Master- und Diplomarbeiten

Zeitmangel und fehlende Motivation werden in der modernen Gesellschaft häufig als Gründe für den Verzicht auf konventionelle sportliche Betätigung genannt. Als Alternative ist deshalb seit einigen Jahren das Training mittels elektrischer Muskelstimulation (EMS) populär geworden, welches schnelle Erfolge mit nur 20 Minuten pro Trainingseinheit verspricht. Das Ziel der Masterarbeit war die Erarbeitung eines Konzepts für ein neuartiges EMS-Trainingssystem für den Studio- und Heimgebrauch, welches eine individualisierte und an die Bewegung angepasste Muskelstimulation mit einer virtuellen Realität verbindet und somit Nutzer-akzeptanz und Effektivität des Trainings steigert. Auf Basis einer Literaturrecherche wurden der Stand der Technik, der Markt und potenzielle Nutzer analysiert und mittels eines Probandenversuchs Erkenntnisse zur Aktivierung spezifischer Muskeln gewonnen. Im Ergebnis der Arbeit stehen ein umfassender Anforderungskatalog und ein Konzept, deren Fokus auf der Kombination von Elektromyostimulation und Elektromyographie zur parallelen Stimulation und Messung der Muskelaktivität liegt. Entscheidend hierfür ist neben dem zeitlichen Zusammenspiel der Komponenten die Konfiguration der verwendeten Oberflächenelektroden. Aufgrund der Ergebnisse wird erwartet, dass bei der Implementation des Systems Probleme unter anderem in Bezug auf die Wahrnehmung des Anwenders und die zeitliche Koordination der Aktivitätsmessung und der Regelung der Stimulationsparameter auftreten. Die theoretischen Ausführungen dieser Arbeit dienen als Grundlage für die praktische Entwicklung des Trainingssystems und den nutzerzentrierten Designprozess.

Der Einsatz kollaborativer Robotersysteme in Produktionssystemen und -einrichtungen gewinnt eine immer größere Bedeutung. Diese Entwicklung betrifft insbesondere Fertigungsbereiche mit hohen Anforderungen an die Flexibilität der Stückzahlen oder Variabilität der Produkte. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich der Einsatz von kollaborativen Robotern in einer Montagestrecke auswirkt und dafür ein entsprechendes Anwendungskonzept entworfen. Nach Festlegung der Anforderungskriterien wurde eine Auswahl möglicher Roboter getroffen, deren Einsatzmöglichkeiten geprüft und ein Konzeptvorschlag für den Einsatz in der Montage von Autobatteriemodulkomponenten erarbeitet. Dieser Vorschlag wurde mit dem jetzigen Stand verglichen und bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz zweier zusätzlicher kollaborativer Roboter in diesem Scenario lohnenswert ist gegenüber der bisherigen Lösung mit lediglich einem Entladeroboter. Der Nachweis wurde geführt über die Betrachtung ökonomischer Kennzahlen (Arbeitszeit, Investitionskosten) wie auch Qualitätskriterien (Montagegenauigkeit).

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.

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.

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.