600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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Das Ziel in dieser Arbeit ist die Programmierung von einem Mikroprozessor, der als ein Richtmikrofon verwendet wird, um unterschiedlichen Richtcharakteristiken zu erzeugen.
Dabei stellt sich die Frage: Ist es möglich ein Mikroprozessor so zu programmieren, dass er eine Stereoaufnahme so verarbeiten kann, sodass unterschiedliche Richtcharakteristiken erzeugt werden könnten?
Um die Frage zu beantworten, wurde eine technische Ausarbeitung von einem Mikroprozessor und seine Programmierung benötigt. Diese befasst sich mit der Programmierung in C++ / Arduino IDE des Mikrokontrollers und eigene Erstellung von Tests, um die Ergebnisse darzustellen.
Als weitere Basis wurden nur verbraucherorientierten Mikroprozessoren untersucht und die beste Möglichkeit wurde ausgesucht und weiterentwickelt. Zudem lag der Fokus auf der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.
The interest of scientists to study motion sequences exists in the fields of sports science, clinical analysis and computer animation for quite some time. While in the last decades mainly markerbased motion capture systems have been used to evaluate movements, the interest in markerless systems is growing more and more. Nevertheless, in the field of clinical analysis, markerless methods have not yet proven their value, partly due to a lack of studies evaluating the quality of the obtained data. Therefore, this study aims to validate two markerless motion capture softwares from Simi Reality Motion Systems. The software Simi Shape, which is a mixture of traditional image-based tracking supported by an artificial intelligence net (AI net), and the software Crush, that uses a completely AI-based method. For this purpose, all motion data was recorded with two in-house motion capture systems. One system for recording the movements for a markerbased evaluation as gold standard and one system for markerless tracking. Within a laboratory environment, eight cameras per system were mounted around the area of motion. By placing two cameras in the same position and using the same calibration, deviations in the image data between those for markerbased and markerless tracking were extremely minimal. Based on this data, markerbased tracking was performed using the Simi Motion program, markerless tracking was performed using the Simi Shape software system and the latest software from Simi Reality Motion Systems, Crush. When comparing the markerless data with the markerbased data, an average root mean square error of 0,038 m was calculated for Simi Shape and a deviation of 0,037 m for Crush. In a direct comparison of the two markerless systems, a root mean square error of 0,019 m was scored. Based on these data, conclusions could be drawn about the accuracies of the two markerless systems. The obtained kinematic data of the tracking are in the range of high accuracy, which is limited to a deviation of less than 0,05 m according to the literature.
Modellprädiktive Regelung findet zunehmend Anwendung im industriellen Umfeld. Durch schnellere Computer und optimierte Programmierung ist es heute möglich, rechenintensive Regelalgorithmen in Echtzeit auf Mikrocontrollern zu berechnen. Eine besondere Herausforderung besteht jedoch darin, diese Technologie in der Realität einzusetzen. Weil exakte Kenntnisse über das reale System vorliegen müssen, können geringfügige Modellierungsfehler bei der Prädiktion für lange Prädiktionshorizonte schwerwiegende Folgen haben. Das ist insbesondere der Fall, wenn Systeme instabil sind und zu chaotischem Verhalten neigen.
Diese Arbeit behandelt ein breites Spektrum systemtheoretischer Inhalte und zielt darauf ab, ein reales Furuta-Pendel durch modellprädiktive Regelung in der instabilen Ruhelage zu stabilisieren. Hierfür wird ein mathematisches Modell als Prädiktionsmodell hergeleitet, welches durch verschiedene Systemidentifikationsmethoden spezifiziert und validiert wird. Es werden verschiedene Filter-Techniken wie das Kalman-Filter zur Zustandsschätzung oder das Exponential Moving Average (EMA)-Filter zur Filterung von Sensordaten eingesetzt.
