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Publikationen (gesamt)

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Erstellt: Mon, 30 Nov 2020 23:06:19 +0100 in 0.0680 sec


Henning, Stefan; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp; Theska, René; Zentner, Lena;
Non-linear analytical modeling of planar compliant mechanisms. - In: Mechanism and machine theory : the scientific journal of the International Federation for the Theory of Machines and Mechanisms.. - Amsterdam [u.a.] : Elsevier Science, Bd. 155 (2021), 104067, S. 1-15

Compliant mechanisms are state of the art in technical applications, especially in precision engineering. They mostly achieve their motion due to bending-dominated deformation of their compliant segments, i.e. flexure hinges. Accurately analyzing a compliant mechanism in dependence of specific flexure hinges is still a challenging task due to the monolithic design and non-linearities caused by large deflections. Most existing accurate analytical models are restricted to single hinges. Therefore, this paper presents a non-linear analytical approach to calculate the elasto-kinematic properties of arbitrary planar compliant mechanisms. The approach is based on the theory for large deflections of rod-like structures. As a typical example, a compliant parallel four-bar linkage with varying compliant segments is investigated by means of the proposed analytical approach. The motion and deformation behavior are numerically calculated with the use of MATLAB®. It is shown, that the analytical results are in good correlation with FEM-based simulations and measurements of a manufactured prototype. To demonstrate the generality of the proposed method, two further and more complex mechanism examples are considered. As a result, the implemented modeling approach allows an accurate and fast analysis as well as synthesis of manifold planar compliant mechanisms with distributed or concentrated compliance.



https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2020.104067
Böhm, Valter; Schorr, Philipp; Feldmeier, Tanja; Chavez, Jhohan; Henning, Stefan; Zimmermann, Klaus; Zentner, Lena;
An approach to robotic end effectors based on multistable tensegrity structures. - In: New trends in mechanism and machine science. - Cham : Springer, (2020), S. 470-478

In this paper compliant multistable tensegrity structures with discrete variable stiffness are investigated. The different stiffness states result from the different prestress states of these structures corresponding to the equilibrium configurations. Three planar tensegrity mechanisms with two stable equilibrium configurations are considered exemplarily. The overall stiffness of these structures is characterized by investigations with regard to their geometric nonlinear static behavior. Dynamical analyses show the possibility of the change between the equilibrium configurations and enable the derivation of suitable actuation strategies.



Schorr, Philipp; Schale, Florian; Otterbach, Jan Marc; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter;
Investigation of a multistable tensegrity robot applied as tilting locomotion system. - In: IEEE Xplore digital library. - New York, NY : IEEE, ISSN 2473-2001, (2020), S. 2932-2938

https://doi.org/10.1109/ICRA40945.2020.9196706
Schorr, Philipp; Li, Enrique Roberto Carrillo; Kaufhold, Tobias; Hernández, Jorge Antonio Rodríguez; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus; Böhm, Valter;
Kinematic analysis of a rolling tensegrity structure with spatially curved members. - In: Meccanica. - Dordrecht [u.a.] : Springer Science + Business Media B.V, ISSN 1572-9648, (2020), insges. 9 S.
- Published: 14 July 2020

In this work, a tensegrity structure with spatially curved members is applied as rolling locomotion system. The actuation of the structure allows a variation of the originally cylindrical shape to a conical shape. Moreover, the structure is equipped with internal movable masses to control the position of the center of mass of the structure. To control the locomotion system a reliable actuation strategy is required. Therefore, the kinematics of the system considering the nonholonomic constraints are derived in this paper. Based on the resulting insight in the locomotion behavior a feasible actuation strategy is designed to control the trajectory of the system. To verify this approach kinematic analyses are evaluated numerically. The simulation data confirm the path following due to an appropriate shape change of the tensegrity structure. Thus, this system enables a two-dimensional rolling locomotion.



