Applikation von Strömungen in miniaturisierten Fluidstrukturen und Mikrosystemen. - Online-Ressource (PDF-Datei: VI, 134 S., 3,58 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Enth. außerdem: Thesen
Biologische Zellen können in ihrer Ausdifferenzierung durch gezielte Applikation mechanischer Kräfte beeinflusst werden. Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Methoden zur mechanischen Zellstimulation entwickelt. In der vorliegenden Arbeit wird eine Basis für die Erforschung der Ausdifferenzierung von biologischen Zellen aufgrund gezielter Strömungsreize im Mikrosystem erarbeitet. Dazu werden Versuche in einem miniaturisierten System sowie im Mikrosystem durchgeführt. In einem speziell entworfenen Messaufbau simuliert im miniaturisierten System eine Petrischale mit 30 mm Durchmesser die Reaktionskammer des Mikrosystems. Die Strömung wird über Kapillarbündel durch verschiedene Betriebszustände eingeleitet. Dabei wird das Verhalten der Strömung sowohl mit zunehmendem Stirnflächenabstand der durchströmten Kapillaren, als auch in die Breite, quer zur Strömungsrichtung untersucht. Zusätzlich werden die Messungen in verschiedenen horizontalen Ebenen in vertikaler Richtung betrachtet. Durch geringfügige Modifikation kann das miniaturisierte System durch ein Mikrosystem ausgetauscht werden und ähnliche Messungen durchgeführt werden. - Die Auswertung der Versuche zeigt zunächst, dass es möglich ist mit dieser Vorrichtung Strömungen im Mikrosystem zu messen. Weiterhin können die gewonnenen Informationen über das Verhalten der Strömung vom miniaturisierten System auf das Mikrosystem übertragen werden.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2008200037
Entwicklung eines Bedienkonzeptes für Synthetic-Vision Darstellungen in hochagilen Flugzeugen. - 146 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Seit einigen Jahren werden die Anzeigen von Flugzeugcockpits vermehrt zur Darstellung einer künstlichen Außenansicht genutzt. Diese computergenerierte Abbildung der Realität wird aus Datenbank- und Sensorinformationen erzeugt. Die damit erzeugte Außenansicht kann man in Eigenschaften und Inhalte untergliedern. Sie wird in der zivilen Luftfahrt als primäre Fluganzeige eingesetzt um schwere Unfälle, wie z.B. einen "controlled flight into terrain" oder "runway incursions", zu verhindern. Um den Pilot eines Mehrzweckkampflugzeuges bei der Ausführung von militärischen Mission zu unterstützen, müssen die Eigenschaften einer künstlichen Außenansicht variabel und manipulierbar sein. Um dies zu realisieren wurden im Rahmen von Experteninterviews adäquate Voreinstellungen und Verstellmöglichkeiten der Eigenschaften, wie zum Beispiel das Sicht- oder Fokusfeld, für die Flugphasen "Air-to-Air", "Air-to-Surface" und "Navigation" ermittelt. In der anschließenden Evaluation wurden aus verschiedenen Bedienkonzepten die geeigneten Elementen für einen Konzeptvorschlag extrahiert. Das resultierende Bedienkonzept ermöglicht die intuitive Interaktion mit den Eigenschaften einer künstlichen Außenansicht in hochagilen Flugzeugen.
