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Ein Beitrag zur Gestaltung mechanischer Schnittstellen von Mensch-Maschine-Systemen. - Ilmenau. - 81 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Ziel der Arbeit war es, eine Erweiterung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle von Exoskeletten zur Nachverfolgung eines konstanten Anpressdrucks zu realisieren. Im Stand der Technik wurde neben der Problematik der Interaktionskraftmessung das Schnittstellendesign an bestehenden Exoskeletten betrachtet. Neben wenigen maßangefertigten Schnittstellen kommen hauptsächlich Universalsysteme zum Einsatz, bei denen kein Augenmerk auf die Interaktionskräfte und den Komfort gelegt wurden. Aus diesem Grund wurde eine Anforderungsliste erstellt, welche den Ansatz einer universellen Anwendung unter Beachtung der Interaktionskraft und des Komforts genüge tut. Drei Konzepte wurden erarbeitet, bei denen sich ein automatisches Auf- und Abrollsystem als Favorit herausstellte. Über diesen Konzeptentwurf wurde eine Konstruktion erstellt. Die Einzelkomponenten wurden mit herkömmlichen Fertigungsmethoden wie Drehen und Fräsen sowie dem 3D-Druck-Verfahren hergestellt und zusammen mit einem kommerziellen Getriebemotor zu einem fertigen Modul integriert. Eine Anpresskraftmessung wurde durch einen FSR realisiert. Durch die gewonnenen Messwerte wurde der Getriebemotor mikrokontrollergestützt angesteuert. Das automatisch regelnde Modul konnte erfolgreich in eine bestehende Schnittstelle integriert werden. Anhand von Messdatenaufzeichnungen während verschiedenen Bewegungsabläufen konnte die Funktion zufriedenstellend getestet werden.



Ringkamp, Alexandra;
Aufbau und Validierung eines digitalen Menschmodells in Verbindung mit einem Exoskelett unter alaska/Dynamicus. - Ilmenau. - 83 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der Industrie führen muskuloskelettale Erkrankungen durch das Heben und Tragen schwerer Gegenstände sowie durch repetitive Tätigkeiten häufig zu Fehltagen. Eine Möglichkeit, Fehl- und Überbelastungen vorzubeugen, ist der Einsatz von Exoskeletten. Da es sich hierbei um ein eher junges Forschungsgebiet handelt, gibt es bisher keine standardisierten Methoden zur Evaluierung dieser Systeme. Zum Teil werden Probandenstudien mit gefertigten Prototypen durchgeführt. Eine andere Möglichkeit ist die vollständig virtuelle Analyse mit Hilfe eines digitalen Menschmodells. Ziel dieser Arbeit war es, ein virtuelles Modell aufzubauen, das aus dem Menschmodell alaska/Dynamicus und einer Tragstruktur besteht, die die Bewegungen des Ellenbogengelenkes unterstützt. Im Fokus der Modellbildung stand der Ankopplungsmechanismus, der hier durch drei viskoelastische Lagerungen in Form von Feder-Dämpfer-Elementen, sogenannte Bushing-Elemente, realisiert wurde. Durch die Wahl geeigneter richtungsabhängiger Steifigkeiten und Dämpfungen an den Kontaktstellen war ein realitätsnahes Verhalten abzubilden. Für die Wahl einer optimalen Kombination dieser wurde empirisch vorgegangen (Simulation Opt). Während einer Flexion um 90˚ und einer anschließenden Extension des Armes wurde die Parameterwahl anhand der Relativbewegungen, die zwischen Tragstruktur und Arm entstehen, bewertet. Ein Vergleich mit Werten aus der Literatur (Simulation S und Simulation L) gibt Aufschluss darüber, wie gut Simulation Opt die Realität abbildet. Die Steifigkeiten in Simulation Opt sind etwa 32-mal so groß wie in Simulation S und etwa sechsmal so groß wie die in Simulation L. Der Dämpfungsgrad in Simulation L ist 150-mal so groß wie der in Simulation Opt und Simulation S. Der Vergleich der drei Simulationen zeigt, dass die Relativbewegungen insgesamt klein sind und einen ähnlichen Kurvenverlauf aufzeigen. Während der Armbewegung ist eine Verschiebung der Tragstruktur in negative 3-Richtung entlang des Armes zu erkennen (Simulation Opt: 0,08 mm; Simulation L: 0,50 mm; Simulation S: 2,70 mm). Die Kräfte, die an den Bushing-Elementen zwischen der Tragstruktur und dem Arm wirken, sind bei allen drei Simulationen ähnlich groß und betragen maximal 3,30 N. Insgesamt wird deutlich, dass der Einfluss der getesteten Steifigkeiten und Dämpfungen auf die Relativbewegungen gering und auf die Kontaktkräfte vernachlässigbar ist.



