Student Thesis

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.