Modellierung und Simulation des dynamischen Verhaltens einer Tensegrity-Struktur als Mehrkörpersystem. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellbildung und dynamischen Simulation eines mobilen Roboters, der auf einer Tensegrity-Struktur mit zwei gekrümmten Elementen basiert. Die Bewegung des Roboters wird durch das Verfahren von Antriebseinheiten entlang der gekrümmten Elemente induziert. Die Modellbildung erfolgt als Mehrkörpersystem mittels des Programms alaska/ModellerStudio. Die Arbeit umfasst unter anderem Methoden der Kontaktmechanik und Regelungstechnik. Es werden sechs Modelle entwickelt, die sich in der Modellierung der Spannelemente und der Führung der Antriebseinheiten unterscheiden. Dynamische Simulationen zeigen, dass die Modelle in der Lage sind, sowohl einachsiges Rollen als auch Kippsequenzen auf ebenem, nicht geneigtem Untergrund auszuführen.
Untersuchung eines kippenden Lokomotionssystem auf Basis einer Tesegrity Struktur. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Das Bewegungssystem ist ein wichtiger Teil des Roboters und seine Kernfunktion besteht darin, die kontrollierte Positionsänderung des Roboters zu realisieren. Ein innovatives Fortbewegungssystem kann dem Roboter mehr Flexibilität verleihen. Heutzutage gibt es viele verschiedene Bewegungsprinzipien, die in der Robotik genutzt werden, wie z.B. Rollen, Gehen und Kriechen. Gleichzeitig wird die Entwicklung weiterer Lokomotionsprinzipen angestrebt. Die aus der Architektur stammende Tensegrity-Struktur ist eine spezielle vorgespannte Struktur, die aus Zug- und Drucksegmenten besteht. Die Verbinndung der Drucksegmente miteinander erfolgt nicht direkt, sondern über Zugsegmente. Da die Tensegrity Struktur offensichtliche Vorteile wie ein hohes Gewichts-Last-Verhältnis oder eine Schockresistenz bietet, ist sie zur Realisierung von Lokomotionssystemen geeignet. Durch Formänderung der Struktur können Kippbewegungen ermöglicht werden, um eine kontrollierte Fortbewegung zu realisieren. In dieser Arbeit wird ein Bewegungssystem auf Basis einer Tensegrity Struktur vorgestellt. Die Fortbewegung wird hierbei anhand sukzessiver Kippsequenzen realisiert.
Determination of the signals recorded by carpal vibrissae of rats during locomotion and forelimb touch down. - Ilmenau. - 104 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Verschiedene Säugetiere, so auch Ratten, verfügen an ihren Pfoten über Tasthaare, die sog. karpalen Vibrissen. Untersuchungen der Fortbewegung von Ratten haben gezeigt, dass der Kontakt zwischen den karpalen Vibrissen und dem Untergrund Einuss auf das Fortbewegungsverhalten der Tiere hat. Karpale Vibrissen bestehen aus einem Haarschaft und einem Follikel. Der Haarschaft ist lang, schlank, elastisch und im Follikel gelagert, in dem sich die Mechanorezeptoren benden. Ausgehend von Vorarbeiten der Fachgebiete Biomechatronik und Technische Mechanik der Technischen Universität Ilmenau sowie der Section of Mechanical Engineering, Ponticial Catholic University of Peru, wurde ein mechanisches Modell einer karpalen Vibrisse erstellt. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, die im Follikel wirkenden Kräfte und Momente während der Fortbewegung einer Ratte zu bestimmen. Aus den ermittelten Signalen sollen Rückschlüsse auf die Beschaenheit des Kontaktes zwischen Haarschaft und Oberäche gezogen werden. Hierzu wurde die in einer Vorarbeit ermittelte Bewegungsbahn einer Rattenpfote mit dem in dieser Arbeit erstellten mechanischen Modell kombiniert. Die daraus entstandene invers dynamische Analyse wurde im Mehrkörpersimulationsprogramm ALASKA durchgeführt. Da nicht alle Eigenschaften und Parameter des biologischen Vorbilds bekannt sind, wurden z.B. der Reibkoezient, die Lagerungseigenschaften oder die Materialeigenschaften des Haarschaftes variiert. Als Ergebnis der durchgeführten Parameterstudien konnten verschiedene Einüsse bestätigt werden. Hierbei zeigen sich u. a. Eekte wie eine Änderung der Signalstärke sowie Änderungen in der Kontaktzeit.
Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Elastomeren mit thermoplastischen Partikeln. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Thermosensitive Elastomere (TSE) sind weiche, intelligente Materialien, deren Materialeigenschaften durch Temperaturänderung gesteuert werden können. Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanischen Eigenschaften thermoplastischer Elastomermaterialien zu untersuchen und eine Wissensbasis für mögliche zukünftige Anwendungen bereitzustellen. In dieser Masterarbeit wurden thermoplastisch aktive Polycaprolacton Partikel in eine flexible Silikonmatrix eingearbeitet, um ein TSE Material herzustellen. Polycaprolacton bietet mit einem niedrigen Schmelzpunkt in Bereich von 58C bis 60C gegenüber anderen thermoplastischen Materialien großes Anwendungspotential. Zur Untersuchung Temperatur veränderlicher mechanischer Materialeigenschaften wurden Probekörper verschiedener Materialzusammensetzung und Geometrien für Zug-, Druck- und Schwingungstests angefertigt. Auf Basis von thermostatischen Simulationen mit ANSYS wurde eine Heizkammer für einen Versuchsaufbau zur Untersuchung von Zug- und Druckproben konstruiert, aufgebaut und messtechnisch verifiziert. Besonderes Augenmerk beim Entwurf dieses Aufbaus lag dabei auf der möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der zu untersuchenden TSE Proben. Durch Verwendung der Heizkammer zusammen mit der Zug/Druck Prüfmaschine Zwick Roell Z005 wurden Messungen zum temperaturabhängigen Materialverhalten von Druckproben aus diesem TSE Material gemacht. Dabei wurden zwei nutzbare Effekte ausgemacht: - Temperaturabhängige Steifigkeitsänderung (bis zu -60%) - Shape Memory Effekt. Beide Effekte konnten hauptsächlich auf das Schmelzen und Erstarren der Polycaprolacton Partikel zurückgeführt werden.
Contribution to artificial tactile sensors for object contour recognition using coupled technical vibrissae. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Einige Säugetiere verfügen zur taktilen Umgebungserkundung über spezielle Tasthaare, die sog. Vibrissen. Die Verwendung dieses komplexen Sinnesorgans ermöglicht es bspw. Ratten Abstände und Orientierungen von Objekten sowie deren Konturen und Oberflächenbeschaffenheiten auf Basis weniger Berührungen durch ihre Vibrissen zu detektieren. Vibrissen kommen meist in Gruppen an verschiedensten Körperstellen (z.B. im Gesichtsfeld oder den Extremitäten) der Tiere vor. In der Literatur beschränken sich die meisten mechanischen Vibrissenmodelle auf die Betrachtung einer einzelnen Vibrisse, die zumeist als eingespannter Biegebalken modelliert wird. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an und leistet einen Beitrag zur Untersuchung realitätsgetreuerer, elastisch gekoppelter Vibrissensysteme. Der Fokus liegt auf der Objektkonturabtastung und der theoretischen Erzeugung der Lager reaktionen jeder einzelnen Vibrisse. Dabei werden das elastische Gewebe der Tiere, in das die Vibrissen eingebettet sind und die dadurch gegebene mechanische Beeinflussung der Vibrissen untereinander berücksichtigt. Zunächst erfolgt die Modellierung einer einzelnen Vibrisse durch einen langen, schlanken Balken zylindrischer Form dessen Verformungen mithilfe der nicht-linearen Euler-Bernoulli Theorie beschrieben werden. Das Modell wird anschließend in verschiedenen Abstraktionsstufen zunächst um eine elastische Lagerung und anschließend um eine zweiten Vibrisse erweitert. Die Kopplung der Vibrissen wird durch verschiedene Federstrukturen realisiert. Für die Objektabtastung wird das Vibrissenmodell quasi-statisch und translatorisch an einer exemplarisch betrachteten, streng konvexen Objekt-Profilkontur vorbeigezogen. Während der Abtastung wird zwischen den Kontaktphasen des Spitzen- und Tangentialkontakts unterschieden. Darüber hinaus werden für den Fall der Objektabtastung mithilfe mehrerer Vibrissen verschiedene Szenarien abgeleitet, um zu berücksichtigen, welche und wie viele der Vibrissen sich gleichzeitig in Kontakt mit dem Objekt befinden. Basierend auf dieser Einteilung werden verschiedene Gleichungen zur Ermittlung der Fußpunktpositionen aller Vibrissen hergeleitet. Das mechanische Modell dient als Grundlage für die Durchführung von Parameterstudien, in denen der Einfluss der Lager- bzw. Kopplungselastizität sowie des Objektabstandes auf die Lagerreaktionen der einzelnen Vibrissen untersucht wird. Dabei zeigt sich u. a., dass, im Gegensatz zum Objektabstand, eine Lagerelastizität in Abtastrichtung keinen Einfluss auf die Maximalwerte der Lagerreaktionen hat. Im Falle zweier gekoppelter Vibrissen können bestimmte Events, wie das Ablösen einer Vibrisse vom Objekt, in den Lagerreaktionen der jeweils anderen Vibrisse detektiert werden.
Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf statische Durchbiegung von aufmagnetisierten Elastomeren verschiedener Zusammensetzung. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Magneto-sensitive Elastomere (MSE) bestehen aus magnetisch weichen oder harten Partikeln in Mikro- oder Nanogröße vermischt mit einer elastischen Matrix. Ihre variablen mechanischen Eigenschaften unter äußeren Magnetfeldern sind im Bereich der Aktoren und Sensoren von großem Wert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss des äußeren homogenen Magnetfeldes auf die statische Durchbiegung der aufmagnetiesierten MSE-Balken, die mit einer Mischung aus NdFeB-Pulver und Carbonyl-Eisen-Pulver gefüllt sind. Der Volumenanteil von magnetisch harten NdFeB-Partiekeln ist in allen vier MSE-Baken konstant, die Volumenkonzentration vom Carbonyl-Eisen-Pulver wird variiert. Mittels eines experimentellen Prüfstandes wird die statische Durchbiegung der MSE-Balken für verschiedene Feldstärken gemessen. Ein theoretisches Modell zur Beschreibung der großen Durchbiegung der MSE-Balken unter Einfluss eines homogenen äußeren Magnetfeldes basiert sich auf der nichtlinearen Euler-Bernoulli-Balkentheorie. Der Elastizitätsmodul von den MSE-Materialien wird mit Hilfe dem theoretischen Modell ohne Magnetfeld berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Elastizitätsmodul des MSE-Balkens mit dem steigenden Volumenanteil des CIP-Pulvers im Material zunimmt. Für jeden MSE-Balken werden die theoretischen Biegelinien für unterschiedliche Magnetfeldstärken mit experimentellen Daten verglichen. Demzufolge werden Korrekturparameter des Modells berechnet. Mit Hilfe dem vereinfachen Modell ist es möglich, die magneto-mechanische Wechselwirkung bei der Beschreibung der statischen Durchbiegung des MSE-Balkens im Magnetfeld zu berücksichtigen.
Mehrkörpersimulation eines neuartigen Kettenfahrzeuglaufwerks. - Ilmenau. - 170 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Diese Masterthesis behandelt die Untersuchung eines neuartigen Kettenfahrzeug-Laufwerks. Im Gegensatz zu konventionellen Kettenfahrzeug-Laufwerken, besitzt das hier betrachtete Laufwerk zwei Kettenmodule mit je zwei Antriebsrädern. In dieser Arbeit soll das Schwingungsverhalten sowie die Drehmomentverteilung untersucht werden. Die Untersuchung des Laufwerks erfolgt mittels Lagrange-Formalismus sowie der MKS-Software NX SimCenter 3D. Zunächst wird der Stand der Forschung in Bezug auf Kettenfahrzeug-Laufwerke und deren analytische Beschreibung mittels Lagrange näher erläutert. Im Anschluss daran werden wichtige Parameter des Kettenfahrzeuglaufwerks aufgenommen. Es wird die analytische Modellbildung mittels Lagrange-Formalismus folgen. Hierbei wird das Kettenfahrzeug-Laufwerk als Einmassenschwinger mit einem Massenträgheitsmoment beschrieben. Dieser wird hinsichtlich der Hub- sowie der Nickbewegung untersucht. Die Feder- und Dämpferelemente des vorderen Moduls werden zu jeweils einem Federdämpferbein zusammengefasst. Für das hintere Modul wird dies analog ausgeführt. Es werden jeweils das vordere und das hintere Federdämpferbein mittels Sinusfunktionen angeregt, um Unebenheiten des Untergrunds zu simulieren. Für die Modellbildung in NX SimCenter 3D werden sämtliche Bauteile des Laufwerks als Volumenkörper dargestellt. Diese werden mittels Drehgelenken, Schubgelenken und Federdämpferelementen gekoppelt. Die Ketten der jeweiligen Module werden mittels des Tools Discrete-Drivetrain