Optimisation of performance parameters in terms of geometrical quantities of IPMCs with regards to various applications. - 113 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Trotz mangelndem Know-Hows auf dem Gebiet der steuerbaren Polymere, ist deren Grundprinzip keine junge Entdeckung. Bereits 1880 wurde erkannt, dass spezielle Polymere in der Lage sind, bei elektrischer Stimulation, ihre Form oder ihr Volumen zu verändern. In diesen Entwicklungsanfängen besaßen EAPs nur begrenztes Aktionspotential, weswegen ihnen nur wenig Aufmerksamkeit galt. Seit der frühen 90er-Jahre jedoch, wurde die Entwicklung von EAPs mit deutlicheren Zustandsänderungen vorangetrieben. Aufgrund ihrer Belastbarkeit, Dämpfung und großer Verformung, ähnelt ihr Verhalten dem biologischer Muskeln. Forscher arbeiten deshalb an der Nachahmung natürlicher Bewegungen von Tieren und Insekten mit Hilfe der EAPs. Neben biologisch inspirierten Robotern beinhaltet dies auch Prothetik-Anwendungen. Trotz der Fortschritte auf dem Gebiet der EAPs im Allgemeinen, sind IPMCs im Speziellen noch stark in ihrer Krafterzeugung beschränkt. Um Kräfte und Sensorik zu verbessern, ist es notwendig, das Materialverhalten weiter zu erschließen. Außerdem sind effektivere Herstellungs- und Untersuchungsverfahren vonnöten. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Materialien in interdisziplinären Gebieten, wie rechnergestützte Chemie, Elektro-Mechanik, u.v.m. untersucht. Zudem wird versucht, durch verbesserte Herstellungsverfahren (Synthetisieren, Beschichten, Formen, Handling), die Materialien besser zu beherrschen. Das geringste Interesse galt bisher der geometrischen Optimierung. Ziel dieser Arbeit ist die Leistungsoptimierung von Nafion-Aktoren anhand ihrer Geometrie. Dazu wird das Bewegungsverhalten diverser Zuschnittsformen untersucht. Basierend auf dem Rechteckzuschnitt kann ein elektrisches Versorgungsproblem ausgemacht werden. Dieses verursacht die durchweg beobachtete Abnahme der Krümmung zur Aktorspitze hin. Hier zielt diese Arbeit auf die Ermittlung eines optimalen Zuschnittes. Durch die Variation der Aktorbreite wird zudem die sphärische Verformung näher untersucht. Außerdem erfolgt eine vergleichende, analytische Betrachtung diverser Aktorquerschnitte. Abschließend wird der Formen-Vorschlag eines kontrahierenden Aktors mittels FEM-Modellen näher untersucht. Die betrachtete Aktorform führt bei Aktivierung eine simultane Kontraktion und Rotation aus. Die dabei entstehende Einschürung legt den Einsatz als peristaltische Pumpe nahe.
Aufbau eines detaillierten Modells der Halswirbelsäule für das FE-Menschmodell CASIMIR. - 112 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Ganzkörperschwingungen können Gesundheitsschädigungen hervorrufen. Auf Grundlage eines in [7] und [42] vorgestellten FE-Modells sollen Untersuchungen der Wirbelsäule im lumbalen Bereich ermöglicht werden. Die Erweiterung dieses Modells um die zervikale Wirbelsäule begründet sich in epidemiologischen Untersuchungen, welche einen Zusammenhang zwischen Beschwerden im Nacken-Schulter-Bereich und Vibrationen aufweisen. Auch die große Beweglichkeit des Halses im Vergleich zur übrigen Wirbelsäule dient als Indiz für die Vermutung erhöhter Beanspruchungen unter externer Anregung. Zur Erarbeitung der geometrischen Abmessungen und der Materialeigenschaften im HWS-Bereich, werden im ersten Abschnitt dieser Arbeit anatomische Betrachtungen durchgeführt. Darauf aufbauend folgt, im zweiten Abschnitt die Erstellung eines detaillierten Submodells der HWS. Anschließend werden die erarbeiteten Ergebnisse des Submodells in Gegenüberstellung zu Messdaten statisch validiert. Validierungsgrundlage bilden Messdaten unterschiedlicher Versuche mit Leichenteilen. Der dritte Abschnitt dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Modellkondensation. Hierbei wird das detaillierte Submodell abstrahiert um die im Modell vorhandenen Freiheitsgrade zu reduzieren. Anschließend wird das Submodell in das bestehende Ganzkörpermodell implementiert und validiert. Grundlage der Validierung bildet hierbei, das Verhalten im Vergleich zum ursprünglichen Ganzkörpermodell und Daten von Übertragungsfunktionen aus Messungen am lebenden Objekt. Abschließend werden Aussagen zur Nutzung für die Risikoabschätzung und ein Ausblick für eine mögliche Nutzungen des Modells gegeben.