Das Furuta-Pendel ist ein komplexes mechatronisches System. Die Aufgaben dieser Arbeit beschränken sich daher nicht nur auf theoretische Aspekte. Neben der Auslegung elektrischer Bauelemente und Schaltungen werden zusätzliche Sensoren zu einem bestehenden System hinzugefügt und mechanische Anpassungen vorgenommen. Darüber hinaus werden Entscheidungen zur Softwarearchitektur getroffen sowie die gesamte Implementierung auf einem Mikrocontroller durchgeführt.
Trotz intensiver Bemühungen konnte kein Modell gefunden werden, welches die gemessenen Ein- und Ausgangsdaten vergleichbar simulieren kann, sodass es den Anforderungen der modellprädiktiven Regelung entspricht. Stattdessen gelang es während der Systemidentifikationsphase einen Linear Quadratic Regulator (LQR) mit unterlagertem Proportional–Integral (PI) Stromregler als Kaskade zu entwerfen, der sowohl simulativ als auch in der Realität das Pendel stabilisieren kann.
Die Bachelorarbeit wurde im Rahmen einer Äquivalenz mit der Ingenieurschule INSA Straßburg geschrieben. Zum Thema wurde eine Projektarbeit im Auftrag der Kriminalpolizei mit einer Bearbeitungszeit von drei Semestern. Aufgabenstellung war es, einen Überblick eines Tatorts ohne menschlichen Eingriff zu verschaffen. Noch heute müssen die Polizisten den Tatort betreten, um Beweisspuren zu sammeln. Das Problem hierbei ist, dass dadurch Hinweise fast systematisch verloren gehen.
Mit einem ferngesteuerten Luftschiff sollte diese Aufgabenstellung gemeistert werden. Die Arbeit beschäftigt sich spezifisch mit dem Entwurf eines integrierten Kamerasystems und mit der Implementierung der Elektronik im Gesamtsystem für einen ersten Prototypen. Auf die Konzeptionierung der Fortbewegung und des Flugobjekts wird somit nicht in Detail eingegangen. Diese Aspekte werden bei der Erstellung des Lastenhefts geschildert und bei Berührungspunkten mit dem im Fokus stehenden Themengebiet erklärt.
Auf struktureller Ebene wird wie gefolgt vorgegangen: Die technischen Lösungen werden abgewogen, getestet und progressiv zusammengeführt. Zum Ende der Bearbeitungszeit können ferngesteuert Bilder und Panoramen aufgenommen und der Tatort live mit einem Video-Feedback observiert werden. Die Elektronik wurde, nach Erarbeitung der elektronischen Architektur, mithilfe einer gedruckten Leiterplatte kompakt in der Gondel des Luftschiffs integriert. Mit zahlreichen Optimierungsperspektiven wurde der erste Prototyp fertiggestellt und das Ziel dieser Arbeit erreicht.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Herstellung einer Roboterhandprothese, die amputierten Menschen eine gewisse Mobilität und eine teilweise Nutzung der Hand ermöglichen soll.
Das Projekt konzentriert sich insbesondere auf die Erkennung der vom Benutzer ausgeführten Bewegung und wird die Schritte der Erfassung, der Bewegung der Übertragung und die Erkennung detailliert darstellen.
Im Rahmen des Projekts "Myo-Hand" soll ein Prototyp einer myoelektrischen Handprothese entwickelt werden. Diese Prothese soll für handamputierte Menschen nützlich sein, da sie ihren Komfort und ihre Unabhängigkeit im Alltag verbessert und somit zu ihrer Eingliederung in die Gesellschaft beiträgt.
In dieser Abschlussarbeit werden die gesamte Arbeit, Studien und Realisierungen vorgestellt, die in den letzten zwei Semestern (WS2022 und SS2023) der Mechanik der Prothese durchgeführt wurden.