Intuitive Steuerung der Fortbewegung eines Kletterrobotersystems. - 65 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
In der vorliegenden Arbeit wurde der Prototyp eines Kletterroboters weiterentwickelt, mit dem Ziel eine Steuerung sowie eine Sensorik zu konzipieren und umzusetzen. - Der Roboter ist variabel konstruiert, mit den Anforderungen an einer Stange entlang zu klettert und an eine andere Stange wechselt um Hindernissen auszuweichen. Dabei erfolgt der Aufbau mit zwei Modultypen: Den Bewegungs- bzw. Greifmodulen. - Zu Begin diese Arbeit erfolgte eine Prüfung des Prototyps. Anhand dieses Zustandes wurde festgestellt, dass im Vorfeld zu einer Steuerung weitere Arbeiten zu leisten sind. Diese umfassten hauptsächlich den Aufbau einer programmierbaren Steuerhardware und einer Energieversorgung. - Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Roboterstruktur in der Bewegung eingeschränkt war: eine Rotation um die Kletterstange war nicht möglich. Um eine erweiterte Beweglichkeit zu erhalten, wurde ein zusätzliches Bewegungsmodul in der Mitte des Roboters eingefügt, welches die fehlende Rotation ermöglicht. - Für die Steuerelektronik wurde eine neue Modulart entworfen: die Controllermodule. Sie basieren auf Bewegungsmodulen und realisieren weiterhin die Bewegungsfunktion enthalten aber zusätzlich einen Mikrocontroller zur Ansteuerung. - Zum Erstellen eines Sensorkonzeptes wurde ein Schema entwickelt, mit der man anhand einer gewünschten Steuerung relevante Sensorbereiche bestimmen kann. Dann erfolgt die Entwicklung des Sensorkonzeptes anhand einer einfachen Vorgehensweise. - Für den Kletterroboter wurde ein Sensorkonzept erstellt und umgesetzt, welches die Relativposition vom Greifer zur Kletterstange feststellt und so eine einfachere Steuerung ermöglicht. - Zur Ansteuerung des Roboters wurden vier verschieden Ansteuerprogramme geschrieben, die jeweils aufgabenabhängige Vor- und Nachteile haben. Diese Programme könne im laufenden Betrieb des Roboters geändert werden, so dass immer das aktuell praktikabelste Programm gewählt werden kann.
Intuitive Steuerung der Fortbewegung eines mobilen Robotersystems. - 61 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Ziel der Arbeit war es eine intuitive Steuerung für ein mobiles Robotersystem zu entwickeln. - Dafür wurde als erstes betrachtet, welche Systeme mit ähnlichem mechanischen Aufbau bereits existieren. Hier wurden der Rhex und die Whegs-Serie betrachtet und hinsichtlich ihrer Mechanischen und Steuerungstechnischen Beschaffenheit betrachtet und verglichen. Während der Rhex einen Antrieb für jedes Bein besitzt, nutzt die Whegs-Serie einen Antrieb für alle Beine und regelt die Gangart über die Nachgiebigkeit der Achsen. - Die daraus entstandenen Rückschlüsse flossen in die Steuerung des RoLV ein. Anschließend wurde ein Blick auf den RoLV des Fachgebiets Bieomchatronik geworfen und der Ist-Zustand beleuchtet. - Im nächsten Abschnitt wurde dann ein Blick auf den Stand der Wissenschaft bezüglich der Steuerung von mobilen Robotern gelegt, deren Hauptaugenmerk auf Autonomie liegt. Hier wurde beleuchtet welche Sensoren für einen Roboter sinnvoll erscheinen und diese kurz beschrieben. - Dann wurden die zwei großen Ansätze für Steuerungsarchitekturen, der funktionelle und der reaktive Ansatz vorgestellt. Anschließend wurden die nötigen Komponenten einer Steuerung wie, Navigation, Kartenerstellung, Pfadplanung beschrieben und einige Methoden vorgestellt. - Mit Hilfe dieser Informationen wurde eine Roboterarchitektur erstellt, welche man als "Wunschsystem" bezeichnen könnte. Sie beinhaltet alle Komponenten, die eine Steuerung eines Robotersystems benötigt. Da eine komplette Umsetzung der Steuerung den Rahmen einer Diplomarbeit sprengen würde, wurde es soweit reduziert, dass es mit dem aktuellen Aufbau umsetzbar war. - Auf Basis dieser Architektur wurde ein Steuerkonzept entwickelt, welches es einem Nutzer ermöglicht, dem Roboter direkte Fahrbefehle mittels eines Joysticks zu übertragen. Diese Befehle werden wahlweise direkt als PWM-Steuerung an die Motoren weitergeleitet, oder dienen als Sollwerte für eine Drehzahlregelung. Der Nutzer erhält eine Rückmeldung über die aktuellen Drehzahlen und Winkelpositionen. Zusätzlich stellt die Steuerung einige Zusatzfunktionen wie Anfahren der Home-Position und Gangartwahl bereit.
