Theses

In der vorliegenden Masterarbeit werden durch eine Simulationsstudie adaptive Regelungsstrategien dahingehend untersucht, einen Roboterarm mit Doppelpendelstruktur - angetrieben durch antagonistisch angeordnete, muskelähnliche Aktoren - möglichst schnell und präzise auf vorgegebenen Bahnen zu regeln. Parallel dazu wird ein derartiger Roboter als Prototyp aufgebaut und die untersuchten Regelungsstrategien am realen Modell verifiziert. Über erste Simulationen mit einem Modell mit Freiheitsgrad n=1 werden die Wirkprinzipien der adaptiven Regler untersucht (v.a. mit Blick auf die Absolutwerte von Rückführung und Verstärkungsfaktor, Einregelzeit und Genauigkeit der Einhaltung von Zielvorgaben) und eine Vorauswahl der als am besten eingeschätzten Regler getroffen, um diese anschließend auf ein System mit Freiheitsgrad n=2 anzuwenden. Dazu werden vorerst Modellanpassungen bzgl. der realen Mechanik des Prototypen vorgenommen und daraus eine Intensitätensteuerung ermittelt, mit der die Reglergrößen der Regler auf die jeweiligen Muskelpaare aufgeteilt werden können. Es folgt eine Simulationsstudie an einem System mit Freiheitsgrad n=2 (Doppelpendelstruktur). Die vorher beschriebenen und analysierten Regelungsstrukturen werden bzgl. einer Referenzposition mit Positionswechsel und einer Referenzbahn untersucht. Hierbei werden für eine Optimierung des Simulationsergebnisses verschiedene Ansätze eingeführt, wie bspw.: Begrenzung der Muskelleistung, Einführung eines Fehlervektors, adaptives Ermitteln von Faktoren einer beschränkten Regelung. Während oben genannten Simulationsarbeiten wird der zur Verifikation einzusetzende Prototyp der TU Ilmenau aus vorherigen, älteren Untersuchungen rekonstruiert und optimiert: Dabei müssen fehlende Teile neu konstruiert, sowie die Ansteuerung neu entworfen werden. Hierfür wird der Microcontroller "Arduino" eingesetzt. Vor einem möglichen Betrieb des Roboterarms müssen zunächst Messdaten zur Ermittlung des Kontraktionsverhaltens und der Muskelleistung der pneumatischen Muskeln ermittelt werden. Anschließend werden weitere Simulationen mit den Systemparametern des Prototypen durchgeführt. Mithilfe der Regelungsstrukturen wird dem Prototyp die Verfolgung einer Bahn ermöglicht.

Um das Ziel des autonomen Fahrens möglichst schnell zu erreichen, spielen Fahrerassistenzsysteme bei der Entwicklung von Automobilen eine immer größere Rolle. Diese erhöhen den Komfort und die Sicherheit für den Fahrer. Damit Fahrerassistenzsysteme vom Kunden als angenehm und komfortabel empfunden werden, müssen sie das Verhalten des Menschen in den jeweiligen Fahrsituationen bestmöglich abbilden. Ziel der vorliegenden Master-Arbeit ist das Analysieren des menschlichen Verhaltens und der Wahrnehmung beim Spurwechsel. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Auslegung des Spurwechselassistenten der BMW Group ein. Hierzu wird eine Probandenstudie mit einem Versuchsfahrzeug im Realverkehr durchgeführt. Führt der Fahrer einen Spurwechsel aus, so werden relevante Fahrzeugsignale und Bewegungsgrößen umliegender Objekte aufgezeichnet und das subjektive Empfinden des Fahrers beim Spurwechsel erfragt. Im ersten Schritt ist die Probandenstudie zu planen und zu organisieren. Dazu müssen zunächst die relevanten Szenarien im Verkehr festgelegt werden, woraus objektive und subjektive Kennwerte für einen Spurwechsel abgeleitet werden. Anschließend werden Hypothesen über den Zusammenhang von objektiven und subjektiven Größen formuliert. Nach der Durchführung der Studie werden die erfassten Daten ausgewertet. Hierfür werden zunächst die aufgezeichneten Daten nach der Entwicklung eines neuartigen Datenverarbeitungsalgorithmus aufbereitet. Anschließend wird die in der Abteilung bestehende Objektivierungsmethodik erweitert und mit deren Anwendung die Hypothesen überprüft. Zusätzlich wird erstmalig ein Durchschnittsprofil aus den Daten aller Fahrer hinsichtlich des Spurwechsels erstellt. Abschließend wird mit den Ergebnissen eine Auslegungsempfehlung für den Spurwechselassistenten abgegeben.

