Theses

Durch die Entwicklung der Soft-Robotik wird der Einsatz neuer oder neuartiger Materialien forciert, die den notwendigen Anforderungen und Ansprüchen in diesem Bereich gerecht werden. In diesem Zusammenhang kommt den sogenannten Smart Materials besondere Bedeutung zu. Diese Werkstoffe haben die einzigartige Fähigkeit, ihre Eigenschaften unter dem Einfluss physikalischer Größen zu verändern, z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur, äußeren Magnetfeldern und elektrischen Feldern. Ein solches Smart Material, das in der Vergangenheit nur als Spielzeug verwendet wurde, ist Polyborosiloxane, welches umgangssprachlich auch als "Silly Putty" bekannt ist. Dieses besitzt aufgrund seiner nicht-newtonschen Eigenschaften vielfältige Anwendungsgebiete. Um das Verhalten von Polyborosiloxane durch ein äußeres Magnetfeld beeinflussen zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus Polyborosiloxane sowie Partikeln aus Carbonyleisenpulver synthetisiert und untersucht. Die genannten Komponenten wurden nach der Synthese des Polyborosiloxanes aus Polydimethylsiloxane und Borsäure von Hand gemischt, wobei der Massenanteil der dem Polymer zugesetzten Partikel von 20% bis 80% in Schritten von 20% variiert wurde. Zunächst wurden eine Reihe rheologischer Untersuchungen durchgeführt, um die entstandenen Proben hinsichtlich ihres Speicher- und Verlustmoduls zu charakterisieren und zu vergleichen. Um das Fließverhalten des Materials im Schwerefeld der Erde durch ein Magnetfeld zu beeinflussen, wurde eine Helmholtz-Spule genutzt, die sich durch ein konstantes und homogenes Magnetfeld in der Mitte der Spulen auszeichnet. Die aus den Experimenten gewonnenen Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Materials, eine gewünschte Form unter Einwirkung eines Magnetfelds länger beizubehalten.

In der vorliegenden Arbeit wurden schwingungstechnische Untersuchungen an einem vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. entwickelten Elektromotor eines Zugkonzepts durchgeführt. Vor allem für den Fahrgastkomfort und das Verschleißverhalten ist es von Bedeutung, dass während des Betriebs keine kritischen und zu Resonanz führenden Eigenfrequenzen des Antriebsaufbaus angeregt werden. Der Fokus der Arbeit lag hierbei auf den entstehenden Schwingungen am Motor selbst. Mithilfe verschiedener Messaufbauten wurden bestimmte Schwingungscharakteristika wie Unwuchtanregung, harmonische Oberschwingungen und Magnetkraftanregung messtechnisch analysiert. Daneben fand ein Ergebnisvergleich der verwendeten Messtechniken (piezoelektrische Beschleunigungsmessung, Laser-Doppler-Vibrometrie und Laser-Triangulation) statt, um die Vorteile der verschiedenen Messprinzipien ausnutzen und die Messergebnisse untereinander validieren zu können. Zusätzlich wurde der Elektromotor und seine Komponenten numerisch mithilfe der im Software- Programm Ansys implementierten Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. Anwendung fanden hierbei die numerische, teils vorgespannte Modalanalyse, um Eigenfrequenzen rechnerisch zu ermitteln, sowie die harmonische Analyse, um insbesondere das Schwingungsverhalten bei Magnetkraftanregung zu simulieren. Bei Letzterem wurde das mechanische Physikmodell aus Ansys Mechanical mit dem elektromagnetischen Modell aus Ansys Maxwell gekoppelt. Im Hinblick auf eine zukünftige, fundierte numerische Auslegung bezüglich des Schwingungsverhaltens einer Konstruktion schon während der Entwicklungsphase wurde ein Vergleich zwischen den messtechnischen und numerischen Ergebnissen gezogen.