Nach einer kurzen Vorstellung der Arbeit des letzten Jahres wird ein Überblick über die Idee und die allgemeine Funktionsweise der Prothese gegeben, die verschiedene Komponenten umfasst: Elektronik, Machine-Learning, Steuerung, Wiederverwertbarkeit und Carbon Footprint. Das Lastenheft wird ebenfalls vorgestellt.
Die technologischen Entscheidungen werden näher erläutert: das Design der Teile, die Wahl der Verbindungen und die verwendeten Motoren. In einem zweiten Teil werden die Schritte zur Herstellung des ersten und zweiten Prototyps sowie eine Kritik des Ergebnisses vorgestellt. Weiter werden die Verbesserungen und die Ziele bis Januar 2024 besprochen.
Anschließend werden der Lebenszyklus der Prothese und ihr Carbon Footprint analysiert und mithilfe der Software Ecodesign Studio berechnet.
Die Beschleunigungsleistung ist ein großer limitierender Faktor beim Sprinten. Es stellt sich die Frage, mit welcher Technik diese verbessert werden kann.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, zu klären, ob die Unterschenkelkinematik einen Einfluss auf die Beschleunigungsleistung beim Sprintstart hat. Dafür wurden die Annahmen von Alt et al. (2022) über Schlüsselpositionen des Unterschenkels herangezogen und überprüft. Die gestellte Forschungsfrage lautet: Können die Annahmen von Alt et al. (2022) in die Praxis übertragen und angewendet werden?
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde jeweils der erste Schritt nach dem Sprintstart aus einem Startblock analysiert. Hierfür wurden ein markerbasiertes 3D Motion Capture System und im Boden integrierte Kraftmessplatten verwendet. Insgesamt 30 Proband:innen haben jeweils sechs Starts ausgeführt. Die Auswertung wurde mit Hilfe von MATLAB Skripten durchgeführt. Mit linearen und quadratischen Regressionsberechnungen wurden die Zusammenhänge zwischen den Schlüsselpositionen des Unterschenkels und der Beschleunigungsleistung analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass keine allgemeingültigen Aussagen über eine erfolgreiche Unterschenkelkinematik getroffen werden können. Werden die Proband:innen aber individuell betrachtet, ist teilweise zu erkennen, dass die Beschleunigungsleistung mit der Unterschenkelkinematik zusammenhängt.
Weiterführende Forschung in diesem Bereich könnte individueller und auf Trainingsanweisungen mit Technikverbesserung ausgerichtet sein.
Entwicklung eines Ansatzes zur Validierung von Beckenmodellen in Anlehnung an die ASME V&V-40
(2024)
Die Relevanz von In-silico Studien in der Medizin gewinnt für Ingenieure, Mediziner und Wissenschaftler stetig an Wert. In-silico Studien helfen dabei, kostspielige und zeitaufwendige Kadaverstudien sowie langjährige Ergebnisstudien einzugrenzen. Zum Thema Becken herrschen schon einige Berechnungsmodelle vor, jedoch nicht in dieser Ausführung und in Kombination mit einem Abgleich zu einer Kadaverstudie mit den gleichen Randbedingungen. Ein sehr wichtiger weiterer Bestandteil ist die Verifizierung und Validierung eines solchen Rechenmodells. Da kein Versuch im eigentlichen Raum, dem Körper, sondern in einer Simulationsumgebung stattfindet, muss das Modell verifiziert und validiert werden, um auf gewisse Weise die Glaubwürdigkeit des Modells darzulegen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze zur bestmöglichen Abbildung der Kadaverstudie entwickelt. Die beste Übereinstimmung kam mit dem Modellansatz 3 zustande. Der Modellansatz 3 berücksichtigt die Unterteilung von der Spongiosa zur Kortikalis, die Lendenwirbel L3-L5, das Sacrum und die Ilia zuzüglich der Bandscheiben und der Symphysis pubica mit einem hyperelastischen