modelliert. Die Federungs- sowie Dämpfungseffekte der Kette werden mittels des Befehls Buchse dargestellt. Für die Schwingungsanalyse wird das Laufwerkmodell mittels konstanten Geschwindigkeiten im Aufbau, den Laufrollen und den Antriebsrädern bewegt. Für die Drehmomentanalyse wird das vordere Antriebsrad mit einem linear ansteigenden Drehmoment angetrieben. Für die Parameterstudie für die Feder- sowie Dämpferparameter wird das analytische Modell verwendet. Hierbei werden die kritischen Geschwindigkeiten untersucht. Zudem wird der Amplitudenverlauf näher betrachtet. Für die Untersuchung der geometrischen Abmessungen wird die statische Vorspannung der Kette beleuchtet. Hierfür wird das Modell in NX SimCenter 3D verwendet. Es wird der Amplitudenverlauf der Nick- sowie der Hubbewegung analysiert. Im Anschluss wird die Geschwindigkeit des Laufwerks und die Geschwindigkeit des Antriebsrads in Bezug auf das aufgebrachte Drehmoment untersucht. Hierbei wird das Drehmoment untersucht, welches benötigt wird, um die Massenträgheit des Laufwerks zu überwinden und zu beschleunigen. Anhand der Ergebnisse der Parameterstudien werden die geforderten Feder- sowie Dämpferparameter für das Laufwerk abgeleitet. Weiterhin wird mittels der Drehmomentanalyse der Drehmomentbedarf des Laufwerks berechnet. Abschließend werden Forderungen für das Laufwerk und dessen Antrieb aufgestellt.
Auswahl, Dimensionierung und konstruktive Integration eines Systems zur Messung und Einstellung eines Phasenwinkels bei Rotationssystemen. - Ilmenau. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Beim Betrieb von Maschinen und Geräten mit rotierenden Teilen hat bereits eine geringe Unwucht der Rotoren einen großen Einfluss auf das Betriebsverhalten. Es entstehen Schwingungen, die die Störanfälligkeit der Elektronik erhöhen und zu verstärktem Verschleiß, stärkerer Geräuschentwicklung und verminderter Qualität des Prozesses führen. Demzufolge ist es notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, um die Abweichungen der Massenträgheitsachse des Körpers zu dessen Rotationsachse bestmöglich zu kompensieren, sodass ein langlebiger Betrieb der Anlagen mit hoher Prozessqualität, Betriebssicherheit und Schonung der Umwelt sichergestellt wird. Da konventionelle Auswuchtverfahren an ihre Grenzen stoßen, werden Baugruppen und Prozesse ent- und weiterentwickelt, die die Messung der Unwucht sowie die Kompensation dieser in kurzer Zeit mit geringem Energieaufwand durchführen. Ziel und Aufgabe dieser Masterarbeit ist es, für einen Anwendungsfall eine Baugruppe zu entwerfen, mit der die Unwucht des Rotors dieses Systems durch ein aktives, automatisches Auswuchtverfahren mit Veränderung der Massenverteilung in die geforderten Toleranzen gesenkt wird. Durch zwei voneinander unabhängig ausrichtbare Massekörper werden so in Betrag und Richtung variierbare Kompensationsunwuchten erzeugt. Mit Hilfe des konstruktiven Entwicklungsprozesses der Technischen Universität Ilmenau werden zunächst verschiedene Lösungsprinzipe entwickelt, welche die Hauptfunktion und weitere, zuvor ausgearbeitete Anforderungen an die Baugruppe erfüllen. Nach Ermittlung der am besten geeigneten Konzepte erfolgt eine Prüfung der Umsetzbarkeit in Bezug auf Bauteilverfügbarkeit, Kosten und Testumfang. Auf Basis dieser Untersuchungsergebnisse wird anschließend ein Versuchsaufbau erarbeitet, mit dem das Prinzip der Wirbelstrombremse als Aktor anhand von Testreihen geprüft werden kann.
