Mechanics of mobile robots with mecanum wheels. - In: ROMANSY 21 - Robot design, dynamics and control, (2016), S. 103-111
The inversion of motion of bristle bots: analytical and experimental analysis. - In: ROMANSY 21 - Robot design, dynamics and control, (2016), S. 225-232
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.
Compliant electrode carrier for cochlear implant with fluidic actuation :
Nachgiebiger Elektrodenträger für Cochlea-Implantate mit fluidischer Aktuierung. - In: Forschung im Ingenieurwesen, ISSN 1434-0860, Bd. 80 (2016), 1/2, S. 57-69
http://dx.doi.org/10.1007/s10010-016-0202-0
Lokomotorische Interaktion planetarer Explorationssysteme mit weichen Sandböden : Modellbildung und Simulation
1. Auflage. - München : Verlag Dr. Hut, 2016. - 1 Band (verschiedene Seitenzählungen)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
ISBN 978-3-8439-2704-8
Die Lokomotion von Systemen auf weichen verformbaren Sandböden ist aus dem Alltag bestens bekannt. Dennoch gehört die Interaktion mit granularen Materialien noch zu den weitestgehend unverstandenen und nur unvollständig abgebildeten Phänomenen in unserer Umwelt. Während das Lokomotionssystem auf der Erde häufig direkt beeinflusst werden kann, ergeben sich in der planetaren Exploration Probleme wie die Unzugänglichkeit des Systems. Bisherige Modellierungsansätze können dabei die Boden-Interaktion nur unzureichend abbilden. Diese Arbeit zielt daher darauf ab, die Diskrete Elemente Methode weiterzuentwickeln und für die Entwicklung von Systemen zum Erforschen unseres Sonnensystems nutzbar zu machen. Um das Scherversagen granularer Medien genau und effektiv abzubilden, wird eine Modellierung der Kornform über 2D-Rotationsgeometrien vorgestellt, wobei die Kugel für die Kontakterkennung beibehalten wird. Um auf die Partikel wirkende Kräfte wie Reibung und Kohäsion abzubilden, werden bestehende Kontaktmodelle erweitert. Um diese Kontaktmodelle sinnvoll einsetzen zu können, wird zudem ein Parameteridentifikationsverfahren vorgestellt, welches ohne Kalibrierungssimulationen auskommt. Damit kann ein Kontaktparametersatz über hinreichende Bedingungen, mikroskopische Bilder und einen Look-up Table in nur 5 s statt bis zu 5000 CPU-Stunden erstellt werden. Diese Methode wird mit dem Bevametertest für zwei Böden verifiziert. Die gesamte Modellmethodik wird dann als neues Framework DEMETRIA auf Basis von Pasimodo implementiert und für zwei Anwendungen genutzt. Bei der ersten Anwendung, dem HP3-Mole für den Mars, konnte für die Modelle der Eindringtiefe pro Schlag eine Abweichung von weniger als 16% gegenüber Messdaten erreicht werden. Weiterhin konnte durch eine Nutzung der Modelle in Optimierungen die Zieltiefe von 5m bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 5W erreicht und die dafür nötige Schlaganzahl auf 25% gesenkt werden. Für die zweite, exemplarische Anwendung, die Räder planetarer Rover, werden prinzipielle Effekte der Interaktion untersucht und die Simulationen qualitativ mit realen Testfahrten verglichen. In diesen Vergleichen wurde ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den realen Effekten der Bodenverformung festgestellt. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Modelle für Radoptimierungen zur Verbesserung der Effizienz und Traktion genutzt werden können.
