Etablierung eines Parameter-Setups für das Bioprinting von Alginat-Gelatine basierten Organoiden für das Tumor Tissue Engineering. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Das übergeordnete Ziel dieser Abschlussarbeit war es, ein Parameter-Setup für das Bioprinting des Hydrogel-Komposits Gelatine-Alginat zu ermitteln, welches eine 3D-Kultivierung der invasiven Tumorzelllinie MDA-MB-231 ermöglicht. Ausgehend von einer grundlegenden Charakterisierung der Precursor des Hydrogel-Komposits mittels Rheologie wurde ein optimiertes Parametersetup für das extrusionsbasierte Bioprinting entwickelt und validiert. Dabei zeigte sich, dass das verwendete System aus Material und Druckplattform in der Lage ist, dreidimensionale Strukturen mit einer Auflösungsgrenze von ca. 500 [my]m zu erzeugen. Eine mechanische Charakterisierung der Hydrogele mittels Indentationsmessungen zeigte, dass das Materialsystem Gelatine-Alginat je nach Zusammensetzung und Nachvernetzungsstratiegie fähig ist, einen Steifigkeitsbereich von ca. 50 kPa - 1.000 kPa zu erreichen. Diese Signatur des Komposit-Materials macht es aus biomechanischer Sicht hochinteressant für das Tumor-Tissue Engineering. Im Weiteren wurde mit der verwendeten Geräteplattform ein Verfahren entwickelt, welches die Möglichkeit des Druckes von zellulären und biochemischen Gradienten in einem Hydrogel erlaubt. Eine finale zellbiologische Validierung erbrachte eine Überlebensquote der verdruckten Zellen von nahezu 70 %. Weiterhin konnten zellbiologische Reaktionen auf einen biochemischen Gradienten nachgewiesen werden.
Drehmomentanalyse eines biologisch inspirierten Roboterarms. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist es, zu erforschen, wie die Bewegung eines Roboterarms beeinflusst wird, wenn die Steifigkeit des Aktorsystems verändert wird. Dazu wurden Komponenten der bereits im Projektseminar entwickelten Aktorstruktur verwendet. Schließlich wurde ein komplettes Modell des Roboterarms entworfen, um ihn gleichmäßig und flüssig zu bewegen. Bei der Programmierung des Roboterarms wurde eine PID-Regelung verwendet, um die Bewegung des Arms zu optimieren und die Reaktionszeit zu verringern. Der Roboterarm kann einfache Manipulationsaktionen durchführen. Am Ende der Forschung wird der Roboterarm unter verschiedenen Bedingungen getestet und überprüft. Zum Abschluss der Analyse wurden die experimentellen Daten und Auswertungen einbezogen.
Erzeugung einer nichtlinearen Übertragungsfunktion zur Kompensation von Längsschwingungen im Antriebsstrang eines Wheg-Roboters. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Für die unbemannte Exploration komplexen Geländes schlägt das Fachgebiet Biomechatronik der TU Ilmenau einen mobilen, hindernistauglichen Wheg-Roboter vor. Das Wheg (engl. = Wheel-Leg) ist eine einfache technische Struktur, die die Vorteile von Rad und Bein kombiniert. Basierend auf diesem Prinzip wurde ein Wheg-Roboter, namens TerX, entwickelt. Charakteristisch für Whegs sind vertikale und horizontale Schwingungen am Drehpunkt, welche sich nachteilig auswirken. Mit der Plattform TerX wird das Ziel verfolgt, beide Schwingungstypen weitgehend zu kompensieren. In vertikaler Richtung war dies erfolgreich, in horizontaler Richtung hatte das dazu eingesetzte Zugmittelgetriebe technische Schwächen. Diese Arbeit hat zum Inhalt, den Antriebsstrang des TerX zu überarbeiten, zuverlässige Lösungen für die Erzeugung der notwendigen nichtlinearen Übertragungsfunktion im Antriebsstrang zu finden und unter Beibehaltung der bereits funktionierenden Strukturen eine Lösung konstruktiv umzusetzen. Des Weiteren sind geeignete Lagerungen für bewegliche Teile, Unempfindlichkeit gegenüber Schmutz und Leichtbau als Konstruktionskriterien einzubeziehen. Zur Erzeugung der nichtlinearen Übertragungsfunktion wird im Ergebnis ein Ellipsenzahnrad höherer Ordnung verwendet. Im Vorfeld der Konstruktion werden verschiedene Umsetzungskonzepte erörtert und bewertet. Das beste Konzept dient als Ausgangspunkt für Festigkeitsnachweise, Simulationen und den abschließenden technischen Entwurf.
