Studienabschlussarbeiten

Die Anwendungsgebiete herkömmlicher Bewegungssysteme auf Basis von Vortriebselementen wie Rädern, Flossen, Beine, etc. sind aufgrund deren Miniaturisierungsmöglichkeiten begrenzt. Vor allem in Bereichen der Medizintechnik, wie z.B. die minimalinvasive Chirurgie, ist ein Einsatz dieser Bewegungskonzepte oftmals nicht möglich. Dementsprechend ist die Erforschung von innovativen, nichtklassischen Lokomotionsprinzipien notwendig. Hierbei haben sich auf dem Gebiet der mobilen Robotik vibrationsbasierte Bewegungssysteme durchgesetzt. Diese Systeme ermöglichen eine gerichtete Bewegung durch eine periodische Anregung in Form von bewegten Massen und benötigen keine weiteren Vortriebselemente. Innerhalb dieser Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung einer nichtklassischen vibrationsbasierten Fortbewegung untersucht. Die unterschiedlichen Lokomotionsprinzipe werden bezüglich deren Bewegungscharakteristik untersucht. Ebenso wird der Wirkungsgrad sowie Optimierungsmöglichkeiten derartiger Systeme analysiert. Zur experimentellen Untersuchung der theoretischen Erkenntnisse wird auf Basis eines ausgewählten Lokomotionsprinzips ein Prototyp entwickelt und gefertigt. Die mit dem Prototyp durchgeführten Versuche werden ausgewertet und den theoretischen Daten gegenübergestellt. Anhand dieses Vergleiches können die theoretischen Erkenntnisse gegebenenfalls validiert werden. Abschließend wird eine Zusammenfassung und ein Ausblick über weiteres Untersuchungs- und Forschungspotential gegeben.

In dieser Masterarbeit wird ein Lokomotion System entwickelt, welches auf eine Steuerung von internen Massen basiert. Unwuchtmassen werden von Motoren in Bewegung gesetzt und führen so zu einer Bewegung des Gesamtsystems. Die Erstellung eines mathematischen Modells soll zum einen das dynamische Verhalten des Systems beschreiben und zum anderen bei der Dimensionierung des Systems helfen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen zu einer konstruktiven Entwicklung führen, die als Basis für den Aufbau des Prototyps dienen sollen. Darüber hinaus wird eine Position- und Geschwindigkeitsregelung entworfen, die auf einem Mikrocontroller implementiert werden soll. Diese regelt den Phasenversatz und die Winkelgeschwindigkeit der Unwuchtmassen. Die Dynamik des Prototyps wird aufgenommen, ausgewertet und mit dem mathematischen Modell verglichen.

Um ihre Umgebung wahrzunehmen, besitzen Arachniden mehrere Sinnesorgane, z.b. Spaltsensillen oder Trichobothrien. Damit können sie u.a. Objekte detektieren und äußere Umwelteinflüsse registrieren. Mit Hilfe dieser Sinnesorgane werden die externen Reize über ein Reizweiterleitungssystem zur Informationsauswertung an das Nervensystem weitergeleitet. Die auftretenden äußeren Reize erfordern allerdings ein unterschiedliches Maß an Reaktion. Da die externen Reize ununterbrochen auftreten (Wind, Regen), erfolgt die Reaktion adaptiv, d.h. sie passt sich ständig den Umgebungsbedingungen an. Die vorliegende Masterarbeit untersucht verschiedene adaptive Regelungsstrategien, welche an einem biologisch inspirierten Sensorsystem vorgestellt werden. Das Ziel ist, einen quantitativen Vergleich der adaptiven Regelungsstrategien mit Hilfe einer in dieser Arbeit entwickelten Bewertungsfunktion zu ermöglichen. Dazu werden unterschiedliche Regelungsvarianten aus vorangegangenen Arbeiten am Fachgebiet Technische Mechanik zusammengetragen und erläutert. Als technisches Modell dient ein Feder-Masse-Dämpfer-Schwinger mit indirekter Erregung über das Gehäuse und direkter Steuerkrafteinprägung an der Masse. Alle numerischen Simulationen werden mit der Software MATLAB durchgeführt. Um einen quantitativen Vergleich der Regelungsstrategien zu ermöglichen, werden in Abhängigkeit von der äußeren Erregung zwei Bewertungsfunktionen erarbeitet. Unter Anwendung dieser Bewertungsfunktionen werden die Regelungsstrategien unter dem Einfluss von insgesamt vier unterschiedlichen Erregungen numerisch ausgewertet. Hinzu kommen drei neue Regelungsansätze: ein Adaptionsgesetz mit Steuerkraft $u(t)$, eine modifizierte Offset-Regelung, sowie eine Rückführungsstruktur mit zuschaltendem Integral-Glied. Zwei dieser drei Varianten werden ebenfalls mit den Bewertungsfunktionen ausgewertet und die Ergebnisse mit den bisherigen Strategien verglichen. Es werden drei weitere Regelungsvarianten untersucht, die auf eine Ableitung des Systemausgangs verzichten: P-Rückführung, Regler der Ordnung 2 und Regelung mittels Differenzenquotienten. Die insgesamt "besten" Adaptionsgesetze und Rückführungen nach den Bewertungsfunktionen werden auf ein Modell eines Spurhalteassistenten angewandt und ein weiteres Mal ausgewertet. Die Simulationen zeigen, wie erfolgreich und effektiv die vorgestellten Regler die Systeme beherrschen und regeln. Die Auswahl dieser Reglerstrategien mit der Bewertungsfunktion führt zu einem sehr guten Ergebnis.

Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung eines Versuchsaufbaus zur Messung von Vorschub-Drehmoment-Charakteristiken bei Einschraubvorgängen in sandige Böden. Dieser muss ein vertikales Eingraben einer schraubenförmigen Geometrie erlauben. Methodisch orientiert sich der konstruktive Entwicklungsprozess an den VDI-Richtlinien 2221 und 2222. Zu Beginn werden, neben dem Stand der Technik, kurz ein Prototyp der TU Ilmenau und verschiedene Roboter, die sich in Böden hinein bewegen können, diskutiert. Für die prinzipielle Lösung der Problemstellung werden zwei Varianten erarbeitet und bewertet. Das gewählte Prinzip nutzt eine statische Struktur mit Sensoren und Antrieb außerhalb der Vortriebseinheit. Die Eignung dieses Prinzips wird experimentell bestätigt. Für die technische Realisierung werden erneut mehrere Varianten präsentiert, von denen eine anhand von festgelegten Bewertungskriterien ausgewählt wird. Der so entworfene Prüfstand wird aufgebaut und Messungen durchgeführt. Verschiedene Probeschrauben werden mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt und der Zusammenhang zwischen Eindringtiefe und Drehmoment für verschiedene gewählte Parameter der Schrauben ermittelt. Eine rechnerische Fehlerbetrachtung wird durchgeführt.

Mit der wachsenden Komplexität der Aufgaben für die Robotik steigt auch deren Bedarf an Sensorik zur Orientierung und Interaktion mit der Umwelt. Als Inspirationsquelle für die Entwicklung neuartiger Sensorik kann z.B. die Natur dienen. Über Millionen von Jahre entwickelten Lebewesen bereits sehr spezifische Sinnessysteme zur Untersuchung von Objekten und Vermeidung von Kollisionen mit diesen. Als biologisches Vorbild eines taktilen Sensors zur nicht-visuellen Charakterisierung von Substratkontakten dient für diese Arbeit das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren - den so genannten Vibrissen. Eine Besonderheit der Vibrissen ist die Fassung des Vibrissenhaares im Follikel-Sinus-Komplex. Durch diesen Follikel kann das Tier zum Einen Auslenkungen des Tasthaares detektieren und zum Anderen Eigenschaften der Vibrisse an die Umgebung anpassen. In dieser Arbeit werden mathematisch-mechanische Modelle nach dem Vorbild der Vibrisse entwickelt und deren Systemverhalten simuliert. Bei dem Modell, mit einem in Ferrofluid eingetauchten Körper am unteren Ende eines drehbar gelagerten Tastelementes, wird zusätzlich die Skalierbarkeit untersucht. Aufbauend auf den Simulationsergebnissen erfolgen experimentelle Untersuchungen mit Prototypen in zwei Skalierungsgrößen. Zum Einen kann ein neues Sensorkonzept experimentell bestätigt werden, bei dem durch die Auslenkung eines Tastelementes, die Änderung eines äußeren, angelegten Magnetfeldes detektiert wird. Die Skalierung des Systems zeigt einen direkten Einfluss auf die Messempfindlichkeit des Sensorkonzeptes. Zum Anderen wird eine dem "Whisking" von Tieren nachempfundene, aktive Bewegung des Tastelementes erzeugt. Der Zusammenhang zwischen Amplitude und Whisking-Frequenz konnte experimentell ermittelt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass für taktile Sensorsysteme nach dem bestehenden Modell im Miniatur- bis Mikrobereich ein alternatives Sensorkonzept sowie eine alternative Lagerung von Tastelementen zu entwickeln ist. Als Grundlage für die weiteren Entwicklungen dient ein Versuchsmuster mit einem Sensorfeld aus neun Tastelementen. Durch Abtastung und Rekonstruktion einer Oberfläche mit dem Versuchsmuster kann dessen Funktionalität gezeigt werden.