Entwicklung und Aufbau eines bionisch inspireirten nachgeibigen Sensorsystems. - 120 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
In dieser Arbeit soll anhand des "biologisches Vorbild" der menschlichen Haut ein Sensorsystem entstehen, bei dem die Eigenschaften der Haut genutzt und technisch umgesetzt werden. Das Hauptelement des Sensorsystems ist ein elektrisch leitfähiger Polymerschaumstoff. Der elektrische Widerstand des Polymerschaumstoffs ist abhängig von der Ausdehnung des Polymerschaums. Wenn eine Kraft auf den Polymerschaum wirkt wird der Schaum komprimiert, das Volumen sinkt und damit auch der elektrische Widerstand. Die Korrelation zwischen Kraft und Widertand wird in dieser Arbeit diskutiert. Dazu wird ein Messaufbau erstellt, um verschiedene Versuche durchzuführen. Die Ergebnisse aus den Versuchen werden genutzt, um konkrete Aussagen über die wirkenden Kräfte aufgrund der Reaktion des Systems zu machen.
Bildverarbeitung für Biomikrosysteme. - 126 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Die vorliegende Diplomarbeit thematisiert die Entwicklung einer Bildverarbeitung mit der visuellen Programmiersprache G von NI LabVIEW TM im Rahmen des Projektes Standardisierte mikrosystemtechnische Umgebung zur Charakterisierung von 3D-ECM-analogen Biointerfaces (Förderung durch das Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur unter der Nummer B514-06016). Schwerpunkt von 3D-ECM ist die Entwicklung eines mikrosystembasierten Kultivierungs- und Handlingsystems für die Zellkultivierung und das Zellmonitoring im Bereich des scaffoldbasierten Tissue Engineering. Aufgrund von systembedingten Parametern des vorhandenen Mikroskops, das in diesem Zusammenhang als Beobachtungseinheit fungiert, gibt es jedoch Einschränkungen bezüglich der Zellbeobachtung und der Regelung des Handlingsystems. Aufgabe des entwickelten Programms ist daher diese Einschränkungen über bildverarbeitende Verfahren zu lösen. Hierfür wird eine Programmarchitektur in LabVIEW TM vorgestellt, die einen komplexen und dynamischen Ablauf unterstützt, parallele Abarbeitung verschiedener Prozesse ermöglicht und in Hinblick auf zukünftige Weiterentwicklungen leicht erweiterbar ist. Problematisch erweist sich die geringe Schärfentiefe des optischen Systems. Teilaufgabe ist daher die Umsetzung eines automatischen Autofokus, der zum einen die Betrachtung der dreidimensional ausgeprägten Strukturen im Mikrosystem vereinfachen soll, sowie die Detektion von Handlingwerkzeugen unterstützt. Des Weiteren wird ein Verfahren aus dem Bereich des Fokus-Stacking vorgestellt, das die rechentechnische Erweiterung der Schärfentiefe des Mikroskops ermöglicht. Methoden zur Referenzierung eines Koordinatensystems anhand im Mikrosystem befindlicher Marker werden diskutiert.
