Entwicklung und Untersuchung einer Sensorspitze auf Basis leitfähiger Silikone für stabförmige nachgiebige Aktuatoren. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Sensorspitze auf Basis leitfähiger Silikone für einen stabförmigen Aktuator. Hierfür wurden verschiedene Prinzipien für eine Anordnung an der Spitze sowie für den Schaft entworfen und diese miteinander verglichen. Die bestbewertete Lösung wurde weiter mittels der FEM untersucht. An einem vereinfachten FE-Modell wurde der Einfluss geometrischer Größen auf den zu ermittelnden Kraftantrittswinkel untersucht. Gleiche Sensor-Ausgangsgrößen sind für einen Kraftangriffswinkel im Bereich von -62.5˚ bis +62,5˚ zu erwarten. Für die Herstellung der einzelnen Sensorik-Bauteile wurden Formwerkzeuge konzipiert. Für die Untersuchung der später herzustellenden Funktionsmuster wurde ein Vorschlag für einen möglichen Versuchsaufbau erbracht.
Modellbasierte und experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung der dreidimensionalen Verformung eines nachgiebigen Mechanismus mit Hilfe von Hall-Sensoren. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In der vorliegenden Arbeit wird die dreidimensionale Verformung eines nachgiebigen Mechanismus mit nur einem einzelnen Hall-Sensor bestimmt. Herausfordernd ist dabei die Ermittlung der sechs Freiheitsgrade des vorliegenden Mechanismus aus lediglich drei Messwerten. Nach einer umfangreichen Einarbeitung in die Thematik wird zur Beschreibung des Verformungsverhaltens des nachgiebigen Mechanismus ein statisch-mechanisches Modell gebildet. Die Materialeigenschaften werden hierzu in Druckversuchen ermittelt. Zudem wird eine Analyse des Bewegungsvorgangs innerhalb der Versuche mit dem Motion-Tracking-Verfahren durchgeführt. Das statisch-mechanische Modell und die in den Druckversuchen festgestellte kritische Kraft werden genutzt, um den betrachteten Bewegungsbereich einzugrenzen. Ein geeigneter Magnet wird mit Hilfe eines magneto-statischen Modells gewählt, sodass im gesamten Bewegungsbereich eine ausreichende Magnetfeldstärke vorliegt. Ein Versuchsstand zur gezielten Einbringung von Verformungszuständen wird konzipiert und aufgebaut. Für die Auswertung und Speicherung der Messwerte des Sensors wird eine Anwendung mit grafischer Oberfläche programmiert. Die experimentellen Untersuchungen werden in eine punktuelle und eine kontinuierliche Aufnahme der Messwerte aufgeteilt. Bei der punktuellen Aufnahme kann jedem Messwert ein Verformungszustand zugeordnet werden, während bei der kontinuierlichen Aufnahme eine Geschwindigkeitsabhängigkeit der Messwerte geprüft werden kann. Die Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der Verformung des nachgiebigen Mechanismus und den Messwerten erfolgt über verschiedene Kurvenanpassungen in MATLAB. Somit werden schließlich Modelle für den nachgiebigen Mechanismus und den genutzten Permanentmagneten mit bekannter Genauigkeit, ein funktioneller Zusammenhang zwischen den Messwerten und dem Verformungszustand des nachgiebigen Mechanismus sowie ein Programm mit grafischer Oberfläche zur Auswertung der Sensordaten erarbeitet.