Materialmodell, alle relevanten Ligamente sowie die verschiedenen Materialeigenschaften für jede einzelne Kortikalis, Spongiosa und der Weichteile aus der Kadaverstudie. Definiert wurde der Modellansatz 3 über die kinematisch nähere Beschreibung der Z-Achsen Sperrung, einer veränderten Krafteinleitung sowie einer Feinjustierung der Ligamenten Steifigkeiten. Aus diesem Modellansatz ging vor allem eine physiologische Kinematik wie auch eine überaus gute Konvergenz an den Markern der Anterior superior iliac spine rechts und links, Sacrum und L5 hervor. Die Verifizierung und Validierung des Rechenmodells wurde anhand der ASME V&V-40 geschaffen. Die dafür entscheidende Question of Interest lautet: Liegen die Stabilität, Belastungen und Verformungen von patientenspezifischen Frakturversorgungen unter standardisierten Lasten? Daraus ergaben sich drei Context of Use, von denen der erste (Context of Use 1: Deformation) im Fokus dieser Arbeit lag. Die Entscheidungskonsequenz sowie das Modellrisiko für den Context of Use und das Modell wurde als Low/Medium eingestuft. Mit Hilfe dieser Einstufung konnten die Model Credibility Factor Goals für das Modell definiert werden. Diese gaben schlussendlich den Grad der Validierung für das bestehende Modell vor.
Entwicklung eines unabhängigen Systems zur Verstellung schiebergesteuerter Werkzeuge im Prozess
(2024)
Die Aufgabenstellung der Arbeit beinhaltete das Ausarbeiten eines unabhängigen Antriebssystems für Werkzeuge mit verstellbaren Schneiden. Hierbei bestand der Antrieb der Werkzeuge bisher aus einem rein mechanischen Anstriebsflansch. Dieser hat durch eine Drehspindel die rotatorische Bewegung der Maschinenspindel zu einer axialen Bewegung der Zugstange umgewandelt. Da die mechanische Drehspindel nicht in jeder Maschinenspindel vorhanden war, konnten die Werkzeuge von LMT Kieninger nur beschränkt eingesetzt werden. Aus diesem Grund sollte ein Antriebssystem entwickelt werden, welches auf jedem Bearbeitungszentrum unabhängig von der Maschinenspindeltechnologie eingesetzt werden konnte.
Für die Entwicklung des unabhängigen Antriebsflansches wurde zunächst eine Marktanalyse durchgeführt. Diese vergleichte bestehende Lösungsansätze auf dem Markt miteinander und untersuchte, welche davon für ein eigenes Lösungskonzept infrage kam. Hierbei wurde insbesondere der Antrieb, der die Bewegung erzeugen sollte, die Übergabe des Steuersignals und die Energieversorgung betrachtet. Ein vielversprechendes Lösungskonzept, das den vorliegenden Anforderungen entsprach, war eine elektrische Antriebsvariante mit einer Akkueinheit und einer Funksteuerung.
Um die elektronischen Komponenten in den bestehenden Antriebsflansch zu integrieren, mussten die Prozessparameter bestimmt werden. Dafür wurde ein Werkzeug als Referenz verwendet, das zum Ausspindeln der Laufflächen von Zylinderbuchsen verwendet wurde. In diesem Werkzeug befanden sich unterschiedliche Bauteile, welche den Mechanismus der Schneidenverschleißkompensation ermöglichten und die Drehbewegung des Antriebsflansches in den Verstellweg der Schneiden umsetzte. Unter Berücksichtigung der Bauteile sowie der vorhandenen Reibung und Verluste ergab sich ein Drehmoment, welches benötigt wurde, um die Schneiden zu verstellen. Nach der rechnerischen Ermittlung des benötigten Drehmoments konnte ein Kompaktantrieb von Maxon vorgeschlagen werden. Dies erfolgte unter Berücksichtigung der Anforderungen an den verfügbaren Bauraum, die Energieversorgung und die Akkueinheit. Dieser Kompaktantrieb bestand aus einem Motor, einem Planetenradgetriebe, einem Hall-Sensor zur Positionsbestimmung sowie einer Steuereinheit.