Frentzel genannt Bär, Peter;
Entwurf eines Sensorkonzepts zur Regelung eines aktiven Oberarm-Exoskelett-Systems basierend auf kinetischen Daten. - Ilmenau. - 64 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Beim Einsatz eines Exoskeletts findet eine Übertragung von Kräften an der Schnittstelle zwischen Exoskelett und Nutzer statt. Informationen über den so entstehenden Druck, welcher über die menschliche Haut auf das Gewebe wirkt, können zur Vermeidung von Schäden und zur Verbesserung der Ergonomie eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Masterarbeit die aktuellen Möglichkeiten der wissenschaftlichen Technik untersucht, diesen Druck anwendungsgerecht zu messen. Anschließend wird mit einem ausgewählten Sensor der Firma Interlink Electronics® ein Prototyp in Form einer Manschette entwickelt, welche an den Unterarm angelegt wird. Die Konstruktion wird im Detail erläutert und Hinweise für zukünftige Entwicklungen gegeben. Zunächst wird der Sensor selbst mittels eines Messaufbaus im Hinblick auf Kennlinie und zeitlichen Drift seines Messsignals unter konstanter Last untersucht. Schließlich werden mit dem Prototypen Messungen zur Auswirkung externer Lasten sowie Änderungen des Muskeltonus und der Einfluss seines Eigengewichts an der Schnittstelle zum Nutzer untersucht.



Odenkirchen, Till;
Robotic manipulator inspired by human fingers based on tendon-driven soft grasping. - Ilmenau. - 120 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die menschliche Hand ist in der Lage, verschiedene Greif- und Manipulationsaufgaben auszuführen und kann als einer der geschicktesten und vielseitigsten Effektoren angesehen werden. In dieser Arbeit wurde ein Soft Robotic Greifer entwickelt, der auf den Erkenntnissen aus der Literatur zur Taxonomie der menschlichen Greifähigkeiten und den biomechanischen Synergien der menschlichen Hand basiert. Im Bereich der Roboterhände sind sehnengetriebene, unteraktuierte Strukturen weit verbreitet. Inspiriert von der Morphologie der menschlichen Hand, bieten sie durch ihre Flexibilität passive Adaptivität und Robustheit. Es wurde ein Sensorsystem, bestehend aus Force Sensing Resistors (FSRs), Biegungssensoren und einem Stromsensor, implementiert, wo durch das System charakterisiert werden kann. Die Kraftsensoren wurden in die Fingerkuppen integriert. In Anlehnung an die menschliche Haut wurden Abgüsse aus Silikonkautschuk an den Fingerballen verwendet. Diese versprechen eine erhöhte Reibung und bessere Adaptivität zum gegriffenen Objekt. Um den entwickelten Greifer zu evaluieren, wurden erste Tests durchgeführt. Zunächst wurde die Funktionalität der Sensoren, wie z.B. der als FSRs ausgewählten Kraftsensoren, getestet. Im weiteren Verlauf wurden die Greiffähigkeiten des Greifers durch Manipulation verschiedener Objekte getestet. Basierend auf den Erkenntnissen aus den praktischen Versuchen kann festgestellt werden, dass der entwickelte Greifer ein hohes Maß an Geschicklichkeit aufweist. Auch die Adaptivität ist dank der verwendeten mechanischen Komponenten gewährleistet. Mittels der Sensorik ist es möglich den Greifprozess zu kontrollieren. Die Ergebnisse zeigten aber auch, dass z.B. die interne Systemreibung die Verlustleistung des Systems stark beeinflusst.



