Analyse der Einflussgrößen auf die Messgenauigkeit eines optischen Messsystems und Entwicklung von Optimierungsansätzen. - 83 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Arthrose als eine der häufigsten Erkrankungen von Gelenken ist für hohe Kosten der Krankenkassen verantwortlich und schmerzhaft für die Patienten. Gegenstand dieser Arbeit ist eine Analyse eines Messgerätes zur zerstörungsfreien Diagnose von menschlichem hyalinen Knorpel. Die Messmethode basiert auf NIR Spektroskopie. Das Messgerät ist auf dem Stand eines Funktionsmusters. Diese Arbeit analysiert mögliche Gründe für Messabweichungen und zeigt Wege zur Reduktion von Messabweichungen auf.
Bewegliche Rumpfkonstruktion für ein mobiles Robotersystem. - 110 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Aktuelle Robotersysteme verfügen über eine starre Rumpfkonstruktion, während Bewegungssysteme in der Natur oft sehr flexibel sind. Bei Insekten wird eine Nickbewegung zum Energie effizienten und sicheren Überwinden von Hindernissen genutzt. Die Rumpfbewegung bei Säugetieren trägt sogar mit bis zu 30% zur Fortbewegung bei. Der hexapode Roboter RoLV ist nach dem Prinzip der Rolling Legs aufgebaut. Ziel dieser Diplomarbeit ist eine Erweiterung des Rumpfes, mit der sinnvolle Freiheitsgrade erlaubt werden sollen. Zur Lösung des Problems wurde die Vorgehensweise nach VDI 2206 gewählt und ein Vergleich der Bewegungen bei schon bestehenden Robotersystemen vorgenommen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs flossen in die Entscheidung für die Freiheitsgrade ein. Im Ergebnis konnte ein detaillierter Entwurf eines Rumpfes mit zwei Freiheitsgraden erstellt werden. Ein Gelenk erlaubt eine Rollbewegung zwischen den Körpersegmenten des Roboters, um eine bessere Adaption an den Untergrund in unebenem Terrain zu erhalten. Der andere Freiheitsgrad befähigt den Roboter zum Anheben des ersten Segmentes, womit die Leistungsfähigkeit beim Überwinden von Hindernissen gesteigert wird. Mit dem Einbau von Nachgiebigkeiten in die Konstruktion konnten weitere Vorteile erreicht werden. Mit der Lösung konnten die angestrebten Verbesserungen umgesetzt werden. Daneben bildet der Rumpf eine gute Basis für den Einsatz als Experimentierplattform.
Etablierung und Einsatz von Mikrosystemen in der Kultivierung humaner Zellen. - 150 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Um adhärent wachsendes, humanes Zellmaterial in BioMEMS (bio-mikroelektromechanische Systeme) zu züchten, sind adäquate Kultivierungsbedingungen herzustellen. Es muss sichergestellt werden, dass die Mikrosysteme die Kriterien der statischen und dynamischen Biokompatibilität erfüllen. Es gelten daher die Forderungen, dass für den Aufbau der Systeme nicht toxisch wirkende Materialien verwendet werden und die Wachstumsoberflächen die erforderlichen Zell-Matrix-Interaktionen zulassen. Im Falle der im Rahmen des Projektes 3D-ECM entwickelten Mikrosysteme sind die betreffenden Werkstoffe Borosilikatglas, Silizium und Polymere. In diesem Beitrag werden die genannten Werkstoffe charakterisiert und mithilfe eines geeigneten Prüfverfahrens hinsichtlich ihrer Biokompatibilitätseigenschaften untersucht. Da die zu prüfenden Materialien stark differierende Eigenschaften aufweisen, ist die Etablierung einer geeigneten Testmethodik nötig. Zu diesem Zweck werden Materialproben in verschiedenen möglichen Varianten des Versuchsaufbaus mit Mausfibroblasten der Zelllinie MC-3T3-E1 besiedelt. Durch die anschließende Kultivierung und Untersuchung der Zellzahl, Morphologie und Vitalität konnte eine optimale Prüfmethode identifiziert werden. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten Biokompatibilitätstests mit Zellen der Linie MC-3T3-E1 sowie mit humanen Osteoblasten aus Primärkultur durchgeführt werden. Die Tests belegen, dass die zu prüfenden Materialien besiedlungsfähig und über einen Zeitraum von drei Tagen nicht toxisch sind. Ferner kann aufgezeigt werden, dass die Strukturierung und Beschichtung ihrer Oberflächen die Anheftungsbedingungen für die Zellen beeinflussen können. Die optimale Oberflächenbeschaffenheit der Kulturflächen im BioMEMS ist abhängig vom eingesetzten Zelltyp. Des Weiteren durchgeführte Experimente bestätigen, dass Mikrosysteme verschiedener Bauart mit im klinischen Alltag gebräuchlichen Substanzen (fetales Kälberserum, Gelatine) beschichtet werden können. Die Kultivierung humaner Osteoblasten in BioMEMS ist realisierbar.