https://doi.org/10.1007/s11012-020-01199-x
Frisch, Andreas;
Mehrkörpersimulation eines neuartigen Kettenfahrzeuglaufwerks. - Ilmenau. - 170 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Diese Masterthesis behandelt die Untersuchung eines neuartigen Kettenfahrzeug-Laufwerks. Im Gegensatz zu konventionellen Kettenfahrzeug-Laufwerken, besitzt das hier betrachtete Laufwerk zwei Kettenmodule mit je zwei Antriebsrädern. In dieser Arbeit soll das Schwingungsverhalten sowie die Drehmomentverteilung untersucht werden. Die Untersuchung des Laufwerks erfolgt mittels Lagrange-Formalismus sowie der MKS-Software NX SimCenter 3D. Zunächst wird der Stand der Forschung in Bezug auf Kettenfahrzeug-Laufwerke und deren analytische Beschreibung mittels Lagrange näher erläutert. Im Anschluss daran werden wichtige Parameter des Kettenfahrzeuglaufwerks aufgenommen. Es wird die analytische Modellbildung mittels Lagrange-Formalismus folgen. Hierbei wird das Kettenfahrzeug-Laufwerk als Einmassenschwinger mit einem Massenträgheitsmoment beschrieben. Dieser wird hinsichtlich der Hub- sowie der Nickbewegung untersucht. Die Feder- und Dämpferelemente des vorderen Moduls werden zu jeweils einem Federdämpferbein zusammengefasst. Für das hintere Modul wird dies analog ausgeführt. Es werden jeweils das vordere und das hintere Federdämpferbein mittels Sinusfunktionen angeregt, um Unebenheiten des Untergrunds zu simulieren. Für die Modellbildung in NX SimCenter 3D werden sämtliche Bauteile des Laufwerks als Volumenkörper dargestellt. Diese werden mittels Drehgelenken, Schubgelenken und Federdämpferelementen gekoppelt. Die Ketten der jeweiligen Module werden mittels des Tools Discrete-Drivetrain modelliert. Die Federungs- sowie Dämpfungseffekte der Kette werden mittels des Befehls Buchse dargestellt. Für die Schwingungsanalyse wird das Laufwerkmodell mittels konstanten Geschwindigkeiten im Aufbau, den Laufrollen und den Antriebsrädern bewegt. Für die Drehmomentanalyse wird das vordere Antriebsrad mit einem linear ansteigenden Drehmoment angetrieben. Für die Parameterstudie für die Feder- sowie Dämpferparameter wird das analytische Modell verwendet. Hierbei werden die kritischen Geschwindigkeiten untersucht. Zudem wird der Amplitudenverlauf näher betrachtet. Für die Untersuchung der geometrischen Abmessungen wird die statische Vorspannung der Kette beleuchtet. Hierfür wird das Modell in NX SimCenter 3D verwendet. Es wird der Amplitudenverlauf der Nick- sowie der Hubbewegung analysiert. Im Anschluss wird die Geschwindigkeit des Laufwerks und die Geschwindigkeit des Antriebsrads in Bezug auf das aufgebrachte Drehmoment untersucht. Hierbei wird das Drehmoment untersucht, welches benötigt wird, um die Massenträgheit des Laufwerks zu überwinden und zu beschleunigen. Anhand der Ergebnisse der Parameterstudien werden die geforderten Feder- sowie Dämpferparameter für das Laufwerk abgeleitet. Weiterhin wird mittels der Drehmomentanalyse der Drehmomentbedarf des Laufwerks berechnet. Abschließend werden Forderungen für das Laufwerk und dessen Antrieb aufgestellt.



Henning, Stefan; Zentner, Lena;
Development of a PC program for the analysis of compliant mechanisms for arbitrary motion tasks :
Entwicklung eines PC-Programms zur Analyse von nachgiebigen Mechanismen für beliebige Bewegungsaufgaben. - In: IFToMM D-A-CH Konferenz 2020 der IFTOMM Member Organizations Austria, Germany, Switzerland : 27.-28. Februar 2020, Campus Technik Lienz : Tagungsband.. - Duisburg-Essen : DuEPublico, Universität Duisburg-Essen, (2020), insges. 2 S.