Sensorikintegration und automatisierte Steuerung eines rollenden mobilen Roboters auf Basis von Tensegrity-Strukturen. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Diese Arbeit befasst sich mit der Sensorintegration und der Feststellung der Eignung eines IMU Sensors für die automatisierte Steuerung eines rollenden mobilen Roboters auf Basis einer Tensegrity Struktur. Um die Eignung festzustellen, werden dabei folgende Aufgabenbereiche bearbeitet: - Entwurf, Aufbau und Inbetriebnahme einer neuen Elektronik für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Baugruppen am Roboter. - Entwurf und Implementierung einer automatisierten Steuerung für modellbasierte Ansätze. - Test und Validierung der Sensordaten für die Steuerung. Für die Sensorintegration wird der Boschsensor BNO055 verwendet, welcher über einen Sensor-Fusion Algorithmus die räumliche Orientierung in Form von Euler-Winkel oder Quaternionen bestimmt. Der Schwerpunkt in diesem Kontext bildet der Entwurf der Baugruppenkommunikation und eine Regelung. Der in dieser Arbeit präsentierte Lösungsansätz für die Kommunikation zwischen Motorsteuerung, Sensor und Funkmodul verwendet als zentrales Element den Mikrocontroller XMC1302 sowie eine Verschaltung mehrerer Logik-Gatter. Für die modellbasierte automatisierte Steuerung wird zudem auf dem Mikrocontroller ein PID-Regler implementiert, welcher mit Hilfe der Sensordaten den Auslenkwinkel der Aktoreinheit regelt. In verschiedenen Testszenarien konnte schließlich die Eignung des Boschsensors festgestellt werden. Mit dieser Lösung ist einen Regelung der Antriebseinheit mit einer maximalen Abweichung von 0,7˚ des Auslenkwinkels realisierbar.
Modellierung und Simulation des prozessabhängigen Reibverhaltens zwischen Sandwichkern und -deckschicht bei der Herstellung von Sandwichbauteilen. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Bei der Herstellung von Sandwichbauteilen aus Faserverbundwerkstoffen in Kombination mit Honigwaben kann es zu verschiedenen Bauteilfehlern kommen. Mit Hilfe von Prozesssimulationen kann das Risiko möglicher Fehlstellen bereits vor der Bauteilherstellung bewertet werden. Um das Materialverhalten realitätsgetreu in der Simulation abbilden zu können, werden neben den mechanischen Kennwerten der Materialien auch die tribologischen Eigenschaften benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Reibverhalten zwischen Sandwichkern und Deckschicht in die Simulation eingearbeitet werden. Dafür sollen bereits vorhandene Reibwerte in Abhängigkeit der relevanten Prozessparameter ausgewertet und anschließend ein Modell in der Simulationssoftware ABAQUSTM entworfen werden. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit Testbauteilen soll zur Validierung der Simulation erfolgen. Bereits vorhandene Reibwerte werden in Abhängigkeit der verschiedenen Einflussfaktoren ausgewertet. Mit Hilfe modellfreier Kinetik wird die Aushärtekinetik des Epoxidfilmklebers FM300 bestimmt und darauf aufbauend ein athematisches Modell zur Beschreibung der Viskosität entworfen. Zur Berechnung des Reibwertes aus den Viskositäten des Epoxidfilmekleber FM300 vom Hersteller Solvay und des Harzes des Prepregs M18 vom Hersteller Hexcel wird ein Reibmodell aufgebaut. Mit Hilfe einer UFIELD Subroutine wird das Modell in die Simulationssoftware Abaqus integriert und ein Abgleich sowie eine Bewertung der Simulation mit Hilfe von Testbauteilen durchgeführt. Zur besseren Darstellung des Wabeneinfalls wird die Dehnung des Prepregs mit Hilfe einer Vorrichtung aufgenommen und die Ergebnisse in die Simulation integriert. Erste Annahmen über die Ursache und die verschiedenen Einflüsse auf den Wabeneinfall konnten getroffen werden. Die modellfreie Kinetik des Epoxidfilmklebers FM300 ermöglicht näherungsweise die Bestimmung der Viskosität und kann für beliebige Zyklen verwendet werden. Die Stärke des Wabeneinfalls kann in Abhängigkeit des Härtungszyklus, der Orientierung von Fasern und Honigwabe, der Anzahl an Lagen FM300 und des Schrägenwinkels der Wabe in der Simulation dargestellt werden. Erste Aussagen über das Auftreten des Wabeneinfalls können auf diese Weise bereits in der Bauteilentwicklungsphase getroffen und Maßnahmen zur Reduzierung des Einfalls bewertet werden.
