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Tensegrity structures are prestressed structures consisting of compressed members connected by prestressed tensioned members. Due to their properties, such as flexibility and lightness, mobile robots based on these structures are an attractive subject of research and are suitable for space applications. In this work, a mobile robot based on a tensegrity structure with two curved members connected by eight tensioned strings is analyzed in terms of deformation in the curved members. Further, the difference in locomotion trajectory between the undeformed and deformed structure after the prestress is analyzed. For that, the theory of large deflections of rod-like structures is used. To determine the relationship between acting forces and the deformation, the structure is optimized using minimization algorithms in Python. The results are validated by parameter studies in FEM. The analysis shows that the distance between the two curved members significantly influences the structure’s locomotion. It can be said that the deformation of the components significantly influences the locomotion of tensegrity structures and should be considered when analyzing highly compliant structures.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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˚. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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%.

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.

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.

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.

Several 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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].

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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˚C, polycaprolactone offers good application potential compared to other thermoplastic materials such as polymethamethylacrylate with a melting point above 160˚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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.