Bestimmung der Kinematik der Oberextremitäten bei Montagearbeiten. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Auftretende Beanspruchungen durch körperliche Belastung beurteilen, oder auch Assistenzsysteme zur Verringerung von Belastungen auslegen zu können, setzt eine genaue Kenntnis der Kinematik des menschlichen Bewegungsapparates voraus. Um die Kinematik der Oberextremität bei Bewegungsabläufen zu untersuchen, die an Montagearbeiten angelehnt waren, wurde am Universitätsklinikum Jena eine Probandenstudie durchgeführt. Hierbei wurde ein infrarotmarkerbasiertes Kamerasystem der Firma Qualisys zur Bewegungsanalyse genutzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird zu Beginn der aktuelle Stand der Wissenschaft zur Kinematikanalyse der Oberextremität mittels optischer markerbasierter Messsysteme und Inertialmesssysteme betrachtet. Anschließend wird ein Modell entwickelt, das die Kinematik der Bewegungen der durchgeführten Probandenstudie analysiert. Hierfür wird ein Modell erstellt, das die dreidimensionalen Gelenkwinkel anhand von Kardanwinkeln bestimmt. Untersucht werden Bewegungen im Schulter-, Ellenbogen- und Handgelenk. Außerdem werden Kennwerte der kinematischen Daten wie Minima, Maxima und Bewegungsumfänge ausgegeben. Desweiteren wird ein Messsetup entwickelt, das Inertialsensoren (dreiachsige Gyroskope und Accelerometer) nutzt, um die Kinematik der Oberextremität unter Nicht-Laborbedingungen erfassen zu können. Aus Sensoren an Thorax, Ober- und Unterarm bestimmt das Modell mittels Kalman-Filter und Kardanwinkeln kinematische Daten wie Gelenkwinkel, Winkelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen. Eine statistische Auswertung einer exemplarischen Auswahl an Probanden der Studie des Universitätsklinikums Jena zeigt, dass die minimalen und maximalen aufgetretenen Gelenkwinkel den Werten aus der Literatur zu Bewegungsumfängen entsprechen und gleichzeitig nicht alle theoretisch möglichen Freiheiten der Gelenke ausgenutzt werden. Anhand zusätzlicher, an der Technischen Universität Ilmenau durchgeführter Messungen, in denen das optische Messsystem und die Inertialsensoren parallel verwendet wurden, können die Ergebnisse, die beide Berechnungsmodelle liefern, miteinander verglichen werden. Es kann gezeigt werden, dass die Modelle keine identischen, aber ähnliche Ergebnisse liefern und die durchgeführten Bewegungen klar erkannt werden können. Vor allem im Bereich des Ellenbogengelenks kann eine gute Übereinstimmung erreicht werden. Bei der Interpretation dieser Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass die Genauigkeit der Daten beider Messsysteme durch Hautverschiebungen und Weichteilbewegungen beeinflusst werden und somit fehlerbehaftet sind.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Kinematik-Simulation eines Robotergreifers bestehend aus einem Greifarm und einer Greifhand zur Dynamikparametervariation für die Exploration der Strukturoptimierung. Geräte dieser Machart, die mit einem Robotergreifer verbunden sind, werden getestet, um bestimmte Frameworks mithilfe von Software- und Hardware-Instrumenten zu bewerten. Dieses 3D-Simulationssystem wird mit MATLAB®, Simulink®, dem V-Realm Builder Tool und Adams® realisiert. In der Simulation können die Systembedingungen unter Berücksichtigung der Einschränkungen des zu identifizierenden Objekts und seiner Dynamikparameter geändert werden. Dieses System implementiert die Simulation der Eigenschaften eines Robotergreifers unter Verwendung dynamischer Eigenschaften wie die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Reibung und die Dämpfung. Das Ändern von Manipulations- und Geschicklichkeitsparametern kann in einer grafischen Anzeige dargestellt werden, die die dynamischen Effekte in Echtzeit zeigt.