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Optimierung der Konstruktion omnidirektionaler Räder von mobilen Robotern am Beispiel des Ethon-Roboters. Zwangserregte Schwingungen auf der Roboterplatform beinflussen das Kamerasystem negativ und beeinträchtigen somit die Orientierung. Die Arbeit präsentiert eine Vibrationsanalyse und untersucht die Radgeometrie der verwendeten Allseitenräder. Die resultierende Erregung wird systemtheorethisch modelliert. Das Robotersystem wird dabei mit konzentrierten Variablen und mittels Impedanz Analogie beschrieben. Zirkularitätsfehler der Räder die zu periodischen Stößen durch Diskontinuitäten zwischen den passiven Rollern führen, generieren vertikale Vibrationen und werden in der Vibrationanalyse untersucht. Zwei erarbeitete Messmethoden; eine indirekte Methode und eine neuartige direkte Methode, werden vorgestellt, um die zwangserregten Schwingungen durch Reaktionskräfte auf der Roboterplatform zu bestimmen und die dazugehörigen Erregerfrequenzen der Räder anhand von Beschleunigungsmessungen nachzuweisen. Die Erregerfrequenzen mit den dazugehörigen Oberwellen der periodischen Stöße des omnidirektionalen Rades werden mittels Frequenzanalyse der Leistungsspektren identifiziert. Die Annahmen bezüglich Linearität des Systems und Geschwindigkeitsabhängigkeit werden durch Messungen nachgewiesen. Die Reaktionskräfte basierend auf den ermittelten absolut Werten aus den Leistungsspektren werden berechnet und diskutiert. Beide Messmethoden werden auf ihre Konsistenz durch einen Vergleich der entstehenden Frequenzen geprüft. Resultierend wird eine erarbeitete Prototypenkonstruktion mit einem äußeren Durchmesser von 200 mm, basierend auf dem Continuous Alternate Wheel (CAW) Model, vorgestellt. Die in der Arbeit durchgeführte Analyse bestätigt die zwangserregten Schwingungen, welche durch die omnidirektionalen Räder ausgelöst werden und präsentiert eine alternative Prototypenkonstruktion zur Minimierung der vertikalen Vibrationen.

Gleitreibung entsteht bei der Berührung zweier sich relativ zueinander bewegender Körper. Sie ist eine Eigenschaft, die in technischen Systemen häufig nachteilig ist und reduziert werden soll. Typische Methoden zur Reibungsreduzierung sind die Variation der Materialpaarung sowie der Einsatz von Schmiermitteln. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Reibkraft ist die hochfrequente mechanische Anregung der Reibpartner, die virbrationsinduzierte Reibungsreduzierung. Durch diese Technik kann die Reibung vermindert und in Grenzen gesteuert werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Prüfstand zur Messung von Reibungskräften zwischen vibrierenden Oberflächen entwickelt. Die Konzeption beinhaltet die Erstellung einer Anforderungsliste und die Betrachtung verschiedener Auslegungsvarianten. Weiterhin erfolgt die Auslegung potenziell kritischer Stellen und die Fertigung des Versuchsaufbaus. Nach der Inbetriebnahme erfolgt die Justierung, um das angestrebte Betriebsverhalten der konstruierten Führung des Prüfstandes zu realisieren. Mit Hilfe des Prüfstandes werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Abhängigkeit der Reibungsreduktion von festgelegten Parametern durchgeführt. Im Anschluss erfolgen die Auswertung der aufgenommenen Messwerte, Interpretation, Dokumentation und Fehlerbetrachtung. Es konnte gezeigt werden, dass eine Reibungsreduktion von bis zu 90 % für die untersuchten Parameter möglich.