Zum aktuellen Zeitpunkt dominieren radgetriebene Rover die Raumfahrt. Diese sind in der Lage, planetare Oberflächen aus nächster Nähe zu untersuchen und spielen daher eine Schlüsselrolle bei der Erforschung fremder Himmelskörper. Ihr Einsatz ist allerdings auf relativ ebene Oberflächen begrenzt. Um schwer zugängliche Areale, wie beispielsweise Höhlen zu erschließen, hat das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum einen Rover, basierend auf einem alternativen Lokomotionsprinzip, entwickelt: dem Rimless-Wheel (mantelloses Rad). Durch Entfernen der Radummantelung werden die Speichen der Räder wie Beine eingesetzt. Die resultierende Fortbewegung stellt eine Hybridform aus Rollen und Laufen dar. Die Beine des Rovers bestehen aus nachgiebigen Speichen und Fußelementen. Diese bieten zahlreiche Vorteile, machen die Beschreibung des Rimless-Wheel-Walkings jedoch komplex. Im Rahmen dieser Arbeit wird; unter Annahme quasistatischer Verhältnisse, ein Berechnungsverfahren entwickelt, das die Verfomungszustände eines Rades für eine gesamte Umdrehung auf ebenem Untergrund darstellen kann. Die Deformation der Speichen wird dabei mittels nichtlinearer Balkentheorie nach Euler-Bernoulli modelliert. Für das Verformungsverhalten der Fußelemente wird ein Berechnungsverfahren anhand von Messreihen abgeleitet. Die hergeleiteten Modellgleichungen werden mithilfe eines MATLAB-Algorithmus numerisch gelöst. Das entwickelte Berechnungsmodell wird anhand einer Messung am Terramechanics Robotic Locomotion Laboratory-Prüfstand des DLR validiert. Dabei zeigt sich Verbesserungspotential, insbesondere bei der Beschreibung der nachgiebigen Fußelemente. Anhand des Berechnungsmodells werden Parameterstudien durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Stellmoment, Gewichtskraft, Stellwinkel und Verformung zu untersuchen. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Näherungsverfahren zur echtzeitfähigen Berechnung der Verformungszustände entwickelt. Dieses nutzt lineare Interpolation, um Ergebnisse aller Gleichgewichtszustände generieren zu können. Das entwickelte Berechnungsmodell lässt noch Raum für Optimierungen, ist aber dennoch eine geeignete Methode, um den Abrollvorgangs nachgiebiger, mantelloser Räder darzustellen. Das vorgestellte Berechnungsmodell kann somit als Grundlage weiterer Untersuchungen dienen.

Die Anwendung von nachgiebigen Mechanismen hat in den letzten Jahren zugenommen. Dies liegt an den Vorteilen, die sie im Vergleich zu starren Mechanismen bieten. Allerdings wird die Methode zu ihrer Untersuchung immer komplizierter. So sind die mathematischen Gleichungen zur Untersuchung ihres Verhaltens auf einem höheren Niveau, so dass die Unterstützung durch Berechnungssoftware erforderlich ist. Aus diesem Grund wird ein analytisches Modell entwickelt, um die Untersuchung von nachgiebigen Mechanismen zu erleichtern. Zu diesem Zweck wird ein Überblick über die Theorie zur Berechnung des nachgiebigen Mechanismus gegeben und bei der Entwicklung des analytischen Modells angewendet. In diesem Fall wurden die Gleichungen, die aus der Euler-Bernoulli-Balkentheorie abgeleitet, verwendet. Um einen Vergleich der Ergebnisse zu ermöglichen, wurde eine Software verwendet, die die Finite-Elemente-Methode anwendet. Nach der Simulation der Strukturen in beiden Modellen wurden die relativen Fehler ermittelt. Bei den Simulationen zur Ermittlung der Verschiebung aufgrund externer Kräfte wurde nur der erste Knoten der Strukturen als “Clamp” definiert und die externen Kräfte wurden auf die anderen Knoten angewendet. Für diese Untersuchung wurden neun Strukturen simuliert. Um einen repräsentativen relativen Fehler zu erhalten, wurde ein Mittelwert berechnet, der 5,69% und 4,28% in der x- bzw. y-Achse beträgt. Weil in allen Fällen der erste Knotenpunkt fixiert ist, wurden die Momente an diesem Knotenpunkt ermittelt und verglichen. Der durchschnittliche relative Fehler beträgt 1,74%. Danach wurden die Simulationen zur Ermittlung der Kräfte bei der Rotation der Strukturen durchgeführt. Für die Simulationen wurden die Strukturen in einem Bereich von -0,4 rad und 0,4 rad mit Schritten von 0,1 rad gedreht. Für diese Untersuchung wurden 4 Strukturen simuliert und 14 Parameter definiert. Der maximal ermittelte relative Fehler beträgt 5,05rad. Schließlich wurde eine Studie über das Verhalten des normalisierten Moments am ersten Knoten der 4 Strukturen durchgeführt, während die 14 Parameter verändert. In dieser Untersuchung wurde einerseits festgestellt, dass die Parameter R1 und R2 aus der Struktur 3 einen guten Einfluss auf die Kurven haben, andererseits haben die Parameter R1 und α aus der Struktur 4 fast keinen Einfluss.

