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Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Zimmermann

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Erstellt: Sun, 18 Aug 2019 07:42:34 +0200 in 0.0523 sec


Fuchsberger, Sven;
Entwurf und numerische Analyse von diversen Regelungskonzepten für mechanische Bewegungssysteme - 227 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Um ihre Umgebung wahrzunehmen, besitzen Arachniden mehrere Sinnesorgane, z.b. Spaltsensillen oder Trichobothrien. Damit können sie u.a. Objekte detektieren und äußere Umwelteinflüsse registrieren. Mit Hilfe dieser Sinnesorgane werden die externen Reize über ein Reizweiterleitungssystem zur Informationsauswertung an das Nervensystem weitergeleitet. Die auftretenden äußeren Reize erfordern allerdings ein unterschiedliches Maß an Reaktion. Da die externen Reize ununterbrochen auftreten (Wind, Regen), erfolgt die Reaktion adaptiv, d.h. sie passt sich ständig den Umgebungsbedingungen an. Die vorliegende Masterarbeit untersucht verschiedene adaptive Regelungsstrategien, welche an einem biologisch inspirierten Sensorsystem vorgestellt werden. Das Ziel ist, einen quantitativen Vergleich der adaptiven Regelungsstrategien mit Hilfe einer in dieser Arbeit entwickelten Bewertungsfunktion zu ermöglichen. Dazu werden unterschiedliche Regelungsvarianten aus vorangegangenen Arbeiten am Fachgebiet Technische Mechanik zusammengetragen und erläutert. Als technisches Modell dient ein Feder-Masse-Dämpfer-Schwinger mit indirekter Erregung über das Gehäuse und direkter Steuerkrafteinprägung an der Masse. Alle numerischen Simulationen werden mit der Software MATLAB durchgeführt. Um einen quantitativen Vergleich der Regelungsstrategien zu ermöglichen, werden in Abhängigkeit von der äußeren Erregung zwei Bewertungsfunktionen erarbeitet. Unter Anwendung dieser Bewertungsfunktionen werden die Regelungsstrategien unter dem Einfluss von insgesamt vier unterschiedlichen Erregungen numerisch ausgewertet. Hinzu kommen drei neue Regelungsansätze: ein Adaptionsgesetz mit Steuerkraft $u(t)$, eine modifizierte Offset-Regelung, sowie eine Rückführungsstruktur mit zuschaltendem Integral-Glied. Zwei dieser drei Varianten werden ebenfalls mit den Bewertungsfunktionen ausgewertet und die Ergebnisse mit den bisherigen Strategien verglichen. Es werden drei weitere Regelungsvarianten untersucht, die auf eine Ableitung des Systemausgangs verzichten: P-Rückführung, Regler der Ordnung 2 und Regelung mittels Differenzenquotienten. Die insgesamt "besten" Adaptionsgesetze und Rückführungen nach den Bewertungsfunktionen werden auf ein Modell eines Spurhalteassistenten angewandt und ein weiteres Mal ausgewertet. Die Simulationen zeigen, wie erfolgreich und effektiv die vorgestellten Regler die Systeme beherrschen und regeln. Die Auswahl dieser Reglerstrategien mit der Bewertungsfunktion führt zu einem sehr guten Ergebnis.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/867030062fuchs.txt
Sieme, Sebastian;
Anwendung und Austestung der dehnungsbasierten Lebensdauertools nCode und Fe-Safe auf die Lebensdauerberechnung von Nutzfahrzeugbremsträgern - 66 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Gegenstand dieser Abschlussarbeit ist die Berechnung des Versagenszeitpunkts von gusseisernen LKW Scheibenbremsenbauteilen im Bereich der Zeitfestigkeit. Die verwendete Methode basiert auf einer FEM-Berechnung, welche entweder linear elastisches oder elastisch-plastisches Werkstoffverhalten verwendet. Die Zielgröße für alle Berechnungen sind Daten von Prüfstandsversuchen. Analytische Grundlagen werden erklärt und eine neue Berechnungsrichtlinie erstellt. Die Programme nCode und Fe-Safe werden herangezogen und gegen den aktuellen, firmeninternen Standard SWL99 getestet. Unterschiede zwischen den Prüfstandsergebnissen und errechneten Lebensdauern werden analysiert. Als Bewertungsmaßstab gilt die Treffsicherheit auf die Prüfstandsdaten. Am Ende der Arbeit wird eine Empfehlung für ein Berechnungsverfahren ausgesprochen.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/866983694sieme.txt
James, Emmanuel;
Entwicklung eines Versuchsaufbaus zur Messung von Vorschub-Drehmoment-Charakteristiken bei Einschraubvorgängen - 71 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung eines Versuchsaufbaus zur Messung von Vorschub-Drehmoment-Charakteristiken bei Einschraubvorgängen in sandige Böden. Dieser muss ein vertikales Eingraben einer schraubenförmigen Geometrie erlauben. Methodisch orientiert sich der konstruktive Entwicklungsprozess an den VDI-Richtlinien 2221 und 2222. Zu Beginn werden, neben dem Stand der Technik, kurz ein Prototyp der TU Ilmenau und verschiedene Roboter, die sich in Böden hinein bewegen können, diskutiert. Für die prinzipielle Lösung der Problemstellung werden zwei Varianten erarbeitet und bewertet. Das gewählte Prinzip nutzt eine statische Struktur mit Sensoren und Antrieb außerhalb der Vortriebseinheit. Die Eignung dieses Prinzips wird experimentell bestätigt. Für die technische Realisierung werden erneut mehrere Varianten präsentiert, von denen eine anhand von festgelegten Bewertungskriterien ausgewählt wird. Der so entworfene Prüfstand wird aufgebaut und Messungen durchgeführt. Verschiedene Probeschrauben werden mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt und der Zusammenhang zwischen Eindringtiefe und Drehmoment für verschiedene gewählte Parameter der Schrauben ermittelt. Eine rechnerische Fehlerbetrachtung wird durchgeführt.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/866200150james.txt
Gilsdorf, Jonas;
Entwicklung von Lokomotionssystemen mit peristaltischem Fortbewegungsprinzip auf Basis von Tensegrity-Strukturen - 122 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