Die folgende Arbeit ist ein Teil eines Forschungsprojekts, das Vibrissen-inspirierte Tastsensoren für Objekt- und Strömungserkennung zu analyzieren versucht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines technischen und mathematischen Modells für Objekterkennung unter dem Einfluss einer Strömung. Dazu wird ein mechanisches Modell auf Basis der nicht-linearen Euler-Bernoulli Biegungstheorie entwickelt. Das Modell enthält Hauptmerkmale, die in einer natürlichen Vibrisse gefunden werden, z.B. intrinsische Vorkrümmung, die Veränderung des Querschnitts, elastische Lagerung. Diese Hauptmerkmale werden als Parameter des Modells dargestellt. Das Modell wird dann einer Kontakt- und einer Strömungsbelastung ausgesetzt, die durch eine konzentrierte Kraft und eine verteilte Kraft repräsentiert werden. Dann wird das Modell in eine dimensionslose Form für weitere Untersuchungen transformiert. Eine Variation der Größe dieser Lasten, sowie die Vibrissen-Parameter wird analysiert. Eine direkte numerische Näherung durch das Finite-Differenzen-Verfahren wird zusammen mit dem Schießverfahren verwendet, um eine Lösung für das Modell zu erhalten. Danach soll der Kontaktvorgang zwischen Objekt und Vibrisse simuliert werden. Dabei wird ein quasi-statisches Vorbeiziehen der Vibrisse an der Objektkontur betrachtet, während die Lagerreaktionen bestimmt und aufgezeichnet werden. Diese Prozedur wird dann in Kombination einer Strömungsbelastung wiederholt, die eine Strömung simulieren soll. Es werden zwei Arten von Kontaktphasen identifiziert und die Bedingungen für jede Gruppe festgelegt. Schließlich werden die gemessenen Größen verwendet, um die Größe der Strömungskraft zu bestimmen und die Profilkontur der Oberfläche zu rekonstruieren. Das entwickelte Modell wird wieder für die Rekonstruktion verwendet, eine Analyse der Observablen wird vorgenommen, um zu identifizieren und vorherzusagen, in welcher Kontaktphase die Vibrisse ist. Die Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche Identifikation der Fluidströmungsbelastung sowie eine Rekonstruktion des Profils, die Differenz zwischen dem rekonstruierten Profil und dem Originalprofil wird dann als ein Maß für die Rekonstruktionsqualität berechnet.

Das Vorbild für taktile Sensorkonzepte auf Basis von Balkenstrukturen sind die im Tierreich weit verbreiteten Tasthaare oder Vibrissen. Die nachgewiesene Leistungsfähigkeit des Sensorkonzeptes ist beeindruckend, jedoch lässt die bisherige technische Umsetzung auf Grund der Komplexität und des unvollkommenen Verständnisses noch viele Fragen offen. Dies gilt insbesondere für eine kürzlich entdeckte Funktionalität des Sensors, die sich auf die Unterscheidung verschiedener Oberflächen bezieht. Der Großteil der vorhandenen Veröffentlichungen basiert auf einer empirischen Vorgehensweise, bei der nichtlineare mechanische Aspekte und tribologische Gesichtspunkte oft nur unzureichend in Betracht gezogen werden. An dieser Stelle setzt die aktuelle Arbeit an, die auf einem nichtlinearen mechanischen Modell des Sensorsystems in Verbindung mit Coulomb'scher Reibung basiert. In drei Modellierungsstufen wird, beginnend mit einem punktuelle Kontakt, zunächst die Kontaktformulierung verfeinert und darauffolgend dynamische Effekte in die Berechnung einbezogen. Für die Berechnung wird auf die Finite-Elemente-Methode in ANSYS zurückgegriffen. Die Eigenschaften des biologischen Sensorsystems, wie elastische Lagerung, Konizität und Vorkrümmung, werden modelliert und deren Effekt mit der angestrebten Sensorfunktion in Beziehung gesetzt. Besondere Beachtung findet die Bestimmung der Grenzen des Arbeitsbereiches des Sensors, die auch in einem parallel durchgeführten Experiment beobachtet werden können. Das untersuchte komplexe statische Verhalten des Sensors wird durch eine erste, beispielhafte dynamische Berechnung des Sensors ergänzt, durch die, in Gegenüberstellung mit dem Experiment, eine konkrete Messstrategie für das Sensorkonzept erarbeitet wird.

