Entwurf und Analyse von biologisch inspirierten Sensorsystemen mit erhöhtem Freiheitsgrad am Beispiel Vibrisse. - 185 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Mäuse und Ratten verwenden sogenannte Vibrissen, um sich in ihrer Umgebung zu orientieren, Objekte zu ertasten und Hindernisse zu lokalisieren. Dieses biologische Sensorsystem zur Nahfeld-Erkundung wird in einem ersten Teil der vorliegenden Arbeit als nachgiebig gelagerter, starrer Stab und in einem zweiten Teil als Biegebalken der Kontinuumsmechanik modelliert. Ausgehend von mechanischen Modellen der Vibrisse in der Literatur werden neuartige Starrkörpermodelle entwickelt, welche wesentliche Aspekte der Lagerung der Vibrisse (Nachgiebigkeit des Follikel-Sinus-Komplexes und der Haut) berücksichtigen. Über adaptive Regelalgorithmen wird die Wirkung der Muskulatur (extrinsisch und intrinsich), und somit das Bewegungsvermögen des biologischen Vorbilds nachgebildet. Der Freiheitsgrad der Vibrisse wird sukzessive von 1 auf 3 erhöht, um die Auswirkung verschieden gearteter Lagerungen auf die sensorischen Fähigkeiten des Systems zu untersuchen. Anhand der Auswertung spezifischer Regelgrößen kann in numerischen Simulationen der Einfluss der Lagerung auf die Wahrnehmungsfähigkeit der Modelle ermittelt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Vibrisse als nachgiebig gelagerter, elastischer Biegestab modelliert. Es wird eine Kombination aus den Starrkörper- und Kontinuummodellen verwendet, um die Auswirkung einer gezielten Veränderung der Lagerungseigenschaften (realisiert durch Regelstrategien aus dem ersten Teil der Arbeit) auf das Eigenkreisfrequenzspektrum des Biegestabes zu untersuchen. Dies führt zu numerischen und analytischen Berechnungen von Kontinuummodellen mit diskreten viskoelastischen Kopplungen.
Zur Analyse und Approximation von Eigenkreisfrequenzen von Kontinua- und Mehrmassenschwingungen am Beispiel von Kraftfahrzeugen. - XII, 128 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
This thesis is devoted to mechanical oscillating systems. We focus on the calculating of natural eigenfrequencies of such systems and try to approximate the ones of the beams in using the ones of multi point mass systems. All mechanical systems are motivated by examples of automotive engineering. The thesis is arranged into four main chapters. First, at the beginning, we start presenting the theory of oscillations of two main mechanical system classes: beams (with continuously mass distribution) and discrete multi mass point systems. We develop and present all relevant and necessary conditions and equations to calculate the natural eigenfrequencies of such systems. - Second, we investigate the natural eigenfrequencies of beams using multi mass point systems for approximations. The analytical computation of the exact values is very complex as presented in the introduction. Therefore we try to approximate the first natural eigenfrequencies from downside. We consider two free oscillating beams: a longitudinal and a tensional vibrating one. We reduce the number of DoF to 1,2 and 3 and derive the best discrete mass distribution to get a good approximation of the eigenfrequencies from below. Third, we try to transfer the obtained results to systems of higher DoF, specify the mass distribution and numerically calculate the eigenfrequencies. - Fourth, we focus now on the difference of the eigenfrequencies of nonlinear and linear zed systems. Prototypes include a pendulum, an oscillator with nonlinear spring forces and a double pendulum.
Zur Theorie erzwungener Schwingungen am Beispiel von Kraftfahrzeugen. - X, 126 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
This thesis is devoted to forced mechanical oscillating systems. We focus on forced oscillating systems, but present and analyze parameter excited and self-excited systems as well. All mechanical systems are motivated by examples from automotive engineering. This thesis is arranged into four main chapters. First, at the beginning, we start presenting the theory of forced oscillating linear systems with DoF 1. We analyze systems, which are forced directly and indirectly, calculate the stationary solution analytically and determine the reinforcement function (amplification) and the phase shift. All investigations are confirmed via numerical simulations. Second, we analyze systems with higher DoF and try to look for analogies from the DoF 1 case. Third, we present a literature and world wide web overview of software, which allows simulating of mechanical oscillating systems. Fourth, at the end, we give a short introduction to parameter excited and self-excited systems. We present the definitions, some examples from automotive engineering and treat three examples analytically.