Uhrhan, Katja;
Entwurf eines Konzeptes zum Vitalparametermonitoring in Infrarot-Wärmekabinen. - Ilmenau. - 56 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Saunieren ist eine jahrtausendealte Tradition, die zahlreiche positive Effekte auf die Gesundheit hat. Die neuste Alternative zu klassischen Saunas sind Infrarot-Wärmekabinen, welche vor allem im privaten Bereich genutzt werden. Wie beim Fitnesstracking, welches einen gesundheitsbewussten Lebensstil fördern soll, ist ein Vitalparametermonitoring auch bei Infrarotkabinen denkbar. Zudem könnte auf Basis der Vitalwerte ein individuelles Saunaprogramm mit optimalem gesundheitlichem Nutzen für den Anwender erstellt werden. Da solche intelligenten Wärmekabinen noch nicht existieren, war das Ziel dieser Arbeit die Erstellung eines theoretischen Konzeptes für ein Vitalparametermonitoring in Infrarotkabinen. Hierfür wurden anhand einer Literaturrecherche die physiologischen Wirkungen des Saunierens untersucht und relevante Vitalparameter identifiziert. Im nächsten Schritt wurde nach geeigneten Messsystemen gesucht, um die Parameter zu überwachen. Zuletzt wurde ein Gesamtkonzept für die intelligente Infrarotkabine erstellt, welches das Zusammenwirken der Einzelkomponenten darstellt. Die wichtigsten Vitalparameter sind die Körperkerntemperatur, die Herzrate, der Blutdruck und die Schweißrate. Deren Messung kann über das tragbare Ohrthermometer Cosinuss ˚One, die Fitnessuhr immuneo T1 und das Schweißmessgerät KuduSmart erfolgen. Die Messdaten werden an ein Empfehlungssystem übermittelt, das individuelle Saunaempfehlungen und Sollwerte für die Heizkörperregelung ausgibt. Ausblickend kann das Gesamtkonzept als Grundlage für die Entwicklung einer intelligenten Infrarotkabine genutzt werden.



Klamandt, Samuel;
Entwicklung eines praxistauglichen Low-Power Sensorsystems zur nicht-invasiven Messung der Zuwachsrate von Baumstämmen. - Ilmenau. - 158 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Bäume stehen in permanenter Wechselwirkung zu ihrer Umgebung. So beeinflussen unter anderem Sonnenstunden, Niederschlag, Temperatur, Schnee, Schadstoffvorkommen, Nährstoffangebot die Zuwachsrate. Zur Analyse etwaiger Wechselwirkungen und ungeklärter Fragestellungen in diesem Zusammenhang muss zuverlässig der Umfang eines Baumes bzw. mehrerer Bäume vermessen und dokumentiert werden. Vor allem der Einsatz elektronischer Messsysteme (Dendrometer) hilft dabei verlässlich über einen längeren Zeitraum relevante Parameter zu ermitteln. Ziel der nachfolgenden Arbeit ist die Entwicklung und Bereitstellung eines Low-Power Sensorsystems zur Messung und Aufzeichnung des Umfangs unter Laborbedingungen. Die bereits existierenden Dendrometer am Fachgebiet werden analysiert und in Bezug auf die in dieser Arbeit gesetzten Zielstellungen und Anforderungen auf Schwachstellen untersucht. Dabei zeigt sich, dass vor allem der Energieverbrauch und die Ermöglichung einer LoRa-Kommunikation die größte Herausforderung für den Designprozess ist. Im Fokus der Entwicklung stehen, neben der Energieproblematik und der Vorbereitung einer drahtlosen Kommunikation mittels LoRa, geringe Fertigungskosten und der Schutz gegen die üblichen Witterungsbedingungen in Deutschland. Die Arbeit umfasst ein an die Forderungen angepasstes Hard- und Softwarekonzept und deren Umsetzung, sowie die Konstruktion eines Schutzgehäuses und spezieller Halterungen. Des Weiteren werden die Möglichkeiten und die Realisierung eines topologisch unbekannten Netzwerkes mittels LoRa aufgezeigt und erklärt. Abschließend werden Messungen bezüglich des zu erwartenden Energieverbrauches durchgeführt, ausgewertet und Möglichkeiten der Weiterentwicklung aufgezeigt.