Aufbau eines Antriebsmoduls für mobile Roboter. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
In den letzten Jahren haben sich mobile Roboter aus einem Nischenbereich der Forschung herausentwickelt und sind heutzutage ein Massenprodukt, welches selbst in private Haushalte Einzug gehalten hat. Besonders leistungsfähigere Steuerungen und Energiespeicher führten zu enormen Fortschritten in der mobilen Robotik, vergleichbar mit der Performancesteigerung des Kraftfahrzeugs. Automobile wurden nicht nur durch gestiegene Motorleistungen sondern vor allem mit Hilfe der Fahrwerksentwicklung zu sportlicheren und sichereren Fahrzeugen sowohl für den Individualverkehr als auch im Transportwesen. Ziel dieser Arbeit ist die Kombination der mobilen Robotik mit der Dynamik moderner Kraftfahrzeuge. Aus diesem Grund wird ein Antriebsmodul für mobile Roboter entwickelt, welches die Anforderungen der omnidirektionalen Bewegungsmöglichkeit in ein gesteigertes querdynamisches Fahrverhalten integriert. Es werden verschiedene Varianten eines Modul Achsgetriebes aufgezeigt und nach Abwägung der Vor- und Nachteile eines davon konstruiert. In den Radaufhängungen wird sowohl eine Einstellbarkeit von Radstellungsgrößen realisiert als auch die Anbindung und Federung an ein Roboterchassis geschaffen. Für kritische Stellen der Belastung werden Festigkeitsrechnungen nachgewiesen und für die tragende Achse eine einfache Simulation der Belastung durchgeführt. Ebenfalls wird der Antrieb ausgelegt und alle Komponenten nach ihrer Verfügbarkeit und Kosten gewählt. Die Konstruktion wird in einem realen Model eines Antriebsmoduls umgesetzt, welches die Funktion verdeutlichen soll, jedoch nicht als Teil eines Prototyps eingesetzt werden kann. Abschließend wird ein Vorschlag zum Komplettaufbau eines Roboterprototyps unterbreitet.
Konzeption einer Getriebeeinheit mit Schnellwechsel-Schnittstelle für verschiedene endoskopische Endeffektoren. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Ziel der Arbeit ist es, ein Konzept für eine Instrumentenschnittstelle an einem chirurgischen Telemanipulator auszuarbeiten. Dabei werden verschiedene Teilkonzepte angeboten, von denen einige in ihrer Summe die gewählte Lösung ergeben. Die Schnittstelle muss vier Bewegungen in das Instrument übertragen. Davon müssen zwei Bewegungen translatorisch, die anderen zwei rotatorisch am vorgegebenen Schaft anliegen. Es muss eine sterile Nutzung der Schnittstelle gewährleistet und das Instrument schnell zu wechseln sein. Das Instrument soll nicht wie bisher orthogonal, sondern parallel zur Schaftrichtung gefügt werden. Um die Einsatzbedingungen der Schnittstelle zu verdeutlichen, wurden OP-Umfeld und Ablauf einer OP mit Telemanipulator skizziert. Die Machbarkeit wurde durch Vorstellung der existierenden Lösungen der Firmen Avateramedical GmbH und Intuitive Surgical aufgezeigt. Auf Basis der Erfahrungen mit bestehenden Lösungen wurden Anforderungen nach Rupp (Rupp, 2014) an dieses Konzept aufgestellt. Durch das Aufteilen in Teilprobleme konnte die Lösungsfindung weiter strukturiert werden. Dabei werden die Teilprobleme der sterilen Bewegungsübertragung, der Bewegungsübersetzung im Instrument und des Fügens des Instruments an den Telemanipulator betrachtet. Für diese Teilprobleme wurden Einzelkonzepte gesammelt, welche das jeweils isolierte Problem lösen können. Mittels einer Bewertungsmatrix wurden aus den Einzelkonzepten drei unterschiedliche Gesamtkonzepte gebildet, aus welchen ein Lösungskonzept extrahiert wurde. In diesem finalen Konzept wird im Instrument eine translatorische Bewegung durch einen Spindelantrieb