Untersuchungen zur Sensorisierung eines nachgiebigen Mechanismus mit Hilfe berührungsloser magnetischer Sensoren auf Basis analytischer und FEM Modellbildung. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die Sensorisierung von nachgiebigen Mechanismen mit dem Ziel der Kraftüberwachung ist für viele Anwendungsbereiche wie bspw. die Medizin- und Robotertechnik interessant. Dabei erfüllt der nachgiebige Mechanismus neben seiner Hauptfunktion auch die Funktion der Kraftübertragung an die integrierte Sensorik. Eine Möglichkeit zur Erkennung der auf einen nachgiebigen Mechanismus wirkenden Kräfte stellt die Verwendung von berührungslosen Magnetfeldsensoren dar. In dieser Arbeit wird das Verformungsverhalten eines nachgiebigen Mechanismus am Beispiel einer Kunststoffmatratzenfeder analytisch mit Hilfe der Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen beschrieben. Die Berechnungen werden numerisch in MATLAB durchgeführt woraufhin Ergebnisse für die Verschiebungen wichtiger Punkte ausgewertet werden. Die analytische Betrachtung erfolgt zunächst an einem kontinuierlichen, ebenen Modell der Matratzenfeder. Zudem wird das Modell um Verzweigungen erweitert um die Genauigkeit zu erhöhen. Anschließend werden die analytischen Betrachtungen auf Basis von nichtlinearen FEM-Simulationen validiert. Weiterhin werden analytische Berechnungen zur Magnetfeldverteilung von in die Matratzenfeder integrierten Dauermagneten mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen durchgeführt und im Anschluss mit FEM-Simulationen in ANSYS Maxwell validiert. Abschließend werden Aussagen über benötigte Parameter von Magneten und Sensoren zur Ermittlung der wirkenden Kräfte getroffen sowie Sensorkennlinien für verschiedene Messachsen ermittelt.
Nichtlineare Modellbildung und Parameterstudien stabförmiger Strukturen. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken gewinnen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften zunehmend an Bedeutung. Ihre Verformung wird maßgeblich durch Biegung bestimmt, weshalb sie analytisch meist als Biegebalken auf Basis der Euler-Bernoulli-Balkentheorie modelliert werden. Mit dieser analytischen Betrachtung ohne Querkraftschub werden derzeit für schlanke Gelenke sehr gute Ergebnisse für das Verformungs- und Bewegungsverhalten im Vergleich zu 3D-FEM-Berechnungen erreicht. Bei breiten Gelenken entstehen größere Abweichungen, die in der Präzisionstechnik nicht mehr vernachlässigbar sind. In dieser Bachelorarbeit werden analytische Modelle anhand einer Parameterstudie mit FEM-Simulationen verglichen, um Empfehlungen für die Balkenmodellierung im Hinblick auf die Anwendung für Festkörpergelenke mit stark variierenden Abmessungen zu erarbeiten. Dabei wird die Balkengeometrie bei vorgegebener Länge in Höhe und Breite variiert. Untersucht werden sowohl linear als auch nichtlinear die Verschiebung, der Auslenkwinkel, die Dehnung und die Kraft. Für die analytische Beschreibung mit MATLAB wird die Theorie großer Verformungen stabförmiger Strukturen mit und ohne Berücksichtigung des Querkraftschubes verwendet. Für die simulative Beschreibung werden FEM-Modelle mit ANSYS Workbench erstellt. Die FEM-Berechnungen werden mit unterschiedlichen Elementtypen durchgeführt, um deren Einfluss auf die Ergebnisgrößen zu bestimmen. Darunter sind BEAM-, PLANE-, SHELL- und SOLID-Elemente. Zwischen den Elementtypen zeigen sich signifikante Unterschiede aufgrund der Modellannahmen. Basierend auf einem Ergebnisvergleich werden Faktoren, die zu Abweichungen zwischen den Modellen führen, identifiziert und Empfehlungen für die Berechnung in Abhängigkeit der Geometrie abgeleitet. Zusammenfassend wird gezeigt, dass im Vergleich zum geometrisch nichtlinearen 3D-FEM-Modell der verwendete nichtlineare analytische Ansatz in Abhängigkeit der Balkengeometrie exakte Ergebnisse ermöglicht. Dabei ist bei zunehmender Balkenhöhe allerdings der Querkraftschub zu berücksichtigen. Aufgrund von nicht mehr zu vernachlässigender Querkontraktion sind bei zunehmender Balkenbreite weiterhin zusätzliche Effekte der Plattentheorie mit einzubeziehen. Diese Aussagen haben auch bei der FEM-Simulation Gültigkeit, weshalb oftmals eine Reduzierung auf ein 2D-Modell mit Plane-Elementen zu empfehlen ist.