CoMSys - a GUI-based calculation tool for the analysis and optimisation of compliant mechanisms :
CoMSys - ein GUI-basiertes Berechnungstool zur Analyse und Optimierung nachgiebiger Mechanismen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.
https://doi.org/10.17185/duepublico/75432
On the influence of geometrical deviations of flexure hinges on the trajectory behaviour of straight-line compliant mechanisms for ultra-precision applications :
Zum Einfluss von geometrischen Abweichungen von Festkörpergelenken auf das Bahnverhalten von nachgiebigen Geradführungsmechanismen für Ultrapräzisionsanwendungen. - In: Achte IFToMM D-A-CH Konferenz 2022, (2022), insges. 2 S.
https://doi.org/10.17185/duepublico/75447
Actuators based on a controlled particle-matrix interaction in magnetic hybrid materials for applications in locomotion and manipulation systems. - In: Physical sciences reviews, ISSN 2365-659X, Bd. 7 (2022), 11, S. 1263-1290
The paper deals with the investigation of magneto-sensitive elastomers (MSE) and their application in technical actuator systems. MSE consist of an elastic matrix containing suspended magnetically soft and/or hard particles. Additionally, they can also contain silicone oil, graphite particles, thermoplastic components, etc., in various concentrations in order to tune specific properties such as viscosity, conductivity and thermoelasticity, respectively. The focuses of investigations are the beneficial properties of MSE in prototypes for locomotion and manipulation purposes that possess an integrated sensor function. The research follows the principle of a model-based design, i.e. the working steps are ideation, mathematical modelling, material characterization as well as building first functional models (prototypes). The developed apedal (without legs) and non-wheeled locomotion systems use the interplay between material deformations and the mechanical motion in connection with the issues of control and stability. Non-linear friction phenomena lead to a monotonous forward motion of the systems. The aim of this study is the design of such mechanical structures, which reduce the control costs. The investigations deal with the movement and control of 'intelligent' mechanisms, for which the magnetically field-controlled particle-matrix interactions provide an appropriate approach. The presented grippers enclose partially gripped objects, which is an advantage for handling sensitive objects. Form-fit grippers with adaptable contour at the contact area enable a uniform pressure distribution on the surface of gripped objects. Furthermore, with the possibility of active shape adaptation, objects with significantly differing geometries can be gripped. To realise the desired active shape adaptation, the effect of field-induced plasticity of MSE is used. The first developed prototypes mainly confirm the functional principles as such without direct application. For this, besides the ability of locomotion and manipulation itself, further technological possibilities have to be added to the systems. The first steps are therefore being taken towards integrated MSE based adaptive sensor systems.
https://doi.org/10.1515/psr-2019-0087
Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. - In: Physical sciences reviews, ISSN 2365-659X, Bd. 7 (2022), 10, S. 1063-1090
Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to in-plane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.
https://doi.org/10.1515/psr-2019-0125
Ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (XXIII, 120 Seiten)
Ilmenau, TU Ilmenau, Dissertation 2020
Der Gegenstand der Arbeit ist die Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben durch magnetisch kontrollierbare Fluide, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen unter Einbeziehung des Magnetfeldes und des Wärmestromes. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik gibt einen Überblick über magnetische und rheologische Flüssigkeiten und zeigt die Anwendungsmöglichkeiten magnetisch kontrollierbarer Fluide. In Voruntersuchungen wird der kraftverstärkende Einfluss des Ferrofluids im Luftspalt eines Eisenkreises dargestellt und mittels des FEM-Simulationswerkzeuges COMSOL nachgebildet und berechnet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Modellierung, bei der das Taylor-Couette-System die Basis bildet und die Navier-Stokes-Gleichungen das Strömungsverhalten im System beschreiben. Berechnungen zum Geschwindigkeitsfeld bei konstanter und variabler Viskosität werden durchgeführt und ein Temperaturmodell, angenähert an das Verhalten des Elektromotors, analytisch hergeleitet. Nach den theoretischen Untersuchungen am Taylor-Couette-Modell als Abstraktionsstufe für einen Elektromotor folgt die experimentelle Evaluierung am Prototyp einer ferrofluidunterstützten permanenterregten Synchronmaschine. Dem konstruktiven Entwicklungsprozess folgend, wird eine simulative Berechnung des Prototyps mit der FE-Software COMSOL durchgeführt. Die Messergebnisse zum Erwärmungs- und Dauerlauf werden detailliert dargestellt. Das Ferrofluid ist in diesem genannten Kontext ein effizienzsteigerndes Element. Im letzten Teil der Arbeit wird eine innovative Entwicklung vorgestellt, bei dem, im Unterschied zu dem Antrieb aus den Kapiteln 3 und 4, eine magnetisch kontrollierbare rheologische Flüssigkeit ein funktionsbestimmendes Element ist. Die modellbasierte Untersuchung und die Prototypenbeschreibung sowohl eines rotatorischen, als auch translatorischen Antriebes schließen die Arbeit ab.