Objektive Ermittlung von Einschränkungen des Hörvermögens durch die Messung otoakustischer Emissionen am Beispiel praktizierender Musiker. - 109 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Diese Arbeit hatte zum Ziel lärmbedingte Veränderungen des Hörvermögens an Musikern zu untersuchen. Dabei sollten transitorisch evozierte otoakustische Emissionen - TEOAE gemessen und verglichen werden. Die TEOAE sind Nebenprodunkte der aktiven Reizverarbeitung der äußeren Haarzellen der Cochlea. Da eine Schallbelastung eine Ermüdung der äußeren Haarzellen verursacht, wird ein Vergleich der TEOAE-Messungen nach einer Schallbelastung Veränderungen zu einer Messung zeigen, der keine Lärmbelastung vorausgegangen ist. Diese Studie wurde an Musikern durchgeführt. Musiker stellen eine besondere Zielgruppe bei der Erforschung von lärmbedingten Veränderung des Gehörs dar. Sie sind durch ihre Tätigkeit ständig hohen bis höchsten Schallbelastungen ausgesetzt, sind aber dringend auf ihr Gehör angewiesen. Die Grundannahme dieser Studie lag darin, Vergleiche der individuellen TEOAE-Eingangs-Ausgangsfunktionen (TEOAE- Wachstumsfunktionen) vor und nach einer Lärmbelastung anzustellen. Dabei sollte die doppelt-logarithmische Darstellung der TEOAE-Wachstumsfunktionen eine Veränderung des Anstiegs und des Pegels der nExp-Messung zeigen. Die doppelt-logarithmische Darstellung linearisiert den nichtlinearen Zusammenhang zwischen den TEOAE und dem auslösenden Stimulus. Dadurch waren die Ergebnisse nicht zufriedenstellend und es musste nach einer anderen Methode zur Auswertung gesucht werden. Die Darstellung der TEOAE-Wachstumsfunktionen in einem linearen Diagramm zeigt die nichtlinearen TEOAE-Wachstumsfunktionen. Die nichtlinearen TEOAE-Wachstumsfunktionen ließen sich durch eine potentielle Regression, d.h. mit einer Potenzfunktion beschreiben. Die Lärmbelastungen drückten sich nun in einer Pegelabwanderung und in einer Linearisierung der TEOAE-Wachstumsfunktionen aus, die in speziellen Darstellungen ausgewertet wurden. Bei dieser Studie wurde strukturiert und wissenschaftlich vorgegangen. Ein ausführliches Grundlagenstudium führte zur Planung der erforderlichen Experimente. Weiterhin wurde die Auswertung der Messergebnisse durch vorherige Beschreibung der Analysemethoden dargelegt. Einer tiefgreifenden Darstellung der Messergebnisse folgte eine Diskussion der Ergebnisse. Die Diskussion führte zu Schlussfolgerungen, die als Ergebnis am Ende dieser Arbeit präsentiert wurden. Die Arbeitsweise und die Ergebnisse dieser Studie können anhand dieser vorliegenden Dokumentation nachvollzogen werden.
