Wissenschaftliche Veröffentlichungen

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Erstellt: Sat, 13 Aug 2022 23:04:48 +0200 in 0.0655 sec

Chavez, Jhohan; Böhm, Valter; Becker, Tatiana; Gast, Simon; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
Actuators based on a controlled particlematrix interaction in magnetic hybrid materials for applications in locomotion and manipulation systems. - In: Magnetic hybrid-materials, (2022), S. 653-680

The paper deals with the investigation of magneto-sensitive elastomers (MSE) and their application in technical actuator systems. MSE consist of an elastic matrix containing suspended magnetically soft and/or hard particles. Additionally, they can also contain silicone oil, graphite particles, thermoplastic components, etc., in various concentrations in order to tune specific properties such as viscosity, conductivity and thermoelasticity, respectively. The focuses of investigations are the beneficial properties of MSE in prototypes for locomotion and manipulation purposes that possess an integrated sensor function. The research follows the principle of a model-based design, i.e. the working steps are ideation, mathematical modelling, material characterization as well as building first functional models (prototypes). The developed apedal (without legs) and non-wheeled locomotion systems use the interplay between material deformations and the mechanical motion in connection with the issues of control and stability. Non-linear friction phenomena lead to a monotonous forward motion of the systems. The aim of this study is the design of such mechanical structures, which reduce the control costs. The investigations deal with the movement and control of 'intelligent' mechanisms, for which the magnetically field-controlled particle-matrix interactions provide an appropriate approach. The presented grippers enclose partially gripped objects, which is an advantage for handling sensitive objects. Form-fit grippers with adaptable contour at the contact area enable a uniform pressure distribution on the surface of gripped objects. Furthermore, with the possibility of active shape adaptation, objects with significantly differing geometries can be gripped. To realise the desired active shape adaptation, the effect of field-induced plasticity of MSE is used. The first developed prototypes mainly confirm the functional principles as such without direct application. For this, besides the ability of locomotion and manipulation itself, further technological possibilities have to be added to the systems.

Becker, Tatiana; Raikher, Yuriy L.; Stolbov, Oleg V.; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus;
Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. - In: Magnetic hybrid-materials, (2022), S. 625-652

Magnetoactive elastomers (MAEs) are a special type of smart materials consisting of an elastic matrix with embedded microsized particles that are made of ferromagnetic materials with high or low coercivity. Due to their composition, such elastomers possess unique magnetic field-dependent material properties. The present paper compiles the results of investigations on MAEs towards an approach of their potential application as vibrating sensor elements with adaptable sensitivity. Starting with the model-based and experimental studies of the free vibrational behavior displayed by cantilevers made of MAEs, it is shown that the first bending eigenfrequency of the cantilevers depends strongly on the strength of an applied uniform magnetic field. The investigations of the forced vibration response of MAE beams subjected to inplane kinematic excitation confirm the possibility of active magnetic control of the amplitude-frequency characteristics. With change of the uniform field strength, the MAE beam reveals different steady-state responses for the same excitation, and the resonance may occur at various ranges of the excitation frequency. Nonlinear dependencies of the amplification ratio on the excitation frequency are obtained for different magnitudes of the applied field. Furthermore, it is shown that the steady-state vibrations of MAE beams can be detected based on the magnetic field distortion. The field difference, which is measured simultaneously on the sides of a vibrating MAE beam, provides a signal with the same frequency as the excitation and an amplitude proportional to the amplitude of resulting vibrations. The presented prototype of the MAE-based vibrating unit with the field-controlled "configuration" can be implemented for realization of acceleration sensor systems with adaptable sensitivity. The ongoing research on MAEs is oriented to the use of other geometrical forms along with beams, e.g. two-dimensional structures such as membranes.