Die Konstruktion mit den einzelnen Bauteilen konnte nun erstellt werden. Der Konstruktionsprozess wurde durch die schrittweise und aufbauende Integration der Lösungen für die verschiedenen Funktionen des Bauteils systematisch und methodisch umgesetzt. Dabei erfolgte die Umsetzung in einem Modell, wobei jeder Schritt auf den vorherigen Überlegungen und Entscheidungen basierte. Der erste Schritt bestand darin, den Kompaktantrieb, der die Hauptfunktion darstellt, in den Grundkörper mit der HSK-Aufnahme zu integrieren. Anschließend wurden die Nebenfunktionen wie die axiale Lagerung, die Kühlmitteldurchführung und die Anpassung der Flanschgeometrie zur Aufnahme des Werkzeuges implementiert. Im nächsten Schritt wurden die Steuerung und die Akkueinheit als Blackbox positioniert sowie die Kabelkanäle in den Grundkörper konstruiert.
Abschließend wurden für die eigens entwickelten Bauteile technische Zeichnungen erstellt. Auf ihnen wurden alle relevanten technischen Merkmale hinterlegt, die für die Fertigung der Bauteile benötigt wurden. Hierzu gehörten beispielsweise Angaben zum Werkstoff, Toleranzen, Passungen, Oberflächenangaben sowie Form- und Lagetoleranzen. Zudem wurde eine Baugruppenzeichnung erstellt, die die Anordnung der einzelnen Bauteile mit ihrer Stückzahl und Positionsnummer in einer Stückliste klar und deutlich erkennbar machte.
Damit wurde die Neuentwicklung eines unabhängigen Antriebsflansches abgeschlossen und bot einen Einblick in die mögliche Integration eines mechatronischen Antriebs in den Antriebsflansch.
Diese Bachelorarbeit hat sich ausführlich mit der Erstellung von Sicherheitskonzepten und der damit einhergehenden Erstellung einer Risikobeurteilung beschäftigt.
Dabei wurde festgestellt, dass eine besonders große Gefahr des Werkzeugwechselsystems durch die Gefährdung des herabfallenden Werkzeuges entsteht. Zum einen kann dies durch das Aufkommen eines Energie- bzw. Druckverlust entstehen. Dieses Risko wird durch den Einsatz einer bewährten Feder und einer selbsthemmenden Keilverbindung zwischen Verriegelungskolben und -bolzen vermindert.
Zum anderen kann durch Steuerungs- oder Programmierfehler das Werkzeugwechselsystem an nicht vorgesehener Stelle geöffnet werden und sich Fest- und Losteil trennen. Die dadurch entstehende Gefahr eines Herabfallenden Werkzeuges wird von einer steuerungsabhängigen Schutzmaßnahme verhindert, welche über eine genaue Positionsabfrage vor dem gefahrbringenden Szenario schützen sollen.
Hierbei sind verschiedene Konzepte ausgearbeitet worden, welche das von der Risikobeurteilung geforderte erforderliche PLr d erfüllen. Für die Konzepte wurden verschiedene berührungslose Sensoren und Sicherheitsschalter ausgesucht und ein Ventilschaltplan für die Erfüllung der Sicherheitsfunktion erstellt.
Auch andere Gefährdungen werden mithilfe der Anwendung von Normen, den Einsatz von inhärent sicheren Konstruktionen, technische/ergänzende Schutzmaßnahme oder Benutzerinformationen ausreichend vermindert.
Mithilfe einer weiteren Abschlussarbeit werden diese Sicherheitskonzepte und die damit einhergehende Risikobeurteilung überprüft und validiert. Hierfür wird die Norm DIN EN ISO 13849-2 verwendet.