Entwicklung eines elastischen Rumpfelements für einen mobilen Laufroboter. - 102 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung eines beweglichen Rumpfelements für einen mobilen Laufroboter. Bei dem Roboter handelt es sich um den hexapoden Laufroboter RoLV (Rolling- or Rotating Leg Vehicle) der Technischen Universität Ilmenau. Die Nutzung einer so genannten Rotating Leg Konstruktion bietet gegenüber radgetrieben Robotersystemen einen enormen Vorteil in unstrukturiertem Gelände. Diese Vorteile können durch eine bewegliche Rumpfkonstruktion weiter ausgebaut werden. Speziell die Adaption an den Untergrund und die Verringerung auftretender mechanischer Belastungen standen hierbei im Vordergrund. - Die erste Teilaufgabe bestand darin, den Stand der Technik zu ermitteln Dazu wurde eine Recherche im technischen und biologischen Bereich durchgeführt. Die Ergebnisse hierzu waren in beiden Teilgebieten nur unbefriedigend. Festgestellt wurde, dass der Roboter Whegs den Stand der Technik auf diesem Gebiet darstellt. - Um eine Analyse der Bewegungsaufgabe und des Untergrundes durchzuführen, mussten der Roboter und das Gelände entsprechend parametrisiert werden. Das Ergebnis dieser Analyse war die Umsetzung zweier Freiheiten. Eine translatorische Freiheit entlang der x-Achse und eine rotatorische Freiheit um die y-Achse. Zwischen dem vorderen und dem mittleren Seg-ment wurden beide Freiheiten realisiert. Zwischen dem mittleren und dem hinteren Segment wurde nur eine Freiheit, die Translation, umgesetzt. Die konkretisierten Ergebnisse der Analyse wurden in einem Anforderungskatalog zusammengefasst. Weitere Anforderungen, beispielsweise den Bauraum und die Elektronik betreffend, wurden in dem Katalog ebenfalls zusammengetragen. - Die Auswahl eines geeigneten kinematischen Konzepts wurde mit Hilfe verschiedener Hilfsmittel, wie einer Kombinationstabelle und einer kriterienbezogenen Auswahltabelle, durchge-führt. Die Translation wurde mittels einer Gewindespindel umgesetzt. Die Rotation wurde über ein zweistufiges Getriebe, bestehend aus einem Stirnradgetriebe und einem Schneckengetriebe, realisiert. Die auftretende Selbsthemmung war hierbei ein wichtiges Auswahlkriterium. - In der letzten und gleichzeitig aufwendigsten Teilaufgabe wurden die Anforderungen in eine Konstruktion umgesetzt, die eine Verbesserung der Geländegängigkeit von bis zu 325% erbrachte. Hierbei mussten Motoren, Elektronik und Getriebe der unterschiedlichen Baugruppen dimensioniert und in das konstruierte Rumpfelement implementiert werden.
Konzeption und Konstruktion eines adaptiven Greifers für die Robotik. - VIII, 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Mit dem technischen Fortschritt werden Robotern, insbesondere mobilen Robotern, ständig neue Anwendungsgebiete und damit auch Bewegungsbereiche erschlossen. Im Teilgebiet Kletterrobotik liegt der Schwerpunkt dabei auf Reinigungsrobotern für große Flächen. Das interdisziplinäre Projekt InspiRat befasst sich, unter Zuhilfenahme klassischer Entwurfsansätze und Methoden der Bionik, mit der Entwicklung eines Kletterroboters, der auf Kabeln und Rohren klettern kann. - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in diesem Zusammenhang mit der Auswahl eines geeigneten Greifprinzips, sowie dem systematischen Auffinden geeigneter Konstruktionsparameter. Durch die Präzisierung der Kletteraufgabe kann gezeigt werden, dass es bisher keinen Kletterroboter gibt, der in der Lage ist die gestellten Anforderungen an Adaptivität und Substratschonung, unter den gegeben Einsatzbedingungen, zu erfüllen. Im Stand der Technik, wird ausgehend von der Systematisiernung der Industrie-Greifertechnik, der Lösungsraum soweit eingegrenzt, dass eine Konkretisierung des Greifprinzips hin zu Gelenkfingergreifern möglich ist. - Der Vergleich unterschiedlicher Gelenkfingergreifer ergibt, dass die selbstadaptive Struktur eines, nach dem Flossenstrahl-Prinzip arbeitenden Gelenkfingers, die Vorteilhafteste ist. Da die Funktion dieses Mechanismus anhand zahlreicher Parameter kofiguriert und optimiert werden kann, ist es erforderlich diesen Lösungsraum zunächst genauer zu untersuchen. - Zu diesem Zweck wird ein Freikörper-Modell aufgestellt und in Maple umgesetzt, das die Berechnung von Lage, Kräften und Momenten ermöglicht. Mit diesem Modell ist es außerdem möglich, eine große Zahl von Konstellationen automatisiert berechnen zu lassen, und so einen definierten Lösungsbereich auf zulässigen / günstigen Lösungen zu untersuchen. - Mit diesem Modell können mehrere Finray-Konfigurationen benannt werden, welche die geforderten Objektdurchmesser greifen können. Darüber hinaus kann der getriebene Aufwand gerechtfertigt werden. Gleichzeitig eröffnen sich weiterführende Fragestellungen.
