Entwicklung eines Antriebssystems basierend auf einer magnetorheologischen Flüssigkeit : Modellbildung, Simulation und experimentelle Ergebnisverifizierung am Prototyp. - Ilmenau. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Magnetorheologische Fluide sind Suspensionen aus einem Öl und mikrometergroßen magnetischen Partikeln. Unter dem Einfluss von Magnetfeldern ändern sie unter anderem ihre rheologischen Eigenschaften. Die folgende Arbeit befasst sich mit Aktoren, die mithilfe solcher Flüssigkeiten, Schwingungen in gleichgerichtete Bewegungen umwandeln, sowie mit der Entwicklung eines Systems zur Umwandlung von Schwingungen in eine Linearbewegung. Zunächst wird eine Einführung in den Stand der Technik gegeben. Anschließend werden die bestehenden MR-Antriebe beschrieben und die Vor- und Nachteile erläutert. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen des magnetischen Feldes und die Einflüsse auf das magnetorheologische Material. Im weiteren Verlauf werden die verschiedenen Entwicklungsschritte und Berechnungen vorgestellt, die zu einem Entwurf und zu einem Prototyp geführt haben. Weiterhin erfolgt eine Beschreibung des ersten Funktionstests und die Veröffentlichung der Testergebnisse.
Theoretische und experimentelle Untersuchung von Mehrpunktkontakten zwischen einem biologisch inspirierten taktilen Sensor und verschiedenen Objekten. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das Tasthaar-Sinnessystem (Vibrissen) von Säugetieren ist ein multifunktionales Sinnesorgan, welches der taktilen Nahfeld-Erkundung dient. Durch die Interaktion des Tasthaars mit der Umwelt nimmt das Tier Reize auf, die im Haarfollikel (Follikel-Sinus-Komplex) verarbeitet und an das zentrale Nervensystem weitergeleitet werden. So sind z.B. Ratten dazu in der Lage Objekte hinsichtlich ihrer Oberfläche und geometrischen Gestalt zu charakterisieren. Angeregt durch das biologische Vorbild, ist die Umsetzung eines vibrissenähnlichen taktilen Sensors Gegenstand ingenieurwissenschaftlicher Forschung. In Anlehnung an das Tasthaar-Sinnessystem basiert die Funktionsweise der technischen Vibrisse auf der Reizaufnahme durch den künstlichen Haarschaft und der Messung der Signale in der Lagerstelle. Dadurch wird die Erfassung technisch relevanter Informationen ermöglicht. Die vorliegende Arbeit ist in diesem Kontext dem Forschungsfeld der Objektkonturrekonstruktion unterzuordnen. Diese erfolgt auf Basis der Lagerreaktionen, die während der Abtastung eines Objekts bestimmt werden. Bisherige Untersuchungen widmen sich dabei ausschließlich der Abtastung von Objekten mit konvexen Konturen. Ursache dafür ist die Limitierung der mechanischen Modelle auf Einpunktkontakt-Szenarien. Die Arbeit leistet einen Beitrag zur Erweiterung der bestehenden mechanischen Modelle der künstlichen Vibrisse als nichtlinearer Euler-Bernoulli-Balken durch die Berücksichtigung beliebig vieler Kontaktpunkte. Aus der mathemathischen/theoretischen Beschreibung der Verformungszustände während der quasi-statischen Abtastung, resultiert ein Multipunkt-Randwertproblem mit Switching Point. Zur Umsetzung einer simulierten Abtastung zweier unterschiedlicher Objekttypen werden die Multipunkt-Randwertprobleme durch die Anwendung des numerischen Schießverfahrens gelöst. Dabei werden die Lagerreaktionen während der Abtastung berechnet. Es zeigt sich, dass der Mehrpunktkontakt in den Lagerreaktionen identifiziert werden kann. Die Simulation wird anhand ausgewählter Beispiele durch Experimente validiert.
