Publications

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.

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.