Wissenschaftliche Veröffentlichungen

Die taktile Sensorik birgt große Potenziale für die Weiterentwicklung von technischen Geräten und deren Einsatz in unstrukturierten Umgebungen. Häufig sind taktile Sensorkonzepte von der Natur inspiriert, z.B. durch die mystazialen Vibrissen der Ratte. Diese speziellen Tasthaare dienen als multimodale Sensoren, die Ratten u.a. zur Objektformkennung befähigen. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen biomimetischen Ansatz mit dem Ziel der Weiterentwicklung vibrissen-inspirierter Sensoren für die 3D-Objektformerkennung unter Reibungseinflüssen. Das biologische Vorbild Vibrisse besteht im Wesentlichen aus einem hochflexiblen, nicht-sensorischen Haarschaft, welcher in seinen eigenen Follikel-Sinus-Komplex eingebettet ist, der sensorische Komponenten enthält. Diese Struktur wird abstrahiert und auf ein technisches Sensorkonzept übertragen. Zur Realisierung der Objektabtastung wird ein schlanker, einseitig eingespannter, hochflexibler Taster durch lineare Verschiebung der Einspannung entlang des Zielobjekts gestrichen. Die resultierenden Lagerreaktionen dienen als einzige Observablen für die Rekonstruktion von Kontaktpunktfolgen zwischen Taster und Objekt, die schließlich auf die Form des letzteren schließen lassen. Zu diesem Zweck wird das Sensorkonzept mechanisch modelliert und mithilfe von Modellgleichungen beschrieben. Aufbauend auf der Analyse der 2D-Objektabtastung und -Rekonstruktion unter Reibungseinflüssen wird das Modell auf den allgemeinen 3D Fall erweitert. In Simulationen und Experimenten wird die allgemeine Umsetzbarkeit der Objektformerkennung demonstriert. Simulationsbasierte Parameterstudien verdeutlichen zudem den Einfluss der (Coulomb) Reibung auf die Lagerreaktionen und die Rekonstruktionsergebnisse. Während die Lagerreaktionen signifikant von Reibungseffekten beeinflusst werden, ist der Fehler der rekonstruierten Kontaktpunkte reibungsinvariant (unbeeinflusst durch den Reibungskoeffizienten). Diese Erkenntnisse werden im Zusammenhang mit den experimentellen Ergebnissen diskutiert. Darüber hinaus wird für den Fall der 2D-Objektabtastung ein Ansatz zur Rekonstruktion von Reibungsparametern vorgestellt, für den ein erster experimenteller Konzeptnachweis erbracht wird. Schließlich wird das Sensormodell mit Blick auf das biologische Vorbild durch Implementierung einer elastischen Lagerung und einer rotatorischen Abtastkinematik angepasst.

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.

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.

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. The first steps are therefore being taken towards integrated MSE based adaptive sensor systems.

Der Gegenstand der Arbeit ist die Effizienzsteigerung von elektromechanischen Antrieben durch magnetisch kontrollierbare Fluide, basierend auf einem mathematischen Modell ferrofluidaler Strömungen unter Einbeziehung des Magnetfeldes und des Wärmestromes. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik gibt einen Überblick über magnetische und rheologische Flüssigkeiten und zeigt die Anwendungsmöglichkeiten magnetisch kontrollierbarer Fluide. In Voruntersuchungen wird der kraftverstärkende Einfluss des Ferrofluids im Luftspalt eines Eisenkreises dargestellt und mittels des FEM-Simulationswerkzeuges COMSOL nachgebildet und berechnet. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Modellierung, bei der das Taylor-Couette-System die Basis bildet und die Navier-Stokes-Gleichungen das Strömungsverhalten im System beschreiben. Berechnungen zum Geschwindigkeitsfeld bei konstanter und variabler Viskosität werden durchgeführt und ein Temperaturmodell, angenähert an das Verhalten des Elektromotors, analytisch hergeleitet. Nach den theoretischen Untersuchungen am Taylor-Couette-Modell als Abstraktionsstufe für einen Elektromotor folgt die experimentelle Evaluierung am Prototyp einer ferrofluidunterstützten permanenterregten Synchronmaschine. Dem konstruktiven Entwicklungsprozess folgend, wird eine simulative Berechnung des Prototyps mit der FE-Software COMSOL durchgeführt. Die Messergebnisse zum Erwärmungs- und Dauerlauf werden detailliert dargestellt. Das Ferrofluid ist in diesem genannten Kontext ein effizienzsteigerndes Element. Im letzten Teil der Arbeit wird eine innovative Entwicklung vorgestellt, bei dem, im Unterschied zu dem Antrieb aus den Kapiteln 3 und 4, eine magnetisch kontrollierbare rheologische Flüssigkeit ein funktionsbestimmendes Element ist. Die modellbasierte Untersuchung und die Prototypenbeschreibung sowohl eines rotatorischen, als auch translatorischen Antriebes schließen die Arbeit ab.

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.

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.

This work presents a novel concept to develop mobile robots enabling crawling locomotion in tubular environment. Chain-like systems are designed by serial cascading a uniform tensegrity module. Inspired by the movement of worms in nature, an undulating shape change of the system is targeted to generate locomotion. The shape changeability of an exemplary tensegrity module due to internal actuation is examined in simulations and experiments. A prototype consisting of these tensegrity modules is manufactured and the locomotion principle is verified in experiments. Comparing to existing prototypes this approach enables an enhanced compliance due to the modular assembly of tensegrity structures.

The development of reconfigurable planar four-bar linkages by applying the tensegrity principle is considered. Conventional quadrilateral linkages enable two operation modes differing in the kinematic behavior. However, a change between these states is not possible due to the geometric constraints. To enable a reconfiguration between the different modes one-sided limited nonholonomic constraints are introduced in this work. This issue is realized by applying ropes that cannot resist compression. However, to guarantee an appropriate load case in operation a prestress within the mechanism is required. Hence, the linkage is extended to a tensegrity-based mechanism. The structural dynamics are derived using the Lagrange formalism and the structural behavior is evaluated using numerical simulations. Furthermore, a prototype of an exemplary tensegrity-based mechanism is manufactured and experiments regarding the mechanical properties, in particular the reconfiguration, are performed. The results suggest the potential benefit of applying the tensegrity principle within conventional planar four-bar linkages.

Just as the sense of touch complements vision in various species, several robots could benefit from advanced tactile sensors, in particular when operating under poor visibility. A prominent tactile sense organ, frequently serving as a natural paragon for developing tactile sensors, is the vibrissae of, e.g., rats. Within this study, we present a vibrissa-inspired sensor concept for 3D object scanning and reconstruction to be exemplarily used in mobile robots. The setup consists of a highly flexible rod attached to a 3D force-torque transducer (measuring device). The scanning process is realized by translationally shifting the base of the rod relative to the object. Consequently, the rod sweeps over the object’s surface, undergoing large bending deflections. Then, the support reactions at the base of the rod are evaluated for contact localization. Presenting a method of theoretically generating these support reactions, we provide an important basis for future parameter studies. During scanning, lateral slip of the rod is not actively prevented, in contrast to literature. In this way, we demonstrate the suitability of the sensor for passively dragging it on a mobile robot. Experimental scanning sweeps using an artificial vibrissa (steel wire) of length 50 mm and a glass sphere as a test object with a diameter of 60 mm verify the theoretical results and serve as a proof of concept.

Flexure hinges with small cross-section heights are state of the art in numerous precision engineering applications due to their capability for smooth and repeatable motion. However, the high sensitivity to manufacturing influences represents a challenge. We propose a characterization method for flexure hinges based on the measurement of the free oscillation, to enable the consideration of manufacturing influences in the early stages of the design process. Three semi-circular flexure hinges with different cross-section heights and highly accurate geometry were investigated experimentally to compare them with three theoretical modeling approaches. The results for the three flexure hinge specimens showed small deviations to the predicted values from the models which is in agreement with the results of dimensional measurements. With each modeling approach, a deviation of the minimal notch height from the nominal value can be calculated. This value, in turn, can be used as manufacturing allowance for subsequent manufacturing of compliant mechanisms using the same manufacturing method. An exemplary compliant parallel-crank mechanism proves the applicability of the concept to compliant mechanisms with multiple flexure hinges.

In this work, a tensegrity structure with spatially curved members is applied as rolling locomotion system. The actuation of the structure allows a variation of the originally cylindrical shape to a conical shape. Moreover, the structure is equipped with internal movable masses to control the position of the center of mass of the structure. To control the locomotion system a reliable actuation strategy is required. Therefore, the kinematics of the system considering the nonholonomic constraints are derived in this paper. Based on the resulting insight in the locomotion behavior a feasible actuation strategy is designed to control the trajectory of the system. To verify this approach kinematic analyses are evaluated numerically. The simulation data confirm the path following due to an appropriate shape change of the tensegrity structure. Thus, this system enables a two-dimensional rolling locomotion.

In dieser Arbeit wird die Anwendung von Tensegrity Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen zur Realisierung von Lokomotionssystemen in der mobilen Robotik untersucht. Diese Strukturen werden unter dem mechanischen Aspekt modelliert und verschiedene Aktuatorstrategien zur Realisierung eines kontrollierten Wechsels zwischen den unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen abgeleitet. Zur experimentellen Verifikation der theoretischen Ansätze wird ein Prototyp einer multistabilen Tensegrity Struktur entwickelt. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die vorteilhaften Eigenschaften multistabiler Tensegrity Strukturen sowie die Möglichkeit von kontrollierten Konfigurationswechseln. Infolge von Erweiterungen des mechanischen Modells unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen wird das Bewegungsverhalten von Tensegrity Strukturen simuliert. In dieser Arbeit wird die Fortbewegung durch die Gleichgewichtslagenwechsel der multistabilen Tensegrity Struktur realisiert. Abhängig von der gewählten Aktuierungsstragie kann eine schreitende Lokomotion, eine kriechende Lokomotion sowie eine springende Lokomotion realisiert werden. Experimente mit dem entwickelten Prototyp bestätigen die zuvor untersuchten Lokomotionsformen. Durch Kombination der verschiedenen Bewegungsmodi resultiert ein multimodales Lokomotionssystem. Dieses Lokomotionssystem erlaubt die Anpassung des Lokomotionsprinzips hinsichtlich der gegebenen Umgebungsbedingungen.

In this paper compliant multistable tensegrity structures with discrete variable stiffness are investigated. The different stiffness states result from the different prestress states of these structures corresponding to the equilibrium configurations. Three planar tensegrity mechanisms with two stable equilibrium configurations are considered exemplarily. The overall stiffness of these structures is characterized by investigations with regard to their geometric nonlinear static behavior. Dynamical analyses show the possibility of the change between the equilibrium configurations and enable the derivation of suitable actuation strategies.