Development of methods for the synthesis of compliant mechanisms. - Ilmenau. - 82, 52 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Einer der am häufigsten verwendeten Mechanismen in Geräten und Maschinen ist die Viergelenkkette. Dieses Getriebe hat viele Verwendungsmöglichkeiten: Verriegelungszangen, Hebebühnen, Frontlader, Aufhängung von Fahrrädern usw. Alle diese Beispiele sind Starrkörpersysteme, jedoch gibt es heutzutage auch nachgiebige Mechanismen, die Festkörpergelenke statt der konventionellen Kopplungen (Stifte, Gleitgelenke, Schubgelenke usw.) verwenden. Diese nachgiebigen Mechanismen werden aufgrund ihres reproduzierbaren Bewegungsverhaltens meistens in der Präzisionstechnik eingesetzt. Sie erlauben nur kleine Verschiebungen, sind aber sehr genau. Außerdem bieten nachgiebige Mechanismen viele weitere Vorteile. Aus diesem Grund wird in dieser Masterarbeit die Entwicklung einer neuen Synthesemethode vorgestellt, um ausgehend von einem viergliedrigen Starrkörpermechanismus mit gegebenen Gliedlängen einen nachgiebigen Mechanismus mit vier blattfederartigen Festkörpergelenken mit variabler Gelenklänge zu erzeugen. Diese Methode basiert auf der linearen Theorie nach Castigliano, wobei auch die Maximalspannung berücksichtigt wird. Es wird ein Algorithmus entwickelt und die numerische Implementierung erfolgt in MATLAB mit einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI). Zu Beginn werden grundlegende Definitionen und der Ausgangszustand von Entwicklungen, die für diese Arbeit hilfreich sein können, vorgestellt. Daraufhin wird die Entwicklung der theoretischen Grundlage der Synthese basierend auf der linearen Theorie erläutert. In diesem Abschnitt werden die verschiedenen untersuchten Fälle mit ihren jeweiligen Gleichungen dargestellt. Abschließend wird ein Vergleich zwischen der entwickelten Synthesemethode basierend auf der linearen Theorie und einem existierenden nichtlinearen Analyseansatz vorgestellt, um eine Verifikation für Beispielvarianten zu erhalten. Der Unterschied zwischen diesen beiden Ansätzen beträgt weniger als 0,5 %, wenn sich beide Modelle im Bereich kleiner Verformungen befinden. Daher kann das Modell in der Präzisionstechnik verwendet werden. Für zukünftige Forschungen kann der Algorithmus verbessert werden, um mehr Mechanismenmodelle zu entwickeln. Außerdem kann das Verfahren zum Lösen des Gleichungssystems verbessert werden, da die durchschnittliche Berechnungszeit einer Simulation im Bereich mehrerer Minuten liegt und damit vergleichsweise lang ist.
A contribution to the investigation of the rolling movement of mobile robots based on tensegrity structures. - Ilmenau. - 110 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Die vorliegende Arbeit hat ihren Ursprung in den Algorithmen und Ansätzen zur Analyse eines Roboters mit variabler Geometrie, der an der TU Ilmenau entwickelt wurde. Ein solcher Roboter hat einen anfangs zylindrischen Roboter in eine kegelstumpfförmige Geometrie umgewandelt, um um die vertikale Achse drehen zu können, die sich am Erzeugungspunkt eines solchen Kegels befindet. Die vorliegende Arbeit beginnt mit einer Einführung der Grundlagen für das Studium von Tensegrity-Strukturen; Später werden aus den variablen Parametern der geometrischen Beschreibung des Roboters die kinematischen Gleichungen von Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung für jeden Punkt der Geometrie des Roboters ausgewertet. In demselben Kapitel wird eine Alternative zum Vorhersagen der Bahn des Roboters unter Verwendung einer Klothoide vorgeschlagen. Diese Kurve hat den Zweck, Gleichungen der Bewegungsbahn des geometrischen Mittelpunkts des Roboters zu geben. In einem folgenden Kapitel werden die Steuerungsalgorithmen für die Abrollbewegung des Roboters sowie eine mögliche konstruktive Form vorgestellt, die zuvor für eine ähnliche Anwendung verwendet wurde. Im letzten Kapitel werden verschiedene Alternative von Materialien für die Herstellung des Roboterkörpers sowie die Grundlagen eines Ansatzes zur Bewertung gekrümmter Zugstrukturen vorgestellt. Darüber hinaus wird eine Berechnungsform für die spätere Entwicklung der endgültigen Geometrie des Roboters vorgeschlagen.