Entwicklung und Konstruktion einer Roboterhand nach dem Vorbild der Primaten. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die menschliche Hand stellt ein komplexes Greif- und Sinnesorgan dar. Sie ist in der Lage sehr feinfühlige zu agieren, kann aber ebenfalls große Kräfte entwickeln. Ein Großteil der benötigten Antriebes- und Kraftübertragungselemente befinden sich im Unterarm. - Im Rahmen einer vorangegangen Arbeit wurde bereits die Struktur und die Funktion der Hand festgelegt. Basierend auf den daraus getroffenen Anforderungen an die Aktorik, werden in dieser Arbeit geeignete Antriebe aufgezeigt und eine optimale Lösung gefunden. - Die Anforderung einer anthropomorphen Gestalt, hat sowohl die Aktorwahl als auch die Konstruktion der Stütz- und Übertragungsstruktur des Unterarmes und des Handgelenkes maßgeblich beeinflusst. - Mit Hilfe der Konstruktionsunterlagen, die ein Ergebnis dieser Arbeit sind, wurde ein Prototyp gefertigt. Im Rahmen eines Prüfstandes soll mit diesem verschiedene Funktionsparameter überprüft und optimiert, sowie eine Regelung entwickelt werden.
Entwicklung eines prototypischen Instrumentes für die robotergestützte, minimal invasive Erkennung und Verfolgung der Brustwandarterie zur teilautonomen Koronarrevaskularisation. - 155 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Bei der MIRC erhält der Chirurg nur visuelle Informationen aus dem Patientenkörper. Um ihm aber auch eine Rückkopplung über Kräfte und Momente zu geben, insbesondere zur Palpation von Arterien, wurde in dieser Arbeit ein Instrument zur Detektion von Arterien entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Konstruktion des MIC-Transducers vorgestellt und besprochen. Das Instrument beinhaltet einen Ultraschalltransducer zur Detektion der Arterie, einen zugentlasteten Kraft-Moment-Sensor und ein Gelenk mit einem zwei Freiheitsgraden. Die Festforderungen sowie die meisten Wunschforderungen der Aufgabenstellung wurden erfüllt. Die Integration eines zusätzlichen Arbeitskanals war jedoch aufgrund des geringen Bauraumes nicht möglich. Die Fertigungszeit der konstruierten Transducerteile beträgt bis zu 6 Monaten und sie standen deshalb beim Aufbau des Teststandes nicht zur Verfügung. Um das Prinzip trotzdem zu validieren, wurden beim vorgestellten Teststand alternative Komponenten verwendet. Der zweite Teil dieser Diplomarbeit ist die Simulation des Ultraschalltransducers. Um den gesamten Transducer zu simulieren, wurde ein eigene Toolbox mithilfe von Matlab geschrieben. Diese beinhaltet folgende Punkte: -Erzeugung eines beliebigen Gewebephantomes mit Störquellen -Erzeugung einer Arterie mit beliebiger Orientierung im Raum -Rotatorisch angeordnete Transducerelemente in beliebiger Anzahl -automatisierte Aufteilung der Sender und Empfänger -Berechnung der Frequenzverschiebung -Darstellung der Ergebnisse. - Die Toolbox wurde speziell für die Erfordernisse zur Simulation von einer Dopplerfrequenzverschiebung erstellt. Mit ihrer Hilfe und den daraus erstellten Simulationen wurde bewiesen, dass eine Detektion der Lage einer Arterie in Bezug zum Transducer möglich ist. Für eine SFB-Verteidigung wurde ein Teststand erstellt. Dieser enthält ein Gewebephantom, die Elektronik (Mischer, Generatoren) und die Signalverarbeitung. Die Signalverarbeitung wurde mithilfe von Matlab/Simulink und Adobe Audition erstellt. Ziel war die Detektion der einzelnen Peaks der Arterie. Es wurde sowohl ein Online-Verfahren als auch ein Offline-Verfahren erarbeitet und getestet, mit denen das gesetzte Ziel erreicht wurde. Den Abschluss der Arbeit bildet ein Ausblick auf mögliche Weiterentwicklungen in den einzelnen Teilbereichen.
