics of a compliant fluid-mechanical actuator for creating a screw motion - comparison of simulation and measurement results. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 13 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-009:1
Milojeviâc, Andrija; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Pavloviâc, Nenad T.; Pavloviâc, Nenad D.; Petroviâc, Tomislav; Miloševiâc, Miloš; Tomiâc, Miša
Optimal design of adaptive compliant mechanisms with inherent actuators comparing discrete structures with continuum structures incorporating flexure hinges. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 12 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-141:4
Issa, Mirna; Zentner, Lena
Sensor elements made of conductive silicone rubber for a compliant gripper. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 9 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-130:9
Issa, Mirna; Hügl, Silke; Rau, Thomas S.; Majdani, Omid; Zentner, Lena
Specific curvature behavior of compliant mechanism with hydraulic activation used for medical instruments or implants. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 8 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-129:3
Bendahhou, Abdessamad; Zentner, Lena
Measurement tools and strategies to improve stability in metal cutting. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 7 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-057:0
Hartmann, Lars; Opfermann, Ronald; Zentner, Lena
Analysis of supports of a three-legged compliant snap-through structure for application in an excess flow valve. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 6 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-049:1
Hartmann, Lars; Reich, René; Kletzin, Ulf; Zentner, Lena
Approaches on material analysis and modeling of bouncing putty. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 10 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-048:1
Griebel, Alexandra; Griebel, Stefan; Griebel, Stefan *1981-*; Zentner, Lena;
Compliant shear force sensor. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 11 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-017:0
Schmidt, Manuela; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus; Niederschuh, Sandra; Helbig, Thomas; Voges, Danja; Husung, Isabel; Becker, Tatiana; Will, Christoph; Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Klauer, Gertrud
Technical, non-visual characterization of substrate contact using carpal vibrissae as a biological model: an overview. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 15 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-175:8
Becker, Felix; Börner, Simon; Kästner, Tobias; Lysenko, Victor; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Spy bristle bot - a vibration-driven robot for the inspection of pipelines. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 7 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-042:4
Abdelrahman, Mohamed; Zeidis, Igor; Bondarev, Olga; Adamov, Boris; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
A description of the dynamics of a four-wheel Mecanum mobile system as a basis for a platform concept for special purpose vehicles for disabled persons. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 10 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-041:7
Linß, Sebastian; Milojeviâc, Andrija; Zentner, Lena
Considering the design of the flexure hinge contour for the synthesis of compliant linkage mechanisms. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 12 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-033:4
Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Quasi-static object scanning using technical vibrissae. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 16 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-015:5
Heinz, Leo; Krüger, Martin; Behn, Carsten
Contribution to snake-like locomotion: mechanical and mathematical models. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 18 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-013:9
Lutherdt, Stefan; Becker, Felix; Brandl, Michael; Faenger, Bernd; Fränzel, Norbert; Fremerey, Max; Köhring, Sebastian; Lawin, Meike; Michaelis, Anne; Weichert, Frank
Silver-Mobility - near field mobility concepts for the age group 50+. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 12 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-151:2
Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
An approach to magnetically actuated miniaturized compliant locomotion systems. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 10 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-110:4
Zhao, Xin; Petkun, Sergey; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamical behavior of window regulator systems. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 9 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-051:4
Gorges, Stephan; Riehs, Christopher; Zimmermann, Klaus; Kästner, Tobias
A cascaded worm-like locomotion system - constructive design, software and experimental environment. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 7 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-046:5
Becker, Felix; Börner, Simon; James, Emmanuel; Minchenya, Vladimir; Zimmermann, Klaus
Low-cost piezoelectric actuators - analytical, numerical and experimental studies with a focus on mobile robotics. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 12 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-043:2
Noll, Andreas; Behn, Carsten
Fuzzy-adapted lane assist of vehicles with uncertainties. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 20 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-014:7
Behn, Carsten; Schwebke, Silvan
Gear shift patterns in uncertain terrestrial locomotion systems. - In: Applied non-linear dynamical systems, (2014), S. 37-48

The paper focusses on various gear shift patterns in an uncertain terrestrial locomotion system, i.e., in a wormlike locomotion system (WLLS). A WLLS in this theory is understood as a system living in a straight line (one dominant linear dimension) with no active (i.e., driving) legs nor wheels. A mechanical model comprises a chain of discrete mass points (1) connected by viscoelastic force actuators and (2) having ground interaction via spikes which make the velocities unidirectional. A spike means any device which realizes this restriction. The distances between two consecutive mass points are changed by an adaptive controller. In combination with the ground contact spikes, this results in an undulatory locomotion of the system. Optimal gaits which achieve a defined number and succession of resting mass points as well as the resulting velocity are developed in numerical investigations. We present a gait shifting procedure incorporating a combination of speed adjustment and gait change that enables optimal crawling for predefined limits of actuator or spike force load.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Abdelrahman, Mohamed;
Dynamics of mechanical systems with mecanum wheels. - In: Applied non-linear dynamical systems, (2014), S. 269-279

Fiedler, Bernd; Gerlach, Erik; Husung, Isabel; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Füßl, Roland; Manske, Eberhard; Hausotte, Tino; Theska, René
Positioning with nanometre precision requires a high tech Nanopositioning and Nanomeasuring Machine and an optimal machine setup. - In: Shaping the future by engineering, (2014), insges. 8 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-029:6
Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Object contour reconstruction using bio-inspired sensors. - In: Proceedings of the 11th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, Vienna, Austria, 1 - 3 September, 2014; [including the Special Session on Intelligent Vehicle Controls & Intelligent Transportation Systems (IVC&ITS), and the Special Session on Adaptive Stochastic Algorithms and their Applications at Human-Machine Interfaces (ASAAHMI)], ISBN 978-989-758-039-0, (2014), S. 459-467

This work is inspired and motivated by the sophisticated mammals sense organ of touch: vibrissa. Mammals, especially rodents, use their vibrissae, located in the snout region - mystacial vibrissae - to determine object contacts (passive mode) or to scan object surfaces (active mode). Here, we focus on the passive mode. In order to get hints for an artificial sensing prototype, we set up a mechanical model in form of a long slim beam which is one-sided clamped. We investigate in a purely analytical way a quasi-static sweep of the beam along a given profile, where we assume that the profile boundary is strictly convex. This sweeping procedure shows up in two phases, which have to be distinguished in profile contact with the tip and tangentially contact (between tip and base). The analysis eventuates in a phase decision criterion and in a formula for the contact point. These are the main results. Moreover, based on the observables of the problem, i.e. the clamping moment and the clamping forces, which are the only information the animal relies on, a reconstruction of the profile is possible - even with added uncertainty mimicking noise in experimental data.



Faenger, Bernd; Becker, Felix; Brandl, Michael; Fränzel, Norbert; Holder, Silvio; Köhring, Sebastian; Lutherdt, Stefan; Michaelis, Anne; Weichert, Frank; Schumann, Nikolaus; Scholle, Hans-Christoph; Zimmermann, Klaus; Augsburg, Klaus; Ament, Christoph; Linß, Gerhard; Pezoldt, Kerstin; Wenzel, Andreas; Witte, Hartmut
Mobilitätssysteme für Best Ager (50plus): neue Präventionsansätze. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2014), S. 363-375

Fremerey, Max; Köhring, Sebastian; Nassar, Omar; Schöne, Manuel; Weinmeister, Karl; Becker, Felix; &DZcy;or&dzcy;eviâc, Goran S.; Witte, Hartmut
A phase-shifting double-wheg-module for realization of wheg-driven robots. - In: Biomimetic and Biohybrid Systems, (2014), S. 97-107

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-09435-9_9
Petkovic, Dalibor; Issa, Mirna; Pavlovic, Nenad D.; Zentner, Lena; Daud, Md Nor Ridzuan; Shamshirband, Shahaboddin
Contact positions estimation of sensing structure using adaptive neuro-fuzzy inference system. - In: Kybernetes, ISSN 1758-7883, Bd. 43 (2014), 5, S. 783-796

http://dx.doi.org/10.1108/K-03-2013-0041
Feierabend, Martin; Zentner, Lena
Conception of the mechanical part for a hand rehabilitation device for use in medical training therapy. - In: Shaping the future by engineering, ISBN 978-3-86360-085-3, (2014), S. 92

Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
Dynamics of two-module vibration driven robot. - In: Shaping the future by engineering, ISBN 978-3-86360-085-3, (2014), S. 64-65

Abdelrahman, Mohamed;
A contribution to the development of a special-purpose vehicle for handicapped persons : dynamic simulations of mechanical concepts and the biomechanical interaction between wheelchair and user. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: XVII, 225 S., 15,34 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
Parallel als Druckausg. erschienen

Die Arbeit diskutiert die mathematische Modellbildung von ausgewählten Fortbewegungssystemen mit Rädern. Die Kinematik und Dynamik eines radgetriebenen Fahrzeuges mit Mecanum-Rädern wird beschrieben. Die dynamischen und kinematischen Modelle sind die Voraussetzung für Simulationsrechnungen und gleichzeitig für die praktische Anwendung beim Betrieb der Systeme. Außerdem wird das Bewegungsverhalten von Behinderten während der Fahrt im Rollstuhl für verschiedene Umgebungsbedingungen analysiert. Nach der Darlegung der Motivation der Arbeit wird eine Analyse des Standes der Technik auf dem Gebiet der Fahrzeuge mit Mecanum-Rädern vorgestellt. Eine Übersicht über aktuelle Aspekte der Fortbewegungssysteme für Behinderte und ihre Vor- und Nachteile ist ein weiterer Gegenstand der Arbeit. Im Kapitel 2 sind die mathematischen Grundlagen, die in dieser Arbeit verwendet werden, zusammengefasst. Es handelt sich um die Kinematik der starren Körper und ausgewählte Prinzipien und Gleichungen der analytischen Mechanik. Die Transformationsmatrizen für ebene Drehungen, die Arten der kinematischen Zwangsbedingungen, die Dynamik der starren Körper mit einem speziellen Fokus auf die LAGRANGE Gleichung 2. Art mit Multiplikatoren werden vorgestellt. Die Fortbewegungssysteme sind vor allem mit analytischen Methoden in der Kinematik und Dynamik beschrieben worden. Der Fokus liegt auf 2 Grundmodellen, die auch aktuell technisch genutzt werden. Das erste Modell gilt für zweirädrige Bewegungssysteme, wie zum Beispiel für einen Rollstuhl. Das zweite Modell wurde für ein vierrädriges Fahrzeug mit Mecanum-Rädern entwickelt. Detaillierte Herleitungen für die kinematischen und dynamischen Modelle sind für beide Fortbewegungssysteme dargestellt. Für die Dynamik des Fahrzeuges mit Mecanum-Rädern wird eine exakte Methode, basierend auf den Grundlagen der nichtholonomen Mechanik mit einer zweiten, häufig in der Literatur angeführten, Näherungsmethode verglichen. Aus der nichtholonomen Mechanik werden die LAGRANGE Gleichungen mit Multiplikatoren als effizientes Verfahren eingesetzt, um ein exaktes Modell zu generieren. Diese Modellgleichungen können alle möglichen Bewegungsbahnen des Fahrzeuges mit vier Mecanum-Rädern erfassen. Das Approximationsverfahren aus der Literatur nutzt eine Pseudoinverse Matrix und kann nur ausgewählte Standardtrajektorien abbilden. Simulationsergebnisse, basierend auf der numerischen Integration der Dynamikgleichungen aus beiden Verfahren werden in Kapitel 4 vorgestellt. Die resultierenden Bewegungsbahnen sind für vorgegebene Antriebsmomente dargestellt. Ein virtuelles 3D-Modell des vierrädriges Mecanum-Fahrzeuges ist mit Hilfe von MATLAB®, SIMULINK® und VIRTUAL REALITY TOOLBOX® erstellt worden. Ein Vorteil der 3D-Umgebung ist die anschauliche Darstellung komplexer Bewegungsbahnen bei kombinierten Translations- und Rotationsbewegungen des Systems. Zwei Experimentalfahrzeuge, eines mit klassischer Vierradstruktur inklusive Vorderachslenkung und ein weiteres mit vier omnidirektionalen Rädern vom Typ Mecanum, wurden aufgebaut. Sie dienen als Demonstratoren eines möglichen Plattformkonzeptes für Behindertenfahrzeuge. In der Arbeit werden die aus Simulationsrechnungen gewonnenen Trajektorien mit den tatsächlichen Bahnen des Prototyps verglichen. In einem abschließenden Kapitel wird für ausgewählte Szenarien mittels Motion Capturing Verfahren die Mensch-Maschine-Interaktion am Beispiel von Rollstuhlfahrern untersucht. Die Bewegung des menschlichen Körpers und des Rollstuhls wurde in ihren kinematischen Daten erfasst und mit den Werkzeugen ALASKA-DYNAMICUS® und ERGO TOOL® analysiert.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=24390
Naletova, Vera A.; Merkulov, D. I.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Deformation of a body with a magnetizable polymer in a uniform magnetic field. - In: 9th International Conference on Fundamental and Applied MHD, Thermo Acoustic and Space Technologies, (2014), S. 322-325

Niedermeyer, Lars; Augsburg, Klaus; Augustin, Silke; Fröhlich, Thomas; Krapf, Gunter; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias
Untersuchung thermo-mechanischer Belastungen in Abgassystemen bei hochdynamischer Druckpulsation. - In: Sensoren und Messsysteme 2014, (2014), insges. 6 S.

Popp, Jana; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Gärtner, Ralf; Zimmermann, Klaus
Peristaltic transport of a magnetizable fluid by a periodically travelling magnetic field. - In: Book of abstracts, (2014), S. 43-44

Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Magnetically actuated compliant locomotion system. - In: Book of abstracts, (2014), S. 45-46

Volkova, Tatiana; Turkov, Vladimir A.; Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.
Ferrofluid volume between plates in the field of an electromagnetic coil. - In: Book of abstracts, (2014), S. 28-29

Zentner, Lena;
Nachgiebige Mechanismen. - München : De Gruyter Oldenbourg, 2014. - VIII, 131 Seiten. - (Studium) ISBN 3-486-76881-6
Literaturverzeichnis: Seite 129-131

Flexible mechanisms; small devices that can be moved or bent, and return to shape



Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena
Design of compliant robotic joint with embedded-sensing elements of conductive silicone rubber. - In: Industrial robot, ISSN 1758-5791, Bd. 40 (2013), 2, S. 143-157

https://doi.org/10.1108/01439911311297748
Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena
Application of the TRIZ creativity enhancement approach to the design of a passively adaptive compliant robotic gripper. - In: Assembly automation, ISSN 1758-4078, Bd. 33 (2013), 3, S. 231-239

https://doi.org/10.1108/AA-10-2013-079
Popp, Jana; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Pelevina, Daria A.; Rozin, Alexander V.
Enhanced deformation of magnetizable fluids for efficiency increase of ferrofluid based locomotion systems. - In: Magnetohydrodynamics, ISSN 0024-998X, Bd. 49 (2013), 3/4, S. 468-472

Zhao, Xin; Petkun, Sergey; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dinamika &ptbov;električeskoj sistemy regulirovanija okon transportnogo sredstva :
Dynamics of an electrical window regulator system. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2013), No. 4(53), Seite 7-14

Böhm, Valter; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of a simple planar tensegrity structure for the use in vibration driven locomotion systems. - In: Applications, (2013), S. 341-352

Schwebke, Silvan; Behn, Carsten
Worm-like robotic systems: generation, analysis and shift of gaits using adaptive control. - In: Artificial Intelligence Research, ISSN 1927-6982, Bd. 2 (2013), 1, S. 12-35

http://dx.doi.org/10.5430/air.v2n1p12
Behn, Carsten;
Modeling the behavior of hair follicle receptors as technical sensors using adaptive control. - In: Proceedings of the 10th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, ISBN 978-989-8565-70-9, (2013), S. 336-345

Based on the paradigm biological receptor and its fundamental feature to filter signals and transduce them, we set up a mechanical sensor system to find hints to establish a measurement or monitioring system. These technical system have to offer high sensivitiy to signals from the environment. To mimic the complex behavior of the biological system, adaptive controllers have to be applied to a mechanical sensor system to compensate and filter unknown ground excitations (uncertainties of the system). Before doing this we summarize previous work on controlling such mechanical systems. We expose the need of improvements of already existing strategies from literature, the corresponding problems are formulated. Improved adaptive controllers are presented. Their working principle is illustrated in various numerical simulations and experiments.



Lichtenheldt, Roy; Schäfer, Bernd
Hammering beneath the surface of Mars - Modellbildung und Optimierung des HP3-Mole. - In: 10. Kolloquium Getriebetechnik, (2013), S. 169-186

Um Antworten auf die Frage nach der Entstehung erdähnlicher Planeten zu geben, werden im Rahmen der NASA-Marsmission InSight Untersuchungen des Wärmestroms im Planeteninneren durchgeführt. Damit der Wärmestrom im Inneren bestimmt werden kann, schlägt sich der HP3 Mole tiefer in dessen Boden als alle Messinstrumente jemals zuvor. Um das gewünschte Ziel von fünf Metern Tiefe zu erreichen, wird ein spezieller Mechanismus als "selbsteinschlagender Nagel" verwendet. Mehrkörpersimulationen des Systems unter Berücksichtigung der Kontaktdynamik ermöglichen einen Einblick in das mechanisch-dynamische Verhalten und die Wechselwirkungen beim Betrieb des Moles. Diese Modelle bilden die Ausgangsbasis für die Einbindung in eine Optimierungsumgebung, und damit die Optimierung des Mechanismus selbst.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033-169-9
Lichtenheldt, Roy; Schäfer, Bernd
Planetary rover locomotion on soft granular soils - efficient adaption of the rolling behaviour of nonspherical grains for discrete element simulations. - In: Particle-based methods III, (2013), S. 807-818

In consequence of growing interests of science exploration on our solar system's planets and moons, increased mobility demands are arising for planetary exploration vehicles. The locomotion capabilities of these systems strongly depend on the interaction with soft granular soils. Thus a major design challenge is to develop suitable solutions for locomotion equipment and strategies. The mastering of these challenges depends on detailed soil interaction models to predict the system behaviour and get a better understanding of the underlying effects. To meet these demands a new soil interaction model based on the three-dimensional Discrete Element Method (DEM) is developed. The strength of granular materials is highly dependent on the grain's shape and friction. Since non-spherical particles are less computational efficient than spheres, a new interparticle contact model has been developed to mathematically cover the rotational behaviour of anisotropically elongated and angular grains, while using computationally efficient spheres for contact detection. To show the applicability of the model, bevameter as well as single wheel simulations for planetary rovers were carried out.



Popp, Jana;
Theoretical and experimental investigations of ferrofluids focusing on locomotive systems, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: VII, 186 S., 21,36 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
Parallel als Druckausg. erschienen

Basierend auf Bewegungsformen wie sie von biologischen Systemen bekannt sind, die mit Hilfe von (periodischer) Gestaltänderung Fortbewegung erzielen, und der kontrollierbaren Oberflächendeformation von Ferrofluiden, werden die Möglichkeiten Ferrofluide für Lokomotionszwecke zu nutzen untersucht. Dies wird belegt durch detaillierte Auseinandersetzung und Verweise auf entsprechende Literatur. Großes Gewicht wird auf die technische Implementierung gesetzt und die daraus erwachsenden Problemfelder. Daher werden neben einem ausführlichen theoretischen Teil, in dem ein magnetfeldinduzierter peristaltischer Materialtransport einer magnetischen Flüssigkeit analytisch betrachtet wird, auch weitläufig praktisch-experimentelle Untersuchungen angestellt. Wichtige Größen wie ferrofluiderzeugte Kräfte und Drücke werden messtechnisch für den Allgemeinfall ermittelt. Hierbei wird unterschieden zwischen Systemen, die mit lokal bewegten Ferrofluidportionen anderen Objekten zur Lokomotion verhelfen(passive Lokomotionssysteme) und Systemen, deren mobile Ferrofluidportionen selbst Position und Lage verändern (aktive Lokomotionssysteme). Anhand von Prototypen werden Prinzipien und Funktionsparameter gesondert analysiert und diskutiert. Diese speziellen Untersuchungen werden teilweise durch analytische und numerische Modelle gestützt. Auf zwei Kernprobleme wird aufmerksam gemacht: Ferrofluide generieren geringe nutzbare Kräfte und aufgrund der starken Adhäsion ist eine schützende Einkapselung notwendig. Zwei Untersuchungen gehen hierauf ein. Mit der Idee, eine Steigerung der nutzbaren Kräfte hervorzurufen, wird die Verstärkung der Oberflächendeformation, die im Magnetfeld durch das Einführen hochpermeabler Körper hervorgerufen wird, analytisch und experimentell untersucht. Weiterhin wird ein Experiment vorgestellt, welches die Einkapselung des Ferrofluids umgeht. Hier ist ein Ferrofluidaktor eingebettet in einer Zweitflüssigkeit und treibt diese zur Kanalströmung an. Mit Referenz auf die Grundidee ferrofluidbasierter Lokomotion werden die Teiluntersuchungen zusammengefasst. Vor dem Hintergrund, dass die nachteiligen Eigenschaften des Materials bislang nicht beherrscht werden, bleibt es abzuwarten inwiefern sich technische Lösungen ferrofluidbasierten Lokomotionssysteme verbreiten werden. Im Ausblick wird auf vielversprechende Entwicklungen magnetosensitiver Elastomere und Gele aufmerksam gemacht.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=23617
Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Biller, Sebastian; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Dry-contact multichannel EEG using novel multipin electrodes. - In: Clinical EEG and neuroscience, ISSN 2169-5202, Bd. 44.2013, 4, S. E102

http://dx.doi.org/10.1177/1550059413507209
Risto, Uwe;
Zur Charakterisierung und Anwendung des Durchschlagverhaltens von nachgiebigen rotationssymmetrischen Strukturen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: XXXIII, 152 S., 10,56 MB). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 3) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
Parallel als Druckausg. erschienen

Instabiles Verhalten von festen und nachgiebigen Strukturen wird in den meisten Fällen der technischen Anwendung vermieden. Dennoch kann das instabile Verhalten von nachgiebigen Strukturen in Form von Durchschlag positiv eingesetzt werden. Das Durchschlagverhalten stellt eine sprunghafte Änderung von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen dar. In der vorliegenden Arbeit werden signifikante Eigenschaften des instabilen Verhaltens in Form von Durchschlag beschrieben. Dies wird am Beispiel einer sphärisch geformten Struktur, und anderen, durchgeführt. Des Weiteren wird das Verhalten der Strukturen unter einem gleichmäßigen Außendruck und unter Berücksichtigung eines nichtlinearen elastischen Materials untersucht. Ergänzend werden die ermittelten Ergebnisse experimentell überprüft. Die Forschungsergebnisse fließen anschließend in die Entwicklung von innovativen Ventilsystemen für beispielsweise solarthermische Anlagen.In solarthermischen Anlagen müssen für deren sichere und effiziente Funktion die durch Ausgasung aus dem Solarfluid anfallenden Gase regelmäßig aus dem System abgeleitet werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll die Entwicklung eines neuartigen Funktionselementes für Ventilanwendungen erläutert werden, der eine regelmäßige und vollkommen autonome Entlüftung solarthermischer Anlagen ermöglicht. Die Besonderheit dieser Innovation besteht darin, dass das Funktionselement keine externe Energieversorgung benötigt und dass auf Steuerungselektronik und Sensorik verzichtet werden kann. Die Neuentwicklung beruht auf den mechanischen Eigenschaften einer partiellen Nachgiebigkeit eines Körpers aus hochelastischem Material und nutzt die vorhandene Wärmeenergie des Betriebsmediums in einer solarthermischen Anlage. Die erzielten Forschungsergebnisse werden weiterhin für die Entwicklung eines Ventilsystems für medizinische Anwendungen eingesetzt. Bei dem medizinischen Ventilsystem handelt es sich um eine Struktur die es ermöglichen soll, in Form eines Implantates, Inkontinenzpatienten die Unannehmlichkeiten ihrer Krankheit zu überwinden.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=22982
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
The undulatory motion of a chain of particles in a resistive medium in the case of a smooth excitation mode. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 93 (2013), 12, S. 895-913

The motion of a chain of three identical bodies along a straight line in a dry-friction medium is studied. The motion is excited and controlled by changing the distances between the bodies of the chain. An undulatory excitation mode is proposed, in which the distances between the adjacent bodies of the chain chanfge periodically and the time histories of the distances in the pairs of ajdacent bodies consecutively repeat each other with a constant time shift. It looks like a wave is running along the chain. The necessary and sufficient conditions for the system to be able to move from rest are established. For a specific excitiation mode, in which the time histories of the distaces between the bodies of the chain are defined as piecewise quadratic functions, a steady-state motion of the system is studied for the case where the friction force is small in comparison with the force necessary for a body of the chain to be moved from a state of rest through a distance characterizing the amplitude of oscillations of adjacent bodies during the exitation period.



http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201200124
Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Biller, Sebastian; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Novel cap system with active actuators for rapid dry electroencephalography. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 58 (2013), insges. 2 S.

https://doi.org/10.1515/bmt-2013-4429
Issa, Mirna; Petkovic, Dalibor; Pavloviâc, Nenad; Zentner, Lena
Sensor elements made of conductive silicone rubber for passively compliant gripper. - In: The international journal of advanced manufacturing technology, ISSN 1433-3015, Bd. 69 (2013), 5/8, S. 1527-1536

https://doi.org/10.1007/s00170-013-5085-8
Fiedler, Patrique; Fonseca, Carlos; Pedrosa, Paulo; Martins, A.; Vaz, Filipe; Griebel, Stefan; Haueisen, Jens
Novel flexible dry multipin electrodes for EEG: signal quality and interfacial impedance of Ti and TiN coatings. - In: 2013 35th annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), ISBN 978-1-4577-0216-7, (2013), S. 547-550

http://dx.doi.org/10.1109/EMBC.2013.6609558
Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Vibration-driven mobile robots based on single actuated tensegrity structures. - In: IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2013, (2013), S. 5475-5480

http://dx.doi.org/10.1109/ICRA.2013.6631362
Feierabend, Martin; Zentner, Lena
Konzeption eines Mechanotherapie-Systems zur Rehabilitation der Handfunktionalität für den Einsatz in der medizinischen Trainingstherapie. - In: 10. Kolloquium Getriebetechnik, (2013), S. 437-454

Die Hände des Menschen gelten als die am intensivsten eingesetzten Körperteile. Sie werden bei der Ausübung unterschiedlichster Tätigkeiten sowie zur Durchführung notwendiger alltäglicher Bedürfnisse eingesetzt. Im Gegensatz zu anderen Körperteilen sind die Hände, bedingt durch ihre exponierte Lage und den häufigen Gebrauch, einem höheren Verletzungsrisiko ausgesetzt. Durch die Selbstverständlichkeit, mit der der Mensch seine Hände einsetzt, wird deren Wichtigkeit erst nach einer Verletzung bzw. Krankheit bewusst. Bleibende Beeinträchtigungen beschränken sich nicht nur auf die körperliche Leistungsfähigkeit, sondern können auch seelische Auswirkungen auf den Patienten haben. Deshalb ist eine möglichst vollständige Rehabilitation der Hand anzustreben. Für die Handrehabilitation werden bisher technische Systeme eingesetzt, die nur eine sehr beschränkte Anzahl therapienotwendiger Bewegungsaufgaben übernehmen können. Motiviert durch diese Tatsachen wird ein Mechanotherapie-System konzeptioniert, welches fluidisch angetrieben und modular aufgebaut ist. Im ersten Schritt, wird sich auf die Konzeption für einen Finger beschränkt. Die gefundene Lösung ist aber auf die restlichen Langfinger übertragbar.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033-437-5
Griebel, Alexandra; Griebel, Stefan; Zentner, Lena
Nachgiebiges Sensorsystem zur Ermittlung von Scherkräften. - In: 10. Kolloquium Getriebetechnik, (2013), S. 419-436

In diesem Beitrag wird ein neuartiges, komplett nachgiebiges Sensorsystem zum Erfassen des Betrages und der Richtung einer wirkenden Scherkraft oder der Verteilung von Scherkräften auf einer Oberfläche vorgestellt. Das System besteht aus leitenden und nicht leitenden Silikonen und erreicht seine Funktion über die große Verformbarkeit dieser hochelastischen Materialien. Die Funktionsfähigkeit der vorgeschlagenen geometrischen Gestalt wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) geprüft. Anschließend wird das Sensorsystem aufgebaut und mittels Versuche wird das gewählte Prinzip zur Ermittlung der Richtung und des Betrages einer Scherkraft verifiziert.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033-419-7
Griebel, Stefan; Feierabend, Martin; Bojtos, Attila; Zentner, Lena
Kennlinien eines nachgiebigen fluidmechanischen Antriebes zur Erzeugung einer schraubenförmigen Bewegung - Vergleich Simulation und Messaufbau. - In: 10. Kolloquium Getriebetechnik, (2013), S. 391-408

In diesem Beitrag wird ein nachgiebiger fluidmechanischer Antrieb, mit dem eine schraubenförmige Bewegung für das Heranführen von trockenen Elektroden auf die Kopfoberfläche erzeugt werden kann, untersucht. Es werden die simulierten und gemessenen Kennlinien für Lastmomente von ML = -0.4 Nm bis 0.2 Nm in Schritten von 0.2 Nm miteinander verglichen. Der Antrieb hat eine Höhe und einen Durchmesser von jeweils 50 mm, besteht aus Silikon Elastosil® 4644 und kann in einem Druckbereich von 0 bis 1 bar betrieben werden. Dabei erreicht dieser ohne Last einen Drehwinkel von ca. 100&ring; und einen Hub von ca. 29 mm. Diese Werte können durch Lastmomente vergrößert werden. Im Bereich von 0 ≤ p ≤ 500 mbar arbeitet der Antrieb überwiegend nach dem Prinzip der Faltung und erzeugt dabei eine nahezu lineare Schraubenkennlinie. Im Bereich von 500 < p ≤ 1000 mbar arbeitet der Antrieb überwiegend nach dem Prinzip der Dehnung und erzeugt hauptsächlich einen Hub, der nahezu unabhängig vom Lastmoment ist. Die Abweichung für Hub und Drehwinkel zwischen dem Ansys® FEM Simulationsmodell und dem Funktionsmuster sind im Bereich für p ≥ 200 mbar ohne Lastmoment unter Berücksichtigung eines experimentell bestimmten Reibmoments kleiner als 10 %. Somit können ergänzend zur Entwicklung und Untersuchung von fluidmechanischen Antrieben Simulationsmodelle eingesetzt werden.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033-391-1
Hartmann, Lars; Feierabend, Martin; Zentner, Lena
Über die Wirkung einer mechanischen Vorspannung auf die Deformation eines asymmetrischen Federbügel-Mechanismus. - In: 10. Kolloquium Getriebetechnik, (2013), S. 373-390

Federbügel-Mechanismen sind nachgiebige Mechanismen, die in der Technik als Klemm- und Sicherungselemente eingesetzt werden. Ein speziell geformter Federbügel ist durch zwei versetzt angeordnete Drehgelenke in einem Gestell gelagert. Durch die spezielle Lagerung des nachgiebigen Mechanismengliedes (Federbügel) im Gestell wird in den Mechanismus eine mechanische Vorspannung eingeprägt, die das Kraft-Verschiebungs-Verhalten beeinflusst. Die Größe der mechanischen Vorspannung wird vom Abstand der parallelen Drehachsen (Verrückung) bestimmt. In diesem Beitrag wird die Wirkung der mechanischen Vorspannung auf die Deformation eines ausgewählten asymmetrischen Federbügel-Mechanismus mit numerischen und analytischen Methoden untersucht.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033-373-9
Linß, Sebastian; Zentner, Lena
Einfluss der Festkörpergelenkkontur auf die Bewegungsgenauigkeit und die Gestaltfestigkeit nachgiebiger Koppelmechanismen. - In: 10. Kolloquium Getriebetechnik, (2013), S. 355-372

Aufgrund ihrer Vorteile werden nachgiebige Mechanismen vielfach für Führungs- und Übertragungsaufgaben in Präzisionsbewegungssystemen eingesetzt. Hierbei werden vorwiegend prismatische Festkörpergelenke mit Aussparungen als stoffschlüssige Drehgelenke verwendet. In diesem Beitrag wird das Potenzial zur Beeinflussung der Bewegungs- und Festigkeitseigenschaften verschiedener nachgiebiger Koppelmechanismen durch gezielte geometrische Gestaltung der Abmessungen und insbesondere der Aussparungskontur der Festkörpergelenke verdeutlicht. Dies stellt einen neuen Ansatz bei der Synthese nachgiebiger Mechanismen dar. Mittels FEM-Untersuchungen kann u. a. gezeigt werden, dass Polynomkonturen 4. Ordnung besonders günstig im Hinblick auf die gleichzeitige Realisierung einer hohen Bewegungsgenauigkeit und Gestaltfestigkeit sind.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033-355-9
Zentner, Lena
10. Kolloquium Getriebetechnik : Technische Universität Ilmenau, 11.-13. September 2013. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2013. - 1 Online-Ressource (454 Seiten). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik ; Band 2)

In diesem Band sind die Beiträge des 10. Kolloquiums Getriebetechnik 2013 in Ilmenau zusammengestellt. Getriebe für Web- und Flechtmaschinen, für Schränke und Sessel, ein Schlagmechanismus für eine bevorstehende Marsmission, Robotersysteme für Mensch-Maschine-Schnittstellen, ein Mechanismus in einem Großteleskop oder Präzisionsmessgerät, ein einfacher Federbügel sowie nachgiebige Aktuatoren und Mechanismen - das sind nur einige von den hoch interessanten Systemen, die in diesem Band vorzufinden sind.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013100033
Witte, Hartmut; Fremerey, Max; Weyrich, Steven; Mämpel, Jörg; Fischheiter, Lars; Voges, Danja; Zimmermann, Klaus; Schilling, Cornelius
Biomechatronics is not just biomimetics. - In: 2013 9th Workshop on Robot Motion and Control (RoMoCo), (2013), S. 74-49

http://dx.doi.org/10.1109/RoMoCo.2013.6614587
Linß, Sebastian; Milojeviâc, Andrija; Zentner, Lena
On the influence of flexure hinge geometry on the motion range and precision of compliant gripping mechanisms. - In: Proceedings, ISBN 978-86-6055-039-4, (2013), S. 255-260

Due to their various advantages material coherent joints are state of the art in compliant mechanisms. In precision engineering especially prismatic flexure hinges with lumped compliance are used as revolute joints for small angular deflections. In this contribution, the potential of improving the motion precision as well as the motion range of compliant gripping mechanisms by specific design of the flexure hinge dimensions and in particular of their notch contour is described. The model-based design is exemplified for two multi-bar compliant grippers with different kinematic chains by means of rigid body analysis and finite elements method (FEM) simulation. To verify the detailed investigation of the flexure hinge geometry as a newly considered approach of the compliant mechanism synthesis, the FEM results are compared with the motion behavior of the rigid body counterparts.



Köhring, Sebastian; Becker, Felix
Das rollende Bein - eine Kombination aus Rollen und Schreiten für die Nahfeldmobilität. - In: Konstruktion, ISSN 0373-3300, Bd. 65 (2013), 9, S. 88-90

Auch in Zeiten, in denen Barrierefreiheit großgeschrieben wird, bedeutet eine persönliche Mobilitätseinschränkung einen Verlust von Lebensqualität. Der Grund dafür ist, dass durch Hindernisse bzw. den Zwang zur Benutzung spezieller Routen oder Zonen die individuelle Mobilität paralysiert wird. Derzeit verfügbare Mobilitätshilfen können Hindernisse nur unzureichend kompensieren, da sich in der Praxis des Alltags Mängel zeigen, die der zumeist teuer erkauften Erweiterung des befahrbaren Geländespektrums entgegenwirken. Ein Blick auf die grundlegenden Fortbewegungsprinzipien vor dem Hintergrund der Forderung nach einem breiten befahrbaren Geländespektrum führt zur Schlussfolgerung, idealerweise eine Kombination aus Rollen und Schreiten anzustreben. Das rollende Bein in Verbindung mit einem Höhenausgleich erscheint als vielversprechende Lösung.



Gerlach, Erik; Husung, Isabel; Fiedler, Bernd; Zimmermann, Klaus
Modellierung elastischer Eigenschaften für die Simulation der Dynamik von Präzisionsmaschinen. - In: Fachtagung Mechatronik 2013, ISBN 978-3-86130-958-1, (2013), S. 55-59

Im Sonderforschungsbereich 622 werden an der TU Ilmenau die Grundlagen zur Entwicklung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen untersucht. Nanopositioniermaschinen sind komplexe mechatronische Systeme. Für die Realisierung von Bahnbewegungen (z.B. bei Scanvorgängen) werden modellbasierte Regler eingesetzt und diese mittels Dynamiksimulationen optimiert. Als Grundlage wird das mechanische System als Mehrkörpersystem (MKS) modelliert. Es stellt sich jedoch bei der Modellbildung die Frage nach der Berücksichtigung der Elastizitäten im System. Im Beitrag werden die Lösungen für drei Modellierungsaufgaben - die Modellierung von Wälzführungen für Positionieraufgaben, die Integration von Elastomerelementen und Luftlagern als viskoelastische Lagerung der Maschine und die Berücksichtigung der Elastizitäten von plattenförmigen Bauteilen und Grundplatten - vorgestellt. Es gelingt, im methodischen Umfeld der Mehrkörperdynamik (MKD) zu bleiben und somit handhabbare Modelle zu generieren.



Behn, Carsten; Schmitz, Tonia; Fremerey, Max; Voges, Danja; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus
Tasthaare für die Mechatronik - Modellbildung, Simulation und adaptive Regelung. - In: Fachtagung Mechatronik 2013, ISBN 978-3-86130-958-1, (2013), S. 7-12

Die Wahrnehmung von Vibrationen ist eine besondere Art des Tastsinnes, welcher für Insekten wie Wirbeltiere wichtig ist. Letztere realisieren diese Wahrnehmung u. a. aus mechanischen Sensorinformationen der Tasthaare in der Schnauzenregion. Es wurden und werden mechanische Modelle einzelner Tasthaare entwickelt, um die beiden Betriebsmodi derartiger Tasthaare von kletternden Säugetieren zu beschreiben: die Tasthaare werden entweder passiv genutzt, um Kräfte aus der Umgebung zu spüren (z. B. durch Wind), oder aktiv genutzt, wenn die Haare rhythmisch bei der Abtastung von Oberflächen oder Objekten bewegt werden ("whisking", daher englisch "whiskers"). Folglich müssen die Modelle aus regelungstechnischer Sicht Stabilisierbarkeit und Bahnverfolgung ermöglichen, wobei sie trotzdem in der Lage sein müssen, überlagerte Einzelsignale aus der Umgebung zu filtern. Die für technische Umsetzung entwickelten Regler sind adaptiver Natur mit Blick auf die Zufälligkeit der externen, zu unterdrückenden Signale der Unsicherheit der Systemparameter. Diese Arbeit präsentiert diverse mechanische Modelle und verbesserte adaptive Regelstrategien, die Indetifikationstechniken umgehen, dabei aber gewährleisten, dass das System im beschriebenen Sinne sensitiv ist.



Behn, Carsten; Schmitz, Tonia; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus
Animal vibrissae: modeling and adaptive control of bio-inspired sensors. - In: Advances in Computational Intelligence, (2013), S. 159-170

The reception of vibrations is a special sense of touch, important for many insects and vertebrates. The latter realize this reception by means of hair-shaped vibrissae in the mystacial pad, to acquire tactile information about their environments. The system models have to allow for stabilizing and tracking control while nevertheless being able to detect superimposed solitary excitations. Controllers have to be adaptive in view of both the randomness of the external signals to be suppressed and the uncertainty of system data. We presents mechanical models and an improved adaptive control strategy that avoids indentification but renders the systemn sensitive.



http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-38682-4_19
Zentner, Lena;
Modelling and application of the hydraulic spider leg mechanism. - In: Spider ecophysiology, ISBN 978-3-642-33988-2, (2013), S. 451-462

Behn, Carsten;
Mathematical modeling and control of biologically inspired uncertain motion systems with adaptive features. - XXII, 251 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2013

Bellair, Bernd;
Beschreibung des anisotropen Materialverhaltens von Rotbuchenfurnier als Basis für rechnergestützte Umformsimulationen. - Aachen : Shaker, 2013. - XVI, 205 S.. - (Berichte aus dem Machinenbau) Zugl. :Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2012

Für die realitätsnahe numerische Simulation des Umformprozesses von Rotbuchenfurnier ist die Materialbeschreibung ein essentieller Bestandteil. Aus diesem Grunde wurde in dieser Arbeit im Hinblick auf den späteren Einsatz in Umformsimulationen das anisotrope Materialverhalten von Rotbuchenfurnier bei verschiedenen Klimaten untersucht. Ein Schwerpunkt lag in der Entwicklung eines Prüfkonzeptes und einer Prüfvorschrift für den natürlichen Faserverbundwerkstoff Holz in Form von Furnier und deren Umsetzung. Voraussetzung dafür war neben der Anwendung der Festkörper Kontinuumsmechanik, die Analyse der Strukturmerkmale des Holzes, des Furnier-Herstellungsprozesses und der physikalischen Eigenschaften des Holzes bzw. Furniers. Die Materialkennwertermittlung erfolgte in einem dafür entwickelten Versuchsaufbau mit einem integrierten digitalen Bildkorrelationsmesssystem zur dreidimensionalen Verformungsmessung und einem Prüfmodul. Eine teilautomatisierte Steuerung des Prüfablaufes der einzelnen Zugversuche ermöglichte einen reproduzierbaren Ablauf der insgesamt 1500 Experimente. Diese wurden für 5 Klimaeinstellungen und 5 Winkellagen für die Bezugsebenen 12-E und 13-E durchgeführt (insgesamt 50 Prüfserien). Nach Aufbereitung der Messergebnisse und der abgeleiteten Materialkennwerte mittels der deskriptiven Statistik wurde mit der induktiven Statistik auf die Gesamtheit geschlossen. Auf Grundlage von Signifikanztests wurden die Materialkennwerte der einzelnen Serien verglichen. Es erfolgte der Nachweis, dass die Materialkennwerte von der Bezugsebene und vom Klima abhängig sind. Die ermittelten Kennwerte zeigen außerdem, in welchem Maße diese von den Randbedingungen beeinflusst werden. Die Verifikation des Materialmodells ergab, dass das Materialverhalten von Furnier prinzipiell durch ein linear-elastisches orthotropes Materialmodell abgebildet werden kann. Durch Sensibilitätsstudien am Materialmodell wurden verschiedene Harmonisierungsstrategien für einen symmetrischen Nachgiebigkeitstensor beurteilt und Handlungsempfehlungen gegeben. An Hand eines FE-Modells wurden Robustheitsanalysen durchgeführt, in denen die wesentlichen Einflussgrößen und die Dispersionen der Ergebnisgrößen ermittelt und mit den experimentellen Daten verglichen wurden.



Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena
Electrical properties estimation of conductive silicone rubber for tactile sensing structure. - In: Sensor review, ISSN 1758-6828, Bd. 33 (2013), 2, S. 114-124

http://dx.doi.org/10.1108/02602281311299653
Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Volkova, Tatiana; Minchenya, Vladimir T.
An amphibious vibration-driven microrobot with a piezoelectric actuator. - In: Regular and chaotic dynamics, ISSN 1468-4845, Bd. 18 (2013), 1/2, S. 63-74

This article concerns microrobots for solid and liquid evironments. A short overview of microrobotics, suitable actuators and energy systems is given. The principles of terrestrial and aquatic locomotion are discussed and illustrated with examples from the literature on robotics. The state of the art with a focus on piezo microrobots for solid and liquid environments is presented. Furthermore, we report an amphibious prototype, which can move on flat solid ground and on the free surface of water. The design, characteristic parameters and experiments on locomotion are described. The robot is characterized by light and simple design and can perform two-dimensional locomotion in different environments with a speed up to 30 mm/s. An analytical model to predict the maximum carrying capacity of the robot on water is solved numerically.



http://dx.doi.org/10.1134/S1560354713010048
Petkoviâc, Dalibor; Zentner, Lena; Issa, Mirna
Passively compliant robotic joint with embedded sensors : design and control
1. Aufl.. - Saarbrücken : LAP Lambert Acad. Publ., 2013. - Online-Ressource (Online-Ressource) ISBN 3659360740 = 978-3-659-36074-9
Lizenzpflichtig

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:101:1-201303087414
Witte, Hartmut; Carl, Kathrin; Voges, Danja; Schilling, Cornelius; Zimmermann, Klaus; Loepelmann, Peter; Schmitz, Antonia; Behn, Carsten
Zur funktionellen Morphologie mystacialer Vibrissen bei Rattus norvegicus. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2013), S. 358-364

Fremerey, Max; Feierabend, Martin; Griebel, Stefan; Witte, Hartmut; Zentner, Lena
A decubitus preventing adaptive mat inspired by snail tentacles. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2013), S. 212-217

Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Control of chains of mass points in a frictional environment. - In: IUTAM Symposium on Nonlinear Dynamics for Advanced Technologies and Engineering Design, (2013), S. 421-433

Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad; Zentner, Lena
Application of the TRIZ creativity enhancement approach to design of passively compliant robotic joint. - In: The international journal of advanced manufacturing technology, ISSN 1433-3015, Bd. 67 (2013), 1/4, S. 865-875

The essence of the conceptual design is getting the innovative projects or ideas to promise the products with best performance. It has been proved that the theory of inventive problem solution (TRIZ) is a systematic methodology for innovation. The design of a passively compliant robotic joint as an engineering example is illuminated in this paper to show the significance and approaches of applying TRIZ into getting the creative conceptual design ideas. In the robotic joints with passively compliance, the joints are composed of mechanical components such as springs and dampers as internal elements, which absorb the excessive collision force. Passive compliant joints with springs and dampers ensure a smooth contact with the surroundings, especially if robots are in contact with humans, but the passive compliant joints cannot determine precisely the position of the members of the joint or direction of the collision force. The main aim of this work is to show a systematic methodology for innovation as an effective procedure to enhance the capability of developing innovative passive compliant robotic joint and to overcome the main design problems. The TRIZ method will be utilized in order to eliminate the technical contradictions which appear in the passively compliant robotic joint.



https://doi.org/10.1007/s00170-012-4530-4
Uhlig, Robert Peter;
Identification of material defects in metallic materials using Lorentz force eddy current testing : fundamentals, metrological implementation and verification, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: VII, 129 S., 18,71 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
Parallel als Druckausg. erschienen

Der Einsatz von metallischen Werkstoffen ist in Industrie und Baugewerbe von enormer Bedeutung. Die immer stärkere Ausnutzung bis zur Grenze der Belastbarkeit eines Materials macht eine genaue Untersuchung des eingesetzten Metalls erforderlich. Um sicherzustellen, dass ein Bauteil fehlerfrei ist und den geforderten Belastungen standhalten wird, ist meist eine 100%ige Überprüfung notwendig. Dazu steht eine Auswahl an zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren zur Verfügung. Die Anwendbarkeit ist oft begrenzt oder kostspielig. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Beschreibung des zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahrens mit dem Namen "Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" und dem experimentellen Funktionsnachweis. Das kontaktlose Messverfahren wurde vor Kurzem an der Technischen Universität Ilmenau erfunden und im Rahmen des Graduiertenkollegs 1567 weiterentwickelt. Diese Arbeit fasst die Ergebnisse der Grundlagenforschung im Bereich experimenteller zerstörungsfreier Werkstoffprüfung mittels Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung zusammen, ohne den Anspruch zu erheben, unmittelbar industrielle Anwendungen zu ermöglichen. Das Verfahren "Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" bietet durch die Nutzung von magnetischen Gleichfeldern höhere Eindringtiefen als klassische Wirbelstrommessverfahren unter gleichen Einsatzbedingungen, die magnetische Wechselfelder einsetzen. Dies ermöglicht die Detektion von tiefliegenden Defekten innerhalb eines elektrisch leitfähigen nichtferromagnetischen Werkstoffes. Es wird gezeigt, wie Defekte sicher mit der Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung erkannt werden (Detektion), wo sie sich befinden (Lokalisation) und bereitet mit der Beschreibung des direkten Problems die Rekonstruktion vor (inverses Problem). Zur Beschreibung des direkten Problems ist es notwendig, zunächst das Verhalten eines bewegten Festkörpers ohne Defekt in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld zu beschreiben. Die Einführung eines relativ simplen Prototypmodels soll Grenzen des Verfahrens aufzeigen und gleichzeitig die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten erklären. Als Funktionsnachweis werden experimentelle Daten für künstliche Defekte vorgestellt. Eine Beschreibung der Grenzen des Messverfahrens und eine Analyse des Messsignals werden am genutzten Versuchsaufbau durchgeführt und Vorschläge zur Erweiterung des Messbereichs gegeben.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=21716
Haueisen, Jens; Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Zentner, Lena; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zanow, Frank
Dry electrodes for electroencephalography. - In: Neurophysiologie clinique, ISSN 1769-7131, Bd. 43 (2013), 1, S. 76-77

http://dx.doi.org/10.1016/j.neucli.2012.11.028
Becker, Felix; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
An approach to the dynamics of a vibration-driven robot. - In: Romansy 19 - robot design, dynamics and control, ISBN 978-3-7091-1378-3, (2013), S. 299-306

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Pivovarov, Mikhail
Dynamics of two interconnected mass points in a resistive medium. - In: Differential equations and dynamical systems, ISSN 0974-6870, Bd. 21 (2013), 1/2, S. 21-28

The problem of motion of two interconnected points in a resistive medium under periodic change of distance between them is considered. It is shown that a necessary condition for the locomotion (displacement of the center of mass) is the nonlinear law of resistance (dry or nonlinear viscous friction). If the mass points are identical, any periodic control law leads to a displacement of the center of mass only in the presence of anisotropic (asymmetrical) friction. If there are different masses, motion is possible also with isotropic friction law under the action of a periodic control law. In the paper such special laws for the control of the velocity and the direction of motion are presented. The friction is assumed to be small and the investigations are based on the method of averaging. By means of this method analytical dependence of the velocity of motion is obtained.



http://dx.doi.org/10.1007/s12591-012-0116-8
Behn, Carsten;
Adaptive control of singularly perturbed worm-like locomotion systems. - In: Differential equations and dynamical systems, ISSN 0974-6870, Bd. 21 (2013), 1/2, S. 59-69

We consider a certain type of a worm-like locomotion system: a three mass point system. We assume that this worm is towing a payload, so the masses differ extremely, and we have to deal with a singularly perturbed system. The dynamics equations are coupled via a small parameter $\varepsilon$, which is typical for singularly perturbed systems. In order to apply simple adaptive feedback mechanisms (to approach desired properties of the worm motion) we have to guarantee the minimum-phase property (among others) of such systems. We show that such properties are preserved under singular perturbation. This is done within a general system class via construction of a normal form to gain deeper insight and to analyze such systems. We present the general case and apply the basic transformations to the worm equations. We point out that we are able to classify all required assumptions and properties by system qualities as, e.g., zeros of the reduced model or boundary-layer system. This is in contrast to other authors.



http://dx.doi.org/10.1007/s12591-012-0123-9
Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena
Intelligent rotational direction control of passive robotic joint with embedded sensors. - In: Expert systems with applications, Bd. 40 (2013), 4, S. 1265-1273

Passive compliant joints with springs and dampers ensure a smooth contact with the surroundings, especially if robots are in contact with humans, but the passive compliant joints cannot determine precisely the position of the members of the joint or direction of the collision force. In this paper was proposed the structure of a passive compliant robotic joint with conductive silicone rubber elements as internal embedded sensors. The sensors can operate as absorbers of excessive external collision force instead of springs and dampers and can be used for some measurements. Therefore, this joint presents one type of safe robotic mechanisms with an internally measuring system. The sensors were made by press-curing from carbon-black filled silicone rubber which is an electro active material. Various compression tests of the sensors were done. The main task of this study is to investigate the application of a control algorithm for detecting the direction of the robotic joint angular rotation when subjected to an external collision force. Soft computing methodology, adaptive neuro fuzzy inference strategy (ANFIS), was used for the controller development. The simulation results presented in this paper show the effectiveness of the developed method.



http://dx.doi.org/10.1016/j.eswa.2012.08.064
Behn, Carsten; Schwebke, Silvan; Steigenberger, Joachim
Generation and shift of gaits in biomorphic systems. - In: Proceedings, ISBN 978-954-20-0550-6, (2012), S. 94-100

Behn, Carsten;
Control of biomorphic systems with singular perturbations. - In: Proceedings, ISBN 978-954-20-0550-6, (2012), S. 87-93

Böhm, Valter; Jentzsch, Alexander; Kaufhold, Tobias; Schneider, Florian; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
An approach to locomotion systems based on 3D tensegrity structures with a minimal number of struts. - In: ROBOTIK 2012, (2012), S. 150-155

http://ieeexplore.ieee.org/document/6309498/
Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Minchenya, Vladimir T.; Volkova, Tatiana
Piezo-driven micro robots for different environments: prototypes and experiments. - In: ROBOTIK 2012, (2012), S. 41-45

We report recent efforts in the design and construction of micro robots for the two-dimensional locomotion in different environments. Amphibious robots are presented, which can perform locomotion on smooth terrain as well as on the free surface of liquids. The working principle of this kind of robots deploys forced vibration of continua, which are excited by a single piezoelectric actuator with frequencies in range of 0.1 - 100 kHz. The direction of motion can be controlled by the excitation frequency of the actuation element using resonance effects. A computational model and simulations are given to describe this dependency. The design and motion principle of prototypes are described and experimental results are given. Furthermore, the maximum mass of an amphibious robot is calculated for a set of parameters.



http://ieeexplore.ieee.org/document/6309478/
Bellair, Bernd; Dietzel, Andreas; Zimmermann, Martin; Raßbach, Hendrike; Zimmermann, Klaus
K opisaniju mechaničeskich svojstv fanery na baze modeli linejno-uprugogo ortotropnogo materiala :
A contribution to the description of the mechanical behaviour of veneer using a linear-elastic orthotropic material model. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2012), No. 4(49), Seite 11-21

Stepanenko, Dmitry A.; Minchenya, Vitaly V.; Zimmermann, Klaus; Asimov, R. M.; Minchenya, Vladimir T.
Modelling of non-contact ultrasonic motor by means of boundary element method. - In: IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2012, ISBN 978-1-4673-4561-3, (2012), S. 2722-2725

http://dx.doi.org/10.1109/ULTSYM.2012.0682
Nesic, Nicola; Uhlig, René; Risto, Uwe; Zentner, Lena
Development of hybrid layered structures consisting of silicone and metal and their static tensile behavior. - In: Proceedings, ISBN 978-86-86115-09-6, (2012), S. 253-256

Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Gait generation and adaptive control in artificial worm dynamics. - In: The 2nd Joint International Conference on Multibody System Dynamics, IMSD, (2012), S. 337-338

Bolotnik, Nikolai N.; Černous&softcy;ko, Feliks Leonidovič; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Control of motion of limbless one-dimensional locomotion systems in a resistive medium. - In: The 2nd Joint International Conference on Multibody System Dynamics, IMSD, (2012), S. 327-328

Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Comparison of dry and conventional electrode concepts for electroencephalography. - In: World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, 2012, TH.13/01.2-5, A11921, insges. 2 S.

Pivovarov, Michail;
On the probability of the outcomes in buckling of an elastic beam. - In: Regular and chaotic dynamics, ISSN 1468-4845, Bd. 17 (2012), 6, S. 506-511

http://dx.doi.org/10.1134/S1560354712060032
Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Design of a miniaturized locomotion system with variable mechanical compliance based on amoeboid movement. - In: 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), 2012, ISBN 978-1-4577-1199-2, (2012), S. 1060-1065

This paper describes a novel biologically inspired locomotion system. The main advantages of amoeboid movement are implemented in a magnetically actuated compliant vibration driven system. The locomotion of the system is based on the periodic deformation of an elastomeric structure including segments with reversible variable mechanical compliance. The movement direction is defined by an asymmetric configuration of the elastomeric structure induced by segments with differing mechanical compliance. The working principle of the system is discussed with the help of modal and transient dynamic analyses. Based on the numerical simulations, two prototypes are developed and verified with experimental tests.



http://dx.doi.org/10.1109/BioRob.2012.6290779
Fiedler, Patrique; Biller, Sebastian; Griebel, Stefan; Haueisen, Jens
Impedance pneumography using textile electrodes. - In: Annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012, (2012), S. 1606-1609

http://dx.doi.org/10.1109/EMBC.2012.6346252
Feierabend, Martin; Fremerey, Max; Griebel, Stefan; Witte, Hartmut; Zentner, Lena
Adaptives Gewebe mit druckgesteuerter Steifigkeit. - In: WUNDmanagement, ISSN 1864-1121, Bd. 8 (2012), 5, S. 208-210

Zentner, Lena; Böhm, Valter
On the mechanical compliance of technical systems. - In: Mechanical engineering, ISBN 978-953-51-0505-3, (2012), S. 341-352

In the safe physical human-machine interaction the compliance of technical systems is an elementary requirement. The physical compliance of technical systems can be provided either by control functions implementation and/or intrinsic by structural configuration and material properties optimization. The latter is advantageous because of higher reliability as well as general simplicity of the design and production technologies. In the paper we focus on mechanical systems with intrinsic mechanical compliance. In general the deformability of structures is primarly characterised by their stiffness. Compliant mechanisms are mechanisms, whose functionality is based on its deformability. The goal of each engineer is by the design of mechanisms the setting of compliance depending upon the purpose of its application. It should be considered, that the compliance is dependent on a variety of parameters. The optimal design of these mechanisms can be realized only with precise knowledge of the influence parameters and possible types of compliance.



http://dx.doi.org/10.5772/26379
Feierabend, Martin; Griebel, Stefan; Zentner, Lena
Konzeptionierung und Konstruktion einer äquibiaxialen Zugvorrichtung. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 103-114

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031829
Griebel, Stefan; Fiedler, Patrique; Streng, Andrea; Haueisen, Jens; Zentner, Lena
Erzeugung von Schraubenbewegungen mittels nachgiebiger Aktuatoren. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 91-102

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031828
Griebel, Alexandra; Griebel, Stefan; Zentner, Lena
Richtungsabhängiger Berührungssensor zur Sensorisierung von nachgiebigen Mechanismen. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 79-90

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031827
Issa, Mirna; Zentner, Lena
Sensorelemente aus leitfähigem Silikon für einen nachgiebigen Greifer. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 65-78

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031825
Hartmann, Lars; Uhlig, René; Zentner, Lena
Analytische und messtechnische Untersuchungen zum Schwingungsverhalten von Zungenventilen in Membranverdichtern. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 45-54

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031823
Uhlig, René; Zentner, Lena
Ein Modell zur Dimensionierung nachgiebiger Elemente für den Einsatz in Gassicherheitsventilen. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 35-44

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031822
Linß, Sebastian; Milojeviâc, Andrija
Model-based design of flexure hinges for rectilinear guiding with compliant mechanisms in precision systems. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 13-24

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031820
Zentner, Lena;
Klassifikation nachgiebiger Mechanismen und Aktuatoren. - In: Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš, (2012), S. 3-12

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031818
Zentner, Lena
Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš : Technische Universität Ilmenau, 29.-31. August 2012. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2012. - 1 Online-Ressource (144 Seiten). - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik ; Band 1)Literaturangaben

In diesem Band sind Beiträge des Workshops "Mechanismentechnik in Ilmenau, Budapest und Niš 2012" zusammengestellt. Diese spiegeln gemeinsame Arbeiten der drei Universitäten - Technische Universität Ilmenau, Universität Budapest (Budapest University of Technology and Economics) und Universität Niš (University of Niš) - wider. Der Inhalt des Bandes ist in drei Abschnitte aufgeteilt. Im ersten Abschnitt handelt es sich um Beiträge über die Entwicklung und Untersuchung nachgiebiger Mechanismen mit Anwendung in der Ventiltechnik sowie Mechanismen mit stoffschlüssigen Gelenken für spezielle Anforderungen. Nachgiebige Sensoren und Aktuatoren für die Greifer- und Robotertechnik werden im zweiten Abschnitt vorgestellt. Abschließend wird die Problematik der Materialcharakterisierung und von neuen Simulationsmethoden nachgiebiger Mechanismen diskutiert.



https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00021221
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Pivovarov, Mikhail
Rectilinear motion of a two-mass point system in a resistive medium. - In: 23rd International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, 2012, SM16-030, insges. 2 S.

Fiedler, Patrique; Biller, Sebastian; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Griebel, Stefan; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Signal quality of titanium and titanium nitride coated dry polymer electrodes. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 57.2012, Suppl. 1, Track-E, S. 1083

https://doi.org/10.1515/bmt-2012-4409
Haueisen, Jens; Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Zentner, Lena; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zanow, Frank
Dry electrodes for electroencephalography: novel titanium based electrodes. - In: Proceedings of XX IMEKO World Congress, ISBN 978-89-950000-5-2, (2012), insges. 3 S.

Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Novel Ti/TiN dry electrodes and Ag/AgCl: a direct comparison in multichannel EEG. - In: 5th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering, (2012), S. 1011-1014

Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Zentner, Lena; âCojbašiâc, Žarko
Adaptive neuro fuzzy controller for adaptive compliant robotic gripper. - In: Expert systems with applications, Bd. 39 (2012), 18, S. 13295-13304

The requirement for new flexible adaptive grippers is the ability to detect and recognize objects in their environments. It is known that robotic manipulators are highly nonlinear systems, and an accurate mathematical model is difficult to obtain, thus making it difficult control using conventional techniques. Here, a novel design of an adaptive neuro fuzzy inference strategy (ANFIS) for controlling input displacement of a new adaptive compliant gripper is presented. This design of the gripper has embedded sensors as part of its structure. The use of embedded sensors in a robot gripper gives the control system the ability to control input displacement of the gripper and to recognize particular shapes of the grasping objects. Since the conventional control strategy is a very challenging task, fuzzy logic based controllers are considered as potential candidates for such an application. Fuzzy based controllers develop a control signal which yields on the firing of the rule base. The selection of the proper rule base depending on the situation can be achieved by using an ANFIS controller, which becomes an integrated method of approach for the control purposes. In the designed ANFIS scheme, neural network techniques are used to select a proper rule base, which is achieved using the back propagation algorithm. The simulation results presented in this paper show the effectiveness of the developed method.



http://dx.doi.org/10.1016/j.eswa.2012.05.072
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Kalmykov, Sergej A.; Turkov, Vladimir A.
Model of a thin rod with viscoelastic magnetizable material in the alternating magnetic field. - In: Solid state phenomena, ISSN 1662-9779, Bd. 190 (2012), S. 629-632

http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.190.629
Behn, Carsten; Loepelmann, Peter
Adaptive versus fuzzy control of uncertain mechanical systems. - In: International journal of applied mechanics, ISSN 1758-826X, Bd. 4.2012, 2, 1250019, insges. 28 S.

The motivation of this work is formed by the biological behavior of a receptor cell (sensory system). It is modeled as a spring-mass-damper oscillator with a spatial disturbance signal acting on the frame and an inner active element that generates a force acting on the mass. Both the system parameters and the excitation signal are supposed to be unknown. The goal is to achieve a predefined movement of the mass, such as tracking a set point trajectory or stabilization. Thus, a controller is required to act on the system using the control force as input in such a way that the desired behavior is generated. This is done by means of high-gain-stabilization. Like its biological paradigm, the receptor is in a permanent state of adaption. This means that recurring disturbances, such as wind acting on the vibrissa, are damped in order to achieve lambda-stabilization. To achieve this control goal and at the same time deal with unknown systems, adaptive controllers are introduced. These adaptive control strategies are compared with an adaptive fuzzy approach.



http://dx.doi.org/10.1142/S1758825112500196
Chigarev, Anatoli V.; Zimmermann, Klaus; Minchenya, Vladimir; Becker, Felix
Automatic stabilization of the translational motion of a microrobot. - Ilmenau : ilmedia. - Online-Ressource (PDF-Datei: 6 S., 301 KB)Publ. entstand im Rahmen der Veranst.: 56th IWK, International Scientific Colloquium, Ilmenau University of Technology, 12 - 16 September 2011 / Faculty of Mechanical Engineering, Ilmenau University of Technology

The analog motion control of a microrobot with feedback requires a more complicated structure due to the corresponding sensors, microprocessors and actuators. Application of the digital control system allows the use of a control algorithm, such as the autopilot, without feedback, which allows us to simplify the system. We consider the stabilization of the motion of the microrobot on a horizontal surface along the given motion trajectory. Minimization of the deviation angle of the robots axis from the tangent to the motion trajectory is a criterion for quality control and can be implemented by the digital device with a hysteresis characteristic.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2012200203
Lysenko, Victor; Zimmermann, Klaus; Chigarev, Anatoli V.; Becker, Felix
A mobile vibro-robot for locomotion through pipelines. - Ilmenau : ilmedia. - Online-Ressource (PDF-Datei: 4 S., 1,01 MB)Publ. entstand im Rahmen der Veranst.: 56th IWK, International Scientific Colloquium, Ilmenau University of Technology, 12 - 16 September 2011 / Faculty of Mechanical Engineering, Ilmenau University of Technology

The subject of our work is the creation of different designs of mobile robots for the movement through pipelines and similar technical systems. Using the transversal vibrations of an elastic bristle body, allows us to develop a new crawling vibro-robot. The motion is mainly realized by anisotropic friction forces. For the design process, we use the well-known construction principle of combination of alternative systems. It enables the transfer of structural characteristics (i.e. its kinematics) from one object to another, leading to new desirable characteristics or optimisations of existing technical objects. An analytical model of the motion of the bristles is presented.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2012200199
Stepanenko, Dmitry A.; Minchenya, Vladimir T.; Asimov, R. M.; Zimmermann, Klaus
Possibility of application of small-size robots with vibratory piezoelectric actuators for inspection of physical state of surfaces. - In: AIP conference proceedings, ISSN 1551-7616, Bd. 1433 (2012), S. 685-688

http://dx.doi.org/10.1063/1.3703275
Alt, Wolfgang; Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Lobutova, Elka; Resagk, Christian; Voges, Danja; Zimmermann, Klaus
Theoretical and experimental investigations of amoeboid movement and first steps of technical realisation. - In: Nature-inspired fluid mechanics, (2012), S. 3-23

Petkoviâc, Dalibor; Issa, Mirna; Pavloviâc, Nenad D.; Pavloviâc, Nenad T.; Zentner, Lena
Adaptive neuro-fuzzy estimation of conductive silicone rubber mechanical properties. - In: Expert systems with applications, Bd. 39 (2012), 10, S. 9477-9482

Conductive silicone rubber has great advantages for tactile sensing applications. The electrical behavior of the elastomeric material is rate-dependent and exhibit hysteresis upon cyclic loading. Several constitutive models were developed for mechanical simulation of this material upon loading and unloading. One of the successful approaches to model the time-dependent behavior of elastomers is Bergstrom-Boyce model. An adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) model will be established in this study to predict the stress-strain changing of conductive silicone rubber during compression tests. Various compression tests were performed on the produced specimens. An ANFIS is used to approximate correlation between measured features of the material and to predict its unknown future behavior for stress changing. ANFIS has unlimited approximation power to match any nonlinear functions well and to predict a chaotic time series.



http://dx.doi.org/10.1016/j.eswa.2012.02.111
Petkovic, Dalibor; Issa, Mirna; Pavlovic, Nenad D.; Zentner, Lena
Passively adaptive compliant gripper. - In: Applied mechanics and materials, ISSN 1662-7482, Bd. 162 (2012), S. 316-325

Gripping and holding of objects are key tasks for robotic manipulators. The development of universal grippers able to pick up unfamiliar objects of widely varying shapes and surfaces is a very challenging task. Passively compliant underactuated mechanisms are one way to obtain the gripper which could accommodate to any irregular and sensitive grasping objects. The purpose of the underactuation is to use the power of one actuator to drive the open and close motion of the gripper. The underactuation can morph shapes of the gripper to accommodate to different objects. As a result, they require less complex control algorithms. The fully compliant mechanism has multiple degrees of freedom and can be considered as an underactuated mechanism. This paper presents a new design of the adaptive underactuated compliant gripper with distributed compliance and embedded sensors in the gripper structure. The adaptive gripper surfaces will have the sensing capability by these embedded sensors. The gripper will be made of a silicone rubber and conductive silicone rubber will be used for the embedded sensors. The main points of this paper are in explanation of the construction and production of the gripper structure and showing the methodology of a new sensing capability of the gripper.



http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.162.316
Reichert, Frank; Zentner, Lena
Modellierung und Simulation eines Federspeicher-Antriebssystems : Modelling and simulation of spring drive mechanism. - In: Konstruktion, ISSN 0373-3300, Bd. 64 (2012), 3, S. 67-73

In diesem Artikel wird der Ausschaltvorgang eines SF6-Selbstblasschalters mit Federspeicherantrieb betrachtet. Das dynamische Verhalten des Schaltmechanismus wird analytisch mithilfe der Lagrange-Theorie beschrieben. Dabei werden verallgemeinerte Kräfte, die aus den Strömungsvorgängen in der Unterbrechereinheit des betrachteten SF6-Selbstblasschalters resultieren, durch die Anwendung des CFD-Programms "Fluent" berücksichtigt. Die vorgestellte Integration analytischer und computergestützter Modellierungsmethoden erlaubt es, die komplexen Prozesse auf eine transparente und effektive Art zu simulieren. Die derartige Herangehensweise wird durch experimentelle Ergebnisse erfolgreich belegt. The paper deals with the switching-off process of SF6 self-blast breakers with spring drive mechanism. The dynamic behaviour of the drive mechanism is described analytically using the Lagrange equations. In doing so the generalized forces resulting from the flow processes inside the interrupter unit of the regarded SF6 self-blast breaker are considered by the utilization of the CFD program "Fluent". The presented integration of analytical and computer-aided modeling methods enables the simulation of the complex processes in a transparent and effective way. The described approach is verified by experimental results.



Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten;
Worm-like locomotion systems : an intermediate theoretical approach. - München : Oldenbourg, 2012. - XII, 195 S. ISBN 3-486-71304-3
Literaturverz. S. [187] - 190

The book in hand grew out of the authors' current research and their long-continued experience in teaching mathematics and mechanics. In a wide sense, it aims at mathematical modeling of mechanical objects and their exploitation. This is done in a bit unconventional way by concentrating on the special object class worm-like locomotion systems and in proceeding with no use of recent sophisticated mathematical tools which most likely cannot be handled by freshmen in engineering or mathematics. Nevertheless, this does not harm the stringent line the physical object to the analytical interpretation of the final mathematical model. The basic model spiked worm in a straight line enables the authors to come up with a fairly self-contained theory which then allows one to study effects of friction and control. The considered system class has its importance in practice (motion in narrow canals, e.g.), but this book is not with an orientation to design and application, the theory developed here should rather be seen as a contribution to bionics.



Voges, Danja; Carl, Kathrin; Klauer, Gertrud J.; Uhlig, René; Schilling, Cornelius; Behn, Carsten; Witte, Hartmut
Structural characterization of the whisker system of the rat. - In: IEEE sensors journal, ISSN 1558-1748, Bd. 12 (2012), 2, S. 332-339

https://doi.org/10.1109/JSEN.2011.2161464
Carl, Kathrin; Hild, Wolfram; Mämpel, Jörg; Schilling, Cornelius; Uhlig, René; Witte, Hartmut
Characterization of statical properties of rat's whisker system. - In: IEEE sensors journal, ISSN 1558-1748, Bd. 12 (2012), 2, S. 340-349

https://doi.org/10.1109/JSEN.2011.2114341
Haueisen, Jens; Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank
Multichannel-EEG measurements with dry electrodes. - In: Neurophysiologie clinique, ISSN 1769-7131, Bd. 42 (2012), 1/2, S. 63

http://dx.doi.org/10.1016/j.neucli.2011.11.032
Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Pelevina, Daria A.; Rozin, Alexander V.; Zimmermann, Klaus; Popp, Jana; Zeidis, Igor
Behavior of a free surface of a magnetic fluid containing a magnetizable cylinder. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 324 (2012), 6, S. 1253-1257

http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2011.11.029
Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Straight worms under adaptive control and friction - part 2: adaptive control. - In: IUTAM Symposium on Dynamics Modeling and Interaction Control in Virtual and Real Environments, (2011), S. 65-72

This is the second part of the contribution to the adaptive control of worm-systems, which are inspired by biological ideas. Part 1 is the basis for this part. We focus now on the adaptive control since one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system in general. Only structural properties (known type of actuator with unknown parameters) are known. Additionally, in a rough terrain, unknown or changing friction coefficients lead to uncertain systems, too. The consideration of uncertain systems leads us now to the use of adaptive control. We still assume that the worm-system contacts the ground via spikes and track gaits from the kinematical theory (preferred motion patterns to achieve movement) by means of adaptive controllers (lambda-trackers). Then we replace the worm-ground interaction by stiction combined with Coulomb sliding friction (modification of a Karnopp friction model) and point out the main differences for the worm-like locomotion.



https://doi.org/10.1007/978-94-007-1643-8_8
Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Straight worms under adaptive control and friction - part 1: modeling. - In: IUTAM Symposium on Dynamics Modeling and Interaction Control in Virtual and Real Environments, (2011), S. 57-64

This paper is a contribution to the adaptive control of worm-systems, which are inspired by biological ideas, in two parts. We introduce a certain type of mathematical models of nite DOF worm-like locomotion systems: modeled as a chain of k interconnected (linked) point masses in a common straight line (a discrete straight worm). We assume that these systems contact the ground via 1) spikes in Part 1 and then 2) stiction combined with Coulomb sliding friction (modification of a Karnopp friction model) in Part 2. We sketch the corresponding theory. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, only structural properties (known type of actuator with unknown parameters) are known. Additionally, in a rough terrain, unknown or changing friction coefficients lead to uncertain systems, too. The consideration of uncertain systems leads to the use of adaptive control in Part 2 to control such systems. Gaits from the kinematical theory (preferred motion patterns to achieve movement) in Part 1 can be tracked by means of adaptive controllers (lambda-trackers) in Part 2. Simulations are aimed at the justification of theoretical results.



https://doi.org/10.1007/978-94-007-1643-8_7
Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
Adaptively controlled bio-inspired locomotion systems with friction. - In: Nonlinear dynamics and control, ISBN 978-83-7283-448-5, (2011), S. 81-88

Behn, Carsten;
Singular perturbation in worm-like locomotion systems and adaptive control. - In: Nonlinear dynamics and control, ISBN 978-83-7283-448-5, (2011), S. 73-80

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Motion of two interconnected mass points in a resistive medium. - In: Analytical/numerical methods, stability, bifurcation and chaos, ISBN 978-83-7283-447-8, (2011), S. 109-114

Taubmann, Peter; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Schorcht, Hans-Jürgen; Kletzin, Ulf
K opisaniju mechaniki vraščenija klapannoj pružiny v dvigateljach vnutrennego sgoranija v zavisimosti ot skorosti vraščenija raspredvala :
On the mechanics of valve spring rotation depending on the rotational speed of the camshaft. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2011), No. 4(45), Seite 25-36

Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Lysenko, Victor; Chigarev, Anatoly
Design of new mobile robot with using anisotropy of friction forces. - In: Priborostroenie-2011, ISBN 978-985-525816-3, (2011), S. 253-255

Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Minchenya, Vladimir; Chigarev, Anatoly
Micro-robot's legs dynamics in the controllable resonance mode. - In: Priborostroenie-2011, ISBN 978-985-525816-3, (2011), S. 250-253

Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
On adaptive control of singularly perturbed systems : a worm-like locomotion example. - In: Final program, 2011, Robotics and mechatronics, A12-335, S. 1-6
Literaturverz. S. 6

http://www.dmg-lib.org/dmglib/handler?docum=22445009
Linß, Sebastian; Erbe, Torsten; Zentner, Lena
On polynomial flexure hinges for increased deflection and an approach for simplified manufacturing. - In: Final program, 2011, Linkages and cams, A11-512, S. 1-9
Literaturverz. S. 9

This paper presents a model-based approach for designing flexure hinges with increased deflection. It will be shown, that the use of a polynomial function as notch contour allow increasing the hinge's compliance and the ratio of deflection to the maximum bending stress. This can be explained through analytical und numerical investigations and the comparison of polynomial contours with common notch shapes. Furthermore a possibility for simplification is presented which can help to facilitate mechanical manufacturing of these flexure hinges, based on the resulting polynomials. The advantages of using polynomial functions as hinge contours as well as the influence of the simplification is discussed with regard to the ratio of maximum bending stress to deflection.



http://www.dmg-lib.org/dmglib/handler?docum=22411009
Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan
Haubensystem für Brain-Computer-Interfaces. - In: Ingenieur-Nachrichten, (2011), 6, S. 7

Minchenya, Vladimir; Chigarev, Anatoly; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
Influence of the legs' geometry on the dynamics of a piezo-microrobot. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, ISBN 978-3-86360-001-3, (2011), S. 82

Issa, Mirna; Zentner, Lena; Petkovic, Dalibor; Pavlovic, Nenad D.
Embedded-sensing elements made of conductive silicone rubber for compliant robotic joint. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, ISBN 978-3-86360-001-3, (2011), S. 73

Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Böhm, Valter *1978-*;
Vibration-driven mobile robots based on magneto-sensitive elastomers. - In: IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2011, ISBN 978-1-4577-0838-1, (2011), S. 730-735

http://dx.doi.org/10.1109/AIM.2011.6027106
Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Minchenya, Vladimir; Lysenko, Victor; Chigarev, Anatoly
Inspection robots with piezo actuators: modeling, simulation and prototypes. - In: Pribory i metody izmerenij, ISSN 2220-9506, Bd. 2 (2011), 3, S. 20-26
Zsfassung in russ. Sprache S. 26

Zimmermann, Klaus;
Dynamical behavior of a mobile system with two degrees of freedom near the resonance. - In: Acta mechanica Sinica, ISSN 1614-3116, Bd. 27 (2011), 1, S. 7-17

http://dx.doi.org/10.1007/s10409-011-0403-6
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
The undulatory motion of a chain of particles in a resistive medium. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 91 (2011), 4, S. 259-275

http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201000112
Böhm, Valter; Buschbaum, Andreas; Greiser, Steffen; Lantzsch, Robin
Automatic landing detection of helicopters equipped with landing skid. - In: 67th American Helicopter Society International annual forum 2011, (2011), S. 655-667

Linß, Sebastian; Erbe, Torsten; Zentner, Lena
Design and simplified manufacturing of large-deflective flexure hinges based on polynomial contours. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 7 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19561
Linß, Sebastian; Griebel, Stefan; Kikova, Teodora; Zentner, Lena
Pneumatically driven compliant structures based on the multi-arc principle for the use in adaptive support devices. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 6 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19720
Schmitz, Tonia; Behn, Carsten
Analytical investigations and adaptive control of vibrissae-like sensor models with finite DoF. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 21 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19626
Schäfer, Micha; Schmitz, Tonia; Will, Christoph; Behn, Carsten
Transversal vibrations of beams with boundary damping in the context of animal vibrissae. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 29 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19629
Becker, Felix; Minchenya, Vladimir; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Modeling and dynamical simulation of vibration-driven robots. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 6 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19667
Schulke, Matthias; Hartmann, Lars; Behn, Carsten
Worm-like locomotion systems: development of drives and selective anisotropic friction structures. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 21 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19628
Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Yatsun, Sergey
Vibration driven robots. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 6 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19670
Loepelmann, Peter; Behn, Carsten
Various adaptive control strategies applied to a bio-inspired receptor model. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 19 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19627
Böhm, Valter; Jentzsch, Alexander; Kaufhold, Tobias; Schneider, Florian; Zimmermann, Klaus
An approach to compliant locomotion systems based on tensegrity structures. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 6 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19716
Linß, Sebastian; Erbe, Torsten; Theska, René; Zentner, Lena
The influence of asymmetric flexure hinges on the axis of rotation. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 10 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19562
Griebel, Alexandra; Griebel, Stefan; Gorbatenko, Nikolay; Zentner, Lena
Directional tactile sensor composed of conductive polymer for monolithic compliant mechanism. - In: Innovation in mechanical engineering - shaping the future, (2011), insges. 7 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=19687
Fiedler, Patrique; Pedrosa, Paulo; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Novel flexible dry PU/TiN-multipin electrodes: first application in EEG measurements. - In: 2011 Annual international conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, ISBN 978-1-4244-4122-8, (2011), S. 55-58

http://dx.doi.org/10.1109/IEMBS.2011.6089895
Popp, Jana; Böhm, Valter; Naletowa, Vera A.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Analytical solution of a peristaltic material transport of a magnetizable fluid. - In: Electro-rheological fluids and magneto-rheological suspensions, ISBN 978-981-4340-22-9, (2011), S. 492-498

In this contribution the effective material transport, i. e. the non-zero averaged flow, solely induced by a periodically perturbed free fluid surface, is analytically described and solved. As the fluid is magnetizable the source of the perturbance is a periodically alternating magnetic field. This represents the inverse problem of [1], where, starting from a known flow and surface distortion, the causative magnetic field is determind.



