Development and evaluation of sensor systems for human motion analysis with artificial intelligence. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Analyse menschlicher Bewegungen kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, z.B. in der Mensch-Computer-Interaktion, der medizinischen Diagnose und der Spieleunterhaltung. Sie ist auch ein wesentlicher Bestandteil der Sturzrisikobewertung zur Sturzprävention bei älteren Menschen und Patienten. In dieser Arbeit werden zwei Sensorsysteme für die menschliche Bewegungsanalyse entwickelt und evaluiert. Der erste Ansatz basiert auf Initialsensoren, die können am menschlichen Körperteil angebracht werden und messen die Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit und Magnetfelder im lokalen Koordinatensystem. Das andere System basiert auf Kameras und schätzt die Position der Keypoints (Gelenke) des menschlichen Körpers in den Videos mit Hilfe von Deep Neural Networks (DNN). Die auf Supervised Learning basierenden Klassifikatoren k-Nearest Neighbours (k-NN) und Support Vector Machines (SVM) werden auf die von beiden Ansätzen gesammelten Daten angewendet, um normale und abnormale Gangmuster zu unterscheiden. Durch das Testen verschiedener Informationen als Eingabe erreichen beide Systeme durchschnittliche Klassifizierungsgenauigkeit von über 90 %, unabhängig davon, ob die für die Klassifizierung verwendeten Daten von einem einzelnen Probanden oder von mehreren Probanden sind.
Konstruktion und Optimierung eines Messelements zur Sensierung der Koppelkräfte zwischen PKW und Starrdeichselanhänger. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Das fahrdynamische Verhalten eines Fahrzeuggespanns bestehend aus PKW und Anhänger wird durch das Wirken von mechanischen Koppelkräften beeinflusst. Diese Koppelkräfte beeinflussen maßgeblich sicherheitskritische Fahrsituationen, wie das Aufschaukeln der Fahrezeugkombination oder das Einknicken bei extremen Bremsmanövern. Aufgrund von nicht alltäglichem Gebrauch, können viele Fahrer*innen das Verhalten des Fahrzeuggespanns in Gefahrensituationen nicht antizipieren und dementsprechend handeln. Durch den Entwicklungstrend von Elektrifizierung von Fahrzeugen und Effizienzsteigerung von Antrieben, werden neue Einheiten von Anhängern entwickelt, die eigene Antriebe oder Rekuperationsvorrichtungen besitzen. Daraufhin wird die Fahrdynamik des Fahrzeuggespanns zusätzlich mit weiteren fahrdynamischen Eigenschaften beeinflusst. Aufgrund mangelnder Möglichkeiten die Koppelkräfte zu messen, soll zu diesem Zweck ein Koppelkraftaufnehmer zur Messung der Koppelkräfte entwickelt und dessen Messarme optimiert werden. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst das zu Grunde liegende Ersatzmodell des Biegebalkens aus der Technischen Mechanik erläutert. Anhand des Modells wurde eine erste grobe Abschätzung der Verformung der Messarme vorgenommen. Weiterhin wurden die Grundlagen der Materialermüdung und deren Einflussfaktoren behandelt. Aufgrund der konstruktiven Diskrepanz zwischen den echten Messarmen und dem Ersatzmodell wurde im nächsten Schritt die FEM-Simulation angewendet und die nötigen Kenntnisse erläutert. Im Zusammenhang wurde das Originalmodell des Koppelkraftaufnehmers beschrieben. Daraufhin wurde auf die Anforderungen an die Fähigkeiten des Aufnehmers und dessen technischen Spezifikationen eingegangen, die auf einer gesetzlichen Richtlinie basieren. Im Zuge der Durchführung wurde der Koppelkraftaufnehmer Studien zur FE-Netzuntersuchung und Genauigkeit der Ergebnisse anhand drei konstruierten Varianten des Koppelkraftaufnehmers unterzogen. Im Kontext der Auswertung stellte sich die dritte Variante des Aufnehmers als geeigneteste Variante heraus, denn diese Variante erlangte die höchste Lebensdauer und größte Dehnung in der Messtelle. Desweiteren wurde ein Pareto-Optimum zwischen der Ergebnisgenauigkeit von FEM-Belastungssimulationen und dessen Rechenaufwand gefunden.