Abhängig von der Bewegungsaufgabe werden nachgiebige Mechanismen mit konzentrierter oder verteilter Nachgiebigkeit in der Feinwerk-, Mess- und Mikrotechnik eingesetzt. Aufgrund von geometrischen Nichtlinearitäten durch große Verformungen und die Querschnittsänderungen entlang des Mechanismus ist eine analytische Beschreibung besonders herausfordernd. Daher werden bisher meist zeitaufwendige FEM-Simulationen für die Analyse eingesetzt. Die Synthese, also die gezielte Anpassung der geometrischen Parameter an ein gewünschtes Bewegungsverhalten ist meist nicht-intuitiv und iterativ. Umfassende Berechnungsprogramme zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen mit konzentrierter und verteilter Nachgiebigkeit sind nicht bekannt. Daher wird ein eigenständiges, in PYTHON entwickeltes PC-Programm zur nichtlinearen analytischen Berechnung von kontinuierlichen nachgiebigen Mechanismen vorgestellt. Die Grundlage für die Berechnung bilden die nichtlineare Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen und deren Erweiterungen mit Berücksichtigung des Querkraftschubs und der Querkontraktion. Durch die Modellierung des Mechanismus als Kontinuum, liegen im Anschluss an die Lösung des Differentialgleichunggsystems Lösungen für das Schnittmoment, den Neigungsinkel und die Koordinaten x und y für jeden Punkt entlang der Stabachse vor. Diese Ergebnisse werden anschließend verwendet um eine Reihe wichtiger Parameter wie Verschiebungen und Dehnungen zu ermitteln und in der Programmoberfläche für jedes Element anzuzeigen. Es wird eine grafische Benutzeroberfläche präsentiert, mit der über vordefinierte Bausteine ein nachgiebiger Mechanismus elementweise aufgebaut werden kann. Die wichtigsten geometrischen Parameter sowie die Kräfte im Bereich jedes Elements werden über eine umfangreiche Eingabetabelle definiert. Der Nutzer kann zudem die Randbedingungen an beiden Enden des Mechanismus durch Auswahl festlegen. Das Programm bietet zusätzlich die Möglichkeit Parameterstudien durchzuführen. Dies eröffnet die Möglichkeit einen Mechanismus in Bezug auf eine Bewegungsaufgabe oder ein Dehnungsminimum iterativ zu optimieren. Damit leistet das Programm über den detaillierten Analysemöglichkeiten hinaus einen Beitrag zur Synthese nachgiebiger Mechanismen.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:464-20200220-110951-3
Schorr, Philipp; Böhm, Valter; Zentner, Lena; Zimmermann, Klaus;
Design of a vibration driven motion system based on a multistable tensegrity structure. - In: Informatics in control, automation and robotics. - Cham : Springer, (2020), S. 302-307

Gon¸calves Junior, Luis Antonio; Theska, René; Lepikson, Herman A.; Ribeiro Junior, Armando Sá; Linß, Sebastian; Gräser, Philipp;
Theoretical and experimental investigation of performance characteristics and design aspects of cross-spring pivots. - In: International journal of solids and structures. - New York, NY [u.a.] : Elsevier, Bd. 185/186 (2020), S. 240-256

Cross-spring pivots have been widely employed over the last decades in a broad variety of precision engineering applications due to the high motion repeatability achieved thanks to the absence of stick slip and clearance. In this paper, the non-linear effect of the anticlastic curvature of the leaf-springs is considered for the accurate analytical modeling of the elasto-kinematic behavior of cross-spring pivots. Finite element analyses (FEA), based on a non-linear thin-shell model, are carried out in order to compare them with the analytical results for the main performance parameters of this type of device, i.e. center-shift, rotational stiffness and stress in the leaf-springs. Furthermore, an experimental setup is built to assess the applicability limits of both models. Finally, remarkable performance aspects of cross-spring pivots are discussed aiming for design improvements.