https://doi.org/10.22032/dbt.48855
Improving energy efficiency of bipedal walking using nonlinear compliant mechanisms. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100197, S. 1-3
A method to improve the energy efficiency of a bipedal robot by coupling its thighs with compliant smart mechanisms is introduced. The walking gaits are driven by electric motors in its revolute joints, whose reference trajectories are generated via numerical optimization. The optimized nonlinear characteristic of the compliant mechanism modifies the free oscillation frequency of the system that matches the current double step frequency even under different conditions, which results in a very high energy efficiency.
https://doi.org/10.1002/pamm.202100197
Soft touch between a highly flexible bio-inspired tactile sensor and 3D objects. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100003, S. 1-3
Scanning and reconstructing the environment using tactile sensors alongside optical sensors is a promising approach in mobile robotics. Within the present paper, we take advantage of a recently presented vibrissa-inspired tactile sensor concept for 3D object scanning and reconstruction, broadening our previous studies. The sensor consists of a slender, cylindrical, highly flexible probe, one-sided clamped to some force-torque measuring device. The probe is shifted relatively to an object of interest by displacing its clamping position quasi-statically. Consequently, the probe gets bent, sweeps over the object and transmits mechanical signals (observables) to its support. The focus of the present investigation is on how the probe sweeps over a new type of object (paraboloid), verifying a necessary condition for optional contact points. Finally, this condition allows to find multiple equilibrium states for a single clamping position.
https://doi.org/10.1002/pamm.202100003
Synthesis of a compliant system from a given curve :
Synthese eines Nachgiebigen Systems mit gegebener Kennlinie. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 87-88
https://doi.org/10.17185/duepublico/74063
Das Biege-Torsions-Steifigkeitsverhältnisses von Festkörpergelenken mit Standard- und Polynomkonturen :
The bending-torsion-stiffness ratio of flexure hinges with common and polynomial notch shapes. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 74-75
https://doi.org/10.17185/duepublico/74059
Comparison of nonlinear continuum beam models with finite beam models for the analysis of compliant mechanisms :
Vergleich nichtlinearer Kontinuums-Balkenmodelle mit finiten Balkenmodellen für die Analyse nachgiebiger Mechanismen. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2021 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland, (2021), S. 58-61
Nachgiebige Mechanismen haben sich für eine Vielzahl von Anwendungen in der Feinwerk-, Mess- und Mikrotechnik etabliert. Für den iterativen Entwurf sowie die Optimierung von nachgiebigen Mechanismen besteht ein Bedarf an zeiteffizienten Analysemodellen mit möglichst geringen Abweichungen zum gefertigten Mechanismus. Hierfür wurden eine Reihe verschiedener Modellierungsansätze zur Beschreibung des Bewegungsverhaltens entwickelt und untersucht, unter denen nichtlineare Kontinuums-Balkenmodelle und nichtlineare finite Balkenmodelle ein hohes Potenzial zeigen. Trotz der ähnlichen Ansätze der Balkentheorie ergeben sich Unterschiede im Einsatz beider Modelle, die aufbauend auf den Ergebnissen bestehender Veröffentlichungen im Rahmen dieses Beitrages näher diskutiert werden.
https://doi.org/10.17185/duepublico/74053