erzeugt. Aus den Kräfteverhältnissen in Gewinden konnten erforderliche Antriebsmomente berechnet werden. Eine Sterileinheit überträgt vier rotatorische Bewegungen in das Instrument, welche dann über Kegelradgetriebe umgelenkt werden. Dafür wurden Kupplungen mittels Festigkeitsnachweis ausgelegt. Die Übertragungselemente in der Sterileinheit sind elastisch gelagert, um das Fügen in Schaftrichtung zu ermöglichen. Als Ergebnis wurde ein CAD-Modell erstellt. Um die technische Umsetzung zu vereinfachen, wurden Komponenten gedruckt und Teilfunktionen der Spindel im Handbetrieb ertestet.
Implementierung magneto-sensitiver Elastomere für Beschleunigungssensor mit magnetisch einstellbarer Sensitivität. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Magneto-sensitive Elastomere (MSE) sind sogenannte "intelligente Materialien", deren mechanische und magnetische Eigenschaften durch äußeres Magnetfeld beeinflusst werden können. Infolgedessen kann dieses Material an die Aktoren und Sensoren mit einstellbarer Sensitivität eingesetzt werden. In dieser Masterarbeit wird die Möglichkeit der sensorischen Anwendung von MSE untersucht. Das Ziel der Arbeit ist es, ein Prototyp eines Beschleunigungssensors mit magnetisch einstellbarer Sensitivität für die Messung externer mechanischer Erregung zu entwickeln. Die Steifigkeitsänderung von MSE wird durch ein externes Magnetfeld von der Helmholtz-Spule erreicht. Während der Biegeschwingungen von MSE-Körper wird die Magnetfeldänderung mit Hallsensoren detektiert. Der Einfluss von Magnetfeld auf das Schwingungsverhalten von MSE wird untersucht. Darüber hinaus wird auch die Beziehung zwischen der Schwingung des MSEs und den von ihr verursachten Magnetfeldänderungen untersucht.
Simulation der mechanischen Eigenschaften von magnetosensitiven Elastomeren auf Basis der Finite-Elementen-Methode. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die vorliegende Arbeit thematisiert die Erstellung eines numerischen Simulationsmodelles von magnetosensitiven Elastomeren (MSE), hinsichtlich ihrer Verformung und die dadurch verbundenen mechanischen Eigenschaftsänderungen, durch Einfluss äußerer Magnetfelder. MSE unterscheiden sich von gewöhnlichen Elastomeren durch die Zugabe von Eisenpartikeln, mithilfe dieser eine Verformung der Geometrie durch ein äußeres Magnetfeld möglich ist. Die resultierende Verformung führt zu einer Änderung der Steifigkeit des Materials, womit eine variierbare Anpassung der statischen und dynamischen Eigenschaften ermöglicht wird. Die grundlegende Herangehensweise ist die Verknüpfung zwischen magnetischer und mechani-scher Simulation unter Nutzung der Finite-Elemente-Methode. Aus der magnetischen Simulation werden die Magnetkräfte ermittelt und ausgelesen. Die Magnetkräfte werden anschließend in die mechanische Simulation exportiert, wodurch die Verformung der Prüfkörpers, bestimmt wird. Materialkennwerte und Positionierungsgrößen für die Modellierung werden aus den bereits durchgeführten Experimenten überführt. Diese dienen der Simulationsvalidierung und anschließend als Beurteilungsgrundlage des Simulationsmodells. Abschließend wird die Veränderlichkeit der Eigenfrequenz überprüft. Durch diese Analysen sind Aussagen zum grundlegenden Verhalten von MSE in Magnetfeldern, sowie zur Steuerung der Steifigkeit durch Einfluss eines Magnetfeldes, möglich. Das strukturelle Verhalten dieses Materials, mit Einfluss von Magnetfeldern, ist bisher nur auf der experimentellen Ebene beobachtet worden. Der Fokus dieser Arbeit ist es, durch Erstellung eines Simulationsmodells, Voreinschätzungen für zukünftige Versuche liefern zu können.