Operationsfeld-Temperaturüberwachung an einem Operationsmikroskop. - 103 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007
In der vorliegenden Arbeit wird die technische Umsetzung einer berührungslosen Temperaturmessung im Operationsfeld eines Operationsmikroskopes realisiert. Diese Arbeit baut auf den Erkenntnissen von Brune [2006] auf, die die Licht-Gewebe-Wechselwirkungen unter der Beleuchtung eines Operationsmikroskopes untersuchte. Besonders in der Neurochirurgie werden Operationsmikroskope mit hohen Beleuchtungsstärken genutzt, um auch in tiefen Kanälen und an schwer zugänglichen Stellen operieren zu können. Hierbei kommen für die Beleuchtungssysteme üblicherweise Xenonlampen mit einigen hundert Watt Leistung zur Anwendung. Mit dem Einsatz leistungsstarker Leuchtmittel geht aber neben einer hohen Beleuchtungsstärke auch eine hohe Wärmeentwicklung im beleuchteten Operationsfeld - dem Leuchtfeld - einher. So werden auf der Haut des Patienten schnell Temperaturbereiche erreicht, bei denen Verbrennungen nicht ausgeschlossen werden können. Da Wärmestrahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, wird eine technische Lösung zur Überwachung der thermischen Belastung des Gewebes unerlässlich. Dabei reicht es nicht aus, durch indirekte Messverfahren auf die Temperatur im Leuchtfeld zu schließen, wie sie von Brune [2006] durch die Messung der Bestrahlungsstärke mit einer Fotodiode durchgeführt wurde. Durch verschiedene Einflussfaktoren kann von dieser Größe nicht auf die entstehenden Temperaturen auf der Haut geschlossen werden. Es ist vielmehr nötig, die Temperatur direkt auf der Hautoberfläche zu messen und bei Überschreitung gefährlicher Werte den Anwender zu warnen. Aus hygienischen und praktischen Gründen kommt dabei nur eine berührungslose Messmethode in Frage, die zudem noch ortsaufgelöst sein muss. In dieser Arbeit werden die möglichen physikalischen Verfahren der berührungslosen Temperaturmessung betrachtet, die Umsetzung über verschiedene technologische Prinzipien diskutiert, und eine Variante als Messsystem technisch umgesetzt. Für die Konzepterstellung werden die nötigen Anforderungen zusammengestellt und das System unter Berücksichtigung verschiedener Gesichtspunkte konstruiert und aufgebaut. In einem Testaufbau wird es auf seine Tauglichkeit hin überprüft und Systemparameter optimiert. Da die Carl Zeiss Surgical GmbH mit der Umsetzung solch eines Messsystems und der Art der Temperaturmessung Neuland betritt, sollen hier vorrangig Erfahrungen im Umgang mit diesem System gesammelt werden. Dieses Wissen kann bei der Entwicklung neuer Operationsmikroskope in Form eines Warnsystems einfließen und den Patienten zukünftig vor Verbrennungen schützen.