Geißler, Tobias;
Etablierung eines Parameter-Setups für das Bioprinting von Alginat-Gelatine basierten Organoiden für das Tumor Tissue Engineering. - Ilmenau. - 80 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das übergeordnete Ziel dieser Abschlussarbeit war es, ein Parameter-Setup für das Bioprinting des Hydrogel-Komposits Gelatine-Alginat zu ermitteln, welches eine 3D-Kultivierung der invasiven Tumorzelllinie MDA-MB-231 ermöglicht. Ausgehend von einer grundlegenden Charakterisierung der Precursor des Hydrogel-Komposits mittels Rheologie wurde ein optimiertes Parametersetup für das extrusionsbasierte Bioprinting entwickelt und validiert. Dabei zeigte sich, dass das verwendete System aus Material und Druckplattform in der Lage ist, dreidimensionale Strukturen mit einer Auflösungsgrenze von ca. 500 [my]m zu erzeugen. Eine mechanische Charakterisierung der Hydrogele mittels Indentationsmessungen zeigte, dass das Materialsystem Gelatine-Alginat je nach Zusammensetzung und Nachvernetzungsstratiegie fähig ist, einen Steifigkeitsbereich von ca. 50 kPa - 1.000 kPa zu erreichen. Diese Signatur des Komposit-Materials macht es aus biomechanischer Sicht hochinteressant für das Tumor-Tissue Engineering. Im Weiteren wurde mit der verwendeten Geräteplattform ein Verfahren entwickelt, welches die Möglichkeit des Druckes von zellulären und biochemischen Gradienten in einem Hydrogel erlaubt. Eine finale zellbiologische Validierung erbrachte eine Überlebensquote der verdruckten Zellen von nahezu 70 %. Weiterhin konnten zellbiologische Reaktionen auf einen biochemischen Gradienten nachgewiesen werden.



Dong, Chunshan;
Drehmomentanalyse eines biologisch inspirierten Roboterarms. - Ilmenau. - 53 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist es, zu erforschen, wie die Bewegung eines Roboterarms beeinflusst wird, wenn die Steifigkeit des Aktorsystems verändert wird. Dazu wurden Komponenten der bereits im Projektseminar entwickelten Aktorstruktur verwendet. Schließlich wurde ein komplettes Modell des Roboterarms entworfen, um ihn gleichmäßig und flüssig zu bewegen. Bei der Programmierung des Roboterarms wurde eine PID-Regelung verwendet, um die Bewegung des Arms zu optimieren und die Reaktionszeit zu verringern. Der Roboterarm kann einfache Manipulationsaktionen durchführen. Am Ende der Forschung wird der Roboterarm unter verschiedenen Bedingungen getestet und überprüft. Zum Abschluss der Analyse wurden die experimentellen Daten und Auswertungen einbezogen.