Entwicklung von Sensorkonzepten für nachgiebige Tensegrity-Strukturen. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019
Die Entwicklung von Robotersystemen, wie zum Beispiel Greifer und mobile Bewegungssysteme, auf Basis von Tensegritystrukturen an der Technischen Universität Ilmenau ermöglichen neue Lösungsansätze für Leichtbau und Nachgiebigkeit. Der aktuelle Entwicklungsstand sind aktuierte Strukturen ohne sensorische Rückmeldung. Um diese Systeme funktional zu erweitern, ist die Integration geeigneter Sensorik, welche die speziellen Eigenschaften von Tensegrity berücksichtigt, notwendig. Ziel dieser Weiterentwicklung ist die Steigerung von Autonomie, Zuverlässigkeit und Funktionalität. Auf Basis einer Zusammenfassung von Eigenschaften und Definitionen werden allgemeine mathematische, mechanische und geometrische Betrachtungen durchgeführt. Mittels analytischer Betrachtung der gegebenen Strukturkonfiguration, kann die Anzahl und Art unabhängiger Messgrößen bestimmt werden, welche zur Messung der Form dieser Struktur notwendig sind. Es wird ein Überblick geeigneter Sensorlösungen zur Längen- und Winkelmessung gegeben und mögliche Konzepte zur Integration gegeben. An Hand zweier existierender Prototypen werden die allgemeinen Sensorikansätze beispielhaft angewandt.
Investigation and development of a flexible gripper with adaptable finger geometry. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019
Das zuverlässige und schonende Greifen ist ein Hauptanliegen bei der Entwicklung von neuartigen Greifvorrichtungen. Je größer die Kontaktfläche zwischen dem Greifer und dem Greifobjekt ist, desto schonender und zuverlässiger ist der Greifvorgang. Um dieses Ziel zu erreichen wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Untersuchungen zu adaptiven passiven Greifern durchgeführt. Ein neuer Forschungszweig im Bereich selbstadaptiver Greifer sind Greifer mit nachgiebigen blattfederartigen Greifelementen (Greiferfinger) Die Funktionsweise basiert auf dem elastischen Ausknicken der Greifelemente infolge einer translatorische Antriebsbewegung Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung des Greifvorgangs, indem die Kontaktlänge zwischen den blattfederartigen Greiferfingern und dem zu greifenden Objekt deutlich erhöht wird. Um diese Aufgabenstellung zu lösen, muss eine geeignete Greifergeometrie für ein gegebenes Greifobjekt berechnet werden. Die gezielte Berechnung der erfoderlichen Greifergeometrie für ein bekanntes Greifobjekt ist nicht möglich. Daher wurde als Lösungsansatz die umkehrte Richtung gewählt. Für eine definierte Greifgeometrie wird die Gestalt des dazu passenden "idealen" Greifobjektes ermittelt und anschließend mit der Gestalt zu greifenden Objektes verglichen. Bei Gestaltabweichungen wird die Greifergeometrie iterative verändert, bis seine geeignete Greifergeometrie gefunden wurde. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Ermittlung des idealen Greifobjektes behandelt. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der für eine vorgegebene Greifergeometrie die Gestalt eines runden bzw. elliptischen Objektes ermittelt. Der Algorithmus verwendet als Eingabedaten die Biegelinien der elastisch ausgeknickten Greiffinger unter Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen. Als Ausgabedaten liefert der Algorithmus die Gestalt des passenden Greifobjektes zurück. Für quadratische bzw. rechteckige sowie für dreieckige Objekte wurden unterschiedliche Greifgeometrien untersucht. Außerdem wird für quadratische und rechteckige Objekte das Lösungskonzept für die Entwicklung eines weiteren Algorithmus beschrieben. In Kapitel 1 wird eine Klassifizierung von Greifern basierend auf der Anpassungsfähigkeit vorgestellt. In Kapitel 2 werden Lösungskonzepte, Modelle und Theorien vorgestellt. In Kapitel 3 werden Ablaufdiagramme der Algorithmen dargestellt. In Kapitel 4 wird die Entwicklung des Algorithmus für elliptische Objekte und deren Betriebsmodi beschrieben. In Kapitel 5 werden Greifgeometrien für quadratische bzw. Rechteckige sowie für dreieckige Objekte analysiert und die Ideen eines Algorithmus für quadratisch bzw. rechteckige Objekte beschrieben. In Kapitel 6 wird ein kurzer Überblick über die zukünftige Arbeiten.
