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
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
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
Vklad v mechaniku mnogoslojnoj podatlivoj sistemy s priloženijami dlja mjagkoj robototechniki :
A contribution to the mechanics of a multi-layered compliant system with applications for soft robotics. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 2(83), Seite 7-17
Naučnye issledovanija na osnove modelirovanija s celьju raspoznavanija sily putem monitoringa a deformacionnogo sostojanija gibkogo mechanizma :
Model-based investigations of force detection by monitoring the deformation state of a compliant mechanism. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 3(84), Seite 51-62
A strong, long-lasting pressure on the human skin whose effect is increased by shear forces can lead to the development of a pressure ulcer (decubitus). In order to minimize the risk of pressure ulcers developing, critical forces acting between the body and a sitting or lying surface should be detected and eliminated in time. One possibility for detecting critical forces is the actuation of tactile switches. In this article, miniature tactile switches are integrated into a compliant mechanism using the example of a MATF1 mattress spring made by Hartmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG. For this purpose, the deformation behavior of the spring is analyzed by means of non-linear analytical and finite elements method (FEM) calculations and the required tactile switches parameters as well as suitable locations for their placement are determined. A functional model is then built and examined.
Synthesis and characterization of the properties of thermosensitive elastomers with thermoplastic and magnetic particles for application in soft robotics. - In: Journal of applied polymer science, ISSN 1097-4628, Bd. 138 (2021), 44, 51296, insges. 14 S.
In the currently rapidly developing field of soft robots, smart materials with controllable properties play the central role. Thermosensitive elastomers are soft, smart materials whose material properties can be controlled by changing their temperature. The aim of this work is to investigate the mechanical properties, to analyze the surface, the inner structure, and the heat transfer within the thermosensitive elastomer materials. This should provide a knowledge base for new combinations, such as a combination of thermosensitive and the well-known magneto sensitive elastomers, in order to realize new applications. Thermoplastic polycaprolactone particles were incorporated into a flexible polydimethylsiloxane matrix to produce thermosensitive elastomer samples. With a low melting point in the range of 58-60˚C, polycaprolactone offers good application potential compared to other thermoplastic materials such as polymethamethylacrylate with a melting point above 160˚C. Test samples of different material compositions and geometries were made to examine temperature-depending material properties. Two useful effects were identified: temperature-dependent change in stiffness and the shape memory effect. In certain examinations, carbonyl iron particles were also included to find out if the two particle systems are compatible with each other and can be combined in the polydimethylsiloxane matrix without disadvantages. Changes in shore hardness before and after the influence of temperature were investigated. Micro computed tomography images and scanning electron microscopy images of the respective samples were also obtained in order to detect the temperature influence on the material internally as well as on the surface of the thermosensitive elastomers in combination with carbonyl iron particles. In order to investigate the heat transfer within the samples, heating tests were carried out and the influence of different particle concentrations of the thermosensitive elastomers with and without carbonyl iron particles was determined. Further work will focus on comprehensive investigations of thermo-magneto-sensitive elastomers, as this will enable the functional integration in the material to be implemented with increased efficiency. By means of the different investigations, the authors see future applications for this class of materials in adaptive sensor and gripper elements in soft robotics.
https://doi.org/10.1002/app.51296
Worm-like mobile robot based on a tensegrity structure. - In: 2021 IEEE 4th International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), (2021), S. 358-363
This work presents a novel concept to develop mobile robots enabling crawling locomotion in tubular environment. Chain-like systems are designed by serial cascading a uniform tensegrity module. Inspired by the movement of worms in nature, an undulating shape change of the system is targeted to generate locomotion. The shape changeability of an exemplary tensegrity module due to internal actuation is examined in simulations and experiments. A prototype consisting of these tensegrity modules is manufactured and the locomotion principle is verified in experiments. Comparing to existing prototypes this approach enables an enhanced compliance due to the modular assembly of tensegrity structures.