In dieser Arbeit werden Tensegrity-Strukturen mit wurmartiger Lokomotionsform zur Anwendung in der mobilen Robotik untersucht. Betrachtet werden dazu TensegrityStrukturen mit einem kaskadiertem Aufbau, bestehend aus mehreren Einzelstrukturen mit identischer Topologie. Auf Basis eines vorhandenen Konzeptes für eine TensegrityStruktur werden zunächst verschiedene Topologien für die Einzelstrukturen durch Anwendung eines statischen Formfindungsalgorithmus ermittelt. Anschließend erfolgt die theoretische Untersuchung der Formänderung der Einzelstrukturen während ihrer Aktuierung. Mehrere Prototypen werden konstruiert, aufgebaut und experimentell erprobt. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet im Anschluss die Entwicklung der wurmartigen Lokomotionssysteme auf Basis der betrachteten Strukturen und Prototypen. Im abschließenden Teil der Arbeit werden die wesentlichen Erkenntnisse zusammengefasst und ein Ausblick über mögliche künftige Entwicklungsrichtungen gegeben.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/866085653gilsd.txt
Becker, Richard;
Skalierbarer Entwurf von biologisch inspirierten taktilen Sensorstrukturen - Modellbildung, Simulation und Design von Prototypen - 87 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016

