Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Farbbestimmung von Zähnen auf Basis spektraler Daten(2014) Pflüger, Marius; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)In der heutigen Gesellschaft hat das Aussehen einen immer größeren Stellenwert. Entsprechend kritisch werden deshalb unpassende Farbausprägungen beim Zahnersatz gesehen. In der Praxis wird die Zahnfarbe hierfür meist visuell mithilfe von Farbringen bestimmt, was jedoch fehleranfällig ist. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Bestimmung der Zahnfarbe mit Hilfe spektraler Messdaten sowie der Integration in den spektralen Smart-Sensor VITA Easyshade. Kernelement ist die Entwicklung eines mehrstufigen Prognosemodells für die Zahnfarbe auf Basis von künstlichen Neuronalen Netzen, welches anhand realer Messdaten trainiert wird. Als vorgelagertes Verfahren wurde ausserdem eine Methode entwickelt, um die realen Messdaten hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit für das Modelltraining automatisch zu bewerten und inkonsistente Daten ausschleusen zu können. Zur Steigerung der Ergebnisqualität wurde für die Prognoseergebnisse zudem einePlausibilitätsprüfung durch Nachbarschaften im Farbraum konzipiert und umgesetzt. Zur Evaluierung der ausgewählten Lösungsansätze konnte im Rahmen der Arbeit auf fast 4000 spektrale Messungen an Zähnen von Probanden zurückgegriffen werden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass anhand definierter Kriterien die Prognosegüte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um knapp 40% gesteigert werden konnte.Item Open Access Untersuchung von Antrieben mit Kunststoff-Faserseilen für den Einsatz in Leichtbau-Gelenkarmrobotern(2013) Rost, Arne; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Das erste Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Einsatztauglichkeit und Dauerhaltbarkeit von hochfesten Kunststoff-Faserseilen, z.B. aus High Modulus Polyethylene (HMPE), bei deren Einsatz mit engen Biegeradien in Seilzugantrieben wie dem DoHelix- oder Verdrill-Muskel (StMA). Aufbauend auf dieser Untersuchung und der Betrachtung ähnlicher Antriebskonzepte soll als zweites Ziel ein neues Konzept für einen Seilzugantrieb mit für die Servicerobotik geeigneten Charakteristika generiert werden. Dieser Antrieb soll als drittes Ziel der Arbeit prototypisch in einem Leichtbau-Gelenkarmroboter (LGR) zum Einsatz gebracht und validiert werden. Die Analyse zeigt, dass hochfeste Kunststoff-Faserseile bis dato nicht mit engen Biegeradien zum Einsatz kommen. Weiterhin wird festgestellt, dass nur wenige Untersuchungen zu dünnen, hochfesten Kunststoff-Faserseilen mit Durchmessern zwischen 1 mm und 2 mm durchgeführt wurden. Der Bedarf für experimentelle Reihenuntersuchungen wird abgeleitet. Gleichzeitig wird verdeutlicht, dass viele verschiedene Ansätze für Leichtbau-Gelenkarmroboter und deren Antriebe existieren, diese aber zumeist kostenintensiv sind und somit einen Großteil der Hardwarekosten eines mobilen oder stationären Serviceroboters ausmachen. Auf diesen Analysen aufbauend kann ein bis dato nicht adressierter Bereich für die Entwicklung eines neuen, bidirektional-wirkenden Antriebskonzepts mit Seilzügen identifiziert werden. Im Rahmen der Generierung des auf dem DoHelix-Muskel aufbauenden, bidirektional wirkenden QuadHelix-Antriebskonzepts werden Grundlagen zur Auslegung angegeben und der CAD-Entwurf für einen rotatorischen Freiheitsgrad vorgestellt. Die Untersuchungen zur Praxistauglichkeit und Dauerhaltbarkeit des neu generierten QuadHelix-Antriebs und der bereits bestehenden DoHelix- und Verdrill-Muskel-Konzepte werden in einer geeigneten, eigens generierten Testumgebung angegangen. Es werden nach der Erstellung eines Versuchsplans und einer Versuchsstrategie langlaufende Dauerhaltbarkeit-Versuche und kurzlaufende Belastung-Versuche mit unterschiedlichen Seilmaterialien und Zuladungen durchgeführt und anschließend ausgewertet. Für die abschließende Realisierung des Zielsystems eines Leichtbau-Gelenkarmroboters mit vier Freiheitsgraden wird aufbauend auf den hier gefundenen Ergebnissen ein biologisch-inspiriertes Antriebsmodul mit zwei Gelenkachsen