Modellierung und Entwurf eines biomimetischen Roboters. - 120 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Diese Diplomarbeit stellt neue konstruktive Ansätze auf dem Gebiet der wurmartigen Bewegungssysteme vor. Inspiriert sind diese biomimetischen Systeme vom biologischen Vorbild Regenwurm. Die apedale, undulatorische, peristaltische Lokomotion des Regenwurms wird analysiert und ist Vorlage für die technische Realisierung. Eine umfangreiche Literaturrecherche zeigt ein breites Spektrum an Prototypen und Systemen sowie deren Eigenschaften und Leistungen. Zahlreiche terrestrische Lokomotionssysteme bewegen sich geradlinig in einer Bewegungsrichtung und basieren auf symmetrischer Coulomb'scher Reibung. Im Gegensatz dazu wird bei dem neuen System eine einstellbare anisotrope Reibung nach dem Coulomb'schen Reibgesetz verwirklicht. Diese anisotrope Reibung wird durch Borsten mit gegebenem Anstellwinkel realisiert. Durch Mechanismen kann die Ausrichtung der Borsten verändert werden, so dass die geforderte richtungsselektive anisotrope Reibung gewährleistet wird. Somit kann eine Vorzugsbewegungsrichtung durch diese Anstellung der Borsten vorgegeben bzw. gesteuert werden. In Verbindung mit einem periodischen Antrieb (interne Gestaltänderung des künstlichen Wurms) führt die richtungsselektive Reibung zu einer globalen Lageänderung des Systems: Undulation. Sowohl für den Antrieb als auch für die Ausrichtung der Borsten sind verschiedene technische Prinzipe entwickelt und eine ausgewählte Lösung konstruiert worden. Die Besonderheit an diesem neuen System ist die Verwirklichung sämtlicher Teilfunktionen, d.h., des periodischen Antriebs und der Ausrichtung der Borsten, mit nur einem zentralen Antrieb.
Entwurf und Analyse von Regelungskonzepten für biologisch inspirierte Sensorsysteme. - 130 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Die vorliegende Masterarbeit behandelt adaptive Regelungsstrategien für biologisch inspirierte Sensorsysteme am Beispiel eines Vibrissensensors zur Wahrnehmung taktiler Reize. Diese Sensoren befinden sich fortlaufend im Zustand der Anpassung, um wiederkehrende Störungen zu dämpfen und gleichzeitig sensitiv für andere Arten von Erregungen zu sein. Das System hat den Relativgrad zwei und sowohl die Systemparameter als auch die Störsignale seien unbekannt. Um solch ein System zu regeln werden verschiedene adaptive Regler untersucht. Bereits existierende adaptive Regelungsstrategien werden erweitert und modifiziert. Zudem werden adaptive Regler mit endlicher Einstellzeit untersucht. Die erzielten Modifikationen werden dann mit einem neu entworfenen Fuzzy-Regler verglichen, um die Umsetzbarkeit und die Leistung der adaptiven Regler bewerten zu können. Dies geschieht beispielhaft an drei Systemen: Einem linearen Feder-Masse-Dämpfer-Schwinger, einem invertierten mathematischen Pendel und einem wurmartigen Bewegungssystem. Außerdem wird eine Regelungsstruktur mit nicht-klassischem Differentialteil in der Rückführung sowie die Minimalphasigkeit der Systeme untersucht.