Entwurf und Realisierung einer ergonomischen Tragstruktur und Kinematik für ein Ellenbogen-Exoskelett. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Das Entwerfen einer ergonomischen Ellenbogen-Exoskelett-Tragstruktur ist die Hauptaufgabe dieser Arbeit. Dazu werden die Kinematik und Parameter des menschlichen Ellenbogens und Unterarm erläutert, wie der Bewegungsbereich des Ellenbogens, die Bewegungsfreiheit und das Antriebsmoment. Die Druckfestigkeit des menschlichen Arms und die Bewegungsgeschwindigkeit des menschlichen Unterarms sind ebenfalls wichtige Parameter bei der Konstruktion. Das Exoskelett muss die Anforderungen eines bestimmten Gewichts und Bewegungsbereichs erfüllen, um sich an unterschiedliche Benutzer anzupassen. Durch Recherche an den vorhandenen Exoskeletten werden die bisherigen Mängel von Technologie, Materialien und Design vermieden, um ergonomischere Produkte zu entwerfen. Damit die Geräte weit verbreitet eingesetzt werden können, ist es notwendig, dass ihre Herstellungskosten reduziert werden. Das passende Prinzip wird ausgewählt, welches die Anforderungen am besten erfüllt. Dann wird eine ergonomische Tragstruktur für ein Ellenbogen-Exoskelett hergestellt. Weitere Tests und Experimente werden am Messgerät durchgeführt.
Nutzung myoelektrischer Signale zur Steuerung von Aktoren. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Anzahl der schwer behinderten Menschen steigt stetig an, was eine Entwicklung der Diagnostik und Therapiemöglichkeiten zu einem Interessanten und stetig wachsenden Bereich werden lässt. In der heutigen Zeit bestehen zahlreiche Konzepte Menschen mit einer körperlichen Behinderung, beispielsweise einer Amputation einer Gliedmaße, das Leben zu erleichtern und zudem Lebensqualität zu schenken. Neben handelsüblichen Prothesen existieren bereits verschiedene Konzepte der mechanischen, technischen und aktiven Unterstützung des menschlichen Bewegungsapparates. Neben der Anwendung im medizinischen Bereich steigt das Interesse an solchen Unterstützungsmechanismen auch in der Industrie. Durch sogenannte Exoskelett-Systeme soll der Arbeitnehmer körperlich entlastet werden und somit Erkrankungen des Bewegungsapparates aktiv entgegengesteuert werden. Eine Möglichkeit der Entlastung besteh dabei durch das Erfassen der myoelektrischen Signale, sodass diese zum Beispiel zur Steuerung von Exoskeletten genutzt werden. Aus diesem Grund sollte in dieser Arbeit ein Versuchskonzept erstellt werden, welcher myoelektrische Signale abgreift, verarbeitet und als digitales Signal ausgibt, welches zum Steuern von Aktoren genutzt werden kann. Als Basis der Arbeit wurde ein bereits bekanntes Versuchskonzept genommen und modifiziert, sodass die Ziele der Arbeit erreicht werden. Eine Bewegungsfolge sollte den Versuchsaufbau auf dessen Funktionalität prüfen und Aussage über die Aktivität des gemessenen Muskels geben. Der Versuchsaufbau umfasste dabei ein Elektromyographie-Messsystem, welches aus einem kabellosen Sensor und einer Empfangsstation besteht. Die daraus erhaltenen analogen Signale sollten einer Signalverarbeitung unterzogen werden, sodass am Ende ein digitales Signal zur Weiterverarbeitung in einem Mikrocontroller zur Steuerung eines Aktors zur Verfügung steht. Die Signalverarbeitung sollte dabei anhand eines Arduino Uno Mikrocontrollers stattfinden. Weiterhin sollte eine Aussage über die Latenzzeit des Systems getroffen werden.