Wittke, Martin; Wolf, Matthias; Weigert, Florian; Darnieder, Maximilian; Gerlach, Erik; Zimmermann, Klaus; Theska, René;
Investigations on a torque-compensating adjustment drive for mechanically sensitive devices. - In: Proceedings of the 22nd International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, (2022), S. 81-82

Boeck, Thomas; Sanjari, Seyed Loghman; Becker, Tatiana;
Parametric instability of a vertically driven magnetic pendulum with eddy-current braking by a flat plate. - In: Nonlinear dynamics, ISSN 1573-269X, Bd. 109 (2022), 2, S. 509-529

The vertically driven pendulum is one of the classical systems where parametric instability occurs. We study its behavior with an additional electromagnetic interaction caused by eddy currents in a nearby thick conducting plate that are induced when the bob is a magnetic dipole. The known analytical expressions of the induced electromagnetic force and torque acting on the dipole are valid in the quasistatic limit, i.e., when magnetic diffusivity of the plate is sufficiently high to ensure an equilibrium between magnetic field advection and diffusion. The equation of motion of the vertically driven pendulum is derived assuming that its magnetic dipole moment is aligned with the axis of rotation and that the conducting plate is horizontal. The vertical position of the pendulum remains an equilibrium with the electromagnetic interaction. Conditions for instability of this equilibrium are derived analytically by the harmonic balance method for the subharmonic and harmonic resonances in the limit of weak electromagnetic interaction. The analytical stability boundaries agree with the results of numerical Floquet analysis for these conditions but differ substantially when the electromagnetic interaction is strong. The numerical analysis demonstrates that the area of harmonic instability can become doubly connected. Bifurcation diagrams obtained numerically show the co-existence of stable periodic orbits in such conditions. For moderately strong driving, chaotic motions can be maintained for the subharmonic instability.

Behn, Carsten; Will, Christoph; Merker, Lukas; Steigenberger, Joachim;
Bending vibration systems which are complementary with respect to eigenvalues. - In: Mechatronics and life sciences, (2022), S. 277-286

In developing prototypes, one fundamental activity is to model appropriate systems which mimic fundamental features of (biological) paradigms. In this way, we set up different models for the investigation of natural frequencies. The aim is to detect object contacts of technical sensors in observing their vibration behavior. For this, we compare the range and the shift of natural frequencies determined from the analysis of the arising two-point boundary-value problems. In particular, we found two systems with complementary spectra of eigenvalues. Considering boundary damping we analyzed these eigenvalues in the first octant of the complex plane. The fundamental result is that these two systems offer no common eigenvalue, they are alternative. This is an interesting and unique observation.

Zimmermann, Martin;
Untersuchung des Feuchtetransportes und dessen Einfluss auf Form- und Eigenspannungsänderungen in Furnieren. - Düren : Shaker Verlag, 2022. - XII, 181 Seiten. - (Berichte aus der Mechanik)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

ISBN 978-3-8440-8523-5

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, die Untersuchung der Feuchteaufnahme und -weiterleitung in Furnieren, wie sie während der industriellen Verarbeitung vorkommt. Es steht damit die Aufnahme von freiem Wasser einschließlich der damit einhergehenden quellungsbedingten Form- und Eigenspannungsänderungen bei Furnieren im Fokus der Betrachtungen. Hierzu werden, nach Vorstellung ausgewählter Grundlagen aus Forschung und Technik, Konzeption und Realisierung experimenteller Untersuchungen erläutert. Die am Beispiel von Rotbuchenfurnier (Fagus Sylvatica L.) durchgeführten Untersuchungen unterscheiden dabei zwischen Versuchsreihen zur Wasseraufnahme und der damit verbundenen Verformungsentwicklung. Die Randbedingungen der verschiedenen Messreihen berücksichtigen für Holz typische anatomische Eigenschaften (z. B. Faserausrichtung), relevante Befeuchtungsszenarien aus der industriellen Furnierverarbeitung (einseitige, zweiseitige und allseitige Feuchtezufuhr) sowie Einflüsse aus der Furnierherstellung (Unterscheidung rissbehaftete/rissfreie Furniersichtseite). Darüber hinaus ist die mathematische Beschreibung der Feuchtebewegung in Furnieren Gegenstand der Arbeit. So werden auf Basis der Fick’schen Diffusionsgesetze, mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, feuchteabhängige Kennwertverläufe (Transportkoeffizienten) für longitudinalen und radialen Feuchtetransport in Rotbuchenfurnier abgeleitet. Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass der Feuchtetransport in Furnier sehr gut mit Hilfe der entwickelten Modelle beschrieben werden kann. Ferner werden, basierend auf den durchgeführten Untersuchungen, ein für Furnier typisches und von Vollholzerzeugnissen abweichendes Verformungsverhalten herausgestellt sowie allgemeine Aussagen zur Formstabilität von Furnieren abgeleitet.

