Ausgewählte Monographien und Dissertationsschriften

Görner, Martin;
Locomotion and pose estimation in compliant, torque-controlled hexapedal robots. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (viii, 147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Für die planetare Exploration sowie den Einsatz in Katastrophengebieten sind autonome Laufroboter zunehmend von Interesse. In diesen Szenarien sollen sie den Menschen an gefährlichen oder schwer zugänglichen Orten ersetzen und dort Erkundungseinsätze sowie Probenahmen in schwierigem Gelände durchführen. Unter der Vielzahl an möglichen Systemen bieten im Besonderen kleinere Sechsbeiner einen sehr guten Kompromiss zwischen Stabilität, hoher Beweglichkeit, Vielseitigkeit und einer vertretbaren Komplexität der Regelung. Ein weiterer Vorteil ist ihre Redundanz, die es ihnen erlaubt, den Ausfall einzelner Beine mit geringem Aufwand zu kompensieren. Dementgegen ist die beschränkte Rechenkapazität ein Nachteil der reduzierten Größe. Um diesen auszugleichen und das autonome Agieren in einer unbekannten Umgebung zu ermöglichen, werden daher einfache und effiziente Algorithmen benötigt, die im Zusammenspiel jedoch ein komplexes Verhalten erzeugen. Auf dem Weg zum autonom explorierenden Laufroboter entwickelt diese Arbeit einen robusten, adaptiven und fehlertoleranten Laufalgorithmus sowie eine 6D Eigenbewegungsschätzung für nachgiebige, drehmomentgeregelte Sechsbeiner. Besonders herauszustellen ist, dass alle in der Arbeit vorgestellten Algorithmen ausschließlich die propriozeptive Sensorik der Beine verwenden. Durch diesen Ansatz kann der Laufprozess von anderen Prozessen, wie der Navigation, getrennt und somit der Datenaustausch effizient gestaltet werden. Für die Fortbewegung in unebenem Gelände kombiniert der vorgestellte Laufalgorithmus eine flexible, biologisch inspirierte Gangkoordination mit verschiedenen Einzelbeinreflexen und einer nachgiebigen Gelenkregelung. Hierbei übernimmt die Gangkoordination die zeitliche Steuerung der Schrittfolge, während die Einzelbeinreflexe für eine räumliche Variation der Fußtrajektorien zuständig sind. Die nachgiebige Gelenkregelung reduziert interne Kräfte und erlaubt eine Anpassung der Gelenksteifigkeiten an die lokalen Umgebungsbedingungen sowie den aktuellen Zustand des Roboters. Eine wichtige Eigenschaft des Laufalgorithmus ist seine Fähigkeit, den Ausfall einzelner Beine zu kompensieren. In diesem Fall erfolgt eine Adaption der Gangkoordination über die Erneuerung der Nachbarschaftsbeziehungen der Beine. Zusätzlich verbessern eine Veränderung der Pose und eine Erhöhung der Gelenksteifigkeiten die Stabilität des durch den Beinverlust beeinträchtigten Roboters. Gleich dem Laufalgorithmus verwendet die 6D Eigenbewegungsschätzung nur die Messungen der propriozeptiven Sensoren der Beine. Hierbei arbeitet der Algorithmus in einem dreistufigen Verfahren. Zuerst berechnet er mit Hilfe der Beinkinematik und einer Optimierung die Pose des Roboters. Nachfolgend bestimmt er aus den Gelenkmomentmessungen den Gravitationsvektor und berechnet daraus die Neigungswinkel des Systems. Eine Fusion dieser Werte mit den Nick- und Rollwinkeln der ersten Stufe stabilisiert daraufhin die gesamte Odometrie und reduziert deren Drift. Alle in dieser Arbeit entwickelten Algorithmen wurden mit Hilfe von Simulationen sowie Experimenten mit dem drehmomentgeregelten DLR Krabbler erfolgreich validiert.