Entwurf und Realisierung der elektronischen Steuerung eines Wheg-Roboters. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Der T-Whex ist Prototyp eines Roboters, bei dem anstelle von Rädern jeweils zwei parallele Whegs, sogenannte Doppelwhegs, zum Einsatz kommen. Das Wort "Wheg" setzt sich hierbei aus den beiden englischen Begriffen "wheel" (Rad), und "leg" (Bein), zusammen. Diese Doppelwhegs ermöglichen eine Variation der Speichenzahl und sollen bei einer rasterförmigen Kartografierung von Umweltbelastungen in den ehemaligen Balkanstaaten zu dem notwendigen Kompromiss aus Geländegängigkeit und Energieeffizienz führen. Eine aktive Gelenkverbindung zwischen den beiden Achsen sorgt dabei für eine nochmals verbesserte Wendigkeit. Das komplexe Antriebskonzept stellt allerdings hohe Ansprüche an die Steuerungselektronik des Roboters. Im Rahmen dieser Arbeit werden zunächst die Anforderungen an eine solche Elektronik analysiert. Auf den Entwurf und Vergleich verschiedener Lösungsansätze folgt eine Konkretisierung und Umsetzung des bestgeeigneten Konzepts. Neben dem Entwurf der Software steht auch der Reglerentwurf für Gelenkverbindung und Doppelwhegs im Vordergrund. Mittels PID-Kaskadenregelungen gelingt es, eine präzise Regelung umzusetzen. Ziel der Arbeit ist nicht nur eine funktionierende Steuerungselektronik, sondern auch die Beseitigung aller konstruktiven Mängel des T-Whex, sodass dieser in Zukunft als Demonstrator des Doppelwheg-Prinzips und als Grundlage für weitere Arbeiten dienen kann.
Untersuchung und Entwicklung von Konzepten zur zellulär getriebenen Pneumatik in nachgiebigen mechanischen Komponenten. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der konzeptionellen Untersuchung der zellbasierten Druckerzeugung und gezielten Druckeinstellung zur Aktuierung fluidmechanischer nachgiebiger Systeme. Untersuchungsgegenstand sind mehrere gekoppelte miniaturisierte Bioreaktoren. Der erhöhte Innendruck entsteht dabei durch die gasförmigen Stoffwechselprodukte von Zellen. Da sich dies über verschiedene Wege realisieren lässt, wird eine Auflistung relevanter Biosyntheseprozesse mit den dazugehörigen Zellen und prozessspezifischen Einflussfaktoren erstellt. Durch die Wahl eines abgeschlossenen Systems führt die stetige Gasproduktion zu einem steigenden Innendruck, wodurch ein nachgiebiger Aktuator aus Silikonelastomeren verformt wird. Dieser kann direkt in das System integriert sein oder als externes Bauelement vorliegen. Unterschiedliche Gestaltungsvarianten werden in einer Übersicht zusammengefasst. Aufbauend auf den präzisierten Anforderungen, die an ein nachgiebiges System mit zellulär getriebener Pneumatik gestellt werden, findet schließlich die Auswahl eines geeigneten Biosyntheseprozesses sowie einer Gestaltungsvariante statt. Die abschließende konkretisierte Konzeption eines gekoppelten nachgiebigen Systems mit zellulärer Pneumatik erfolgt in Form einer Prinzipdarstellung auf biologischer und pneumatischer Betrachtungsebene sowie der schrittweisen Erläuterung des theoretischen Ablaufes. Es lässt sich festhalten, dass die zellbasierte Druckerzeugung und gezielte Druckeinstellung in nachgiebigen Systemen technisches Anwendungspotential besitzen, wobei die Temperatur und die Substratkonzentration die ausschlaggebenden Einflussfaktoren auf die Gasproduktion sind. Die Temperatur hat neben dem direkten Einfluss auf die zeitliche Dauer der Reaktionen einen indirekten Einfluss auf den entstehenden Druck im System, indem sich die Aktivität der Zellen steuern lässt. Die Substratkonzentration hingegen beeinflusst direkt das Zellwachstum und vor allem die Reaktionsfreude für den Metabolismus und somit auch die Gasproduktion.