In nature, there are several examples of sophisticated sensory systems to sense flows, e.g., the vibrissae of mammals. Seals can detect the flow of their prey, and rats are able to perceive the flow of surrounding air. The vibrissae are arranged around muzzle of an animal. A vibrissa consists of two major components: a shaft (infector) and a follicle-sinus complex (receptor), whereby the base of the shaft is supported by the follicle-sinus complex. The vibrissa shaft collects and transmits stimuli, e.g., flows, while the follicle-sinus complex transduces them for further processing. Beside detecting flows, the animals can also recognize the size of an object or determine the surface texture. Here, the combination of these functionalities in a single sensory system serves as paragon for artificial tactile sensors. The detection of flows becomes important regarding the measurement of flow characteristics, e.g., velocity, as well as the influence of the sensor during the scanning of objects. These aspects are closely related to each other, but, how can the characteristics of flow be represented by the signals at the base of a vibrissa shaft or by an artificial vibrissa-like sensor respectively? In this work, the structure of a natural vibrissa shaft is simplified to a slender, cylindrical/tapered elastic beam. The model is analyzed in simulation and experiment in order to identify the necessary observables to evaluate flows based on the quasi-static large deflection of the sensor shaft inside a steady, non-uniform, laminar, in-compressible flow.

A vibration-driven locomotor (capsubot) consisting of a rigid housing and an internal body connected to the housing by a spring is considered. The system is driven and controlled by an electromagnetic actuator that provides a force interaction between the housing and the internal body. The housing moves along a line on a horizontal plane with dry friction. The control voltage is applied to the robot in a periodic pulse-width mode, the voltage polarity remaining unchanged. Theoretical analysis predicts that the speed and direction of motion of the robot can be controlled by varying the period or/and the duty cycle of the control signal. An experimental prototype of the robot is built and the experiments are performed. The experiments confirm the theoretical prediction.

The paper deals with the mechanical modeling of a sensor concept in the framework of Motion Induced Eddy Current Testing (MIECT). The system consists of a magnet arrangement with two axially magnetized cylinder magnets, which are fixed to a shaft, driven by a motor with a constant angular velocity. A pick-up coil, assembled around the magnet arrangement and fixed to the sensors framework, measures the magnetic flux varying in time. The mechanical behavior of this experimental setup is analyzed using analytical and numerical methods. The main conclusions concerning the systems behavior are made with the asymptotic method. The investigations based on methods of Bogoliubov & Mitropolski show, that the main contribution to the solution is given by the first fundamental harmonic. The exact equation of motion is integrated numerically. The results of the theoretic investigations are compared with experimental data.

Der Gegenstand der Arbeit sind Tensegrity-Strukturen mit mehreren stabilen Gleichgewichtskonfigurationen, sogenannte multistabile Tensegrity-Strukturen. Im Vordergrund der Arbeit steht die Entwicklung von Algorithmen, mit denen solche Strukturen entworfen, untersucht und gezielt ausgelegt werden können. Dafür werden Möglichkeiten zur Bestimmung der Gleichgewichtskonfigurationen von multistabilen Tensegrity-Strukturen betrachtet. Des Weiteren wird untersucht, wie Tensegrity-Strukturen so ausgelegt werden können, dass sie vorgegebene Eigenschaften aufweisen. Dazu werden Kenngrößen zur Charakterisierung dieser Eigenschaften definiert. Für beide Aufgabenstellungen werden Optimierungsprobleme hergeleitet. Zur Lösung dieser Optimierungsprobleme werden Algorithmen entworfen, getestet und analysiert. Aufbauend auf diesen theoretischen Untersuchungen liegt ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit in der Betrachtung der Einsatzmöglichkeiten von multistabilen Tensegrity-Strukturen in der Greifertechnik. Es werden verschiedene Konzepte für die Entwicklung von Greifern aus diesen Strukturen diskutiert. Zu ausgewählten Konzepten erfolgen weiterführende Betrachtungen, unter anderem durch Einbeziehung dynamischer Analysen. Neben theoretischen Untersuchungen dieser Greifer werden die wichtigsten Erkenntnisse experimentell an Funktionsmustern überprüft und potentielle Einsatzgebiete werden aufgezeigt.

The basic idea of this article is the utilization of the multistable character of a compliant tensegrity structure to control the direction of motion of a crawling motion system. A crawling motion system basing on a two-dimensional tensegrity structure with multiple stable equilibrium states is considered. This system is in contact with a horizontal plane due to gravity. For a selected harmonic actuation of the system small oscillations around the given equilibrium state of the tensegrity structure occur and the corresponding uniaxial motion of the system is evaluated. A change of the equilibrium state of the tensegrity structure yields to novel configuration of the entire system. Moreover, the motion behavior of the novel configuration is totally different although the actuation strategy is not varied. In particular, the direction of motion changes. Therefore, this approach enables a uniaxial bidirectional crawling motion with a controllable direction of motion using only one actuato r with a selected excitation frequency.

The use of compliant tensegrity structures in robotic applications offers several advantageous properties. In this work the dynamic behaviour of a planar tensegrity structure with multiple static equilibrium configurations is analysed, with respect to its further use in a two-finger-gripper application. In this application, two equilibrium configurations of the structure correspond to the opened and closed states of the gripper. The transition between these equilibrium configurations, caused by a proper selected actuation method, is essentially dependent on the actuation parameters and on the system parameters. To study the behaviour of the dynamic system and possible actuation methods, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed. The movement behaviour is analysed in relation to the prestress of the structure and actuation parameters.

Magnetoactive polymers are intelligent materials whose mechanical and electrical characteristics are reversibly influenced by external magnetic stimuli. They consist of a highly elastic polymer matrix in which magnetically soft and/or hard particles are distributed by means of special fabrication processes. In addition to ferromagnetic particles such as carbonyl iron powder, electrically conductive particles may also be embedded into the polymer matrix. After characterizing a range of compounds, this work focuses on a comparison of the electrical properties and the suitability of various materials for applications, with particular emphasis on integration into 3D and 6D printing processes. 6D printing is based on the selective positioning of particles in a 3D polymer matrix with a further three degrees of freedom for a graduated dispersion of the particles at certain points and in desired directions. The aim is therefore to ensure that the polymers containing electroconductive tracks have the best possible electrical properties, that is, low resistivity but are still capable of being printed. A comparison between the traditionally used compounds containing graphite and carbon black is made for the first time. This latter is found to be greatly superior both in terms of electrical conductivity and applicability to 3D printing and 6D printing.

In der Biologie existiert ein hoch effizientes und mächtiges Tastorgan: die Sinushaare von Säugetieren. Unter Verwendung dieser Sinushaare können sich Tiere in ihrer Umgebung zurechtfinden, ohne auf die Unterstützung durch andere Sinne angewiesen zu sein, Abstände zu Objekten erkennen, die Oberflächenbeschaffenheit abschätzen und Konturen unterscheiden. Um das Prinzip der Konturerkennung auch in technischen Anwendungen nutzen zu können, werden in dieser Arbeit zunächst die fundamentalen Eigenschaften dieses taktilen Sinnesorgans analysiert: Das Tier erlangt Informationen aus seiner Umgebung, indem es ein langes, schlankes Haar gegen ein Objekt bewegt. Durch die dabei auftretende Verformung des Haares kann der Kontakt in der Lagerung, dem Follikel-Sinus-Komplex, registriert werden. Auf diesen Eigenschaften basierend wird ein unter klaren Annahmen formuliertes, ebenes, quasi-statisches Modell im Rahmen der Kontinuumsmechanik aufgestellt, welches das Problem der Objektabtastung in dimensionsloser Form beschreibt. Nach einer sorgfältigen Analyse des Modells dient dieses dazu die Observablen - jene Informationen, die dem Tier zur Verfügung stehen - zu generieren und im Anschluss, wenn die Observablen bekannt sind, den Kontaktpunkt von Haar und Objekt zu rekonstruieren. Sobald hinreichend viele Kontaktpunkte bekannt sind, kann die Objektkontur abgeschätzt werden. Nachdem die Tauglichkeit der Rekonstruktionsmethode mit Messdaten erfolgt ist, werden die Modellannahmen erweitert. Dies ermöglicht es auch den Einfluss einer elastischen Lagerung, der konischen Form der Haare und einer erweiterten Klasse von Objektkonturen während der Objektabtastung zu bestimmen. Um das Modell zusätzlich zu erweitern und weitere Eigenschaften des biologischen Vorbilds untersuchen zu können, wird auch ein Modell basierend auf der Finiten Elemente Methode verwendet und dessen Ergebnisse denen des kontinuierlichen Modells gegenübergestellt. Mit Hilfe des Finiten Elemente Modells ist es möglich, die Observablen für beliebig geformte Objekte, sowie für vorgekrümmte Haare zu bestimmen. Die entworfenen Modelle können für die Entwicklung von taktilen Sensoren, die Simulation von unterschiedlichen Kontaktbedingungen und die Einschätzung der Lagerreaktionen für diverse Anwendungsgebiete verwendet werden.

Gegenstand dieser Arbeit ist die kontinuumsmechanische Beschreibung des Werkstoffes Furnier bei zweidimensionaler Umformung. Die experimentellen Betrachtungen werden an quer gemessertem, industriell hergestelltem Rotbuchenfurnier (Fagus sylvatica L.) durchgeführt. Umformversuche sind dabei Kurzzeitversuche. Auf Basis bekannter Materialmodelle von Vollholz (Kurzzeitbereich) werden verschiedene Umformmodelle für Furnier entwickelt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Erfassung der Kennwertdifferenzen zwischen Vollholz und Furnier, der stark von den Parametern Holzfeuchte und Temperatur abhängigen Zug-Druck-Asymmetrie des Werkstoffes sowie des plastischen Verformungspotentials bei Druckbelastung. Darauf aufbauend werden, anhand mikroskopischer Untersuchungen, fertigungsbedingte Werkstoffschädigungen von Furnier (Messerrisse und Oberflächendefekte) charakterisiert und quantifiziert. Die Ergebnisse werden mit Blick auf die bei Vollholz und Furnier stark differierenden mechanischen Werkstoffkennwerte diskutiert und die Kennwertdifferenzen m.H. eines Schichtmodells erfasst. Des Weiteren werden ein neu entwickelter Biegeversuch und eine entsprechende Prüfvorrichtung zur Erfassung der zweidimensionalen Formungseigenschaften von Furnier vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt in der Aufzeichnung der Randfaserdehnungen der Biegeprobe m.H. eines digitalen Bildkorrelationsmesssystems. Anhand umfangreicher Versuche werden die Biegeeigenschaften und das Versagensverhalten von Furnier in Abhängigkeit der Parameter Furnierdicke, Holzfeuchte, Faser- und Krümmungsrichtung (offene, geschlossene Furnierseite) ermittelt. Furnier zeigt dabei asymmetrische Biegeeigenschaften sowie ein sehr komplexes Versagensverhalten, mit sukzessiv zunehmender Werkstoffschädigung. Die minimal erreichbaren Biegeradien werden in Bezug auf die daraus resultierenden Oberflächendefekte des Furniers ausgewertet und diskutiert. Im Gültigkeitsbereich der entwickelten Umformmodelle zeigen die Versuchsergebnisse eine gute Übereinstimmung. Hin zu sehr kleinen Radien ist aus den Dehnungsmessungen ersichtlich, dass in der Zugrandfaser die, aus uniaxialen Zugversuchen bekannten, Bruchdehnungen deutlich überschritten werden. Es wird aufgezeigt, wie die zugrunde gelegte Werkstoffmodellbeschreibung zu erweitern ist, um auch diesen Grenzbereich der Furnierformung im Umformmodell abbilden zu können.