Popp, Jana; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Gärtner, Ralf
Motion of a ferrofluid in a periodic magnetic field due to surface deformation. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 11 (2011), 1, S. 665-666

http://dx.doi.org/10.1002/pamm.201110322
Linß, Sebastian; Zentner, Lena
Gestaltung von Festkörpergelenken für den gezielten Einsatz in ebenen nachgiebigen Mechanismen. - In: 9. Kolloquium Getriebetechnik, (2011), S. 291-311

Stoffschlüssige Biegegelenke mit konzentrierter Nachgiebigkeit ermöglichen eine gezielte Beeinflussung des Verformungsverhaltens von monolithischen nachgiebigen Mechanismen durch geometrische Gestaltung. In diesem Beitrag wird das Potenzial von prismatischen Festkörpergelenken mit verschiedenen polynomförmigen sowie vereinfachten Aussparungskonturen zur Verringerung des Spannungs-Auslenkungs-Verhältnisses exemplarisch aufgezeigt. Da diese Gelenke insbesondere im Bereich der Präzisionstechnik Anwendung finden, wird als zusätzliches Kriterium die Drehachsenverlagerung als ein Einflussfaktor auf die Positionierabweichung einer monolithischen Lenkergeradführung näher betrachtet.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-71264
Griebel, Stefan; Fiedler, Patrique; Klee, Sascha; Bessler, Patrick; Zentner, Lena; Haueisen, Jens
Novel concept of a dynamically adaptive EEG cap for dry electrodes. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 56.2011, Suppl. 1, J, insges. 1 S.

https://doi.org/10.1515/BMT.2011.807
Fiedler, Patrique; Strohmeier, Daniel; Griebel, Stefan; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
A novel, inexpensive electrode and cap system for dry multichannel EEG. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 56.2011, Suppl. 1, J, insges. 1 S.

https://doi.org/10.1515/BMT.2011.807
Behn, Carsten;
Adaptive control of straight worms without derivative measurement. - In: Multibody system dynamics, ISSN 1573-272X, Bd. 26 (2011), 3, S. 213-243

In this paper we consider an adaptive control problem of finite DoF worm-like locomotion systems (WLLS) which contact the ground with Coulomb dry friction. Using a rough mathematical friction law the system is shown to belong to a system class that allows adaptive control. Gaits from the kinematic theory can be tracked by means of adaptive controllers. For this we introduce two different adaptive controllers for [lambda]-tracking and focus on that one which is not based on the derivative of the output.We pay attention to the analysis of such systems and present some theoretical control investigations including proofs. Numerical simulations of tracking different reference signals under arbitrary choice of the system parameters demonstrate and illustrate that the introduced simple adaptive controllers work successfully and effectively. Current experiments are aimed at the justification of theoretical results.



http://dx.doi.org/10.1007/s11044-011-9250-2
Jödicke, Ralph;
Modellbildung und Simulation der großen Deformationen menschlicher Weichteile beim Sitzen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: 174 S., 2,70 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Enth. außerdem: Thesen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-Modell des menschlichen Weichteilgewebes entworfen, das den Anforderungen entspricht, die sich aus dem Entwurf ergonomischer Sitzsysteme ergeben. Das Modell des Weichteilgewebes wurde in das Menschmodell DYNAMICUS integriert und mit RAMSIS-Daten anthropometrisch parametrisiert. Dazu wurde das Mehrkörpersimulationswerkzeug alaska um eine nichtlineare FE-Schnittstelle erweitert. Auf der Grundlage von Messungen der Druckverteilungen und der Schwingungsübertragungen wurde ein transparentes Verfahren entworfen, um viskoelastische Materialparameter des menschlichen Körpers bei vernachlässigbarer gesundheitlicher Belastung durch Parameteroptimierung zu ermitteln. Das dazu verwendete Verfahren ist schlank und gut dokumentiert. Damit kann es auch für beliebige Haltungen und Probanden angewendet werden. Da bei diesem Verfahren statistische Parameter eine zentrale Rolle spielen, ist es roboust gegenüber Änderungen der Modellaufl ösung, der Modellierungstiefe und quantitativer Versuchsbedingungen. Zu diesen quantitativen Versuchsbedingungen gehören die Auflösung der Druckmessmatten, die Messzeit, die Amplitude der Anregung und die Abtastrate der Beschleunigungsmessungen. Für statische und dynamische Untersuchungen wurde in dieser Arbeit dasselbe Modell verwendet, das mit vertretbarem Aufwand anthropometrisch skalierbar ist. Dieses Modell ist damit einfacher und schneller anzuwenden als für ähnliche Anwendungen bereits vorliegende Lösungen.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18176
Behn, Carsten;
Adaptive control of vibrissae-like mechanical sensors. - In: Communications in nonlinear science and numerical simulation, ISSN 1007-5704, Bd. 16 (2011), 5, S. 2254-2264

This paper is a contribution to the modeling and the adaptive control of bio-inspired sensors which have the animal vibrissae as a paradigm. Mice and rats employ a sophisticated tactile sensory system to explore their environment in addition to their visual and auditory sense. Vibrissae in the mystical pad (region around the mouth) are used both passively to sense environmental influences (wind, objects) and actively to detect surface and object structures. Inspired by this particular version of tactile sense we consider the following three stages of a sensory system: perception, transduction and processing of information. We model this system in combining two existing mechanical models and obtain an uncertain nonlinear control system. An applied adaptive controller implements the ability of the animals to employ their vibrissae actively as well as passively. Numerical simulations show that the developed nonlinear model compensates noise signals and reacts strongly to sudden perturbations while guaranteeing a pre-specified control objective (working in active or passive mode).



http://dx.doi.org/10.1016/j.cnsns.2010.04.049
Fiedler, Patrique; Griebel, Stefan; Fonseca, Carlos; Vaz, Filipe; Zentner, Lena; Zanow, Frank; Haueisen, Jens
Ein integrierter Ansatz neuartiger, trockener Titan-Nitrid-Elektroden für Multikanal-EEG-Anwendungen. - In: Programm, ISBN 978-3-00-034073-4, (2011), S. 60-61

Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Gait generation considering dynamics for artificial segmented worms. - In: Robotics and autonomous systems, ISSN 1872-793X, Bd. 59 (2011), 7/8, S. 555-562

This paper deals with terrestrial worm-like locomotion systems living in a straight line. They are modeled as chains of mass points having ground interaction via spikes which make the velocities unidirectional. A method is presented to construct gaits with any desired time pattern of resting mass points (which are acted on by the propulsive forces). Taking the dynamics into consideration, conclusions about the choice and shift of gaits in connection with actuator data are given.



http://dx.doi.org/10.1016/j.robot.2011.04.002
Zentner, Lena; Böhm, Valter
An approach to compliant mechanisms with particular effects. - Ilmenau : ilmedia. - Online-Ressource (PDF-Datei: 3 S., 1,14 MB)Publ. entstand im Rahmen der Veranst.: The International Conference Mechanical Engineering in XXI Century, 25. - 26. November 2010, Niš, Serbia

This paper presents a classification of the deformation behaviour of compliant mechanisms to simplify their systematic construction. The described mechanisms with fluid drive exemplify special effects of presented systematic. Compared to conventional miniaturizable bending structures the mechanisms discussed in this paper have advantageous properties such as larger movement range, greater flexibility and less sensory effort. Typical applications of the discussed mechanisms are medicine technology and robotics for gripping or manipulating tasks.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18163
Zentner, Lena;
Mathematical synthesis of compliant mechanism as cochlear implant. - Ilmenau : ilmedia. - Online-Ressource (PDF-Datei: 4 S., 231,4 KB)CD-ROM-Ausg.: The First Workshop on Microactuators and Micromechanisms : MAMM 2010 ; [Aachen, Germany, May 27 - 29, 2010] ; CD-proceedings / RWTH Aachen, IGM Institut für Getriebetechnik & Maschinendynamik. - Aachen, 2010, 4 S.

Cochlear implants can be successfully used to reduce the inner ear profound deafness. The implant is inserted into the inner ear by the surgeon's hand. Because the cochlea has a spiral-like structure (cochlear duct), the insertion of the implant is often difficult, furthermore the basilar membrane could be easily damaged. One of the aims of our investigation is to develop a mathematical model based an synthesis method for implants with hydraulic actuation. This hydraulic actuation, which is integrated in the implant, facilitates the insertion of the implant structure to the shape of cochlear duct. Thus, the implant can follow the spiral-shaped cochlear duct without damaging the sensitive tissue of the basilar membrane. Some examples for hydraulic actuated cochlear implants based on compliant mechanisms technology are presented in this paper.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18162
Kikova, Teodora; Linß, Sebastian; Lutz, Irina; Böhm, Stephan; Witte, Hartmut; Zentner, Lena
Adaptives Antidekubitus-Lagerungsmodul. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2011), S. 266-272

Griebel, Stefan; Voges, Danja; Schilling, Cornelius; Haueisen, Jens; Zentner, Lena
Nachgiebiger Mechanismus sucht biologisch inspirierte Verbesserung. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2011), S. 222-227

In der klinischen Anwendung der Elektroenzephalographie (EEG) werden heutzutage als biomedizinische Sensoren Ag/AgCl Elektroden (vorwiegend 64 oder 128 Stück) verwendet. Diese werden über ein elektrisch leitfähiges Gel manuell mit der Kopfhaut in Verbindung gebracht und manuell ("statisch") positioniert. Dieser Prozess ist äußerst zeitaufwendig. Folglich ist eine umfassende Untersuchung und Erfassung der bioelektrischen Signale jüngerer, älterer und psychisch anfälliger Personen sowie in bestimmten klinischen Anwendungen, wie beispielsweise der Epilepsiediagnostik oder Diagnostik von Patienten im Koma, nur bedingt bzw. eingeschränkt durchführbar. Alle Versuche, technische Mechanismen (Schrauben, Federn, Magnete usw.) zum automatischen Annähern von Elektroden (oder Sensoren im Allgemeinen) zu nutzen, sind bisher fehlgeschlagen. Ziel der Forschungsarbeiten an der TU Ilmenau ist die Verwendung trockener Elektroden mit Hilfe eines biologisch inspirierten, "dynamischen" Positionierverfahrens. Bei der Verwendung dieser Elektroden entfällt der Einsatz von leitfähigen Substanzen. Dies erlaubt eine erhebliche Zeit- und somit Kostenersparnis. Die Herausforderung liegt hierbei auf der Aufrechthaltung einer möglichst konstant zu haltenden Mindestandruckkraft, der Ausrichtung der Elektrode gegenüber der Kopfoberfläche sowie das Durchdringen der Kopfbehaarung. Als eine erste konkrete Umsetzung des Verfahrens wurde basierend auf dem natürlichen Vorbild der Schneckenfühler ein funktionsfähiges Demonstrationsmodell, eine nachgiebige EEG Haube, realisiert. Das System besteht aus monolithischen Mechanismen mit fluidmechanischem Antrieb aus Silikon (Nachgiebiger Mechanismus), die netzartig miteinander verbunden sind und eine translatorische Bewegung mit dem Freiheitsgrad von eins durchführen. Der Aufbau ermöglicht theoretisch das Heranführen von über 150 trockenen Elektroden an den Kopf. Nachteilig bei dieser Bewegungsform ist das flächige Zusammendrücken der Haare unterhalb der Kontaktierfläche der Elektrode. Die derzeitige Weiterentwicklung verfolgt den Ansatz einer Bewegungsform mit dem Freiheitsgrad von zwei. Hierbei vollführt der einzelne Nachgiebige Mechanismus neben der Vorschubbewegung eine Teilrotation in Richtung des Vorschubes. Um die Struktur biologisch inspiriert zu verbessern, wurde ein Katalog zoologischer und botanischer Strukturen zusammengestellt, der in dem vorliegenden Beitrag präsentiert wird.



Griebel, Stefan; Fiedler, Patrique; Streng, Andrea; Haueisen, Jens; Zentner, Lena
Novel compliant mechanism with a screw motion for adduction of dry EEG electrodes :
Neuartiger nachgiebiger Mechanismus zur Platzierung trockener EEG-Elektroden über eine Schraubenbewegung. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 55.2010, Suppl. 1, M, S. 246-249

In the present study development, simulation, manufacturing, and first test of a novel compliant mechanism, for stable and reproducible adduction of dry EEG electrodes to the scalp, is described. The mechanism is performing a screw-like motion, enabling a sufficient interfusion of the hair layer and ensuring a direct contact between electrode and scalp. A model of the fluid-mechanically propelled mechanism was developed and parameterized. Based on simulations and addi-tional constraints, appropriate parameters were selected in order to allow for the desired motion. Six first demonstrators were produced using biocompatible silicone and a injection molding technique. These demonstrators were then com-pared to the simulations with respect to their functionality. At 650 mbar applied pressure deviations of +17% for the dis-placement and +6% for the rotation angle between simulation and demonstrators were determined. The intended mini-mum displacement of 3mm and minimum rotation angle of 45&ring; were achieved completely.



https://doi.org/10.1515/BMT.2010.713
Minchenia, Vladimir T.; Stepanenko, Dmitry A.; Zimmermann, Klaus; Bansevičius, R.; Bubulis, A.; Kundu, P.; Gishkeliuk, I. A.
Simulation of vibrational piezoelectric actuators of the micro-robot using the finite element method. - In: Journal of vibroengineering, ISSN 1392-8716, Bd. 12 (2010), 3, S. 314-319

Becker, Felix; Minchenya, Vladimir T.; Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
A new piezo-driven micro robot using forced vibration of continua. - In: Novye napravlenija razvitija priborostroenija, ISBN 978-985-525369-4, (2010), S. 91

Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
Modelling and simulation of a vibration-driven system for 2-dimensional locomotion with moveable internal masses. - In: Novye napravlenija razvitija priborostroenija, ISBN 978-985-525369-4, (2010), S. 90

Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Minchenya, Vladimir T.; Lysenko, Victor
Vibration driven robots - theoretical investigations, design and prototyp. - In: Priborostroenie-2010, ISBN 978-985-525-490-5, (2010), S. 135-137

Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
Experiments in adaptive control of uncertain mechanical systems. - In: International review of mechanical engineering, ISSN 1970-8734, Bd. 4 (2010), 7, S. 886-898

We consider mechanical systems, which are not known precisely. In detail we assume that the system parameters are unknown (lack of precise knowledge), moreover, we allow for uncertainties with respect to input and output, and to perturbations from the environment (ground excitations) as well. The consideration of such systems leads to the use of adaptive control. The aim is to design universal adaptive controllers, which achieve a pre-specified control objective. Almost all controllers existing in the literature offer the same drawback: (possibly unboundedly) monotonically increasing gain parameter. With respect to limited resources in applications it is necessary to design improved adaptation laws. We present simulations of several gain parameter models primarily in application to bio-inspired sensors.



Bojtos, Attila; Huba, Antal; Zentner, Lena; Risto, Uwe
Measuring of equibiaxial tension of rubber-like materials by optical method. - In: Materials science forum, ISSN 1662-9752, Bd. 659 (2010), S. 289-294

http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.659.289
Becker, Felix; Minchenya, Vladimir T.; Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Single piezo actuator driven micro robot for 2-dimensional locomotion. - In: The First Workshop on Microactuators and Micromechanisms, (2010), insges. 6 S.

We analyse two micro robots for 2-dimensional locomotion on a flat surface. Forced bending vibrations of continua are used by both systems which are excited by piezoelectric bending actuators. These vibrations are transformed by non classical legs to complex trajectories at the contact points between robot and environment. The locomotion direction of the system can be controlled by the excitation frequencies of the actuation element. Models are developed and investigated to describe important motion effects of the robots. Furthermore some experimental results are presented.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Böhm, Valter; Becker, Felix; Minchenya, Vladimir T.
K opisaniju mechaniki sistem, dvižuščichsja bez pomošči nog, analitičeskimi i čislennymi metodami :
An approach to the mechanics of non-pedal locomotion systems using analytical and computational methods. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2010), No. 4(41), S. 5-14

In the present paper non-classical ways of locomotion of the mechanical systems are considered. In the first part the locomotion of a chain of interconnected mass points in a straight line is analyzed. On each mass point acts a small non-symmetric Coulomb's dry friction. The magnitude of this force depends on the direction of motion. The distance between the neighboring mass points changes according to the harmonical law. With the help of the procedure of averaging the expression for the stationary velocity of the mass center of the chain "on average" is found. The dependences of the stationary velocity on the value of the asymmetry and on the number of mass points are obtained. In the second part the mechanical background of the two mobile robots based on smart materials is considered. One of the systems consists of a single symmetric ferroelastomer body and, additionally, six micro-coils. The locomotion of the system is caused by a periodic deformation (generated by integrated micro-coils) of a compliant magneto-sensitive body. The qualitative description of the mechanical system's performance was realized by a transient dynamical analyses using the software package ANSYS. Another system consists of three components: information system, power supply (accumulator) and vibration system. The vibration system is formed by a piezoelectric actuator bonded on a triangular plate. At the corners of the plate three "legs" are fixed. A Finite-Element-Model of the legs, the plate and the actuators was created in order to formulate statements about the influence of the excitation frequency on the trajectories of the endpoints of the legs. The results obtained by the numerical simulation are compared with the experimental data.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail
Motion of a chain of bodies in a resistive medium due to undulatory change in the system's configuration. - In: The 1st Joint International Conference on Multibody System Dynamics, ISBN 978-952-214-778-3, (2010), insges. 2 S.

The motion of a finite chain of identical bodies along a straight line in a resistive medium is studied. The motion is excited and controlled by changing the distances between the bodies of the chain. This model simulates limbless animals (for example, earthworms) that move due to redistribution of mass along their bodies. The longitudinal motion of such animals can be provided due to a wave of deformation running through the animal's body forward, from the head to the tail, or backward, from the tail to the head. This principle of motion can be used for some kind of mobile robots. An advantage of these robots against conventional mobile machines is that the worm-like robots do not need propelling devices such as wheels, legs or caterpillars, can be readily made hermetic, and do not involve protruding components, which enables them to be used for motion in "vulnerable" media. Such robots can be used for motion in narrow slots and tubes to produce various technical operations in these media. Mobile systems able to move in resistive media without special propelling devices due to the change in their configuration or the motion of internal masses were studied, for example, in [1]-[4].



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Böhm, Valter; Greiser, Steffen; Popp, Jana
Ferrofluid-based flow manipulation and locomotion systems. - In: Journal of intelligent material systems and structures, ISSN 1530-8138, Bd. 21 (2010), 16, S. 1559-1562

The article demonstrates some examples of locomotion systems with bifluidic flow control using ferrofluid. By controlling the change of shape, position, and pressure of the ferrofluid in a secondary low viscous fluid by magnetic fields locomotion of objects or the ferrofluid itself can be realized. The locomotion of an object is caused, in the first example, ba a ferrofluid generated flow of the secondary fluid and in the second and third case by the direct alteration of the ferrofluid position.



https://doi.org/10.1177%2F1045389X09354789
Greiser, Steffen; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Position control of magnetic beads by means of electromagnetic fields with respect to apodal locomotion systems. - In: International journal of applied electromagnetics and mechanics, ISSN 1875-8800, Bd. 34 (2010), 4, S. 225-235

Motivatd by the technical progress, electromagnetic action principles are more and more used in micro systems. It is well known that the discrete positioning of magnetic beads like ferrofluid droplets can be realised using an array of electromagnets whereat the position of the beads depends on the arrangment of the electromagnets. This paper refers to the analogous positioning of magnetic beads independent from the arrangement of the electromagnets. Therefore a control strategy was designed to position magnetic beads like ferrofluid droplets, ferrogels or ferroelastomers. The derived control law allows the definition of dynamic properties like time and damping constant. To achieve these properties, the controller is adjusted based on a model of the plan. This model regards the dynamical movement of the mentioned materials in electromagnetic fields and is characerised by simpliefied, nonlinear, ordinary differential equations. The theoretical results are verified by means of a basic assembly allowing the positioning of spherical ferroelastomers on macro scale. The measurments illustrate that the theroretically derived position controller meets the requirements of a predefined time and damping constant.



http://dx.doi.org/10.3233/JAE-2010-1313
Risto, Uwe; Uhlig, René; Zentner, Lena
Development of a pressure and thermally controlled valve by using FEM-simulation. - In: Full papers, (2010), insges. 6 S.

In solar heat installations, the by out gassing from the solar fluid emitted gases has to be dis-charged from the system in continuous periods to guarantee whose secure and efficient function. In line with this article the development of a novel valve by using FEM-simulation shall be illustrated, which allows a regular and complete stand-alone deairing of solar heat installations. The special feature of this innovation is that the valve does not need an external power supply and that there is no need for control electronic and sensor systems.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Behn, Carsten;
An approach to the dynamics and kinematical control of motion systems consisting of a chain of bodies. - In: ROMANSY 18 - robot design, dynamics and control, (2010), S. 457-464

Some theoretical investigations of the motion of a straight chain of mass points interconnected with kinematical constraints are considered. The ground contact can be described by dry (discontinuous) friction. The controls are assumed in the form of periodic functions with zero average, shifted on a phase on concerning each other. Thus, there is a spreading wave along the chain of point masses. In the case of small friction we derive a condition for the locomotion of the center of the mass with the help of an average method. It is shown that, using spedified control motion is possible not only in the case of isotropic friction, but also in the direction of the greater friction in the case of non-isotropic friction. The received theoretical results can be used for the development of mobile robots applying the principles of the motion outlined above.



Linß, Sebastian; Lutz, Irina; Unger, Volkmar; Kikova, Teodora; Witte, Hartmut; Zentner, Lena
Development of an adaptive support device for the prevention of bedsores. - In: Crossing borders within the ABC, (2010), S. 47-49

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=16905
Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
A contribution to the amoeboid locomotion of mobile robots. - In: Joint 41st International Symposium on Robotics and 6th German Conference on Robotics 2010 (ISR/ROBOTIK 2010), (2010), S. 1152-1157

Preuß, Roman;
Verfahren und Anlagenprototyp zur Herstellung dünnwandiger Hohlzylinder aus Silikonelastomer mit integrierten Fluidkammern und -kanälen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: XII, 198 S., 9,91 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Parallel als Druckausg. erschienen

Die minimal-invasive Chirurgie gewinnt innerhalb der invasiven Therapieverfahren weiterhin an Bedeutung, verspricht man sich davon doch eine schnellere Genesung des Patienten, verbunden mit einer Reduktion der finanziellen Aufwände für das Gesundheitssystem. Zu diesem Zweck werden Lokomotionssysteme benötigt, die sich aktiv in den natürlichen Körperhöhlen des Patienten fortbewegen können, um Arbeitskanäle und Operationswerkzeuge des Chirurgen von außen zum gewünschten Operationsfeld zu transportieren. Vollständig nachgiebige, miniaturisierte Systeme mit wurmartiger Fortbewegung sind dabei im Fokus der internationalen Entwicklungen. Eine wesentliche Limitation bei der Entwicklung und weiteren Miniaturisierung solcher Lokomotionssysteme besteht durch die verfügbaren Herstellverfahren. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Verfahren und einen Anlagenprototyp zur Herstellung dünnwandigen Hohlzylinders aus Elastomer vor, in deren Wandung im Rahmen des Verfahrens Fluidkammern und -kanäle integriert werden. Durch Befüllung der Miniaturfluidsysteme mit Fluid und Steuerung des ein- bzw. ausgepumpten Fluidvolumens, kann eine zielgerichtete Verformung der Kammern erzeugt werden. Durch Ausstattung des Hohlzylinder mit einer ganzen Reihe von Kammern und Kanälen soll so im Rahmen weiterer Entwicklungen eine peristaltische Sonde entstehen, die sich wurmartig im Wirbelkanal fortbewegen kann. Das vorgestellte Verfahren besteht aus den folgenden Schritten: 1. Auf einen Metallstab wird durch Tauchen (Dip-Coating) eine lösbare Trennschicht aus Photoresist aufgebracht. 2. Anschließend wird auf der Trennschicht und ebenfalls durch Tauchen eine erste, die innere Schicht aus Silikonelastomer erzeugt. 3. Diese Silikonschicht wird durch Aufsprühen (Spray-Coating) unter Nutzung spezieller Prozeßparameter mit Photoresist beschichtet, welches anschließend mittels Laser-Lithografie belichtet wird. 4. Nach dem Entwickeln, Spülen und Trocknen verbleiben auf der Oberfläche der Silikonschicht Resiststrukturen, die die späteren Fluidkammern und Zuläufe repräsentieren. 5. Diese Resiststrukturen sind Platzhalter für das innere, später mit Fluid gefüllte Volumen, wenn in einem weiteren Schritt erneut durch Tauchen die äußere Silikonelastomerschicht aufgebracht wird. In Anlehnung an die klassische Gießerei- und an die Mikrosystemtechnik können die Resiststrukturen auch als Opferstrukturen bezeichnet werden. 6. Anschließend wird der entstandene Silikonkörper mit entsprechenden Schlauchzuleitungen verbunden und über diese wird Lösungsmittel zugeführt, welches die Resiststrukturen auflöst. 7. Nach dem Spülen der Kammern und Zuläufe können diese mit dem Arbeitsfluid (z.B. sterile, isotonische Kochsalzlösung) befüllt werden.



http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000312
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Pivovarov, Michail; Behn, Carsten
Motion of two interconnected mass points under action of non-symmetric viscous friction. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 80 (2010), 11, S. 1317-1328

This paper deals with the analysis of a one-dimensional motion of two mass points in a resistive medium. The force of resistance is described by small non-symmetric viscous friction acting on each mass point. The magnitude of this force depends on the direction of motion. The mass points are interconnected with a kinematic constraint or with an elastic element. Using the averaging method the expressions for the stationary "on the average" velocity of the systems's motion as a single whole is found. In case of a small degree of non-symmetry an explicit expression for the stationary "on the average" velocity of the system is derived. For the other case we obtained algebraic equations for the corresponding stationary velocity.



http://dx.doi.org/10.1007/s00419-009-0373-3
Tröbs, Anita;
Ein Beitrag zur Mehrkörperdynamik-Simulation von Nanopositionier-und Nanomessmaschinen mittels spezifischer Modellelemente. - Ilmenau : ISLE, 2010. - 154 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2010

Gegenstand der Dissertationsschrift ist die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPMM) als mechatronisches System im Allgemeinen, sowie einer vertikalen Positioniereinheit und deren funktions- und präzisionsbestimmender Baugruppen im Speziellen. Dabei erfolgt die Dynamiksimulation mit Modellen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen. Minimalmodelle der NPMM dienen in Verbindung mit Asymptotischen Methoden dazu, analytische Lösungen zur Beschreibung des stationären Verhaltens zu entwickeln. Durch den Vergleich der analytischen Ausdrücke für die stationären Amplituden mit experimentell ermittelten Werten wird die Bestimmung von messtechnisch schwer zugänglichen Parametern der NPMM möglich. Komplexe mechatronische Modelle der gesamten NPMM basieren auf der Einbindung realitätsnaher spezifischer Teilmodelle in das Virtuelle Prototyping. Es wird das Verhalten von Kugelbuchsenführungen, Messspiegelecken (einschließlich ihrer Lagerung über Kugel-V-Nut-Paarungen), Gestellelementen und Antriebseinheiten aus Grob-Feintrieb-Kopplungen mit großer Modelltiefe erfasst und analytisch / numerisch untersucht. Für die Parameteridentifikation bei Präzisionsführungen kommt ein speziell entwickelter Reibungsprüfstand zum Einsatz, der die genaue Analyse von Haft-Gleit-Übergängen ermöglicht. Basierend auf grundlegenden Untersuchungen u.a. zu Reibungseinflüssen werden die Grenzen der Positionierung aus Sicht der Dynamik diskutiert. Der in dieser Arbeit gewonnene Kenntnisstand zur computergestützten Dynamiksimulation einer z-Achse kann auf mehrachsige Positioniersysteme erweitert werden. Die Modellierung der o.g. Baugruppen kann als Basis für den Aufbau einer umfassenden Modellbibliothek für das Virtuelle Prototyping dienen.



Husung, Stephan; Mikalauskas, Robertas; Weber, Christian; Kästner, Tobias
Modelling of sound propagation of technical systems for real-time VR-applications. - In: Mechanika, ISSN 1392-1207, 2010, Nr. 4(84), S. 33-37

Griebel, Stefan; Fiedler, Patrique; Streng, Andrea; Haueisen, Jens; Zentner, Lena
Medical sensor placement with a screw motion. - In: Actuator 10, (2010), S. 1047-1050

In order to use dry electrodes for Electroencephalography (EEG), a direct contact between electrode and scalp as well as a sufficient interfusion of the detaining layer of hair is necessary. The aim of the present development is a fluidic driven, compliant structure (actuator) of biomedical silicone, for positioning of one or more dry electrodes on the scalp while performing a screw motion. An analytic model was obtained for the geometrical parameterization of the structure and finite element method simulations were performed. The results of the parameter studies showed, that the number of rounded cones has no significant influence on the maximum relative rotation angle. The mean displacement along z direction is rising with increased number of rounded cones. Concurrently, the ratio of mean displacement and relative rotation angle increases as well. Smaller radii of the cones promote higher relative rotation angles at distinct pressure rates. For manufacturing of the structures good the transfer molding technique proved to be adequate. The motion behavior of the prototype showed good qualitative correlation with the simulation results.



Risto, Uwe; Uhlig, René; Zentner, Lena
Thermal controlled expansion actuator for valve applications. - In: Actuator 10, (2010), S. 947-950

In solar heat installations the by out gassing from the solar fluid emitted gases has to be discharged from the system in continuous periods to guarantee whose secure and efficient function. In line with this article the devel-opment of a novel expansion actuator for valve applications shall be illustrated, which allows a regular and complete stand - alone de - airing of solar heat installations. The special feature of this innovation is that the expansion actuator does not need an external power supply and that there is no need for control electronic and sensor systems.



Greiser, Steffen; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Actuation of magnetic beads due to analogous position control by means of electromagnetic fields. - In: Actuator 10, (2010), S. 685-688

This paper refers to the positioning of magnetic beads independent from the arrangement of the electromagnets used. To demonstrate the off-axis positioning of magnetic beads such as ferrofluid droplets, ferrogels or ferroelastomers a basic assembly consisting of two electromagnets, a laser sensor and a FPGA is used. The controller is designed by means of a model of the plant which is described by nonlinear ordinary differential equations. Finally, the parameters of the control law are adjusted due to results of system identification and the controller itself is implemented on the FPGA. The latter actuates each electromagnet based on the derived control strategy whereat the dynamics behaviour of the positioning is characterised by a user-defined time constant. Experimental investigations confirm that the desired dynamic behaviour can be achieved.



Jentzsch, Alexander; Böhm, Valter; Greiser, Steffen; Zentner, Lena
An approach to electromagnetic actuated compliant mechanisms. - In: Actuator 10, (2010), S. 681-684

Linß, Sebastian; Erbe, Torsten; Grinevich, Dmitry; Zentner, Lena
An approach on model-based shape optimization of compliant mechanisms. - In: Mechanika, (2010), S. 271-276

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Bolotnik, Nikolai N.; Jatsun, Sergey
Dynamics of mobile vibration-driven systems robots. - In: Proceedings of the 10th IFToMM International Symposium on Science of Mechanisms and Machines, ISBN 978-90-481-3521-9, (2010), S. 465-477
Richtiger Name des Verf.: Klaus Zimmermann

Design of mobile robots that can move without wheels or legs is an important engineering and technological problem. Self-propelling mechanisms that consist of a body that has contact with a rough surface and internal masses are considered. Asymmetry in friction that is necessary for the robot to move can be provided in several ways. First, the robot can be equipped with specific contact devises that provide anisotropy for the coefficient of friction, i. e., the coefficient of robot can be covered with needles. Second, this asymmetry can be provided for istropic friction by changing the normal pressure of the robot on supporting surface. A number of mathematical models of such systems are presented in the paper.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Behn, Carsten
Mechanics of terrestrial locomotion : with a focus on non-pedal motion systems. - Dordrecht : Springer, 2009. - XX, 289 Seiten ISBN 3-540-88840-3
Literaturverzeichnis: Seite 279-286

Zentner, Lena;
Nachgiebige Systeme. - In: 8. Kolloquium Getriebetechnik, (2009), S. 189-196

Im Beitrag wird eine Klassifikation mit praktischen Beispielen über das Verformungsverhalten nachgiebiger Mechanismen, die teilweise einen biomimetischen Hintergrund besitzen, gegeben.



Behn, Carsten;
Mechanical models and adaptive control of vibrissae-like sensors. - In: 10th Conference on Dynamical Systems - Theory and Applications, ISBN 978-83-929120-4-0, (2009), S. 703-710

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Dynamical behaviour of a mobile system with two degree of freedom near the resonance. - In: 10th Conference on Dynamical Systems - Theory and Applications, ISBN 978-83-929120-4-0, (2009), S. 589-596

Zimmermann, Klaus;
Übungsbuch Technische Mechanik
Unicopy Campus Ed.. - Ilmenau : Techn. Univ., 2009. - 207 S.
Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Zeidis, Igor; Popp, Jana
A new type of miniaturisable ferrofluid based locomotion system. - In: Sensor letters, ISSN 1546-1971, Bd. 7 (2009), 3, S. 351-355

The paper presents a ferrofluid based locomotion system. In the following the uniaxial translatory motion of a non-magnetic object situated on the ferrofluid surface is pointed out. To move the object due to the periodic change of the ferrofluid pressure, the system is enclosed by a locally fixed magnetic field.



http://dx.doi.org/10.1166/sl.2009.1055
Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Steigenberger, Joachim *1933-2021*; Zimmermann, Klaus;
Finite degree-of-freedom models for animal vibrissae. - In: Proceedings, ISBN 978-963-311-369-1, (2009), S. 2500-2505

The reception of vibrations is a special sense of touch, important for many insects and vertebrata. Tha latter realize this reception by means of hair-shaped vibrissae. Disregarding different types of such sensors we set up a principal mechanical model to describe their modes of operation (passive and active vibrissae). Biologically, the oxcillation excitations are transmitted to receptor cells which adjust their sensitivity in such a way that, despite a permanent exitation, the reseptor system tends to its rest position. Consequently, the model system has to allow for stabilizing control while nevertheless being able to detect superimposed solitary excitations. The controller has to be adaptive in view of both the randomness of the external signal to be suppressed and the uncertainty of the system data. The paper presents a mechanical model and an improved adaptive control strategy that avoids identification but renders the system sensitive in the above mentioned sense.



Husung, Isabel; Oberthür, Siegfried; Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus
Simulation von Antriebsschwingungen als Störgröße bei Präzisionsmaschinen. - In: Schwingungen in Antrieben 2009, (2009), S. 163-172

Der Sonderforschungsbereich 622 befasst sich mit der Grundlagenforschung zu Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Diese weisen auf Grund der angestrebten Genauigkeiten eine geringe Störungstoleranz auf. Extern und intern angeregte Schwingungen sind daher zu begrenzen. Im vorliegenden Beitrag wird die Untersuchung der tatsächlich vorliegenden Schwingungsangregungen und ihr Einfluss auf das dynamische Verhalten einer Verfahreinheit zur Positionierung in der x - y - Ebene beschrieben. Ein Werkzeug zur Auswahl geeigneter mechatronischer Systeme stellt dabei die Simulation des dynamischen Verhaltens dar. Die Simulationen dienen einerseits zur Identifikation auftretender Störgrößen, andererseits erlauben sie eine Beurteilung der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Begrenzung auftretender Schwingungsamplituden noch vor der zeit- und kostenintesiven Umsetzung.



Bayat, N.; Nethe, Arnim; Guldbakke, J. M.; Hesselbach, J.; Naletova, Vera A.; Stahlmann, H.-D.; Uhlmann, E.; Zimmermann, Klaus
Technical applications. - In: Colloidal magnetic fluids, (2009), S. 359-430

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Michail
Dynamics of a two-module vibration-driven system moving along a rough horizontal plane. - In: Multibody system dynamics, ISSN 1573-272X, Bd. 22 (2009), 2, S. 199-219, 221
Erratum S. 221

A rectilinear motion of a system of two bodies connected by a spring on a rough horizontal plan is studied. The motion of the system is excited by two identical unbalanced rotors based on the respective bodies. Major attention is given to the steady-state motion. A nearly-resonant excitation mode, when the angular velocities of the rotor are close to the natural frequency of the system, is considered. A set of algebraic equations for determining an approximate value of the average steady-state velocity of the entire system is obtained for the case of small friction. It is shown that control of the steady-state motion can be provided by changing the phase shift between the rotations of the rotors and the signt of the resonant detuning measured by the difference between the angular velocity of the rotors and the matural frequency of the system. By varying the phase shift one can control the magnitude of the average velocity, and varying the detuning enables one to change the direction of the motion.



http://dx.doi.org/10.1007/s11044-009-9158-2
Gerlach, Erik; Husung, Isabel; Oberthür, Siegfried; Tröbs, Anita; Zimmermann, Klaus
Untersuchung der Dynamik von Präzisionsmaschinen mittels Mehrkörpersystem-Simulation. - In: Tagungsband, (2009), S. 175-180

Mittels der Kopplung der Simulationstools alaska 5 (Mechanik) und MATLAB/Simulink (Antriebe und Regelung) kann ein mechatronisches Gesamtmodell der NPM-Maschinen erstellt werden, welches für die Analyse der Dynamik genutzt wird. Im Beitrag werden die Modellierung des gesamten mechatronischen Systems aufgezeigt und wichtige Ergebnisse aus den Simulationsberechnungen vorgestellt. Dies betrifft neben der konstruktiven Gestaltung des Positioniersystems auch die Bewegungsplanung. Diese Erkenntnisse lassen sich auf die Simulation von Präzisionsmaschinen übertragen.



Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Zimmermann, Klaus
Adaptively controlled worm-like locomotion systems: spikes vs. friction. - In: Multibody dynamics 2009, ISBN 978-83-7207-813-1, (2009), insges. 19 S.

In this paper we introduce a certain type of mathematical models of finite DOF worm-like locomotion systems. We assume that these systems contact the ground via 1) spikes and 2) stiction combined with Coulomb sliding friction. We sketch the corresponding theory. Gaits from this theory can be tracked by means of adaptive controllers. Simulations are aimed at the justification of theoretical results.



Venhaus, Martin; Behn, Carsten; Freitag, Lutz; Zimmermann, Klaus
Simulationen und Experimente zur Ballondilatation von Atemwegstenosen :
Simulations and experiments of the balloon dilatation of airway stenoses. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 54 (2009), 4, S. 187-195

This articel investigates the mechanics of balloon dilatation in the treatment of bronchotracheal stenosis. The "scar stricture"-type stenosis examined in this paper is typically dilated manually, using a dilatation balloon. If indicated, this is followed by stent implantation. The selection of the stent with proper characteristics is performed empirically, based on personal experience and preference. In order to optimize the therapeutic outcome, however, it is necessary to match the stent with the stress-strain properties of the stenosis, which are not determined during manual ballon dilatation.



https://doi.org/10.1515/BMT.2009.022
Jahn, Michael;
Ein Beitrag zur Entwicklung kooperierender mobiler Roboter - konstruktives Design und Steuerungsentwurf, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 90 S., 8176 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
Parallel als Druckausg. erschienen

In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Die erreichte Kompaktheit und das notwendige Masse-Leistungs-Verhältnis des Roboters beruhen im Wesentlichen auf der orthogonalen Achskonfiguration. Spezielle Material- und Strukturlösungen für Leichtbau und Bauraumnutzung finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Im Einsatz sind omnidirektionale Räder mit solider Rundlauf-, Traktions- und Stabilitätseigenschaft. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit in verstärktem Maße durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die weiterentwickelte Mastersoftware XBase verbindet eine modifizierten Bildverarbeitung zur Detektierung der Roboter und eine anwenderfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem Instrument zur Roboterkoordinierung. Stabile Bildraten und geringer Berechnungsaufwand werden durch die Verwendung einer Look-Up-Tabelle zur Maximum-Likelihood-Farbklassifizierung, Bildsegmentierung mit Zeilenkoinzidenzverfahren und ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit verschiedenen Formationsvarianten zur koordinierten Kontrolle einer Robotergruppe gefunden. Das Modell gestattet durch individuelle Freigabe von Freiheitsgraden einen Übergang vom starren zum flexiblen Verband. Anhand der Beispielformationen Block, Reihe und Rotte ist die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit dargestellt. Das System XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=13700
Griebel, Stefan; Böhm, Valter; Erbe, Torsten; Zentner, Lena
Vom Schneckententakel zum nachgiebigen Aktuator. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2009), S. 247-252

Einleitung - Ein Blick in die Natur führte zu der Entwicklung eines neuen nachgiebigen, pneumatisch angetriebenen Aktuators. Hierfür wurde die Bewegung der Tentakel von der Weinbergschnecke (helix pomatia L.) untersucht und die Vorteile der biologischen Struktur analysiert. Auffällig ist der enorme teleskopartige Hub der Tentakel bei gleichzeitig geringem Durchmesser. Des Weiteren sind unter anderem der Schutz der empfindlichen Sinneszellen am Ende der Tentakel sowie eine planare Oberfläche im eingezogen Zustand der Tentakel zu nennen. Die Schnecke als Ganzes kann hierbei als ein geschlossenes fluidisches System betrachtet werden. Material und Methoden - Als erstes wurde vom biologischen Objekt ein einfaches geometrisches Parametermodell abgeleitet. Danach wurde die Finite Elemente Methode angewendet, (Ansys ®) mit der die Verschiebung des Strukturzentrums (Hub) in Abhängigkeit der aufgebrachten inneren Druckbelastung untersucht wurde. Als Material wurde Silikongummi (Elastosil ®) verwendet, welches innerhalb der Simulation mit Hilfe des hyperelastischen Materialgesetzes von Yeoh (3. Ordnung) abgebildet wurde. Die Silikonparameter wurden über uniaxiale Zugversuche ermittelt. Ergebnisse und Diskussion - Bei Variierung der geometrischen Modellparameter ist es möglich, kontinuierliche Bewegungsbahnen des Strukturzentrums oder Bewegungen mit einem oder mehreren (gestuften) Durchschlagphänomenen zu erzeugen. Hierbei ist mono- oder bistabiles Verhalten möglich. Zum Einstellen der Bewegung des Strukturzentrums wird das geometrische Verhältnis zwischen Radius und Dicke herangezogen. Anschließend wurden verschiedene Demonstratoren gefertigt, deren Bewegungsbahnen experimentell untersucht wurden. Der Vergleich der simulierten Bewegungsbahndaten mit den Daten der realen Struktur führte zu guter qualitativer und einer akzeptablen quantitativen Übereinstimmung. Zusammenfassung - Der entwickelte nachgiebige Mechanismus hat ein viel versprechendes Potential bei der Sensorpositionierung. Weitere Anwendungen in der Medizintechnik erwachsen aus der Verwendung von nachgiebigen und zugleich biokompatiblen Materialen.



Zentner, Lena; Böhm, Valter
On the Classification of Compliant Mechanisms. - In: Proceedings of the EUCOMES 08, (2009), S. 431-438

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Böhm, Valter; Popp, Jana
A contribution about ferrofluid based flow manipulation and locomotion systems. - In: 11th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, (2009), 1, S. 012116, insges. 4 S.