entwickelt, das zwei parallel angeordnete QuadHelix-Antriebe zum Einsatz bringt. Wiederum zwei dieser Antriebsmodule, kombiniert mit einem Greifer, ergeben das Zielsystem, mit welchem eine Handhabungsoperation demonstriert wird. Final werden mögliche Ansätze für zukünftige Optimierungen des QuadHelix-Antriebs und des generierten LGRs „ISEALLA 2“ dargestellt und mögliche Folgeprojekte erläutert.Item Open Access Modellbasierte Berechnung der Systemeigenschaften von Maschinenstrukturen auf der Steuerung(2012) Sekler, Peter; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Heutige Entwicklungen in der Maschinentechnik zielen mit zunehmenden Maß darauf ab auch Leichtbautechniken einzusetzen. Dies stellt aber die Maschinenentwickler häufig vor die Problemstellung der verringerten Steifigkeit und Dämpfung der Maschinen durch Verringerung der Masse. Aus Sicht der Steuerungstechnik existieren unterschiedliche Möglichkeiten auftretende Schwingungen der nachgiebigen Maschinenstrukturen zu vermeiden. Einige Schwingungsvermeidungsalgorithmen sind in gängigen industriell eingesetzten NC-Steuerungen integriert. Allerdings benötigen, die Methoden zur Parametrierung die aktuellen Resonanzfrequenzen der Maschine, die je nach Position und Orientierung der Maschinenachsen unterschiedlich ausfallen. Resonanzfrequenzen von Maschinenstrukturen können über die experimentelle modale Analyse oder durch Simulationsmodelle vorab bestimmt werden und der Steuerung als Tabellen zur Verfügung gestellt werden. Die realen, momentanen Resonanzfrequenzen können bei Anregung alternativ auch mit Sensoren, welche in die Maschine integriert sind, ermittelt und berechnet werden. Demgegenüber steht die Performance der Steuerungshardware, die heutzutage hoch genug ist um Resonanzfrequenzen aus Simulationsmodellen auch online auf der Steuerung zu identifizieren. Der Vorteil dieser Methode liegt vor allem darin, dass teure Sensorik und aufwändige Messvorgänge vermieden werden. In der Arbeit wird aus diesen Gründe eine Methodik untersucht, die eine Online-Identifikation von Resonanzfrequenzen anhand von Simulationsmodellen erlaubt. Diese Methode soll neue Möglichkeiten bieten, um bestehende Schwingungsvermeidungsalgorithmen mit Informationen zu versorgen, wodurch eine Verbesserung der Genauigkeit der Maschinen angestrebt wird. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der schnellen Berechnung von Maschineneigenschaften, welche auf Genauigkeit und Effizienz hin untersucht werden und für die Schwingungsvermeidung verwendet werden.Item Open Access Fehlertolerante numerische Steuerung(2015) Bock, Hans-Peter; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die andauernde Leistungssteigerung von Rechnern nach dem noch geltenden Mooreschen Gesetz ermöglicht computerbasierten numerischen Steuerungen den Einsatz in Anwendungsbereichen, die bisher allein dem Menschen vorbehalten waren. Damit werden numerische Steuerungen vermehrt auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt wie beispielsweise der minimal invasiven Chirurgie. Dieser Anwendungsbereich stellt sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit des Assistenzsystems. Aus diesem Grund sind diese Systeme fehlersicher ausgelegt und gewährleisten, dass ein interner Fehler des Systems einen Patienten nicht unmittelbar verletzt. Um dieser Anforderung gerecht zu werden nehmen bestehende Systeme zur Erhöhung der Sicherheit eine Reduktion der Zuverlässigkeit in Kauf. Zukünftig ist dies nicht weiter ausreichend, da bestimmte Operationstechniken bei Ausfall des Assistenzsystems nur durch einen deutlich größeren manuellen Eingriff weitergeführt werden können oder im schlechtesten Fallüberhaupt nicht möglich sind. Eine Aufgabenstellung liegt hierbei darin, eine fehlertolerante numerische Steuerung zu entwerfen, welche den bestehenden Sicherheitsanforderungen gerecht wird und gleichzeitig die Zuverlässigkeit gegenüber bestehenden Systemen deutlich erhöht. Herausfordernd ist dabei, dass möglicherweise in der Steuerung auftretende Fehler zu keiner Konturverletzung der Sollbahn führen dürfen. Diese Arbeit untersucht hierzu bestehende Ansätze zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Systemen sowie ein Operationsassistenzsystem, das die Sicherheit dessen numerischer Steuerung erhöht. Dabei wird der fehlersichere Ansatz des Operationsassistenzsystems um Fehlertoleranz erweitert. Das Ziel ist der Entwurf eines numerischen Steuerungssystems das durch Redundanz auf Basis einer Mehrheitsentscheidung interne Fehler maskieren sowie fehlerhafte redundante Einheiten durch Rekonfiguration ausgliedern kann, so dass keine fehlerhaften Sollwerte ausgegeben werden. Das System weist damitnach außen hin eine fehlerfreie Funktion auf, so dass ein begonnener Bearbeitungsprozess ohne Unterbrechung zu Ende geführt werden kann.Item Open Access Konzeption einer funktional einheitlichen Applikationsschnittstelle für Ethernet-basierte Bussysteme(2011) Lechler, Armin; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die Wandlungsfähigkeit der Produktionstechnik hat neben maschinenbaulichen und organisatorischen Veränderungen insbesondere Auswirkungen auf die Systemarchitektur von Maschinen und Anlagen. Aktuelle Systemarchitekturen zeichnen sich durch Dezentralisierung und vernetzte mechatronische Module aus. Der Trend in der Automatisierungstechnik zur Dezentralisierung und zu mechatronischen Systemen führt zu einem erhöhten Kommunikationsaufwand innerhalb solcher Systemarchitekturen. Der Zugriff auf die Kommunikationssysteme aus der Applikation heraus unterscheidet sich grundlegend zwischen den einzelnen existierenden Bussystemen. Dies führt dazu, dass busspezifische Informationen in den Applikationen selbst enthalten sind. Applikation sind dadurch vom verwendeten Kommunikationssystem abhängig und können nicht ohne aufwändige Anpassung über ein anderes Bussystem kommunizieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es Automatisierungssysteme und insbesondere Anwendungsprogramme sowie Applikationen zu schaffen, die unabhängig von der eingesetzten Kommunikationstechnik sind. Dazu wird die Konzeption einer funktional einheitlichen Applikationsschnittstelle für Ethernet-basierte Bussysteme betrachtet. Es wird mit Hilfe der Objektorientierten Analyse eine geeignete Sichtweise in Form einer Schnittstelle für industrielle Kommunikationssysteme abgeleitet. Dazu werden die in der Produktionstechnik relevanten Ethernet-basierten Bussysteme und deren zugehörige Applikationsprofile betrachtet. Es wird zunächst durch Abstraktion eine Struktur definiert anhand derer die einzelnen Systeme durch Spezialisierung verglichen und daraus eine einheitliche Applikationsschnittstelle abgeleitet werden kann.Item Open Access Automatisierte Erstellung von Maschinenmodellen für die Hardware-in-the-Loop-Simulation von Montagemaschinen(2012) Kufner, Annika; Klemm, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Diese Arbeit befasst sich mit der automatisierten Erstellung von Maschinenmodellen für die Hardware-in-the-Loop-Simulation von Montagemaschinen. Die Erstellung erfolgt auf Basis bereits vorhandener Engineeringdokumente. Somit kann der Aufwand für die Hardware-in-the-Loop-Simulation signifikant reduziert werden.Item Open Access Partikel-Schwarm-Optimierung zur Objektlageerkennung in Tiefendaten(2012) Ledermann, Thomas; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines flexiblen und fehlertoleranten Systems zur Objektlageerkennung mit Tiefendaten für die Anwendung im Schmiede- und Gießereibereich. Das Erkennungssystem ermöglicht die automatisierte Entnahme von typischen Objekten aus dem Schmiede- und Gießereibereich, die sortenrein in einem Haufen angeliefert werden, mit einem Roboter. Hierzu wurde der Einsatz des noch jungen Forschungsgebiets der Partikel-Schwarm-Optimierung (PSO) untersucht und für den Einsatz zur Objektlageerkennung nutzbar gemacht werden. Ausgehend vom Stand der Technik wurden typische Einsatzszenarien für die Entnahme von Objekten aus einer Kiste im Gießerei- und Schmiedebereich hinsichtlich ihrer Randbedingungen an ein System zur Objektlageerkennung analysiert. Als Objekte dienten hierbei Getriebewellen, Hohlringe und Getriebedeckel. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Genauigkeitsanforderungen bei der Lageerkennung und die Anforderungen an die Objektbeschreibung für den Einsatz mit der Partikel-Schwarm-Optimierung gelegt. Diese Analyse lieferte die Anforderungen an ein PSO-basiertes System zur Objektlageerkennung. Weiterhin wurden Teilsysteme definiert und der Einfluss der Anforderungen an die Teilsysteme diskutiert. Auf Basis der erarbeiteten Anforderungen wurden grundlegende Lösungsansätze für die einzelnen Teilsysteme betrachtet und zu einer Gesamtkonzeptlösung zusammengeführt. Vorrangig erschien hier die grundlegende Untersuchung eines wissensbasierten Verfahrens zur histogrammbasierten Bewertung eines Schwarmpartikels. Hierfür wurde der 3-D-Sensor modelliert und die geeignete Erstellung von Tiefen- und Normalenvektorhistogrammen erarbeitet. Um das Gesamt-system an unterschiedliche Objekte anpassen zu können, wurde ein Tool zur Erstellung der benötigten Histogramme für die Wissensbasis erstellt. Um die Praxistauglichkeit der Entwicklungen zu bestätigen, wurde zum Abschluss der Arbeit eine Roboterzelle mit einem Tiefensensor aufgebaut und das Verfahren zur Objektlageerkennung hinsichtlich seiner Zuverlässigkeit untersucht. Als Testobjekte kamen die Getriebewellen zum Einsatz, die aus einer Kiste entnommen und auf einer Prismaablage positioniert wurden.Item Open Access Neuartiger piezoelektrischer Mikro-Biegeaktor als Schallwandler in einem implantierbaren Hörgerät(2014) Kaltenbacher, Dominik; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Weltweit sind mehr als 500 Millionen Menschen von Schwerhörigkeit betroffen. Zur Therapie werden in der Regel konventionelle Hörgeräte genutzt. Bei hochgradiger Schwerhörigkeit bieten ins Mittelohr implantierbare Hörgeräte eine gegenüber herkömmlichen Systemen überlegene Übertragungsqualität; sie sind jedoch aufgrund der invasiven Operation nicht weit verbreitet. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA untersucht deshalb zusammen mit klinischen und technischen Forschungspartnern ein neues teilimplantierbares Hörgerätekonzept - das so genannte Rundfensterimplantat. Die Komponenten des Systems sollen in einer ambulanten, minimal-invasiven Operation unter Teilnarkose eingesetzt werden können. Der im Mittelohr platzierte Schallwandler übersetzt das elektrische Signal des Hörgeräts in verstärkte mechanische Schwingungen und koppelt diese über das runde Fenster der Hörschnecke ins Innenohr ein. DerWandler ist eine der Kernkomponenten des Implantatsund gleichzeitig Gegenstand der wissenschaftlichen Untersuchungen der vorliegenden Arbeit. Basierend auf einer Analyse der geometrischen und akustischen Verhältnisse am Implantationsort werden Anforderungen an den Wandler formuliert und ein Lösungskonzept für dessen Realisierung vorgestellt. Ein neuartiger piezoelektrischer Mikro- Biegeaktor mit kreisförmiger Außengeometrie ist rechnerisch in der Lage, die audiologischen Anforderungen an den Schallwandler eines implantierbaren Hörgeräts zu erfüllen. Für die Erfüllung der Anforderungen ist die optimale Auslegung des Aktors essentiell. Das in der Arbeit hergeleitete elektromechanische Modell ermöglicht die Berechnung wichtiger Aktoreigenschaften wie Auslenkungsamplitude, Kraft und Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von Aktorgeometrie, Materialparametern und anliegender elektrischer Wechselspannung. Die Modellierung ist Voraussetzung für die Aktordimensionierung und nimmt einen wesentlichen Teil der Arbeit ein. Die Realisierung undCharakterisierung von Aktorfunktionsmustern im letzten Teil der Arbeit erlaubt die Evaluierung des Aktorprinzips und die Verifikation der erarbeiteten Modelle. Die Messergebnisse zeigen eine insgesamt gute Übereinstimmung mit den errechneten Kenndaten. Allerdings bleibt die Leistung der Funktionsmuster hinter den konservativ streng formulierten Anforderungen zurück. Ein Ausblick am Ende der Arbeit geht auf diesen Sachverhalt ein und beschreibt Optimierungsmöglichkeiten sowohl für den Schallwandler als auch für das Gesamtkonzept des Implantats. Gelingt es,diese Optimierungen umzusetzen und das Rundfensterimplantat zum Produkt weiterzuentwickeln, steht ein leistungsfähiges Hörgerät zur Verfügung, das die akustischen