Mit der wachsenden Komplexität der Aufgaben für die Robotik steigt auch deren Bedarf an Sensorik zur Orientierung und Interaktion mit der Umwelt. Als Inspirationsquelle für die Entwicklung neuartiger Sensorik kann z.B. die Natur dienen. Über Millionen von Jahre entwickelten Lebewesen bereits sehr spezifische Sinnessysteme zur Untersuchung von Objekten und Vermeidung von Kollisionen mit diesen. Als biologisches Vorbild eines taktilen Sensors zur nicht-visuellen Charakterisierung von Substratkontakten dient für diese Arbeit das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren - den so genannten Vibrissen. Eine Besonderheit der Vibrissen ist die Fassung des Vibrissenhaares im Follikel-Sinus-Komplex. Durch diesen Follikel kann das Tier zum Einen Auslenkungen des Tasthaares detektieren und zum Anderen Eigenschaften der Vibrisse an die Umgebung anpassen. In dieser Arbeit werden mathematisch-mechanische Modelle nach dem Vorbild der Vibrisse entwickelt und deren Systemverhalten simuliert. Bei dem Modell, mit einem in Ferrofluid eingetauchten Körper am unteren Ende eines drehbar gelagerten Tastelementes, wird zusätzlich die Skalierbarkeit untersucht. Aufbauend auf den Simulationsergebnissen erfolgen experimentelle Untersuchungen mit Prototypen in zwei Skalierungsgrößen. Zum Einen kann ein neues Sensorkonzept experimentell bestätigt werden, bei dem durch die Auslenkung eines Tastelementes, die Änderung eines äußeren, angelegten Magnetfeldes detektiert wird. Die Skalierung des Systems zeigt einen direkten Einfluss auf die Messempfindlichkeit des Sensorkonzeptes. Zum Anderen wird eine dem "Whisking" von Tieren nachempfundene, aktive Bewegung des Tastelementes erzeugt. Der Zusammenhang zwischen Amplitude und Whisking-Frequenz konnte experimentell ermittelt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass für taktile Sensorsysteme nach dem bestehenden Modell im Miniatur- bis Mikrobereich ein alternatives Sensorkonzept sowie eine alternative Lagerung von Tastelementen zu entwickeln ist. Als Grundlage für die weiteren Entwicklungen dient ein Versuchsmuster mit einem Sensorfeld aus neun Tastelementen. Durch Abtastung und Rekonstruktion einer Oberfläche mit dem Versuchsmuster kann dessen Funktionalität gezeigt werden.



http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/865913234becke.txt
Becker, Felix; Faenger, Bernd; Mixanek, Florian; Wik, Alexander; Brandl, Michael; Köhring, Sebastian; Lutherdt, Stefan; Scholle, Hans-Christoph; Witte, Hartmut; Zimmermann, Klaus;
Messung und Beurteilung der Schwingungsbelastung durch Ganz-Körper-Schwingungen - eine Anleitung zur Nutzung von VDI 2057-1 und ISO 2631-5 mit Gegenüberstellung der Ergebnisse am Beispiel. - In: Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren und Erkrankungen - [Quedlinburg] : Verlag Bussert & Stadeler, (2016), S. 345-352

Täglich ist der Mensch Schwingungen ausgesetzt. Die Normen ISO 2631-5 und VDI 2057-1 haben den Anspruch, standardisierte Mess- und Auswertungsmethoden bereitzustellen, um das Gefährdungspotential solcher mechanischen Einwirkungen einschätzen zu können. Jedoch ist ihre Anwendung nicht trivial. Besonders die Signalaufnahme, -umrechnung und -auswertung erfordern Expertenwissen. In diesem Artikel werden, die in den Normen beschriebenen Vorgehensweisen zur Gefährdungseinschätzung von Ganz-Körper-Schwingungen erläutert, exemplarisch durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Als Beispiel dient ein Proband in einem elektrischen Rollstuhl. Messaufbau, Umrechnungen des Messsignals und die Bewertung der Gefährdung werden dargestellt. Es wird gezeigt, welche Einflüsse die verschiedenen zeitlichen Einwirkungsparameter auf die Berechnungsergebnisse haben. Es kann zusammengefasst werden, dass durch Anwendung der Normen nur unzureichende Prognosen für die Prävention von arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren getroffen werden können, da die individuellen Eigenschaften der Probanden nicht berücksichtigt werden. Die Normen haben unterschiedliche Anwendungsbereiche und führen zu verschiedenen Gefährdungsbeurteilungen für ein und dieselbe Schwingungsbelastung.