With the background of developing apedal bionic inspired locomotion systems for future application fields like autonomous (swarm) robots, medical engineering and inspection systems, this article presents a selection of locomotion systems with bifluidic flow control using secondary low viscous fluid by magnetic fields locomotion of objects or the ferrolfuid itself can be realised. The locomotion of an object is caused in the first example by a ferrofluid generated flow of the secondary fluid and in the second and third case by the direct alteration of the ferrofluid position.



http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/149/1/012116
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir; Böhm, Valter; Popp, Jana
Locomotion based on nonlinear magneto-elastic elements. - In: 11th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, (2009), 1, S. 012100, insges. 4 S.

In this paper we discuss an approximately steady motion of two equal mass points, connected by an non linear magneto-elastic element. It is supposed that the system moves along a straight line in the presence of internal excitaiton and non symmetric Coulomb dry frictional force acting from the surface upon each mass point opposite to the direction of motion. Thereby, the magnitude of this force is also dependent on the direction of motion. Excitation is carried out due to action internal harmonic forces. Such forces arise for a spring made of a magnetziable elastic material by the influence of an external magnetic field.



http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/149/1/012100
Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
Improved adaptive controllers for sensory systems - first attempts. - In: Modeling, simulation and control of nonlinear engineering dynamical systems, (2009), S. 163-178

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Pivovarov, Mikhail
Motion of a chain of three point masses on a rough plane under kinematical constraints. - In: Modeling, simulation and control of nonlinear engineering dynamical systems, (2009), S. 61-70

Zentner, Lena; Böhm, Valter; Minchenya, Vitaly
On the new reversal effect in monolithic compliant bending mechanisms with fluid driven actuators. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 44 (2009), 5, S. 1009-1018

This paper presents a reversal effect which is a particular deformation effect of compliant monolithic fluid driven actuators. Compared to conventional miniaturizable bending structures the mechanisms discussed in this paper have several properties such as larger movement range, greater flexibility and less sensory effort. Typical applications of the discussed mechanisms with novel reversal effect are gripping and manipulating tasks in robotics. This paper is mainly focused on the analytical and numerical investigations together with experimental verification describing the reversal effect of the considered mechanisms.



http://dx.doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2008.05.014
Griebel, Stefan; Zentner, Lena; Böhm, Valter; Haueisen, Jens
Sensor placement with a telescoping compliant mechanism. - In: 4th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering, (2009), S. 1987-1989

Kolev, Emil; Chirikov, Viktor Alexeevich; Zimmermann, Klaus
Issledovanie lokomocii gibkogo červja na osnove reducirovannoj modeli :
Analysis of a flexible worm locomotion based on a reduced method. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2008), No. 3(32), Seite 16-22
Richtiger Name des 1. Verfassers: Emil Kolev

Zimmermann, Klaus;
Mobile robots based on vibrational systems and dry friction. - In: Robot design, dynamics, and control, (2008), S. 51-59

The paper deals with non-classical locomotion systems. In the first part the motion of a chain of interconnected mass points in a straight line placed on a rough surface and connected by kinematical constraints is considered. It is supposed that the system experience small non-symmetric Coulomb dry friction acting on each mass point. The magnitude of this force depends on the direction of motion. The expression for the stationary "on the average" velocity of the motion of the system as a single wohole is found. In the second part the motion of two mass points connected by a linear spring when the coefficient of friction does not depend on the direction of motion is discussed. The drive system consists of two unbalanced rotors. Due to the change of normal force in dependence on time non-symmetry of friction is present. It is shown, that the change of the direction of motion is possible without changing the direction of rotation of the rotors.



Lysenko, Viktor; Zimmermann, Klaus; Ahranovich, Alexandr
Method for designing new technical systems based on a transparent morphological cube with the use of the tree-like classifications. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), S. 4
. - Online-Ressource (PDF-Datei: 280,1 KB)
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18302
Weiß, Mathias; Zimmermann, Klaus; Braunschweig, Marion; Walkling, Hans-Peter; Jahn, Michael; Lerm, Steffen
RoboCup-Player "LUKAS" - an object of interdisciplinary research and a benchmark problem in mechatronics. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18108
Griebel, Stefan; Böhm, Valter; Böhm, Valter *1978-*; Zentner, Lena;
Actuator development based on snail tentacles. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17935
Risto, Uwe; Zentner, Lena; Uhlig, René
Elastic structures with snap-through characteristic for closing devices. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 8 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17933
Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
Adaptive control and worm-like robotic locomotion systems revisited. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 20 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17910
Minchenya, Vladimir; Stepanenko, Dmitry; Lysenko, Victor; Chigarev, Anatoly; Zimmermann, Klaus
Study of microrobots operating in the mode of steerable resonance. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 4 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17906
Zimmermann, Klaus;
Locomotion based on isotropic friction. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17874
Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Popp, Jana; Zeidis, Igor
A contribution about ferrofluid based apedal locomotion. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17833
Zentner, Lena; Böhm, Valter
On the static deformation behaviour of compliant structures. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17832
Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Schilling, Cornelius; Voges, Danja; Griebel, Stefan
Biological inspired development of suction cups. - In: Prospects in mechanical engineering, (2008), insges. 5 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17771
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Yatsun, Sergey F.
Motion of vibration-driven mechanical systems along a straight line. - In: Advances in mechanics, (2008), S. 53-60

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Michail; Yatsun, Sergey F.
Vibration-driven locomotion systems. - In: The 9th International Conference on Motion and Vibration Control, (2008), insges. 10 S.

The controlled motion of systems of bodies along a straight line on a rough plane is studied. In the first part of the paper, we consider a systems of two mass points connected by a spring. The system is driven by forces that act between the points and change harmonically. To provide the asymmetry of the friction force, necessary for the progressive motion in a given direction, it suffices to apply a brush-like or scaly coating to the contact surfaces. In the second part, we consider a rectilinear motion of a vibration-driven system, consisting of a housing body and two internal masses, along a rough horizontal plane. One of the internal masses oscillates in the horizontal direction and the other oscillates vertically. It is shown that by changing the phase shift between the horizontal and vertical oscillations one can control the velocity of the steady-state motion of the systems, for symmetric or asymmetric friction. In the third part, the motion of two mass points connected by a spring and actuated by two unbalance rotors is investigated. It is shown that the direction of motion of the systems can be changed by changing only the magnitude of the speed of the rotors, with the direction of rotation kept unaltered.



Kirchner, Isabel; Gerlach, Erik; Oberthür, Siegfried; Zimmermann, Klaus
Erstellung eines MKS-Modells zur Untersuchung der Dynamik einer Nanopositionier- und Messmaschine (NPMM). - In: Modellierung, Regelung und Simulation in Automotive und Prozessautomation, ISBN 978-3-901608-33-9, (2008), S. 171-172

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 622 werden an der TU Ilmenau die Grundlagen zur Entwicklung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) erarbeitet. Im Rahmen eines Virtuellen Prototyping, für welches die Modellgenerierung eine wesentliche Basis darstellt, sollen die dynamischen Eigenschaften des Systems in frühen Entwicklungsphasen bestimmt werden.Die Analyse der Dynamik erfolgt durch die Simulation eines Mehrkörpermodells. Durch Integration von Antrieben und Regelungen in das Modell wird ein mechatronisches System computergestützt analysiert.



Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.; Zeidis, Igor; Turkov, Vladimir A.; Kalmykov, Sergej A.; Lukashevich, Mikhail V.
Numeric calculation of a magnetizable elastic body dynamic in a magnetic field. - In: Book of abstracts, ISBN 978-5-8279-0072-6, (2008), S. 474-475

The deformation and the motion of a body made by a magnetizable polymer in an alternating magnetic field are experimentally studied. The cylindrical body (worm) which is located in a cylindrical tube is analyzed. These effects can be used in deigning autonomous mobile robots without a hard cover. Such robots can be employed in clinical practice and biological investigations.



Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter; Zeidis, Igor; Popp, Jana
Ferrofluid based locomotion system with locally fixed electromagnetic field. - In: Actuator 08, (2008), S. 834-837

The article presents a system for the ferrofluid based locomotion of non-magnetic objects, preferentially for the microtechnical application. The uniaxial translatory motion of the non-magnetic object situated on the ferrofluid surface or partial in the ferrofluid itself is obtained due to the periodic change of the condition parameters of the ferrofluid by a locally fixed magnetic field. Here an overview is given on the different design options of such systems, on the theoretical and experimental considerations about the magnetic field of the described system, ensuing on that, on the ferrofluid behaviour, and on the characteristic features of the locomotion system according to measurements in laboratory testings.



Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Pivovarov, Mikhail; Bolotnik, Nikolai N.
An inertially excited two-mass oscillator moving on rough plane. - In: CD-ROM proceedings, ISBN 978-0-9805142-1-6, (2008), insges. 2 S.

The motion of two bodies (mass points) connected by a linear spring is studied for the case where the coefficient of friction is independent of motion. The system is driven by two unbalanced rotors attached to the bodies. It is shown, that the direction of motion can be reversed without changing the direction of rotation of the rotors.



Zentner, Lena; Böhm, Valter
Zum Verformungsverhalten nachgiebiger Mechanismen. - In: Konstruktion, ISSN 0373-3300, Bd. 60 (2008), 1/2, S. 67-71, 74

Eine spezifische Nachgiebigkeit technischer Systeme ist in vielen Anwendungsbereichen, wie in der Medizintechnik und in der Mensch-Maschine-Interaktion, eine dringende Voraussetzung. Diese Anforderung kann konstruktiv, durch den Einsatz von nachgiebigen Mechanismen, erfüllt werden. Im Beitrag wird eine Klassifikation mit praktischen Beispielen über das Verformungsverhalten nachgiebiger Mechanismen gegeben, um ihre gezielte Auslegung zu erleichtern. Dabei werden ihre möglichen funktionserweiternden Eigenschaften mit besonderem Hinblick und mit der Zielstellung betrachtet, sensorischen Aufwand durch intelligente Mechanik zu minimieren beziehungsweise zu ersetzen sowie zukunftsorientierte Entwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen.



Zentner, Lena;
Bionisch inspirierte fluidmechanische nachgiebige Strukturen. - In: Bio-inspired textile materials, (2008), insges. 39 S.

Naletova, Vera A.; Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Turkov, Vladimir A.; Pelevina, Daria A.; Friedrich, T.; Richter, R.
Deformation of a magnetic fluid surface due to ferromagnetic bodies in an applied uniform magnetic field. - In: Proceedings of the 7th International Pamir Conference Fundamental and Applied MHD and COST P17 Annual Workshop 2008, (2008), S. 747-751

Static and dynamic deformations of a magnetic fluid surface due to the ferromagnetic bodies in an applied uniform magnetic field are studied. The numerical solutions of the problem of the determination of the static surface shape of the magnetic fluid containing different magnetizable bodies in an applied uniform magnetic field are obtained. The flow of a layer of an incompressible viscous magnetic fluid on a plane under the action of a travelling magnetic field, which is created by moving ferromagnetic iron rods, is analyzed analytically.



Gerlach, Erik; Kirchner, Isabel; Oberthür, Siegfried; Zimmermann, Klaus
Untersuchung der Dynamik eines hochpräzisen z-Achsen Positioniersystems für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - In: Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, (2008), S. 207-211

Griebel, Stefan; Linß, Sebastian; Risto, Uwe; Uhlig, René; Zentner, Lena
Neue Anwendungen durch elastische Eigenschaften. - In: Erfinder-Visionen, ISSN 1861-9401, (2008), 2, S. 15-16

Pfaff, Mirko;
Entwicklung strukturierter FEM-Modelle und deren beispielhafte Anwendung auf eine fahrzeugtechnische Baugruppe. - Schmalkalden : Fachhochschule, 2008. - XII, 108 S.. - (fhS-prints ; 2008,3) Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2008
ISBN 3980658554 = 978-3-9806585-5-3

Die Finite-Elemente-Methode stellt ein leistungsfähiges Werkzeug zur Beantwortung physikalisch definierter Fragestellungen dar. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Lösung technischer Problemstellungen auf Basis einer strukturierten FEM-Modellerstellung. Grundgedanke dieser strukturierten Modellerstellung ist die Wahl einer geeigneten Abstraktionsebene zur Lösung von Teilzielstellungen und damit der Aufbau geeigneter FEM-Teilmodelle.Zusätzlich werden FEM-Untermodelle zur gezielten Bestimmung von Eingabegrößen genutzt. FEM-Teilmodelle können dann zu einem effizienten und in Teilen verifizierten FEM-Gesamtmodell zusammengefasst werden. Zum Aufbau solcher FEM-Modelle unter Nutzung der FEM-Modellstruktur werden praktische Empfehlungen gegeben.Die entwickelte FEM-Modellstruktur wurde am Beispiel einer Hinterachswelle für ein Nutzkraftfahrzeug angewendet. Die Abbildung des strukturmechanischen Verhaltens erfolgte unter der Einbeziehung einzelner FEM-Teilmodelle für äußere Belastungen, elastisch-plastisches Materialverhalten, Oberflächenrauheit und Eigenspannungen infolge eines Richtprozesses. Für den Hinterachswellenflansch und den Hinterachswellenschaft wurden FEM-Gesamtmodelle erstellt, welche alle relevanten physikalischen Einflüsse auf diese Geometriebereiche abbilden.Abschließend wurde eine Lebensdauerberechnung für den Hinterachswellenschaft durchgeführt. Die aufgebauten FEM-Modelle konnten analytisch oder mit Hilfe praktischer Untersuchungen validiert werden. Am Beispiel der Hinterachswelle konnte gezeigt werden, dass mit der strukturierten Modellerstellung effizient Problemstellungen abgearbeitet werden können.



Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.; Zeidis, Igor; Turkov, Vladimir A.; Pelevina, Daria A.; Böhm, Valter; Popp, Jana
Surface of a magnetic fluid containing magnetizable bodies in an applied uniform magnetic field. - In: Magnetohydrodynamics, ISSN 0024-998X, Bd. 44 (2008), 2, S. 175-182

Analytical solutions of the problem of the surface shape determination of a MF containing different magnetizable bodies in an applied uniform magnetic field have been found for an arbitrary value of the magnetic field. The cases of spherical body (the axially symmetric problem) and cylindrical (the plane problem) are considered.



Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.; Zeidis, Igor; Turkov, Vladimir A.; Kolev, Emil; Kalmykov, Sergej A.
Calculation of a magnetizable worm deformation in a magnetic field. - In: Magnetohydrodynamics, ISSN 0024-998X, Bd. 44 (2008), 2, S. 143-148

In this paper, the deformation of a magnetizable elastic body in an alternating magnetic field is considered from a theoretical point of view. The body deformation and velocity are calculated. Analytical and numerical results are compared with the experimental data.



Risto, Uwe; Zentner, Lena
Development and application of spherical shaped compliant structures with snap-through behaviour. - In: Actuator 08, (2008), S. 911-914

Instable behaviour of rigid and compliant structures is in most cases of technical applications an attribute which have to be avoided. Nevertheless instable behaviour of compliant structures can be used positively in form of a snap-through. An abrupt change will take place in case of a snap-through from a state of equilibrium to another state. The critical load complies with two or more states of equilibrium. The article will show the significant attributes of instable behaviour in form of a snap-through. This will be illustrated by the example of a spherical shaped structure. In consideration of non-linear material characteristics, the behaviour of such structures under pressurisation against geometrical properties was researched.



Zentner, Lena;
Leitartikel :
Bionik - Erfindungen der belebten Natur. - In: Ingenieur-Nachrichten, (2008), 2, S. 3

Zentner, Lena;
Fluidmechanische Aktuatoren. - In: Ingenieur-Nachrichten, (2008), 2, S. 20

Risto, Uwe;
Vom Zellwandaufbau der Nadelhölzer zum Ventil mit Durchschlageffekt. - In: Ingenieur-Nachrichten, (2008), 2, S. 15

Linß, Sebastian;
Bionisch inspirierte Saugnapfentwicklung. - In: Ingenieur-Nachrichten, (2008), 2, S. 7

Griebel, Stefan;
Natur als Ideenpotential - vom Schneckententakel zum nachgiebigen Mechanismus. - In: Ingenieur-Nachrichten, (2008), 2, S. 6

Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics and control of a two-degree-of freedom vibration-driven system. - In: IFAC Proceedings Volumes, ISSN 1474-6670, Bd. 40 (2007), 14, S. 109-114

https://doi.org/10.3182/20070829-3-RU-4912.00018
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Martynenko, Yuri; Schneider, Anatoli
Vlijanie perechodnych processov v &ptbov;elektromotorach na ustojčivost&softcy; roboto-techničeskich sistem :
Influence of transients in electric motors on the stability of robotic systems. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2007), No. 1(26), Seite 19-31

Zimmermann, Klaus;
Moving like worms: without "Legs". - In: German research, ISSN 1522-2322, Bd. 29 (2007), 3, S. 24-26

http://dx.doi.org/10.1002/germ.200890005
Zimmermann, Klaus;
Wie die Würmer: "beinlose" Bewegung. - In: Forschung, ISSN 1522-2357, Bd. 32 (2007), 2, S. 22-24

http://dx.doi.org/10.1002/fors.200790014
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Pivovarov, Michail
Motion of a chain of three mass points on a rough plane under kinematical constraints. - In: 9th Conference on Dynamical Systems - Theory and applications, ISBN 978-83-924382-8-1, (2007), S. 845-852

Behn, Carsten;
Improved gain parameter models for adaptive control of relative degree two systems. - In: 9th Conference on Dynamical Systems - Theory and applications, ISBN 978-83-924382-8-1, (2007), S. 685-692

This paper is another contribution to the adaptive control of quadratic, nonlinearly perturbed multi-input u, multi-output u, minimum phase systems with strict relative degree two. The consideration of uncertain systems leads to the use of adaptive control. The aim is to design universal adaptive controllers, which achieve a pre-specified control objective. Because almost all already existing controllers in the literature offer the same drawback (only monotonically increasing gain parameter) and with respect to limited resources in applications it is necessary to design new adaptation laws. We present simulations of gain parameter models in application to bio-inspired sensors with unknown system parameters to adaptively compensate an unknown ground excitement.



Zimmermann, Klaus;
Worm-like locomotion as a problem of nonlinear dynamics. - In: Journal of theoretical and applied mechanics, ISSN 1429-2955, Bd. 45 (2007), 1, S. 179-187

Zentner, Lena; Böhm, Valter
Nachgiebige monolithische fluidisch angetriebene Aktuatoren mit neuartigem Verformungsverhalten. - In: Technische Mechanik, ISSN 0232-3869, Bd. 27 (2007), 1, S. 18-27

In diesem Artikel wird der Umkehreffekt, ein Verformungseffekt nachgiebiger monolithischer fluidisch angetriebener Aktuatoren, beschrieben. Nach diesem Effekt führen die im Artikel beschriebenen Aktuatoren unter steigendem Hohlraumdruck eine Umkehr ihrer Bewegung aus. Darausfolgend bieten diese mehrere Vorteile im Vergleich zu konventionellen Aktuatoren. Es werden prinzipielle Realisierungsmöglichkeiten und charakteristische Merkmale derartiger Aktuatoren anhand mehrerer Strukturvarianten betrachtet. Der Umkehreffekt wird analytisch und numerisch untersucht, sowie experimentell bestätigt.



Zentner, Lena; Böhm, Valter; Witte, Hartmut
On the stability behaviour of elastic beams under internal pressure. - In: Journal of theoretical and applied mechanics, ISSN 1429-2955, Bd. 45 (2007), 1, S. 161-169

Scientific reception of the term "stability" stresses steady adaptation to its changing fields of application. Nevertheless, the determination of critical forces remains one of the main tasks of stability theories. We exemplify some classes of the stability loss in beams under internal pressure for the static case. Additionally, we analyse in more detail the dynamic stability of beams under internal pressure and demonstrate means to keep an equilibrium.



Zimmermann, Klaus; Jahn, Michael; Weiß, Mathias; Braunschweig, Marion; Rieß, Thorsten
Entwurf einer bahngeführten Positionierung als Basis der Lokomotion omnidirektionaler Roboter. - In: Autonome mobile Systeme 2007, ISBN 978-3-540-74763-5, (2007), S. 64-67

Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Zimmermann, Klaus *1956-*; Pivovarov, Michail
Straight chains of interconnected mass points under the action of non-symmetric dry friction. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 7 (2007), 1, S. 4010011-4010012

http://dx.doi.org/10.1002/pamm.200700594
Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.; Zeidis, Igor; Turkov, Vladimir A.; Böhm, Valter; Kolev, Emil; Popp, Jana
Locomotion based on the control of the shape of magnetic fluid surfaces and of magnetizable media. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 7 (2007), 1, S. 4140003-4140004

The realization of locomotion based on the deformation of a free surface of magnetic fluid layer in a traveling magnetic field is studied. A plane flow of an incompressible viscous magnetic fluid layer on a horizontal surface in a nonuniform magnetic field and a plane two-layers flow of incompressible viscous magnetic fluids between two parallel solid planes in a magnetic field is considered. Also the flow of an incompressible viscous magnetic fluid layer on a cylinder in a nonuniform magnetic field is an object of invesitgation. The deformation an the motion of a body made by a magnetizable polymer in an alternating magnetic field are experimentally studied. The cylindrical body (worm) which is located in a cylindrical tube is analyzed. These effects can be used in designing autonomous mobile robots without a hard cover. Such robots can be employed in clinical practice and biological investigations.



http://dx.doi.org/10.1002/pamm.200700323
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Gerlach, Erik; Tröbs, Anita
Ein Beitrag zur Schwingungsanalyse an Nanopositionier- und Nanomessmaschinen unter Berücksichtigung von nichtlinearen Reibungsmodellen - nichtsymmetrisches Stribeck-Modell. - In: Technische Mechanik, ISSN 0232-3869, Bd. 27 (2007), 2, S. 81-93

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten; Böhm, Valter; Popp, Jana; Kolev, Emil; Naletova, Vera A.
Worm-like locomotion systems (WLLS) - theory, control and prototypes. - In: Climbing & walking robots, ISBN 978-3-902613-16-5, (2007), S. 429-456

Ionescu, T. G.; Klein Breteler, A. J.; Leinonen, T.; Bögelsack, Gerhard
On the progress of standardization of mechanism and machine science terminology. - In: Twelfth World Congress in Mechanism and Machine Science, (2007), insges. 4 S.

Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Worm-like locomotion systems at the TU Ilmenau. - In: Twelfth World Congress in Mechanism and Machine Science, (2007), insges. 6 S.

In this paper we introduce the theory in designing of worm-like locomotion systems (WLLS) at the TU Ilmenau. For this, we present a certain type of mathematical models of WLLS and sketch the corresponding theory. Gaits from this theory can be tracked by means of adaptive controllers. Current experiments are aimed at the justification of theoretical results.



Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus; Steigenberger, Joachim
Biologically inspired locomotion systems - improved models for friction and adaptive control. - In: Multibody dynamics 2007, (2007), insges. 20 S.

In this paper we consider finite DOF worm-like locomotion systems which contact the ground with Couloumb dry friction. Using both a rough and an improved mathematical friction law the system is shown to belong to a system class that allows adaptive control. Two different controllers for lambda-tracking are presented and used in simulations.



Kolev, Emil; Chirikov, Victor; Behn, Carsten
Reduced method for dynamic equations of motion of a flexible worm in a tube. - In: Proceedings, (2007), Seite VI-33-VI-36

The paper presents an analytical method for derivation of the dynamic equations of motion of a continuous body with distributed parameters. So called reduced method is implemented to a worm motion in a tube. The method neglects less important degrees of freedom of the object. Final results of worm motion, as well as all necessary formulation and explanations are available.



Behn, Carsten;
Adaptive tracking of gaits for worm-like locomotion systems. - In: Proceedings, (2007), Seite VI-29-VI-32

This paper is another contribution to the (adaptive) control of a mechanical system, which is inspired by biological ideas (earthworm as a living prototype). We introduce a certain type of a mathematical model of a worm-like locomotion system (WLLS), sketch the corresponding theory, and present numerical simulations. The investigations are aimed at 1) gaining insight into how such systems move, 2) finding kinematic gaits, which can be tracked dynamically by means of adaptive [lambda]-trackers, and 3) finding hints for implementation as a hardware object (artificial worm).



Behn, Carsten;
Adaptive [lambda]-tracking-control for relative degree two systems with application to bio-inspired sensors. - In: Nonlinear dynamics, ISSN 1573-269X, Bd. 50 (2007), 4, S. 817-828

This paper deals with the (adaptive) control of a sensory system, which is inspired by biological ideas concerning the behaviour of a tactile hair or sensillum. The cells for reception of vibrations adjust their sensibility to a continuing excitement, such that this permanent excitation of the whole system tends to the rest position. Hence, this biological paradigm demonstrates a fundamental principle: adaption. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties (e.g. minimum phase condition, strict relative degree) are known. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. The aim is to design a universal adaptive controller, which learns from the behaviour of the system, so automatically adjusts its parameters and achieves a pre-specified control objective. Since we deal with a nonlinearly perturbed multi-input, multi-output system, which is not necessarily autonomous, particular attention is paid to the lambda-tracking control objective. Simple adaptive servomechanisms, which achieve tracking of a given reference signal for any pre-specified accuracy (tracking-error) lambda, are introduced. We stress that the introduced adaptive controllers consist of very simple feedback mechanisms and adaptation rules. These controllers are only based on information about the output of the system - no knowledge of system parameters is required.



https://doi.org/10.1007/s11071-007-9227-0
Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Oberthür, Siegfried; Tröbs, Anita
Simulating the dynamics of nanopositioning and nanomeasuring machines using methods of multi-body system dynamics. - In: Book of Abstracts, (2007), S. 77

Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Oberthür, Siegfried; Tröbs, Anita
Simulating the dynamics of nanopositioning and nanomeasuring machines using methods of multi-body system dynamics. - In: Full papers, (2007), insges. 6 S.

Jatsun, Sergey F.; Bolotnik, Nikolai N.; Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Modeling of motion of vibrating robots. - In: Twelfth World Congress in Mechanism and Machine Science, (2007), insges. 6 S.

Franitza, Daniel;
Theorie zur Modellbildung und Simulation räumlicher nichtlinear verformbarer Mechanismen in konvektiver Metrik. - 116, 31 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2007

Tröbs, Anita; Gerlach, Erik; Oberthür, Siegfried; Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Simulation einer Bewegungseinheit mit hybriden Modellelementen. - In: Mechatronik 2007, Innovative Produktentwicklung, (2007), S. 751-758

Ahranovich, Aliaksandr; Karpovich, Svyatoslav; Zimmermann, Klaus
Multicoordinate positioning system design and simulation. - In: , (2007), S. 463-468

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=8815
Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Biologically inspired locomotion systems and adaptive control. - In: , (2007), S. 245-250

A wide range of control theory deals with the problem that, for a known system, a controller has to be designed in order that the feedback system achieves the prespecified control objective like stabilization or tracking. The fundamental difference between this approach and that of adaptive control in this paper is that the system is not known exactly, only structural information about the system, like the relative degree or the minimum phase condition, is available. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties (e.g. minimum phase condition, strict relative degree) are known. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. The aim is to design a universal adaptive controller, which learns from the behaviour of the system, so automatically adjusts its parameters and achieves a pre-specified control objective. - The paper deals with a mechanical system, which is inspired by biological ideas. We present some theoretical investigations and prototypes of a worm-like locomotion system that has the earthworm as a living example. This system is modelled in the form of a straight chain of k = 3 interconnected point masses. The ground contact can be described by non-symmetric dry friction. We consider the case where different point masses are under the action of external forces. Also the distance between the point masses can be given as a kinematical constraint (control input). Since we deal with nonlinearly perturbed multi-input, multi-output systems, which are not necessary autonomous, particular attention is paid to the lambda-tracking control objective. We stress that the introduced adaptive controllers consist of very simple feedback mechanisms and adaptation rules.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=8761
Abaza, Khaldoun;
Ein Beitrag zur Anwendung der Theorie undulatorischer Lokomotion auf mobile Roboter : Evaluierung theoretischer Ergebnisse an Prototypen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2007. - Online-Ressource (PDF-Datei: VIII, 126 S., 3,07 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2006
Parallel als Druckausg. erschienen

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen undulatorische Lokomotionssysteme. In diesem Zusammenhang wurden die Begriffe Undulation und Lokomotion definiert. Die gerichtete Ortsveränderung natürlicher oder technischer Systeme ist generell als Lokomotion zu verstehen, aber es erweist sich als schwierig, eine aus Sicht der Mechanik umfassende Definition des Begriffes Lokomotion zu geben. Er wurde in dieser Arbeit, mathematisch, wie folgt beschrieben: Lokomotionssysteme sind technische Systeme, die in der Lage sind, alle ihre Punkte in einem ausgewählten charakteristischen Zeitintervall zu bewegen, wobei durchaus Größe und Richtung der Lageänderung der Punkte verschieden sein können. Die Mechanik versteht unter Undulation die Bewegung durch eine Erregung der Aktuatoren des Systems, die sowohl von außen kommen oder im Inneren erzeugt werden kann. Der Aktuator erzeugt seinerseits eine in der Regel periodische Gestaltänderung, welche durch die Wechselwirkung mit der Umgebung eine globale Lageänderung erzeugt. In der vorliegenden Arbeit wurden undulatorische Lokomotionssysteme theoretisch und mittels zweier entwickelter Prototypen untersucht. Der Prototyp (TM-ROBOT) wurde nach dem undulatorischen Bewegungsprinzip des Regenwurms (Längenänderung von Segmenten) aufgebaut. Ein Bewegungssystem, das für die Bewegung das peristaltische Bewegungsprinzip nutzt, bewegt sich mit periodischen Verformungen seines Körpers und nichtsymmetrischen Reibkräften unter Einbeziehung der Wechselwirkung mit der Umgebung. Der Prototyp (MINCH-ROBOT) im Rahmen dieser Arbeit ist ein Mikroroboter, der keine klassische undulatorische Lokomotion umsetzt. Er besteht aus einem Piezoaktuator und ist mit zwei passiven Beinen und einem Schwanz ausgerüstet. Die Undulation besteht in der Übertragung von den hochfrequenten Schwingungen seines Körpers (Piezoaktuator) auf die Beine. Somit werden komplexe räumliche Trajektorien der Beinendpunkte erzeugt. Bei dem Steuerprinzip dieses Mikroroboters spielt die Nichtsymmetrie der beiden Beine eine wesentliche Rolle. Diese (absichtlich realisierte) Nichtsymmetrie zwischen rechtem und linkem Bein ist die Ursache für eine Verschiebung der Resonanzbereiche der Beine. Damit wird der Roboter in seiner Richtung steuerbar. Numerische Simulationen der beiden Prototypen und Messungen an realem Objekt stützen die Theorie dieser Arbeit, die sich somit in das breite Feld der Lokomotionssysteme eingliedert.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=7716
Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.; Zeidis, Igor; Turkov, Vladimir A.; Kolev, Emil; Lukashevich, Mikhail V.; Stepanov, Gennadij V.
A deformable magnetizable worm in a magnetic field - a prototype of a mobile crawling robot. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 311 (2007), 1, S. 450-453

http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.153
Venhaus, Martin;
Ein Beitrag zur Modellbildung und Simulation der Ballondilatation von Atemwegstenosen
1. Aufl.. - Göttingen : Cuvillier, 2007. - XI, 126 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2006

Diese Dissertation befasst sich mit den mechanischen Vorgängen während der Ballondilatation von Atemwegstenosen. Die betrachteten Stenosen vom Typ narbige Striktur" werden im klinischen Alltag üblicherweise mit dem Instrument Dilatationsballon manuell gedehnt. Falls notwendig, erfolgt eine anschließende Stentimplantation. Die Auswahl des Stents, inklusive seiner Kennlinie, erfolgt gefühlsmäßig oder nach persönlichen Erfahrungen und Präferenzen. Zur Erlangung eines optimalen Behandlungsresultates ist jedoch eine Anpassung an das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose notwendig. Dieses Verhalten wird während der manuell durchgeführten Ballondilatation nicht ermittelt. Das Ziel ist es, die Zusammenhänge zwischen dem während der Dilatation gemessenen Druck-Volumen-Verlauf und dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose experimentell und theoretisch auf Basis von Modellen zu bestimmen. Dabei wird die Besonderheit berücksichtigt, dass bei der Dehnung der narbigen Striktur der Dilatationsballon durch die Stenose nur teilweise eingeengt wird; er ragt an beiden Enden über den stenosierten Bereich hinaus. Es werden experimentelle Untersuchungen an Modellstenosen unterschiedlicher Dehnbarkeit und Länge durchgeführt. Wie erwartet, führen härtere Stenosen zu einem steileren Kurvenanstieg während der Dilatationsphase. Demgegenüber zeigt der Vergleich zwischen Stenosen gleicher Dehnbarkeit, aber unterschiedlicher Länge eine zunächst unerwartet größere Dehnung der kürzeren Stenose bei gleicher Druckzunahme. Ursache ist, dass die Randbereiche der Stenosen einen zeitlichen Dehnungsvorsprung gegenüber den weiter innen liegenden Bereichen erfahren. Für dieses, bei kürzeren Stenosen ausgeprägtere, Verhalten wird der Begriff Effekt der Randdehnung" eingeführt. Die Modellbildung des Dilatationsvorganges basiert zum einen auf Gleichgewichtsbetrachtungen am freigeschnittenen Ballon und zum anderen (als Vergleich) auf dem Prinzip des Minimums der totalen potentiellen Energie. Das System Ballon / Stenose wird in drei Teilbereiche, für die unterschiedliche Bedingungen gelten, aufgeteilt. Die betrachteten Bereiche sind: 1. der proximale- und distale Ballonbereich außerhalb der Stenose; 2. der Bereich, in dem Ballon und Stenose in Kontakt treten; 3. der Übergangsbereich zwischen 1 und 2. Numerische Simulationen der Ballondilatation bestätigen die aus den experimentellen Untersuchungen und theoretischen Betrachtungen gewonnenen Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Druck-Volumen-Verlauf der Dilatation und Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose.



Scheibner, Wolfgang; Feustel, Matthias; Möhring, Uwe; Zentner, Lena; Schilling, Cornelius; Witte, Hartmut
Textile materials joining for application in biomechatronics. - In: Tekstil, ISSN 0492-5882, Bd. 55 (2006), 1, S. 28-30

Ahranovich, Aliaksandr; Karpovich, Svyatoslav; Zimmermann, Klaus; Zentner, Johannes
Multicoordinate positioning system for industrial equipment design method. - In: Information technology and electrical engineering - devices and systems, materials and technologies for the future, (2006), insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=13352
Zimmermann, Klaus;
Mobile robots based on magnetizable elastic elements and ferrofluids. - In: ROMANSY 16, (2006), S. 363-370

Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Yatsun, Sergey F.
Dynamics of controlled motion of vibration-driven systems. - In: Journal of computer and systems sciences international, ISSN 1555-6530, Bd. 45 (2006), 5, S. 831-840

http://dx.doi.org/10.1134/S1064230706050145
Meier, Petra; Oberthür, Siegfried; Lang, Michael
Development of a compliant device for minimally invasive surgery. - In: 28th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2006, (2006), S. 331-334

http://dx.doi.org/10.1109/IEMBS.2006.260537
Lotz, Markus; Hackel, Tobias; Frank, Thomas; Tröbs, Anita; Höhne, Günter; Theska, René; Zimmermann, Klaus
High precision modular long range travel vertical axis. - In: Proceedings of the twenty-first annual meeting, (2006), S. 227-230

Zimmermann, Klaus; Naletova, Vera A.; Zeidis, Igor; Böhm, Valter; Kolev, Emil
Modelling of locomotion systems using deformable magnetizable media. - In: Journal of physics, ISSN 1361-648X, Bd. 18.2006, 38, S. S2973-S2983

http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/18/38/S30
Gerlach, Erik; Tröbs, Anita; Zimmermann, Klaus
Erstellung eines Simulationsmodells zur computergestützten Untersuchung der Dynamik einer z-Achse für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - In: Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, (2006), S. 547-556

Zentner, Lena; Keskeny, J.; Westhofen, M.; Huba, Antal
Hydraulic actuation for the navigation of a cochlear implant. - In: Actuator 2006, ISBN 978-3-933339-08-9, (2006), S. 980-984

Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Adaptive [lambda]-tracking for locomotion systems. - In: Robotics and autonomous systems, ISSN 1872-793X, Bd. 54 (2006), 7, S. 529-545

This paper deals with the (adaptive) control of mechanical systems, which are inspired by biological ideas. We introduce a certain type of mathematical models of worm-like locomotion systems and present some theoretical control investigations. Only discrete straight worms will be considered in this paper: chains of point masses moving along a straight line. We introduce locomotion systems in form of a straight chain of k=3 interconnected point masses, where we focus on interaction which emerges from a surface texture as asymmetric Coulomb friction. We consider two different types of drives: (i) The point masses are under the action of external forces, which can be regarded as external force control inputs. (ii) We deal with massless linear springs of fixed stiffnesses and controllable original spring lengths, which can be regarded as internal control inputs. The locomotion systems with these two types of drive mechanisms are described by mathe-matical models, which fall into the category of nonlinearly perturbed, multi-input, multi-output systems (MIMO-systems), where the outputs of the system are, for instance, the positions of the point masses or the displacements of the point masses. The goal is to simply control these systems in order to track given reference trajectories to achieve movement of the system. Because one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties are known, we deal with uncertain systems. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. Since we deal with nonlinearly perturbed MIMO-systems, we focus on the adaptive lambda-tracking control objective to achieve our goal. This means tracking of a given reference signal for any pre-specified accuracy lambda > 0. The objective is not to obtain information about the characteristics of the system or about system parameters, but simply to control the unknown system. This control objective allows us to design simple adaptive controllers, which achieve lambda-tracking. Numerical simulations of tracking different reference signals, for an arbitrary choice of the system parameters, will demonstrate and illustrate, that the introduced, simple adaptive controller works successfully and effectively.



http://dx.doi.org/10.1016/j.robot.2006.04.005
Stauche, Silke; Zimmermann, Klaus
Das Kompetenzzentrum eLearning-Dienste an der TU Ilmenau. - In: E-learning, (2006), insges. 3 S.

Zimmermann, Klaus;
Das Kompetenzzentrum eLearning-Dienste an der TU Ilmenau. - In: Tagungsband, (2006), S. 59-61

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Bachurin, V. E.
Magnetic fluid layer on a cylinder in a traveling magnetic field. - In: Zeitschrift für physikalische Chemie, ISSN 2196-7156, Bd. 220 (2006), 1, S. 117-124

http://dx.doi.org/10.1524/zpch.2006.220.1.117
Gerlach, Erik;
Virtuelles Prototyping von NPU-Maschinen. - In: Alaska 2. Anwendertreffen, Augustusburg, Hotel "Waldhaus", 10. - 11.03.2005, (2005)

Chirikov, Victor A.; Kolev, Emil
Comparison of calculation and tests for natural frequencies of beams. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [14.03], insges. 13 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18005
Lysenko, Victor; Zimmermann, Klaus; Ahranovich, Aliaksandr
Procedure for optimized technical systems design with the morphological interactive invention cube (MIIC) usage. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [07.P.04], insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17663
Minchenia, Vladimir T.; Chigarev, Anatoli V.; Abaza, Klaudoun; Zimmermann, Klaus
The dynamics of the microrobot with three fulcrums on the planar surface. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [07.15], insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17658
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Stepanov, Gennady V.
Behavior of a magnetizable worm in a magnetic field. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [07.13], insges. 6 S.
Parallel als CD-ROM-Ausg. erschienen

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17655
Gießler, Cornelia; Steigenberger, Joachim; Zimmermann, Klaus
Analytical modelling and numerical analysis for designing an instrument channel in a mobile probe. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [07.12], insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17654
Wazan, Ousama;
Rechnergestütztes Finden von Koppelmechanismen für Geradführungen. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [07.05], insges. 20 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17646
Zentner, Lena; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus; Huba, Antal
Ein Beitrag zu nichtkonventionellen fluidisch angetriebenen monolithischen nachgiebigen Aktoren. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [07.01], insges. 9 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17642
Lang, Michael; Vasev, Natalja; Meier, Petra
Schichtdicke und Benetzungsverhalten von Silikonelastomeren. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [06.08], insges. 2 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17525
Ahranovich, Aliaksandr; Zimmermann, Klaus; Karpovich, Svyatoslav
Investigating the ability of holonomic automatic systems' dynamics control. - In: Maschinenbau von Makro bis Nano, 2005, [03.3.02], insges. 12 S.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17146
Meier, Petra; Lang, Michael; Oberthür, Siegfried
Reiterated tension testing of silicone elastomer. - In: Plastics, rubber and composites, ISSN 1743-2898, Bd. 34 (2005), 8, S. 372-377

A peristaltically actuated device, PADeMIS, composed of silicone rubber (SR) is under development for use in minimally invasive surgery. During locomotion, the device will be subject to a few thousand load changes involving varying, sometimes high, strains. The design is being optimised by finite element analysis, for which a constitutive law for the mechnical behaviour of silicone rubber is required. Uniaxial and biaxial tension tests have been performed on specimens of used silicon rubber. Synchronous fittign of uniaxial and biaxial tensile data gives significantly better results than using uniaxial or biaxial results alone to derive constitutve laws. The mechnical properties of SR were found to change from loading to loading up to few thousand cycles. Hence, simulating the deformation of SR structures is problematic. Furthermore, variability was observed between batches of SR.



http://dx.doi.org/10.1179/174328905X59737
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Pivovarov, Michail; Abaza, Khaldoun
Forced nonlinear oscillator with nonsymmetric dry friction. - In: 8th Conference on Dynamical Systems - Theory and Applications, (2005), S. 165-172

Behn, Carsten;
Adaptive [lambda]-tracking and stabilization for relative degree two systems. - In: 8th Conference on Dynamical Systems - Theory and Applications, (2005), S. 467-474

A wide range of control theory deals with the problem that, for a known system, a controller has to be designed in order that the feedback system achieves the prespecified control objective like stabilization or tracking. The fundamental difference between this approach and that of adaptive control (in this paper) is that the system is not known exactly, only structural information about the system, like the relative degree or the minimum phase condition, is available. We consider nonlinearly perturbed multi-input u, multi-output y, minimum phase systems with strict relative degree two. We suppose for the analysis of these systems, that they are not known precisely. Therefore, the adaptive control law has to be designed so that the controller learns from the behaviour of the system, and based on this information, it adjusts its parameters. The objective is not to obtain information about the system, but simply to control the unknown system, where we use the high-gain property of this system, see Ilchmann 1991. This approach is called non-identifier-based high-gain adaptive control in the literature, see Ilchmann 1993. Since this paper deals with nonlinearly perturbed multi-input, multi-output systems, which are not necessary autonomous, particular attention is paid to the adaptive lambda-tracking control objective. This means, that the output of the system should stay close to (track) a given reference signal (absolutely continuous and bounded with bounded derivatives up to order two), where a prespecified small tracking error of size lambda is tolerated. The goal is achieved by the so-called lambda-tracker. This controller is simple in its design, relies only on structural properties of the system (and not on the system's parameters) and does not invoke any estimation or identification mechanism. It only consists of a feedback strategy and a simple parameter adaptation law, and, moreover, does not have to depend on the derivative of the output of the system. This controller which includes a dynamic compensator is due to a controller of Miller and Davison (1991). The system class is more general and the controller is much more simpler than the introduced and considered one in Ye (1999). It is proved that using this controller lambda-tracking and stabilization can be achieved for the considered nonlinearly perturbed systems with unknown parameters, see Behn (2005). The feedback strategy reduces in dimension (the number of used variables calculated by internal differential equations) if we restrict the class of systems to single-input, single-output systems with the centre of the zeros in the open left-half complex plane.