Untersuchung und Simulation der Belastungen bei hydrodynamisch gelagerten Generatoren im Anlauf und stationären Betrieb. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Technische Systeme sind meist in kontrollierten Umgebungsbedingungen im Einsatz. Sollte sich ein solches System jedoch in freier Natur befinden, so ist es den Naturgewalten schutzlos ausgesetzt. Regen, Schnee und Wind sind dabei nur geringe Belastungen im Vergleich zu Erdbeben oder Fluten. Um auch unter Extrembedingungen eine Energieversorgung zu gewährleisten ist es für elektrische Generatoren relevant diese Lasten zu berücksichtigen. Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist es, eine Validierung der Ölversorgung eines Generators im Phasenschieberbetrieb für die am Aufstellungsort geltenden Umgebungsbedingungen durchzuführen. Dabei werden die aus den Umgebungsbedingungen resultierenden Belastungen auf die Baugruppen zusammengetragen und nach entsprechenden Regelwerken in berechenbare Größen überführt. Diese Lasten werden dann zu Lastkombinationen zusammengefasst und auf die Baugruppen angewendet. Um die Auswirkungen zu ermitteln werden verschiedene Rechenmethoden verwendet. Die dominierende Methodik ist eine Auswertung der Spannungen mittels Finite Elemente Methoden in einer rechnergestützten Anwendung. Das Ergebnis der Betrachtungen ist, dass die Konstruktion den Umgebungsbedingungen in allen Lastkombinationen standhält. Da die Berechnung einen rein theoretischen Hintergrund mit konservativen Annahmen besitzt, kann mit einer Abweichung der real auftretenden Spannungen und Verformungen gerechnet werden. Diese Differenzen werden mit ausreichend großen Reserven, sowie Sicherheitsfaktoren in der Ausnutzung berücksichtigt.
Investigations and simulations of magneto elastomer materials (MSE) influenced by static magnetic fields for soft robotics applications. - Ilmenau. - 88, 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Magneto-sensitive Elastomere sind Verbundwerkstoffe, die hauptsächlich aus einer Elastomermatrix bestehen, in der magnetischen Partikeln dispergiert sind. Ein ins magneto-sensitive Elastomer eingreifende Magnetfeld bewirkt Änderungen der Eigenschaften dieses Materials. Diese Qualität macht die MSE zu einer Option mit hohem Potenzial für Soft Robotics-Anwendungen. Für die Realisierung dieser Masterarbeit wurden MSE-Proben aus einer Elastomermatrix, Silikonöl und Carbonyleisenpartikeln hergestellt. Tests wurden durchgeführt, um Verbesserungen zu entwickeln, die sich auf Soft-Robot-Anwendungen konzentrieren, insbesondere bei Endeffektoren. In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von magneto-sensitive Elastomerproben in Abwesenheit und Gegenwart eines Magnetfeldes experimentell untersucht. Die untersuchungen wurden mittels eines Magnetfeldes realisiert, dass durch einen Permanentmagneten induziert wurde. Um die Intensität zu varriieren, wurde der Permanetmagent in unterschiedlichen Abständen zur Probe positioniert. Die experimentell erhaltenen Ergebnisse wurden verwendet, um den Einfluss der MF über der MSE zu verstehen und ein geeignetes Materialmodell unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode zu entwickeln.