This paper describes a method to identify compliant tensegrity structures with multiple states of self-equilibrium. The considered algorithm is based on the repeated use of a form-finding procedure, using the static Finite-Element-Method. The algorithm can be used to develop compliant multistable tensegrity mechanisms with simple topologies. Therefore three planar tensegrity mechanisms with two or three stable equilibrium configurations are exemplary considered and verified experimentally.

In der Robotik werden zunehmend mechanisch nachgiebige Systeme eingesetzt, um unter anderem die Interaktion zwischen Mensch und Maschine für den Menschen sicher zu gestalten. Ebenfalls wächst aufgrund vorteilhafter Eigenschaften, wie Formvariabilität, einfacher Aufbau und Möglichkeit der Stoßabsorption, der Anteil mechanisch nachgiebiger Systeme in der mobilen Robotik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Strukturen in mobilen Robotern zu leisten. Dabei bilden strukturelle und antriebstechnische Aspekte den Forschungsfokus. Die Untersuchungen sollen einen Impuls zur Entwicklung solcher nachgiebiger Lokomotionssysteme geben, bei welchen Fortbewegung mittels nur weniger Aktuatoren, unter Nutzung besonderer struktureller oder werkstoffseitiger Charakteristika, realisiert wird. Auf diese Weise können vielseitig einsetzbare mobile Roboter entwickelt werden, die sich durch einen einfachen Aufbau, moderaten Steuerungsaufwand und somit durch eine geringe Fehleranfälligkeit auszeichnen. Die Betrachtungen in dieser Arbeit haben Grundlagencharakter. Im Vordergrund steht nicht die Weiterentwicklung bekannter klassischer Lokomotionssysteme, sondern die exemplarische Umsetzung von im Vergleich zu bekannten Systemen alternativen Realisierungsmöglichkeiten derartiger mobiler Roboter. In diesem Zusammenhang werden wissenschaftliche Fragestellungen bezüglich struktureller, werkstoffseitiger und antriebstechnischer Aspekte formuliert und mittels theoretischer und experimenteller Untersuchungen beantwortet. Besonderer Fokus liegt hierbei auf der Betrachtung von mechanisch vorgespannten Systemen auf Basis von Tensegrity-Strukturen. Die Anwendung solcher Strukturen ermöglicht die Realisierung von Systemen, deren mechanische Nachgiebigkeit und daraus folgend auch dynamische Eigenschaften ohne Formänderung reversibel veränderbar sind. Dies ermöglicht eine Anpassungsfähigkeit dieser Systeme an veränderte Umgebungsbedingungen während der Fortbewegung.

All currently active planetary exploration robots employ wheels for locomotion. In this work an alternative robotic locomotion concept is examined: the rimless wheel, also known as whegs. It has been proven to be successful in traversing rough terrain on earth and inhibits an appealing simplicity in its mechanics and controls. These aspects along with its inherent redundancy make the rimless wheel particularly suited for planetary exploration. The rimless wheel's kinematics and compliant spokes are analytically examined using mechanical models. The dynamics of these models are explored in a computational multi-body simulation which confirms the conclusions drawn from the analytical models about running, climbing and movement on rough terrain. A parameter variation then yields a set of suitable parameters for a future scout rover. The application in sand is considered separately both analytically and computationally. Based on these results a single wheel is build and tested on the conclusions drawn from modelling and simulation. These experiments provide strong support that the two-sided goal of efficient movement on hard and flat surfaces as well as reliable negotiation of rough terrain can be achieved with the developed locomotion system.

The locomotion into sand is needed in various applications, but due to the complex mechanics of granular matter it causes special difficulties. High resistance forces on penetration systems and parameter dependent behavior, like stable or instable boreholes, complicate the design of mobile robots for the locomotion in sandy soil. The most effective state of the art devices deploy hammering mechanisms. Screw-driven systems arise more and more in the literature, as they promise to be a simple, robust and low-cost solution. In this paper, an autonomous drilling robot for the locomotion into sandy soils is presented. The design is based on theoretical modeling and experimental analyses of the screw drive aiming to minimize the needed torque and to maximize the locomotion speed. The presented prototype is able to reach a depth of 20 centimeters within a minute with a torque of 0.66 Nm.

The creation of mobile miniature robots is an advanced and promising branch of modern engineering. The most important issues in the design of such robots are the development of propulsion and energy systems. The use of miniature electromechanical systems in the technological world is growing rapidly. Considering new applications the piezoelectric drive is a practical base to create miniature robots which move on different surfaces and in different media. Due to the small dimensions and low energy supply the development of piezoelectric platforms for miniature robots in the form of spheres, cylinders, plates with support rods can effectively solve many theoretical and practical problems. To study complex stress-strain states of plate-platforms for miniature robots methods of numerical analysis (finite element calculation) are used. This allows to obtain solutions of boundary value problems for plates with various shapes in conditions of a controlled resonance. This results can be compared with experimental data. This approach leads to a significant reduction of the design costs.

Bristle-bots are vibration-driven mobile robots characterized by small size, high speed, simple design and low costs for production and application - qualities which are advantageous for agents of swarm robotics. Current studies have focused on their natural behaviour on confined spaces, navigation capabilities through pipes, and mathematical modelling of the bristle-based motion, however, trajectory generation capabilities were not evaluated. Therefore, this paper presents our robot "Donipodis", a mobile micro-robot for swarm robotics research. Our robot uses a single vibro-motor controlled over an 8-bit microprocessor that generates locomotion using bristles. It possess two IR receivers at its front as antennae and one IR transmitter at its back for peer-to-peer communications, an RGB colour identifier and IrDA communication for master host programming. A modelling of the micro-robot was also developed. Simulations and experimental results show a proper modelling of the locomotion and performance over displacement with slightly curved trajectories. Translation and rotation speeds characterization results show potential for controllable trajectory generation by varying the motor speed properties (PWM frequency and duty cycle) and direction.

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robotics is an attractive research topic. The mechanical properties and therefore the locomotion performance of mobile robots based on these structures can be adjusted reversibly during locomotion. In the present work, a rolling mobile robot, based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected curved members connected to a continuous net of eight prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. Pure rolling uniaxial locomotion and also planar locomotion can be realized with small control effort, induced by the movement of two internal masses. After kinematic considerations, the nonlinear equations of motion are derived and transient dynamic analyses are performed, to study the system behavior. Also the dependency of the rolling movement behavior on structural and actuation parameters is discussed. The uniaxial and planar locomotion performance of the system are verified experimentally.

The development of sensor systems with a complex adaptive regulation of the operating sensitivity and behaviour is an actual scientific and technical challenge. Smart materials like magneto-sensitive elastomers (MSE) are seen as one potential solution for this problem, since their mechanical properties may be controlled by external magnetic fields. The present paper deals with the investigation of elastic and damping properties of MSE containing magnetically soft particles under the influence of a uniform magnetic field. Based on the measurement of the first eigenfrequency of free bending vibrations of a fixed beam, the effective Young's modulus is evaluated theoretically and also numerically using Finite Element Method. It is shown that this parameter, as well as the first eigenfrequency of the beam, increases monotonically with the magnitude of the applied magnetic field. The results are aimed to develop an acceleration sensor with adaptive magnetically controllable sensitivity range for the detection of external mechanical stimuli of the environment.

One of the most challenging adaptations within the therians has been to ensure dynamic stability of the trunk during rapid locomotion in highly structured environments. A reorganization of limb mechanics and development of new sensors has taken place within their stem lineage. Rats, which have a similar lifestyle to the first therians, possess sinus hairs specialized for tactile sensing. It is supposed that carpal sinus hairs have a role in sensing substrate properties and can thus induce adjustments in limb kinematics and body posture according to the different surface diameters and structures detected. This implies a shared sensorimotor control loop of sinus hairs and body posture. To investigate the role of the carpal sinus hairs during locomotion and to explore a possible interaction between limb and spine motion, spatiotemporal and kinematic parameters as well as the contact mechanics of the hairs with regard to the surface were quantified. Locomotion on a treadmill with continuous and discontinuous substrates was compared in the presence/absence of the carpal sinus hairs across a speed range from 0.2 m/s to 0.6 m/s. Recordings were taken synchronously using x-ray fluoroscopy and normal-light high-speed cameras. Our investigation revealed that the three tactile hairs made a triangle-like contact with the ground approximately 30 ms before touchdown of the forelimb. Within that time, it is likely that both the body posture and its oscillation are adjusted according to the different surface textures. The sensory input of the carpal sinus hairs induces a stabilization of the trajectory of the center of mass and, therefore, improves the dynamic stability of the trunk; conversely, the absence of the sensors results in a more crouched frontal body posture, similar to that seen in rats when they are moving in an unknown terrain. The carpal sinus hairs also sense the animal's speed during surface contact. This implicates an adjustment of the limb and spine kinematics, by increasing the speed-dependent effect or by increasing the distance between the trunk and the ground when the rat is walking faster.

In this paper the mechanics and control of the motion of a straight chain of three particles interconnected with kinematical constraints are investigated. The ground contact is described by dry (discontinuous) or viscous (continuous) friction. Here, we understand this model as a methodological basis for the design of worm-like locomotion systems, i.e., non-pedal mobile robots. This kind of robots will prove an efficient form of locomotion in application to inspection of pipes or for rescue missions. In this paper, a number of issues related to the dynamics and control of artificial limbless locomotion systems are discussed. Simplest models of a limbless locomotor are two-body or three-body systems that move along a horizontal straight line. In the first part of the paper, the controls are assumed in the form of periodic functions with zero average, shifted on a phase one concerning each other. Thus, there is a traveling wave along the chain of particles. In the second part, actuator models are discussed. It is supposed that there are unknown actuator data or the worm system parameter are not known or exactly as well. The focus is on adaptive control algorithms for the worm-like locomotion systems in order to track given reference trajectories, like kinematic gaits. Finally, a prototype together with its signal processing and control software is presented. Theoretically (analytically and numerically) calculated results of the dynamical behavior of the mobile system are compared to experimental data.

The use of mechanically compliant tensegrity structures in mobile robots is an attractive research topic. This paper describes a new concept for rolling locomotion of mobile robots based on tensegrity structures. In particular, an untethered locomotion system based on a simple tensegrity structure, consisting of two rigid disconnected compressed curved members connected to a continuous net of twelve prestressed tensioned members with pronounced elasticity, is considered. The locomotion is induced by the movement of two internal masses. The working principle of the system is discussed with the help of kinematic considerations and verified with experimental tests.