Kolev, Emil; Stoyanov, Stefan
Festigkeitsuntersuchungen an Kuttermessern für die Fleischindustrie. - In: Vibracionnye mašiny i technologii, (2005), S. 79-83

In der Lebensmittelindustrie werden sehr viele verschiedene Messertypen zum Zerkleinern von frischen und gefrorenen Fleischsorten in der Kuttermaschine angewendet. Die Formen der Messer sowie ihre Schnittwinkel variieren sehr stark und sind empirisch entstanden. Es konnte festgestellt werden, dass zu den Messerformen, zum Schneidvorgang und zu den Kräften im Messerkörper keinerlei gesicherte wissenschaftliche Überlegungen existieren. - Durch die ständige Leistungssteigerung der Maschinentechnik kann eine Festlegung der Messerkörpergeometrie rein aus der Erfahrung auch bei einer günstigen Stahlauswahl keine Sicherheit gegen Bruch gewährleisten. Diese Tatsachen erfordern eine wissenschaftliche Vorgehensweise bei der Festlegung der Messerparameter.



Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Zimmermann, Klaus *1956-*; Pivovarov, Mikhail
Dynamics of a nonlinear oscillator in consideration of non-symmetric Coulomb dry friction. - In: Book of abstracts, (2005), S. 308

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Grabow, Jörg; Gerlach, Erik; Tröbs, Anita
Parameteridentifikation und virtuelles Prototyping von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen basierend auf Methoden der Mehrkörperdynamik. - In: Technische Mechanik, ISSN 0232-3869, Bd. 25 (2005), 2, S. 90-99

Zentner, Lena; Böhm, Valter
Zur Anwendung nachgiebiger Mechanismen. - In: Konstruktion, ISSN 0373-3300, Bd. 57 (2005), 11/12, S. 49-50

Nachgiebige Mechanismen finden immer breitere Anwendung und ersetzen erfolgreich bei vielen Aufgaben konventionelle Starrkörpermechanismen. Die im Beitrag beschriebene Klassifikation nachgiebiger Strukturen entstand während langjährigen Entwicklungs- und Untersuchungsarbeiten mit nachgiebigen Mechanismen an der TU Ilmenau. Diese strukturierte Darstellung nachgiebiger Strukturen hilft dem Anwender die Aufgabenstellung zu formulieren und die nachgiebigen Mechanismen dafür gezielt einzusetzen. Außerdem zeigt die dargestellte Klassifikation die zukunftsorientierten Entwicklungsmöglichkeiten nachgiebiger Mechanismen.



Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Biologically inspired locomotion systems and adaptive control. - In: Proceedings of multibody dynamics 2005, (2005), insges. 18 S.

This paper deals with the (adaptive) control of a mechanical system, which is inspired by biological ideas. We present some theoretical investigations of a worm-like locomotion system that has the earthworm as a living prototype. This system is modelled in the form of a straight chain of k=3 interconnected point masses. The ground contact can be described by non-symmetric dry friction. We consider the case where different point masses are under the action of external forces, hence these forces can be regarded as control inputs. Therefore, this system is described by a mathematical model that falls into the category of nonlinearly perturbed, multi-input, multi-output systems, where the outputs of the system are, for instance, the positions of the point masses. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties (e.g. minimum phase condition, strict relative degree) are known. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. The aim is to design a universal adaptive controller, which learns from the behaviour of the system, so automatically adjusts its parameters and achieves a pre-specified control objective. Since we deal with nonlinearly perturbed multi-input, multi-output systems, which are not necessary autonomous, particular attention is paid to the [lambda]-tracking control objective. Simple adaptive mechanisms which achieve tracking of a given reference signal for any pre-specified accuracy [lambda] are introduced. [lambda] > 0 denotes the size of the tracking error. The feedback strategy reduces in dimension (the number of used variables calculated by internal differential equations) if we restrict the considered system class to single-input, single-output systems with zero-centre in the open left-half complex plane. We stress that the introduced adaptive controllers consist of very simple feedback mechanisms and adaptation rules. These controllers are only based on information about the output of the system no knowledge of the system parameters is required.



Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Zimmermann, Klaus *1956-*; Tröbs, Anita;
Design of a precision positioning system for nanopositioning and nanomeasuring machines by computer simulation :
Simulationsgestützter Entwurf einer hochpräzisen Positioniereinrichtung für Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - In: Mechatronik 2005, (2005), S. 125-135

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Goncharov, P. A.
Surface of a magnetic fluid containing a spherical body in the uniform magnetic field. - In: Fundamental and applied MHD, (2005), S. 373-376

Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Biologically inspired sensors with adaptive control. - In: Tagungsunterlagen, (2005), insges. 8 S.
Publ. entstand im Rahmen der Veranst.: 3rd International Symposium on Adaptive Motion in Animals and Machines, 2005, Ilmenau

Zimmermann, Klaus;
Worm-like locomotion, ways of realization: non-symmetric friction and application of ferrofluids. - In: Tagungsunterlagen, (2005), insges. 6 S.
Publ. entstand im Rahmen der Veranst.: 3rd International Symposium on Adaptive Motion in Animals and Machines, 2005, Ilmenau

Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus; Abaza, Khaldoun
Worm-like locomotion - theory, control and application. - In: Tagungsunterlagen, (2005), insges. 6 S.
Publ. entstand im Rahmen der Veranst.: 3rd International Symposium on Adaptive Motion in Animals and Machines, 2005, Ilmenau

Böhm, Valter;
Bionisch inspirierte monolithische Gelenkelemente mit fluidmechanischem Antrieb, 2005. - IV, 127 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
Enth. ausserdem: Thesen

In vielen Bereichen der Technik ist eine spezifische Nachgiebigkeit technischer Systeme eine dringende Voraussetzung. Soft robotics ist Stand aktueller Forschungsarbeiten. Die Nachgiebigkeit technischer Systeme wird entweder durch Kontrolle oder durch strukturelle und stoffliche Eigenschaften gewährleistet. Der Vorteil der letzteren Möglichkeit besteht in der herstellungs-, bzw. regelungstechnischen Einfachheit des Systems. Bionische Ansätze gewinnen zur Lösung komplexer technischer und technologischer Problemstellungen auch in der angewandten Mechanik zunehmend an Bedeutung. Die Biomechanik der Gliedertiere mit monolithischen Extremitäten bietet aus mehreren Hinsichten Anregungen zur Gestaltung von technischen nachgiebigen Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden monolithische, elastomere, fluidmechanisch angetriebene Gelenkelemente mit ebenem Bewegungsbereich betrachtet. Es werden theoretische und experimentelle Untersuchungen vorgenommen, um charakteristische Merkmale derartiger Strukturen abzuleiten und unter Einbeziehung bionischer Ansätze Lösungsvorschläge von Konstruktionsvarianten mit im Vergleich zu bekannten Lösungen verbesserten quantitativen bzw. qualitativ neuen Eigenschaften zu erarbeiten. Die Arbeit ist in vier Teile gegliedert. Im ersten Teil werden die beim Entwurf von nachgiebigen Mechanismen in Betracht zu ziehenden bionischen Ansätze genannt. Im zweiten Teil der Arbeit werden Konstruktionsvarianten mit im Vergleich zu konventionellen Strukturen verbesserten quantitativen Eigenschaften und ihre charakteristischen Merkmale bei statischen und dynamischen Druckbelastungen betrachtet. Im dritten Teil der Arbeit werden zwei qualitativ neue Verformungsverhalten der Strukturen betrachtet. Im vierten Teil der Arbeit werden hingegen solche Strukturen betrachtet, die für einen gegebenen Druckwert, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Druckerhöhung, unterschiedliche Gleichgewichtslagen annehmen können. Die Ansteuerung derartiger Strukturen kann anstelle der Größe des Druckes mit der Geschwindigkeit der Lastaufbringung erfolgen.



Wazan, Ousama;
Rechnergestützte Untersuchung und Auswahl von Koppelmechanismen für Geradführungen. - Ilmenau : ISLE, 2005. - V, 182 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
ISBN 3938843012

Die Arbeit beinhaltet eine weitgehend vollständige Zusammenstellung und Ordnung aller bekannten ebenen Koppelmechanismen zur Erzeugung von Punktgeradführungen als Lösungssammlung und stellt gleichzeitig Auswahlkriterien für Bahngenauigkeit und Bauraum bereit. Neben der Sammlung und Bewertung bekannter Lösungen wird das rechner-unterstützte systematische Finden weiterer Prinziplösungen für Punktgeradführungen bei beliebiger Annahme der Grundabmessungen von Viergelenkmechanismen demonstriert. - Umfangreiche Untersuchungen wurden zur zielstrebigen Nutzung des Rechenprogramms APPROX für die Optimierung von Punktgeradführungen durchgeführt. Es wird nachgewiesen, dass sich mit APPROX sowohl die nach bekannten Entwurfsverfahren dimensionierten wie die mit beliebig gewählten Abmessungen gefundenen Lösungen in ihren Zielparametern verbessern lassen. - Weiterhin wurde auch eine Beispielsammlung für die Geraden- Parallelführung einer Ebene erarbeitet. Für die Entwicklung von Mechanismen zur Führung einer Ebene stellen Punktführungsmechanismen eine sehr nützliche Basis dar. - Die Berechnung und Darstellung der möglichen Getriebevarianten mit Hilfe des Satzes von Roberts/ Tschebyschev für Punkt- und Ebenenführungen durch vier-, fünf- und sechsgliedrige Koppelgetriebe ausgehend von viergliedrigen Koppelmechanismen werden durch einen speziell dafür entwickelten Programmbaustein rechentechnisch realisiert.



Zimmermann, Klaus;
Mechanische Systeme. - In: Taschenbuch der Mechatronik, (2005), S. 231-284

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Bachurin, V. E.
Locomotion based on a two-layers flow of magnetizable nanosuspensions. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 290/291 (2005), 2, S. 808-810

http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2004.11.370
Behn, Carsten;
Ein Beitrag zur adaptiven Regelung technischer Systeme nach biologischem Vorbild
1. Aufl. - Göttingen : Cuvillier, 2005. - IV, 172 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
ISBN 3865373879

Diese Dissertation behandelt die Regelung von biologisch inspirierten mechanischen Systemen. Die betrachteten Anwendungen umfassen ein wurmartiges Fortbewegungssystem, Bewegungsstudien eines Pendels mit muskelähnlichen Antrieben und einen Schwingungssensor nach dem Prinzip von Tasthaaren oder Sensillen. Alle Systeme werden mittels mathematischer Modelle beschrieben, die in die Kategorie von linearen und nichtlinear gestörten Systemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen einzuordnen sind. Gewöhnlich kann nicht erwartet werden, daß vollständige Informationen eines derartigen, hochentwickelten mechanischen oder biologischen Systems vorhanden sind. Stattdessen sind nur strukturelle Eigenschaften, wie Minimalphasigkeit und Relativgrad des Systems, bekannt. Daher wird zur Regelung in dieser Arbeit die Methode der adaptiven Regelung gewählt. Das Ziel ist, einen universellen adaptiven Regler zu entwerfen, der vom Systemverhalten lernt, so seine Parameter einstellt und eine vorab festgelegte Regelungszielsetzung gewährleistet. Mögliche Zielsetzungen sind Stabilisierung der Systeme oder lambda-Bahnverfolgung. - Da in dieser Arbeit nichtlinear gestörte (nicht notwendigerweise autonome) Systeme mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen betrachtet werden, wird der Regelungszielsetzung der lambda-Bahnverfolgung ein besonderes Augenmerk gewidmet. Diese Zielsetzung bedeutet, daß der Ausgang des Systems einem gegebenen Referenzsignal folgen soll, wobei ein Verfolgungsfehler von vorher festgelegter Größe lambda > 0 toleriert wird. Das Ziel wird mittels des sogenannten lambda-Bahnverfolgungsreglers erreicht. Dieser Regler ist einfach in seinem Design, nur auf strukturelle Eigenschaften des Systems (nicht auf Systemparameter) angewiesen und bezieht keine Schätz- und Identifikationsmechanismen mit ein. Er besteht nur aus einer Rückführungsstrategie und einem einfachen Parameteradaptionsgesetz. Außerdem muß er nicht auf der Verwendung der Zeitableitung des Ausgangs basieren. Es wird gezeigt, daß bei Nutzung dieses Reglers die lambda-Bahnverfolgung und Stabilisierung der betrachteten, nichtlinear gestörten, mechanischen Systeme mit unbekannten Systemparametern erreicht wird. Die Rückführungsstrategie reduziert sich in ihrer Dimension (Anzahl der verwendeten Größen aus internen Differentialgleichungen), wenn die Untersuchung auf Systemklassen von Systemen mit einem Eingang, einem Ausgang und mit einem stabilen Polschwerpunkt in der offenen, linken, komplexen Halbebene beschränkt wird. Ein Beispiel für diesen Fall ist durch ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit einem Freiheitsgrad und mit indirekter Erregung über das Gehäuse gegeben. Numerische Simulationen der oben erwähnten, mechanischen Systeme demonstrieren, daß die in dieser Arbeit entworfenen, adaptiven Regler (Stabilisierer und lambda-Bahnverfolgungsregler) erfolgreich arbeiten.



Scheibner, Wolfgang; Feustel, Mathias; Möhring, Uwe; Zentner, Lena; Schilling, Cornelius; Witte, Hartmut
Application of textiles in material-locked joints for biomechatronic engineering :
Textile Materialien in stoffschlüssigen Gelenken für die Biomechatronik. - In: Band- und Flechtindustrie, ISSN 1432-3745, Bd. 41 (2004), 4, S. 120

Zentner, Lena; Kolev, Emil; Keskeny, Jozsef
Analyses of compliant structures to design a robot manipulator. - In: Automation and application of information technology, (2004), S. 74-77

Kolev, Emil; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
Diskretnaja i nepreryvnaja modeli dviženija červja :
Discrete and continuous model worm-like locomotion. - In: Automation and application of information technology, (2004), S. 52-55

Zimmermann, Klaus;
Mathematical models and prototypes of worm-like motion systems using magnetic materials. - In: Proceedings of Romansy 2004, the 15th CISM-IFToMM Symposium on Robot Design, Dynamics and Control, (2004), insges. 9 S.

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Steigenberger, Joachim; Pivovarov, Mikhail
An approach to worm-like motion. - In: Proceedings, (2004), insges. 2 S.

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.
Modelling of worm-like motion systems with magneto-elastic elements. - In: Physica status solidi, ISSN 1610-1642, Bd. 1 (2004), 12, S. 3706-3709

http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200405540
Zentner, Lena; Böhm, Valter; Bögelsack, Gerhard; Zimmermann, Klaus; Schilling, Cornelius; Blickhan, Reinhard; Witte , Hartmut
Spider legs - or : on the stability behaviour of elastic beams under internal pressure. - In: First International Industrial Conference Bionik 2004, (2004), S. 143-150

Ionescu, Theodor; Bögelsack, Gerhard; Bögelsack, Gerhard *1932-2011*; Leinonen, Tatu
Past, present and future in mechanism and machine science terminology. - In: International Symposium on History of Machines and Mechanisms, (2004), S. 27-33

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.
Travelling waves on a free surface of a magnetic fluid layer. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 272/276 (2004), 3, S. 2343-2344

http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2003.12.966
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.
Waves on the surface of a magnetic fluid layer in a traveling magnetic field. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 268 (2004), 1/2, S. 227-231

http://dx.doi.org/10.1016/S0304-8853(03)00503-1
Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Steffen, O.
Computergestützte Simulation der Dynamik einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPM-Maschine). - In: Sensoren und Messsysteme 2004, (2004), S. 739-746

Schneider, Anatoli; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
Stability of a "manipulator-drill" system with force control and time delay. - In: Technische Mechanik, ISSN 0232-3869, Bd. 24 (2004), 1, S. 51-60

Dietrich, Johannes; Oberthür, Siegfried; Preuß, Roman; Voges, Danja; Meier, Petra
Development of a peristaltically actuated device for the minimal invasive surgery with a haptic sensor array. - In: Micro- and nanostructures of biological systems, (2004), S. 66-89

Meier, Petra; Preuß, R.; Oberthür, Siegfried
Development of an artificial worm for minimal invasive surgery. - In: Beiträge zur 38. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik im VDE - BMT 2004, 22 -24 September 2004, TU Ilmenau, (2004), S. 116-117

Grabow, Jörg;
Radiale Turbogebläse : Theorie und Entwurf. - VIII, 186 Bl. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2004
Keine Verlagsausgabe. Falsche Angaben im Impressum: ISBN XXX-XXX-XXX, Norderstedt : Books on Demand

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera; Turkov, Vladimir; Rozin, Alexander
Numerical simulation of a magnetic fluid surface dynamic in a travling magnetic field. - In: Session 1-3, (2004), S. 360-364

Zimmermann, Klaus; Ahranovich, Aliaksandr; Karpovich, Svyatoslav
Analysis and synthesis of differential analyzers for holonomic automatic systems. - In: Session 1-3, (2004), S. 246-251

El-Chammas, Manar; Dietrich, Johannes; Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus
Optimising the trajectories of various modular robot configurations by employing genetic algorithms. - In: Session 1-3, (2004), S. 229-233

Blankenhagen, Carsten; Böhm, Walter; Gall, Dietrich; Hartung, Gerd; Schäfer, Jürgen A.; Sommer, Jürgen
Grundlagenuntersuchungen an herkömmlichen Hochspannungsleuchtröhren (HSLR). - In: Licht, ISSN 0024-2861, Bd. 56 (2004), 3, S. 208-216

Zimmermann, Klaus; Weiß, Mathias; Stauche, Silke
Lehrsoftware im Fachgebiet Technische Mechanik. - In: Tagungsband, (2004), S. 123-125

In einem Fach wie Technische Mechanik, bei der die Wissensanwendung unmittelbar mit der Umsetzung mathematischer Kenntnisse und rechnergestützter Methoden verbunden ist, sind natürlich Versuche unternommen worden, auch die Wissensaneignung rechnerunterstützt zu realisieren. In der überwiegenden Mehrzahl der Arbeiten wird dabei Software vorgestellt, die im wesentlichen den formalen Rechenprozeß (z.B.: das Lösen von Gleichungssystemen, das Integrieren von Differentialgleichungen etc.) erleichtern soll. Der wesentliche Schwerpunkt bei der Erarbeitung der vorliegenden Software liegt in der Vermittlung der notwendigen (und immer wieder schwierigen) Lehrinhalte im Zusammenhang mit der Modellbildung.



Meier, Petra; Khader, Samer; Preuß, Roman; Dietrich, Johannes; Voges, Danja
Uniaxial and equi-biaxial tension tests of silicone elastomer. - In: Constitutive models for rubber III, (2003), S. 99-106

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Steigenberger, Joachim;
On artificial worms as chain of mass points. - In: Proceedings of the Sixth International Conference on Climbing and Walking Robots and Their Supporting Technologies, CLAWAR 2003, (2003), S. 11-18

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Huang, Jianjun; Steigenberger, Joachim
An approach to the modelling of worm-like motion systems with finite degree of freedom - first steps in technical realization. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 2 (2003), 1, S. 529-530

http://dx.doi.org/10.1002/pamm.200310246
Zimmermann, Klaus; Weiss, Mathias; Stauche, Silke; Schmidt, I.; Zentner, Lena
Schwingungslehre - mit E-learning zum Easy Learning. - In: Tagungsband, (2003), S. 67-70

Heiser, André;
Synthese komplexer Bahnbewegungen mittels Spline-Funktionen für die automatisierte Montage, 2003. - III, 157 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2003
Literaturverz. S. 140 - 154

In der vorliegenden Arbeit wird die problemorientierte Gestaltung von Algorithmen für die Bewegungssteuerung von Montagesystemen mittels Splines behandelt. Es werden Steuerfunktionen für Positioniersysteme entworfen, welche auf die unterschiedlichsten Bewegungsaufgaben entsprechend den Erfordernissen der industriellen Praxis zugeschnitten werden können. Das Zusammenfassen der Elementarbewegungen zu komplexen Bewegungsvorgängen bei gleichzeitiger Berücksichtigung der technologischen Anforderungen in den einzelnen Bewegungsabschnitten wird anhand eines definierten Montagezyklus demonstriert. Die Bewegungserzeugung wird ausgehend von der technologischen Aufgabe bis hin zur Führungsgrössengenerierung für das Antriebssystem der Manipulationseinrichtung betrachtet. Dabei steht neben der Minimierung der Montagezykluszeit auch die praxisgerechte Auslegung der Anwenderschnittstelle im Mittelpunkt der Betrachtungen. Anhand von Testergebnissen an einem Schwenkarmroboter vom Typ SCARA werden die Besonderheiten und Vorzüge dieser Steuerungsart vorgestellt. Die vorliegende Arbeit zielt insbesondere auf Anwendungen in der flexiblen Montage mit einem hohen Anteil von Handhabungsvorgängen in komplizierten Arbeitsräumen.



Gerlach, Erik;
Mehrkörperdynamische Simulationen und experimentelle Untersuchungen zur Bahngenauigkeit von Industrierobotern mit SCARA-Struktur
1. Aufl. - Göttingen : Cuvillier, 2003. - VI, 87 S : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2003
ISBN 3-89873-868-X

Bei vielen industriellen Automatisierungslösungen werden immer noch aufwendige Sonderlösungen für Handhabungssysteme eingesetzt. Dabei bieten sich ausgereifte Standardgeräte als Alternative an. Industrieroboter (IR) lassen sich dank umfangreicher Schnittstellen und einfacher Programmierung gut in komplexe Produktionsumgebungen einbinden. Ein Argument gegen den Einsatz eines Industrieroboters scheint die mangelnde Bahngenauigkeit bzw. der große Aufwand zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit zu sein. Das Ziel dieser Arbeit war daher die vorhandene Bahngenauigkeit von Industrierobotern mit SCARA-Struktur zu untersuchen und zu verbessern. Dabei sollte der Roboter als mechatronisches System betrachtet werden, um die Einflüsse aller Komponenten auf das Bewegungsverhalten des Roboters berücksichtigt zu können. Für die Untersuchung komplexer Systeme haben sich in der Mechatronik Computersimulationen bewährt, um qualitative und quantitative Aussagen über das Systemverhalten zu gewinnen. Aus der formulierten Zielstellung ergaben sich drei Bestandteile (Modellbildung von IR, Simulation und Messung von Bahnbewegungen)für die vorgelegte Arbeit. Die Modellierung des SCARA-Roboter erfolgte als Mehrkörpersystem (MKS), da die Mehrkörperdynamik prädestiniert für die Analyse von Bewegungssystemen ist. Erweitert um elektrische und informationsverarbeiteten Komponenten liegt als Ergebnis der Arbeit ein Simulationsmodell vor, das sich gut für die rechnergestützte Simulation des Bewegungsverhalten eignet. Ein Schwerpunkt der theoretischen wie experimentellen Modellbildung waren die Antriebssysteme im Roboter. Die Simulation des Gesamtsystems erfolgte mit blockorientierten Simulationsprogramm Matlab/Simulink, dabei wurden die elektrischen und informationsverarbeitenden Komponenten in Simulink und die mechanischen Teilsysteme mittels des Mehrkörpersimulationsprogramms alaska erstellt. Auf Grundlage dieser Simulationsmodelle konnte die Dynamik und speziell das Bahnverhalten des Roboters untersucht werden. Für die Messung von geradlinigen Bahnen gibt es für Industrieroboter keine Vorschriften, sodass ein geeignetes Messverfahren für diese Messaufgabe ausgewählt wurde. Mittels des verwendeten Messaufbaues konnte das Bewegungsverhalten des SCARA-Roboters beim Fahren einer geradlinigen Bahn untersucht werden. Beim Vergleich der Ergebnisse von Simulation und Messung am Roboter zeigte sich eine qualitativ gute Übereinstimmung im Bewegungsverhaltens des erstellten Simulationsmodells mit dem realen System. Das Modell ist somit geeignet für die rechnergestützte Untersuchung der Dynamik von SCARA-Robotern eingesetzt zu werden. Mit den erreichten Ergebnissen ist es nun möglich abzuschätzen, welche dynamische Bahngenauigkeit erreicht werden kann und wann dieser Standardindustrieroboter eine ernsthafte Alternative zu aufwendigen Sonderlösungen darstellt.



Zimmermann, Klaus;
Technische Mechanik - multimedial : [Übungsbuch mit Multimedia-Software] ; mit 45 Tabellen
2., verb. Aufl.. - München [u.a.] : Fachbuchverl. Leipzig im Carl Hanser Verl., 2003. - 207 S. ISBN 3446225358
CD-ROM u.d.T.: Modellbildung in der Technischen Mechanik

Christen, Gerhard; Pfefferkorn, Henning
Mehr Beweglichkeit : nachgiebige Mechanismen eignen sich als elastische Getriebe. - In: Maschinenmarkt, ISSN 0341-5775, (2002), 37, S. 34-36, 38-40

Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Motion of a magnet or a paramagnetic body near a boundary of a magnetic fluid : influence of the boundary effect on rheology of the magnetizable suspension. - In: Fundamental and applied MHD, 2002, S. IV-41-IV-48
Richtiger Name des Verf.: Igor Zeidis

Pfefferkorn, Henning; Christen, Gerhard;
Nachgiebige Mechanismen für Präzisionsführungen. - Ilmenau : Techn. Univ.. - S. 570 - 571Literaturverz. S. 571

http://www.dmg-lib.org/dmglib/handler?docum=3528009
Schmidt, A.; Christen, Gerhard
Universeller Kompaktiermodul für Leergut. - In: Kurvengetriebe, Koppelgetriebe, gesteuerte Antriebe, (2002), S. 351-366

Zentner, Lena; Böhm, Valter; Stoyanov, S.
Classification and FEM modelling of flexible structures with fluid drive. - In: Proceedings of the Fifth International Conference on Climbing and Walking Robots and Their Supporting Technologies, CLAWAR 2002, (2002), S. 227-232

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Steigenberger, Joachim;
Mathematical model of worm-like motion systems with finite and infinite degree of freedom. - In: RoManSy 14, (2002), S. 507-515

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Steigenberger, Joachim;
Oscillation of a chain of pointmasses as a model of worm-like motion systems. - In: Book of abstracts, (2002), S. 49

Zimmermann, Klaus;
Stability of mechanical systems with symmetric position/force control and time delay. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 1 (2002), 1, S. 117-118

http://dx.doi.org/10.1002/1617-7061(200203)1:1<117::AID-PAMM117>3.0.CO;2-J
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Steigenberger, Joachim;
Large deformations of axisymmetric membranes filled with incompressible fluid as an artificial worm segment. - In: Proceedings of the Fifth International Conference on Climbing and Walking Robots and Their Supporting Technologies, CLAWAR 2002, (2002), S. 219-226

Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik; Jianjun, Huang; Behn, Carsten; Siebenhaar, C.
Simulation von biologisch-inspirierten Antrieben. - In: Advanced driving systems, (2002), S. 483-491

Stoyanov, Stefan; Kolev, Emil
Verifikationsmethode zur Bestimmung der Belastung an Bauteilen durch Simulation und Experiment. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 4 S.

Mitrev, Rosen; Kolev, Emil; Stoyanov, Stefan
Computer aided optimization of a crane hook : Konstruktionselemente und Baugruppen. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 8 S.

Zentner, Lena; Turkevi-Nagy, Nándor; Böhm, Valter
Entwicklung von fluidischen Elastomeraktuatoren. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 4 S.

Huang, Jianjun; Zimmermann, Klaus
Entwicklung eines apedalen Lokomotionssystems nach biologischem Vorbild : Modellbildung, Simulation und Prototyp. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 6 S.

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Naletova, Vera; Turkov, Vladimir
Ein mathematisches Modell für eine wurmartige Lokomotion basierend auf der Bewegung einer magnetischen Flüssigkeit in einem Magnetfeld. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 9 S.

Lysenko, Victor; Zimmermann, Klaus
Entwurfsmethoden für die Entwicklung beweglicher Sonden nach biologischem Vorbild. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 2 S.

Zentner, Lena;
Wirkung geometrischer Größe einer Struktur auf dynamische Prozesse. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 4 S.

Abeßer, Harald; Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Zimmermann, Klaus
Steueraufgaben für Zweiarm-Roboter mit muskelähnlichen Antrieben. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 21 S.

Pavloviâc, Nenad T.; Christen, Gerhard
Experimental research of the compliant four-bar linkage for rectilinear guiding. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 6 S.

Wazan, Ousama;
Untersuchungen von Koppelmechanismen für Punktgeradführungen. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 12 S.

Zimmermann, Klaus;
Ein mathematisches Modell für die Bewegung eines Manipulators mit Werkzeugsystem unter Berücksichtigung von Totzeit in der Steuerung. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 2 S.

Schmidt, Andreas; Gergs, Roy; Pfefferkorn, Henning; Christen, Gerhard
Entwicklung einer Kompaktiereinheit als Bestandteil eines Leergutrücknahmesystems. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 2 S.

Heiser, André;
Synthese komplexer Bewegungsvorgänge mittels Splinefunktionen für SCARA-Roboter in der automatisierten Montage. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 9 S.

Braunschweig, Marion; Weiß, Mathias; Zimmermann, Klaus; Grabow, Jörg; Kurz, T.
RoboCup : eine Mechatronikanwendung in der universitären Ausbildung. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 3 S.

Grabow, Jörg; Tretjakow, S.; Valetov, Vyacheslav A.
Zur experimentellen Erforschung der Mikrogeometrie von Reibungsoberflächen. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 6 S.

Zentner, Lena;
Formstabilität elastischer Strukturen. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 5 S.

Zimmermann, Klaus; Grabow, Jörg; Gerlach, Erik
Computergestützte Simulation der Dynamik von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen). - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 2 S.

Zimmermann, Klaus; Weiß, Mathias; Lysenko, Victor; Grabow, Silke; Schmidt, Ines; Schilling, Cornelius; Zentner, Lena; Braunschweig, Marion
Mechanik, Mechatronik, Biomechatronik : über das Erlebnis zum Wissen. - In: 47. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, (2002), insges. 5 S.

Weiß, Mathias; Zimmermann, Klaus; Braunschweig, Marion; Grabow, Jörg
Robocup - nur spielerische Mechatronik?. - In: Advanced driving systems, (2002), S. 159-166

The goal of RoboCup is to force and demonstrate the abilities of autonomous robotic systems in a competition of several teams. In the "small-size-league" the teams consist of five players and one specialised goal-keeper who play on a football ground in the size of a table-tennis field. The robots are remote controlled by a PC via infrared or radio data link. The global vision system uses a colour CCD-camera mounted above the field and a frame grabber connected to a PC. The computer detects the coloured markings of the robots and then calculates their position and orientation. The robots are designed in a wheelchair configuration powered by two DC-Motors. The position is measured by optical incremental encoders fixed on the motor axis. A board using a microcontroller was developed for controlling the movement, managing the data exchange with the PC via infrared and for some other functions. A kicking mechanism is implemented in the field players to improve their capabilities to play soccer. Our goal is to demonstrate the interactions between mechanics, electronics and software.



Zimmermann, Klaus; Weiß, Mathias; Lysenko, Victor; Grabow, Silke; Schmidt, Ines; Schilling, Cornelius; Zentner, Lena; Braunschweig, Marion
Mechanik, Mechatronik, Biomechatronik - über das Erlebnis zum Wissen. - In: Tagungsband, (2002), S. 52-57

Kolev, Emil; Stoyanov, Stefan
Festigkeitsuntersuchungen an Kuttermessern für die Fleischindustrie : Konstruktionselemente und Baugruppen. - In: Maschinenbau und Nanotechnik - Hochtechnologien des 21. Jahrhunderts, (2002), S. 53-54

Grabow, Jörg;
Berechnung hochdrehender Turboverdichter. - In: Maschinenbau und Nanotechnik - Hochtechnologien des 21. Jahrhunderts, (2002), S. 39-40

Naletova, Vera A.; Kvitantsev, A. S.; Turkov, Vladimir A.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Study of Couette flow of magnetizable suspensions in a magnetic field with consideration for the magnetic forces acting on the particles near the walls. - In: Advances in fluid mechanics IV :[papers presented at the Forth International Conference on the Advances in Fluid Mechanics, held at Ghent in May 2002], (2002), S. 367-376

Yin, Xianjun;
On large deformations of elastic circular arcs : bifurcation, stability and application as spring and gripper elements, 2002. - Online-Ressource (PDF-Datei: 138 S., 1428 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2002
Parallel als Druckausg. erschienen

Das Thema dieser Arbeit kommt von einem praktischen Greifersystem, dessen vereinfachter wesentlicher Teil aus zwei eingespannt-freien elastischen kreisförmigen Stäben besteht. Die Bewegung dieses Systems wird durch die Deformationen der elastischen kreisförmigen Stäbe unter der am freien Ende angreifenden Kraft erzeugt. Die Bögen können von jeder möglichen Form sein, von der Geraden bis zum gesamten geschlitzten Ring, und ihre Deformationen können beliebig groß sein. - Nach Aufstellung eines mathematischen Modells in Form eines Randwertproblems mit drei Parametern (Kraft, Bogengeometrie) für eine Pendelgleichung wurden Vielfachheit und Stabilität der Lösungen der Pendelgleichung und der entsprechenden Stabkonfigurationen untersucht. Dazu wurde eine leistungsfähige Methode, die "Mannigfaltigkeitsmethode", entwickelt, die auf der Diskussion der Phasenkurven der Pendelgleichung basiert. Mit dieser Methode, gekoppelt mit numerischen Rechnungen, wurden die Bifurkationsdiagramme der Pendelgleichung für verschiedene Kombinationen der Parameter erhalten. Die Bifurkationsdiagramme zeigten Vielfachheit und die Änderungstendenz der Lösungen der Pendelgleichung und der Konfigurationen der verformten Bögen an. Die Bifurkationsdiagramme zeigen für unser Modell turningpoint-, pitchfork- und X-Bifurkationen sowie Hysteresis. Die Kraftparameterebene wurde nach der Zahl der Lösungen in Gebiete unterteilt. Die theoretische Untersuchung des Halbringes mittels elliptischer Integrale wurde durchgeführt, und das Resultat zeigt eine genaue Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Mannifaltigkeitsmethode. Für die Stabilitätsuntersuchung versagen klassische Methoden, da das Randwertproblem für die Pendelgleichung keine trivialen Lösungen besitzt. Deshalb wurde die Pendelgleichung in eine parabolische partielle Differentialgleichung eingebettet, die Liapunovstabilität der stationären Lösungen definiert die "P-Stabilität" der Konfiguration des elastischen Stabes. Stabilitätsaussagen werden mit Hilfe der Methode der ersten Näherung und unter Benutzung der Bifurkationsfunktion gewonnen. Zum ursprünglichen praktischen Problem "Feder und Greifer" wurden als Ergebnisse Federcharakteristiken, insbesondere Kraft-Verschiebungs-Kennlinien für kreisbogenförmige Federn gefunden. Für Greifer, die aus zwei symmetrisch angeordneten elastischen Kreisbögen bestehen, wurden Zusammenhänge von Öffnungsweite, Haftreibungskoeffzient und Haltekraft gefunden. - Die Methoden, die in dieser Arbeit eingeführt werden, besonders die Mannifaltigkeitsmethode und P-Stabilität, können für die Untersuchung von Bifurkation und Stabilität bei allgemeinen gewöhnlichen Dfferentialgleichungen nützlich sein.



http://d-nb.info/974857106
Huang, Jianjun;
Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion, 2002. - Online-Ressource (PDF-Datei: 136 S., 4082 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2002
Parallel als Druckausg. erschienen

Die vorgelegte Arbeit soll einen Beitrag zur Forschung im interdisziplinären Gebiet der Biomechatronik leisten. Es wurde ein Konzept zur Umsetzung einer undulatorischen Lokomotion zur Entwicklung technischer Bewegungssysteme nach biologischem Vorbild (Regenwurm), basierend auf Starrkörpersystemen mathematisch beschrieben und in Prototypen technisch umgesetzt. Gegenüber anderen Bewegungsformen in der Natur, wie z.B. dem Laufen mit Beinen liegt das ingenieurtechnische Interesse für biomimetische Roboter nach dem Peristaltik-Prinzip des Regenwurmes in (1) der Miniaturisierbarkeit der nachgiebigen Strukturen; (2) der Bewegungsmöglichkeit auf vielgestaltigem Untergrund; (3) der Einfachheit des Bewegungsapparates. Ausgehend von den Arbeiten von MILLER und STEIGENBERGER wurden die zwei Aspekte (1) nichtsymmetrische Reibung und (2) periodische interne Deformationen und ihre Auskopplung über Wechselwirkungen mit der Umwelt als wesentlich für eine wurmartige Fortbewegung definiert. Im mathematisch-mechanischen Teil der Arbeit wurden deshalb speziell diese Phänomene mit analytischen und computergestützten Methoden untersucht. Es sind Ansteueralgorithmen (gaits) für wurmartige Roboter, basierend auf Feder-Masse-Modellen mit dem Freiheitsgrad grösser zwei vorgeschlagen worden, die eine maximale Vortriebsgeschwindigkeit realisieren. Die Computersimulation des dynamischen Verhaltens dieser Modelle bzw. der entwickelten Prototypen erfolgte mit dem System ALASKA. Die experimentelle Evaluierung der numerischen Ergebnisse ergab in vielen Fällen gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Zur praktischen Erprobung der gefundenen Bewegungsprinzipien und der Steuer-algorithmen wurden zwei Prototypen mit elektromechanischem Antrieb und Unwuchtsystem zur Erzeugung der internen periodischen Erregung konstruiert und getestet. Ein dritter miniaturisierter Prototyp arbeitet mit einem Piezoaktuator als Antrieb und einem nachgiebigen Mechanismus als Übertragungselement. Potentielle Einsatzgebiete für wurmartige Roboter sind vor allem im Bereich der Mikro- und Nanotechnik zu erwarten. In diesen Dimensionen sind Bewegungssysteme in ihrer klassischen Form, wie z.B. als "wheeled locomotion systems" und "legged locomotion systems", nicht geeignet für zukünftige potentielle Einsatzumgebungen, die u.a. durch das spezielle Terrain oder eingeschränkte Raumbedingungen gekennzeichnet sind. Apedale peristaltische Bewegungsprinzipien können bei der Entwicklung neuartiger Bewegungssysteme im Mikrobereich eine grosse Rolle spielen. Erste Entwicklungen für die minimal-invasive Chirurgie werden von mehreren Forschergruppen national und international vorangetrieben. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass weitere Forschungen notwendig sind.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=1177
Kunz, Holger;
Peristaltische Lokomotion : Modellbildung und technische Applikation. - Zürich : Books on Demand, 2002. - IX, 98 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2001
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Zimmermann, Klaus;
Technische Mechanik - multimedial : [Übungsbuch mit Multimedia-Software] ; mit 45 Tabellen. - München : Fachbuchverl. Leipzig im Carl Hanser Verl., 2001. - 207 S ISBN 3-446-21386-4
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Technische Mechanik - multimedial : [Übungsbuch mit Multimedia-Software]; mit 45 Tabellen. - München : Fachbuchverl. Leipzig im Carl Hanser Verl., 2000. - 207 S. ISBN 3-446-21386-4
CD-ROM: Modellbildung in der technischen Mechanik

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Hydraulischer Antrieb im Spinnenbein - Modell und technische Umsetzung. - In: Motion systems, (1998), S. 92-93

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Zweistrahl-Multiplex LDA mit integriert-optischem Schalter und Phasenmodulator. - In: Vortragsreihen, (1996), S. 531-534