Entwurf, Steuerung und Analyse biomimetischer, wurmartiger Bewegungssysteme. - 141 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse, Einordnung und Bewertung ebenso wie die Synthese, Entwicklung, Konstruktion und Steuerung von apedalen, undulatorischen und peristaltischen Lokomotionssystemen. Auf der Grundlage einer erarbeiteten Funktionsstruktur eines Regenwurmsegments werden bestehende Lokomotionssysteme im Hinblick auf die Umsetzung funktionaler und struktureller Zusammenhänge des Regenwurms (biologisches Vorbild) analysiert. Zwei Lokomotionssysteme (Mikrosystem und Makrosystem) werden aufgrund ihres Weiterentwicklungspotenzials näher untersucht. Die Lokomotion der beiden Systeme erfolgt auf der Grundlage einer Relativlagenänderung von Wirkelementen mit Borstenstrukturen, die eine anisotrope Reibung realisieren und in Kontakt mit der Umgebung sind. Da die Ausrichtung der sich im Eingriff befindenden Borsten nicht beeinflusst werden kann, ist sowohl bei dem Mikrosystem, als auch bei dem Makrosystem nur eine unidirektionale Lokomotion möglich. Für ein neues Lokomotionssystem werden entsprechend des konstruktiven Entwicklungsprozesses Prinzipe von Wirkelementen erarbeitet. Zwei ausgewählte Prinzipe werden realisiert. Mit Hilfe von Formgedächtnisaktoren wird Einfluss auf die Ausrichtung der sich im Eingriff befindenden Reibstruktur genommen. Dadurch wird eine bidirektionale Lokomotion ermöglicht. Die Relativlagenänderung der Wirkelemente des neuen Lokomotionssystems wird in Analogie zum Mikrosystem durch einen verstärkten Piezostapelaktor realisiert. Es werden jedoch Übertragungselemente mit verteilter Nachgiebigkeit eingesetzt. Die Auslegung erfolgt mit Hilfe einer FE-Analyse in ANSYS. Selbsterwärmungsvorgänge im Piezostapelaktor können dadurch minimiert werden. Das neue Lokomotionssystem ist damit in der Lage, im Vergleich zu dem Mikrosystem, eine längere, gleichförmige Lokomotion auszuführen. Abschließend wird das Makrosystem in Betrieb genommen. Ansteueralgorithmen werden mit Hilfe des Programms LabVIEW implementiert.
Simulation, Parameteridentifikation und Bahnplanung von 4 und 6-Achs-Industrierobotern. - 72 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2011
Industrieroboter haben als umprogrammierbare und universell in Handhabungs- und Fertigungsaufgaben einsetzbare Bewegungsautomaten eine große Bedeutung in der Automatisierung erlangt. Die verbreitetsten seriellen Kinematiken sind die vierachsige SCARA-Struktur und der sechsachsige vertikale Knickarmroboter. Das Ziel dieser Arbeit besteht im Aufbau von Rechnermodellen für diese beiden Robotertypen. Hierbei wird der mechatronische Ansatz des Systemgedankens verfolgt, bei dem die Einflüsse aller Teilkomponenten berücksichtigt werden. Die Modellierung der Roboterdynamik erfolgt im Mehrkörpersimulationsprogramm alaska. Dieses ist durch Kopplung mit dem Simulationstool MATLAB/Simulink verbunden, wodurch die Vorteile beider Modellierungs- und Simulationssysteme genutzt werden können. In MATLAB/Simulink werden der Antriebsstrang abgebildet, Regelungsalgorithmen und eine Trajektorienplanung implementiert, die Sollwerte für PTP- oder CP-Steuerung bereitstellt.