Für einen existierenden Greifer, basierend auf einer Tensegrity Struktur, ist ein elektrischer Antrieb zu entwickeln. Die beiden charakteristischen Gleichgewichtslagen und die grundlegenden Eigenschaften der Struktur müssen auch mit dem Antrieb erhalten bleiben. Vorbereitend auf die Entwicklung eines miniaturisierten Greifersystems wurden verschiedene Fertigungsverfahren untersucht und bewertet. Zwei Funktionsmuster mit unterschiedlichen Antrieben wurden entwickelt und getestet. Je ein System mit translatorischem und rotatorischem Antrieb. Beide Prototypen bestehen aus Aluminiumstäben, die durch 3D-gedruckte Kunststoffteile verbunden sind. Zusätzlich wurde ein verkleinerter Greifer entworfen, um die Eigenschaften von Silikonfedern in Tensegrity Strukturen zu testen.

Tasthaare von Säugetieren werden als Vibrissen oder Schnurrhaare bezeichnet. Sie dienen der Erkundung der Umgebung und befinden sich an verschiedenen Stellen des Tierkörpers. Mystaziale Vibrissen sind im Bereich der Schnauze zu finden. Karpale Vibrissen befinden sich an der Unterseite der Vordergliedmaßen von Säugetieren. Das Vibrissenhaar hat eine konische Form und wächst aus einem speziellen, stark innervierten Haarfollikel, der in einem Blutsinus eingegliedert ist. Da das Haar selbst keine Rezeptoren hat, kann es als ein Übertragungssystem für Kräfte und Momente zum Rezeptorsystem im Follikel betrachtet werden. Kräfte und Momente entstehen aus dem Kontakt des Haars zu einem Objekt. - In der vorliegenden Masterarbeit wird die Schwingung der Vibrisse während eines natürlichen Erkundungsprozesses aus dem Blickwinkel der Mechanik untersucht. Das Phänomen der parametrischen Resonanz der Vibrisse wird analytisch und numerisch betrachtet. Im ersten Teil der Arbeit werden zwei Modelle eines elastischen Balkens aus der Literatur verwendet. Das erste Modell besteht aus einem geraden Balken mit einer kreisrunden Querschnittsfläche mit linear abnehmenden Radius. Im zweiten Modell wird die natürliche Krümmung der Vibrisse in Form eines zylindrischen Balkens mit kreisbogenförmiger Stabachse berücksichtigt. Unter Verwendung der Euler-Bernoulli-Balkentheorie und asymptotischen Methoden der Mechanik werden kleine transversale Schwingungen des Balkens analysiert. Sie werden am Stabende durch eine periodische, der Verformung folgenden Kraft ausgelöst. - Im zweiten Teil der Arbeit folgt die numerische Analyse des Problems mit Hilfe der Finiten Elemente Methode. Verwendet wird das Programmpaket ANSYS 16.2. Für jedes Modell wird die dynamische Antwort der parametrischen Erregung für verschiedene Frequenzwerte simuliert. - Es wird analytisch und numerisch gezeigt, dass für spezifische Wertebereiche der Erregungsfrequenz das Phänomen der parametrischen Resonanz des Balkens entsteht. Das heißt, die Schwingungsamplitude des Balkens wächst über die Zeit exponentiell an, wenn es mit einer Frequenz aus dem Bereich der parametrischen Resonanz erregt wird. Dieser Bereich ist abhängig von geometrischen Parametern, Materialeigenschaften und von der Amplitude der periodischen Erregung.