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Festigkeitslehre, Teil 4. - Technische Mechanik, Festigkeitslehre ; 4. Lehrbrief. - Hamburg [u.a.] : VMS, Verl. Modernes Studieren, 1995. - 40 S.. - (Studienliteratur technische Mechanik)Literaturverz. S. 39

Zimmermann, Klaus; Mettke, Reinhard
Festigkeitslehre, Teil 3. - Technische Mechanik, Festigkeitslehre ; 3. Lehrbrief. - Hamburg [u.a.] : VMS, Verl. Modernes Studieren, 1995. - 42 S.. - (Studienliteratur technische Mechanik)Literaturverz. S. 42

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Auswahl fünfgliedriger Koppelmechanismen für Bewegungsaufgaben mittels schneller Bahnkurvensimulation. - In: Konstruktion, ISSN 0373-3300, Bd. 46 (1994), 4, S. 155-160

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Simulation des Schwingverhaltens gekoppelter Schwinger der Feinwerktechnik. - In: Vortragsreihen Softwaretechnik/Prozeßinformatik, Kommunikation in verteilten Systemen, Computergrafik, Datenbanken, Parallele Systeme, Anwendungen von Petri-Netzen, OMSI-Workshop, (1994), S. 311-313

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Zur Untersuchung von Bahnkurven fünfgliedriger Koppelmechanismen. - In: Tätigkeitsbericht / Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, (1992), S. 68-75

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Ein Lösungsvorschlag für große lineare Dgl.-Systeme mechanisch steifer Starrkörpersysteme unter dem Gesichtspunkt der Parameteridentifikation. - In: Tätigkeitsbericht / Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau, (1992), S. 60-65

Christen, Gerhard;
Modellierung rechnergesteuerter Antriebssysteme mit Zugmittelgetrieben. - In: Posters II, (1991), S. 1279-1282

Karguth, Andreas; Heiser, André
Steuerung von Positioniersystemen mit Splinefunktionen. - In: Messen, Steuern, Regeln, ISSN 0026-0347, Bd. 34 (1991), 2, S. 68-70

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Kallenbach, Eberhard; Bögelsack, Gerhard
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Literaturangaben


   

... until 2022 from the Technical Mechanics Group

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Created on: Thu, 20 Jun 2024 23:10:03 +0200 in 2.8042 sec


Prem, Nina; Schale, Florian; Sindersberger, Dirk; Zimmermann, Klaus
Thermosensitive elastomers for shape adaption of soft robotic systems. - In: ACTUATOR 2022: International Conference and Exhibition on New Actuator Systems and Applications, (2022), S. 290-293

Recent advances in soft robotics demonstrate robust and versatile performance for dexterous grasping and manipulation. Due to their intrinsically mechanical compliance, soft robots passively adapt their shape to an object during contact. This results in large contact patches and damping of contact dynamics, which compensates for uncertainties in sensing, modeling, and actuation. Therefore, the behavior of soft robots is also determined by contact-based deformations. Building these kinds of compliant structures by using thermosensitive hybrid materials of polydimethylsiloxane and different thermoplastic filler particles as thermosensitive elastomers (TSE) the design could receive a higher versatility and extra functionality. Thermosensitive elastomers (TSE) consist of an addition curing RTV-2 silicone in which different thermoplastic filler particles are embedded. These thermoplastic particles are polycaprolactone (PCL), polyamide-6 (PA6) and polymethylmethacrylat (PMMA) with melting temperatures in the range of 58deg C to 215deg C. In certain examinations, soft magnetic carbonyl iron particles (CIP) are also included to prove the compatibility of the two particle types within the polydimethylsiloxane (PDMS) matrix and to utilize a possible symbiotic effect of the particle mixtures. By means of mechanical tests, the thermosensitive hybrid materials enable shape changes by applying both external heat and stress/force. With a low melting point in the range of 58 deg C to 60 deg C, PCL offers good application potential compared to the other thermoplastic filler particles. One of PCL most important and application-oriented phenomena is the shape memory effect, which results from internal stresses between elastomer molecular chains and PCL particles. Whereby the external shape arises from the equilibrium of all internal forces. Consequently, the material composites can be referred to as both TSE and shape memory polymers (SMP). By adding soft magnetic particles, an accelerated heat distribution within the samples was detected, which results in a faster occurrence of the corresponding effects. Micro computed tomography (mu-CT) and scanning electron microscopy (SEM) examinations indicate that a homogeneous distribution of PCL and CIP within the thermosensitive elastomer prevails. Moreover, the TSE additionally contain CIP can combine the benefits of temperature and magnetic field effects. Due to the material's ability to imprint or adapt to any shape, thermosensitive elastomers as shape memory polymers represent a potential opportunity to modify pre-existing robotic components. Depending on the initial design and force application, the modified systems could adapt to almost any shape under the influence of temperature. This leads to their use in a variety of applications in adaptive sensors, smart actuators, and gripping elements in soft robotics.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9899226
Merker, Lukas;
Vibrissa-inspired tactile sensing : object shape detection under frictional influences. - Ilmenau, 2022. - x, 154 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Die taktile Sensorik birgt große Potenziale für die Weiterentwicklung von technischen Geräten und deren Einsatz in unstrukturierten Umgebungen. Häufig sind taktile Sensorkonzepte von der Natur inspiriert, z.B. durch die mystazialen Vibrissen der Ratte. Diese speziellen Tasthaare dienen als multimodale Sensoren, die Ratten u.a. zur Objektformkennung befähigen. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen biomimetischen Ansatz mit dem Ziel der Weiterentwicklung vibrissen-inspirierter Sensoren für die 3D-Objektformerkennung unter Reibungseinflüssen. Das biologische Vorbild Vibrisse besteht im Wesentlichen aus einem hochflexiblen, nicht-sensorischen Haarschaft, welcher in seinen eigenen Follikel-Sinus-Komplex eingebettet ist, der sensorische Komponenten enthält. Diese Struktur wird abstrahiert und auf ein technisches Sensorkonzept übertragen. Zur Realisierung der Objektabtastung wird ein schlanker, einseitig eingespannter, hochflexibler Taster durch lineare Verschiebung der Einspannung entlang des Zielobjekts gestrichen. Die resultierenden Lagerreaktionen dienen als einzige Observablen für die Rekonstruktion von Kontaktpunktfolgen zwischen Taster und Objekt, die schließlich auf die Form des letzteren schließen lassen. Zu diesem Zweck wird das Sensorkonzept mechanisch modelliert und mithilfe von Modellgleichungen beschrieben. Aufbauend auf der Analyse der 2D-Objektabtastung und -Rekonstruktion unter Reibungseinflüssen wird das Modell auf den allgemeinen 3D Fall erweitert. In Simulationen und Experimenten wird die allgemeine Umsetzbarkeit der Objektformerkennung demonstriert. Simulationsbasierte Parameterstudien verdeutlichen zudem den Einfluss der (Coulomb) Reibung auf die Lagerreaktionen und die Rekonstruktionsergebnisse. Während die Lagerreaktionen signifikant von Reibungseffekten beeinflusst werden, ist der Fehler der rekonstruierten Kontaktpunkte reibungsinvariant (unbeeinflusst durch den Reibungskoeffizienten). Diese Erkenntnisse werden im Zusammenhang mit den experimentellen Ergebnissen diskutiert. Darüber hinaus wird für den Fall der 2D-Objektabtastung ein Ansatz zur Rekonstruktion von Reibungsparametern vorgestellt, für den ein erster experimenteller Konzeptnachweis erbracht wird. Schließlich wird das Sensormodell mit Blick auf das biologische Vorbild durch Implementierung einer elastischen Lagerung und einer rotatorischen Abtastkinematik angepasst.



Becker, Tatiana; Stolbov, Oleg V.; Biller, Armin M.; Borin, Dmitry Yu.; Stolbova, Olga S.; Zimmermann, Klaus; Raikher, Yuriy L.
Shape-programmable cantilever made of a magnetoactive elastomer of mixed content. - In: Smart materials and structures, ISSN 1361-665X, Bd. 31 (2022), 10, 105021, S. 1-14

This work presents an approach to the macroscopic field-controlled mechanics of magnetoactive elastomers of mixed content, which are a special type of smart materials made of an elastic composite and a combination of two essentially different ferromagnetic fillers. High-coercive particles of NdFeB-alloy powder for the magnetically hard (MH) filler and carbonyl iron powder particles with nearly zero coercivity for the magnetically soft (MS) filler are usually used. The MH particles are tens-of-micron in size and impart to the elastomer a remanent magnetisation, whereas due to the MS particles of several microns in size, the elastomer acquires a high magnetic susceptibility. Since large MH particles once magnetised in a strong field possess their own fields to which the MS particles are susceptible, the overall elastomer magnetisation as well as its mechanical response greatly depends on the relative concentration of both fillers. This work particularly studies the bending deformation of horizontally fixed magnetoactive cantilevers with the permanent magnetisation along the length axis under the action of gravity and a vertically applied uniform magnetic field. The cantilevers of the same geometry and fixed NdFeB content but different carbonyl iron concentration are considered. The magnetomechanical model is developed based on the finite-strain theory assuming the plane-stress approximation of the two-dimensional cantilever of infinite width. The magnetic energy comprises two magnetic terms, one of which is qualitatively linear and the other one is quadratic in the applied field strength. The numerically calculated field-programmed equilibrium bending shapes of the cantilevers are compared with the experimentally observed shapes. The model provides good agreement with the experiment up to moderate concentrations of the MS filler, when the coefficients of customary interpolation formulas for the concentration dependencies of elastic modulus and magnetic susceptibility are properly adjusted.



https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac8f79
Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Gast, Simon; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Actuators based on a controlled particle-matrix interaction in magnetic hybrid materials for applications in locomotion and manipulation systems. - In: Magnetic hybrid-materials, (2022), S. 653-680

The paper deals with the investigation of magneto-sensitive elastomers (MSE) and their application in technical actuator systems. MSE consist of an elastic matrix containing suspended magnetically soft and/or hard particles. Additionally, they can also contain silicone oil, graphite particles, thermoplastic components, etc., in various concentrations in order to tune specific properties such as viscosity, conductivity and thermoelasticity, respectively. The focuses of investigations are the beneficial properties of MSE in prototypes for locomotion and manipulation purposes that possess an integrated sensor function. The research follows the principle of a model-based design, i.e. the working steps are ideation, mathematical modelling, material characterization as well as building first functional models (prototypes). The developed apedal (without legs) and non-wheeled locomotion systems use the interplay between material deformations and the mechanical motion in connection with the issues of control and stability. Non-linear friction phenomena lead to a monotonous forward motion of the systems. The aim of this study is the design of such mechanical structures, which reduce the control costs. The investigations deal with the movement and control of 'intelligent' mechanisms, for which the magnetically field-controlled particle-matrix interactions provide an appropriate approach. The presented grippers enclose partially gripped objects, which is an advantage for handling sensitive objects. Form-fit grippers with adaptable contour at the contact area enable a uniform pressure distribution on the surface of gripped objects. Furthermore, with the possibility of active shape adaptation, objects with significantly differing geometries can be gripped. To realise the desired active shape adaptation, the effect of field-induced plasticity of MSE is used. The first developed prototypes mainly confirm the functional principles as such without direct application. For this, besides the ability of locomotion and manipulation itself, further technological possibilities have to be added to the systems.



Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. - In: Magnetic hybrid-materials, (2022), S. 625-652

Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to inplane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.



Wittke, Martin; Wolf, Matthias; Weigert, Florian; Darnieder, Maximilian; Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Theska, René
Investigations on a torque-compensating adjustment drive for mechanically sensitive devices. - In: Proceedings of the 22nd International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2022), S. 81-82

Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana
Parametric instability of a vertically driven magnetic pendulum with eddy-current braking by a flat plate. - In: Nonlinear dynamics, ISSN 1573-269X, Bd. 109 (2022), 2, S. 509-529

The vertically driven pendulum is one of the classical systems where parametric instability occurs. We study its behavior with an additional electromagnetic interaction caused by eddy currents in a nearby thick conducting plate that are induced when the bob is a magnetic dipole. The known analytical expressions of the induced electromagnetic force and torque acting on the dipole are valid in the quasistatic limit, i.e., when magnetic diffusivity of the plate is sufficiently high to ensure an equilibrium between magnetic field advection and diffusion. The equation of motion of the vertically driven pendulum is derived assuming that its magnetic dipole moment is aligned with the axis of rotation and that the conducting plate is horizontal. The vertical position of the pendulum remains an equilibrium with the electromagnetic interaction. Conditions for instability of this equilibrium are derived analytically by the harmonic balance method for the subharmonic and harmonic resonances in the limit of weak electromagnetic interaction. The analytical stability boundaries agree with the results of numerical Floquet analysis for these conditions but differ substantially when the electromagnetic interaction is strong. The numerical analysis demonstrates that the area of harmonic instability can become doubly connected. Bifurcation diagrams obtained numerically show the co-existence of stable periodic orbits in such conditions. For moderately strong driving, chaotic motions can be maintained for the subharmonic instability.



https://doi.org/10.1007/s11071-022-07555-8
Behn, Carsten; Will, Christoph; Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim
Bending vibration systems which are complementary with respect to eigenvalues. - In: Mechatronics and life sciences, (2022), S. 277-286

In developing prototypes, one fundamental activity is to model appropriate systems which mimic fundamental features of (biological) paradigms. In this way, we set up different models for the investigation of natural frequencies. The aim is to detect object contacts of technical sensors in observing their vibration behavior. For this, we compare the range and the shift of natural frequencies determined from the analysis of the arising two-point boundary-value problems. In particular, we found two systems with complementary spectra of eigenvalues. Considering boundary damping we analyzed these eigenvalues in the first octant of the complex plane. The fundamental result is that these two systems offer no common eigenvalue, they are alternative. This is an interesting and unique observation.



Zimmermann, Martin;
Untersuchung des Feuchtetransportes und dessen Einfluss auf Form- und Eigenspannungsänderungen in Furnieren. - Düren : Shaker Verlag, 2022. - XII, 181 Seiten. - (Berichte aus der Mechanik)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

ISBN 978-3-8440-8523-5

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, die Untersuchung der Feuchteaufnahme und -weiterleitung in Furnieren, wie sie während der industriellen Verarbeitung vorkommt. Es steht damit die Aufnahme von freiem Wasser einschließlich der damit einhergehenden quellungsbedingten Form- und Eigenspannungsänderungen bei Furnieren im Fokus der Betrachtungen. Hierzu werden, nach Vorstellung ausgewählter Grundlagen aus Forschung und Technik, Konzeption und Realisierung experimenteller Untersuchungen erläutert. Die am Beispiel von Rotbuchenfurnier (Fagus Sylvatica L.) durchgeführten Untersuchungen unterscheiden dabei zwischen Versuchsreihen zur Wasseraufnahme und der damit verbundenen Verformungsentwicklung. Die Randbedingungen der verschiedenen Messreihen berücksichtigen für Holz typische anatomische Eigenschaften (z. B. Faserausrichtung), relevante Befeuchtungsszenarien aus der industriellen Furnierverarbeitung (einseitige, zweiseitige und allseitige Feuchtezufuhr) sowie Einflüsse aus der Furnierherstellung (Unterscheidung rissbehaftete/rissfreie Furniersichtseite). Darüber hinaus ist die mathematische Beschreibung der Feuchtebewegung in Furnieren Gegenstand der Arbeit. So werden auf Basis der Fick’schen Diffusionsgesetze, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, feuchteabhängige Kennwertverläufe (Transportkoeffizienten) für longitudinalen und radialen Feuchtetransport in Rotbuchenfurnier abgeleitet. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Feuchtetransport in Furnier sehr gut mit Hilfe der entwickelten Modelle beschrieben werden kann. Ferner werden, basierend auf den durchgeführten Untersuchungen, ein für Furnier typisches und von Vollholzerzeugnissen abweichendes Verformungsverhalten herausgestellt sowie allgemeine Aussagen zur Formstabilität von Furnieren abgeleitet.



Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Gast, Simon; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Actuators based on a controlled particle-matrix interaction in magnetic hybrid materials for applications in locomotion and manipulation systems. - In: Physical sciences reviews, ISSN 2365-659X, Bd. 7 (2022), 11, S. 1263-1290

The paper deals with the investigation of magneto-sensitive elastomers (MSE) and their application in technical actuator systems. MSE consist of an elastic matrix containing suspended magnetically soft and/or hard particles. Additionally, they can also contain silicone oil, graphite particles, thermoplastic components, etc., in various concentrations in order to tune specific properties such as viscosity, conductivity and thermoelasticity, respectively. The focuses of investigations are the beneficial properties of MSE in prototypes for locomotion and manipulation purposes that possess an integrated sensor function. The research follows the principle of a model-based design, i.e. the working steps are ideation, mathematical modelling, material characterization as well as building first functional models (prototypes). The developed apedal (without legs) and non-wheeled locomotion systems use the interplay between material deformations and the mechanical motion in connection with the issues of control and stability. Non-linear friction phenomena lead to a monotonous forward motion of the systems. The aim of this study is the design of such mechanical structures, which reduce the control costs. The investigations deal with the movement and control of 'intelligent' mechanisms, for which the magnetically field-controlled particle-matrix interactions provide an appropriate approach. The presented grippers enclose partially gripped objects, which is an advantage for handling sensitive objects. Form-fit grippers with adaptable contour at the contact area enable a uniform pressure distribution on the surface of gripped objects. Furthermore, with the possibility of active shape adaptation, objects with significantly differing geometries can be gripped. To realise the desired active shape adaptation, the effect of field-induced plasticity of MSE is used. The first developed prototypes mainly confirm the functional principles as such without direct application. For this, besides the ability of locomotion and manipulation itself, further technological possibilities have to be added to the systems. The first steps are therefore being taken towards integrated MSE based adaptive sensor systems.



https://doi.org/10.1515/psr-2019-0087
Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. - In: Physical sciences reviews, ISSN 2365-659X, Bd. 7 (2022), 10, S. 1063-1090

Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to in-plane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.



https://doi.org/10.1515/psr-2019-0125
Steinmeier, René;
Ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXIII, 120 Seiten)
Ilmenau, TU Ilmenau, Dissertation 2020

Der Gegenstand der Arbeit ist die Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben durch magnetisch kontrollierbare Fluide, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen unter Einbeziehung des Magnetfeldes und des Wärmestromes. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik gibt einen Überblick über magnetische und rheologische Flüssigkeiten und zeigt die Anwendungsmöglichkeiten magnetisch kontrollierbarer Fluide. In Voruntersuchungen wird der kraftverstärkende Einfluss des Ferrofluids im Luftspalt eines Eisenkreises dargestellt und mittels des FEM-Simulationswerkzeuges COMSOL nachgebildet und berechnet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Modellierung, bei der das Taylor-Couette-System die Basis bildet und die Navier-Stokes-Gleichungen das Strömungsverhalten im System beschreiben. Berechnungen zum Geschwindigkeitsfeld bei konstanter und variabler Viskosität werden durchgeführt und ein Temperaturmodell, angenähert an das Verhalten des Elektromotors, analytisch hergeleitet. Nach den theoretischen Untersuchungen am Taylor-Couette-Modell als Abstraktionsstufe für einen Elektromotor folgt die experimentelle Evaluierung am Prototyp einer ferrofluidunterstützten permanenterregten Synchronmaschine. Dem konstruktiven Entwicklungsprozess folgend, wird eine simulative Berechnung des Prototyps mit der FE-Software COMSOL durchgeführt. Die Messergebnisse zum Erwärmungs- und Dauerlauf werden detailliert dargestellt. Das Ferrofluid ist in diesem genannten Kontext ein effizienzsteigerndes Element. Im letzten Teil der Arbeit wird eine innovative Entwicklung vorgestellt, bei dem, im Unterschied zu dem Antrieb aus den Kapiteln 3 und 4, eine magnetisch kontrollierbare rheologische Flüssigkeit ein funktionsbestimmendes Element ist. Die modellbasierte Untersuchung und die Prototypenbeschreibung sowohl eines rotatorischen, als auch translatorischen Antriebes schließen die Arbeit ab.



https://doi.org/10.22032/dbt.48855
Merker, Lukas; Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Soft touch between a highly flexible bio-inspired tactile sensor and 3D objects. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100003, S. 1-3

Scanning and reconstructing the environment using tactile sensors alongside optical sensors is a promising approach in mobile robotics. Within the present paper, we take advantage of a recently presented vibrissa-inspired tactile sensor concept for 3D object scanning and reconstruction, broadening our previous studies. The sensor consists of a slender, cylindrical, highly flexible probe, one-sided clamped to some force-torque measuring device. The probe is shifted relatively to an object of interest by displacing its clamping position quasi-statically. Consequently, the probe gets bent, sweeps over the object and transmits mechanical signals (observables) to its support. The focus of the present investigation is on how the probe sweeps over a new type of object (paraboloid), verifying a necessary condition for optional contact points. Finally, this condition allows to find multiple equilibrium states for a single clamping position.



https://doi.org/10.1002/pamm.202100003
Scharff, Moritz;
Bio-inspired tactile sensing : analysis of the inherent characteristics of a vibrissa-like tactile sensor. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (xviii, 169 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Die Weiterentwicklung taktiler Sensoren gewinnt an Bedeutung bspw. durch eine verstärkte Anwendung taktiler Sensoren zur Navigation in unbekannten Umgebungen von autonomen mobilen Robotern. Eine Möglichkeit taktile Sensoren weiter zu entwickeln ist, sich - wie auch schon andere Entwicklungen zeigen - der Natur zu bedienen, Vorbilder zu identifizieren, diese fundamental zu analysieren und als wesentlich befundene Eigenschaften und Funktionstüchtigkeiten zu adaptieren. Ratten besitzen auffällige Tasthaare an beiden Seiten der Schnauze, sogenannte Vibrissen. Diese sind gekennzeichnet durch einen langen, schlanken und natürlich vorgekrümmten Haarschaft mit konischem Querschnittsverlauf. Der Haarschaft wird von einem Haarfollikel gehalten, der sich unter der Haut befindet und in dem überdies Mechanorezeptoren zur Reizdetektion zu finden sind. Während der Erkundung von unbekannten Umgebungen und Objekten setzen Ratten ihre Vibrissen ein, um bspw. die Form oder Textur eines Objektes zu bestimmen, indem die Vibrisse daran entlang bewegt wird. Die Informationsaufnahme wird im Haarfollikel durch die Mechanorezeptoren realisiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dieses komplexen und hochentwickelten Sensorsystems der Natur für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Eigenschaften einer Vibrisse sind synergetisch und beeinflussen ihre Funktionen in bedeutendem Maß. Deshalb wird das natürliche Vorbild detailliert analysiert und mit den Konzepten des biomechatronischen Systems und des Reizleitungsapparats beschrieben und auf dieser Basis ein Vibrissen-ähnlicher Sensor entworfen, um die inhärenten Eigenschaften eines solchen Sensorsystems zu untersuchen. Um die Funktionstüchtigkeit des entworfenen Protoyps, aufgebaut auf Basis der detaillierten Vorabanalyse, zu untersuchen, werden verschiedene Testobjekte, einschließlich verschiedener Oberflächenbeschaffenheiten, mit dem Sensor vermessen. Anhand der aufgezeichneten Messsignale zeigt sich, dass ein Objekt durch seine generelle Form sowie seine makroskopische und mikroskopische Oberflächenstruktur beschrieben werden kann. Die genannten Informationen überlagern sich in den gemessenen Signalen und müssen für eine weiterführende Auswertung extrahiert werden. Der Abstand zwischen Sensorlagerung und Objekt hat entscheidenden Einfluss. Makroskopische Oberflächenelemente lassen sich im Abstand von 80% der Länge des Sensorschafts besonders gut detektieren. Ein mittlerer Abstand, ca. 60% der Länge des Sensorschafts, unterstützt die Erfassung der Eigenschaften einer mikroskopischen Textur. Hingegen ist ein kleiner Abstand von 45% der Sensorschaftlänge besonders geeignet zur Detektion der generellen Form des Objekts. Diese Effekte sind in enger Verbindung zur Elastizität des Sensorschafts zu interpretieren. Beispielsweise verhindert die starke Krümmung des Sensorschafts in Folge eines kleinen Objektabstandes eine Detektion von makroskopischen Oberflächenelementen wie Rillen und Stufen, da sich der Sensorschaft in dieser Konfiguration wie ein adaptiver morphologischer Filter auswirkt und damit eine inhärente Eigenschaft des Sensorsystems ist. Der Übergang zwischen der makroskopischen und mikroskopischen Oberflächenstruktur wird durch den Durchmesser der Spitze des Sensorschafts bestimmt. Oberflächenstrukturelemente, die kleiner als dieser Durchmesser sind, gehören zur mikroskopischen Oberflächenstruktur. Daraus folgt, dass auch der Durchmesser der Spitze eine inhärente Eigenschaft ist. Eine weitere inhärente Eigenschaft wird bei der Detektion einer mikroskopischen Oberflächenstruktur erkennbar. Wenn der, sich im Kontakt befindende, stark verformte, Sensorschaft so bewegt wird, dass die konkave Seite des Sensorschafts in Bewegungsrichtung zeigt, werden die erfassten Signale verstärkt - im Vergleich zur entgegengesetzten Bewegungsrichtung. Unter Berücksichtigung der genannten und weiterer Ideen, wird der durch eine natürliche Vibirsse inspirierte Sensor in der vorliegenden Arbeit untersucht.



https://doi.org/10.22032/dbt.47879
Gast, Simon; Prem, Nina; Schale, Florian; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Vklad v mechaniku mnogoslojnoj podatlivoj sistemy s priloženijami dlja mjagkoj robototechniki :
A contribution to the mechanics of a multi-layered compliant system with applications for soft robotics. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 2(83), Seite 7-17

Griebel, Alexandra; Henning, Stefan; Griebel, Stefan; Schale, Florian; Fröhlich, Thomas; Töpfer, Hannes; Zentner, Lena
Naučnye issledovanija na osnove modelirovanija s cel&softcy;ju raspoznavanija sily putem monitoringa a deformacionnogo sostojanija gibkogo mechanizma :
Model-based investigations of force detection by monitoring the deformation state of a compliant mechanism. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 3(84), Seite 51-62

A strong, long-lasting pressure on the human skin whose effect is increased by shear forces can lead to the development of a pressure ulcer (decubitus). In order to minimize the risk of pressure ulcers developing, critical forces acting between the body and a sitting or lying surface should be detected and eliminated in time. One possibility for detecting critical forces is the actuation of tactile switches. In this article, miniature tactile switches are integrated into a compliant mechanism using the example of a MATF1 mattress spring made by Hartmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG. For this purpose, the deformation behavior of the spring is analyzed by means of non-linear analytical and finite elements method (FEM) calculations and the required tactile switches parameters as well as suitable locations for their placement are determined. A functional model is then built and examined.



Prem, Nina; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus; Gowda, Darshan Kare; Odenbach, Stefan
Synthesis and characterization of the properties of thermosensitive elastomers with thermoplastic and magnetic particles for application in soft robotics. - In: Journal of applied polymer science, ISSN 1097-4628, Bd. 138 (2021), 44, 51296, insges. 14 S.

In the currently rapidly developing field of soft robots, smart materials with controllable properties play the central role. Thermosensitive elastomers are soft, smart materials whose material properties can be controlled by changing their temperature. The aim of this work is to investigate the mechanical properties, to analyze the surface, the inner structure, and the heat transfer within the thermosensitive elastomer materials. This should provide a knowledge base for new combinations, such as a combination of thermosensitive and the well-known magneto sensitive elastomers, in order to realize new applications. Thermoplastic polycaprolactone particles were incorporated into a flexible polydimethylsiloxane matrix to produce thermosensitive elastomer samples. With a low melting point in the range of 58-60&ring;C, polycaprolactone offers good application potential compared to other thermoplastic materials such as polymethamethylacrylate with a melting point above 160&ring;C. Test samples of different material compositions and geometries were made to examine temperature-depending material properties. Two useful effects were identified: temperature-dependent change in stiffness and the shape memory effect. In certain examinations, carbonyl iron particles were also included to find out if the two particle systems are compatible with each other and can be combined in the polydimethylsiloxane matrix without disadvantages. Changes in shore hardness before and after the influence of temperature were investigated. Micro computed tomography images and scanning electron microscopy images of the respective samples were also obtained in order to detect the temperature influence on the material internally as well as on the surface of the thermosensitive elastomers in combination with carbonyl iron particles. In order to investigate the heat transfer within the samples, heating tests were carried out and the influence of different particle concentrations of the thermosensitive elastomers with and without carbonyl iron particles was determined. Further work will focus on comprehensive investigations of thermo-magneto-sensitive elastomers, as this will enable the functional integration in the material to be implemented with increased efficiency. By means of the different investigations, the authors see future applications for this class of materials in adaptive sensor and gripper elements in soft robotics.



https://doi.org/10.1002/app.51296
Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Schale, Florian; Kaufhold, Tobias; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Worm-like mobile robot based on a tensegrity structure. - In: 2021 IEEE 4th International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), (2021), S. 358-363

This work presents a novel concept to develop mobile robots enabling crawling locomotion in tubular environment. Chain-like systems are designed by serial cascading a uniform tensegrity module. Inspired by the movement of worms in nature, an undulating shape change of the system is targeted to generate locomotion. The shape changeability of an exemplary tensegrity module due to internal actuation is examined in simulations and experiments. A prototype consisting of these tensegrity modules is manufactured and the locomotion principle is verified in experiments. Comparing to existing prototypes this approach enables an enhanced compliance due to the modular assembly of tensegrity structures.



https://doi.org/10.1109/RoboSoft51838.2021.9479193
Chavez, Jhohan;
Theoretical and experimental investigations of magnetic hybrid materials and their application in soft gripping. - Ilmenau, 2021. - xix, 193 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Soft Robotics ist ein aktuelles Forschungsfeld. Die Anwendung mechanisch nachgiebiger Materialien in technischen Applikationen wird aktuell intensiv vorangetrieben. Intelligente nachgiebige Materialien, beispielsweise Materialien, die ihre mechanischen Eigenschaften reversibel ändern können, werden in immer mehr technischen Anwendungen eingesetzt. Vordergründig geschieht dies mit den Zielen der Funktionserweiterung und der individuellen reversiblen Anpassbarkeit an veränderte Umgebungsbedingungen. Magnetorheologische Elastomere sind intelligente nachgiebige Hybridmaterialien, bestehend aus einer Elastomermatrix, die mit ferromagnetischen Partikeln gefüllt ist. In Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung dieser Hybridmaterialien werden weich- oder hartmagnetische Partikel eingesetzt. Diese Materialien besitzen die besondere Fähigkeit, ihre mechanischen Eigenschaften zu ändern, wenn auf sie Magnetfelder einwirken. Diese vorteilhaft nutzbare Eigenschaft macht ihren Einsatz in zahlreichen technischen Anwendungen dort effizient, in welchen Strukturen mit reversibel veränderbarer mechanischer Nachgiebigkeit eingesetzt werden sollen. Bedingt durch ihre vorteilhaften Eigenschaften werden diese Materialien aktuell intensiv erforscht. Im Fokus der meisten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet stehen dabei die mechanische und magnetische Charakterisierung der Materialeigenschaften, sowie die Erarbeitung von Materialmodellen, die eine Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mit hoher Genauigkeit erlauben. Viele Effekte im Verhalten dieser Materialien sind aktuell noch nicht tiefgründig untersucht bzw. verstanden worden. In dieser Arbeit werden diese Hybridmaterialien aus ingenieurtechnischer Sicht betrachtet. Die Untersuchungen an diesen Materialien werden auf potentielle technische Applikationen fokussiert. Dabei wird der Schwerpunkt auf den magnetfeldinduzierten elasto-plastischen Effekt dieser Materialien, sowie auf die Nutzung dieses Effektes in einer exemplarischen technischen Anwendung, in End-Effektoren für die Greifertechnik, gelegt. In der Arbeit werden magnetorheologische Elastomere untersucht, die weichmagnetische Partikel in verschiedenen Volumenkonzentrationen enthalten. Im ersten Teil der Arbeit werden schwerpunktmäßig experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um geeignete Material- und Zusammensetzungsdesigns für das Hybridmaterial im Hinblick auf die gewünschte Anwendung definieren zu können. Mit Hilfe der anschließenden theoretischen Untersuchungen wird die Quantifizierung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien auf der Makro-Skala erreicht. Aufbauend auf diese Untersuchungen wird eine Methodik erarbeitet, die die Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mittels Anwendung der Finite-Elemente-Methode ermöglicht. Die exemplarische Verwendung dieser Materialien als End-Effektor beim Greifen von empfindlichen Objekten impliziert die formschlüssige Umhüllung der zu greifenden Gegenstände. Mit Magnetfeldern werden die Effekte der Nachgiebigkeitsänderung und der magnetfeldinduzierten Plastizität in diesen Hybridmaterialien stimuliert. Dadurch wird eine Formanpassung und damit formschlüssiges Greifen ermöglicht. In der Arbeit wird ein End-Effektor-Prototyp hergestellt und getestet, um die vorteilhafte Anwendbarkeit magnetorheologischer Elastomere in der Soft Robotics aufzuzeigen.



Sindersberger, Dirk; Prem, Nina; Monkman, Gareth; Zimmermann, Klaus
Self-sensing electroadhesive polymer gripper with magnetically controllable surface geometry. - In: Actuator 2021, (2021), S. 318-320

Schorr, Philipp; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
Jumping locomotion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Mechanical systems and signal processing, ISSN 1096-1216, Bd. 152 (2021), 107384

All known locomotion principles are limited respective to environmental conditions. Often, the occurrence of obstacles or gaps means the break-off for the operating motion systems. For such circumstances, a controllable jumping locomotion is required to cross these barriers. However, this locomotion demands sophisticated requirements to the actuation. The abrupt actuation is commonly realized by high dynamic actuators or complex mechanisms. In this work, a simple solution utilizing the multistability of a compliant tensegrity structure is described. Therefore, a two-dimensional tensegrity structure featuring four stable equilibria is considered. Based on bifurcation analyses a feasible actuation to control the current equilibrium configuration is derived. Changing between selected equilibrium states enables a great difference in potential energy, which yields a jumping motion of the structure. Based on numerical simulations a suitable actuation strategy is chosen to overcome obstacle and steps by jumping forward or backward, respectively. The theoretical approach is examined experimentally with a prototype of the multistable tensegrity structure.



https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2020.107384
Schorr, Philipp; Chavez, Jhohan; Zentner, Lena; Böhm, Valter
Reconfiguration of planar quadrilateral linkages utilizing the tensegrity principle. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 156 (2021), 104172

The development of reconfigurable planar four-bar linkages by applying the tensegrity principle is considered. Conventional quadrilateral linkages enable two operation modes differing in the kinematic behavior. However, a change between these states is not possible due to the geometric constraints. To enable a reconfiguration between the different modes one-sided limited nonholonomic constraints are introduced in this work. This issue is realized by applying ropes that cannot resist compression. However, to guarantee an appropriate load case in operation a prestress within the mechanism is required. Hence, the linkage is extended to a tensegrity-based mechanism. The structural dynamics are derived using the Lagrange formalism and the structural behavior is evaluated using numerical simulations. Furthermore, a prototype of an exemplary tensegrity-based mechanism is manufactured and experiments regarding the mechanical properties, in particular the reconfiguration, are performed. The results suggest the potential benefit of applying the tensegrity principle within conventional planar four-bar linkages.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2020.104172
Chavez, Jhohan; Ziolkowski, Marek; Schorr, Philipp; Spieß, Lothar; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
A method to approach constant isotropic permeabilities and demagnetization factors of magneto-rheological elastomers. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 527 (2021), 167742

The use of non-conventional materials is nowadays of much interest in scientific community. Magneto-rheological elastomers are hybrid materials, which in presence of magnetic fields state a change in their mechanical properties. They are composed by an elastomeric matrix with embedded magnetic particles. One of the most attractive features of these materials is that as soon as the magnetic field is removed from the material, the original mechanical properties are completely recovered, with negligible differences in comparison to the original state. This paper focuses on the study of magnetic characteristics of these smart materials, such as relative permeability and demagnetizing factors, for samples with different volume concentration of ferromagnetic particles.



https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.167742
Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim; Marangoni, Rafael R.; Behn, Carsten
A vibrissa-inspired highly flexible tactile sensor: scanning 3D object surfaces providing tactile images. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 21 (2021), 5, 1572, insges. 29 S.

Just as the sense of touch complements vision in various species, several robots could benefit from advanced tactile sensors, in particular when operating under poor visibility. A prominent tactile sense organ, frequently serving as a natural paragon for developing tactile sensors, is the vibrissae of, e.g., rats. Within this study, we present a vibrissa-inspired sensor concept for 3D object scanning and reconstruction to be exemplarily used in mobile robots. The setup consists of a highly flexible rod attached to a 3D force-torque transducer (measuring device). The scanning process is realized by translationally shifting the base of the rod relative to the object. Consequently, the rod sweeps over the object’s surface, undergoing large bending deflections. Then, the support reactions at the base of the rod are evaluated for contact localization. Presenting a method of theoretically generating these support reactions, we provide an important basis for future parameter studies. During scanning, lateral slip of the rod is not actively prevented, in contrast to literature. In this way, we demonstrate the suitability of the sensor for passively dragging it on a mobile robot. Experimental scanning sweeps using an artificial vibrissa (steel wire) of length 50 mm and a glass sphere as a test object with a diameter of 60 mm verify the theoretical results and serve as a proof of concept.



https://doi.org/10.3390/s21051572
Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana
Dynamics of a magnetic pendulum in the presence of an oscillating conducting plate. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 20 (2021), 1, e202000083, insges. 2 S.