Entwicklung einer Elektrode für ein modulares aktives EMG-System. - 68 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
In der Bionics-Gruppe des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt werden unter Anderem die Steifigkeiten des menschlichen Arms zur Verbesserung von Robotern untersucht. Um den muskulären Einfluss bei Belastung oder Bewegung zu erfassen, wird ein System benötigt, dass eine hochauflösende Erfassung der Muskelaktivität über die Körperoberfläche ermöglicht. Als weitere Anwendung ist die Steuerung mechatronischer Systeme wie Prothesen oder Roboterarme geplant, so dass eine langfristige Applikation berücksichtigt werden soll. Die Aufgabe der Diplomarbeit bestand darin, eine Elektrode für ein zukünftiges modulares System zu entwickeln, dass eine höhere Auflösung als kommerzielle Elektroden mit einem fixen Elektrodenabstand sowie eine einfache Applikation für lange Zeiträume ermöglicht. Bei der Erfassung elektromyografischer Signale über die Körperoberfläche stellt die Haut eine elektrische Barriere dar. In der klinischen Praxis bedient man sich abrasiver Hautvorbereitung, sowie der Anwendung von Leitgelen, die durch Diffusion die Übergangsimpedanz der Haut senken. Jedoch sind die Vorbereitungen zeitaufwändig und unangenehm. Leitgele trocknen aus, und der Kleber, mit der die Elektroden auf der Haut fixiert werden, reizt die Haut. Mittels mikrostrukturierten Nadeln, die in das \textit{Stratum corneum} eindringen, lässt sich die Übergangsimpedanz der Haut drastisch verringern, so dass auf Hautvorbereitung und Leitgel verzichtet werden kann. Zudem wird die Zeit von der Applikation bis zur Signalverfügbarkeit verringert, da auch Diffusionsprozesse von Transpirationsflüssigkeit in die trockenen Hautschichten, wie sie bei Oberflächenelektroden ohne Leitgel notwendig ist, wegfallen. Ausgehend von dem Konzept zur Integration vieler kleiner Elektroden in eine biegsame Leiterbahnstruktur wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode entwickelt, die sich aus zwei Komponenten zusammensetzt. Die Nadelstruktur zur Penetration des \textit{Stratum corneums} wird in einem dreiteiligen Ätzprozess aus Silicium herausgearbeitet. Für die Kontaktierung mit der Elektronik, die parallel am DLR entwickelt wird, wird der Siliciumchip auf einen Keramikträger aufgebracht und mit einer überlappenden Silberbeschichtung elektrisch kontaktiert. Für eine elektrochemisch stabile Grenzschicht wird diese Oberfläche chloridisiert. Als Ergebnis der Arbeit entstand ein Prototyp einer Elektrode, dessen elektrischen Eigenschaften mit gesinterten Standardelektroden aus Silber-/Silberchlorid vergleichbar sind, auch wenn die Impedanz eine höhere Schwankung mit einem Maximum von ca. 60˜$\Omega$ zwischen 40˜Hz und 50˜Hz aufweist. Durch zukünftige Optimierungen der Fertigungsprozesse sind Elektroden mit einem Außenradius von weniger als 10˜mm zu erwarten, die aufgrund des geringen Übergangswiderstands auch gedämpfte Signale tiefer liegender Muskeln aufzeichnen können und somit die Grundlage für ein System zur hochauflösenden Erfassung des Elektromyogramms legen.