Entwicklung eines Konzepts für eine nachgiebige Kopplung zweier Segmente eines aquatischen Roboters. - Online-Ressource (PDF-Datei: 90 S., 5,29 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Diese Diplomarbeit stellt die Entwicklung, die Konstruktion und den Test einer neuen Variante eines Gelenks mit passiv einstellbarer Elastizität vor. Das Gelenk befindet sich zwischen den Modulen eines modularen aquatischen Roboters. Die Lokomotion dieses Roboters ist biologisch inspiriert, derzeitig ist eine aal-ähnliche (anguilliforme) und eine thunfisch-ähnliche (thunniforme) Fortbewegung möglich. Hierfür besteht der Roboter aus einer Basisstruktur an welche eine variable Anzahl an Effektormodulen anschließbar ist. Die Basisstruktur beinhaltet die Energieversorgung, den Empfänger für die Fernsteuerung, den Motorregler und den Antrieb selbst. Die Anzahl der Effektormodule definiert dabei die Fortbewegungsart (anguilliform bzw. thunniform), die Kopplung der Effektormodule untereinander erfolgt mechanisch. Das hierbei verwendete nachgiebige Gelenk ist Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit. Das entworfene Design basiert dabei - im Gegensatz zur derzeitigen Gestaltung mit linearen Schraubenfedern - auf der geraden Biegung von linearen Federblechen. Es werden zwei verschiedene Varianten gebaut, eine mit zwei parallelen Federblechen und eine mit einem zentralen Federblech. Dabei ermöglicht insbesondere die Variante mit dem zentralen Federblech eine anguilliforme Bewegung der Effektormodule. Des Weiteren erfolgt eine erste sensorische Erfassung von Strom und Spannung des aquatischen Roboters. Eine elektrische Schaltung wird entworfen, aufgebaut und programmiert. Die Messschaltung liefert exakte Ergebnisse bei der Strommessung. Mittels USB-Schnittstelle sendet die Schaltung die Messwerte an den PC. Zusätzlich finden die Konstruktion und der Test einer Variante eines modularen Verbinders zwischen Effektormodul und nachgiebiger Kopplung statt. Der Testaufbau der modularen Verbindung erweist sich als wasserdicht und stellt eine Alternative zum aktuellen Design dar.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=17630
Konzeption und Realisierung einer Überwachungseinheit für Mikrozellkultivierungssysteme. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Unter Zellkultur versteht man die Kultivierung von Mikroorganismen außerhalb eines Organismus unter kontrollierten Bedingungen. Die Zellkultur wird für unterschiedliche Zwecke eingesetzt. Zum Beispiel bei der Krebstherapie, zur Behandlung von Leukämie-Patienten oder auch zur Herstellung von Impfstoffen. Zellkultivierung erfolgt herkömmlich in Petrischalen in speziellen Inkubatoren. Aufgrund des ständig wachsenden Einsatzes technischer Hilfsmittel zur besseren Handhabung und Kontrolle der kultivierten Zellen, werden heutzutage auch Mikrosysteme zur Zellkultivierung eingesetzt. Da Zellen sehr empfindlich sind, werden hohe Anforderungen an alle Geräte und Systeme gestellt, die an der Kultivierung beteiligt sind. Für eine effektive Kultivierung von Zellen in Mikrosystemen wurde an dem Fachgebiet Biomechatronik der Technischen Universität Ilmenau ein komplexer Aufbau mit den dazugehörigen Systemkomponenten, einer Beobachtungseinheit, einer Versorgungseinheit und einer Manipulationseinheit realisiert. Aufgrund des bei Einsatz des jetzigen Aufbaus unzureichenden Feedbacks an Nutzer über den Zustand des Systems und der Zellen, befasst sich diese Arbeit mit der Konzeption und Realisierung einer Überwachungseinheit für das existierende Mikrozellkultivierungssystem. Diese Überwachungseinheit wird unter NI LabView® programmiert und sollte die Funktionszuverlässigkeit und die Betriebssicherheit der Systemkomponenten für eine reibungslose Zellkultivierung erhöhen. Die Überwachungseinheit besteht im Einzelnen aus einer Temperatur- und Drucküberwachung, eine optischen Überwachung, einer Pumpenüberwachung und einer Überwachung der Mikromanipulatoren.