Vorteile eines Implantats ausschöpft und gleichzeitig minimal-invasiv implantiert werden kann.Item Open Access Informationsmodell zur funktionalen Typisierung von Automatisierungsgeräten(2011) Selig, Andreas; Klemm, Peter (Prof. Dr.)Aktueller Trend in der Automatisierungstechnik ist die Einführung von Ethernet-basierten, digitalen Schnittstellen zwischen der Steuerungs- und der Sensor-/Aktorebene. Die entstehenden Ethernet-basierten Feldbusse decken dabei nicht nur die klassischen Feldbusaufgaben ab, sondern bieten zusätzlich Bandbreite für weitere Dienste. Ziel eines jeden Ethernet-basierten Feldbusses ist dabei, ein umfassendes Kommunikationsmedium für die Automatisierungstechnik zu sein. Dieses soll den Anforderungen eines Feld-, Antriebs- und Sicherheitsbusses gerecht werden und zusätzlich noch Kommunikation über Protokolle, die aus der elektronischen Datenverarbeitungstechnik bekannt sind, ermöglichen, um eine vertikale Integration in höherliegende Ebenen der Automatisierungspyramide zu erlauben. Ein „Plug and Produce“, ähnlich dem aus der Computertechnik bekannten „Plug and Play“, bei dem sich die beteiligten Komponenten gegenseitig erkennen und sich das Gesamtsystem automatisch konfiguriert und parametriert, wird in diesem Umfeld allenthalben gefordert und propagiert, da die Komplexität und der Umfang der Schnittstellen zwischen den beteiligten Geräten immer größer und umfangreicher werden. Es gibt bislang kein globales Konzept für die Automatisierungstechnik, dieses Problem zu lösen. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels darstellen, indem sie ein Informationsmodell für Automatisierungsgeräte und die durch sie bereitgestellten Kommunikationsobjekte liefert. Auf diese Weise wird eine funktionale Sicht auf die Geräte und die funktionalen Zusammenhänge über Gerätegrenzen hinaus bereitgestellt.Item Open Access Force control of cable-driven parallel robots(2016) Kraus, Werner; Pott, Andreas (Junior-Prof. Dr.-Ing.)In this thesis, a relatively new class of robots which use cables instead of rigid links is investigated. As cable can transmit only pull forces, cable robots make high demands on the control. The cable robots investigated in this thesis have more cables than degrees-offreedom of the platform and, thus, belong to the class of redundant robots. The redundancy allows to tense the cables agairrst each other. A control approach for synchronaus control of the platform position and the cable forces is proposed. For this purpose, system identifications for dynamic models of the robot are carried out and the forward kinematics is expanded to deal with non-linear cable stiffness. The proposed approach for calculation of the desired cable forces allows for step-less adjustment of the internal tensions. The investigations show that with change of the internal tension the eigenfrequencies of the robot can be influenced by 15-30%. By choice of a minimal tension Ievel, the energy consumption of the robot can be decreased by up to 20% while the performance of the robot remains on the same Ievel. For the proposed control scheme, extensive investigations of the positional accuracy are carried out. As reference approach, the control assuming a rigid robot model without closed-loop control of the operational space position and cable forces is used. The two approaches delivered comparable results in the workspace centre. The position accuracy with a payload of 80 kg amounted to roughly 70 mm and 2.5°. Using the proposed controller at the workspace border, almost the same accuracy could be reached as weil, as the cables are kept under tension. For rnachining processes like grinding, the well-known hybrid position and force control approach is incorporated on a cable robot. With the control approach, the robot can apply a contact force in a programmable direction, while the platform can be position-controlled in the Iasting directions. For the human robot cooperation, an admittance controller is proposed. The platform simulates a virtual spring-mass-damper system which enables for the implementation of a virtual workspace. With the demonstrator, a bandwidth of 13Hz is reached.