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Im Jahr 1504 verlor der deutsche Ritter Gottfried („Götz“) von Berlichingen seine
rechte Hand. Schon während seiner Genesung dachte er daran, die Hand zu ersetzen,
und beauftragte bald darauf die erste Handprothese, die sogenannte „Eiserne Hand“.
Jahre später wurde die aufwändigere zweite „Eiserne Hand“ gebaut. Wir haben die erste
Prothese auf der Basis früherer Literaturdaten von
Quasigroch (1982) mit Hilfe von 3-D
Computer-Aided Design (CAD) rekonstruiert. Dazu mussten einige Abmessungen angepasst
und ein paar Annahmen für das CAD-Modell gemacht werden. Die historische passive
Prothese des Götz von Berlichingen ist für die moderne Neuroprothetik interessant, da sie
eine Alternative zu komplexen invasiven Brain-Machine-Interface-Konzepten darstellen
könnte, wo diese Konzepte nicht notwendig, möglich oder vom Patienten gewünscht sind.
In this study, we tested the function of a replica of the over 500-year-old original of the
famous Franconian Imperial Knight Götz von Berlichingen’s first “iron hand”, which we
reconstructed by computer-aided design (CAD) and recently printed using a multi-material
3D printer. In different everyday tasks, the artificial hand prosthesis proved to be remarkably
helpful. Thus, the hand could hold a wine glass, some grapes, or a smartphone. With a
suitable pencil, even writing was possible without any problem. Although for all these
functions the healthy other hand was necessary to assist at the beginning, the artificial hand
is an astonishing mechanical aid with many possibilities. Therefore, in certain cases, the
non-invasive approach of a passive mechanical hand replacement, which is an individual,
quick and cheap solution due to modern 3D printing, may always be worth considering
also for today’s requirements.
Auf Grundlage der Computer-Aided-Design (CAD)-rekonstruierten ersten „Eisernen Hand“ des Götz von Berlichingen wird ein umgebautes, controllergesteuertes sensomotorisches Fingersystem auf seine Funktionalität beim Greifen von unterschiedlichen Gegenständen beschrieben und geprüft. Die elektronischen Finger, die den „Pinzettengriff“ nachahmen und automatisch bei dem zuvor eingestellten Anpressdruck abschalten, bewiesen eine bemerkenswerte Alltagstauglichkeit. Das vorgestellte Grundkonzept könnte eine Alternative bei der Entwicklung einfacher und kostengünstiger, aber dennoch gut einsatzfähiger bionischer Hände sein und zeigt einmal mehr, wie historische Ideen in die Gegenwart transferiert werden können.
Die Kenntnis der Messunsicherheit verbessert die Aussagekraft von Einsatzhärtungstiefe-Messungen. Ausgehend von der Definition in der DIN EN ISO 2639:2002 wird unter Anwendung des „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ die Messunsicherheit abgeschätzt. Dazu werden die Einflüsse der Härteprüfung, der Positionierung der Prüfpunkte und der Probe berücksichtigt. Das Verfahren wird an zwei Beispielen angewendet: Zunächst werden die gemäß Norm zulässigen Toleranzen vollständig ausgenutzt, anschließend die Unsicherheit eines automatisierten Härteprüfers experimentell ermittelt. In beiden Fällen dominiert der Probeneinfluss das Ergebnis.
