Bedienkonzept zur Steuerung eines modularen Kletterroboters. - 116 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuen Bedienkonzeptes zur Steuerung eines modularen Kletterroboters. Hauptaugenmerk wurde dabei auf eine intuitive und effektive Steuerung gelegt. Da bisherige, allgemein gebräuchliche, Eingabegeräte nicht den Anforderungen genügten, wurde als Grundlage für das Konzept, das 3D-Eingabegerät Haptor verwendet. Im Rahmen der Arbeit wurde der Funktionsumfang des Haptors durch die Implementierung eines neuen Griffstücks deutlich erweitert und an die Forderungen des Bedienkonzepts angepasst. Im Anschluss wurde das neuentwickelte Bedienkonzept im Rahmen einer Usabilitystudie getestet, überprüft und bewertet.
Teilautonomes Klettern eines modularen Kletterroboters. - 99 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung der Steuerung eines modularen Kletterroboters. Ziel war es ein Konzept zu entwerfen, welches den autonomen Klettervorgang mit verschiedenen Bewegungsmustern unter sich ändernden Klettersubstrat-Eigenschaften ermöglicht. Anhand einer ausgewählten Roboterkonfiguration wurde ein auf Bewegungsprimitiven beruhendes Konzept vorgestellt. Die hierfür notwendige Sensorik wurde ausgewählt und am Roboter integriert. Da die Elektronik des Roboters, ein verteiltes Microcontrollersystem, eine Neuentwicklung war, mussten zunächst Konzepte zur Aufgabenverteilung und Prozesssychronisation entworfen werden. Auf dieser Grundlage wurde das Steuerungskonzept auf der Roboterelektronik implementiert. Eine entworfene PC-Anwendung dient als Software-Schnittstelle zur Steuerung. Der Funktionsnachweis der Steuerung erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde untersucht, ob der geforderte Funktionsumfang unter Standardbedingungen erreicht wurde. Im Anschluss wurden die Eigenschaften des Klettersubstrates verändert um zu testen, in welchem Terrain der Roboter agieren kann.
Untersuchung der Bruchfestigkeit von Hüftgelenkendoprothesen unter dem Einfluss definierter Schädigungsmechanismen. - 99 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Durch ihre hervorragenden Eigenschaften als Gleitpartner haben sich Keramik-Keramik-Paarungen in der Hüftgelenkendoprothetik etabliert. Trotz stetiger Weiterentwicklung der Komponenten sind Revisionsoperationen aufgrund postoperativer Komplikationen durch Versagen dieser Bauelemente jedoch nicht auszuschließen. Diese Komplikationen können durch Beschädigungen oder Verunreinigungen hervorgerufen werden. Im Rahmen dieser Arbeit fand eine Risikoeinschätzung unterschiedlicher Schädigungsmechanismen an Köpfen, Inlays und Revisionsköpfen in Bezug auf die Bruchfestigkeit statt. Hierzu wurden unterschiedliche Beschädigungen bzw. Verunreinigungen in der Passung zwischen den Keramik- und Metallkomponenten simuliert und in Berstversuchen nach ISO 7206 10 die Bruchfestigkeiten ermittelt. Die zu testenden Schädigungseinwirkungen wurden jeweils durch das Einbringen von Draht, Metallplättchen, Haar, Knochenzementpartikel und Fett sowie definierte Beschädigungen des Konus simuliert. Als Mindestfestigkeit der Kraftübertragung gelten gemäß FDA im Mittel 46 kN unter standardisierten Prüfbedingungen, wobei kein Wert unter 20 kN liegen darf. Ein zusätzlicher Grenzwert wird durch den als kritisch postulierten physiologischen Belastungsbereich von 10 kN gesetzt. Die untersuchten Keramikköpfe zeigten bei den Simulationen Bruchfestigkeiten über und unter der geforderten Mindestfestigkeit von 46 kN, der "kritische physiologische Belastungsbereich" blieb jedoch unberührt. Die Bruchfestigkeiten der untersuchten Inlays lagen entweder über der Mindestfestigkeit oder im "kritischen physiologischen Belastungsbereich" von unter 10 kN. Die Bruchfestigkeiten der untersuchten Revisionsköpfe waren ausreichend. Kein Wert unterschritt die Mindestfestigkeit. Es konnte bestätigt werden, dass die im Vorfeld getroffenen Vermutungen zutrafen. Die Bruchfestigkeit wird durch Erzeugung inhomogener Kegelpassungen und Spannungsspitzen oder durch Verringerung der Gleitreibung in den Kegelpassungen negativ beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen die Notwendigkeit, dass bei der Implantation die Bereiche der Passung zwischen der Keramik- und Metallkomponente stets unbeschädigt und frei von Verunreinigungen sein müssen.