Adaptiver Greifer für die Kletterrobotik. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
In der vorliegenden Arbeit sollte ein adaptiver Greifer für einen Kletterroboter und den Einsatz in der mobilen Robotik entwickelt werden. In der Einleitung wurde der Bezug zur mobilen Kletterrobotik hergestellt und das Interesse für diesen Bereich begründet. In Kapitel 2 wurden für die Arbeit wichtige Begriffe definiert und der aktuelle Stand der Technik vorgestellt. Der Kletter- und Greifvorgang wurde näher beleuchtet. Es wurden eine Funktionsstruktur und ein Anforderungskatalog erarbeitet und die Aufgabenstellung gegen andere Bereiche abgegrenzt. Die daraus resultierenden Konzepte, die für eine Umsetzung bereit standen, schlossen sich im nächsten Kapitel an. Es werden vor allem Konzepte mit einem oder mit zwei Armen und unterschiedlichen Wirkprinzipien vorgestellt Aus dieser Auswahl wurde ein Konzept ausgewählt und weiter untersetzt. Dieser Auswahlprozess mit den dafür verwendeten Kriterien wurde in Kapitel 4 beschrieben. Nachfolgend wurde die Konzeptentwicklung ausführlich dargelegt. Als sich die geplanten Funktionsprinzipien des Konzeptes als nicht realisierbar erwiesen, wurden sie in zwei differenten Konzepten weiterentwickelt und umgesetzt. In Kapitel 5 ist das Konzept eines pneumatischen Lufkissengreifers und in Kapitel 6 das Konzept eines mechanischen Manschettengreifers erläutert. In den beiden darauffolgenden Kapiteln wurde erklärt, wie sich die jeweiligen Systeme aufbauen. Die Prototypen wurden vorgestellt. Im Kapitel 9 wurden die Ergebnisse für die vielfältigen durchgeführten Versuchsreihen beschrieben und im darauffolgenden Kapitel diskutiert. Die Greifer wurden dabei untereinander verglichen und bewertet. Im Ausblick wurden Anregungen zu weiteren Versuchen sowie mögliche Weiterentwicklungen der Prototypen aufgeführt.
Optimierungspotentiale für das Einwachsverhalten lasttragender Implantate in Knochengewebe : eine strukturierte, biomechanische Analyse regenerativer und adaptiver Fähigkeiten des Knochens. - Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau. - Online-Ressource (PDF-Datei: XVI, 200 S., 44,81 MB). - (Berichte aus der Biomechatronik ; 2) : Teilw. zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2005
Parallel als Druckausg. erschienen
Umbauvorgänge im Knochen werden in der Endoprothetik häufig als Störgröße und Hauptursache beschrieben, die zu aseptischen Lockerungen und somit Implantatversagen führen. Dem entgegen ist es Ziel des vorliegenden Buches, die adaptiven und regenerativen Fähigkeiten des Knochens als Potential für die Optimierung lasttragender Implantate darzulegen. Durch die strukturierte Aufbereitung der knocheninternen Gesetzmäßigkeiten - wie reparative Prozesse, adaptive Fähigkeiten, biomechanische und hydrodynamische Gestaltungsmerkmale einschließlich der Mechanismen der Mechanosensorik - werden diese für den konstruktiven Entwicklungsprozess zukünftiger Prothesensysteme zugänglich. Dadurch kann verbesserte knöcherne Integration und dauerhafte Verankerung durch die konsequente Ausnutzung der Dynamik des Knochens realisiert werden. Der darauf aufbauende Optimierungsprozess des Implantatdesigns folgt diesem biologisch-orientierten Ansatz und mündet im beispielhaften Konzept einer hydrodynamischen Hüftendoprothese. Deren Integration in die flüssigkeitsvermittelte Knochenphysiologie stellt eine grundlegende Neuerung in der bionisch inspirierten Endoprothetik dar und soll fehlgeleitete Umbauvorgänge im Knochen vermeiden.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=12009