Merker, Lukas; Behn, Carsten; Zimmermann, Klaus;
Soft touch between a highly flexible bio-inspired tactile sensor and 3D objects. - In: Proceedings in applied mathematics and mechanics, ISSN 1617-7061, Bd. 21 (2021), 1, e202100003, S. 1-3

Scanning and reconstructing the environment using tactile sensors alongside optical sensors is a promising approach in mobile robotics. Within the present paper, we take advantage of a recently presented vibrissa-inspired tactile sensor concept for 3D object scanning and reconstruction, broadening our previous studies. The sensor consists of a slender, cylindrical, highly flexible probe, one-sided clamped to some force-torque measuring device. The probe is shifted relatively to an object of interest by displacing its clamping position quasi-statically. Consequently, the probe gets bent, sweeps over the object and transmits mechanical signals (observables) to its support. The focus of the present investigation is on how the probe sweeps over a new type of object (paraboloid), verifying a necessary condition for optional contact points. Finally, this condition allows to find multiple equilibrium states for a single clamping position.

Scharff, Moritz;
Bio-inspired tactile sensing : analysis of the inherent characteristics of a vibrissa-like tactile sensor. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (xviii, 169 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Die Weiterentwicklung taktiler Sensoren gewinnt an Bedeutung bspw. durch eine verstärkte Anwendung taktiler Sensoren zur Navigation in unbekannten Umgebungen von autonomen mobilen Robotern. Eine Möglichkeit taktile Sensoren weiter zu entwickeln ist, sich - wie auch schon andere Entwicklungen zeigen - der Natur zu bedienen, Vorbilder zu identifizieren, diese fundamental zu analysieren und als wesentlich befundene Eigenschaften und Funktionstüchtigkeiten zu adaptieren. Ratten besitzen auffällige Tasthaare an beiden Seiten der Schnauze, sogenannte Vibrissen. Diese sind gekennzeichnet durch einen langen, schlanken und natürlich vorgekrümmten Haarschaft mit konischem Querschnittsverlauf. Der Haarschaft wird von einem Haarfollikel gehalten, der sich unter der Haut befindet und in dem überdies Mechanorezeptoren zur Reizdetektion zu finden sind. Während der Erkundung von unbekannten Umgebungen und Objekten setzen Ratten ihre Vibrissen ein, um bspw. die Form oder Textur eines Objektes zu bestimmen, indem die Vibrisse daran entlang bewegt wird. Die Informationsaufnahme wird im Haarfollikel durch die Mechanorezeptoren realisiert. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum übergeordneten Ziel, die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten dieses komplexen und hochentwickelten Sensorsystems der Natur für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Die Eigenschaften einer Vibrisse sind synergetisch und beeinflussen ihre Funktionen in bedeutendem Maß. Deshalb wird das natürliche Vorbild detailliert analysiert und mit den Konzepten des biomechatronischen Systems und des Reizleitungsapparats beschrieben und auf dieser Basis ein Vibrissen-ähnlicher Sensor entworfen, um die inhärenten Eigenschaften eines solchen Sensorsystems zu untersuchen. Um die Funktionstüchtigkeit des entworfenen Protoyps, aufgebaut auf Basis der detaillierten Vorabanalyse, zu untersuchen, werden verschiedene Testobjekte, einschließlich verschiedener Oberflächenbeschaffenheiten, mit dem Sensor vermessen. Anhand der aufgezeichneten Messsignale zeigt sich, dass ein Objekt durch seine generelle Form sowie seine makroskopische und mikroskopische Oberflächenstruktur beschrieben