Konzeptbildung und Erprobung von Methoden zur Aufprägung mechanischer Reize auf Zellen in Biomikrosystemen. - 156 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die Erfahrungen in der Versorgung von Knochenfrakturen hat Mediziner gelehrt, dass eine Versteifung der Frakturfragmente den Heilungsverlauf verzögert. Werden die Zellen in der Frakturzone hingegen definierten mechanischen Belastungen ausgesetzt, heilt die Fraktur schneller aus. Um die dabei ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können, haben Wissenschaftler der Technischen Universität Ilmenau ein System zur Kultivierung und Manipulation von Zellen entwickelt. Hiermit versuchen sie, die Belastungssituation, denen Zellen in der Frakturzone eines gebrochenen Knochens ausgesetzt sind, in vitro nachzubilden. Dabei erweist sich die Applikation mechanischer Reize als unabdingbar. Aus diesem Grund ist die zum Mikrosystem gehörende Manipulationseinheit in der vorliegenden Masterarbeit zu einer Stimulationseinheit erweitert worden. Mit dieser Anordnung wird es möglich, Druckkräfte durch Verformung auf im Mikrosystem kultivierte Zellen aufzuprägen und damit für deren mechanische Belastung zu sorgen. Dies haben sowohl die im Vorfeld der praktischen Umsetzung durchgeführten Simulationen als auch die durchgeführten Messungen ergeben. Des Weiteren sind Vorschläge zum Aufbau von Versuchen mit der Stimulationseinheit, die die Grundlage für künftige Fragestellungen bieten, unterbreitet worden.
Stirnflächenkopplung von Multilumenschläuchen. - 84 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Im Zeitalter einer immer stärkeren Miniaturisierung werden mikrofluidische Systeme, MEMS, BioMEMS und Mikroreaktionstechnik immer kleiner. Bei dieser Entwicklung ist häufig die Aufbau- und Verbindungstechnik, der Anschluss an die jeweilige Peripherie, ein limitierender Faktor. In der Medizintechnik werden zur Miniaturisierung des Instrumenten-Querschnitts häufig Multilumenschläuche (MLS) eingesetzt. Mit diesen Schläuchen könnte auch in mikrofluidischen Systemen eine starke Miniaturisierung erreicht werden. Der Anschluss dieser Schläuche an ihre Peripherie erfolgt bislang jedoch über Speziallösungen. - Daher wurde in dieser Arbeit ein neues Verbindungskonzept für die Stirnflächenkopplung von MLS erstellt und entsprechende Kopplungen entwickelt und hergestellt. Die Grundlage dieses Konzepts besteht in der direkten Verbindung von MLS mit Silizium-Chips mit Hilfe des Silizium-Polymer-Bondens. Auf Basis dieses Verbindungsprinzips konnte der Funktionsnachweis für eine direkte, unlösbare Kopplung unter Verwendung eines Silizium-Chips und eine indirekte, lösbare Kopplung unter Verwendung von zwei Silizium-Chips für vierlumige Schläuche erbracht werden. Für die Schlauch-Chip-Verbindung und somit die direkte Kopplung wurden Zugfestigkeiten von ca. 13 MPa erreicht. Eine fluidische Druckdichtheit bis ca. 7 bar konnte nachgewiesen werden. Für die indirekte Kopplung wurde ohne Verwendung von zusätzlichen Dichtmaterialien eine Dichtheit von ca. 150 mbar nachgewiesen. Mit Hilfe dieser Kopplung konnte eine einfache Schaltfunktion realisiert werden. Desweiteren wurde der Nachweis erbracht, das eine Verwendung der Kopplung in Zusammenhang mit "segmented flow" möglich ist. - Es wurde hiermit die vielversprechende Grundlage eines modularen Verbindungssystems für die Verwendung von MLS in mikrofluidischen Systemen geschaffen.