Kinematic and dynamic description of non-standard snake-like locomotion systems. - In: Mechatronics, ISSN 1873-4006, Bd. 37 (2016), S. 1-11
http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2015.10.010
On the motion of lumped-mass and distributed-mass self-propelling systems in a linear resistive environment. - In: ZAMM, ISSN 1521-4001, Bd. 96 (2016), 6, S. 747-757
http://dx.doi.org/10.1002/zamm.201500091
Wheel-ground modeling in planetary exploration: from unified simulation frameworks towards heterogeneous, multi-tier wheel ground contact simulation. - In: Multibody dynamics, (2016), S. 165-192
Today's growing scientific interest in extraterrestrial bodies increases the necessity of extended mobility on these objects. Thus, planetary exploration systems are facing new challenges in terms of mission planning as well as obstacle and soil traversability. In order to fit the tight schedules of space missions and to cover a large variety of environmental conditions, experimental test setups are complemented by numerical simulation models used as virtual prototypes. In this context we present an integrated simulation environment which allows for using different available contact models, ranging from simple but real-time capable approximations based on rigid-body modeling techniques up to very accurate solutions based on Discrete Element Method (DEM). The models are explained and classified for their applications. For this work, a one-point Bekker based approach (BCM) and the so-called Soil Contact Model (SCM), which is a multi-point extension of the Bekker-Wong method taking soil deformation into account, are used for further analysis. These two contact models are applied for homogeneous simulations with only one type of contact model for all wheels as well as for a heterogeneous multi-tiered simulation with different contact models for the wheels. It will be shown that the multi-tiered approach enhances the simulation result accuracy compared to the results of a homogeneous model with a low level of detail while speeding up the simulation in comparison to a homogeneous higher-tier model.
http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30614-8_8
Mechanik von Tensegrity-Strukturen und ihre Anwendung in der mobilen Robotik. - Ilmenau. - xiv, 225 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Habilitationsschrift 2016
Eine größere Effizienz mobiler Roboter wird zukünftig neue, nicht konventionelle Fortbewegungsprinzipien erfordern. Bei der Inspektion von komplexen, unstrukturierten Umgebungen ist der Einsatz von formvariablen Lokomotionssystemen mit ausgeprägter mechanischer Nachgiebigkeit vorteilhaft bzw. unbedingt erforderlich. Mechanisch vorgespannte nachgiebige Strukturen erlauben eine solche geforderte Formvariabilität mit nur wenigen Aktuatoren bei gleichzeitig einfachem Aufbau. Eine Klasse dieser Strukturen bilden nachgiebige Tensegrity-Strukturen. Das Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Anwendung von nachgiebigen Tensegrity-Strukturen in Lokomotionssystemen zu leisten. Im Vordergrund steht dabei der systematische, modellbasierte Entwurf von Systemen basierend auf nichtkonventionellen Strukturen, nichtklassischer Aktuierung und Fortbewegungsart. Nach einleitenden Betrachtungen zu Tensegrity-Strukturen, ihrer Anwendung in der mobilen Robotik werden zunächst bekannte Lokomotionssysteme auf Basis der betrachteten Strukturen in der Arbeit klassifiziert. Anschließend erfolgen Betrachtungen zu den Besonderheiten eines Berechnungsverfahrens nach der statischen FE-Methode in Hinblick auf die Formfindung von nachgiebigen Tensegritätsstrukturen. Weiterhin werden Nachgiebigkeit und Formvariabilität charakterisierende Kenngrößen diskutiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bilden Untersuchungen zu drei Klassen von Lokomotionssystemen auf Basis der betrachteten Strukturen: Systeme mit rollender und vibrationsinduzierter Fortbewegung sowie Systeme mit Fortbewegung auf Basis von multistabilen Tensegrity Strukturen mit mehreren Gleichgewichtskonfigurationen. Abschließend werden eine Zusammenfassung der durchgeführten Arbeiten und ein Ausblick gegeben.
Design, fabrication, and characterization of a compliant shear force sensor for a human-machine interface. - In: Sensors and actuators, ISSN 1873-3069, Bd. 246 (2016), S. 91-101
http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2016.04.034
Bio-inspired technical vibrissae for quasi-static profile scanning. - In: Informatics in control, automation and robotics, ISBN 978-3-319-26451-6, (2016), S. 277-295
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).