The paper deals with a spherical pendulum inside a spherical ferrofluid volume in the presence of an uniform magnetic field. The problem is motivated by biological tactile sensors of mammals. These thin long hairs, called vibrissae, grow from a special follicle incorporating a capsule of blood and are used by mammals for exploration of the surrounding area. We propose a continuum model of the viscoelastic support of a vibrissa inside the follicle as a spherical volume filled with ferrofluid. It is a stable colloidal suspension of nanoscale ferromagnetic particles in a viscous carrier liquid. The tactile hair is modeled as a rigid rod with a spherical body at the end, which is submerged inside the ferrofluid. Using analytic expressions for the magnetic force acting on a paramagnetic body in the presence of an uniform magnetic field, Euler's equations of motion of the spherical pendulum are derived. The conditions for the maximum possible magnitude of the magnetic force acting on the body are analyzed. It is shown that the dynamical behavior of the pendulum may be controlled by means of an uniform applied magnetic field. The results are important for the development of artificial tactile sensors.

Established robots for locomotion into sandy soil are dominated by hammering systems. In this paper, we study an alternative design using a screw-driven mechanism. A testbed to find an efficient design is developed. Dependencies between velocity, drilling torque and depth are measured for different screw prototypes. The results show that the design of the screw is critical for the creation of fast and efficient mobile robots. Based on the experimental results, a prototype of an autonomous drilling robot is designed. With a torque of 0.66 Nm it is able to reach a depth of 20 cm within 2 min.

Bristle bots are vibration-driven robots actuated by the motion of an internal oscillating mass. Vibrations are translated into directed locomotion due to the alternating friction resistance between robots' bristles and the substrate during oscillations. Bristle bots are, in general, unidirectional locomotion systems. In this paper we demonstrate that motion direction of vertically vibrated bristle systems can be controlled by tuning the frequency of their oscillatory actuation. We report theoretical and experimental results obtained by studying an equivalent system, consisting of an inactive robot placed on a vertically vibrating substrate.

A passive vibrissa (whisker) is modeled as an elastic bending rod that interacts with a rigid obstacle in the plane. Aim is to determine the obstacle's profile by one quasi-static sweep along the obstacle. To this end, the non-linear differential equations emerging from Bernoulli's rod theory are solved analytically followed by numerical evaluation. This generates in a first step the support reactions, which represent the only observables an animal solely relies on. In a second step, these observables (possibly made noisy) are used for a reconstruction algorithm in solving initial-value problems which yield a series of contact points (discrete profile contour).

The paper deals with the mechanical modeling of the dynamics of force-proving instruments in the framework of Lorentz Force Eddy Current Testing (LET). An experimental setup for this kind of measurements is presented and the obtained Lorentz force signals are analyzed. The process of system identification is discussed for two different scenarios, using force profiles, computed in numerical field simulations, as known input signals. In the first case, two independent Single-lnput/Single-Output models were used to describe the dominant dynamical behavior of the experimental setup at relative high velocities. In the second case, a Multi-Input/Multi-Output model with three degree of freedoms is used to model the dynamics of a modified setup with a complex Haibach structure instead of a cylindrical permanent magnet. The signal analysis and the derivation of the Multi-Input/Multi-Output transfer function are emphasized and discussed in detail. LET requires a high velocity constancy during the linear motion of the specimen. Therefore, a mechanisms and its control is discussed, which is generating such aproperty on the output.

Der Gegenstand der Arbeit ist die Mechanik von mobilen Robotern für terrestrische und aquatische Lokomotion. In den untersuchten Systemen wird die periodische Erregung eines inneren Antriebs durch nicht symmetrische Systemeigenschaften in eine gerichtete Fortbewegung gewandelt. Eine zweidimensionale Steuerbarkeit der Systeme wird durch frequenzabhängige mechanische Eigenschaften erreicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der mathematisch-mechanischen Beschreibung der Roboter mittels analytischer und numerischer Methoden sowie ihrer experimentellen Untersuchung. Prototypen mobiler Roboter dienen dem funktionellen Nachweis. Auf Basis von mechanischen Grundlagen werden terrestrische und aquatische Lokomotionsarten vorgestellt und klassifiziert. Mit Blick auf die praktische Realisierung von mobilen Robotern für unterschiedliche Umgebungsbedingungen werden Antriebssysteme in ihrer Eignung als Vibrationsquellen bewertet. Piezoelektrische Antriebe besitzen dabei besonderes Potential. Eine umfassende Analyse des Standes der Technik zeigt die Anwendbarkeit von vibrationsgetriebener Lokomotion für miniaturisierte technische Anwendungen. Systeme mit Borsten dienen der unidirektionalen terrestrischen Lokomotion. Mittels eines Mehrkörpersystemmodells und experimentellen Untersuchungen werden die verschiedenen Wirkungsmechanismen analysiert. Ein Prototyp für die Fortbewegung in Röhren wird vorgestellt. Für eine steuerbare zweidimensionale Lokomotion mit nur einem Antrieb müssen die Grenzen von klassischen Starrkörpersystemen überwunden werden. Der verfolgte Lösungsansatz nutzt das frequenzabhängige Schwingungsverhalten von elastischen Systemen, wie Balken oder Platten. Zur Untersuchung werden kontinuumsmechanische Modelle sowie Finite-Elemente-Methoden verwendet und durch experimentelle Untersuchungen erweitert. Die Erkenntnisse werden für die Entwicklung eines programmier- und fernsteuerbaren Prototyps benutzt. Sein Bewegungsverhalten kann durch die Änderung der Antriebsfrequenz auf verschiedenen Untergründen gesteuert werden. Das System erreicht Geschwindigkeiten bis 100 mm/s und kann das Fünffache seiner Masse transportieren. Abschließend wird ein innovativer Prototyp vorgestellt, der mit einem einzigen Antrieb eine steuerbare Lokomotion auf festem Untergrund und an der Oberfläche von Flüssigkeiten durchführen kann. Das terrestrische und aquatische Bewegungsverhalten wird untersucht und die Tragfähigkeit solcher Systeme auf Basis eines hydrostatischen Modells bestimmt.

Die Arbeit orientiert sich daran, Modelle und Simulationen von elektrischen Fensterhebersystemen zu entwickeln. Das Ziel ist ein verbessertes Verständnis des Systemverhaltens und Einfluss von Parametern zu erlangen. Vor dem Hintergrund, dass Fensterhebersysteme komplizierte mechatronische Systeme darstellen, wird die Simulation als Werkzeug vermehrt eingesetzt. In dieser Arbeit werden verschiedene Simulationen von mechatronischen Systemen auf unterschiedlichen Ebenen verglichen. Applikationen von Fensterhebersimulationen werden zusummengefasst und bewertet. Basierend auf dieser Auswertung wurde die Systemsimulation mit der Modellierungssprache, VHDL-AMS, als Methode ausgewählt. Bevor sich tiefgründig mit der Modellierung von Fensterhebersystemen beschäftigt wird, soll zuvor ein stark abstrahiertes analytisches Modell für die Bewertung des dynamischen Verhaltens erstellt werden. Grundlegend besitzt das Modell 2 Freiheitsgrade und besteht aus 2 Massen, die über eine Feder und einen Dämpfer verbunden sind. Eine Masse stellt die Glasscheibe und die andere die Massenträgheit des Motorankers dar. Mit der Mittelwertmethode wird das analytische Modell hinsichtlich der Stabilitätsbedingungen untersucht. Die Modellbildung des Fensterhebersystems beginnt mit der Aufteilung des Systems in einzelne Komponenten, basierend auf deren Funktion. Die Komponenten, wie z.B. elektrische Motoren, Hebemechaniken, Türrahmen, Elektroniken, etc., werden untersucht und anschließend Modelle erstellt, um ihre elektrische oder mechanische Funktionsweise zu beschreiben. Abhängig von der Komplexität wird die Technik der Modellierung ausgesucht, zum Beispiel physikalische oder verhaltensmäßige Modellierung oder eine Kombination von beiden. Die Parameter der Modelle wurden anhand von gesammelten Informationen von Komponentenlieferanten, existierenden Datenbanken und Messungen ermittelt. Komponentenmodelle wurden anhand von Messdaten verifiziert, z.B. Motorkennlinie. Die Systemsimulation beschäftigt sich mit der Integration von allen Komponentenmodellen in eine Simulation und imitiert Ausführung der Fensterhebersysteme in verschiedenen Lastfällen. In einer konkreten Applikation wurden die Ergebnisse der Messung und der Simulation anhand der Werte von wichtigen Signalen, die den Status des Systems abbilden, wie zum Beispiel Drehzahl und Strom des Motors, verglichen. Außerdem wurde die Einklemmschutzfunktion quantitativ durch Messung der Einklemmkräfte bei verschiedenen Spannungen verglichen. Trotzdem sind die Simulationen nicht auf die demonstrierten Beispiele dieser Arbeit limitiert. Teilsystemsimulationen mit dem Schwerpunkt auf der Untersuchung von Komponenten können auch mit den Komponentenmodellen entwickelt werden.

For many practical applications it is important to determine not only a numerical approximation of one but a representation of the whole set of globally optimal solutions of a non-convex optimization problem. Then one element of this representation may be chosen based on additional information which cannot be formulated as a mathematical function or within a hierarchical problem formulation. We present such an application in the field of robotic design. This application problem can be modeled as a smooth box-constrained optimization problem. For determining a representation of the global optimal solution set with a predefined quality we modify the well known BB method. We illustrate the properties and give a proof for the finiteness and correctness of our modified BB method.

Bristle-bots are simple and tiny robots, which use bristles and internal vibration sources to perform locomotion. In this paper, the locomotion behavior of such systems is studied. An analytical model is presented and solved numerically for different configurations and parameters. The goal is to obtain the influence of the system parameters to the locomotion velocity. The numerical results are compared with experimental studies of a prototype. Furthermore the state of the art of mobile robots with bristles is presented.

This work is inspired and motivated by the sophisticated mammals sense organ of touch: vibrissa. Mammals, especially rodents, use their vibrissae, located in the snout region - mystacial vibrissae - to determine object contacts (passive mode) or to scan object surfaces (active mode). Here, we focus on the passive mode. In order to get hints for an artificial sensing prototype, we set up a mechanical model in form of a long slim beam which is one-sided clamped. We investigate in a purely analytical way a quasi-static sweep of the beam along a given profile, where we assume that the profile boundary is strictly convex. This sweeping procedure shows up in two phases, which have to be distinguished in profile contact with the tip and tangentially contact (between tip and base). The analysis eventuates in a phase decision criterion and in a formula for the contact point. These are the main results. Moreover, based on the observables of the problem, i.e. the clamping moment and the clamping forces, which are the only information the animal relies on, a reconstruction of the profile is possible - even with added uncertainty mimicking noise in experimental data.