https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2019.08.023
Denissel, Felix Arthur;
Untersuchungen zur Sensorisierung eines nachgiebigen Mechanismus mit Hilfe berührungsloser magnetischer Sensoren auf Basis analytischer und FEM Modellbildung. - Ilmenau. - 74 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die Sensorisierung von nachgiebigen Mechanismen mit dem Ziel der Kraftüberwachung ist für viele Anwendungsbereiche wie bspw. die Medizin- und Robotertechnik interessant. Dabei erfüllt der nachgiebige Mechanismus neben seiner Hauptfunktion auch die Funktion der Kraftübertragung an die integrierte Sensorik. Eine Möglichkeit zur Erkennung der auf einen nachgiebigen Mechanismus wirkenden Kräfte stellt die Verwendung von berührungslosen Magnetfeldsensoren dar. In dieser Arbeit wird das Verformungsverhalten eines nachgiebigen Mechanismus am Beispiel einer Kunststoffmatratzenfeder analytisch mit Hilfe der Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen beschrieben. Die Berechnungen werden numerisch in MATLAB durchgeführt woraufhin Ergebnisse für die Verschiebungen wichtiger Punkte ausgewertet werden. Die analytische Betrachtung erfolgt zunächst an einem kontinuierlichen, ebenen Modell der Matratzenfeder. Zudem wird das Modell um Verzweigungen erweitert um die Genauigkeit zu erhöhen. Anschließend werden die analytischen Betrachtungen auf Basis von nichtlinearen FEM-Simulationen validiert. Weiterhin werden analytische Berechnungen zur Magnetfeldverteilung von in die Matratzenfeder integrierten Dauermagneten mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen durchgeführt und im Anschluss mit FEM-Simulationen in ANSYS Maxwell validiert. Abschließend werden Aussagen über benötigte Parameter von Magneten und Sensoren zur Ermittlung der wirkenden Kräfte getroffen sowie Sensorkennlinien für verschiedene Messachsen ermittelt.



Jahn, Hannes;
Nichtlineare Modellbildung und Parameterstudien stabförmiger Strukturen. - Ilmenau. - 82 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken gewinnen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. Ihre Verformung wird maßgeblich durch Biegung bestimmt, weshalb sie analytisch meist als Biegebalken auf Basis der Euler-Bernoulli-Balkentheorie modelliert werden. Mit dieser analytischen Betrachtung ohne Querkraftschub werden derzeit für schlanke Gelenke sehr gute Ergebnisse für das Verformungs- und Bewegungsverhalten im Vergleich zu 3D-FEM-Berechnungen erreicht. Bei breiten Gelenken entstehen größere Abweichungen, die in der Präzisionstechnik nicht mehr vernachlässigbar sind. In dieser Bachelorarbeit werden analytische Modelle anhand einer Parameterstudie mit FEM-Simulationen verglichen, um Empfehlungen für die Balkenmodellierung im Hinblick auf die Anwendung für Festkörpergelenke mit stark variierenden Abmessungen zu erarbeiten. Dabei wird die Balkengeometrie bei vorgegebener Länge in Höhe und Breite variiert. Untersucht werden sowohl linear als auch nichtlinear die Verschiebung, der Auslenkwinkel, die Dehnung und die Kraft. Für die analytische Beschreibung mit MATLAB wird die Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen mit und ohne Berücksichtigung des Querkraftschubes verwendet. Für die simulative Beschreibung werden FEM-Modelle mit ANSYS Workbench erstellt. Die FEM-Berechnungen werden mit unterschiedlichen Elementtypen durchgeführt, um deren Einfluss auf die Ergebnisgrößen zu bestimmen. Darunter sind BEAM-, PLANE-, SHELL- und SOLID-Elemente. Zwischen den Elementtypen zeigen sich signifikante Unterschiede aufgrund der Modellannahmen. Basierend auf einem Ergebnisvergleich werden Faktoren, die zu Abweichungen zwischen den Modellen führen, identifiziert und Empfehlungen für die Berechnung in Abhängigkeit der Geometrie abgeleitet. Zusammenfassend wird gezeigt, dass im Vergleich zum geometrisch nichtlinearen 3D-FEM-Modell der verwendete nichtlineare analytische Ansatz in Abhängigkeit der Balkengeometrie exakte Ergebnisse ermöglicht. Dabei ist bei zunehmender Balkenhöhe allerdings der Querkraftschub zu berücksichtigen. Aufgrund von nicht mehr zu vernachlässigender Querkontraktion sind bei zunehmender Balkenbreite weiterhin zusätzliche Effekte der Plattentheorie mit einzubeziehen. Diese Aussagen haben auch bei der FEM-Simulation Gültigkeit, weshalb oftmals eine Reduzierung auf ein 2D-Modell mit Plane-Elementen zu empfehlen ist.