Nichtlineare Berechnung und Simulation des mechanisch-kinematischen Verhaltens von nachgiebigen Mechanismen mit Festkörpergelenken. - Ilmenau. - 132 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken besitzen aufgrund ihrer Vorteile gegenüber Mechanismen mit konventionellen Gelenken einen hohen Stellenwert für Präzisionsanwendungen. Aufgrund des komplexen Bewegungsverhaltens und der geometrisch-nichtlinearen Verformungen ist jedoch oft ein iterativer Syntheseprozess notwendig, der z. B. den Einsatz von zeitaufwändigen 3D-FEM-Simulationen erfordert. In dieser Masterarbeit wird das mechanisch-kinematische Verhalten ebener und räumlicher nachgiebiger Mechanismen mit optimierten polynomförmigen Festkörpergelenken mittels analytischer Berechnungsmethoden modelliert und untersucht. Die Mechanismen werden mit Hilfe der nichtlinearen Theorie großer Verformungen als biege- sowie torsionsbeanspruchte stabförmige Strukturen beschrieben. Die Berechnungsmodelle werden mit MATLAB erzeugt und numerisch gelöst. Eine Verifizierung des Verformungs- und Bewegungsverhaltens erfolgt durch quasi-statische geometrisch nichtlineare 3D-FEM-Simulationen mit ANSYS. Zur Analyse des Parametereinflusses auf das Verformungsverhalten in der Ebene werden ein Parallelkurbel- und ein Geradführungsmechanismus nach Roberts untersucht. Ein bestehendes Berechnungsmodell wird dabei durch eine Verzweigung der Stabstruktur erweitert. Zudem werden räumliche Verformungen anhand verschiedener Beispiele, einem stabförmigen Mechanismus, einem Roberts-Mechanismus und einer sphärischen Kurbelschwinge, untersucht. Die auf dem gewählten nichtlinearen Modellierungsansatz basierenden Ergebnisse zeigen für ebene Verformungen eine sehr gute Übereinstimmung zur FEM. Somit wird ein besseres Verständnis des Einflusses geometrischer und anderer Parameter auf die Verformungs-, Bewegungs- und Beanspruchungseigenschaften beliebiger nachgiebiger Mechanismen ermöglicht. Weiterhin werden in der Arbeit Ansätze zur gezielten Verbesserung des Bewegungsverhaltens aufgezeigt. Die Analyse einzelner Festkörpergelenkkonturen innerhalb der monolithischen Strukturen bietet darüber hinaus erstmals ein besseres Verständnis des Gesamtverhaltens. Die erstellten Berechnungsmodelle erlauben bei sehr guter Ergebnisgenauigkeit einen einfachen und umfassenden Analyseprozess und bieten somit eine geeignete Möglichkeit zur effizienten konturabhängigen Synthese ebener nachgiebiger Mechanismen. Ferner ist der Modellierungsansatz für räumliche nachgiebige Mechanismen prinzipiell geeignet.