Wissenschaftler und Ingenieure sind motiviert, neue Elemente und Materialien zu untersuchen und zu verstehen. Materialien mit neuen Eigenschaften wecken besonderes Interesse der Forschung und daraus entstehen zumeist auch innovative Anwendungsmöglichkeiten. Einer dieser modernen Stoffe sind Ferrofluide. Diese weisen ein spezielles, smartes Verhalten unter dem Einfluss von magnetischen Feldern auf. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten wie beispielsweise für Stoßdämpfer bei Automobilen sowie unter anderem für die Messung der Viskosität von Flüssigkeiten. Magneto-sensitive Elastomere (MSE) sind Materialien, die ähnliche Eigenschaften wie Ferrofluide aufweisen. Der wesentliche Unterschied liegt in dem festen Zustand des Materials, unabhängig von der An- oder Abwesenheit eines magnetischen Feldes. MSE weisen eine Polymer-Matrix auf, die magnetische Partikel enthält. Diese ermöglicht dem Material intelligentes Verhalten bei magnetischen Feldern. Im vorliegenden Projekt waren die magnetischen Partikel Eisenpulver und einige Mengen Graphit, die hinzugefügt wurden, um elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen. Mehrere Proben magneto-sensitiver Elastomere wurden auf ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften hin bei Einfluss eines magnetischen Feldes untersucht. Das magnetische Feld wurde mit Hilfe von Permanentmagneten induziert und durch die variierendere Position der Magnete mit einem motorisierten Positionierungssystem verändert. Die aus den Ergebnissen gewonnenen Schlussfolgerungen können im Design und Bau von Sensoren und Stellteilen Anwendung finden.

In der vorliegenden Bachelorarbeit sind Aktoren mit muskelähnlichen Eigenschaften im Vordergrund. Es wird der Frage aus der Steuerungstechnik nachgegangen, unter welchen Bedingungen eine Intensitätensteuerung für ein antagonistisches Muskelpaar zur Stabilisierung von Gleichgewichtslagen oder Verfolgung von Bahnkurven eingesetzt werden kann. Dabei ist es das Ziel zu klären, inwiefern sich verschiedene Ansätze für die Intensitäten, zum Beispiel unterschiedlich starke Aktoren und neue Regelstrategien theoretisch umsetzen lassen. Zu Beginn der Arbeit wird daher ein Einblick in den Stand der Technik aktueller technischer Muskel-Modelle und deren Einsatz bei bisherigen Prototypen gegeben. Darauf aufbauend werden analytische Muskel-Modelle vorgestellt, die sich leicht numerisch implementieren lassen, um oben angesprochene Simulationen durchzuführen. Anschließend werden numerische Simulationen von Roboterstrukturen mit dem Freiheitsgrad n=1 und n=2 ausgeführt, um Rückschlüsse auf die Steuerung im Grenzverhalten zu erhalten. Ebenso werden die Intensitäten und deren Differenz analysiert, die für die Entwicklung einer Steuerung mit adaptiven und einschränkenden Eigenschaften notwendig sind. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass der Betrieb von Aktoren mit unterschiedlichen Stärken sowohl bei wechselnder, als auch bei paralleler Aktivität eine Steuerungsmöglichkeit ist. Eine weitere Erkenntnis ist, dass eine kombinierte Steuerung aus einem adaptiven und beschränkten Regler ebenfalls eine Variante ist, die sich von vornherein im vorgegebenen Steuerbereich befindet. Die Vorteile dieser gegenüber einer beschränkten Steuerung ist eine bessere Positionierung in relativ kurzer Zeit. Die klassische und die adaptive Steuerung kommen für eine Anwendung auf Intensitäten basierende Steuerung nicht in Frage, da diese keine Grenzen für ihr Steuerergebnis von Anfang an besitzen und somit den Steuerbereich verlassen könnten.