A pendulum with an attached permanent magnet moving near a conductor is a typical experiment for the demonstration of electromagnetic braking. When the conductor itself moves, it can transfer energy to the pendulum. We study a simple but exact analytical model where the conductor is a horizontally unbounded flat plate. For this geometry, eddy currents and induced Lorentz force due to the motion of a magnetic dipole are known analytically in the quasistatic limit. A vertical oscillation of such a horizontal plate located beneath the magnet is considered. In this setup, the vertical position of the pendulum is an equilibrium point when the magnetic moment of the magnet is perpendicular to its plane of motion. Depending on the strength of the magnetic dipole moment, the frequency and amplitude of the plate as well as the distance between plate and magnet, the plate oscillation can destabilize the equilibrium. The stability limits for weak electromagnetic coupling are computed analytically using the harmonic balancing method. For stronger coupling, the stability limits are obtained numerically using Floquet analysis. Chaotic motions with finite amplitudes are also found.



https://doi.org/10.1002/pamm.202000083
Darnieder, Maximilian; Harfensteller, Felix; Schorr, Philipp; Scharff, Moritz; Linß, Sebastian; Theska, René
Characterization of thin flexure hinges for precision applications based on first eigenfrequency. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 15-24

Flexure hinges with small cross-section heights are state of the art in numerous precision engineering applications due to their capability for smooth and repeatable motion. However, the high sensitivity to manufacturing influences represents a challenge. We propose a characterization method for flexure hinges based on the measurement of the free oscillation, to enable the consideration of manufacturing influences in the early stages of the design process. Three semi-circular flexure hinges with different cross-section heights and highly accurate geometry were investigated experimentally to compare them with three theoretical modeling approaches. The results for the three flexure hinge specimens showed small deviations to the predicted values from the models which is in agreement with the results of dimensional measurements. With each modeling approach, a deviation of the minimal notch height from the nominal value can be calculated. This value, in turn, can be used as manufacturing allowance for subsequent manufacturing of compliant mechanisms using the same manufacturing method. An exemplary compliant parallel-crank mechanism proves the applicability of the concept to compliant mechanisms with multiple flexure hinges.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_2
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Lysenko, Victor
Mathematical model of a linear motor controlled by a periodic magnetic field considering dry and viscous friction. - In: Applied mathematical modelling, Bd. 89 (2021), S. 1155-1162

The paper deals with a drive concept that uses the controllable mechanical properties of a magnetorheological fluid (MRF). The biologically inspired operating principle is based on crawling using anisotropic friction, as of worms, and non-Newtonian fluids, as of snails. The MRF located between a slider and two slide-blocks is functionally relevant for the drive system to generate a translational motion. A controlled magnetic field is utilized to change the friction conditions in the drive system by varying the properties of the MRF. An extended friction model takes the dry friction into account, along with the viscous friction. In this case, apart from the ratio of the coefficients of viscous friction, it is necessary to introduce two more parameters: the ratio of the coefficients of dry friction in the absence and presence of the magnetic field, and the ratio of the characteristic forces of viscous and dry frictions. These parameters allow refining the mathematical model that governs the behavior of a linear motor. Using asymptotic methods of non-linear mechanics, an expression for the average velocity of the slider is obtained for the case when the friction force is assumed to be small in comparison with the driving force of the slide-blocks. The theoretical results are verified experimentally on a prototype.



https://doi.org/10.1016/j.apm.2020.08.021
Schorr, Philipp; Carrillo Li, Enrique Roberto; Kaufhold, Tobias; Hernández, Jorge Antonio Rodríguez; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
Kinematic analysis of a rolling tensegrity structure with spatially curved members. - In: Meccanica, ISSN 1572-9648, Bd. 56 (2021), 4, S. 953-961

In this work, a tensegrity structure with spatially curved members is applied as rolling locomotion system. The actuation of the structure allows a variation of the originally cylindrical shape to a conical shape. Moreover, the structure is equipped with internal movable masses to control the position of the center of mass of the structure. To control the locomotion system a reliable actuation strategy is required. Therefore, the kinematics of the system considering the nonholonomic constraints are derived in this paper. Based on the resulting insight in the locomotion behavior a feasible actuation strategy is designed to control the trajectory of the system. To verify this approach kinematic analyses are evaluated numerically. The simulation data confirm the path following due to an appropriate shape change of the tensegrity structure. Thus, this system enables a two-dimensional rolling locomotion.



https://doi.org/10.1007/s11012-020-01199-x
Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Kinematika koles i koncepcii šassi dlja senapravlennych :
The kinematics of wheels and chassis concepts for omnidirectional robots. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2020), No. 4(81), Seite 21-33

Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor
Kinematika sistemy robot-pricep s Mekanum kolesami :
Kinematics of a robot-trailer system with Mecanum wheels. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2020), No. 2(79), Seite 13-20

Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik
Arbeitsbuch Technische Mechanik
Unicopy Campus Edition. - Ilmenau : Technische Universität, Fakultät für Maschinenbau, Fachgebiet Technische Mechanik, 2020. - iv, 241 Seiten. - (Ilmenauer Editionen)
Schorr, Philipp;
Ein Beitrag zur Entwicklung mobiler Roboter basierend auf multistabilen Tensegrity Strukturen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (xviii, 135 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

In: Universitätsverlag Ilmenau

In dieser Arbeit wird die Anwendung von Tensegrity Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen zur Realisierung von Lokomotionssystemen in der mobilen Robotik untersucht. Diese Strukturen werden unter dem mechanischen Aspekt modelliert und verschiedene Aktuatorstrategien zur Realisierung eines kontrollierten Wechsels zwischen den unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen abgeleitet. Zur experimentellen Verifikation der theoretischen Ansätze wird ein Prototyp einer multistabilen Tensegrity Struktur entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die vorteilhaften Eigenschaften multistabiler Tensegrity Strukturen sowie die Möglichkeit von kontrollierten Konfigurationswechseln. Infolge von Erweiterungen des mechanischen Modells unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen wird das Bewegungsverhalten von Tensegrity Strukturen simuliert. In dieser Arbeit wird die Fortbewegung durch die Gleichgewichtslagenwechsel der multistabilen Tensegrity Struktur realisiert. Abhängig von der gewählten Aktuierungsstragie kann eine schreitende Lokomotion, eine kriechende Lokomotion sowie eine springende Lokomotion realisiert werden. Experimente mit dem entwickelten Prototyp bestätigen die zuvor untersuchten Lokomotionsformen. Durch Kombination der verschiedenen Bewegungsmodi resultiert ein multimodales Lokomotionssystem. Dieses Lokomotionssystem erlaubt die Anpassung des Lokomotionsprinzips hinsichtlich der gegebenen Umgebungsbedingungen.



https://doi.org/10.22032/dbt.45203
Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana
Parametric instability of a magnetic pendulum in the presence of a vibrating conducting plate. - In: Nonlinear dynamics, ISSN 1573-269X, Bd. 102 (2020), 4, S. 2039-2056

A pendulum with an attached permanent magnet swinging in the vicinity of a conductor is a typical experiment for the demonstration of electromagnetic braking and Lenz law of induction. When the conductor itself moves, it can transfer energy to the pendulum. An exact analytical model of such an electromagnetic interaction is possible for a flat conducting plate. The eddy currents induced in the plate by a moving magnetic dipole and the resulting force and torque are known analytically in the quasistatic limit, i.e., when the magnetic diffusivity is sufficiently high to ensure an equilibrium of magnetic field advection and diffusion. This allows us to study a simple pendulum with a magnetic dipole moment in the presence of a horizontal plate oscillating in vertical direction. Equilibrium of the pendulum in the vertical position can be realized in three cases considered, i.e., when the magnetic moment is parallel to the rotation axis, or otherwise, its projection onto the plane of motion is either horizontal or vertical. The stability problem is described by a differential equation of Mathieu type with a damping term. Instability is only possible when the vibration amplitude and the distance between plate and magnet satisfy certain constraints related to the simultaneous excitation and damping effects of the plate. The nonlinear motion is studied numerically for the case when the magnetic moment and rotation axis are parallel. Chaotic behavior is found when the eigenfrequency is sufficiently small compared to the excitation frequency. The plate oscillation typically has a stabilizing effect on the inverted pendulum.



https://doi.org/10.1007/s11071-020-06054-y
Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Feldmeier, Tanja; Chavez, Jhohan; Henning, Stefan; Zimmermann, Klaus; Zentner, Lena
An approach to robotic end effectors based on multistable tensegrity structures. - In: New trends in mechanism and machine science, (2020), S. 470-478

In this paper compliant multistable tensegrity structures with discrete variable stiffness are investigated. The different stiffness states result from the different prestress states of these structures corresponding to the equilibrium configurations. Three planar tensegrity mechanisms with two stable equilibrium configurations are considered exemplarily. The overall stiffness of these structures is characterized by investigations with regard to their geometric nonlinear static behavior. Dynamical analyses show the possibility of the change between the equilibrium configurations and enable the derivation of suitable actuation strategies.



Schorr, Philipp; Schale, Florian; Otterbach, Jan Marc; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter
Investigation of a multistable tensegrity robot applied as tilting locomotion system. - In: 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), (2020), S. 2932-2938

https://doi.org/10.1109/ICRA40945.2020.9196706
Gast, Simon; Zimmermann, Klaus
FEM model of a tactile sensor based on inductance measurements and magnetosensitive elastomer. - In: SMSI 2020, (2020), S. 333-334

Otterbach, Jan Marc;
Ein Beitrag zur Entwicklung eines portablen Systems zur bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2020. - 1 Online-Ressource (xxvii, 151 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019

Die zerstörungsfreie Prüfung ist von besonderer Bedeutung im Lebenszyklus technischer Produkte. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Komponenten in Flugzeugen, Zügen, Pipelines oder Kraftwerken helfen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, Qualitätsmängel bereits während des Herstellungsprozesses oder in regelmäßigen Wartungskontrollen zu erkennen, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Heute erfordern steigende Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen sowie die Entwicklung neuer Materialien für moderne Leichtbaukonstruktionen immer zuverlässigere Prüfverfahren, um den ordnungsgemäßen Betrieb von Bauteilen und technischen Anlagen zu gewährleisten. Für die Untersuchung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen kommen häufig Wirbelstromprüfverfahren zum Einsatz. Im Gegensatz zu klassischen Induktionsverfahren werden die Wirbelströme bei der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung durch die Relativbewegung zwischen einer Magnetfeldquelle und einem elektrisch leitfähigen Prüfkörper hervorgerufen. Die dabei auftretenden physikalischen Effekte ermöglichen die Detektion von Fehlern im Prüfkörper. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Prinzips für ein portables System zur bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, welches für den Einsatz als handgeführtes Prüfgerät zur Untersuchung von Bauteilen an ihrem Einsatzort geeignet ist. Nach einer Einführung in die zerstörungsfreie Prüfung und die in der Industrie am häufigsten eingesetzten Prüfverfahren, werden die bekannten Verfahren der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung vorgestellt. Basierend auf den Erkenntnissen vorangegangener Studien im Bereich der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfung, erfolgt die Präzisierung der Anforderungen an das zu entwickelnde Sensorsystem und die Diskussion möglicher Lösungsvarianten. Im Rahmen dieser Ideenfindung werden zwei favorisierte Lösungsvarianten beschrieben, für die jeweils ein Messsystem zur experimentellen Validierung entwickelt und aufgebaut wird. Außerdem werden die angewendeten Verfahren der Messdatenauswertung erläutert. Das für den Anwendungszweck besser geeignete Prinzip wird anhand eines Variantenvergleichs ermittelt. Weiterführende Experimente mit dem ausgewählten Sensorsystem dienen dazu, Handlungsempfehlungen für dessen Einsatz als handgeführtes Prüfgerät abzuleiten. Darüber hinaus werden verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung und Interpretation von Prüfergebnissen aufgezeigt.



https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00044645
Becker, Tatiana; Stolbov, Oleg V.; Borin, Dmitry Yu.; Zimmermann, Klaus; Raikher, Yuriy L.
Basic magnetic properties of magnetoactive elastomers of mixed content. - In: Smart materials and structures, ISSN 1361-665X, Volume 29 (2020), number 7, 075034, Seite 1-15

https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab8fc9
Merker, Lukas; Fischer Calderon, Sebastian J.; Scharff, Moritz; Alencastre Miranda, Jorge Hernan; Behn, Carsten
Effects of multi-point contacts during object contour scanning using a biologically-inspired tactile sensor. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 20 (2020), 7, 2077, insges. 18 S.

https://doi.org/10.3390/s20072077
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Design of a vibration driven motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Informatics in control, automation and robotics, (2020), S. 302-307

Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus
Vibrating sensor unit made of a magnetoactive elastomer with field-adjustable characteristics. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 498 (2020), 166196

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166196
Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics and control of a vibration-diven capsule robot with an opposing spring. - In: NODYCON 2019, (2019), S. 765-766

Merkulov, Dmitri I.; Pelevina, Daria A.; Turkov, Vladimir A.; Becker, Tatiana; Naletova, Vera A.
Experimental research of the multistability of bodies with magnetizable elastomer. - In: Magnetohydrodynamics, Bd. 55 (2019), 1/2, S. 125-132

https://doi.org/10.22364/mhd.55.1-2.15
Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim; Marangoni, Rafael; Behn, Carsten
Dreidimensionale Objektabtastung und -rekonstruktion mittels taktiler Sensoren der Bionik. - In: 20. Nachwuchswissenschaftlerkonferenz, (2019), S. 196-198

Zimmermann, Klaus; Chavez, Jhohan; Becker, Tatiana; Witte, Hartmut; Schilling, Cornelius; Köhring, Sebastian; Böhm, Valter; Monkman, Gareth J.; Prem, Nina; Sindersberger, Dirk; Lutz, Irina
Podchod k sozdaniju gibkogo &ptbov;elementa zachvata s adaptivnoj formoj na osnove magnitočuvstvitel&softcy;nych &ptbov;elastomerob s bioinspirirovannoj sensornoj poverchnost&softcy;ju :
An approach to a form-adaptive compliant gripper element based on magneto-senstive elastomers with a bioinspired sensorized surface. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2019), No. 2(75), Seite 23-38

Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics of a four-wheeled mobile robot with Mecanum wheels. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Volume 99 (2019), issue 12, e201900173, 22 Seiten
Editor's choice

https://doi.org/10.1002/zamm.201900173
Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamics and motion control of a capsule robot with an opposing spring. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 89 (2019), 10, S. 2193-2208

https://doi.org/10.1007/s00419-019-01571-8
Scharff, Moritz; Schorr, Philipp; Becker, Tatiana; Resagk, Christian; Alencastre Miranda, Jorge H.; Behn, Carsten
An artificial vibrissa-like sensor for detection of flows. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 19 (2019), 18, 3892, insges. 16 S.

In nature, there are several examples of sophisticated sensory systems to sense flows, e.g., the vibrissae of mammals. Seals can detect the flow of their prey, and rats are able to perceive the flow of surrounding air. The vibrissae are arranged around muzzle of an animal. A vibrissa consists of two major components: a shaft (infector) and a follicle-sinus complex (receptor), whereby the base of the shaft is supported by the follicle-sinus complex. The vibrissa shaft collects and transmits stimuli, e.g., flows, while the follicle-sinus complex transduces them for further processing. Beside detecting flows, the animals can also recognize the size of an object or determine the surface texture. Here, the combination of these functionalities in a single sensory system serves as paragon for artificial tactile sensors. The detection of flows becomes important regarding the measurement of flow characteristics, e.g., velocity, as well as the influence of the sensor during the scanning of objects. These aspects are closely related to each other, but, how can the characteristics of flow be represented by the signals at the base of a vibrissa shaft or by an artificial vibrissa-like sensor respectively? In this work, the structure of a natural vibrissa shaft is simplified to a slender, cylindrical/tapered elastic beam. The model is analyzed in simulation and experiment in order to identify the necessary observables to evaluate flows based on the quasi-static large deflection of the sensor shaft inside a steady, non-uniform, laminar, in-compressible flow.



https://doi.org/10.3390/s19183892
Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
3D recognition of obstacles using a vibrissa-like tactile sensor. - In: IEEE FLEPS 2019, (2019), insges. 3 S.

https://doi.org/10.1109/FLEPS.2019.8792255
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Stépán, Gábor; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Multi-mode motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Advances in mechanism and machine science, (2019), S. 3007-3016

Scharff, Moritz; Alencastre, Jorge H.; Behn, Carsten
Detection of surface texture with an artificial tactile sensor. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 43-50

Chavez, Jhohan; Scharff, Moritz; Helbig, Thomas; Alencastre, Jorge H.; Böhm, Valter; Behn, Carsten
Analysis of the dynamic behavior of beams supported by a visco-elastic foundation in context to natural vibrissa. - In: Interdisciplinary applications of kinematics, (2019), S. 51-59

Merker, Lukas; Scharff, Moritz; Behn, Carsten
Approach to the dynamical scanning of object contours using tactile sensors. - In: Proceedings, 2019 IEEE International Conference on Mechatronics (ICM), (2019), S. 364-369

https://doi.org/10.1109/ICMECH.2019.8722882
Chavez, Jhohan; Schorr, Philipp; Scharff, Moritz; Schale, Florian; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Towards magneto-sensitive elastomers based end-effectors for gripping application technologies. - In: Proceedings, 2019 IEEE International Conference on Mechatronics (ICM), (2019), S. 217-222

https://doi.org/10.1109/ICMECH.2019.8722922
Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Chavez, Jhohan; Odenbach, Stefan; Raikher, Yuriy L.; Zimmermann, Klaus
Magnetic-field-controlled mechanical behavior of magneto-sensitive elastomers in applications for actuator and sensor systems. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 89 (2019), 1, S. 133-152

https://doi.org/10.1007/s00419-018-1477-4
Dubovikova, Nataliia; Gerlach, Erik; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Mathematical modeling of friction stir welding considering dry and viscous friction. - In: Applied mathematical modelling, Bd. 67 (2019), S. 1-8
Corrigendum: Bd. 77 (2020), part 1, page 981

https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.10.014
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Compliant class 1 tensegrity structures for gripper applications. - In: EuCoMeS 2018, (2019), S. 392-399

This paper describes concepts for finger-grippers based on compliant multistable class 1 tensegrity structures. Two of these concepts are selected and examined in detail. With theoretical investigations the member parameters and the resulting gripping forces are determined. There are done dynamical analyses of one of these grippers to obtain the behaviour with an actuation force. Moreover demonstrators of both grippers are built.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-98020-1_46
Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Vibration-driven capsubot with an opposing spring: an experimental study. - In: ROMANSY 22 – Robot Design, Dynamics and Control, (2019), S. 126-133

A vibration-driven locomotor (capsubot) consisting of a rigid housing and an internal body connected to the housing by a spring is considered. The system is driven and controlled by an electromagnetic actuator that provides a force interaction between the housing and the internal body. The housing moves along a line on a horizontal plane with dry friction. The control voltage is applied to the robot in a periodic pulse-width mode, the voltage polarity remaining unchanged. Theoretical analysis predicts that the speed and direction of motion of the robot can be controlled by varying the period or/and the duty cycle of the control signal. An experimental prototype of the robot is built and the experiments are performed. The experiments confirm the theoretical prediction.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-78963-7_17
Scharff, Moritz; Rivera Campos, Richard A.; Merker, Lukas; Alencastre, Jorge H.; Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus
Flow detection using an artificial vibrissa-like sensor - simulations and experiments. - In: 18th Mechatronika 2018, (2018), insges. 6 S.

everal animal species like rats or seals explore the surrounding environment with their sensory hairs, the so-called vibrissae. Regarding to natural vibrissa, the functionalities of tactile object sensing to receive information about, e.g., the shape and/or the surface texture are often discussed. But, the usage of natural vibrissae to detect flows is reported as well. The necessary information about the flow are coded in the signals recorded at the base of the vibrissa. Due to the natural paragon, we adapt this behavior in order to show up how the information about flows can be extracted from these observables. This is an important procedure because the detection and determination of information about flow effects become interesting for several reasons. For example, in the case of other sensing tasks and strategies like object contour scanning, flows are considered as (possible) disturbances that have to be known to reconstruct any sensed boundary. Otherwise, the flow itself can be of interest. In a first step, simulations are performed to examine the relations between the observables at the base of the sensor and the applied velocity of a flow. Here, a steady-state uniform flow is assumed. The simulations are validated by experiments.



https://ieeexplore.ieee.org/document/8624786
Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik; Zeidis, Igor; Otterbach, Jan Marc; Töpfer, Hannes; Brauer, Hartmut; Ziolkowski, Marek; Schmidt, Reinhard
Mechaničeskoe i čislennoe modelirovanie kompaktnoj sistemy dlja defektoskopii indukcionnymi vichrevymi tokami :
Mechanical modeling and simulation of a portable system for Motion Induced Eddy Current Testing. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2018), No. 3(72), S. 17-28

The paper deals with the mechanical modeling of a sensor concept in the framework of Motion Induced Eddy Current Testing (MIECT). The system consists of a magnet arrangement with two axially magnetized cylinder magnets, which are fixed to a shaft, driven by a motor with a constant angular velocity. A pick-up coil, assembled around the magnet arrangement and fixed to the sensors framework, measures the magnetic flux varying in time. The mechanical behavior of this experimental setup is analyzed using analytical and numerical methods. The main conclusions concerning the systems behavior are made with the asymptotic method. The investigations based on methods of Bogoliubov & Mitropolski show, that the main contribution to the solution is given by the first fundamental harmonic. The exact equation of motion is integrated numerically. The results of the theoretic investigations are compared with experimental data.



Merker, Lukas; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Mathematical models of bio-inspired rotatable sensors with elasticities for object scanning. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 18 (2018), 1, e201800264, insges. 2 S.

https://doi.org/10.1002/pamm.201800264
Sumi, Susanne;
Form- und Parameterfindung von multistabilen Tensegrity-Strukturen mittels Optimierungsalgorithmen und Anwendungen in der Greifertechnik. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2018. - 1 Online-Ressource (viii, 227 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018

Der Gegenstand der Arbeit sind Tensegrity-Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen, sogenannte multistabile Tensegrity-Strukturen. Im Vordergrund der Arbeit steht die Entwicklung von Algorithmen, mit denen solche Strukturen entworfen, untersucht und gezielt ausgelegt werden können. Dafür werden Möglichkeiten zur Bestimmung der Gleichgewichtskonfigurationen von multistabilen Tensegrity-Strukturen betrachtet. Des Weiteren wird untersucht, wie Tensegrity-Strukturen so ausgelegt werden können, dass sie vorgegebene Eigenschaften aufweisen. Dazu werden Kenngrößen zur Charakterisierung dieser Eigenschaften definiert. Für beide Aufgabenstellungen werden Optimierungsprobleme hergeleitet. Zur Lösung dieser Optimierungsprobleme werden Algorithmen entworfen, getestet und analysiert. Aufbauend auf diesen theoretischen Untersuchungen liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit in der Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten von multistabilen Tensegrity-Strukturen in der Greifertechnik. Es werden verschiedene Konzepte für die Entwicklung von Greifern aus diesen Strukturen diskutiert. Zu ausgewählten Konzepten erfolgen weiterführende Betrachtungen, unter anderem durch Einbeziehung dynamischer Analysen. Neben theoretischen Untersuchungen dieser Greifer werden die wichtigsten Erkenntnisse experimentell an Funktionsmustern überprüft und potentielle Einsatzgebiete werden aufgezeigt.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000245
Otterbach, Jan Marc; Gerlach, Erik; Ziolkowski, Marek; Brauer, Hartmut; Schmidt, Reinhard
Portable system for motion induced eddy current testing. - In: Sensors and Measuring Systems, (2018), S. 300-303

https://ieeexplore.ieee.org/document/8436178
Merker, Lukas; Scharff, Moritz; Zimmermann, Klaus; Behn, Carsten
Signal tuning of observables at the support of a vibrissa-like tactile sensor in different scanning scenarios. - In: High tech human touch, ISBN 978-1-5386-8183-1, (2018), S. 1138-1143

https://doi.org/10.1109/BIOROB.2018.8487961
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Motion characteristics of a vibration driven mobile tensegrity structure with multiple stable equilibrium states. - In: Journal of sound and vibration, ISSN 0022-460X, Bd. 437 (2018), S. 198-208

https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.09.019
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Dynamical investigation of crawling motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: ICINCO 2018, (2018), S. 122-130

The basic idea of this article is the utilization of the multistable character of a compliant tensegrity structure to control the direction of motion of a crawling motion system. A crawling motion system basing on a two-dimensional tensegrity structure with multiple stable equilibrium states is considered. This system is in contact with a horizontal plane due to gravity. For a selected harmonic actuation of the system small oscillations around the given equilibrium state of the tensegrity structure occur and the corresponding uniaxial motion of the system is evaluated. A change of the equilibrium state of the tensegrity structure yields to novel configuration of the entire system. Moreover, the motion behavior of the novel configuration is totally different although the actuation strategy is not varied. In particular, the direction of motion changes. Therefore, this approach enables a uniaxial bidirectional crawling motion with a controllable direction of motion using only one actuato r with a selected excitation frequency.



Behn, Carsten; Kräml, Jonas
Gait transitions in artificial non-standard snake-like locomotion systems using adaptive control. - In: Dynamical Systems in Applications, (2018), S. 1-12

This chapter contributes to the modeling, analysis and control of terrestrial artificial locomotion systems. Inspired by previous models, we set up an unconventional model for a snake-like locomotion systems in form of a chain of visco-elastically interconnected mass points in a plane with passive joints, but - in contrast to literature - active links (time-varying link-length) and rotatable skids to change the movement direction and to avoid obstacles. We investigate this model in a dynamical way and focus on controlling these link lengths to achieve a global movement, steered by the skids. From dynamics, the actuator forces have to adjust the prescribed link length for the locomotion. Since it is impossible to determine the necessary actuator forces a-priori, we apply an adaptive lambda-tracking controller to enable the system to adjust these force outputs on-line on its own. Prescribed motion patterns, i.e. specific gaits, are required to guarantee a controlled movement that differ in the number of resting mass points, the load of actuators and spikes, and the lateral forces of the skids. In contrast to literature, the investigated system of n = 10 mass points exhibit a large variety of possible gaits. To determine the most advantageous gaits, numerical investigations are performed and a weighting function offers a decision of best possible gaits. Using these gaits, a gait transition algorithm, which autonomously changes velocity and number of resting mass points depending on the spike, actuator and lateral skid force load, is presented and tested in numerical simulations.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-96601-4_1
Sumi, Susanne; Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of a compliant tensegrity structure for the use in a gripper application. - In: Dynamical systems in theoretical perspective, (2018), S. 323-334

The use of compliant tensegrity structures in robotic applications offers several advantageous properties. In this work the dynamic behaviour of a planar tensegrity structure with multiple static equilibrium configurations is analysed, with respect to its further use in a two-finger-gripper application. In this application, two equilibrium configurations of the structure correspond to the opened and closed states of the gripper. The transition between these equilibrium configurations, caused by a proper selected actuation method, is essentially dependent on the actuation parameters and on the system parameters. To study the behaviour of the dynamic system and possible actuation methods, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed. The movement behaviour is analysed in relation to the prestress of the structure and actuation parameters.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-96598-7_26
Scharff, Moritz; Darnieder, Maximilian; Steigenberger, Joachim; Alencastre, Jorge H.; Behn, Carsten
Theoretical investigations on the behavior of artificial sensors for surface texture detection. - In: Dynamical systems in theoretical perspective, (2018), S. 311-321

Animal vibrissae are used as natural inspiration for artificial tactile sensors, e.g., the mystacial vibrissae enable rodents to perform several tasks in using these tactile hairs: object shape determination and surface texture discrimination. Referring to the literature, the Kinetic Signature Hypothesis states that the surface texture detection is a highly dynamic process. It is assumed that the animals gather information about the surface texture out of a spatial, temporal pattern of kinetic events. This process has to be analyzed in detail to develop an artificial tactile sensor with similar functionalities. Hence, we set up a mechanical model for theoretical investigations of the process. This model is analyzed in two different directions using numerical simulations: at first a quasi-static and then a fully dynamic description.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-96598-7_25
Prem, Nina; Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Sindersberger, Dirk; Monkman, Gareth J.; Zimmermann, Klaus
Properties of polydimethylsiloxane and magnetoactive polymers with electroconductive particles. - In: Macromolecular chemistry and physics, ISSN 1521-3935, Bd. 219 (2018), 18, S. 1800222, insges. 8 S.

Magnetoactive polymers are intelligent materials whose mechanical and electrical characteristics are reversibly influenced by external magnetic stimuli. They consist of a highly elastic polymer matrix in which magnetically soft and/or hard particles are distributed by means of special fabrication processes. In addition to ferromagnetic particles such as carbonyl iron powder, electrically conductive particles may also be embedded into the polymer matrix. After characterizing a range of compounds, this work focuses on a comparison of the electrical properties and the suitability of various materials for applications, with particular emphasis on integration into 3D and 6D printing processes. 6D printing is based on the selective positioning of particles in a 3D polymer matrix with a further three degrees of freedom for a graduated dispersion of the particles at certain points and in desired directions. The aim is therefore to ensure that the polymers containing electroconductive tracks have the best possible electrical properties, that is, low resistivity but are still capable of being printed. A comparison between the traditionally used compounds containing graphite and carbon black is made for the first time. This latter is found to be greatly superior both in terms of electrical conductivity and applicability to 3D printing and 6D printing.



https://doi.org/10.1002/macp.201800222
Bolotnik, Nikolai N.; Schorr, Philipp; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Periodic locomotion of a two-body crawling system along a straight line on a rough inclined plane. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 98 (2018), 11, S. 1930-1946

The motion of a two-body limbless crawler along a line of maximum slope on an inclined plane is considered. Dry friction (anisotropic in the general case) acts between the system's bodies and the underlying plane. The motion is excited and controlled by a periodic change in the distance between the bodies. Of most interest is the periodic upward motion of the system, when the velocity of the system's center of mass changes periodically with a period coinciding with that of the excitation. A mathematical model of the crawler is presented. An upper bound for the inclination angles of the plane at which the system can move upward is estimated. This estimate is based on the averaged model, which implies smallness of the coefficient of friction. Numerical and physical simulation is performed to verify the theoretical results and define an applicability area for them.



https://doi.org/10.1002/zamm.201800107
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
An approach to the estimation of the actuation parameters for mobile tensegrity robots with tilting movement sequences. - In: 2018 International Conference on Reconfigurable Mechanisms and Robots (ReMAR 2018), ISBN 978-1-5386-6380-6, (2018), insges. 8 S.

https://doi.org/10.1109/REMAR.2018.8449871
Merker, Lukas; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Object shape recognition and reconstruction using pivoted tactile sensors. - In: Mathematical problems in engineering, ISSN 1563-5147, (2018), Article ID 1613945, insges. 11 S.

https://doi.org/10.1155/2018/1613945
Will, Christoph;
Continuum models for biologically inspired tactile sensors : theory, numerics and experiments. - Ilmenau, 2018. - xi, 164 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018

In der Biologie existiert ein hoch effizientes und mächtiges Tastorgan: die Sinushaare von Säugetieren. Unter Verwendung dieser Sinushaare können sich Tiere in ihrer Umgebung zurechtfinden, ohne auf die Unterstützung durch andere Sinne angewiesen zu sein, Abstände zu Objekten erkennen, die Oberflächenbeschaffenheit abschätzen und Konturen unterscheiden. Um das Prinzip der Konturerkennung auch in technischen Anwendungen nutzen zu können, werden in dieser Arbeit zunächst die fundamentalen Eigenschaften dieses taktilen Sinnesorgans analysiert: Das Tier erlangt Informationen aus seiner Umgebung, indem es ein langes, schlankes Haar gegen ein Objekt bewegt. Durch die dabei auftretende Verformung des Haares kann der Kontakt in der Lagerung, dem Follikel-Sinus-Komplex, registriert werden. Auf diesen Eigenschaften basierend wird ein unter klaren Annahmen formuliertes, ebenes, quasi-statisches Modell im Rahmen der Kontinuumsmechanik aufgestellt, welches das Problem der Objektabtastung in dimensionsloser Form beschreibt. Nach einer sorgfältigen Analyse des Modells dient dieses dazu die Observablen - jene Informationen, die dem Tier zur Verfügung stehen - zu generieren und im Anschluss, wenn die Observablen bekannt sind, den Kontaktpunkt von Haar und Objekt zu rekonstruieren. Sobald hinreichend viele Kontaktpunkte bekannt sind, kann die Objektkontur abgeschätzt werden. Nachdem die Tauglichkeit der Rekonstruktionsmethode mit Messdaten erfolgt ist, werden die Modellannahmen erweitert. Dies ermöglicht es auch den Einfluss einer elastischen Lagerung, der konischen Form der Haare und einer erweiterten Klasse von Objektkonturen während der Objektabtastung zu bestimmen. Um das Modell zusätzlich zu erweitern und weitere Eigenschaften des biologischen Vorbilds untersuchen zu können, wird auch ein Modell basierend auf der Finiten Elemente Methode verwendet und dessen Ergebnisse denen des kontinuierlichen Modells gegenübergestellt. Mit Hilfe des Finiten Elemente Modells ist es möglich, die Observablen für beliebig geformte Objekte, sowie für vorgekrümmte Haare zu bestimmen. Die entworfenen Modelle können für die Entwicklung von taktilen Sensoren, die Simulation von unterschiedlichen Kontaktbedingungen und die Einschätzung der Lagerreaktionen für diverse Anwendungsgebiete verwendet werden.



Nunuparov, Armen; Becker, Felix; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Capsubot with an opposing spring: simulation and experiments. - In: MATHMOD 2018 extended abstract volume, (2018), S. 71-72

https://doi.org/10.11128/arep.55.a55251
Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Schorr, Philipp; Zentner, Lena
PC program for the analysis and synthesis of flexure hinges with different notch geometries :
PC-Programm zur Analyse und Synthese von Festkörpergelenken mit unterschiedlichen Aussparungsgeometrien. - In: Vierte IFToMM D-A-CH Konferenz 2018, (2018), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/45331
Schorr, Philipp; Linß, Sebastian; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus
Influence of the orientation of flexure hinges on the elastokinematic properties :
Einfluss der Orientierung von Festkörpergelenken auf die elastokinematischen Eigenschaften. - In: Vierte IFToMM D-A-CH Konferenz 2018, (2018), insges. 2 S.

https://doi.org/10.17185/duepublico/45330
Will, Christoph; Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim
Object contour scanning using elastically supported technical vibrissae. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 98 (2018), 2, S. 298-305

https://doi.org/10.1002/zamm.201600161
Schümann, Malte; Morich, Julian; Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus; Odenbach, Stefan
A mechanical characterisation on multiple timescales of electroconductive magnetorheological elastomers. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 453 (2018), S. 198-205

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.01.029
Dietzel, Andreas;
Modellgestützte Ermittlung und Bewertung der Formgebungsgrenzen von Rotbuchenfurnier. - Aachen : Shaker Verlag, 2018. - xxx, 241 Seiten. - (Berichte aus der Mechanik)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

ISBN 3-8440-5673-4

Gegenstand dieser Arbeit ist die kontinuumsmechanische Beschreibung des Werkstoffes Furnier bei zweidimensionaler Umformung. Die experimentellen Betrachtungen werden an quer gemessertem, industriell hergestelltem Rotbuchenfurnier (Fagus sylvatica L.) durchgeführt. Umformversuche sind dabei Kurzzeitversuche. Auf Basis bekannter Materialmodelle von Vollholz (Kurzzeitbereich) werden verschiedene Umformmodelle für Furnier entwickelt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Erfassung der Kennwertdifferenzen zwischen Vollholz und Furnier, der stark von den Parametern Holzfeuchte und Temperatur abhängigen Zug-Druck-Asymmetrie des Werkstoffes sowie des plastischen Verformungspotentials bei Druckbelastung. Darauf aufbauend werden, anhand mikroskopischer Untersuchungen, fertigungsbedingte Werkstoffschädigungen von Furnier (Messerrisse und Oberflächendefekte) charakterisiert und quantifiziert. Die Ergebnisse werden mit Blick auf die bei Vollholz und Furnier stark differierenden mechanischen Werkstoffkennwerte diskutiert und die Kennwertdifferenzen m.H. eines Schichtmodells erfasst. Des Weiteren werden ein neu entwickelter Biegeversuch und eine entsprechende Prüfvorrichtung zur Erfassung der zweidimensionalen Formungseigenschaften von Furnier vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt in der Aufzeichnung der Randfaserdehnungen der Biegeprobe m.H. eines digitalen Bildkorrelationsmesssystems. Anhand umfangreicher Versuche werden die Biegeeigenschaften und das Versagensverhalten von Furnier in Abhängigkeit der Parameter Furnierdicke, Holzfeuchte, Faser- und Krümmungsrichtung (offene, geschlossene Furnierseite) ermittelt. Furnier zeigt dabei asymmetrische Biegeeigenschaften sowie ein sehr komplexes Versagensverhalten, mit sukzessiv zunehmender Werkstoffschädigung. Die minimal erreichbaren Biegeradien werden in Bezug auf die daraus resultierenden Oberflächendefekte des Furniers ausgewertet und diskutiert. Im Gültigkeitsbereich der entwickelten Umformmodelle zeigen die Versuchsergebnisse eine gute Übereinstimmung. Hin zu sehr kleinen Radien ist aus den Dehnungsmessungen ersichtlich, dass in der Zugrandfaser die, aus uniaxialen Zugversuchen bekannten, Bruchdehnungen deutlich überschritten werden. Es wird aufgezeigt, wie die zugrunde gelegte Werkstoffmodellbeschreibung zu erweitern ist, um auch diesen Grenzbereich der Furnierformung im Umformmodell abbilden zu können.



Volkova, Tatiana I.; Zimmermann, Klaus; Borin, Dmitry Yu.; Stepanov, Gennady V.; Storozhenko, P. A.
Dynamic response of a sensor element made of magnetic hybrid elastomer with controllable properties. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 449 (2018), S. 77-82

https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.09.081
Böhm, Valter; Sumi, Susanne; Kaufhold, Tobias; Zimmermann, Klaus
Compliant multistable tensegrity structures with simple topologies. - In: New Trends in Mechanism and Machine Science, (2017), S. 153-161

This paper describes a method to identify compliant tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium. The considered algorithm is based on the repeated use of a form-finding procedure, using the static Finite-Element-Method. The algorithm can be used to develop compliant multistable tensegrity mechanisms with simple topologies. Therefore three planar tensegrity mechanisms with two or three stable equilibrium configurations are exemplary considered and verified experimentally.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-44156-6_16
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus
Compliant gripper based on a multistable tensegrity structure. - In: New Trends in Mechanism and Machine Science, (2017), S. 143-151

This paper describes a new design approach of compliant grippers based on tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium. As an example a planar tensegrity structure with two stable equilibrium states is considered and its potential use in a two-finger-gripper is discussed. The form finding and the influence of the segment parameters on global structural properties (e.g. mechanical compliance, static stability) are considered, with the help of static geometric nonlinear analyses, based on the Finite Element Method. The working principle is verified for a selected prototype.



https://doi.org/10.1007/978-3-319-44156-6_15
Schorr, Philipp; Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Dynamical investigation of a vibration driven locomotion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Vibration, control and stability of dynamical systems, ISBN 978-83-935312-5-7, (2017), S. 485-496

Dubovikova, Nataliia; Gerlach, Erik; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
An approach to the mechanical modeling of contact problems in the application to friction stir welding. - In: Engineering dynamics and life sciences, ISBN 978-83-935312-4-0, (2017), S. 173-182

Behn, Carsten; Siedler, Konrad
Tracking control of a muscle-like actuated double pendulum. - In: Engineering dynamics and life sciences, ISBN 978-83-935312-4-0, (2017), S. 45-56

Scharff, Moritz; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten; Alencastre, Jorge
Influence of vibrissa morphology on artificial tactile sensors for surface texture detection. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 17 (2017), 1, S. 219-220

https://doi.org/10.1002/pamm.201710079
Chavez, Jhohan; Kaufhold, Tobias; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Zimmermann, Klaus; Martens, Michael; Schilling, Meinhard; Gundermann, Thomas; Odenbach, Stefan
Field-induced plasticity of magneto-sensitive elastomers in context with soft robotic gripper applications. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 17 (2017), 1, S. 23-26

https://doi.org/10.1002/pamm.201710007
Schorr, Philipp; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Motion by variation of the contact force on an inclined plane. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 17 (2017), 1, S. 167-168

https://doi.org/10.1002/pamm.201710053
Kaufhold, Tobias;
Modellbildung, Simulation und Prototypenentwurf von mechanisch nachgiebigen, mobilen Robotern. - Ilmenau, 2017. - 131 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

In der Robotik werden zunehmend mechanisch nachgiebige Systeme eingesetzt, um unter anderem die Interaktion zwischen Mensch und Maschine für den Menschen sicher zu gestalten. Ebenfalls wächst aufgrund vorteilhafter Eigenschaften, wie Formvariabilität, einfacher Aufbau und Möglichkeit der Stoßabsorption, der Anteil mechanisch nachgiebiger Systeme in der mobilen Robotik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Strukturen in mobilen Robotern zu leisten. Dabei bilden strukturelle und antriebstechnische Aspekte den Forschungsfokus. Die Untersuchungen sollen einen Impuls zur Entwicklung solcher nachgiebiger Lokomotionssysteme geben, bei welchen Fortbewegung mittels nur weniger Aktuatoren, unter Nutzung besonderer struktureller oder werkstoffseitiger Charakteristika, realisiert wird. Auf diese Weise können vielseitig einsetzbare mobile Roboter entwickelt werden, die sich durch einen einfachen Aufbau, moderaten Steuerungsaufwand und somit durch eine geringe Fehleranfälligkeit auszeichnen. Die Betrachtungen in dieser Arbeit haben Grundlagencharakter. Im Vordergrund steht nicht die Weiterentwicklung bekannter klassischer Lokomotionssysteme, sondern die exemplarische Umsetzung von im Vergleich zu bekannten Systemen alternativen Realisierungsmöglichkeiten derartiger mobiler Roboter. In diesem Zusammenhang werden wissenschaftliche Fragestellungen bezüglich struktureller, werkstoffseitiger und antriebstechnischer Aspekte formuliert und mittels theoretischer und experimenteller Untersuchungen beantwortet. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Betrachtung von mechanisch vorgespannten Systemen auf Basis von Tensegrity-Strukturen. Die Anwendung solcher Strukturen ermöglicht die Realisierung von Systemen, deren mechanische Nachgiebigkeit und daraus folgend auch dynamische Eigenschaften ohne Formänderung reversibel veränderbar sind. Dies ermöglicht eine Anpassungsfähigkeit dieser Systeme an veränderte Umgebungsbedingungen während der Fortbewegung.



Günther, Lars; Becker, Felix; Becker, Tatiana I.; Stepanov, Gennady V.; Zimmermann, Klaus
Development of an acceleration sensor incorporating a magneto-sensitive elastomer. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 9 S.

The present paper introduces an operating principle and concept of an acceleration sensor with an adaptable measuring range and sensitivity basing on the adjustability of the material properties of magneto-sensitive elastomers. The development of such a sensor requires a comprehensive understanding of the behaviour of the utilized material. Therefore, the magnetic field dependent behaviour of magnetic hybrid elastomer (MHE) with embedded magnetically soft and hard particles is investigated. Free vibrations of MHE beams are executed and hereafter, the frequency and damping behaviour are established. It is shown that the change of the magnetic field caused by a vibrating MHE beam contains detailed information about its deflection. Basing on the revealed results, the acceleration sensor concept incorporating a functional MHE element is presented. The possibility to adjust the material properties of this element with an externally applied magnetic field is used.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-055:3
Stubbig, Leon; Lichtenheldt, Roy; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
Model-based development of a compliant locomotion system for a small scout rover. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 20 S.

All currently active planetary exploration robots employ wheels for locomotion. In this work an alternative robotic locomotion concept is examined: the rimless wheel, also known as whegs. It has been proven to be successful in traversing rough terrain on earth and inhibits an appealing simplicity in its mechanics and controls. These aspects along with its inherent redundancy make the rimless wheel particularly suited for planetary exploration. The rimless wheel's kinematics and compliant spokes are analytically examined using mechanical models. The dynamics of these models are explored in a computational multi-body simulation which confirms the conclusions drawn from the analytical models about running, climbing and movement on rough terrain. A parameter variation then yields a set of suitable parameters for a future scout rover. The application in sand is considered separately both analytically and computationally. Based on these results a single wheel is build and tested on the conclusions drawn from modelling and simulation. These experiments provide strong support that the two-sided goal of efficient movement on hard and flat surfaces as well as reliable negotiation of rough terrain can be achieved with the developed locomotion system.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-012:0
Scharff, Moritz; Alencastre, Jorge H.; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Investigations on the mechanical relevance of prominent vibrissa features for surface texture detection. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 9 S.

The tactile hairs of animals are used as paradigm for artificial tactile sensors. In the case of mystacial vibrissae, the animals can determine the distance to an object, recognize the shape of the object and detect the surface texture of the object. The goal is to design an artificial tactile sensor inspired by the natural paradigm. In the present work, the vibrissa and the follicle-sinus-complex are modeled as a one-sided clamped beam within the limits of the non-linear Euler-Bernoulli beam theory. The theoretical background of the function principle and the effects of typical properties of the natural vibrissa, e.g., a tapered shape and a pre-curvature while operating in surface texture detection are analyzed. The beam-surface contact is described by Coulomb's law of friction. When the beam is in touch with the surface, a quasi-static displacement of the support takes place. As a consequence of the displacement the support reactions are changing. The resulting support reactions are analyzed in parameter studies and beneficial levels of tapering and pre-curvature are identified.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-094:0
Behn, Carsten; Ackermann, Lisa; Will, Christoph; Helbig, Thomas; Steigenberger, Joachim
Vibrissa-based design of tapered tactile sensors for object sensing. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 13 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-050:5
Merker, Lukas; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Object contour sensing using artificial rotatable vibrissae. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 13 S.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-049:9
Lichtenheldt, Roy; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus
Screw-driven robot for locomotion into sand. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 13 S.