Entwicklung eines passiven, adhäsionsbasierten Haftsystems für die Kletterrobotik. - 124 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Mit der zunehmenden Automatisierung der menschlichen Umgebung gewinnen vielseitig einsetzbare Roboter an Bedeutung. Hierbei bietet insbesondere die modulare Robotik praktikable Lösungen mit großem Nutzungspotenzial an. Zur Untersuchung der Möglichkeiten der Einsetzbarkeit von modularen Kletterrobotern ist die CREST Familie entwickelt worden. Die Roboter bestehen dabei aus einer die Kletterbewegung erzeugenden Grundstruktur und den mit dem jeweilig gewünschten Substrat interagierenden Effektormodulen. Zur Erweiterung des modularen Baukastens der Effektormodule setzt die vorliegende Arbeit ein auf Adhäsion und passiver Saugwirkung basierendes Haftmodul um. Die Konzeption erfolgt dabei auf Basis der biologischen Grundlagen der adhäsiven Haftung, sowie dem aktuellen Stand in der adhäsiven Kletterrobotertechnik. Durchgeführte Betrachtungen von wichtigen Phasen innerhalb des Zyklus des Kletterns bilden dabei die Grundlage für innerhalb der Arbeit entwickelte mathematische Modelle. Diese Modelle schätzen zum einen die erforderliche Haftkraft in Abhängigkeit der Robotergestalt ab, zum einen ermöglichen sie Aussagen hinsichtlich des Ablösens von adhäsiven Strukturen von starren Substraten. Zur Gewinnung von Vergleichsdaten für die theoretisch ermittelte Haftkraft werden desweiteren verschieden Haftstrukturen gefertigt und qualitativ vermessen. Die sich an die Konzeption anschließende Konstruktion basiert auf der VDI 2206 für mechatronische Entwicklungen. Tests bestätigen dabei die Funktion des adhäsiven Haftmoduls.
Konzeption und Konstruktion einer transportablen Kraftmessplatte zur Messung der Bodenreaktionskräfte beim Gehen. - 84 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Konzeption und Konstruktion einer transportablen Kraftmessplatte (KMP) zur Messung der Bodenreaktionskräfte (BRK) beim Gehen. - Kommerzielle KMP ermöglichen oft hohe Messgenauigkeiten, genügen jedoch den Ansprüchen der Feldforschung meist nur unzureichend. In dieser Arbeit wird eine KMP entwickelt, die speziell auf die Anforderungen der Benutzung außerhalb klinischer Ganglabors zugeschnitten ist. Die vorgestellte KMP ist deutlich preisgünstiger als vorhandene Systeme und leicht an die individuelle Messaufgabe anzupassen. Sie ist sehr schnell einsetzbar, alle systemrelevanten Komponenten werden in das Gerät integriert, so dass nur eine Verbindung mittels USB nötig ist, um die Messungen zu starten. Durch Batteriebetrieb, integrierte Datenverarbeitung und robuste Ausführung ist die entwickelte KMP flexibel einsetzbar und soll neue Anwendungsgebiete erschließen.
Entwicklung eines ergonomischen Bremssystems für Kinderrollatoren. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Bremssysteme von Kinderrollatoren sind nicht kindgerecht ausgelegt. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines ergonomischen Bremssystems für Kinderrollatoren. Durch Optimierung der Fahrbremse und Entwicklung einer separaten Feststellbremse wurde dieses Ziel erreicht.
Machbarkeitsstudie für ein Assistenzsystem der mandibulären Umstellungsosteotomie. - 88 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Machbarkeitsstudie für ein Assistenzsystem für die mandibuläre Umstellungsosteotomie durchgeführt. Dieses integrierte System stellt eine Zusammenführung bisher vorhandener Einzelprozesse der computergestützten Eingriffsplanung und -vorbereitung in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie zu einer durchgehenden Prozesskette dar. Zunächst wurden umfangreiche Recherchen zum Therapieverlauf und Stand der Technik im Bereich der Eingriffsplanung sowie relevanten technischen Bereichen, wie z.B. Fertigungsverfahren durchgeführt. Somit wurde ein Überblick über die Diagnose und therapeutische Vorgehensweise bei Kieferfehlstellungen gegeben. Des Weiteren wurden die konventionelle und computergestützte Eingriffsplanung analysiert und diskutiert. Etwaige Hindernisse für eine integrierte Prozesskette wurden identifiziert und aktuelle Lösungsansätze kritisch betrachtet. Anschließend fand ein exemplarischer Durchlauf eines Eingriffs- und Splintplanungsprozesses statt, mit dem Resultat von acht Operationssplinten, die mit einem Rapid Prototyping-Verfahren gefertigt wurden. Diese wurden zur experimentellen Evaluierung des Herstellungsverfahrens sowie eines medizinisch nutzbaren Materials verwendet. Anhand von Messungen konnte nachgewiesen werden, dass das gewählte Fertigungsverfahren für die Herstellung von Splinten geeignet ist. Des Weiteren wurden, basierend auf den Ergebnissen der praktischen Analyse des computergestützten Planungsverlaufs, Konzepte für einen Splintplanungsalgorithmus, die Hardwarekonfiguration und ein geeignetes Bedienkonzept erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass ein integriertes System zur Eingriffs- und Splintplanung sowie Splintfertigung realisierbar ist. Des weiteren wurde gezeigt, dass das konzipierte System, u.a. aufgrund des geringen personellen Einsatzes und des hohen Integrationsgrades, eine neue, besonders preiswerte und zeitsparende Umsetzung der computergestützten OP- und Splintplanung sowie Splintfertigung darstellt.
