Wissenschaftliche Veröffentlichungen ohne Studienabschlussarbeiten

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.

Basierend auf Bewegungsformen wie sie von biologischen Systemen bekannt sind, die mit Hilfe von (periodischer) Gestaltänderung Fortbewegung erzielen, und der kontrollierbaren Oberflächendeformation von Ferrofluiden, werden die Möglichkeiten Ferrofluide für Lokomotionszwecke zu nutzen untersucht. Dies wird belegt durch detaillierte Auseinandersetzung und Verweise auf entsprechende Literatur. Großes Gewicht wird auf die technische Implementierung gesetzt und die daraus erwachsenden Problemfelder. Daher werden neben einem ausführlichen theoretischen Teil, in dem ein magnetfeldinduzierter peristaltischer Materialtransport einer magnetischen Flüssigkeit analytisch betrachtet wird, auch weitläufig praktisch-experimentelle Untersuchungen angestellt. Wichtige Größen wie ferrofluiderzeugte Kräfte und Drücke werden messtechnisch für den Allgemeinfall ermittelt. Hierbei wird unterschieden zwischen Systemen, die mit lokal bewegten Ferrofluidportionen anderen Objekten zur Lokomotion verhelfen(passive Lokomotionssysteme) und Systemen, deren mobile Ferrofluidportionen selbst Position und Lage verändern (aktive Lokomotionssysteme). Anhand von Prototypen werden Prinzipien und Funktionsparameter gesondert analysiert und diskutiert. Diese speziellen Untersuchungen werden teilweise durch analytische und numerische Modelle gestützt. Auf zwei Kernprobleme wird aufmerksam gemacht: Ferrofluide generieren geringe nutzbare Kräfte und aufgrund der starken Adhäsion ist eine schützende Einkapselung notwendig. Zwei Untersuchungen gehen hierauf ein. Mit der Idee, eine Steigerung der nutzbaren Kräfte hervorzurufen, wird die Verstärkung der Oberflächendeformation, die im Magnetfeld durch das Einführen hochpermeabler Körper hervorgerufen wird, analytisch und experimentell untersucht. Weiterhin wird ein Experiment vorgestellt, welches die Einkapselung des Ferrofluids umgeht. Hier ist ein Ferrofluidaktor eingebettet in einer Zweitflüssigkeit und treibt diese zur Kanalströmung an. Mit Referenz auf die Grundidee ferrofluidbasierter Lokomotion werden die Teiluntersuchungen zusammengefasst. Vor dem Hintergrund, dass die nachteiligen Eigenschaften des Materials bislang nicht beherrscht werden, bleibt es abzuwarten inwiefern sich technische Lösungen ferrofluidbasierten Lokomotionssysteme verbreiten werden. Im Ausblick wird auf vielversprechende Entwicklungen magnetosensitiver Elastomere und Gele aufmerksam gemacht.

Auch in Zeiten, in denen Barrierefreiheit großgeschrieben wird, bedeutet eine persönliche Mobilitätseinschränkung einen Verlust von Lebensqualität. Der Grund dafür ist, dass durch Hindernisse bzw. den Zwang zur Benutzung spezieller Routen oder Zonen die individuelle Mobilität paralysiert wird. Derzeit verfügbare Mobilitätshilfen können Hindernisse nur unzureichend kompensieren, da sich in der Praxis des Alltags Mängel zeigen, die der zumeist teuer erkauften Erweiterung des befahrbaren Geländespektrums entgegenwirken. Ein Blick auf die grundlegenden Fortbewegungsprinzipien vor dem Hintergrund der Forderung nach einem breiten befahrbaren Geländespektrum führt zur Schlussfolgerung, idealerweise eine Kombination aus Rollen und Schreiten anzustreben. Das rollende Bein in Verbindung mit einem Höhenausgleich erscheint als vielversprechende Lösung.

Die Wahrnehmung von Vibrationen ist eine besondere Art des Tastsinnes, welcher für Insekten wie Wirbeltiere wichtig ist. Letztere realisieren diese Wahrnehmung u. a. aus mechanischen Sensorinformationen der Tasthaare in der Schnauzenregion. Es wurden und werden mechanische Modelle einzelner Tasthaare entwickelt, um die beiden Betriebsmodi derartiger Tasthaare von kletternden Säugetieren zu beschreiben: die Tasthaare werden entweder passiv genutzt, um Kräfte aus der Umgebung zu spüren (z. B. durch Wind), oder aktiv genutzt, wenn die Haare rhythmisch bei der Abtastung von Oberflächen oder Objekten bewegt werden ("whisking", daher englisch "whiskers"). Folglich müssen die Modelle aus regelungstechnischer Sicht Stabilisierbarkeit und Bahnverfolgung ermöglichen, wobei sie trotzdem in der Lage sein müssen, überlagerte Einzelsignale aus der Umgebung zu filtern. Die für technische Umsetzung entwickelten Regler sind adaptiver Natur mit Blick auf die Zufälligkeit der externen, zu unterdrückenden Signale der Unsicherheit der Systemparameter. Diese Arbeit präsentiert diverse mechanische Modelle und verbesserte adaptive Regelstrategien, die Indetifikationstechniken umgehen, dabei aber gewährleisten, dass das System im beschriebenen Sinne sensitiv ist.