Konzeption und Entwicklung eines Antriebssystems für das mechanische Uhrwerk einer Turmuhr. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Zeitanzeige der Turmuhr des Heimatmuseums in Dröbischau erfolgt über ein historisches mechanisches Uhrwerk. Dieses wird nach derzeitigem Stand durch regelmäßiges manuelles Aufziehen am Laufen gehalten. Durch eine Automatisierung soll der Bediener von der körperlichen Routinearbeit entlastet werden. Dazu wird im Rahmen dieser Arbeit ein Antriebssystem entwickelt, mit dem der Uhrenaufzug selbstständig und zuverlässig erfolgen kann, ohne die Funktionsfähigkeit des bisherigen Uhrwerks zu beeinträchtigen. Zunächst wird eine Bestandsaufnahme durchgeführt, auf deren Basis anschließend die Definition der Anforderungen an das System erfolgt. Im Zuge des weiteren Entwicklungsprozesses werden geeignete Konzepte und Umsetzungen für die Aktorik, Sensorik und Steuerung des Antriebssystems erarbeitet. Um den Ablaufmechanismus des Uhrwerks durch den Antrieb nicht zu blockieren, wird eine Schleppscheibenkupplung entwickelt, die eine Verzögerung der Drehbewegungsübertragung ermöglicht. Der Aufbau eines Funktionsmodells gewährt eine Veranschaulichung des gewählten Konzepts und ermöglicht den Nachweis der Funktionsfähigkeit. Durch eine kritische Betrachtung des Ergebnisses werden Erkenntnisse über die Eignung des entwickelten Antriebs gewonnen. Dabei wird ersichtlich, dass die erarbeitete Konstruktion die definierten technischen und wirtschaftlichen Festanforderungen erfüllt. Sofern auch ein anschließender Langzeittest erfolgreich überstanden wird, steht einer Umsetzung des Antriebs am Uhrwerk mit der vorgeschlagenen Entwicklung nichts entgegen.
Entwicklung einer Synthesemethode für nachgiebige Mechanismen auf Basis analytischer Modellbildung. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken gewinnen aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie beispielsweise Reproduzierbarkeit, Spielfreiheit und Wartungsfreiheit, zunehmend an Bedeutung. Ihre Verformung wird maßgeblich durch Biegung bestimmt, weshalb sie analytisch auf Basis der Euler-Bernoulli-Balkentheorie modelliert werden können. Die analytische Betrachtung wird aufgrund ihres komplexen mathematischen Modells durch geometrische Nichtlinearität primär in der Analyse nachgiebiger Mechanismen und seltener in der Synthese eingesetzten. Derzeitige Syntheseansätze beschreiben das Bewegungsverhalten nur näherungsweise und benötigen zum Beispiel aufgrund aufwändiger Topologieoptimierungen einen erhöhten Rechenaufwand, was eine einfache und schnelle Synthese erschwert. In dieser Masterarbeit wird mit Hilfe nichtlinearer Rechenmethoden großer Verformungen stabförmiger Strukturen eine Synthesemethode entwickelt und in Matlab und Python umgesetzt. Die Synthese wird auf die Position der Festkörpergelenke entlang einer vorgegebenen Stabachse beschränkt. Zur Überprüfung der Synthesemethode werden zunächst Variantenstudien für mögliche Gelenkpositionen dreier Mechanismen durchgeführt und deren Optimum im betrachteten Parameterbereich ermittelt. Anschließend wird eine Synthesemethode auf Basis nichtlinearer Optimierungsverfahren entwickelt. Die Gelenkpositionen der zuvor betrachteten Beispiele werden synthetisiert und mit den Ergebnissen der Variantenstudien verglichen, um die Synthesemethode zu verifizieren. Darauf aufbauend wird ein eigenständiges Python-basiertes PC-Programm zur Analyse und Synthese nachgiebiger Mechanismen umgesetzt welches durch eine grafische Benutzeroberfläche die Option bietet, nachgiebige Mechanismen, mit unterschiedlichen Randbedingungen, intuitiv aufzubauen und die Position der Festkörpergelenke zu optimieren. In der Benutzeroberfläche sind fünf verschiedene Gelenkkonturen zur Auswahl implementiert. Die gestalteten Mechanismen können schließlich mit richtungstreuen Kräften belastet werden um das Verformungsverhalten, sowie weitere wichtige elasto-kinematische Parameter zu analysieren. Anschließend kann die Position der einzelnen Festkörpergelenke synthetisiert und die optimale Lösung dargestellt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit und die intuitive Anwendbarkeit der grafischen Benutzeroberfläche vereinfachen die Synthese nachgiebiger Mechanismen und leisten so einen Beitrag zur schnelleren Erstellung nachgiebiger Mechanismen.