https://doi.org/10.1109/RoboSoft51838.2021.9479193
Theoretical and experimental investigations of magnetic hybrid materials and their application in soft gripping. - Ilmenau, 2021. - xix, 193 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Soft Robotics ist ein aktuelles Forschungsfeld. Die Anwendung mechanisch nachgiebiger Materialien in technischen Applikationen wird aktuell intensiv vorangetrieben. Intelligente nachgiebige Materialien, beispielsweise Materialien, die ihre mechanischen Eigenschaften reversibel ändern können, werden in immer mehr technischen Anwendungen eingesetzt. Vordergründig geschieht dies mit den Zielen der Funktionserweiterung und der individuellen reversiblen Anpassbarkeit an veränderte Umgebungsbedingungen. Magnetorheologische Elastomere sind intelligente nachgiebige Hybridmaterialien, bestehend aus einer Elastomermatrix, die mit ferromagnetischen Partikeln gefüllt ist. In Abhängigkeit von der beabsichtigten Verwendung dieser Hybridmaterialien werden weich- oder hartmagnetische Partikel eingesetzt. Diese Materialien besitzen die besondere Fähigkeit, ihre mechanischen Eigenschaften zu ändern, wenn auf sie Magnetfelder einwirken. Diese vorteilhaft nutzbare Eigenschaft macht ihren Einsatz in zahlreichen technischen Anwendungen dort effizient, in welchen Strukturen mit reversibel veränderbarer mechanischer Nachgiebigkeit eingesetzt werden sollen. Bedingt durch ihre vorteilhaften Eigenschaften werden diese Materialien aktuell intensiv erforscht. Im Fokus der meisten Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet stehen dabei die mechanische und magnetische Charakterisierung der Materialeigenschaften, sowie die Erarbeitung von Materialmodellen, die eine Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mit hoher Genauigkeit erlauben. Viele Effekte im Verhalten dieser Materialien sind aktuell noch nicht tiefgründig untersucht bzw. verstanden worden. In dieser Arbeit werden diese Hybridmaterialien aus ingenieurtechnischer Sicht betrachtet. Die Untersuchungen an diesen Materialien werden auf potentielle technische Applikationen fokussiert. Dabei wird der Schwerpunkt auf den magnetfeldinduzierten elasto-plastischen Effekt dieser Materialien, sowie auf die Nutzung dieses Effektes in einer exemplarischen technischen Anwendung, in End-Effektoren für die Greifertechnik, gelegt. In der Arbeit werden magnetorheologische Elastomere untersucht, die weichmagnetische Partikel in verschiedenen Volumenkonzentrationen enthalten. Im ersten Teil der Arbeit werden schwerpunktmäßig experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um geeignete Material- und Zusammensetzungsdesigns für das Hybridmaterial im Hinblick auf die gewünschte Anwendung definieren zu können. Mit Hilfe der anschließenden theoretischen Untersuchungen wird die Quantifizierung der magnetischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien auf der Makro-Skala erreicht. Aufbauend auf diese Untersuchungen wird eine Methodik erarbeitet, die die Beschreibung des magneto-mechanischen Verhaltens dieser Materialien mittels Anwendung der Finite-Elemente-Methode ermöglicht. Die exemplarische Verwendung dieser Materialien als End-Effektor beim Greifen von empfindlichen Objekten impliziert die formschlüssige Umhüllung der zu greifenden Gegenstände. Mit Magnetfeldern werden die Effekte der Nachgiebigkeitsänderung und der magnetfeldinduzierten Plastizität in diesen Hybridmaterialien stimuliert. Dadurch wird eine Formanpassung und damit formschlüssiges Greifen ermöglicht. In der Arbeit wird ein End-Effektor-Prototyp hergestellt und getestet, um die vorteilhafte Anwendbarkeit magnetorheologischer Elastomere in der Soft Robotics aufzuzeigen.
Self-sensing electroadhesive polymer gripper with magnetically controllable surface geometry. - In: Actuator 2021, (2021), S. 318-320