Dissertations

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

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

https://doi.org/10.22032/dbt.59060

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

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

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

ISBN 978-3-8440-8523-5

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

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

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

https://doi.org/10.22032/dbt.47879

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

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

https://doi.org/10.22032/dbt.46923

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

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

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00044645

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

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

https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000245

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

ISBN 3-8440-5673-4

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

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

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

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000307

Lichtenheldt, Roy;
Lokomotorische Interaktion planetarer Explorationssysteme mit weichen Sandböden : Modellbildung und Simulation
1. Auflage. - München : Verlag Dr. Hut, 2016. - 1 Band (verschiedene Seitenzählungen)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

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

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

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

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00026249

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

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

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=24390

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

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

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=22982

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

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

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=21716

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

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

http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000312

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

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

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=13700

Abaza, Khaldoun;
Ein Beitrag zur Anwendung der Theorie undulatorischer Lokomotion auf mobile Roboter : Evaluierung theoretischer Ergebnisse an Prototypen. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2007. - Online-Ressource (PDF-Datei: VIII, 126 S., 3,07 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2006
Parallel als Druckausg. erschienen

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen undulatorische Lokomotionssysteme. In diesem Zusammenhang wurden die Begriffe Undulation und Lokomotion definiert. Die gerichtete Ortsveränderung natürlicher oder technischer Systeme ist generell als Lokomotion zu verstehen, aber es erweist sich als schwierig, eine aus Sicht der Mechanik umfassende Definition des Begriffes Lokomotion zu geben. Er wurde in dieser Arbeit, mathematisch, wie folgt beschrieben: Lokomotionssysteme sind technische Systeme, die in der Lage sind, alle ihre Punkte in einem ausgewählten charakteristischen Zeitintervall zu bewegen, wobei durchaus Größe und Richtung der Lageänderung der Punkte verschieden sein können. Die Mechanik versteht unter Undulation die Bewegung durch eine Erregung der Aktuatoren des Systems, die sowohl von außen kommen oder im Inneren erzeugt werden kann. Der Aktuator erzeugt seinerseits eine in der Regel periodische Gestaltänderung, welche durch die Wechselwirkung mit der Umgebung eine globale Lageänderung erzeugt. In der vorliegenden Arbeit wurden undulatorische Lokomotionssysteme theoretisch und mittels zweier entwickelter Prototypen untersucht. Der Prototyp (TM-ROBOT) wurde nach dem undulatorischen Bewegungsprinzip des Regenwurms (Längenänderung von Segmenten) aufgebaut. Ein Bewegungssystem, das für die Bewegung das peristaltische Bewegungsprinzip nutzt, bewegt sich mit periodischen Verformungen seines Körpers und nichtsymmetrischen Reibkräften unter Einbeziehung der Wechselwirkung mit der Umgebung. Der Prototyp (MINCH-ROBOT) im Rahmen dieser Arbeit ist ein Mikroroboter, der keine klassische undulatorische Lokomotion umsetzt. Er besteht aus einem Piezoaktuator und ist mit zwei passiven Beinen und einem Schwanz ausgerüstet. Die Undulation besteht in der Übertragung von den hochfrequenten Schwingungen seines Körpers (Piezoaktuator) auf die Beine. Somit werden komplexe räumliche Trajektorien der Beinendpunkte erzeugt. Bei dem Steuerprinzip dieses Mikroroboters spielt die Nichtsymmetrie der beiden Beine eine wesentliche Rolle. Diese (absichtlich realisierte) Nichtsymmetrie zwischen rechtem und linkem Bein ist die Ursache für eine Verschiebung der Resonanzbereiche der Beine. Damit wird der Roboter in seiner Richtung steuerbar. Numerische Simulationen der beiden Prototypen und Messungen an realem Objekt stützen die Theorie dieser Arbeit, die sich somit in das breite Feld der Lokomotionssysteme eingliedert.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=7716

Böhm, Valter;
Bionisch inspirierte monolithische Gelenkelemente mit fluidmechanischem Antrieb, 2005. - IV, 127 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
Enth. ausserdem: Thesen