Modellbildung räumlicher freier Schwingungen von nachgiebigen Mechanismen. - Ilmenau. - 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Als nachgiebiger Mechanismus wird ein System bezeichnet, dessen Beweglichkeit vorrangig oder ausschließlich durch dessen Nachgiebigkeit bestimmt wird. Diese Nachgiebigkeit wird heutzutage nicht mehr nur als Nachteil aufgefasst, sondern wird in vielen Anwendungsbereichen gezielt eingesetzt. So gewinnen nachgiebige Mechanismen sowohl in der Forschung als auch in der Industrie zunehmend an Stellenwert. Während bei der statischen Analyse solcher Mechanismen in den letzten Jahren viele Fortschritte gemacht wurden, wurde das dynamische Verhalten bisher vergleichsweise wenig erforscht. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die dynamische Analyse von nachgiebigen Mechanismen durch die Berechnung von Eigenfrequenzen voranzutreiben. Bisher ist deren Ermittlung nur mit zeitaufwändigen 3D-FEM-Simulationen oder über Starrkörpermodelle und Lagrange-Gleichungen möglich. Auf Basis einer analytischen Methode wird ein Algorithmus entwickelt, um die Berechnung der Eigenfrequenzen von nachgiebigen Mechanismen zu vereinfachen und zu beschleunigen. Es werden vollständige oder teilweise nachgiebige Mechanismen mit konzentrierter und/oder verteilter Nachgiebigkeit im dreidimensionalen Raum betrachtet. Das zu untersuchende System soll dabei aus einer beliebigen Anzahl an stabförmigen elastischen Segmenten zusammengesetzt sein, die miteinander verbunden und monolithisch gefertigt sind. Außerdem wird eine grafische Benutzeroberfläche entwickelt, die es ermöglichen soll, die Erstellung und die Berechnung des Systems möglichst zeiteffizient zu bewerkstelligen. Eine Verifizierung der Ergebnisse erfolgt durch 3D-FEM-Simulationen mit ANSYS Workbench und durch eine zusätzliche Validierung mit einem Experiment. Die Auswertung zeigt gute Übereinstimmungen mit den Referenzmodellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen eine verlässliche und effiziente Berechnung der Eigenfrequenzen und dient der Erleichterung weiterführender Arbeiten hinsichtlich der dynamischen Analyse von nachgiebigen Mechanismen.