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000255

Lutz, Frederick Gordon;
Einflüsse individueller Muskelkräfte auf dehnungsinduzierten femoralen Knochenumbau. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2016. - 1 Online-Ressource (IX, 119 Seiten). - (Berichte aus der Biomechatronik ; Band 13)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Die folgende Arbeit untersucht mittels Simulationen postulierte Einflussgrößen auf dehnungsinduzierte Knochenumbauprozesse an den unteren Extremitäten. Dabei liegt der Schwerpunkt in der Betrachtung von Optimierungsalgorithmen zur inversen Berechnung von Muskel- und Gelenkkräfte. Die Motivation hierfür ist, dass bisher publizierte Berechnungsergebnisse von femoralen Beanspruchungen auf Basis invers-dynamisch bestimmter Muskelkräfte zum Teil ungewöhnlich hohe Biegespannungen im diaphysären Femur aufweisen. Als Grund hierfür wird mit Bezug auf die Hypothesen des Wolffschen Transformationsgesetzes, der Entwicklungsmechanik der Organismen von Roux und der Mechanostat-Theorie von Frost eine nicht adäquate Berücksichtigung mechanobiologischer Zusammenhänge zwischen Knochen- und Muskelmasse postuliert. Unter Nutzung neuer Erkenntnisse aus klinischen Studien erfolgt die Prüfung folgender Hypothese: "Muskelkräfte an den unteren Extremitäten wirken derart, dass Biegebeanspruchungen im diaphysären Bereich der Femora minimiert werden und vorrangig Druckkräfte entstehen". Die mathematische Abbildung der Hypothese erfolgt durch eine Erweiterung etablierter Optimierungsalgorithmen. Das Modell von Knochen und Muskeln der unteren Extremitäten sowie die Finite-Elemente-Modelle (FEM) basieren auf Magnetresonanztomographische Daten eines gesunden männlichen Probanden. In einem Ganglabor erhobene Positionsdaten und Bodenreaktionskräfte liefern Randbedingungen. Für drei charakteristische Zeitpunkte eines Gangzyklus wird gezeigt, dass die berechneten Muskelkräfte die postulierte Hypothese stützen und positive Assoziationen mit elektromyographischen Messdaten bestehen. Die resultierenden Hüftgelenkkräfte betragen das 1,2- bis 3,2-fache des Körpergewichts und sind damit quantitativ vergleichbar mit publizierten Messwerten instrumentierter Hüftprothesen. Die finale Untersuchung möglicher ossärer Transformationen am Berechnungsmodell des gesunden Femur und am Modell mit Hüftimplantat erfolgt mit Referenz zur dritten Hauptdehnung. Ergebnisse der FE-Berechnungen zeigen im Gegensatz zu den bisherigen Optimierungsstrategien, dass zu Beginn der mittleren Standphase und am Ende der terminalen Standphase überwiegend weder Knochenauf- noch -abbau stattfindet. Die Simulation des FE-Modells Femur mit Hüftprothese erlaubt Rückschlüsse auf das bekannte Phänomen des "Stress Shielding".

https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00030033

Fischer, Martin;
Psychophysiologische Optimierung der akustischen Emmissionen von Lebensmittel verarbeitenden Geräten, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: IX, 161 S., 5,32 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2015

Gegenstand der vorgelegten Dissertationsschrift ist die psychophysiologische Optimierung der akustischen Emissionen von Lebensmittel verarbeitenden Geräten. Hierzu wurden kleine, elektromotorisch angetriebene Geräte hinsichtlich der Geräuschentstehung, -übertragung und -abstrahlung untersucht. Darauf aufbauend wurden experimentell Geräuschmodifikationen realisiert und geprüft. In Folge der Geräuschmodifikationen konnten Pegelmodifikationen umgesetzt und neue Geräuschvarianten generiert werden. Neben den Pegelmodifikationen wurden auch die psychoakustischen Parameter beeinflusst. Durch gezielte Geräuschmodifikationen ließen sich "schärfere" und "leisere" Geräuschvarianten generieren. Das Ausgangsgeräusch und zwei modifizierte Geräusche wurden für Folgeuntersuchungen ausgewählt. Eine Geräuschmatrix wurde erstellt. Während einer Beschallung von Versuchspersonen mit der Geräuschmatrix wurde die psychophysiologische Beanspruchung anhand von Spontan-EEG- und EKG-Messungen untersetzt. Im Anschluss erfolgte eine objektive Analyse der aufgezeichneten Daten. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand der Einfluss auf das Aktivationsniveau und auf die Vigilanz. Mittels Spontan-EEG-Untersuchungen wurden dominante Leistungsdichten am parietalen Cortex ermittelt. Mit zunehmender Versuchsdauer näherte sich die Leistungsdichteverteilung einem konstanten Niveau an. In Folge der Beschallung waren die Leistungsdichteverteilungen unterschiedlich ausgeprägt. Mit einer zunehmend "leiseren" Geräuschvariante wurde eine signifikante Annäherung der Leistungsdichteverteilung an einen entspannten Wachzustand ermittelt. Die Analyse der Leistungsdichteverteilung wurde damit als eine objektive Methode zur Überprüfung von Maßnahmen zur Geräuschoptimierung belegt. Anhand der EKG-Messungen wurde ein signifikanter Anstieg der Herzfrequenz während der Geräuschmatrix festgestellt. Eine psychophysiologische Beanspruchung in Folge der Geräuschbeanspruchung wurde nachgewiesen. Signifikante Unterschiede hinsichtlich der Geräuschqualität ließen sich nicht ableiten.Im Anschluss an die Beschallung erfolgte eine Befragung der Versuchspersonen, um die subjektive Wahrnehmung zu ermitteln. Die Ergebnisse der Befragung korrelierten mit den Ergebnissen der objektiv analysierten Spontan-EEG-Untersuchungen. Damit konnten Handlungsempfehlungen für die Optimierung der untersuchten Geräte abgeleitet werden.