In vielen Bereichen der Technik ist eine spezifische Nachgiebigkeit technischer Systeme eine dringende Voraussetzung. Soft robotics ist Stand aktueller Forschungsarbeiten. Die Nachgiebigkeit technischer Systeme wird entweder durch Kontrolle oder durch strukturelle und stoffliche Eigenschaften gewährleistet. Der Vorteil der letzteren Möglichkeit besteht in der herstellungs-, bzw. regelungstechnischen Einfachheit des Systems. Bionische Ansätze gewinnen zur Lösung komplexer technischer und technologischer Problemstellungen auch in der angewandten Mechanik zunehmend an Bedeutung. Die Biomechanik der Gliedertiere mit monolithischen Extremitäten bietet aus mehreren Hinsichten Anregungen zur Gestaltung von technischen nachgiebigen Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden monolithische, elastomere, fluidmechanisch angetriebene Gelenkelemente mit ebenem Bewegungsbereich betrachtet. Es werden theoretische und experimentelle Untersuchungen vorgenommen, um charakteristische Merkmale derartiger Strukturen abzuleiten und unter Einbeziehung bionischer Ansätze Lösungsvorschläge von Konstruktionsvarianten mit im Vergleich zu bekannten Lösungen verbesserten quantitativen bzw. qualitativ neuen Eigenschaften zu erarbeiten. Die Arbeit ist in vier Teile gegliedert. Im ersten Teil werden die beim Entwurf von nachgiebigen Mechanismen in Betracht zu ziehenden bionischen Ansätze genannt. Im zweiten Teil der Arbeit werden Konstruktionsvarianten mit im Vergleich zu konventionellen Strukturen verbesserten quantitativen Eigenschaften und ihre charakteristischen Merkmale bei statischen und dynamischen Druckbelastungen betrachtet. Im dritten Teil der Arbeit werden zwei qualitativ neue Verformungsverhalten der Strukturen betrachtet. Im vierten Teil der Arbeit werden hingegen solche Strukturen betrachtet, die für einen gegebenen Druckwert, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Druckerhöhung, unterschiedliche Gleichgewichtslagen annehmen können. Die Ansteuerung derartiger Strukturen kann anstelle der Größe des Druckes mit der Geschwindigkeit der Lastaufbringung erfolgen.

Behn, Carsten;
Ein Beitrag zur adaptiven Regelung technischer Systeme nach biologischem Vorbild
1. Aufl. - Göttingen : Cuvillier, 2005. - IV, 172 S. Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2005
ISBN 3865373879

Diese Dissertation behandelt die Regelung von biologisch inspirierten mechanischen Systemen. Die betrachteten Anwendungen umfassen ein wurmartiges Fortbewegungssystem, Bewegungsstudien eines Pendels mit muskelähnlichen Antrieben und einen Schwingungssensor nach dem Prinzip von Tasthaaren oder Sensillen. Alle Systeme werden mittels mathematischer Modelle beschrieben, die in die Kategorie von linearen und nichtlinear gestörten Systemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen einzuordnen sind. Gewöhnlich kann nicht erwartet werden, daß vollständige Informationen eines derartigen, hochentwickelten mechanischen oder biologischen Systems vorhanden sind. Stattdessen sind nur strukturelle Eigenschaften, wie Minimalphasigkeit und Relativgrad des Systems, bekannt. Daher wird zur Regelung in dieser Arbeit die Methode der adaptiven Regelung gewählt. Das Ziel ist, einen universellen adaptiven Regler zu entwerfen, der vom Systemverhalten lernt, so seine Parameter einstellt und eine vorab festgelegte Regelungszielsetzung gewährleistet. Mögliche Zielsetzungen sind Stabilisierung der Systeme oder lambda-Bahnverfolgung. - Da in dieser Arbeit nichtlinear gestörte (nicht notwendigerweise autonome) Systeme mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen betrachtet werden, wird der Regelungszielsetzung der lambda-Bahnverfolgung ein besonderes Augenmerk gewidmet. Diese Zielsetzung bedeutet, daß der Ausgang des Systems einem gegebenen Referenzsignal folgen soll, wobei ein Verfolgungsfehler von vorher festgelegter Größe lambda > 0 toleriert wird. Das Ziel wird mittels des sogenannten lambda-Bahnverfolgungsreglers erreicht. Dieser Regler ist einfach in seinem Design, nur auf strukturelle Eigenschaften des Systems (nicht auf Systemparameter) angewiesen und bezieht keine Schätz- und Identifikationsmechanismen mit ein. Er besteht nur aus einer Rückführungsstrategie und einem einfachen Parameteradaptionsgesetz. Außerdem muß er nicht auf der Verwendung der Zeitableitung des Ausgangs basieren. Es wird gezeigt, daß bei Nutzung dieses Reglers die lambda-Bahnverfolgung und Stabilisierung der betrachteten, nichtlinear gestörten, mechanischen Systeme mit unbekannten Systemparametern erreicht wird. Die Rückführungsstrategie reduziert sich in ihrer Dimension (Anzahl der verwendeten Größen aus internen Differentialgleichungen), wenn die Untersuchung auf Systemklassen von Systemen mit einem Eingang, einem Ausgang und mit einem stabilen Polschwerpunkt in der offenen, linken, komplexen Halbebene beschränkt wird. Ein Beispiel für diesen Fall ist durch ein Feder-Masse-Dämpfer-System mit einem Freiheitsgrad und mit indirekter Erregung über das Gehäuse gegeben. Numerische Simulationen der oben erwähnten, mechanischen Systeme demonstrieren, daß die in dieser Arbeit entworfenen, adaptiven Regler (Stabilisierer und lambda-Bahnverfolgungsregler) erfolgreich arbeiten.