Bei der Entwicklung taktiler Messsysteme zur Umgebungserkennung dient häufig die sog. Vibrisse (Tasthhaar) von Säugetieren als Vorbild. In zahlreichen Forschungsarbeiten zu diesem Thema sind die Vibrissen als gerader, zylindrischer oder konischer Stab modelliert. Die Tatsache, dass in der Natur Vibrissen grundsätzlich vorgekrümmt sind, wird in den meisten Fällen vernachlässigt. In dieser Arbeit liegt der Fokus der Betrachtungen auf der Vorkrümmung der Vibrissen, wobei besonders auf die Anwendung der Vibrissen bei der Objektabtastung eingegangen wird. Es werden zunächst die Spannungs- und Verformungsgleichungen für den vorgekrümmten Stab anhand der sog. Winkler-Bach-Theorie hergeleitet. Weiterhin wird gezeigt, dass für gewisse Grenzfälle die Gleichungen erheblich vereinfacht werden können. Anschließend erfolgt ein Vergleich mit bisher durchgeführten Untersuchungen zu vorgekrümmten Stäben bzw. technischen Vibrissen. Dabei werden Forschungsergebnisse vor allem im Bereich der Objektabtastung präsentiert, welche später als Orientierung für die durchgeführten Untersuchungen dienen. Um die Eigenschaften des vorgekrümmten Stabes besonders im Vergleich zum geraden Stab herauszuarbeiten, werden daraufhin eingehende Untersuchungen zum statischen Biegeverhalten vorgekrümmter Stäbe durchgeführt. Es werden Parameter wie Art und Richtung des Kraftangriffes, Betrag der Kraft, Art der Lagerung und Größe der Stabvorkrümmung variiert. Weiterhin wird die konkrete Anwendung vorgekrümmter Stäbe bei der Objektabtastung untersucht. Dabei werden mehrere Simulationen durchgeführt, bei denen verschieden vorgekrümmte, einseitig eingespannte, technische Vibrissen durch die Verschiebung der Einspannstelle an unterschiedlich geformten, konvexen Profilen entlangstreichen. Anhand der ermittelten Lagerreaktionen und der Position der Einspannstelle (Observablen) können die Profile rekonstruiert werden. Dabei wird grundsätzlich sowohl mit Vibrissen konstanter, als auch variabler Krümmung gearbeitet. Es wird gezeigt, dass bei geeigneter Wahl eines variablen Krümmungsradius der Abtastvorgang optimiert werden kann. Darauf aufbauend werden Experimente/Messungen an einem Versuchsstand zu Abtastvorgängen mit verschieden vorgekrümmten Vibrissen durchgeführt. Abschließend wird ausblickshaft auf das Schwingungsverhalten unterschiedlich vorgekrümmter Stäbe eingegangen. Dabei werden die Eigenfrequenzen zum einen für "natürlich" vorgekrümmte Stäbe und zum anderen für gerade Stäbe, die durch äußere Belastungen vorgespannt (und damit vorgekrümmt) sind, bestimmt. Hier erfolgt jeweils der Vergleich mit einer FEM-Simulation.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wird nach einer Regelungsstrategie gesucht, mit deren Hilfe die auf einen Sensor wirkende Erregung gemessen und identifiziert werden kann. Der Sensor wird durch ein mechanisches System in Form eines Feder-Masse-Dämpfer-Schwingers mit Freiheitsgrad 2 und indirekter Erregung über das Gehäuse modelliert. Die Sensoreigenschaften werden den aus der Natur stammenden Eigenschaften von Mechanorezeptoren nachempfunden, welche ihre Reaktion den aus der Umgebung einwirkenden Reizen anpassen können. Aus diesem Grund werden adaptive Reglerverstärkungen in dieser Arbeit verwendet. Während sich nicht ändernder Erregungen soll der Sensor weiterhin Änderungen in der Umgebung wahrnehmen und Absolutwerte identifizieren können. Zusätzlich soll er möglichst universell einsetzbar sein und einen möglichst geringen Wert des Verstärkungsfaktors benötigen. Zunächst werden bereits bestehende Regelungsstrategien zusammengetragen, untersucht und modifziert. Anschließend werden diese auf ein Sensorsystem des Freiheitsgrads 1 angewendet. Dies erfolgt über eine Simulationsstudie mithilfe der Software "MatLab", in dem das Sensorsystem mit allen Regelungsvarianten implementiert wird. Die sich als am wirkungsvollsten erweisenden Regelungsstrategien werden auf das System mit Freiheitsgrad 2 angewendet. Die Regler mit den besten Ergebnissen zur Identifikation von Bodenerregungen werden zum Schluss auf ihr Langzeitverhalten, sowie ihre Reaktion auf verschiedene Erregungsformen und zufällig gewählte Systemparameter erfolgreich und leistungsstark geprüft.

Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist die Entwicklung eines mobilen Roboters zur Fortbewegung in Quarzsand. Mit einem einfachen Aufbau soll sich dieser im Akkumulatorbetrieb vertikal in den Boden eingraben können. Roboter dieser Art können zur Erkundung von Böden auf der Erde und anderer Himmelskörper eingesetzt werden oder Rettungsmissionen in Trümmerhaufen unterstützen. Methodisch orientiert sich der konstruktive Entwicklungsprozess an den VDI-Richtlinien 2221 und 2222. Zu Beginn werden neben dem Stand der Technik auch Ansätze zur Modellierung der Bodenwiderstandskräfte betrachtet. Für die prinzipielle Lösung der Problemstellung werden mehrere Varianten erarbeitet und bewertet. Das gewählte Prinzip nutzt eine rotierende Schraubengeometrie zur Erzeugung der Vortriebskraft, wobei der notwendige Drehmomentenausgleich über Widerstandsflächen erfolgt. Die Eignung dieses Prinzips wird experimentell mit einem vorläufigen Prototypen bestätigt. Für den maßstäblichen Entwurf werden erneut mehrere Varianten präsentiert, von denen eine ausgewählt und zu einem technischen Entwurf mit den notwendigen Nachweisrechnungen ausgearbeitet wird. Die Funktionsfähigkeit des konstruierten Roboters wird experimentell bestätigt, wobei Ansätze für nachfolgende Untersuchungen gegeben werden.

Eine Erhöhung der Mobilität zukünftiger Robotersysteme erfordert in vielen Bereichen die Nutzung neuer, nicht konventioneller Fortbewegungsprinzipien. Ein relativ moderner Ansatz ist die Nutzung von Tensegrity-Strukturen zur Fortbewegung. Diese Arbeit beschreibt die Konstruktion und Inbetriebnahme eines Messsystems zur experimentellen Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Tensegrity-Strukturen. Der Messstand besteht aus einer einfachen Tensegrity-Struktur, die durch dynamische Anregung mit einem tubularen Linearmotor in Schwingung versetzt werden kann. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera lassen sich die Bewegungen der Struktur digital aufzeichnen und grafisch darstellen. Die Untersuchungsergebnisse belegen einen direkten Zusammenhang zwischen Anregungsfrequenz und Bewegungsverhalten der Tensegrity-Struktur.

Die Mehrkörperapproximation schwingender Kontinua ist eine leistungsfähige Methode zur Untersuchung der Eigenkreisfrequenzen nahezu beliebiger Systeme. Die Theorie hinter diese Methode wird ausführlich erklärt und angewendet. Diese Arbeit zeigt, dass die in [BWS14] beschriebenen atypischen Eigenschaften von viskoelastisch gelagerten Biegebalkenkontinua in der Mehrkörperapproximation selbiger ebenso auftreten. Dieses Verhalten stellt sich in einer sprunghaften Änderung der Eigenkreisfrequenzen dar. Wenn z.B. die Federsteifigeit erhöht wird und der Dämpferkennwert gleich bleibt, kann die Eigenkreisfrequenz von Null auf einen Wert springen. Außerdem steigen für manche konstanten Federsteifigkeiten die Eigenkreisfrequenzen mit dem Dämpferkennwert an. Kleinere Abweichungen zwischen Kontinuum und Mehrkörpersystem wurden beobachtet. Da im Mittelpunkt dieser Bachelorarbeit die Approximationsrechnungen zur näherungsweisen Bestimmung von Eigenkreisfrequenzen durch Mehrkörpersysteme stehen, werden Parametervariationen an diversen Systemen durchgeführt, wie z.B. die Längenaufteilung der diskreten Elemente, um eine möglichst exakte Approximation zu erreichen.