werden kann. Die genannten Informationen überlagern sich in den gemessenen Signalen und müssen für eine weiterführende Auswertung extrahiert werden. Der Abstand zwischen Sensorlagerung und Objekt hat entscheidenden Einfluss. Makroskopische Oberflächenelemente lassen sich im Abstand von 80% der Länge des Sensorschafts besonders gut detektieren. Ein mittlerer Abstand, ca. 60% der Länge des Sensorschafts, unterstützt die Erfassung der Eigenschaften einer mikroskopischen Textur. Hingegen ist ein kleiner Abstand von 45% der Sensorschaftlänge besonders geeignet zur Detektion der generellen Form des Objekts. Diese Effekte sind in enger Verbindung zur Elastizität des Sensorschafts zu interpretieren. Beispielsweise verhindert die starke Krümmung des Sensorschafts in Folge eines kleinen Objektabstandes eine Detektion von makroskopischen Oberflächenelementen wie Rillen und Stufen, da sich der Sensorschaft in dieser Konfiguration wie ein adaptiver morphologischer Filter auswirkt und damit eine inhärente Eigenschaft des Sensorsystems ist. Der Übergang zwischen der makroskopischen und mikroskopischen Oberflächenstruktur wird durch den Durchmesser der Spitze des Sensorschafts bestimmt. Oberflächenstrukturelemente, die kleiner als dieser Durchmesser sind, gehören zur mikroskopischen Oberflächenstruktur. Daraus folgt, dass auch der Durchmesser der Spitze eine inhärente Eigenschaft ist. Eine weitere inhärente Eigenschaft wird bei der Detektion einer mikroskopischen Oberflächenstruktur erkennbar. Wenn der, sich im Kontakt befindende, stark verformte, Sensorschaft so bewegt wird, dass die konkave Seite des Sensorschafts in Bewegungsrichtung zeigt, werden die erfassten Signale verstärkt - im Vergleich zur entgegengesetzten Bewegungsrichtung. Unter Berücksichtigung der genannten und weiterer Ideen, wird der durch eine natürliche Vibirsse inspirierte Sensor in der vorliegenden Arbeit untersucht.

Gast, Simon; Prem, Nina; Schale, Florian; Zeidis, Igor; Zimmermann, Klaus;
Vklad v mechaniku mnogoslojnoj podatlivoj sistemy s priloženijami dlja mjagkoj robototechniki :
A contribution to the mechanics of a multi-layered compliant system with applications for soft robotics. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 2(83), Seite 7-17

Griebel, Alexandra; Henning, Stefan; Griebel, Stefan; Schale, Florian; Fröhlich, Thomas; Töpfer, Hannes; Zentner, Lena;
Naučnye issledovanija na osnove modelirovanija s celьju raspoznavanija sily putem monitoringa a deformacionnogo sostojanija gibkogo mechanizma :
Model-based investigations of force detection by monitoring the deformation state of a compliant mechanism. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 3(84), Seite 51-62

A strong, long-lasting pressure on the human skin whose effect is increased by shear forces can lead to the development of a pressure ulcer (decubitus). In order to minimize the risk of pressure ulcers developing, critical forces acting between the body and a sitting or lying surface should be detected and eliminated in time. One possibility for detecting critical forces is the actuation of tactile switches. In this article, miniature tactile switches are integrated into a compliant mechanism using the example of a MATF1 mattress spring made by Hartmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG. For this purpose, the deformation behavior of the spring is analyzed by means of non-linear analytical and finite elements method (FEM) calculations and the required tactile switches parameters as well as suitable locations for their placement are determined. A functional model is then built and examined.