Gerlach, Erik;
Mehrkörperdynamische Simulationen und experimentelle Untersuchungen zur Bahngenauigkeit von Industrierobotern mit SCARA-Struktur
1. Aufl. - Göttingen : Cuvillier, 2003. - VI, 87 S : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2003
ISBN 3-89873-868-X

Bei vielen industriellen Automatisierungslösungen werden immer noch aufwendige Sonderlösungen für Handhabungssysteme eingesetzt. Dabei bieten sich ausgereifte Standardgeräte als Alternative an. Industrieroboter (IR) lassen sich dank umfangreicher Schnittstellen und einfacher Programmierung gut in komplexe Produktionsumgebungen einbinden. Ein Argument gegen den Einsatz eines Industrieroboters scheint die mangelnde Bahngenauigkeit bzw. der große Aufwand zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit zu sein. Das Ziel dieser Arbeit war daher die vorhandene Bahngenauigkeit von Industrierobotern mit SCARA-Struktur zu untersuchen und zu verbessern. Dabei sollte der Roboter als mechatronisches System betrachtet werden, um die Einflüsse aller Komponenten auf das Bewegungsverhalten des Roboters berücksichtigt zu können. Für die Untersuchung komplexer Systeme haben sich in der Mechatronik Computersimulationen bewährt, um qualitative und quantitative Aussagen über das Systemverhalten zu gewinnen. Aus der formulierten Zielstellung ergaben sich drei Bestandteile (Modellbildung von IR, Simulation und Messung von Bahnbewegungen)für die vorgelegte Arbeit. Die Modellierung des SCARA-Roboter erfolgte als Mehrkörpersystem (MKS), da die Mehrkörperdynamik prädestiniert für die Analyse von Bewegungssystemen ist. Erweitert um elektrische und informationsverarbeiteten Komponenten liegt als Ergebnis der Arbeit ein Simulationsmodell vor, das sich gut für die rechnergestützte Simulation des Bewegungsverhalten eignet. Ein Schwerpunkt der theoretischen wie experimentellen Modellbildung waren die Antriebssysteme im Roboter. Die Simulation des Gesamtsystems erfolgte mit blockorientierten Simulationsprogramm Matlab/Simulink, dabei wurden die elektrischen und informationsverarbeitenden Komponenten in Simulink und die mechanischen Teilsysteme mittels des Mehrkörpersimulationsprogramms alaska erstellt. Auf Grundlage dieser Simulationsmodelle konnte die Dynamik und speziell das Bahnverhalten des Roboters untersucht werden. Für die Messung von geradlinigen Bahnen gibt es für Industrieroboter keine Vorschriften, sodass ein geeignetes Messverfahren für diese Messaufgabe ausgewählt wurde. Mittels des verwendeten Messaufbaues konnte das Bewegungsverhalten des SCARA-Roboters beim Fahren einer geradlinigen Bahn untersucht werden. Beim Vergleich der Ergebnisse von Simulation und Messung am Roboter zeigte sich eine qualitativ gute Übereinstimmung im Bewegungsverhaltens des erstellten Simulationsmodells mit dem realen System. Das Modell ist somit geeignet für die rechnergestützte Untersuchung der Dynamik von SCARA-Robotern eingesetzt zu werden. Mit den erreichten Ergebnissen ist es nun möglich abzuschätzen, welche dynamische Bahngenauigkeit erreicht werden kann und wann dieser Standardindustrieroboter eine ernsthafte Alternative zu aufwendigen Sonderlösungen darstellt.