Wang, Chenyang;
Erzeugung einer nichtlinearen Übertragungsfunktion zur Kompensation von Längsschwingungen im Antriebsstrang eines Wheg-Roboters. - Ilmenau. - 72 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Für die unbemannte Exploration komplexen Geländes schlägt das Fachgebiet Biomechatronik der TU Ilmenau einen mobilen, hindernistauglichen Wheg-Roboter vor. Das Wheg (engl. = Wheel-Leg) ist eine einfache technische Struktur, die die Vorteile von Rad und Bein kombiniert. Basierend auf diesem Prinzip wurde ein Wheg-Roboter, namens TerX, entwickelt. Charakteristisch für Whegs sind vertikale und horizontale Schwingungen am Drehpunkt, welche sich nachteilig auswirken. Mit der Plattform TerX wird das Ziel verfolgt, beide Schwingungstypen weitgehend zu kompensieren. In vertikaler Richtung war dies erfolgreich, in horizontaler Richtung hatte das dazu eingesetzte Zugmittelgetriebe technische Schwächen. Diese Arbeit hat zum Inhalt, den Antriebsstrang des TerX zu überarbeiten, zuverlässige Lösungen für die Erzeugung der notwendigen nichtlinearen Übertragungsfunktion im Antriebsstrang zu finden und unter Beibehaltung der bereits funktionierenden Strukturen eine Lösung konstruktiv umzusetzen. Des Weiteren sind geeignete Lagerungen für bewegliche Teile, Unempfindlichkeit gegenüber Schmutz und Leichtbau als Konstruktionskriterien einzubeziehen. Zur Erzeugung der nichtlinearen Übertragungsfunktion wird im Ergebnis ein Ellipsenzahnrad höherer Ordnung verwendet. Im Vorfeld der Konstruktion werden verschiedene Umsetzungskonzepte erörtert und bewertet. Das beste Konzept dient als Ausgangspunkt für Festigkeitsnachweise, Simulationen und den abschließenden technischen Entwurf.



Shanbhag, Julian;
Bestimmung der Kinematik der Oberextremitäten bei Montagearbeiten. - Ilmenau. - 120 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Auftretende Beanspruchungen durch körperliche Belastung beurteilen, oder auch Assistenzsysteme zur Verringerung von Belastungen auslegen zu können, setzt eine genaue Kenntnis der Kinematik des menschlichen Bewegungsapparates voraus. Um die Kinematik der Oberextremität bei Bewegungsabläufen zu untersuchen, die an Montagearbeiten angelehnt waren, wurde am Universitätsklinikum Jena eine Probandenstudie durchgeführt. Hierbei wurde ein infrarotmarkerbasiertes Kamerasystem der Firma Qualisys zur Bewegungsanalyse genutzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zu Beginn der aktuelle Stand der Wissenschaft zur Kinematikanalyse der Oberextremität mittels optischer markerbasierter Messsysteme und Inertialmesssysteme betrachtet. Anschließend wird ein Modell entwickelt, das die Kinematik der Bewegungen der durchgeführten Probandenstudie analysiert. Hierfür wird ein Modell erstellt, das die dreidimensionalen Gelenkwinkel anhand von Kardanwinkeln bestimmt. Untersucht werden Bewegungen im Schulter-, Ellenbogen- und Handgelenk. Außerdem werden Kennwerte der kinematischen Daten wie Minima, Maxima und Bewegungsumfänge ausgegeben. Desweiteren wird ein Messsetup entwickelt, das Inertialsensoren (dreiachsige Gyroskope und Accelerometer) nutzt, um die Kinematik der Oberextremität unter Nicht-Laborbedingungen erfassen zu können. Aus Sensoren an Thorax, Ober- und Unterarm bestimmt das Modell mittels Kalman-Filter und Kardanwinkeln kinematische Daten wie Gelenkwinkel, Winkelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen. Eine statistische Auswertung einer exemplarischen Auswahl an Probanden der Studie des Universitätsklinikums Jena zeigt, dass die minimalen und maximalen aufgetretenen Gelenkwinkel den Werten aus der Literatur zu Bewegungsumfängen entsprechen und gleichzeitig nicht alle theoretisch möglichen Freiheiten der Gelenke ausgenutzt werden. Anhand zusätzlicher, an der Technischen Universität Ilmenau durchgeführter Messungen, in denen das optische Messsystem und die Inertialsensoren parallel verwendet wurden, können die Ergebnisse, die beide Berechnungsmodelle liefern, miteinander verglichen werden. Es kann gezeigt werden, dass die Modelle keine identischen, aber ähnliche Ergebnisse liefern und die durchgeführten Bewegungen klar erkannt werden können. Vor allem im Bereich des Ellenbogengelenks kann eine gute Übereinstimmung erreicht werden. Bei der Interpretation dieser Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass die Genauigkeit der Daten beider Messsysteme durch Hautverschiebungen und Weichteilbewegungen beeinflusst werden und somit fehlerbehaftet sind.