Die Arbeit diskutiert die mathematische Modellbildung von ausgewählten Fortbewegungssystemen mit Rädern. Die Kinematik und Dynamik eines radgetriebenen Fahrzeuges mit Mecanum-Rädern wird beschrieben. Die dynamischen und kinematischen Modelle sind die Voraussetzung für Simulationsrechnungen und gleichzeitig für die praktische Anwendung beim Betrieb der Systeme. Außerdem wird das Bewegungsverhalten von Behinderten während der Fahrt im Rollstuhl für verschiedene Umgebungsbedingungen analysiert. Nach der Darlegung der Motivation der Arbeit wird eine Analyse des Standes der Technik auf dem Gebiet der Fahrzeuge mit Mecanum-Rädern vorgestellt. Eine Übersicht über aktuelle Aspekte der Fortbewegungssysteme für Behinderte und ihre Vor- und Nachteile ist ein weiterer Gegenstand der Arbeit. Im Kapitel 2 sind die mathematischen Grundlagen, die in dieser Arbeit verwendet werden, zusammengefasst. Es handelt sich um die Kinematik der starren Körper und ausgewählte Prinzipien und Gleichungen der analytischen Mechanik. Die Transformationsmatrizen für ebene Drehungen, die Arten der kinematischen Zwangsbedingungen, die Dynamik der starren Körper mit einem speziellen Fokus auf die LAGRANGE Gleichung 2. Art mit Multiplikatoren werden vorgestellt. Die Fortbewegungssysteme sind vor allem mit analytischen Methoden in der Kinematik und Dynamik beschrieben worden. Der Fokus liegt auf 2 Grundmodellen, die auch aktuell technisch genutzt werden. Das erste Modell gilt für zweirädrige Bewegungssysteme, wie zum Beispiel für einen Rollstuhl. Das zweite Modell wurde für ein vierrädriges Fahrzeug mit Mecanum-Rädern entwickelt. Detaillierte Herleitungen für die kinematischen und dynamischen Modelle sind für beide Fortbewegungssysteme dargestellt. Für die Dynamik des Fahrzeuges mit Mecanum-Rädern wird eine exakte Methode, basierend auf den Grundlagen der nichtholonomen Mechanik mit einer zweiten, häufig in der Literatur angeführten, Näherungsmethode verglichen. Aus der nichtholonomen Mechanik werden die LAGRANGE Gleichungen mit Multiplikatoren als effizientes Verfahren eingesetzt, um ein exaktes Modell zu generieren. Diese Modellgleichungen können alle möglichen Bewegungsbahnen des Fahrzeuges mit vier Mecanum-Rädern erfassen. Das Approximationsverfahren aus der Literatur nutzt eine Pseudoinverse Matrix und kann nur ausgewählte Standardtrajektorien abbilden. Simulationsergebnisse, basierend auf der numerischen Integration der Dynamikgleichungen aus beiden Verfahren werden in Kapitel 4 vorgestellt. Die resultierenden Bewegungsbahnen sind für vorgegebene Antriebsmomente dargestellt. Ein virtuelles 3D-Modell des vierrädriges Mecanum-Fahrzeuges ist mit Hilfe von MATLAB®, SIMULINK® und VIRTUAL REALITY TOOLBOX® erstellt worden. Ein Vorteil der 3D-Umgebung ist die anschauliche Darstellung komplexer Bewegungsbahnen bei kombinierten Translations- und Rotationsbewegungen des Systems. Zwei Experimentalfahrzeuge, eines mit klassischer Vierradstruktur inklusive Vorderachslenkung und ein weiteres mit vier omnidirektionalen Rädern vom Typ Mecanum, wurden aufgebaut. Sie dienen als Demonstratoren eines möglichen Plattformkonzeptes für Behindertenfahrzeuge. In der Arbeit werden die aus Simulationsrechnungen gewonnenen Trajektorien mit den tatsächlichen Bahnen des Prototyps verglichen. In einem abschließenden Kapitel wird für ausgewählte Szenarien mittels Motion Capturing Verfahren die Mensch-Maschine-Interaktion am Beispiel von Rollstuhlfahrern untersucht. Die Bewegung des menschlichen Körpers und des Rollstuhls wurde in ihren kinematischen Daten erfasst und mit den Werkzeugen ALASKA-DYNAMICUS® und ERGO TOOL® analysiert.

Based on the paradigm biological receptor and its fundamental feature to filter signals and transduce them, we set up a mechanical sensor system to find hints to establish a measurement or monitioring system. These technical system have to offer high sensivitiy to signals from the environment. To mimic the complex behavior of the biological system, adaptive controllers have to be applied to a mechanical sensor system to compensate and filter unknown ground excitations (uncertainties of the system). Before doing this we summarize previous work on controlling such mechanical systems. We expose the need of improvements of already existing strategies from literature, the corresponding problems are formulated. Improved adaptive controllers are presented. Their working principle is illustrated in various numerical simulations and experiments.

The motion of a chain of three identical bodies along a straight line in a dry-friction medium is studied. The motion is excited and controlled by changing the distances between the bodies of the chain. An undulatory excitation mode is proposed, in which the distances between the adjacent bodies of the chain chanfge periodically and the time histories of the distances in the pairs of ajdacent bodies consecutively repeat each other with a constant time shift. It looks like a wave is running along the chain. The necessary and sufficient conditions for the system to be able to move from rest are established. For a specific excitiation mode, in which the time histories of the distaces between the bodies of the chain are defined as piecewise quadratic functions, a steady-state motion of the system is studied for the case where the friction force is small in comparison with the force necessary for a body of the chain to be moved from a state of rest through a distance characterizing the amplitude of oscillations of adjacent bodies during the exitation period.

Im Sonderforschungsbereich 622 werden an der TU Ilmenau die Grundlagen zur Entwicklung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen untersucht. Nanopositioniermaschinen sind komplexe mechatronische Systeme. Für die Realisierung von Bahnbewegungen (z.B. bei Scanvorgängen) werden modellbasierte Regler eingesetzt und diese mittels Dynamiksimulationen optimiert. Als Grundlage wird das mechanische System als Mehrkörpersystem (MKS) modelliert. Es stellt sich jedoch bei der Modellbildung die Frage nach der Berücksichtigung der Elastizitäten im System. Im Beitrag werden die Lösungen für drei Modellierungsaufgaben - die Modellierung von Wälzführungen für Positionieraufgaben, die Integration von Elastomerelementen und Luftlagern als viskoelastische Lagerung der Maschine und die Berücksichtigung der Elastizitäten von plattenförmigen Bauteilen und Grundplatten - vorgestellt. Es gelingt, im methodischen Umfeld der Mehrkörperdynamik (MKD) zu bleiben und somit handhabbare Modelle zu generieren.

The reception of vibrations is a special sense of touch, important for many insects and vertebrates. The latter realize this reception by means of hair-shaped vibrissae in the mystacial pad, to acquire tactile information about their environments. The system models have to allow for stabilizing and tracking control while nevertheless being able to detect superimposed solitary excitations. Controllers have to be adaptive in view of both the randomness of the external signals to be suppressed and the uncertainty of system data. We presents mechanical models and an improved adaptive control strategy that avoids indentification but renders the systemn sensitive.

Für die realitätsnahe numerische Simulation des Umformprozesses von Rotbuchenfurnier ist die Materialbeschreibung ein essentieller Bestandteil. Aus diesem Grunde wurde in dieser Arbeit im Hinblick auf den späteren Einsatz in Umformsimulationen das anisotrope Materialverhalten von Rotbuchenfurnier bei verschiedenen Klimaten untersucht. Ein Schwerpunkt lag in der Entwicklung eines Prüfkonzeptes und einer Prüfvorschrift für den natürlichen Faserverbundwerkstoff Holz in Form von Furnier und deren Umsetzung. Voraussetzung dafür war neben der Anwendung der Festkörper Kontinuumsmechanik, die Analyse der Strukturmerkmale des Holzes, des Furnier-Herstellungsprozesses und der physikalischen Eigenschaften des Holzes bzw. Furniers. Die Materialkennwertermittlung erfolgte in einem dafür entwickelten Versuchsaufbau mit einem integrierten digitalen Bildkorrelationsmesssystem zur dreidimensionalen Verformungsmessung und einem Prüfmodul. Eine teilautomatisierte Steuerung des Prüfablaufes der einzelnen Zugversuche ermöglichte einen reproduzierbaren Ablauf der insgesamt 1500 Experimente. Diese wurden für 5 Klimaeinstellungen und 5 Winkellagen für die Bezugsebenen 12-E und 13-E durchgeführt (insgesamt 50 Prüfserien). Nach Aufbereitung der Messergebnisse und der abgeleiteten Materialkennwerte mittels der deskriptiven Statistik wurde mit der induktiven Statistik auf die Gesamtheit geschlossen. Auf Grundlage von Signifikanztests wurden die Materialkennwerte der einzelnen Serien verglichen. Es erfolgte der Nachweis, dass die Materialkennwerte von der Bezugsebene und vom Klima abhängig sind. Die ermittelten Kennwerte zeigen außerdem, in welchem Maße diese von den Randbedingungen beeinflusst werden. Die Verifikation des Materialmodells ergab, dass das Materialverhalten von Furnier prinzipiell durch ein linear-elastisches orthotropes Materialmodell abgebildet werden kann. Durch Sensibilitätsstudien am Materialmodell wurden verschiedene Harmonisierungsstrategien für einen symmetrischen Nachgiebigkeitstensor beurteilt und Handlungsempfehlungen gegeben. An Hand eines FE-Modells wurden Robustheitsanalysen durchgeführt, in denen die wesentlichen Einflussgrößen und die Dispersionen der Ergebnisgrößen ermittelt und mit den experimentellen Daten verglichen wurden.

Der Einsatz von metallischen Werkstoffen ist in Industrie und Baugewerbe von enormer Bedeutung. Die immer stärkere Ausnutzung bis zur Grenze der Belastbarkeit eines Materials macht eine genaue Untersuchung des eingesetzten Metalls erforderlich. Um sicherzustellen, dass ein Bauteil fehlerfrei ist und den geforderten Belastungen standhalten wird, ist meist eine 100%ige Überprüfung notwendig. Dazu steht eine Auswahl an zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren zur Verfügung. Die Anwendbarkeit ist oft begrenzt oder kostspielig. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Beschreibung des zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahrens mit dem Namen "Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" und dem experimentellen Funktionsnachweis. Das kontaktlose Messverfahren wurde vor Kurzem an der Technischen Universität Ilmenau erfunden und im Rahmen des Graduiertenkollegs 1567 weiterentwickelt. Diese Arbeit fasst die Ergebnisse der Grundlagenforschung im Bereich experimenteller zerstörungsfreier Werkstoffprüfung mittels Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung zusammen, ohne den Anspruch zu erheben, unmittelbar industrielle Anwendungen zu ermöglichen. Das Verfahren "Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" bietet durch die Nutzung von magnetischen Gleichfeldern höhere Eindringtiefen als klassische Wirbelstrommessverfahren unter gleichen Einsatzbedingungen, die magnetische Wechselfelder einsetzen. Dies ermöglicht die Detektion von tiefliegenden Defekten innerhalb eines elektrisch leitfähigen nichtferromagnetischen Werkstoffes. Es wird gezeigt, wie Defekte sicher mit der Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung erkannt werden (Detektion), wo sie sich befinden (Lokalisation) und bereitet mit der Beschreibung des direkten Problems die Rekonstruktion vor (inverses Problem). Zur Beschreibung des direkten Problems ist es notwendig, zunächst das Verhalten eines bewegten Festkörpers ohne Defekt in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld zu beschreiben. Die Einführung eines relativ simplen Prototypmodels soll Grenzen des Verfahrens aufzeigen und gleichzeitig die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten erklären. Als Funktionsnachweis werden experimentelle Daten für künstliche Defekte vorgestellt. Eine Beschreibung der Grenzen des Messverfahrens und eine Analyse des Messsignals werden am genutzten Versuchsaufbau durchgeführt und Vorschläge zur Erweiterung des Messbereichs gegeben.