Huang, Jianjun;
Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion, 2002. - Online-Ressource (PDF-Datei: 136 S., 4082 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2002
Parallel als Druckausg. erschienen

Die vorgelegte Arbeit soll einen Beitrag zur Forschung im interdisziplinären Gebiet der Biomechatronik leisten. Es wurde ein Konzept zur Umsetzung einer undulatorischen Lokomotion zur Entwicklung technischer Bewegungssysteme nach biologischem Vorbild (Regenwurm), basierend auf Starrkörpersystemen mathematisch beschrieben und in Prototypen technisch umgesetzt. Gegenüber anderen Bewegungsformen in der Natur, wie z.B. dem Laufen mit Beinen liegt das ingenieurtechnische Interesse für biomimetische Roboter nach dem Peristaltik-Prinzip des Regenwurmes in (1) der Miniaturisierbarkeit der nachgiebigen Strukturen; (2) der Bewegungsmöglichkeit auf vielgestaltigem Untergrund; (3) der Einfachheit des Bewegungsapparates. Ausgehend von den Arbeiten von MILLER und STEIGENBERGER wurden die zwei Aspekte (1) nichtsymmetrische Reibung und (2) periodische interne Deformationen und ihre Auskopplung über Wechselwirkungen mit der Umwelt als wesentlich für eine wurmartige Fortbewegung definiert. Im mathematisch-mechanischen Teil der Arbeit wurden deshalb speziell diese Phänomene mit analytischen und computergestützten Methoden untersucht. Es sind Ansteueralgorithmen (gaits) für wurmartige Roboter, basierend auf Feder-Masse-Modellen mit dem Freiheitsgrad grösser zwei vorgeschlagen worden, die eine maximale Vortriebsgeschwindigkeit realisieren. Die Computersimulation des dynamischen Verhaltens dieser Modelle bzw. der entwickelten Prototypen erfolgte mit dem System ALASKA. Die experimentelle Evaluierung der numerischen Ergebnisse ergab in vielen Fällen gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Zur praktischen Erprobung der gefundenen Bewegungsprinzipien und der Steuer-algorithmen wurden zwei Prototypen mit elektromechanischem Antrieb und Unwuchtsystem zur Erzeugung der internen periodischen Erregung konstruiert und getestet. Ein dritter miniaturisierter Prototyp arbeitet mit einem Piezoaktuator als Antrieb und einem nachgiebigen Mechanismus als Übertragungselement. Potentielle Einsatzgebiete für wurmartige Roboter sind vor allem im Bereich der Mikro- und Nanotechnik zu erwarten. In diesen Dimensionen sind Bewegungssysteme in ihrer klassischen Form, wie z.B. als "wheeled locomotion systems" und "legged locomotion systems", nicht geeignet für zukünftige potentielle Einsatzumgebungen, die u.a. durch das spezielle Terrain oder eingeschränkte Raumbedingungen gekennzeichnet sind. Apedale peristaltische Bewegungsprinzipien können bei der Entwicklung neuartiger Bewegungssysteme im Mikrobereich eine grosse Rolle spielen. Erste Entwicklungen für die minimal-invasive Chirurgie werden von mehreren Forschergruppen national und international vorangetrieben. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass weitere Forschungen notwendig sind.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=1177

Grabow, Jörg;
Parameteridentifikation von MKS durch Zeitreihenanalyse, 1995. - 127 Bl. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 1995

Bohmann, Jelena;
Mathematische Algorithmen für Fügeprozesse mit minimalen Reaktionskräften und ihre Umsetzung in der Robotertechnik, 1994. - 80 Bl. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 1994