Becker, Tatiana; Zeidis, Igor; Naletova, Vera A.; Zimmermann, Klaus;
The dynamical behavior of a spherical pendulum in a ferrofluid volume influenced by a magnetic force. - In: Archive of applied mechanics : (Ingenieur-Archiv). - Berlin : Springer, ISSN 1432-0681, Bd. 86 (2016), 9, S. 1591-1603

The paper deals with a spherical pendulum inside a spherical ferrofluid volume in the presence of an uniform magnetic field. The problem is motivated by biological tactile sensors of mammals. These thin long hairs, called vibrissae, grow from a special follicle incorporating a capsule of blood and are used by mammals for exploration of the surrounding area. We propose a continuum model of the viscoelastic support of a vibrissa inside the follicle as a spherical volume filled with ferrofluid. It is a stable colloidal suspension of nanoscale ferromagnetic particles in a viscous carrier liquid. The tactile hair is modeled as a rigid rod with a spherical body at the end, which is submerged inside the ferrofluid. Using analytic expressions for the magnetic force acting on a paramagnetic body in the presence of an uniform magnetic field, Euler's equations of motion of the spherical pendulum are derived. The conditions for the maximum possible magnitude of the magnetic force acting on the body are analyzed. It is shown that the dynamical behavior of the pendulum may be controlled by means of an uniform applied magnetic field. The results are important for the development of artificial tactile sensors.



Becker, Felix; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus; Cuéllar, Francisco; Pozo Fortuni´c, Juan Edmundo; Lysenko, Victor; Minchenya, Vladimir T.;
Vibrochody v robototechnike roja - novye podchody v modelirovanii i razvitii agenta :
Bristlebots in swarm robotics - new approaches in modeling and agent development. - In: - Kursk, ISBN 978-5-7681-1116-8, (2016), S. 75-84

Bristlebots are vibration-driven mobile robots. They are characterized by small size, high speed, simple design and low costs of production and application, which are advantageous qualities for agents of swarm robotic systems. In this paper, new approaches in modeling and development of swarm agents are given. It is shown that a simple mass point model can be used to simulate the motion behavior of a bristlebot as complex as necessary for swarm studies. A robot prototype is presented, which has on-board everything needed as a robotic agent. The results of simulations and experiments are presented and compared.



Becker, Felix; Börner, Simon; Lichtenheldt, Roy; Zimmermann, Klaus;
Enabling autonomous locomotion into sand - a mobile and modular drilling robot. - In: Robotics in the era of digitalisation - Berlin : VDE Verlag, ISBN 978-3-8007-4231-8, (2016), S. 307-312

Established robots for locomotion into sandy soil are dominated by hammering systems. In this paper, we study an alternative design using a screw-driven mechanism. A testbed to find an efficient design is developed. Dependencies between velocity, drilling torque and depth are measured for different screw prototypes. The results show that the design of the screw is critical for the creation of fast and efficient mobile robots. Based on the experimental results, a prototype of an autonomous drilling robot is designed. With a torque of 0.66 Nm it is able to reach a depth of 20 cm within 2 min.



Wolfenstetter, Michael;
Entwurf und Konstruktion einer Komponente für ein neuartiges haptisches Eingabegerät - 86, 47 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016

Die Bachelorarbeit beschreibt die Optimierung (Entwurf und Konstruktion) eines neuartigen haptischen Eingabegerätes zur mechanischen Bewegungserfassung der Hand und des Armes, für Aufgaben der teleassistierten Chirurgie. Grundlage bildet das Ergebnis der Master-Arbeit "Entwurf einer integrierten Orientierungseinheit eines haptischen Gerätes" von N. Ziegenspeck. Ausgehend von einer umfassenden Analyse des bestehenden Systems und einer eingehenden Literaturrecherche werden unterschiedliche Lösungskonzepte erarbeitet und anschließend bewertet. Die konstruktive Realisierung in einem CAD-Entwurf erfolgt für das, auf der Grundlage der Bewertung ausgewählte Konzept. Dabei beschränkt sich die Arbeit auf zwei der drei Drehachsen der Orientierungseinheit. Mit der dritten Achse befasst sich E. Meta in der Bachelorarbeit "Entwurf und Konstruktion einer Komponente für ein haptisches Eingabegerät". Ein kreisrunder Lagerflansch mit einer Hohlwelle repräsentiert die Schnittstelle zwischen beiden Arbeiten.