Integrierte elastische Antriebe für die Kletterrobotik. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Die Robotik spielt heutzutage in vielen Bereichen des Lebens eine große Rolle. Die ständige Weiterentwicklung der Mechanik und der Steuerung ermöglichen immer größer werdende Einsatzgebiete. Hierbei bietet besonders die modulare Robotik ein großes Potential. - Das an der TU Ilmenau entwickelte, modulare Roboterkonzept "CREST" ist eine Experimentalplattform zur Untersuchung von modularen Kletterrobotern. Es besteht aus Antriebsmodulen und verschiedenen Effektormodulen, die eine Anpassung an das Substrat ermöglichen. Zur Verbesserung des Systemverhaltens bei der Lokomotion sollen die verwendeten Antriebsmodule mit einer passiven Elastizität ausgestattet werden. - Elastische Antriebe haben gegenüber den starren Antrieben den Vorteil, dass sie in der Lage sind Energie zu speichern, Energiespitzen zu dämpfen und eine definierte Spannung zu generieren. Dieses Prinzip der elastischen Antriebe liegt allen Lebewesen mit Muskeln zu Grunde. Sie stellen somit eine Verbesserung der bisher existierenden technischen Antriebe dar. - In dieser Arbeit wird, ausgehend von einer biologischen Analogiebetrachtung, ein Funktionsprinzip für einen elastischen Antrieb entwickelt und konstruktiv umgesetzt. Parallel dazu wird ein Regelungskonzept für eine Positions- und Momentregelung implementiert. Die Struktur wird auf ihr Verhalten hin untersucht und bewertet. Dabei werden Vorschläge zur Verbesserung gemacht.
Entwicklung eines Systems zur automatischen Steuerung und Maximierung des Substitutionsflusses bei einer Hämodiafiltrationsbehandlung. - 70 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die Substitutionsrate bei der Hämodiafiltrationsbehandlung, einem Verfahren der extrakorporalen Blutreinigung, ist der entscheidende Parameter, der die Effizienz der Behandlung bestimmt. Bei diesem Verfahren wird dem Blut eine hohe Menge anWasser durch Konvektion im Dialysator entzogen. Diese Menge wird venös oder arteriell substituiert. Es ist gewünscht, dass man hohe Substitutionsraten erreicht, um die Reinigungsleistung der Dialyse zu steigern. Die beliebige Erhöhung dieser Rate kann aber kontraproduktiv wirken und senkt damit die Dialyseeffizienz. Die mittelmolekulare Clearance steigt nämlich zuerst mit steigendem Substitutionsfluss und bleibt ab einem bestimmten Fluss nahezu konstant. Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung eines Systems zur automatischen Anpassung der optimalen Substitutionsrate. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der entscheidenden Parameter, die direkt oder indirekt von der Änderung der Substitutionsrate betroffen sind. Diese Untersuchung kann uns zur automatischen Anpassung der Substitutionsrate in Abhängigkeit von den von der Dialysemaschine gemessenen Parametern führen. Dafür wurden Patientendaten aus verschiedenen Kliniken gesammelt und die wichtigen Parameter auf ihr Verhalten während der Dialysetherapie erforscht. Es wurden dazu mehrere in-vitro Messungen durchgeführt und die Abhängigkeit der in Frage kommenden Parameter von der Substitutionsrate analysiert. Es wurden zum Schluss zwei Konzepte zur optimalen Steuerung des Substitutionsflusses und zur Regelung des am stärksten von der Substitutionsrate betroffenen Parameters modelliert.