Modellierung von Torsionsschwingungssystemen mit Übersetzungsgetrieben als Mehrkörpersystem und Simulation des dynamischen Verhaltens bei Wechsellast. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Stirnradgetriebe werden im Betrieb durch dynamische Zusatzkräfte belastet. Diese werden durch innere und äußere Erregerquellen hervorgerufen und überlagern das Antriebsdrehmoment. Besonders die variable Kontaktsteifigkeit der Zahnradzähne im Eingriff hat dabei einen großen Anteil. Dies führt zu Getriebeschwingungen, die Schallemissionen und Ausfälle der Systeme zur Folge haben. Die Bestimmung der relevanten Systemparameter stellt bei der Auslegung eine Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mittels des Finiten-Elemente-Methode-Programms ANSYS ein Modell eines Zahnradgetriebes mit Evolventenverzahnung zur Untersuchung der Steifigkeitsverläufe des Zahnradzahns aufgebaut und simuliert. Die daraus gewonnenen Werte wurden in verschiedene Mehrkörpersimulationsmodelle, die mit alaska/Gear erstellt wurden, eingebracht. Als Modelle wurden Getriebestufen unterschiedlicher Elastizität sowie ein doppeltes Planetenradgetriebe als Torsionsschwinger erstellt. Diese wurden durch ein äußeres zeitveränderliches Moment angeregt.
Einfluss eines äußeren Magnetfeldes auf die erzwungenen Biegeschwingungen von magneto-sensitiven Elastomeren verschiedener geometrischer Form. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2018
Magneto-sensitive Elastomere (MSE) sind "intelligente Werkstoffe", deren mechanische Eigenschaften durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes verändert werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss eines Magnetfeldes, welches mithilfe von zwei Dauermagneten hergestellt wird, auf erzwungene Biegeschwingungen von MSE experimentell untersucht. Hierbei wird besonders auf die Änderung der ersten Eigenfrequenz sowie auf die Verstärkung der Erregeramplitude geachtet. Außerdem wird eine Eigenschaft, nämlich die Nichtlinearität, welche bei Schwingungen von MSE auftritt, genauer untersucht. Hierfür werden Messungen mit unterschiedlichen Schwingungskörpern, welche mithilfe der Finite-Element-Methode ausgewählt wurden, und verschiedenen Magnetfeldstärken durchgeführt. Diese Messungen werden nachbereitet und in Form von Vergrößerungsdiagrammen visualisiert. Als letztes werden diese Vergrößerungsdiagramme miteinander verglichen. Für die Untersuchung der Nichtlinearität wird zusätzlich die Erregeramplitude variiert. Folgende Erkenntnisse konnten festgestellt werden: -Mithilfe eines Magnetfeldes können die mechanischen Eigenschaften von MSE verändert werden. -Schwingungskörper aus MSE weisen eine Nichtlinearität auf. -Die Erregungsamplitude hat einen Einfluss auf die Vergrößerungsfunktion von MSE. Dank diesen Eigenschaften eignen sich MSE für sensorische und aktorische Anwendungen.
Konzeption und Entwicklung von Gelenken mit veränderlicher Steifigkeit für den Einsatz in nachgiebigen Mechanismen. - Ilmenau. - 97, 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die vorliegende Masterarbeit beschreibt die Konzeption und Entwicklung eines nachgiebigen Mechanismus mit aktiv veränderbarer Übertragungsfunktion durch die Beeinflussung der Gelenksteifigkeit. Die Aktuierung des nachgiebigen Mechanismus erfolgt durch einen Seilzug. Das abgeleitete Modell des nachgiebigen Mechanismus nutzt einen bislang nicht untersuchten, neuartigen Ansatz für die Modellierung der Seilkraft. Dieser wird anhand praktischer Messungen erfolgreich validiert.