Piezoelektrische Antriebe - Recherche, Klassifizierung und Applikation für apedale Lokomotionssysteme. - 48 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2010
Diese Arbeit befasst sich mit Anwendung und Klassifizierung piezoelektrischer Antriebe für miniaturisierte apedale Lokomotionssysteme (ALS). Als apedale Lokomotion wird die Fortbewegung ohne Hilfe der Beine oder Räder im klassischen Sinne bezeichnet. Ein Vergleich des piezoelektrischen Aktorprinzips mit anderen Aktorprinzipien wird aufgestellt und deren relevante Vor- und Nachteile aufgezählt. Es wird gezeigt, dass die Piezoaktoren, aufgrund ihrer Eigenschaften, für den Einsatz als Antrieb in miniaturisierten ALS besonders attraktiv sind. Der piezoelektrische Effekt in verschiedenen piezoelektrischen Materialien sowie Funktionsprinzipien, Bauformen und Eigenschaften von Piezoaktoren und Piezomotoren werden dargelegt und im Hinblick auf die Applikation in ALS analysiert und bewertet. Weiterhin werden die für ALS verwendbaren Antriebsprinzipien, wie zum Beispiel der Trägheitsantrieb oder inchworm-ähnliche Lokomotion, vorgestellt. Eine Methode zum Design von miniaturisierten ALS auf Basis von Analyse der Kombinationen von Lokomotionskonzepten und Antriebs-, Übertragungs- und Wirkelementen wird entwickelt. Die Entwicklungsmethode wird am Beispiel eines regenwurm-ähnlichen Lokomotionssystems hinsichtlich der Wahl und Gewichtung von Bewertungskriterien sowie einer endgültigen Bewertung des Systems detailliert diskutiert.
Untersuchung des Leichtbaupotenzials von faserverstärkten Kunststoffen anhand biegebelasteter Trägerprofile. - 120 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Untersuchung des Leichtbaupotenzials von faserverstärkten Kunststoffen anhand biegebelasteter Träger. Dabei wird eine Vielzahl von geometrisch einfachen Trägern in reiner Faser-Kunststoff-Bauweise und in Form von hochinnovativen Faser-Kunststoff-Verbund-Metall-Hybrid-Bauteilen sowohl mithilfe der Finite-Elemente-Methode rechnerisch, als auch anhand einer Variante experimentell analysiert. Nach einem Überblick über etablierte und neuartige Karosseriebauweisen in der Automobiltechnik, Aufbau und Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbunden sowie wichtige Fertigungsverfahren, erfolgt eine Einführung in mechanische Grundlagen von biegebelasteten Trägern. Darauf aufbauend werden sechs verschiedene Bauweisen in jeweils drei realen Anwendungen nachempfundenen Packageabmaßen in CATIA V5 konstruiert. Zur vergleichenden Bestimmung des Leichtbaupotenzials werden innerhalb eines Packageraumes alle Varianten mit identischer Masse dimensioniert. Die rechnerische Untersuchung der in ANSA vernetzten Schalenmodelle findet anhand eines 3-Punkt-Biegeversuchs mit dem Berechnungsprogramm LS-DYNA mit implizierter Zeitintegration statt.
3D-Visualisierung räumlicher Stabwerksysteme als Basiselemente für neuartige Lokomotionssysteme. - 92 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2010
Die Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der 3D-Visualisierung räumlicher Stabwerksysteme als Basiselemente für neuartige Lokomotionssysteme. Im Fachgebiet Technische Mechnik der TU Ilmenau bilden nichtklassische, bein- und radlose, Fortbewegungssysteme einen zentralen Forschungsgegenstand. Basis hierfür bilden unter Anderen komplexe Stabwerkstrukturen mit Linearantrieben, die es ermöglichen, die Schwerpunktlagen der Strukturen zu ändern und mittels dieser Schwerpunktverlagerung eine Fortbewegung dieser Systeme zu generieren. Es werden interaktive 3D-Visualisierungen dieser Systeme für die studentische Ausbildung realisiert werden. Die Softwarelösungen, die in der vorliegenden Arbeit entwickelt werden, sollen den Studierenden helfen, diese komplexen Strukturen in ihrer Funktionsweise verstehen und neue Designvorschläge selber entwickeln zu können. Neben der Lösung der grafischen und medientechnischen Aufgaben im Zusammenhang mit der 3D Visualisierung erfolgt auch eine Auseinandersetzung mit didaktischen Fragen, einschliesslich der Durchführung von Usability-Tests.