Das fortwährende Streben nach Steigerung der Genauigkeit und Effizienz von industriellen Bearbeitungs- und Prüfprozessen führt bei elektrischen Antrieben zu immer höheren Forderungen an ihre dynamischen Eigenschaften. Hierbei kommt dem Stromregelkreis als dem am weitesten unterlagerten Regelkreis eines elektrischen Antriebs eine entscheidende Bedeutung zu. Mit zunehmender Dynamikerhöhung des Stromregelkreises treten jedoch aufgrund von Parameterunsicherheiten und von Messfehlem immer deutlicher Probleme der Regelkreisrobustheit und der Geräuschemission in den Vordergrund, die es oft nicht gestatten, die theoretisch erhaltenen Lösungen in vollem Umfang zu realisieren. Gegenüber der optimalen Lösung müssen dann Abstriche hinsichtlich der erreichbaren Dynamik gemacht werden. Wie diese Abstriche durch das Ausschöpfen verborgener Freiheitsgrade reduziert werden können, wird im vorliegenden Beitrag gezeigt. Als Lösungsansatz wird hierfür ein achsenunsymmetrischer Statorstromzustandsregler gewählt, der es erlaubt, in der d- und q-Achse eine unterschiedliche Dynamik einzustellen. Hierbei wird zunächst im Kapitel 2 ein kurzer Überblick über die Entwicklungsgeschichte und den Stand der Technik von pulsweitenmodulierten Stromregelverfahren für Drehstromantriebe in den zurückliegenden Jahrzehnten gegeben. Anschließend wird am Beispiel einer frequenzumrichtergespeisten Asynchronmaschine das zeitdiskrete Modell der Statorstromregelstrecke vorgestellt, das dem hier erläuterten Verfahren zugrunde liegt. Wegen des Zusammenhangs zwischen Dynamikerhöhung und Empfindlichkeitszunahme ist es naheliegend, die Dynamik des Statorstromregelkreises nur so weit zu steigern, wie es erforderlich ist. Diesbezüglich ist insbesondere zu gewährleisten, dass ein angefordertes Drehmoment möglichst schnellst eingeprägt wird. Die Änderungsgeschwindigkeit des Flusses spielt hingegen eine untergeordnetere Rolle. Demzufolge sollte die drehmomentbildende Statorstrom-q-Komponente in der Praxis eine höhere Dynamik aufweisen als die flussbildende Statorstrom-d-Komponente. Um hierbei die aufwändige reelle Rechnung so weit wie möglich zu vermeiden, wird der Reglerentwurf in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wird ein schiefsymmetrisches, komplex beschreibbares Regelgesetz entworfen, das zwar zu einer möglichst einfachen Darstellbarkeit des geschlossenen Statorstromregelkreises führt, das jedoch noch nicht die endgültige Dynamik zur Folge haben muss. Insbesondere muss nach Abschluss dieses ZwischenSchritts bereits eine vollständige Entkopplung der d- und der q-Komponente des Statorstromraumzeigers vollzogen sein. Im zweiten Schritt wird dann ein weiterer Regler entworfen, der auf der Grundlage des im ersten Schritt erhaltenen entkoppelten Systems jeder Stromkomponente eine separate Dynamik zuweisen kann. Die Verkettung beider Teilregler führt schließlich zum gesuchten Statorstromregler, der zum einen relativ einfach berechenbar ist und der zum anderen alle an ihn gestellten Dynamikanforderungen erfüllt. Im vierten Kapitel wird schließlich der Entwurf des achsenunsymmetrischen Statorstromzustandsreglers skizziert und die daraus hervorgehenden Regelalgorithmen vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des beschriebenen Zustandsreglers wird anhand von aufgenommenen Zeitverläufen eines Laborantriebs demonstriert, mit dem der Drehmomentverlauf von Verbrennungsmotoren nachgebildet wird.
Deutschland hat nicht zuletzt durch seine zentrale Lage eine führende Rolle im Bereich der Transportlogistik in Europa übernommen. Allerdings stehen die großen Logistikunternehmen in den letzten Jahren zunehmend vor neuen Herausforderungen. Zum einen steigt die Menge zu transportierender Güter jährlich, zum anderen entstanden durch Verschmelzungen großer Logistikunternehmen wie z. B. Deutsche Post, Danzas und Exel, UPS und Fritz riesige Fahrzeugflotten, deren effiziente Planung die Unternehmen vor enorme Probleme stellt. Die einzige Möglichkeit, diese meist heterogenen, also aus vielen verschiedenen Verkehrsmitteln bestehenden Flotten mit herkömmlichen Mitteln effizient zu planen, ist die Aufteilung in (regionale) Geschäftsbereiche. Dadurch können viele Synergieeffekte nicht genutzt werden, was unter anderem zu unnötig hohen Transportkilometerleistungen und Leerfahrten führt. Mit Hilfe agentenbasierter Systeme können heute schon Kosteneinsparungen von 3 – 6 % bei homogenen Verkehrsmitteln erzielt werden. Das Einsparpotenzial dürfte bei heterogenen Flotten ähnlich hoch, wenn nicht noch etwas höher sein. Allerdings liefern derzeit agentenbasierte Systeme für heterogene Flotten noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse. Durch die Kombination der beiden vorrangig für die Transportoptimierung eingesetzten Techniken agentenbasierte (bottomup) Optimierung und der klassischen (topdown)Optimierung soll auch das Einsparpotenzial von heterogenen Flotten realisiert werden. Diese Optimierung ist Gegenstand des Attractive Forschungsprojekts, das von August 2009 bis Juli 2012 im Rahmen des Programms ingenieurNachwuchs gefördert wird.