Experimentell-messtechnische Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften von thermosensitiven Elastomeren (TSE). - Ilmenau. - 39 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
Thermosensitive Elastomere (TSE) sind Verbundwerkstoffe, deren Materialeigenschaften durch Temperaturveränderung gezielt beeinflusst werden können. Das in dieser Bachelorarbeit verwendete TSE-Material besteht aus einer nachgiebigen Silikon-Matrix als Basis, in der thermoplastische Polycaprolacton-Partikel (PCL) eingebettet sind. Der Gegenstand dieser Arbeit sind weiterführende Untersuchungen der mechanischen Materialeigenschaften von TSE-Proben mit verschiedenen PCL-Konzentrationen. Kernpunkt sind die Messung des Einflusses der Temperatur auf das Zug-Druck-Verhalten und die Schwingungseigenschaften sowie die Nutzbarkeit des materialspezifischen Shape-Memory-Effektes (SME). Die Versuche bestätigen das temperaturabhängige Materialverhalten im Bereich des Schmelzpunktes von PCL zwischen 58 ˚C - 60 ˚C. In diesem Temperaturbereich wurde eine Reduzierung des Spannungs-Dehnungs-Verlaufs um bis zu 50 % sowie eine Veränderung von Dämpfung und Resonanz festgestellt, was auf das Schmelzen der PCL-Partikel zurückgeführt werden kann. Der SME ermöglicht formvariable plastische Verformung des TSE Materials (z.B. Längenänderung, Krümmung, Formeinprägung) durch temporäres Erhitzen der Proben. Der Effekt ist reversibel, wiederholbar und bietet großes Anwendungspotential, welches in einem ersten Greifer-Demonstrator angedeutet wird.
Experimental investigation of a vibration-driven locomotion system based on a multistable tensegrity structure . - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In dieser Arbeit wird die Anwendung von multistabilen Tensegrity Strukturen zur Realisierung einer vibrationsbasierten Fortbewegung untersucht. Hierbei liegt der Fokus auf der experimentellen Verifizierung des Lokomotionsverhaltens an einem Prototyp. Besonderes Augenmerk liegt auf der Entwicklung, Inbetriebnahme dieses Prototyps und der konstruktiven Realisierung von Tensegrity Strukturen. Neben der Untersuchung der multistabilen Charakteristik wird eine potentielle Aktuierungsstrategie zur Realisierung eines kontrollierten Gleichgewichtslagenwechsels betrachtet. Weiterhin wird der Einfluss verschiedener Aktuator Größen und der Gleichgewichtskonfiguration auf der Bewegungsverhalten in Experimenten untersucht. Als Umgebung wird ein horizontaler Untergrund vorausgesetzt und die resultierenden Bewegungen optisch ausgewertet. Die Ergebnisse bestätigen die vorteilhaften Eigenschaften multistabiler nachgiebiger Tensegrity Strukturen zur Realisierung von vibrationsbasierter Fortbewegung.
Model-based investigation and optimization of the bending-torsion-stiffness ratio of flexure hinges. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Nachgiebige Mechanismen mit Festkörpergelenken besitzen ein großes Anwendungspotenzial in der Präzisionstechnik aufgrund ihrer Vorteile gegenüber konventionellen Gelenken. In der praktischen Anwendung tritt neben der idealen reinen Biegebeanspruchung oftmals noch eine ungewollte Torsionsbeanspruchung auf. Dennoch wird die kombinierte Biege- und Torsionssteifigkeit von prismatischen Kerbgelenken in der Literatur selten betrachtet. Zudem ist die exakte analytische Berechnung der Torsionssteifigkeit anspruchsvoll. Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die Untersuchung und Minimierung des Biege-Torsions-Steifigkeitsverhältnisses von Festkörpergelenken basierend auf FEM-Simulationen. Die Festkörpergelenke werden mit unterschiedlichen geometrischen Parametern und Kerbkonturen modelliert, insbesondere mit Polynomkonturen unterschiedlicher Ordnung. Es wird eine umfassende Parameterstudie mittels einer quasistatischen nichtlinearen 3D-FEM Simulation mit ANSYS Workbench durchgeführt. Die Minimierung des Biege-Torsions-Steifigkeitsverhältnisses basiert auf einer vollständigen Variantenstudie durch Variation der geometrischen Parameter und Konturen. Die FEM-Ergebnisse zeigen, dass die Gelenkbreite den größten Einfluss auf das Steifigkeitsverhältnis hat. Außerdem nimmt das Verhältnis mit zunehmender Gelenklänge und minimaler Höhe leicht zu. Zudem kann die Gelenkkontur gut zur Minimierung des Verhältnisses genutzt wurden. Unter allen Konturen hat die Polynomkontur 2. Ordnung in den meisten Fällen das kleinste Verhältnis, besonders für dünne Gelenke. Andererseits muss die Ordnung erhöht werden, um das kleinste Verhältnis für dicke Gelenke zu realisieren. Weiterhin wird in der Arbeit eine analytische Berechnung der Biege- und Torsionssteifigkeit mittels MATLAB durchgeführt. Der Vergleich zwischen den FEM- und den analytischen Ergebnisse zeigt, dass die Berechnung der Biegesteifigkeit sehr exakt möglich ist. Die analytisch berechnete Torsionssteifigkeit von Kerbgelenken hat jedoch große Abweichungen. Deswegen werden zwei generelle Korrekturgleichungen mit 4 bzw. 14 konturspezifischen Faktoren bestimmt, um die Genauigkeit der analytischen Berechnung der Torsionssteifigkeit zu verbessern. Somit kann die relative Gesamtabweichung zu den FEM-Ergebnissen mit unter 15.81 % signifikant reduziert werden.