Kinematischer Ausdruck der Kompensation arbeitsbedingter Ermüdung des Hals-, Schulter-, Arm-Systems bei Reich- und Stellbewegungen mit kleiner Last. - 89 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2009
Inhalt der vorliegenden Diplomarbeit ist die Untersuchung von Eingabebewegungen der oberen Extremitäten bei der Nutzung verschiedener Computereingabegeräte. Hierzu wurde ein Mess- Setup entwickelt welches die Aufnahme der relevanten Bewegungen über ein Bewegungsanalysesystem (Pro Reflex 1000, Qualisys, Schweden) ermöglicht. Durch eine erstellte Testsoftware wurde den Probanden eine einheitliche Arbeitsaufgabe vorgegeben. Dies ermöglicht ein Vergleich der Bewegungen der Probanden bei der Bearbeitung der Testaufgabe. Ebenfalls ist es hierdurch möglich die verschiedenen Eingabegeräte untereinander vergleichen zu können. Mit dem Mess- Setup wurde eine Versuchreihe durchgeführt, bei welcher die Eingabebewegungen von verschiedenen Testpersonen erfasst und ausgewertet wurden. Bei der Auswertung konnten nutzerspezifische Bewegungsmuster und Bearbeitungsstrategien erkannt werden.
Ein Beitrag zur softwaregestützen Fehlerkontrolle bei Röntgensystemen. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Durch die zunehmende Globalisierung und dem daraus resultierenden zunehmenden Konkurrenzdruck sehen sich Unternehmen heute einem Wettbewerb ausgesetzt, in dem Produktfehler und deren Beseitigung zu einem erheblichen Imageschaden führen. Daher finden sich in Unternehmen aller Größenordnungen einzelne Mitarbeiter, Gruppen oder ganze Abteilungen, die die hergestellten Produkte testen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Einhaltung von Produkt- und Produktionsspezifikationen, sowie der Produktsicherheit. Dies wird in den einzelnen Stadien der Produktentwicklung fortlaufend überprüft und das Produkt, beziehungsweise die Produktionsparameter, entsprechend angepasst. In dieser Arbeit wird auf ein Teilgebiet dieser Prüfaktivitäten eingegangen, das sich mit der Zuverlässigkeit der Steuersoftware eines Medizinproduktes befasst.
Steuerung von Mikromanipulatoren : Softwareentwicklung unter NI LabView. - 108 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Zur Kultivierung und Beobachtung biologischer Zellen kommen vermehrt Bio-Mikrosysteme zum Einsatz. Für Handhabungsaufgaben in der Größenordnung von wenigen Mikrometern wurde eine Peripherie, bestehend aus einem Mikroskop mit CCD-Kamera sowie einem PC als Mensch-Maschine-Schnittstelle, entwickelt. Zwei piezoangetriebene Mikromanipulatoren zum Positionieren von Werkzeugen im Nanometerbereich stellen dabei den zentralen Baustein zur Bewegung von Zellen und anderen Objekten in diesen Bio-Mikrosystemen dar. - Für diese Manipulatoren ist eine Steuerungssoftware mit Hilfe der Programmierumgebung NI LabVIEW® entwickelt worden. Die Software ermöglicht dem Nutzer zwei verschiedene Steuerungsvarianten: Je nach geforderter Anwendung kann der Nutzer zwischen der Steuerung per Tastatur oder der Steuerung per Mehrkoordinateneingabegerät wählen. - Grundlage dieser Software ist eine Regelung. Alle hierfür notwendigen Teilprozesse wie Kalibrierung und Synchronisierung der verschiedenen Sensor- und Aktorsysteme sind in die Software integriert. Erreicht wird dadurch ein Abgleich zwischen den Bewegungen des Manipulatorwerkzeugs und dem Koordinatensystem des Bildfensters. - Die dafür notwendige, softwarebasierte Bilderfassung mit einer