Ein nachgiebiger Mechanismus ist für die Umwandlung von Bewegung oder Kraft von einem Antriebs- zu einem Abtriebselement verantwortlich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Mechanismen geschieht dies hauptsächlich durch elastische Verformung. Nachgiebige Mechanismen werden aufgrund ihrer hohen Präzision, ihrer geringen Kosten und ihrer besseren Effizienz im Vergleich zu herkömmlichen Mechanismen eingesetzt und sind vor allem in der Präszisionstechnik zu finden. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Mechanismen zu kategorisieren, eine davon ist die nach ihrer Struktur, z. B. serielle, parallele oder verzweigte Mechanismen, wobei letztere die meisten Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten bieten. In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei der statischen Analyse von nachgiebigen Mechanismen erzielt, ihr dynamisches Verhalten ist jedoch noch nicht umfassend erforscht worden. Daher konzentriert sich diese Masterarbeit speziell auf die dynamische Analyse von verzweigten nachgiebigen Mechanismen. Bestehende analytische Methoden werden untersucht, und auf der Grundlage der Ergebnisse wird eine neue analytische Methode abgeleitet. Sie basiert auf der Euler-Bernoulli-Balkentheorie in Kombination mit der Transfermatrixmethode. Diese Methode ermöglicht die Bestimmung der Eigenfrequenzen beliebiger planarer Mechanismen mit Verzweigungen. Nachgiebige Mechanismen können aus n Zweigen bestehen und jeder Zweig kann aus i Elementen zusammengesetzt sein. Darüber hinaus beinhaltet diese Masterarbeit die Entwicklung eines Software-Tools, das die intuitive und zeitsparende Berechnung von Eigenfrequenzen für verzweigte planare nachgiebige Mechanismen ermöglicht. Die Software verfügt über eine grafische Benutzeroberfläche, die das Entwerfen, Bearbeiten und Entfernen von Balken (rechteckiger oder kreisförmiger Querschnitt), Festkörpergelenken (halbkreisförmig oder linear), Knoten und Randbedingungen, die den nachgiebigen Mechanismus definieren, mühelos ermöglicht. Aufgrund der Komplexität wird im Softwaretool nur ein Verzweigungspunkt pro Mechanismus berücksichtigt. Die Auswertung zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Referenzmodellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern ein analytisches Modell und ein Softwaretool, die zuverlässige und effiziente Berechnungen der Eigenfrequenzen für verzweigte planare nachgiebige Mechanismen ermöglichen. Diese Beiträge ermöglichen es uns, solche Mechanismen besser zu verstehen und zu analysieren und so ihre Konstruktion, Leistung und Einsetzbarkeit zu verbessern.

Ferrofluide entwickeln sich für mehrere Jahre als dynamisches Forschungsgebiet. Sie gewinnen an großer Bedeutung in Vielen Anwendungen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem neuen Konzept für ein Transportsystem aus ferrofluidischen Modulen nach dem biologischen Vorbild karpaler Vibrissen. In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und theoretische Untersuchungen des neu entwickelten Systems durch Modelle, Simulationen und Experimente durchgeführt, um die Bewegung des Systems zu untersuchen. Ergebnisse der Versuche mit unterschiedlichen Frequenzen des Bewegungsablaufs werden am Ende dieser Arbeit visualisiert und ausgewertet.

Magnetoaktive Elastomere (MAE) gehören zu den intelligenten Werkstoffen, welche unter einem Magnetfeld ihre Materialeigenschaften reversibel verändern können. Sie bestehen aus einer weichen Elastomere Matrix und darin dispergierten weich- od./und hartmagnetischen Partikel, außerdem könnten sie auch Additive (z.B. Silikonöl) enthalten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Lokomotionssystemen, welche ein MAE-Funktionselement, eine Spule und einen Aufsatz als Hauptbestandteile enthalten. Eine Wechselspannung erzeugt in der Spule ein wechselndes Magnetfeld, dabei verformt sich der Balken unter einer wechselnden magnetischen Kraft. Durch die wechselnden Verformungen verschieben sich die beiden Enden des Balkens mithilfe unsymmetrischer Reibung in eine uniaxiale Richtung. Diese unsymmetrische Reibung entsteht durch schräg abstehende Beine am Balken. Hierbei werden die Parametereinflüsse auf das Bewegungsverhalten von zwei Lokomotionssystemen mit unterschiedlichen MAE-Funktionselementen, welche gleiche Abmessungen aber verschiedenen Zusammensetzungen haben untersucht. Das eine Funktionselement besitzt einen mehrpoligen MAE-Balken aus weich- und hartmagnetischen Partikeln mit einem Südpol in der Mitte und zwei Nordpolen an den Enden. Der andere enthält weichmagnetische Partikeln mit einem Anteil von 80 Gew.-%. Bei den Untersuchungen werden 10 additiv gefertigten Aufsätzen genutzt, welche verschiedene Abstände zwischen der Spule und dem MAE-Balken erzeugen. Außerdem wird das Bewegungsverhalten für Steigungen und Gefälle von 0-30˚ untersucht. Dabei werden Geschwindigkeitsdiagramme in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz des Magnetfelds erstellt. Die Ergebnisse werden unter der theoretischen Bewegungsanalyse ausgewertet.