Entwicklung eines Beschleunigungssensors auf Basis von magnetosensitiven Elastomeren. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Ziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung eines Beschleunigungssensors mit einstellbarer Sensitivität auf Basis von schwingenden magnetosensitiven Elastomeren (MSE). Durch eine im System integrierte Magnetfeldquelle wie eine elektromagnetische Spule sollen die Schwingungsparameter des MSE-Körpers eingestellt und die Antwort des Systems auf Erregung durch die Magnetfeldänderung erfasst werden. Ein kompakter Sensorprototyp und Versuchsaufbau wurden anhand theoretischer und numerischer Ergebnisse entwickelt. Für das Erzeugen des Magnetfeldes wurde eine elektromagnetische Spule ausgelegt. Ein einseitig eingespannter MSE-Balken wurde als Funktionselement des Sensors dimensioniert. Durch Finite-Elemente-Simulationen wurden die statische Auslenkung des MSE-Balkens und der Einfluss des Balkens auf das Magnetfeld der Spule analysiert. Die optimalen Ausrichtung und Position der Hall-Sensoren konnte dadurch bestimmt werden. Bei harmonischer Erregung am Gehäuse wurde die Vergrößerungsfunktion des Magnetfeldes in der Form deltaB/B_0 über die Erregerfrequenz für verschiedene Stromstärken aufgezeichnet und die Wirkung des Magnetfeldes auf die erste Eigenfrequenz des MSE-Balkesn untersucht. Bei Erregung mittels einer Voicecoil wurde der Sensor arbiträr erregt und dessen Antworten untersucht und mit dem aus der harmonischen Erregung verglichen.
Modellbildung und Simulation eines Reibdämpfers zum Einsatz in Schwingungsminderungssystemen. - Ilmenau. - 121 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020
Zur Kontrolle und Minderung niederfrequenter Turmbiegeschwingungen von Windenergieanlagen werden u.a. gedämpfte passive Tilger eingesetzt, deren Dämpfungselement durch einen trockenen Reibdämpfer realisiert ist. Im Rahmen der im Hause Wölfel Engineering GmbH + Co. KG angefertigten Bachelorarbeit, wird das Reibverhalten der im Tilger verwendeten Reibpaarung experimentell untersucht sowie ein zur Nachbildung des Reibverhaltens geeignetes Reibmodell ausgewählt. Anschließend werden drei verschiedene Reibmodelle, das ausgewählte Reibmodell sowie das Coulomb-Modell und das lineare Dämpfermodell, zur Beschreibung des Reibverhaltens eingesetzt und das Schwingungsverhalten des gedämpften passiven Tilgers in Simulink simuliert. So kann eingeschätzt werden, in welchem Umfang sich auch einfache Reibmodelle zur Nachbildung trockener Festkörperreibung eignen, wenn weniger das Reibverhalten selbst, als das daraus resultierende Schwingungsverhalten des Tilgers interessiert.