The problem of motion of two interconnected points in a resistive medium under periodic change of distance between them is considered. It is shown that a necessary condition for the locomotion (displacement of the center of mass) is the nonlinear law of resistance (dry or nonlinear viscous friction). If the mass points are identical, any periodic control law leads to a displacement of the center of mass only in the presence of anisotropic (asymmetrical) friction. If there are different masses, motion is possible also with isotropic friction law under the action of a periodic control law. In the paper such special laws for the control of the velocity and the direction of motion are presented. The friction is assumed to be small and the investigations are based on the method of averaging. By means of this method analytical dependence of the velocity of motion is obtained.

In the safe physical human-machine interaction the compliance of technical systems is an elementary requirement. The physical compliance of technical systems can be provided either by control functions implementation and/or intrinsic by structural configuration and material properties optimization. The latter is advantageous because of higher reliability as well as general simplicity of the design and production technologies. In the paper we focus on mechanical systems with intrinsic mechanical compliance. In general the deformability of structures is primarly characterised by their stiffness. Compliant mechanisms are mechanisms, whose functionality is based on its deformability. The goal of each engineer is by the design of mechanisms the setting of compliance depending upon the purpose of its application. It should be considered, that the compliance is dependent on a variety of parameters. The optimal design of these mechanisms can be realized only with precise knowledge of the influence parameters and possible types of compliance.

The analog motion control of a microrobot with feedback requires a more complicated structure due to the corresponding sensors, microprocessors and actuators. Application of the digital control system allows the use of a control algorithm, such as the autopilot, without feedback, which allows us to simplify the system. We consider the stabilization of the motion of the microrobot on a horizontal surface along the given motion trajectory. Minimization of the deviation angle of the robots axis from the tangent to the motion trajectory is a criterion for quality control and can be implemented by the digital device with a hysteresis characteristic.

The book in hand grew out of the authors' current research and their long-continued experience in teaching mathematics and mechanics. In a wide sense, it aims at mathematical modeling of mechanical objects and their exploitation. This is done in a bit unconventional way by concentrating on the special object class worm-like locomotion systems and in proceeding with no use of recent sophisticated mathematical tools which most likely cannot be handled by freshmen in engineering or mathematics. Nevertheless, this does not harm the stringent line the physical object to the analytical interpretation of the final mathematical model. The basic model spiked worm in a straight line enables the authors to come up with a fairly self-contained theory which then allows one to study effects of friction and control. The considered system class has its importance in practice (motion in narrow canals, e.g.), but this book is not with an orientation to design and application, the theory developed here should rather be seen as a contribution to bionics.

This paper is a contribution to the adaptive control of worm-systems, which are inspired by biological ideas, in two parts. We introduce a certain type of mathematical models of nite DOF worm-like locomotion systems: modeled as a chain of k interconnected (linked) point masses in a common straight line (a discrete straight worm). We assume that these systems contact the ground via 1) spikes in Part 1 and then 2) stiction combined with Coulomb sliding friction (modification of a Karnopp friction model) in Part 2. We sketch the corresponding theory. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, only structural properties (known type of actuator with unknown parameters) are known. Additionally, in a rough terrain, unknown or changing friction coefficients lead to uncertain systems, too. The consideration of uncertain systems leads to the use of adaptive control in Part 2 to control such systems. Gaits from the kinematical theory (preferred motion patterns to achieve movement) in Part 1 can be tracked by means of adaptive controllers (lambda-trackers) in Part 2. Simulations are aimed at the justification of theoretical results.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-Modell des menschlichen Weichteilgewebes entworfen, das den Anforderungen entspricht, die sich aus dem Entwurf ergonomischer Sitzsysteme ergeben. Das Modell des Weichteilgewebes wurde in das Menschmodell DYNAMICUS integriert und mit RAMSIS-Daten anthropometrisch parametrisiert. Dazu wurde das Mehrkörpersimulationswerkzeug alaska um eine nichtlineare FE-Schnittstelle erweitert. Auf der Grundlage von Messungen der Druckverteilungen und der Schwingungsübertragungen wurde ein transparentes Verfahren entworfen, um viskoelastische Materialparameter des menschlichen Körpers bei vernachlässigbarer gesundheitlicher Belastung durch Parameteroptimierung zu ermitteln. Das dazu verwendete Verfahren ist schlank und gut dokumentiert. Damit kann es auch für beliebige Haltungen und Probanden angewendet werden. Da bei diesem Verfahren statistische Parameter eine zentrale Rolle spielen, ist es roboust gegenüber Änderungen der Modellaufl ösung, der Modellierungstiefe und quantitativer Versuchsbedingungen. Zu diesen quantitativen Versuchsbedingungen gehören die Auflösung der Druckmessmatten, die Messzeit, die Amplitude der Anregung und die Abtastrate der Beschleunigungsmessungen. Für statische und dynamische Untersuchungen wurde in dieser Arbeit dasselbe Modell verwendet, das mit vertretbarem Aufwand anthropometrisch skalierbar ist. Dieses Modell ist damit einfacher und schneller anzuwenden als für ähnliche Anwendungen bereits vorliegende Lösungen.

This paper deals with terrestrial worm-like locomotion systems living in a straight line. They are modeled as chains of mass points having ground interaction via spikes which make the velocities unidirectional. A method is presented to construct gaits with any desired time pattern of resting mass points (which are acted on by the propulsive forces). Taking the dynamics into consideration, conclusions about the choice and shift of gaits in connection with actuator data are given.

We analyse two micro robots for 2-dimensional locomotion on a flat surface. Forced bending vibrations of continua are used by both systems which are excited by piezoelectric bending actuators. These vibrations are transformed by non classical legs to complex trajectories at the contact points between robot and environment. The locomotion direction of the system can be controlled by the excitation frequencies of the actuation element. Models are developed and investigated to describe important motion effects of the robots. Furthermore some experimental results are presented.

The motion of a finite chain of identical bodies along a straight line in a resistive medium is studied. The motion is excited and controlled by changing the distances between the bodies of the chain. This model simulates limbless animals (for example, earthworms) that move due to redistribution of mass along their bodies. The longitudinal motion of such animals can be provided due to a wave of deformation running through the animal's body forward, from the head to the tail, or backward, from the tail to the head. This principle of motion can be used for some kind of mobile robots. An advantage of these robots against conventional mobile machines is that the worm-like robots do not need propelling devices such as wheels, legs or caterpillars, can be readily made hermetic, and do not involve protruding components, which enables them to be used for motion in "vulnerable" media. Such robots can be used for motion in narrow slots and tubes to produce various technical operations in these media. Mobile systems able to move in resistive media without special propelling devices due to the change in their configuration or the motion of internal masses were studied, for example, in [1]-[4].

Motivatd by the technical progress, electromagnetic action principles are more and more used in micro systems. It is well known that the discrete positioning of magnetic beads like ferrofluid droplets can be realised using an array of electromagnets whereat the position of the beads depends on the arrangment of the electromagnets. This paper refers to the analogous positioning of magnetic beads independent from the arrangement of the electromagnets. Therefore a control strategy was designed to position magnetic beads like ferrofluid droplets, ferrogels or ferroelastomers. The derived control law allows the definition of dynamic properties like time and damping constant. To achieve these properties, the controller is adjusted based on a model of the plan. This model regards the dynamical movement of the mentioned materials in electromagnetic fields and is characerised by simpliefied, nonlinear, ordinary differential equations. The theoretical results are verified by means of a basic assembly allowing the positioning of spherical ferroelastomers on macro scale. The measurments illustrate that the theroretically derived position controller meets the requirements of a predefined time and damping constant.

This paper deals with the analysis of a one-dimensional motion of two mass points in a resistive medium. The force of resistance is described by small non-symmetric viscous friction acting on each mass point. The magnitude of this force depends on the direction of motion. The mass points are interconnected with a kinematic constraint or with an elastic element. Using the averaging method the expressions for the stationary "on the average" velocity of the systems's motion as a single whole is found. In case of a small degree of non-symmetry an explicit expression for the stationary "on the average" velocity of the system is derived. For the other case we obtained algebraic equations for the corresponding stationary velocity.

The paper presents a ferrofluid based locomotion system. In the following the uniaxial translatory motion of a non-magnetic object situated on the ferrofluid surface is pointed out. To move the object due to the periodic change of the ferrofluid pressure, the system is enclosed by a locally fixed magnetic field.

Der Sonderforschungsbereich 622 befasst sich mit der Grundlagenforschung zu Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. Diese weisen auf Grund der angestrebten Genauigkeiten eine geringe Störungstoleranz auf. Extern und intern angeregte Schwingungen sind daher zu begrenzen. Im vorliegenden Beitrag wird die Untersuchung der tatsächlich vorliegenden Schwingungsangregungen und ihr Einfluss auf das dynamische Verhalten einer Verfahreinheit zur Positionierung in der x - y - Ebene beschrieben. Ein Werkzeug zur Auswahl geeigneter mechatronischer Systeme stellt dabei die Simulation des dynamischen Verhaltens dar. Die Simulationen dienen einerseits zur Identifikation auftretender Störgrößen, andererseits erlauben sie eine Beurteilung der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Begrenzung auftretender Schwingungsamplituden noch vor der zeit- und kostenintesiven Umsetzung.

A rectilinear motion of a system of two bodies connected by a spring on a rough horizontal plan is studied. The motion of the system is excited by two identical unbalanced rotors based on the respective bodies. Major attention is given to the steady-state motion. A nearly-resonant excitation mode, when the angular velocities of the rotor are close to the natural frequency of the system, is considered. A set of algebraic equations for determining an approximate value of the average steady-state velocity of the entire system is obtained for the case of small friction. It is shown that control of the steady-state motion can be provided by changing the phase shift between the rotations of the rotors and the signt of the resonant detuning measured by the difference between the angular velocity of the rotors and the matural frequency of the system. By varying the phase shift one can control the magnitude of the average velocity, and varying the detuning enables one to change the direction of the motion.

In this paper we introduce a certain type of mathematical models of finite DOF worm-like locomotion systems. We assume that these systems contact the ground via 1) spikes and 2) stiction combined with Coulomb sliding friction. We sketch the corresponding theory. Gaits from this theory can be tracked by means of adaptive controllers. Simulations are aimed at the justification of theoretical results.