Generating musculoskeletal data sets of the knee-spanning musculature for the application in a simulation model. - 118 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Für die stetige Verbesserung von Knieimplantaten sind Kenntnisse über die mechanische Belastung des Kniegelenks essentielle. Eine Möglichkeit zur Abschätzung der Belastungssituation von menschlichen Gelenken stellt die muskuloskelettale Analyse dar. Diese Abschätzungen sind abhängig von den Eingangsdaten des muskuloskelettalen Modells und gehen, anstelle von patientenspezifischen Daten, zumeist aus skalierten generischen Daten hervor. Die Berücksichtigung der patientenspezifischen Variabilität könnte jedoch von großer Bedeutung sein, da diese die Ergebnisse von muskuloskelettalen Analysen beeinflussen könnten. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb die Variabilität von Muskelansatz- und ursprungsflächen sowie deren Einfluss auf die Muskel-Hebelarme bestimmt. Aus fünf unterschiedlichen Anatomieatlanten wurden Informationen über die Muskelansatz- und ursprungsflächen entnommen. Nach der Entwicklung einer Methode zur Transformation der zweidimensionalen Atlantenabbildungen auf ein dreidimensionales Knochenmodell, konnte diese zur Definition der Muskelansatz- und ursprungsflächen auf Femur, Tibia und Fibula genutzt werden. Da alle Muskelansatz- und ursprungsflächen aus den verschiedenen Anatomieatlanten mit der gleichen Methodik auf dasselbe dreidimensionale Knochenmodell transformiert wurden, war es möglich, Aussagen über die Variabilität von Muskelansatz- und ursprungsflächen bezüglich Größe und Schwerpunktposition zu treffen. Die verschiedenen Muskelansatz- und ursprungsflächen der knieübergreifenden Muskulatur wurden dann in ein bestehendes muskuloskelettales Modell integriert und mit Hilfe einer muskuloskelettalen Analyse der Einfluss der Variabilität der Muskelansatz- und ursprungsflächen auf die Muskel-Hebelarme bestimmt. Die Schwerpunktposition der unterschiedlichen Muskelelemente variierte zwischen den fünf Datensets maximal zwischen 0,4 cm und 19 cm. Die Muskel-Hebelarme unterschieden sich um bis zu 2,5 cm. Große Unterschiede in der Schwerpunktposition führten jedoch nicht zwangsweise zu hohen Muskel-Hebelarm unterschieden. Die Ergebnisse zeigen, dass Veränderungen in der Schwerpunktposition von bestimmten Muskelansatz- oder ursprungsflächen einen hohen Einfluss auf die Muskel-Hebelarmberechnung haben, deshalb sollten diese überlegt in eine muskuloskelettalen Analyse integriert werden.
Vorschläge für konstruktive Änderungen von technischen Gleitlagern unter Einbeziehung von Erkenntnissen über die funktionelle Morphologie biologischer Gelenk- (Knorpel-) Strukturen wie dem menschlichen Hüftgelenk. - 110 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Konzeption und Entwicklung eines durch die Natur inspirierten technischen Gleitlagers. Aufgrund ihrer Funktionsweise haben konventionelle Gleitlager einen relativ engbemessenen Variationsbereich in Bezug auf die technisch relevanten Parameter. Fertigungsbedingte geometrische Formabweichungen der korrespondierenden Lagerkomponenten und der in Kausalität stehende Verschleiß reduzieren die Standfestigkeit des Gleitlagers. Dem gegenüber stehen biologische Gelenk- sowie Knorpelstrukturen. Das natürliche Prinzip belegt eine für die Gesamtfunktion erforderliche Notwendigkeit der vom mathematischen Ideal der Grundkörper abweichenden Geometrie. Die konstruktionskritische Untersuchung konventioneller Gleitlager und die Betrachtung natürlicher Gelenksysteme bilden die Grundlage der Synthese im Entwicklungsprozess. Das Ziel ergibt sich aus der technischen Gestaltung einer Gleitlagerbaugruppe, bei dem eine tolerante Gesamtstruktur eine optimierte Funktionsweise, hinsichtlich der Reduktion der Reibung und Verminderung des Verschleißes, ermöglicht. Die in der Arbeit dargelegte Lösungsvielfalt konnte durch gezielte Einschränkung der Rahmenbedingungen begrenzt werden. Der Entwicklungsprozess beinhaltet eine systematische Analyse und Beurteilung der Funktionsweise einer Lösungsvariante, durch einen aufgabenspezifisch angepassten Versuchsaufbaus. Ein, nach dem hydrodynamischen Prinzip, konventionell aufgebautes Gleitlager dient als Referenz.