The locomotion into sand is needed in various applications, but due to the complex mechanics of granular matter it causes special difficulties. High resistance forces on penetration systems and parameter dependent behavior, like stable or instable boreholes, complicate the design of mobile robots for the locomotion in sandy soil. The most effective state of the art devices deploy hammering mechanisms. Screw-driven systems arise more and more in the literature, as they promise to be a simple, robust and low-cost solution. In this paper, an autonomous drilling robot for the locomotion into sandy soils is presented. The design is based on theoretical modeling and experimental analyses of the screw drive aiming to minimize the needed torque and to maximize the locomotion speed. The presented prototype is able to reach a depth of 20 centimeters within a minute with a torque of 0.66 Nm.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-005:6
Steinmeier, René; Becker, Felix; Günther, Lars; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Approaches to the application of magnetic fluids in electromechanical drive systems. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 12 S.

This paper shows the approach of applications of magnetic liquids in electromechanical drive systems. Magnetic fluids consist of colloidal ferromagnetic nanoparticles, a particle surfactant and carrier liquid. These fluids are divided into two groups called ferrofluids and magneto-rheological fluids (MRF). Both liquids are examined in two different kinds of electric motor prototypes. Following the ideas of Nethe [4], a ferrofluid is located in the air gap of an electrical drive. The influence on torque and especially heat transfer is shown by experiments. The system is also studied analytically as a classical Taylor-Couette-System. A second motor prototype is a novel and innovative magnetorheological assisted electrical machine. The construction and the functional principle are presented in this paper. In addition, some of first measurements are shown.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-057:9
Chigarev, Vitalij; Zimmermann, Klaus; Becker, Felix; Minchenya, Vladimir
Theoretical and experimental investigations of micro robots based on piezoelectric triangular plates. - In: Engineering for a changing world, (2017), insges. 19 S.

The creation of mobile miniature robots is an advanced and promising branch of modern engineering. The most important issues in the design of such robots are the development of propulsion and energy systems. The use of miniature electromechanical systems in the technological world is growing rapidly. Considering new applications the piezoelectric drive is a practical base to create miniature robots which move on different surfaces and in different media. Due to the small dimensions and low energy supply the development of piezoelectric platforms for miniature robots in the form of spheres, cylinders, plates with support rods can effectively solve many theoretical and practical problems. To study complex stress-strain states of plate-platforms for miniature robots methods of numerical analysis (finite element calculation) are used. This allows to obtain solutions of boundary value problems for plates with various shapes in conditions of a controlled resonance. This results can be compared with experimental data. This approach leads to a significant reduction of the design costs.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017iwk-004:8
Becker, Tatiana; Naletova, Vera A.; Turkov, Vladimir A.; Zimmermann, Klaus
Surface shape stability analysis of a magnetic fluid in the field of an electromagnet. - In: Journal of fluid mechanics, ISSN 1469-7645, Bd. 830 (2017), S. 326-349

https://doi.org/10.1017/jfm.2017.488
Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Dynamic properties of magneto-sensitive elastomer cantilevers as adaptive sensor elements. - In: Smart materials and structures, ISSN 1361-665X, Volume 26 (2017), number 9, 095035, Seite 1-9

https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa75ec
Kaufhold, Tobias; Schale, Florian; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
Indoor locomotion experiments of a spherical mobile robot based on a tensegrity structure with curved compressed members. - In: 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), ISBN 978-1-5090-6000-9, (2017), S. 523-528

This work presents theoretical and experimental investigations on an untethered rolling tensegrity robot. Previous research has shown, that rolling locomotion of compliant tensegrity robots can be realized without change of their shape, by using only internal mass shifting. The use of simple tensegrity structures, based on curved compressed members enables pure rolling locomotion in contrast to the most known prototypes of this kind. Therefore, theoretical and experimental investigations of an untethered locomotion system based on a simple tensegrity structure, consisting of two disconnected compressed curved members connected to a continuous net of twelve prestressed tensioned members with pronounced elasticity, are considered. Planar locomotion is induced by the movement of only two drive units as internal masses along the curved compressed members. Theoretical considerations show the influence of the geometrical system parameters on the movement behavior of the system. With the help of experimental investigations, by using motion-capturing technique, main properties of the locomotion performance of a prototype are discussed.



https://doi.org/10.1109/AIM.2017.8014070
Pozo Fortuniâc, Edmundo; Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Cuellar, Francisco
Bristle-bots in swarm robotics - approaches on agent development and locomotion. - In: 2017 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), ISBN 978-1-5090-6000-9, (2017), S. 1424-1429

Bristle-bots are vibration-driven mobile robots characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application - qualities which are advantageous for agents of swarm robotics. Current studies have focused on their natural behaviour on confined spaces, navigation capabilities through pipes, and mathematical modelling of the bristle-based motion, however, trajectory generation capabilities were not evaluated. Therefore, this paper presents our robot "Donipodis", a mobile micro-robot for swarm robotics research. Our robot uses a single vibro-motor controlled over an 8-bit microprocessor that generates locomotion using bristles. It possess two IR receivers at its front as antennae and one IR transmitter at its back for peer-to-peer communications, an RGB colour identifier and IrDA communication for master host programming. A modelling of the micro-robot was also developed. Simulations and experimental results show a proper modelling of the locomotion and performance over displacement with slightly curved trajectories. Translation and rotation speeds characterization results show potential for controllable trajectory generation by varying the motor speed properties (PWM frequency and duty cycle) and direction.



https://doi.org/10.1109/AIM.2017.8014218
Becker, Felix; Seith, Rebecca; Köhring, Sebastian; Voges, Danja; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus
Mehrkörperdynamische Modelle und Methoden der Bewegungsanalyse zur Diagnostik und Prävention von Störungen der Bewegungskontrolle. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2017), S. 377-384

Faenger, Bernd; Michaelis, Anne; Schumann, Nikolaus; Lutherdt, Stefan; Becker, Felix; Witte, Hartmut; Pezoldt, Kerstin; Scholle, Hans-Christoph
Generation 50plus auf der Überholspur - Nahfeld-Mobilitätssysteme im Vergleich. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2017), S. 345-348

Carlstedt, Matthias;
A contribution to the experimental validation in Lorentz force eddy current testing. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (xviii, 143 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Die zerstörungsfreie Materialprüfung elektrisch leitfähiger Komponenten und Baugruppen ist ein integraler Bestandteil im Produktlebenszyklus heutiger technischer Produkte. Insbesondere im Automobilbau sowie der Luft- und Raumfahrttechnik ist durch den Einsatz moderner Leichtbaumaterialien die Entwicklung immer leistungsfähigere mechanischer Komponenten möglich. Diese hochbeanspruchbaren Bauteile müssen sowohl in der Fertigungsphase als auch in der späteren Betriebsphase auf ihre strukturelle Integrität geprüft werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Die in dieser Arbeit untersuchte Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung ist eines der Prüfverfahren, welche in diesem Zusammenhang erforscht und weiterentwickelt werden. Nach einer kurzen Einführung in den Stand der Technik der zerstörungsfreien Materialprüfung und einer Vorstellung der relevanten Märkte, werden die vorangegangen Arbeiten auf dem Gebiet der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfverfahren beleuchtet. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den experimentellen Untersuchungen, welche in vorangegangenen Machbarkeitsstudien erfolgreich durchgeführt wurden. Die Betrachtung der für das Messprinzip relevanten physikalischen Phänomene ermöglicht mittels der durchgeführten Dimensionsanalyse einen vertiefenden Einblick in die Wechselwirkungen der elektromagnetischen und geometrischen Größen. Umfassende numerische Studien begleiten diese Untersuchung und führen zur Formulierung von praktischen Skalierungsregeln. Den umfassendsten Teil der Arbeit bilden die Klassifizierung und die systematische Beschreibung des untersuchten Messverfahrens, sowie die repräsentative Darstellung experimenteller Studien. Hierbei kommt ein mehrkomponentiges Sensorsystem zum Einsatz, welches die zeitgleiche Erfassung der auftretenden Messkräfte sowie deren Beschleunigungswirkung auf den Messaufbau ermöglicht. Das idealisierte Messverfahren wird durch die Betrachtung der beteiligten physikalischen Größen als Zufallsvariablen zu einem realen Messprozess erweitert. Dabei zeigt sich, dass die statistischen Eigenschaften des Messprozesses nicht zeitunabhängig sind und somit ein Messsignal einer einzelnen Messung kein vollständiges Messergebnis, im Sinne einer experimentellen Standardabweichung, liefern kann. Aus dieser Einsicht heraus werden Ansätze für die Bildung von künstlichen Signalscharen beschrieben und in unterschiedlichen experimentellen Studien erprobt. Diese Signalensembles, welche aus Einzelsignalen bestehen, ermöglichen dabei erstmals eine statistische Auswertung der Messergebnisse. Einen Neuheitswert stellt ebenfalls die in der Arbeit vorgestellte Erweiterung des Messmodells zu einem nicht rückwirkungsfreien Messverfahren dar, welches die mechanische Wechselwirkung der Lorentzkraft und des mechanischen Messaufbaus beschreibt. Hierfür werden für zwei praktisch relevante Beispiele geeignete Verfahren zur Systemidentifikation vorgestellt, welche sowohl in der Signalvorverarbeitung als auch der modellspezifischen Parameterschätzung eine einfache Modellbildung des mechanischen Systems ermöglichen. Aus den so gewonnenen mechanischen Modellen wird anschließend beispielhaft der Entwurf digitaler Filter zur Kompensation des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens dargestellt.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000307
Becker, Felix; Zimmermann, Klaus; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir
New methods for designing the moving robots using biological prototypes. - Minsk. - 1 Online-Ressource (1 Seite)Online-Ausgabe: Novye napravlenija razvitija priborostroenija : materialy 10-j meždunarodnoj naučno-techničeskoj konferencii molodych i studentov, Minsk, 26-28 aprelja 2017 g. / Belorusskij Nacional'nyj Techniceskij Universitet. Redkol.: O.K. Gusev. - Minsk, 2017. - T. 1, S. 226

http://rep.bntu.by/handle/data/30963
Helbig, Thomas; Zárate, José; Voges, Danja; Behn, Carsten; Witte, Hartmut
Mechanical bearings with tunable compliance - the follicle-sinus-complex as paragon. - In: Bionik: Patente aus der Natur, (2017), S. 261-267

Siedler, Konrad; Behn, Carsten
Adaptively controlled dynamical behavior of sensory systems based on mechanoreceptors. - In: International journal of structural stability and dynamics, ISSN 0219-4554, Bd. 17 (2017), 5, S. 1740002, insges. 14 S.

https://doi.org/10.1142/S0219455417400028
Böhm, Valter; Sumi, Susanne; Kaufhold, Tobias; Zimmermann, Klaus
Compliant multistable tensegrity structures. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 115 (2017), S. 130-148

In this paper, a method to identify compliant tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium is described. The considered algorithm is based on the repeated use of a form-finding procedure, using the static Finite-Element-Method. The algorithm can be used in the development process of compliant multistable tensegrity structures with simple topologies, consisting of only few members. As examples four planar tensegrity structures with two or three stable equilibrium configurations are considered and verified experimentally. Furthermore, a specific kind of multistable tensegrity structures, which have identical convex hulls, but differing prestressed states in their equilibrium configurations, is investigated. The potential technical use of the considered structures is discussed in the context of shape-changing locomotion systems using transitions between their equilibrium configurations.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.04.013
Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of a spherical mobile robot based on a tensegrity structure with two curved compressed members. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 87 (2017), 5, S. 853-864

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robotics is an attractive research topic. The mechanical properties and therefore the locomotion performance of mobile robots based on these structures can be adjusted reversibly during locomotion. In the present work, a rolling mobile robot, based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected curved members connected to a continuous net of eight prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. Pure rolling uniaxial locomotion and also planar locomotion can be realized with small control effort, induced by the movement of two internal masses. After kinematic considerations, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed, to study the system behavior. Also the dependency of the rolling movement behavior on structural and actuation parameters is discussed. The uniaxial and planar locomotion performance of the system are verified experimentally.



https://doi.org/10.1007/s00419-016-1183-z
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
A multistable tensegrity structure with a gripper application. - In: Mechanism and machine theory, Bd. 114 (2017), S. 204-217

Multistable tensegrity structures are a new interesting class of compliant prestressed structures. Due to their beneficial properties, these structures are attractive for robotic applications. In this paper a gripper is introduced, which is based on a mechanical compliant, multistable tensegrity structure. The underlying tensegrity structure of the considered gripper is investigated in detail. The influence of the member parameters on the existence of multiple states of self-equilibrium and the mechanical compliance is discussed with the help of static geometric nonlinear analyses, based on the Finite Element Method. The dynamical behaviour of the structure, during the change between the equilibrium configurations, is considered. Therefor the dynamical equations of motion are derived. Then gripper arms are added to the tensegrity structure to obtain a gripper. Different actuation principles for the gripper are discussed. Additionally, a prototype of the gripper has been built and is presented, as well as, selected experimental results.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.04.005
Volkova, Tatiana I.; Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Popp, Jana; Becker, Felix; Borin, Dmitry Yu.; Stepanov, Gennady V.; Zimmermann, Klaus
Motion behaviour of magneto-sensitive elastomers controlled by an external magnetic field for sensor applications. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 431 (2017), S. 262-265

The development of sensor systems with a complex adaptive regulation of the operating sensitivity and behaviour is an actual scientific and technical challenge. Smart materials like magneto-sensitive elastomers (MSE) are seen as one potential solution for this problem, since their mechanical properties may be controlled by external magnetic fields. The present paper deals with the investigation of elastic and damping properties of MSE containing magnetically soft particles under the influence of a uniform magnetic field. Based on the measurement of the first eigenfrequency of free bending vibrations of a fixed beam, the effective Young's modulus is evaluated theoretically and also numerically using Finite Element Method. It is shown that this parameter, as well as the first eigenfrequency of the beam, increases monotonically with the magnitude of the applied magnetic field. The results are aimed to develop an acceleration sensor with adaptive magnetically controllable sensitivity range for the detection of external mechanical stimuli of the environment.



http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.10.009
Becker, Tatiana; Böhm, Valter; Naletova, Vera A.; Kaufhold, Tobias; Becker, Felix; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
A ferrofluid based artificial tactile sensor with magnetic field control. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 431 (2017), S. 277-280

The paper deals with a tactile sensor inspired by biological hairs of mammals. The working principle is based on the effect of the magnetic force exerted on a paramagnetic body submerged into a ferrofluid volume under the influence of a nonuniform magnetic field. The deflection of the sensor's rod caused by external mechanical stimuli may be unambiguously identified by the distortion of the magnetic field, which occurs due to the motion of the attached body in the ferrofluid. The magnetic force acting on the body is evaluated experimentally and theoretically for the nonuniform magnetic field of a permanent magnet. The controlled oscillations of the rod are realised by applying a nonuniform magnetic field of perodically altering direction.



http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.105
Niederschuh, Sandra J.; Helbig, Thomas; Zimmermann, Klaus; Schmidt, Manuela; Witte, Hartmut
Kinematic response in limb and body posture to sensory feedback from carpal sinus hairs in the rat (Rattus norvegicus). - In: Zoology, ISSN 1873-2720, Bd. 121 (2017), S. 18-34

One of the most challenging adaptations within the therians has been to ensure dynamic stability of the trunk during rapid locomotion in highly structured environments. A reorganization of limb mechanics and development of new sensors has taken place within their stem lineage. Rats, which have a similar lifestyle to the first therians, possess sinus hairs specialized for tactile sensing. It is supposed that carpal sinus hairs have a role in sensing substrate properties and can thus induce adjustments in limb kinematics and body posture according to the different surface diameters and structures detected. This implies a shared sensorimotor control loop of sinus hairs and body posture. To investigate the role of the carpal sinus hairs during locomotion and to explore a possible interaction between limb and spine motion, spatiotemporal and kinematic parameters as well as the contact mechanics of the hairs with regard to the surface were quantified. Locomotion on a treadmill with continuous and discontinuous substrates was compared in the presence/absence of the carpal sinus hairs across a speed range from 0.2 m/s to 0.6 m/s. Recordings were taken synchronously using x-ray fluoroscopy and normal-light high-speed cameras. Our investigation revealed that the three tactile hairs made a triangle-like contact with the ground approximately 30 ms before touchdown of the forelimb. Within that time, it is likely that both the body posture and its oscillation are adjusted according to the different surface textures. The sensory input of the carpal sinus hairs induces a stabilization of the trajectory of the center of mass and, therefore, improves the dynamic stability of the trunk; conversely, the absence of the sensors results in a more crouched frontal body posture, similar to that seen in rats when they are moving in an unknown terrain. The carpal sinus hairs also sense the animal's speed during surface contact. This implicates an adjustment of the limb and spine kinematics, by increasing the speed-dependent effect or by increasing the distance between the trunk and the ground when the rat is walking faster.



http://dx.doi.org/10.1016/j.zool.2017.02.001
Linß, Sebastian; Schorr, Philipp; Zentner, Lena
General design equations for the rotational stiffness, maximal angular deflection and rotational precision of various notch flexure hinges. - In: Mechanical sciences, ISSN 2191-916X, Bd. 8 (2017), 1, S. 29-49

Notch flexure hinges are often used as revolute joints in high-precise compliant mechanisms, but their contour-dependent deformation and motion behaviour is currently difficult to predict. This paper presents general design equations for the calculation of the rotational stiffness, maximal angular elastic deflection and rotational precision of various notch flexure hinges in dependence of the geometric hinge parameters. The novel equations are obtained on the basis of a non-linear analytical model for a moment and a transverse force loaded beam with a variable contour height. Four flexure hinge contours are investigated, the semi-circular, the corner-filleted, the elliptical, and the recently introduced bi-quadratic polynomial contour. Depending on the contour, the error of the calculated results is in the range of less than 2 % to less than 16 % for the suggested parameter range compared with the analytical solution. Finite elements method (FEM) and experimental results correlate well with the predictions based on the comparatively simple and concise design equations.



https://doi.org/10.5194/ms-8-29-2017
Behn, Carsten; Schale, Florian; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Bolotnik, Nikolai N.
Dynamics and motion control of a chain of particles on a rough surface. - In: Mechanical systems and signal processing, ISSN 1096-1216, Bd. 89 (2017), S. 3-13

In this paper the mechanics and control of the motion of a straight chain of three particles interconnected with kinematical constraints are investigated. The ground contact is described by dry (discontinuous) or viscous (continuous) friction. Here, we understand this model as a methodological basis for the design of worm-like locomotion systems, i.e., non-pedal mobile robots. This kind of robots will prove an efficient form of locomotion in application to inspection of pipes or for rescue missions. In this paper, a number of issues related to the dynamics and control of artificial limbless locomotion systems are discussed. Simplest models of a limbless locomotor are two-body or three-body systems that move along a horizontal straight line. In the first part of the paper, the controls are assumed in the form of periodic functions with zero average, shifted on a phase one concerning each other. Thus, there is a traveling wave along the chain of particles. In the second part, actuator models are discussed. It is supposed that there are unknown actuator data or the worm system parameter are not known or exactly as well. The focus is on adaptive control algorithms for the worm-like locomotion systems in order to track given reference trajectories, like kinematic gaits. Finally, a prototype together with its signal processing and control software is presented. Theoretically (analytically and numerically) calculated results of the dynamical behavior of the mobile system are compared to experimental data.



http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2016.11.001
Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
A biologically inspired sensor mechanism for amplification of tactile signals based on parametric resonance. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 27-38

In this paper, the vibrational motion of an elastic beam under the parametric excitation is investigated theoretically and numerically. The problem is motivated by biological tactile sensors, called vibrissae or whiskers. Mammals use these thin long hairs for exploration of the surrounding area, object localization and texture discrimination. We propose a mechanical model of the vibrissa sweeping across a rough surface as a straight truncated beam stimulated by a periodic following force. The equation of transverse motion of the beam is studied using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. The numerical analysis is performed by means of the finite element method. It is shown that the parametric resonance of the beam occurs at the specific ranges of the excitation frequency, which depend on the parameters of the beam and the amplitude of the applied force. For these frequency values, the vibrations of the beam are unstable with exponentially increasing amplitude. The comparison of the resonance ranges obtained theoretically and numerically is made. Thus, together with the realisation of the viscoelastic support of an artificial tactile sensor, the parametric resonance may be a potentially useful method for amplifying small signals arising from the contact with an object.



http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_3
Scharff, Moritz; Darnieder, Maximilian; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Towards the development of tactile sensors for determination of static friction coefficient to surfaces. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 39-48

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_4
Becker, Felix; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir T.; Kunze, Oliver; Zimmermann, Klaus
Locomotion principles for microrobots based on vibrations. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 91-102

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_9
Sumi, Susanne; Böhm, Valter; Schale, Florian; Roeder, Richard; Karguth, Andreas; Zimmermann, Klaus
A novel gripper based on a compliant multistable tensegrity mechanism. - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 115-126

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_11
Pollok, Fabian; Mandach, Christoph; Griebel, Stefan; Böhm, Valter; Zentner, Lena
Investigation of the Novelty brackets "Gold-S". - In: Microactuators and Micromechanisms, (2017), S. 199-211

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-45387-3_18
Scharff, Moritz; Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Alencastre, Jorge
Towards the development of tactile sensors for surface texture detection. - In: InfoWare 2016, ISBN 978-1-61208-066-6, (2016), S. 33-38

Behn, Carsten; Steigenberger, Joachim; Sauter, Anton; Will, Christoph
Pre-curved beams as technical tactile sensors for object shape recognition. - In: InfoWare 2016, ISBN 978-1-61208-066-6, (2016), S. 7-12

Recent research topics in bionics focus on the analysis and synthesis of animal spatial perception of their environment by means of their tactile sensory organs: vibrissae and their follicles. Using the vibrissae, these mammals (e.g., rats) are able to determine an obstacle shape using only a few contacts of the vibrissa with the object. The investigations lead to the task of creating models and a stringent exploitation of these models in form of analytical and numerical calculations to achieve a better understanding of this sense. The sensing lever element vibrissa for the stimulus transmission is frequently modeled as an EulerBernoulli bending rod. We assume that the rod is one-sided clamped and interacts with a rigid obstacle in the plane. But, most of the literature is limited to the research on cylindrical and straight, or tapered and straight rods. The (natural) combination of a cylindrical and pre-curved shape is rarely analyzed. The aim is to determine the obstacles contour by one quasi-static sweep along the obstacle and to figure out the dependence on the precurvature of the rod. To do this, we proceed in several steps: At first, we have to determine the support reactions during a sweep. These support reactions are equate with the observables an animal solely relies on and have to be measured by a technical device. Then, the object shape has to be reconstructed in using only these generated observables. The consideration of the precurvature makes the analytical treatment a bit harder and results in numerical solutions of the process. But, the analysis of the problem results in an extension of a former decision criterion for the reconstruction by the radius of pre-curvature. Is is possible to determine a formula for the contact point of the rod with the profile, which is new in literature in context of pre-curvature.



Kräml, Jonas; Behn, Carsten
Gait transition in artificial locomotion systems using adaptive control. - In: ICINCO 2016, (2016), S. 119-129

Naletova, Vera A.; Pelevina, Daria A.; Merkulov, Dmitri I.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Bi-stability of the deformation of a body with a magnetizable elastomer in a magnetic field. - In: Magnetohydrodynamics, ISSN 0024-998X, Bd. 52 (2016), 3, S. 357-368

Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Schale, Florian; Zimmermann, Klaus
Spherical mobile robot based on a tensegrity structure with curved compressed members. - In: 2016 IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), ISBN 978-1-5090-2065-2, (2016), S. 1509-1514

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robots is an attractive research topic. This paper describes a new concept for rolling locomotion of mobile robots based on tensegrity structures. In particular, an untethered locomotion system based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected compressed curved members connected to a continuous net of twelve prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. The locomotion is induced by the movement of two internal masses. The working principle of the system is discussed with the help of kinematic considerations and verified with experimental tests.



http://dx.doi.org/10.1109/AIM.2016.7576984
Becker, Felix; Faenger, Bernd; Mixanek, Florian; Wik, Alexander; Brandl, Michael; Köhring, Sebastian; Lutherdt, Stefan; Scholle, Hans-Christoph; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus
Messung und Beurteilung der Schwingungsbelastung durch Ganz-Körper-Schwingungen - eine Anleitung zur Nutzung von VDI 2057-1 und ISO 2631-5 mit Gegenüberstellung der Ergebnisse am Beispiel. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen, (2016), S. 345-352

Täglich ist der Mensch Schwingungen ausgesetzt. Die Normen ISO 2631-5 und VDI 2057-1 haben den Anspruch, standardisierte Mess- und Auswertungsmethoden bereitzustellen, um das Gefährdungspotential solcher mechanischen Einwirkungen einschätzen zu können. Jedoch ist ihre Anwendung nicht trivial. Besonders die Signalaufnahme, -umrechnung und -auswertung erfordern Expertenwissen. In diesem Artikel werden, die in den Normen beschriebenen Vorgehensweisen zur Gefährdungseinschätzung von Ganz-Körper-Schwingungen erläutert, exemplarisch durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Als Beispiel dient ein Proband in einem elektrischen Rollstuhl. Messaufbau, Umrechnungen des Messsignals und die Bewertung der Gefährdung werden dargestellt. Es wird gezeigt, welche Einflüsse die verschiedenen zeitlichen Einwirkungsparameter auf die Berechnungsergebnisse haben. Es kann zusammengefasst werden, dass durch Anwendung der Normen nur unzureichende Prognosen für die Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren getroffen werden können, da die individuellen Eigenschaften der Probanden nicht berücksichtigt werden. Die Normen haben unterschiedliche Anwendungsbereiche und führen zu verschiedenen Gefährdungsbeurteilungen für ein und dieselbe Schwingungsbelastung.



Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Zimmermann, Klaus
The dynamical behavior of a spherical pendulum in a ferrofluid volume influenced by a magnetic force. - In: Archive of applied mechanics, ISSN 1432-0681, Bd. 86 (2016), 9, S. 1591-1603

The paper deals with a spherical pendulum inside a spherical ferrofluid volume in the presence of an uniform magnetic field. The problem is motivated by biological tactile sensors of mammals. These thin long hairs, called vibrissae, grow from a special follicle incorporating a capsule of blood and are used by mammals for exploration of the surrounding area. We propose a continuum model of the viscoelastic support of a vibrissa inside the follicle as a spherical volume filled with ferrofluid. It is a stable colloidal suspension of nanoscale ferromagnetic particles in a viscous carrier liquid. The tactile hair is modeled as a rigid rod with a spherical body at the end, which is submerged inside the ferrofluid. Using analytic expressions for the magnetic force acting on a paramagnetic body in the presence of an uniform magnetic field, Euler's equations of motion of the spherical pendulum are derived. The conditions for the maximum possible magnitude of the magnetic force acting on the body are analyzed. It is shown that the dynamical behavior of the pendulum may be controlled by means of an uniform applied magnetic field. The results are important for the development of artificial tactile sensors.



http://dx.doi.org/10.1007/s00419-016-1137-5
Becker, Felix; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Cuéllar, Francisco; Pozo Fortuniâc, Juan Edmundo; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir T.
Vibrochody v robototechnike roja - novye podchody v modelirovanii i razvitii agenta :
Bristlebots in swarm robotics - new approaches in modeling and agent development. - In: Vibracionnye technologii, mechatronika i upravljaemye mašiny, ISBN 978-5-7681-1116-8, (2016), S. 75-84

Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs of production and application, which are advantageous qualities for agents of swarm robotic systems. In this paper, new approaches in modeling and development of swarm agents are given. It is shown that a simple mass point model can be used to simulate the motion behavior of a bristlebot as complex as necessary for swarm studies. A robot prototype is presented, which has on-board everything needed as a robotic agent. The results of simulations and experiments are presented and compared.



Becker, Felix; Börner, Simon; Lichtenheldt, Roy; Zimmermann, Klaus
Enabling autonomous locomotion into sand - a mobile and modular drilling robot. - In: Robotics in the era of digitalisation, (2016), S. 307-312

Established robots for locomotion into sandy soil are dominated by hammering systems. In this paper, we study an alternative design using a screw-driven mechanism. A testbed to find an efficient design is developed. Dependencies between velocity, drilling torque and depth are measured for different screw prototypes. The results show that the design of the screw is critical for the creation of fast and efficient mobile robots. Based on the experimental results, a prototype of an autonomous drilling robot is designed. With a torque of 0.66 Nm it is able to reach a depth of 20 cm within 2 min.



Zimmermann, Klaus; Zeidis, Igor; Schale, Florian; Flores-Alvarez, Pedro Alonso
Mechanics of mobile robots with mecanum wheels. - In: ROMANSY 21 - Robot design, dynamics and control, (2016), S. 103-111

Cicconofri, Giancarlo; Becker, Felix; Noselli, Giovanni; Desimone, Antonio; Zimmermann, Klaus
The inversion of motion of bristle bots: analytical and experimental analysis. - In: ROMANSY 21 - Robot design, dynamics and control, (2016), S. 225-232

Bristle bots are vibration-driven robots actuated by the motion of an internal oscillating mass. Vibrations are translated into directed locomotion due to the alternating friction resistance between robots' bristles and the substrate during oscillations. Bristle bots are, in general, unidirectional locomotion systems. In this paper we demonstrate that motion direction of vertically vibrated bristle systems can be controlled by tuning the frequency of their oscillatory actuation. We report theoretical and experimental results obtained by studying an equivalent system, consisting of an inactive robot placed on a vertically vibrating substrate.



Behn, Carsten; Heinz, Leo; Krüger, Martin
Kinematic and dynamic description of non-standard snake-like locomotion systems. - In: Mechatronics, ISSN 1873-4006, Bd. 37 (2016), S. 1-11

http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.10.010
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
On the motion of lumped-mass and distributed-mass self-propelling systems in a linear resistive environment. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 96 (2016), 6, S. 747-757

http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201500091
Böhm, Valter;
Mechanik von Tensegrity-Strukturen und ihre Anwendung in der mobilen Robotik. - Ilmenau. - xiv, 225 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Habilitationsschrift 2016

Eine größere Effizienz mobiler Roboter wird zukünftig neue, nicht konventionelle Fortbewegungsprinzipien erfordern. Bei der Inspektion von komplexen, unstrukturierten Umgebungen ist der Einsatz von formvariablen Lokomotionssystemen mit ausgeprägter mechanischer Nachgiebigkeit vorteilhaft bzw. unbedingt erforderlich. Mechanisch vorgespannte nachgiebige Strukturen erlauben eine solche geforderte Formvariabilität mit nur wenigen Aktuatoren bei gleichzeitig einfachem Aufbau. Eine Klasse dieser Strukturen bilden nachgiebige Tensegrity-Strukturen. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen in Lokomotionssystemen zu leisten. Im Vordergrund steht dabei der systematische, modellbasierte Entwurf von Systemen basierend auf nichtkonventionellen Strukturen, nichtklassischer Aktuierung und Fortbewegungsart. Nach einleitenden Betrachtungen zu Tensegrity-Strukturen, ihrer Anwendung in der mobilen Robotik werden zunächst bekannte Lokomotionssysteme auf Basis der betrachteten Strukturen in der Arbeit klassifiziert. Anschließend erfolgen Betrachtungen zu den Besonderheiten eines Berechnungsverfahrens nach der statischen FE-Methode in Hinblick auf die Formfindung von nachgiebigen Tensegritätsstrukturen. Weiterhin werden Nachgiebigkeit und Formvariabilität charakterisierende Kenngrößen diskutiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu drei Klassen von Lokomotionssystemen auf Basis der betrachteten Strukturen: Systeme mit rollender und vibrationsinduzierter Fortbewegung sowie Systeme mit Fortbewegung auf Basis von multistabilen Tensegrity Strukturen mit mehreren Gleichgewichtskonfigurationen. Abschließend werden eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten und ein Ausblick gegeben.



Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Bio-inspired technical vibrissae for quasi-static profile scanning. - In: Informatics in control, automation and robotics, ISBN 978-3-319-26451-6, (2016), S. 277-295

A passive vibrissa (whisker) is modeled as an elastic bending rod that interacts with a rigid obstacle in the plane. Aim is to determine the obstacle's profile by one quasi-static sweep along the obstacle. To this end, the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory are solved analytically followed by numerical evaluation. This generates in a first step the support reactions, which represent the only observables an animal solely relies on. In a second step, these observables (possibly made noisy) are used for a reconstruction algorithm in solving initial-value problems which yield a series of contact points (discrete profile contour).



Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Witte, Hartmut; Schmidt, Manuela; Zimmermann, Klaus
Analysis of the vibrissa parametric resonance causing a signal amplification during whisking behaviour. - In: Journal of bionic engineering, ISSN 2543-2141, Bd. 13 (2016), 2, S. 312-323

http://dx.doi.org/10.1016/S1672-6529(16)60304-9
Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
The motion of a two-body limbless locomotor along a straight line in a resistive medium. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 96 (2016), 4, S. 429-452

http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201400302
Eichfelder, Gabriele; Gerlach, Tobias; Sumi, Susanne
A modification of the [alpha]BB method for box-constrained optimization and an application to inverse kinematics. - In: EURO journal on computational optimization, ISSN 2192-4414, Bd. 4 (2016), 1, S. 93-121

For many practical applications it is important to determine not only a numerical approximation of one but a representation of the whole set of globally optimal solutions of a non-convex optimization problem. Then one element of this representation may be chosen based on additional information which cannot be formulated as a mathematical function or within a hierarchical problem formulation. We present such an application in the field of robotic design. This application problem can be modeled as a smooth box-constrained optimization problem. We extend the well-known alphaBB method such that it can be used to find an approximation of the set of globally optimal solutions with a predefined quality. We illustrate the properties and give a proof for the finiteness and correctness of our modified alphaBB method.



http://dx.doi.org/10.1007/s13675-015-0056-5
Will, Christoph;
Bio-inspired tactile sensors for contour detection using an FEM based approach. - In: 13th International Conference Dynamical Systems Theory and Applications, (2015), S. 304
Enthalten in Abstracts

Behn, Carsten; Heinz, Leo; Krüger, Martin
Non-classical models of worm- and snake-like robotic systems. - In: Paper, (2015), insges. 9 S.

Sauter, Anton; Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Behn, Carsten
Artificial tactile sensors with pre-curvature for object scanning. - In: Mathematical and numerical approaches, ISBN 978-83-7283-706-6, (2015), S. 425-436

Böhm, Valter; Kaufhold, Tobias; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Dynamic analysis of the rolling locomotion of mobile robots based on tensegrity structures with two curved compressed components. - In: Mathematical and numerical approaches, ISBN 978-83-7283-706-6, (2015), S. 105-116

Behn, Carsten; Bolotnik, Nikolai N.; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Mechanics of terrestrial locomotion systems in application to mobile robots. - In: Mathematical and numerical approaches, ISBN 978-83-7283-706-6, (2015), S. 91-104

Siedler, Konrad; Behn, Carsten
Long-term behavior of adaptive strategies for artificial sensors due to receptors. - In: Control and stability, ISBN 978-83-7283-708-0, (2015), S. 551-562

Carlstedt, Matthias; Brauer, Hartmut; Zimmermann, Klaus; Gerlach, Erik; Uhlig, Robert Peter
Identifikacija mechaničeskich sistem v metode tokovichrevoj defektoskopii siloj Lorenca :
Identification of mechanical systems in Lorentz force eddy current testing. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2015), No. 4(61), S. 16-31

The paper deals with the mechanical modeling of the dynamics of force-proving instruments in the framework of Lorentz Force Eddy Current Testing (LET). An experimental setup for this kind of measurements is presented and the obtained Lorentz force signals are analyzed. The process of system identification is discussed for two different scenarios, using force profiles, computed in numerical field simulations, as known input signals. In the first case, two independent Single-lnput/Single-Output models were used to describe the dominant dynamical behavior of the experimental setup at relative high velocities. In the second case, a Multi-Input/Multi-Output model with three degree of freedoms is used to model the dynamics of a modified setup with a complex Haibach structure instead of a cylindrical permanent magnet. The signal analysis and the derivation of the Multi-Input/Multi-Output transfer function are emphasized and discussed in detail. LET requires a high velocity constancy during the linear motion of the specimen. Therefore, a mechanisms and its control is discussed, which is generating such aproperty on the output.



Will, Christoph; Steigenberger, Joachim; Steigenberger, Joachim *1933-2021*; Behn, Carsten;
Obstacle scanning by technical vibrissae with compliant support. - Ilmenau : Techn. Univ., Inst. für Mathematik, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: 22 S., 773,5 KB). - (Preprint ; M15,07)

Rodents, like mice and rats, use tactile hairs in the snout region (mystacial vibrissae) to acquire information about their environment, e.g. the shape or contour of obstacles. For this, the vibrissa is used for the perception of stimuli due to an object contact. Mechanoreceptors are processing units of this stimuli measured in the compliant support (follicle sinus complex). We use this behavior from biology as an inspiration to set up a mechanical model for object contour scanning. An elastic bending rod interacts with a rigid obstacle in the plane. Analyzing only one quasi-static sweep of the rod along the obstacle (in contrast to literature), we determine a) the support reactions (the only observables of the problem), and then b) the (discrete) obstacle contour in form of a set of contact points. In doing this, we first assume a stiff support (clamping) of the vibrissa, but in a next step we increase the elasticity of the support in focussing on a bearing with a rotational spring (also to control or delimitate the bending moment at the support). Thereby, we present a fully analytical treatment of the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory and a representation by Standard Elliptic Integrals.



http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26923
Kohlhof, Hendrik; Zimmermann, Klaus; Marschner, Uwe; Witte, Hartmut
A biomechatronic approach to support explantation of endoprostheses. - In: Biomedical engineering, ISSN 1862-278X, Bd. 60.2015, S1, S. S148

http://dx.doi.org/10.1515/bmt-2015-5006
Zimmermann, Klaus; Steigenberger, Joachim
Das Fachgebiet Technische Mechanik. - In: Jenaer Jahrbuch zur Technik- und Industriegeschichte, ISSN 2198-6746, Bd. 18 (2015), S. 381-400

Behn, Carsten;
Modeling, analysis and control of mechanoreceptors with adaptive features. - In: Informatics in control, automation and robotics, (2015), S. 349-366

Helbig, Thomas; Voges, Danja; Schilling, Cornelius; Niederschuh, Sandra; Husung, Isabel; Becker, Tatiana; Zimmermann, Klaus; Schmidt, Manuela; Witte, Hartmut
Vom Tasthaar zum Sensor - Technische Biologie und Biomechatronik am Beispiel der Sinushaare von Rattus norvegicus. - In: Bionik: Patente aus der Natur, ISBN 978-3-00-048202-1, (2015), S. 204-210

Bolotnik, Nikolai N.; Pivovarov, Mikhail; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus
Control of a chain-like locomotion system subject to undulatory excitation. - In: IFAC-PapersOnLine, ISSN 2405-8963, Bd. 48 (2015), 1, S. 836-841

http://dx.doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.05.012
Becker, Felix;
An approach to the dynamics of vibration-driven robots with bristles. - In: IFAC-PapersOnLine, ISSN 2405-8963, Bd. 48 (2015), 1, S. 842-843

http://dx.doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.05.120
Becker, Felix;
Zur Mechanik vibrationsgetriebener Roboter für terrestrische und aquatische Lokomotion. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIX, 149 S., 11,82 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
Parallel als Druckausg. erschienen

Der Gegenstand der Arbeit ist die Mechanik von mobilen Robotern für terrestrische und aquatische Lokomotion. In den untersuchten Systemen wird die periodische Erregung eines inneren Antriebs durch nicht symmetrische Systemeigenschaften in eine gerichtete Fortbewegung gewandelt. Eine zweidimensionale Steuerbarkeit der Systeme wird durch frequenzabhängige mechanische Eigenschaften erreicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Beschreibung der Roboter mittels analytischer und numerischer Methoden sowie ihrer experimentellen Untersuchung. Prototypen mobiler Roboter dienen dem funktionellen Nachweis. Auf Basis von mechanischen Grundlagen werden terrestrische und aquatische Lokomotionsarten vorgestellt und klassifiziert. Mit Blick auf die praktische Realisierung von mobilen Robotern für unterschiedliche Umgebungsbedingungen werden Antriebssysteme in ihrer Eignung als Vibrationsquellen bewertet. Piezoelektrische Antriebe besitzen dabei besonderes Potential. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik zeigt die Anwendbarkeit von vibrationsgetriebener Lokomotion für miniaturisierte technische Anwendungen. Systeme mit Borsten dienen der unidirektionalen terrestrischen Lokomotion. Mittels eines Mehrkörpersystemmodells und experimentellen Untersuchungen werden die verschiedenen Wirkungsmechanismen analysiert. Ein Prototyp für die Fortbewegung in Röhren wird vorgestellt. Für eine steuerbare zweidimensionale Lokomotion mit nur einem Antrieb müssen die Grenzen von klassischen Starrkörpersystemen überwunden werden. Der verfolgte Lösungsansatz nutzt das frequenzabhängig