In den letzten Jahren und Jahrzehnten hat die Relevanz mobiler Roboter sowohl im industriellen als auch im privaten Sektor deutlich an Dynamik gewonnen. Einen besonderen Zielkonflikt stellt hierbei der Gegensatz von Positionierbarkeit und Fahrdynamik dar; meist muss bisher auf eine Kompromisslösung zurückgegriffen werden. Auf Basis dessen wurde am Fachgebiet „Technische Mechanik“ der Technischen Universität Ilmenau ein omnidirektionales Antriebsmodul entwickelt, welches beide genannten Eigenschaften vereinen soll. Ziel dieser Arbeit ist die simulative Validierung dieser Merkmale. Dazu soll zunächst ein Mehrkörpermodell des Fahrmoduls entwickelt und anschließend in mehrfacher Ausführung zu einem mobilen Roboter zusammengebaut werden, um durch die klassischen Versuche der Fahrzeugtechnik Geradeausfahrt, stationäre Kreisfahrt und doppelter Spurwechsel die Fahreigenschaften von Roboter und Modul zu überprüfen. Das omnidirektionale Antriebsmodul soll sich dabei in Hinblick auf Fahrdynamik wie Positionierbarkeit als äußerst geeignet herausstellen; der primäre Konflikt liegt jedoch in der Komplexität des Aufbaus und somit in den Kosten. Demnach ist zu schlussfolgern, dass der Einsatzzweck des Fahrmoduls für Anwendungen prädestiniert ist, welche besonders hohe Anforderungen an sowohl fahrdynamische als auch omnidirektionale Eigenschaften stellen, bei denen finanzielle Aufwendungen jedoch nebensächlich sind.

In der vorliegenden Arbeit wird die Kinematik eines Mecanum-Rades untersucht. Ein Grundverständnis wird für die Bewegung eines mobilen Systems mit omnidirektionalen Rädern über eine konzipierende Patentrecherche mit konkreter Stichwortvorgabe ausgearbeitet und dargestellt. Um verschiedene Rädertypen miteinander zu vergleichen, werden die kinematischen Zwangsbedingungen des jeweiligen Rades berechnet. Auf Basis der erarbeiteten kinematischen Zwangsbedingungen eines Mecanum-Rades wird ein mobiles System bestehend aus vier Mecanum-Rädern untersucht und typische Fahrmanöver mittels Matlab implementiert und visualisiert. Am Beispiel eines Ausweichmanövers wird die Arbeit zusammengefasst.

Thermoplastische Silikonelastomere (TPSE) sind intelligente Materialien aus einer Silikonmatrix mit eingebetteten thermoplastischen Partikeln. TPSE besitzen temperaturveränderliche mechanische Eigenschaften, wie zum Beispiel das Elastizitätsmodul und einen temperaturgesteuerten Shape Memory Effekt (SME). Diese Masterarbeit führt die Materialcharakterisierung vorangehender Arbeiten fort, behandelt Fertigungsverfahren und beschäftigt sich mit potenziellen Anwendungsmöglichkeiten von TPSE für "Soft Robotic" Applikationen. Auf Basis des bestehenden nachgiebigen Greifer-Designs "PneuFlex" wird gezeigt, dass TPSE geeignet ist, temporäre, reversible, morphologische Änderungen nachgiebiger Systeme zu erzeugen. Die auftretende Strukturveränderung wird durch den SME ermöglicht. Dieser beruht auf der quasiplastischen Verformung des Materials, erzeugt durch kurzzeitiges Schmelzen und Erstarren der Partikel, kombiniert mit äußeren mechanischen Belastungen. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen an Prototypen zeigen signifikante Unterschiede des Greifverhaltens vor und nach Strukturveränderungen. Folglich erweitert TPSE das Funktionsrepertoire nachgiebiger Strukturen, um eine steuerbare, aktive Adaptionsfähigkeit auf Materialebene.