Untersuchungen zur Traumatogenese der Hand beim Schließen von Türseitenscheiben im Kraftfahrzeug und konsekutive Entwicklung eines biomimetischen, funktionalisierten Prüfkörpers zur Validierung der Überschusskraftbegrenzung. - 231 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Elektronikfensterheber gehören zur Basisausstattung moderner Kraftfahrzeuge. Durch die Automatikfunktion tippt der Anwender den Schalter einmal an und die Scheibe schließt automatisch. Mit dem Komfort steigt die Gefahr von Unfällen, weil sich Fahrzeuginsassen im Scherspalt zwischen Dichtung und Scheibenoberkante einklemmen und verletzen können. - Die Inbetriebnahme fremdkraftbetriebener Scheibenschließanlagen ist in der EU-Richtlinie 74/60/EWG geregelt, jedoch zeigt die Zahl der Verletzungen, dass die aktuellen gesetzlichen Richtlinien keinen verlässlichen Schutz für die Fahrzeuginsassen bieten. Die Regelungen sind oberflächlich und beschränken sich auf einen Spezialfall. Bisher sind lediglich Maßnahmen zur Prävention tödlicher Verletzungen durch Strangulation beschrieben. Ein Schutz für Hand und Finger, speziell bei Kindern, ist nicht definiert, wodurch es immer wieder zu Verletzungen dieser Körperteile durch elektrische Fensterheber kommt. Am häufigsten sind die Finger von Quetschverletzungen betroffen, die bei Kindern besonders schwer ausfallen können. Dabei widerrum ist das Fingergrundglied der am häufigsten betroffene Bereich des Fingers. Die Verletzungsgefahr hängt von vielen Einflussgrößen ab. Die Haupteinflussfaktoren sind die übertragene Energie, das eingeklemmte Körperteil mit seinen spezifischen mechanischen Eigenschaften,insbesondere die Federrate und das Dichtungsdesign. Die Untersuchung verschiedener Türkonstruktionen bezüglich der auftretenden Beanspruchungen am eingeklemmten Objekt und damit ihres Gefahrenpotentials hat ergeben, dass zwei Ebenen die Beanspruchungsart während des Einklemmvorgangs maßgeblich beeinflussen. In der y-z-Ebene (Querschnitt) konnten drei signifikante Dichtungsdesigns (Dichtungskategorie A bis C) ermittelt werden, wobei deren Gefahrenpotential von A nach C abnimmt. In der x-z-Ebene (Seitenansicht) konnten an allen untersuchten Türen drei markante Zonen (I-III) festgestellt werden, in denen, auf Grund der schiefen Krafteinleitung, unterschiedliche Beanspruchungsarten auftreten und es folglich zu unterschiedlichen Schädigungsmechanismen kommt. Die x-z-Ebene bestimmt maßgeblich die Beanspruchungsart. Positiv aufgefallen sind in der Untersuchung die Gummielemente und Luftpolster in den Dichtungen. Im Rahmen der Einklemmschutzapplikation und der Überprüfung der Wirksamkeit der Schließkraftbegrenzung werden verschiedene Messungen durchgeführt, um die Einhaltung der gesetzlichen Regelungen zu gewährleisten. Die Eigenschaften der Messgeräte und der Testobjekte unterscheiden sich grundlegend von den Eigenschaften eines realen Fingers und sind eine starke Abstraktion der Realität. Vor allem die Validierung der Überschusskraftbegrenzung mit Hilfe eines zylindrischen Stahlstabes (Durchmesser 4 Millimeter) und die Messung der Schließkraft selbst ist suboptimal und es besteht die Notwendigkeit eines neuen biomimetischen Prüfkörpers. Der neue Prüfkörper wird konsekutiv zu den Untersuchungen entwickelt. Der erste Prototyp beweist, dass das resistive Messverfahren mittels Quantum Tunneling Composite funktioniert und das Potential zur Weiterentwicklung vorhanden ist. Der neue Prüfkörper ermöglicht die Indikation von Quetschwirkungen auf das Fingergrundglied, in dem die Normalkraftkomponente messtechnisch erfasst wird. Dabei nähert sich der Prüfkörper über einen mehrschichtigen Aufbau an die Eigenschaften des natürlichen Vorbildes an. Das neue Messinstrument ist eine Verbesserung im Vergleich zu den mechanischen Eigenschaften des Stahlstabes. Der Prüfkörper bildet die Realität besser ab und macht den Einklemmschutz robuster. Die Applikation des Systems ist folglich besser, die Qualität der Schließkraftbegrenzung wird erhöht und das Verletzungsrisiko reduziert.