Kamera ermöglicht nicht nur die vergrößerte Darstellung des Arbeitsbereiches, sondern auch eine einfache Dokumentierbarkeit und Vermessung der zu beobachtenden Objekte. Für die Erfassung der dritten Raumdimension (vertikal zur Bildebene) wurde die Fokusebene des Mikroskops als Indikator verwendet. Die Fokussierbewegung erfolgt dabei über einen Hybrid-Schrittmotor, der die Höhe des Mikroskopischen (die Z-Achse des Mikroskops) verstellt und dadurch eine indirekte Höhenmessung innerhalb des Mikrosystems ermöglicht. - In Bezug auf die Steuerung per Tastatur werden die einzelnen Achsen des Manipulators durch Nutzung der Cursortasten gesteuert. Eine Besonderheit dieser Variante ist, dass Visualisierungshilfen (Kamera) nicht zwingend erforderlich sind. Bei der Steuerung per Mehrkoordinateneingabegerät wird das Werkzeug mit Hilfe des Kamerabildes positioniert. Hierfür wird der Arbeitsbereich des Mikrosystems auf dem PC-Bildschirm ausgegeben. Die Zielposition wird durch Anklicken einer gewünschten Position im Kamerabild vorgegeben und das Werkzeug daraufhin automatisch auf die vorgegebene Sollposition gefahren. - Die Verfahrgeschwindigkeit lässt sich für beide Varianten durch den Nutzer gezielt variieren. Des Weiteren ist eine Automatisierung einfacher Bewegungsabläufe möglich. Diese werden per Teach-In-Verfahren eingelernt und können beliebig oft wiederholt werden. - Aufgrund der modularisierten Erweiterbarkeit von LabVIEW® besteht die Möglichkeit, mehrere Manipulatoren gleichzeitig in Betrieb zu nehmen. - Mit der entwickelten Software ist eine Positionierung von Kleinstobjekten im Mikrosystem mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich möglich.
http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/589826395wuerf.txt
In-vitro Flexibilitätstestung an humanen funktionellen Wirbelsäulenabschnitten zur Kinematikanalyse und intradiskalen Druckmessung vor und nach Einsatz interspinöser Implantate. - 155 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Neben der traditionellen Versorgung von degenerativen Bandscheibenerkrankungen mittels Spondylodese gewinnen Bewegungserhaltende Methoden immer mehr an Bedeutung. Diese Methoden sind neben der Bandscheibenprothetik sogenannte dynamische Stabilisierungstechniken wie z. B. semirigide Fixateure oder Interspinöse Implantate. Der Vorteil dieser dynamischen Stabilisierungssysteme ist der Erhalt der Bandscheibe, mit dem Ziel die natürliche Kinematik durch Entlastung der geschädigten Struktur wiederherzustellen. In der vorliegenden Arbeit wird eine in vitro Testmethodik zur kinematischen Analyse humaner Wirbelsäulenpräparate entwickelt, welche den Einfluss ausgewählter Interspinöser Implantate auf die Segmentkinematik und das Lastübertragungsverhalten in der Bandscheibe analysiert. In diesem Zusammenhang erfolgt die Bestimmung des Belastungszustandes der Bandscheibe über den intradiskalen Druck. Die verwendeten Messsysteme werden in ihrer Genauigkeit verifiziert, um eine Aussage über die Güte der erhobenen Daten geben zu können. Anschließend wird die Prüfmethodik in Vorversuchen auf ihre Qualität in der praktischen Umsetzung untersucht. Des Weiteren werden Kraft-Verformungs-Kennlinien der ausgewählten Implantatsysteme aufgenommen, um einen Eindruck über die unterschiedlichen Steifigkeiten zu gewinnen. Im Ergebnis wird eine in-vitro Prüfmethode aufgezeigt, welche es dem Anwender ermöglicht, dynamische Implantatsysteme an funktionellen Wirbelsäulenpräparaten auf ihre Wirkungsweise zu untersuchen.