In dieser Arbeit werden die wesentlichen Ergebnisse zur Konstruktion des RoboCup-Small-Size-Roboters LUKAS und des Aufbaus der koordinierenden Mastersoftware XBase vorgestellt. Die erreichte Kompaktheit und das notwendige Masse-Leistungs-Verhältnis des Roboters beruhen im Wesentlichen auf der orthogonalen Achskonfiguration. Spezielle Material- und Strukturlösungen für Leichtbau und Bauraumnutzung finden sich im Polyamid-Chassis, im motorintegrierenden Dribbler und im energieeffizienten Schussmechanismus. Im Einsatz sind omnidirektionale Räder mit solider Rundlauf-, Traktions- und Stabilitätseigenschaft. Der dreirädrige Roboter setzt ein hierarchisches Konstruktionskonzept um, welches hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität und Robustheit in verstärktem Maße durch technische Funktionsintegration einer minimalen Anzahl von Bauteilen realisiert. Nach Analyse der kinematischen und dynamischen Zusammenhänge konnte für den Roboter eine Reglerarchitektur entwickelt werden, die unter Berücksichtigung von Radschlupf und Schwerpunktverlagerung die omnidirektionale Manövrierbarkeit und Bewegungspräzision gestattet. Die weiterentwickelte Mastersoftware XBase verbindet eine modifizierten Bildverarbeitung zur Detektierung der Roboter und eine anwenderfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle mit dem Instrument zur Roboterkoordinierung. Stabile Bildraten und geringer Berechnungsaufwand werden durch die Verwendung einer Look-Up-Tabelle zur Maximum-Likelihood-Farbklassifizierung, Bildsegmentierung mit Zeilenkoinzidenzverfahren und ressourcenschonende Operationen garantiert. Ein geeigneter Trainingseinstieg wurde mit verschiedenen Formationsvarianten zur koordinierten Kontrolle einer Robotergruppe gefunden. Das Modell gestattet durch individuelle Freigabe von Freiheitsgraden einen Übergang vom starren zum flexiblen Verband. Anhand der Beispielformationen Block, Reihe und Rotte ist die Flexibilität und Wandlungsfähigkeit dargestellt. Das System XBase kann sowohl als Multi-Roboter-System unter der Kontrolle einer Verhaltenssteuerung, wie auch als verteiltes Multi-Agenten-System mit mehreren parallelen Verhaltenssystemen fungieren.

With the background of developing apedal bionic inspired locomotion systems for future application fields like autonomous (swarm) robots, medical engineering and inspection systems, this article presents a selection of locomotion systems with bifluidic flow control using secondary low viscous fluid by magnetic fields locomotion of objects or the ferrolfuid itself can be realised. The locomotion of an object is caused in the first example by a ferrofluid generated flow of the secondary fluid and in the second and third case by the direct alteration of the ferrofluid position.

The paper deals with non-classical locomotion systems. In the first part the motion of a chain of interconnected mass points in a straight line placed on a rough surface and connected by kinematical constraints is considered. It is supposed that the system experience small non-symmetric Coulomb dry friction acting on each mass point. The magnitude of this force depends on the direction of motion. The expression for the stationary "on the average" velocity of the motion of the system as a single wohole is found. In the second part the motion of two mass points connected by a linear spring when the coefficient of friction does not depend on the direction of motion is discussed. The drive system consists of two unbalanced rotors. Due to the change of normal force in dependence on time non-symmetry of friction is present. It is shown, that the change of the direction of motion is possible without changing the direction of rotation of the rotors.

The controlled motion of systems of bodies along a straight line on a rough plane is studied. In the first part of the paper, we consider a systems of two mass points connected by a spring. The system is driven by forces that act between the points and change harmonically. To provide the asymmetry of the friction force, necessary for the progressive motion in a given direction, it suffices to apply a brush-like or scaly coating to the contact surfaces. In the second part, we consider a rectilinear motion of a vibration-driven system, consisting of a housing body and two internal masses, along a rough horizontal plane. One of the internal masses oscillates in the horizontal direction and the other oscillates vertically. It is shown that by changing the phase shift between the horizontal and vertical oscillations one can control the velocity of the steady-state motion of the systems, for symmetric or asymmetric friction. In the third part, the motion of two mass points connected by a spring and actuated by two unbalance rotors is investigated. It is shown that the direction of motion of the systems can be changed by changing only the magnitude of the speed of the rotors, with the direction of rotation kept unaltered.

The deformation and the motion of a body made by a magnetizable polymer in an alternating magnetic field are experimentally studied. The cylindrical body (worm) which is located in a cylindrical tube is analyzed. These effects can be used in deigning autonomous mobile robots without a hard cover. Such robots can be employed in clinical practice and biological investigations.

The motion of two bodies (mass points) connected by a linear spring is studied for the case where the coefficient of friction is independent of motion. The system is driven by two unbalanced rotors attached to the bodies. It is shown, that the direction of motion can be reversed without changing the direction of rotation of the rotors.

Analytical solutions of the problem of the surface shape determination of a MF containing different magnetizable bodies in an applied uniform magnetic field have been found for an arbitrary value of the magnetic field. The cases of spherical body (the axially symmetric problem) and cylindrical (the plane problem) are considered.

In this paper we introduce the theory in designing of worm-like locomotion systems (WLLS) at the TU Ilmenau. For this, we present a certain type of mathematical models of WLLS and sketch the corresponding theory. Gaits from this theory can be tracked by means of adaptive controllers. Current experiments are aimed at the justification of theoretical results.

The paper presents an analytical method for derivation of the dynamic equations of motion of a continuous body with distributed parameters. So called reduced method is implemented to a worm motion in a tube. The method neglects less important degrees of freedom of the object. Final results of worm motion, as well as all necessary formulation and explanations are available.

This paper deals with the (adaptive) control of a sensory system, which is inspired by biological ideas concerning the behaviour of a tactile hair or sensillum. The cells for reception of vibrations adjust their sensibility to a continuing excitement, such that this permanent excitation of the whole system tends to the rest position. Hence, this biological paradigm demonstrates a fundamental principle: adaption. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties (e.g. minimum phase condition, strict relative degree) are known. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. The aim is to design a universal adaptive controller, which learns from the behaviour of the system, so automatically adjusts its parameters and achieves a pre-specified control objective. Since we deal with a nonlinearly perturbed multi-input, multi-output system, which is not necessarily autonomous, particular attention is paid to the lambda-tracking control objective. Simple adaptive servomechanisms, which achieve tracking of a given reference signal for any pre-specified accuracy (tracking-error) lambda, are introduced. We stress that the introduced adaptive controllers consist of very simple feedback mechanisms and adaptation rules. These controllers are only based on information about the output of the system - no knowledge of system parameters is required.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen undulatorische Lokomotionssysteme. In diesem Zusammenhang wurden die Begriffe Undulation und Lokomotion definiert. Die gerichtete Ortsveränderung natürlicher oder technischer Systeme ist generell als Lokomotion zu verstehen, aber es erweist sich als schwierig, eine aus Sicht der Mechanik umfassende Definition des Begriffes Lokomotion zu geben. Er wurde in dieser Arbeit, mathematisch, wie folgt beschrieben: Lokomotionssysteme sind technische Systeme, die in der Lage sind, alle ihre Punkte in einem ausgewählten charakteristischen Zeitintervall zu bewegen, wobei durchaus Größe und Richtung der Lageänderung der Punkte verschieden sein können. Die Mechanik versteht unter Undulation die Bewegung durch eine Erregung der Aktuatoren des Systems, die sowohl von außen kommen oder im Inneren erzeugt werden kann. Der Aktuator erzeugt seinerseits eine in der Regel periodische Gestaltänderung, welche durch die Wechselwirkung mit der Umgebung eine globale Lageänderung erzeugt. In der vorliegenden Arbeit wurden undulatorische Lokomotionssysteme theoretisch und mittels zweier entwickelter Prototypen untersucht. Der Prototyp (TM-ROBOT) wurde nach dem undulatorischen Bewegungsprinzip des Regenwurms (Längenänderung von Segmenten) aufgebaut. Ein Bewegungssystem, das für die Bewegung das peristaltische Bewegungsprinzip nutzt, bewegt sich mit periodischen Verformungen seines Körpers und nichtsymmetrischen Reibkräften unter Einbeziehung der Wechselwirkung mit der Umgebung. Der Prototyp (MINCH-ROBOT) im Rahmen dieser Arbeit ist ein Mikroroboter, der keine klassische undulatorische Lokomotion umsetzt. Er besteht aus einem Piezoaktuator und ist mit zwei passiven Beinen und einem Schwanz ausgerüstet. Die Undulation besteht in der Übertragung von den hochfrequenten Schwingungen seines Körpers (Piezoaktuator) auf die Beine. Somit werden komplexe räumliche Trajektorien der Beinendpunkte erzeugt. Bei dem Steuerprinzip dieses Mikroroboters spielt die Nichtsymmetrie der beiden Beine eine wesentliche Rolle. Diese (absichtlich realisierte) Nichtsymmetrie zwischen rechtem und linkem Bein ist die Ursache für eine Verschiebung der Resonanzbereiche der Beine. Damit wird der Roboter in seiner Richtung steuerbar. Numerische Simulationen der beiden Prototypen und Messungen an realem Objekt stützen die Theorie dieser Arbeit, die sich somit in das breite Feld der Lokomotionssysteme eingliedert.

Diese Dissertation befasst sich mit den mechanischen Vorgängen während der Ballondilatation von Atemwegstenosen. Die betrachteten Stenosen vom Typ narbige Striktur" werden im klinischen Alltag üblicherweise mit dem Instrument Dilatationsballon manuell gedehnt. Falls notwendig, erfolgt eine anschließende Stentimplantation. Die Auswahl des Stents, inklusive seiner Kennlinie, erfolgt gefühlsmäßig oder nach persönlichen Erfahrungen und Präferenzen. Zur Erlangung eines optimalen Behandlungsresultates ist jedoch eine Anpassung an das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose notwendig. Dieses Verhalten wird während der manuell durchgeführten Ballondilatation nicht ermittelt. Das Ziel ist es, die Zusammenhänge zwischen dem während der Dilatation gemessenen Druck-Volumen-Verlauf und dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose experimentell und theoretisch auf Basis von Modellen zu bestimmen. Dabei wird die Besonderheit berücksichtigt, dass bei der Dehnung der narbigen Striktur der Dilatationsballon durch die Stenose nur teilweise eingeengt wird; er ragt an beiden Enden über den stenosierten Bereich hinaus. Es werden experimentelle Untersuchungen an Modellstenosen unterschiedlicher Dehnbarkeit und Länge durchgeführt. Wie erwartet, führen härtere Stenosen zu einem steileren Kurvenanstieg während der Dilatationsphase. Demgegenüber zeigt der Vergleich zwischen Stenosen gleicher Dehnbarkeit, aber unterschiedlicher Länge eine zunächst unerwartet größere Dehnung der kürzeren Stenose bei gleicher Druckzunahme. Ursache ist, dass die Randbereiche der Stenosen einen zeitlichen Dehnungsvorsprung gegenüber den weiter innen liegenden Bereichen erfahren. Für dieses, bei kürzeren Stenosen ausgeprägtere, Verhalten wird der Begriff Effekt der Randdehnung" eingeführt. Die Modellbildung des Dilatationsvorganges basiert zum einen auf Gleichgewichtsbetrachtungen am freigeschnittenen Ballon und zum anderen (als Vergleich) auf dem Prinzip des Minimums der totalen potentiellen Energie. Das System Ballon / Stenose wird in drei Teilbereiche, für die unterschiedliche Bedingungen gelten, aufgeteilt. Die betrachteten Bereiche sind: 1. der proximale- und distale Ballonbereich außerhalb der Stenose; 2. der Bereich, in dem Ballon und Stenose in Kontakt treten; 3. der Übergangsbereich zwischen 1 und 2. Numerische Simulationen der Ballondilatation bestätigen die aus den experimentellen Untersuchungen und theoretischen Betrachtungen gewonnenen Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Druck-Volumen-Verlauf der Dilatation und Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Stenose.