http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26051

Jiménez López, Omar Eduardo;
Development of biomechatronic devices for measurement of wrenches occurring in animal and human prehension. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: 118 S., 9,47 MB). - (Berichte aus der Biomechatronik ; 9) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
Unterschiede zwischen dem gedruckten Dokument und der elektronischen Ressource können nicht ausgeschlossen werden

Biomechatronik und speziell Biosensoren unterstützen auf der Grundlage biologischer Inspiration das Entstehen neuer Anwendungen in der ganzen Spanne vom Fahrzeugbau bis zur Bio­Robotik. Dabei werden Mechatronik, technologisches Wissen, Bionik und Biologie miteinander kombiniert. “There is a market trend towards the use of intelligent sensors. In the past the main reasons for this have been increased measurement accuracy, programmability, decreased inventory cost from the larger turndown available, and a decreased maintenance cost for self­ diagnostics.” (Expertise,1997).

http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2011000555

Heppe, John;
Konstruktion sensorisierter Textilien für die biomedizinische Technik, 2013. - XVII, 18-187 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2013
Enth. außerdem: Thesen

Im Rahmen dieser Arbeit werden die bestehenden Definitionen und Funktionen von intelligenten Textilien anhand von Beispielen und Entwicklungen erläutert. Schwerpunkt liegt dabei in der Teilkomponente der textilen Sensorik. Darauf aufbauend wird auf Basis der bestehenden Fadenkonfiguration, elektrisch leitfähige Fäden in ein Gewebe einzubinden, der vollständige Entwicklungsprozess eines neuen Medizinprodukts dargelegt. Es handelt sich um ein sensorisiertes Textil zur Erkennung einer venösen Nadeldiskonnektion. Gemeinsam mit den dazugehörigen Schnittstellenkomponenten Datenverarbeitung, Kommunikation und Energieversorgung wird das sensorisierte Textil unter dem Oberbegriff der intelligenten Textilien geführt.Das Funktionsprinzip beruht dabei auf Integration zweier getrennter Leiterbahnen im Textil. Benetzung des Textils, hervorgerufen durch Blutverlust an der Punktionsstelle des Patienten erzeugt einen Kurzschluss der beiden Leiterbahnen, dies führt zu einem messbaren Abfall des Widerstandswertes.Die dafür notwendigen Bestandteile der Entwicklung unterteilen sich in verschiedene Abschnitte. Neben der Motivation zur Entwicklung des Textils wird eine Übersicht der bereits für diese Anwendung verfügbaren Produkte aufgelistet.Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit den Merkmalen, welche bei der allgemeinen Konstruktion sensorisierter Textilien zu beachten sind. Herleitung des eigentlichen Produkts, welcher einer Untersuchung vieler Parameter bedarf, dient dabei als Leitfaden. Unter anderem muss hierfür die Auswahl der Rohstoffe, die Konstruktion des Textils und die Auslegung der Schnittstellen betrachtet werden. Die Festlegung von produktspezifischen Parametern erfolgt dabei aufgrund der Eingangs definierten Anforderungen an die Aufgabenstellung. Weiterhin ist die Betrachtung von möglichen A Querempfindlichkeiten und Defektmöglichkeiten mit deren Auswirkungen auf die Funktion des intelligenten Textils erforderlich. Die Bewertung der eruierten Lösungswege erfolgt durch Validierung des Textils an objektiven Prüfmethoden. Dies beinhaltet die Betrachtung definierter Inprozess- und Endkontrollen sowie die Beurteilung des Alterungsverhaltens. Dadurch wird eine Aussage über die Produktstabilität ermöglicht.Neben einer allgemeinen Systembeschreibung für intelligente Textilien schließt die Arbeit mit einer Aufzählung artverwandter Anwendungsgebiete, die für mögliche Weiterentwicklungen des Textils geeignet sein könnten, ab. Dafür wird eine Anleitung erarbeitet, mit deren Hilfe die Konstruktion zukünftiger Entwicklungen auf dem Gebiet der intelligenten Textilien vereinfacht wird. Die Eingrenzung liegt dabei in der Ausnutzung der elektrischen Eigenschaften des Textils.