Entwicklung und Test neuartiger Gehörschutzsysteme auf Basis klassifizierter Gehörgangsdaten. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Ohr ist eines der wichtigsten und durch die steigende Technisierung sowohl im privaten als auch im Arbeitsumfeld am stärksten belasteten Sinnesorgane des Menschen. Die Lärmprävention gewinnt daher im Alltag, in Arbeitsstätten, Industrie und Wissenschaft immer mehr an Bedeutung, um Schwerhörigkeit zu vermeiden. Eine Möglichkeit besteht darin Gehörschutzsysteme zu nutzen. Da bisher bestehende Systeme Mängel aufweisen, wäre es lohnenswert neuartige Gehörschutzsysteme zu entwickeln, die weitestgehend universell einsetzbar sein sollen. Um das umsetzen zu können, müssen Gehörgangsgeometrien besser verstanden werden und überprüft werden, ob der Versuchsstand, bestehend aus Messmikrofon, Lautsprecher und Ohrmodellhalterung, am Fachgebiet der Biomechatronik an der Technischen Universität Ilmenau zur Schalldruckmessung zur Testung von Gehörschutzsysteme geeignet ist. Diese Ziele waren Kernpunkte der Arbeit und sollen eine Basis schaffen, um im weiteren Schritt die Entwicklung eines neuartigen Gehörschutzsystems zu ermöglichen. Zur Klassifizierung der Gehörgangsgeometrie wurden 50 Ohrmodelle mit Hilfe des von Giese, 2013 geschriebenen Programms genauer betrachtet, mit den Ergebnissen einer manuellen Erkennung verglichen und eine Methode zur Klassifizierung, die Clusteranalyse, vorgestellt. Die gewonnenen Informationen aus der manuellen Erkennung und des Programms zeigten keine große Übereinstimmung hinsichtlich der Knickbestimmung. Größere Datenmengen wären hilfreich für die Überprüfung der bisherigen Ergebnisse. Mit dem an der Technischen Universität Ilmenau vorhandenen Versuchsstandes erfolgten Schalldruckpegelmessungen mit verschiedenen Gehörschutzsystemen an einem Modell des Außenohres aus Kunstharz (Polylactid), um deren Wirksamkeit zu überprüfen und zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten, das Otoplastiken die Pegel am geringsten mindern, somit dem Anwender aber die Wahrnehmung vieler Frequenzbereiche ermöglichen. Da das verwendete Messmikrofon (micW i436) für Apple-Produkte ausgelegt ist, können die Ergebnisse nicht mit denen der Arbeit von Finke, 2016 verglichen werden und es wäre von Vorteil ein alternatives Messmikrofon für Windows- oder andere Produkte mit linearem Frequenzgang in Betracht zu ziehen. Eine Teilaufgabe der Arbeit, war es die Patentrecherche von Hariri, 2018 auszuwerten und zu systematisieren, um einen Überblick vom Stand der Technik im Bereich Gehörschutzsysteme zu erhalten. Hierfür wurde die Datenbank eingesehen und erweitert, um relevante Patente effektiv herausfiltern zu können. Die Erweiterung bestand unter anderem daraus, dass Eigenschaften der Patente wie aktiver/ passiver Gehörschutz, Innen- und Außenohrsysteme bestimmt wurden und nachgetragen wurden.