This paper deals with the (adaptive) control of mechanical systems, which are inspired by biological ideas. We introduce a certain type of mathematical models of worm-like locomotion systems and present some theoretical control investigations. Only discrete straight worms will be considered in this paper: chains of point masses moving along a straight line. We introduce locomotion systems in form of a straight chain of k=3 interconnected point masses, where we focus on interaction which emerges from a surface texture as asymmetric Coulomb friction. We consider two different types of drives: (i) The point masses are under the action of external forces, which can be regarded as external force control inputs. (ii) We deal with massless linear springs of fixed stiffnesses and controllable original spring lengths, which can be regarded as internal control inputs. The locomotion systems with these two types of drive mechanisms are described by mathe-matical models, which fall into the category of nonlinearly perturbed, multi-input, multi-output systems (MIMO-systems), where the outputs of the system are, for instance, the positions of the point masses or the displacements of the point masses. The goal is to simply control these systems in order to track given reference trajectories to achieve movement of the system. Because one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties are known, we deal with uncertain systems. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. Since we deal with nonlinearly perturbed MIMO-systems, we focus on the adaptive lambda-tracking control objective to achieve our goal. This means tracking of a given reference signal for any pre-specified accuracy lambda > 0. The objective is not to obtain information about the characteristics of the system or about system parameters, but simply to control the unknown system. This control objective allows us to design simple adaptive controllers, which achieve lambda-tracking. Numerical simulations of tracking different reference signals, for an arbitrary choice of the system parameters, will demonstrate and illustrate, that the introduced, simple adaptive controller works successfully and effectively.

In der Lebensmittelindustrie werden sehr viele verschiedene Messertypen zum Zerkleinern von frischen und gefrorenen Fleischsorten in der Kuttermaschine angewendet. Die Formen der Messer sowie ihre Schnittwinkel variieren sehr stark und sind empirisch entstanden. Es konnte festgestellt werden, dass zu den Messerformen, zum Schneidvorgang und zu den Kräften im Messerkörper keinerlei gesicherte wissenschaftliche Überlegungen existieren. - Durch die ständige Leistungssteigerung der Maschinentechnik kann eine Festlegung der Messerkörpergeometrie rein aus der Erfahrung auch bei einer günstigen Stahlauswahl keine Sicherheit gegen Bruch gewährleisten. Diese Tatsachen erfordern eine wissenschaftliche Vorgehensweise bei der Festlegung der Messerparameter.

This paper deals with the (adaptive) control of a mechanical system, which is inspired by biological ideas. We present some theoretical investigations of a worm-like locomotion system that has the earthworm as a living prototype. This system is modelled in the form of a straight chain of k=3 interconnected point masses. The ground contact can be described by non-symmetric dry friction. We consider the case where different point masses are under the action of external forces, hence these forces can be regarded as control inputs. Therefore, this system is described by a mathematical model that falls into the category of nonlinearly perturbed, multi-input, multi-output systems, where the outputs of the system are, for instance, the positions of the point masses. In general, one cannot expect to have complete information about a sophisticated mechanical or biological system, but instead only structural properties (e.g. minimum phase condition, strict relative degree) are known. Therefore, the method of adaptive control is chosen in this paper. The aim is to design a universal adaptive controller, which learns from the behaviour of the system, so automatically adjusts its parameters and achieves a pre-specified control objective. Since we deal with nonlinearly perturbed multi-input, multi-output systems, which are not necessary autonomous, particular attention is paid to the [lambda]-tracking control objective. Simple adaptive mechanisms which achieve tracking of a given reference signal for any pre-specified accuracy [lambda] are introduced. [lambda] > 0 denotes the size of the tracking error. The feedback strategy reduces in dimension (the number of used variables calculated by internal differential equations) if we restrict the considered system class to single-input, single-output systems with zero-centre in the open left-half complex plane. We stress that the introduced adaptive controllers consist of very simple feedback mechanisms and adaptation rules. These controllers are only based on information about the output of the system no knowledge of the system parameters is required.

In vielen Bereichen der Technik ist eine spezifische Nachgiebigkeit technischer Systeme eine dringende Voraussetzung. Soft robotics ist Stand aktueller Forschungsarbeiten. Die Nachgiebigkeit technischer Systeme wird entweder durch Kontrolle oder durch strukturelle und stoffliche Eigenschaften gewährleistet. Der Vorteil der letzteren Möglichkeit besteht in der herstellungs-, bzw. regelungstechnischen Einfachheit des Systems. Bionische Ansätze gewinnen zur Lösung komplexer technischer und technologischer Problemstellungen auch in der angewandten Mechanik zunehmend an Bedeutung. Die Biomechanik der Gliedertiere mit monolithischen Extremitäten bietet aus mehreren Hinsichten Anregungen zur Gestaltung von technischen nachgiebigen Strukturen. In der vorliegenden Arbeit werden monolithische, elastomere, fluidmechanisch angetriebene Gelenkelemente mit ebenem Bewegungsbereich betrachtet. Es werden theoretische und experimentelle Untersuchungen vorgenommen, um charakteristische Merkmale derartiger Strukturen abzuleiten und unter Einbeziehung bionischer Ansätze Lösungsvorschläge von Konstruktionsvarianten mit im Vergleich zu bekannten Lösungen verbesserten quantitativen bzw. qualitativ neuen Eigenschaften zu erarbeiten. Die Arbeit ist in vier Teile gegliedert. Im ersten Teil werden die beim Entwurf von nachgiebigen Mechanismen in Betracht zu ziehenden bionischen Ansätze genannt. Im zweiten Teil der Arbeit werden Konstruktionsvarianten mit im Vergleich zu konventionellen Strukturen verbesserten quantitativen Eigenschaften und ihre charakteristischen Merkmale bei statischen und dynamischen Druckbelastungen betrachtet. Im dritten Teil der Arbeit werden zwei qualitativ neue Verformungsverhalten der Strukturen betrachtet. Im vierten Teil der Arbeit werden hingegen solche Strukturen betrachtet, die für einen gegebenen Druckwert, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Druckerhöhung, unterschiedliche Gleichgewichtslagen annehmen können. Die Ansteuerung derartiger Strukturen kann anstelle der Größe des Druckes mit der Geschwindigkeit der Lastaufbringung erfolgen.

In der vorliegenden Arbeit wird die problemorientierte Gestaltung von Algorithmen für die Bewegungssteuerung von Montagesystemen mittels Splines behandelt. Es werden Steuerfunktionen für Positioniersysteme entworfen, welche auf die unterschiedlichsten Bewegungsaufgaben entsprechend den Erfordernissen der industriellen Praxis zugeschnitten werden können. Das Zusammenfassen der Elementarbewegungen zu komplexen Bewegungsvorgängen bei gleichzeitiger Berücksichtigung der technologischen Anforderungen in den einzelnen Bewegungsabschnitten wird anhand eines definierten Montagezyklus demonstriert. Die Bewegungserzeugung wird ausgehend von der technologischen Aufgabe bis hin zur Führungsgrössengenerierung für das Antriebssystem der Manipulationseinrichtung betrachtet. Dabei steht neben der Minimierung der Montagezykluszeit auch die praxisgerechte Auslegung der Anwenderschnittstelle im Mittelpunkt der Betrachtungen. Anhand von Testergebnissen an einem Schwenkarmroboter vom Typ SCARA werden die Besonderheiten und Vorzüge dieser Steuerungsart vorgestellt. Die vorliegende Arbeit zielt insbesondere auf Anwendungen in der flexiblen Montage mit einem hohen Anteil von Handhabungsvorgängen in komplizierten Arbeitsräumen.

Das Thema dieser Arbeit kommt von einem praktischen Greifersystem, dessen vereinfachter wesentlicher Teil aus zwei eingespannt-freien elastischen kreisförmigen Stäben besteht. Die Bewegung dieses Systems wird durch die Deformationen der elastischen kreisförmigen Stäbe unter der am freien Ende angreifenden Kraft erzeugt. Die Bögen können von jeder möglichen Form sein, von der Geraden bis zum gesamten geschlitzten Ring, und ihre Deformationen können beliebig groß sein. - Nach Aufstellung eines mathematischen Modells in Form eines Randwertproblems mit drei Parametern (Kraft, Bogengeometrie) für eine Pendelgleichung wurden Vielfachheit und Stabilität der Lösungen der Pendelgleichung und der entsprechenden Stabkonfigurationen untersucht. Dazu wurde eine leistungsfähige Methode, die "Mannigfaltigkeitsmethode", entwickelt, die auf der Diskussion der Phasenkurven der Pendelgleichung basiert. Mit dieser Methode, gekoppelt mit numerischen Rechnungen, wurden die Bifurkationsdiagramme der Pendelgleichung für verschiedene Kombinationen der Parameter erhalten. Die Bifurkationsdiagramme zeigten Vielfachheit und die Änderungstendenz der Lösungen der Pendelgleichung und der Konfigurationen der verformten Bögen an. Die Bifurkationsdiagramme zeigen für unser Modell turningpoint-, pitchfork- und X-Bifurkationen sowie Hysteresis. Die Kraftparameterebene wurde nach der Zahl der Lösungen in Gebiete unterteilt. Die theoretische Untersuchung des Halbringes mittels elliptischer Integrale wurde durchgeführt, und das Resultat zeigt eine genaue Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Mannifaltigkeitsmethode. Für die Stabilitätsuntersuchung versagen klassische Methoden, da das Randwertproblem für die Pendelgleichung keine trivialen Lösungen besitzt. Deshalb wurde die Pendelgleichung in eine parabolische partielle Differentialgleichung eingebettet, die Liapunovstabilität der stationären Lösungen definiert die "P-Stabilität" der Konfiguration des elastischen Stabes. Stabilitätsaussagen werden mit Hilfe der Methode der ersten Näherung und unter Benutzung der Bifurkationsfunktion gewonnen. Zum ursprünglichen praktischen Problem "Feder und Greifer" wurden als Ergebnisse Federcharakteristiken, insbesondere Kraft-Verschiebungs-Kennlinien für kreisbogenförmige Federn gefunden. Für Greifer, die aus zwei symmetrisch angeordneten elastischen Kreisbögen bestehen, wurden Zusammenhänge von Öffnungsweite, Haftreibungskoeffzient und Haltekraft gefunden. - Die Methoden, die in dieser Arbeit eingeführt werden, besonders die Mannifaltigkeitsmethode und P-Stabilität, können für die Untersuchung von Bifurkation und Stabilität bei allgemeinen gewöhnlichen Dfferentialgleichungen nützlich sein.