Ingeniería Mecatrónica (Mag.)

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Contribution to artificial tactile sensors for object contour recognition using coupled technical vibrissae
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-29) Eckhardt, Stefan; Zimmermann, Klaus; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Scharff, Moritz
Einige Säugetiere verfügen zur taktilen Umgebungserkundung über spezielle Tasthaare, die sog. Vibrissen. Die Verwendung dieses komplexen Sinnesorgans ermöglicht es bspw. Rat-ten Abstände und Orientierungen von Objekten sowie deren Konturen und Oberflächenbe-schaffenheiten auf Basis weniger Berührungen durch ihre Vibrissen zu detektieren. Vibrissen kommen meist in Gruppen an verschiedensten Körperstellen (z.B. im Gesichtsfeld oder den Extremitäten) der Tiere vor. In der Literatur beschränken sich die meisten mechanischen Vibrissenmodelle auf die Betrachtung einer einzelnen Vibrisse, die zumeist als eingespann-ter Biegebalken modelliert wird. An dieser Stelle setzt die vorliegende Arbeit an und leistet einen Beitrag zur Untersuchung realitätsgetreuerer, elastisch gekoppelter Vibrissensysteme. Der Fokus liegt auf der Objektkonturabtastung und der theoretischen Erzeugung der Lager-reaktionen jeder einzelnen Vibrisse. Dabei werden das elastische Gewebe der Tiere, in das die Vibrissen eingebettet sind und die dadurch gegebene mechanische Beeinflussung der Vibris-sen untereinander berücksichtigt. Zunächst erfolgt die Modellierung einer einzelnen Vibrisse durch einen langen, schlanken Balken zylindrischer Form dessen Verformungen mithilfe der nicht-linearen Euler-Bernoulli Theorie beschrieben werden. Das Modell wird anschließend in verschiedenen Abstraktionsstufen zunächst um eine elastische Lagerung und anschließend um eine zweiten Vibrisse erweitert. Die Kopplung der Vibrissen wird durch verschiedene Federstrukturen realisiert. Für die Objektabtastung wird das Vibrissenmodell quasi-statisch und translatorisch an einer exemplarisch betrachteten, streng konvexen Objekt-Profilkontur vorbeigezogen. Während der Abtastung wird zwischen den Kontaktphasen des Spitzen- und Tangentialkontakts unterschieden. Darüber hinaus werden für den Fall der Objektabtastung mithilfe mehrerer Vibrissen verschiedene Szenarien abgeleitet, um zu berücksichtigen, welche und wie viele der Vibrissen sich gleichzeitig in Kontakt mit dem Objekt befinden. Basierend auf dieser Einteilung werden verschiedene Gleichungen zur Ermittlung der Fußpunktpositio-nen aller Vibrissen hergeleitet. Das mechanische Modell dient als Grundlage für die Durch-führung von Parameterstudien, in denen der Einfluss der Lager- bzw. Kopplungselastizität sowie des Objektabstandes auf die Lagerreaktionen der einzelnen Vibrissen untersucht wird. Dabei zeigt sich u. a., dass, im Gegensatz zum Objektabstand, eine Lagerelastizität in Ab-tastrichtung keinen Einfluss auf die Maximalwerte der Lagerreaktionen hat. Im Falle zweier gekoppelter Vibrissen können bestimmte Events, wie das Ablösen einer Vibrisse vom Objekt, in den Lagerreaktionen der jeweils anderen Vibrisse detektiert werden.
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Determination of the signals recorded by carpal vibrissae of rats during locomotion and forelimb touch down
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-04) Müller, Sebastian; Zimmermann, Klaus; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Scharff, Moritz
Verschiedene Säugetiere, so auch Ratten, verfügen an ihren Pfoten über Tasthaare, die sog. karpalen Vibrissen. Untersuchungen der Fortbewegung von Ratten haben gezeigt, dass der Kontakt zwischen den karpalen Vibrissen und dem Untergrund Einfluss auf das Fortbewegungsverhalten der Tiere hat. Karpale Vibrissen bestehen aus einem Haarschaft und einem Follikel. Der Haarschaft ist lang, schlank, elastisch und im Follikel gelagert, in dem sich die Mechanorezeptoren befinden. Ausgehend von Vorarbeiten der Fachgebiete BiomechatronikundTechnischeMechanikderTechnischenUniversitätIlmenausowieder Section of Mechanical Engineering, Pontificial Catholic University of Peru, wurde ein mech- anisches Modell einer karpalen Vibrisse erstellt. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, die imFollikelwirkendenKräfteundMomente währendder FortbewegungeinerRatte zu bestimmen. Aus den ermittelten Signalen sollen Rückschlüsse auf die Beschaffenheit des Kontaktes zwischen Haarschaft und Oberfläche gezogen werden. Hierzu wurde die in einer Vorarbeit ermittelte Bewegungsbahn einerRattenpfotemitdem indieserArbeit erstellten mechanischen Modell kombiniert. Die daraus entstandene invers dynamische Analyse wurde im Mehrkörpersimulationsprogramm ALASKA durchgeführt. Da nicht alle Eigenschaften und Parameter des biologischen Vorbilds bekannt sind, wurden z.B. der Reibkoeffizient, die Lagerungseigenschaften oder die Materialeigenschaften des Haarschaftes variiert. Als Ergebnis der durchgeführten Parameterstudien konnten verschiedene Einflüsse bestätigt werden. Hierbei zeigen sich u. a. Effekte wie eine Änderung der Signalstärke sowie Än- derungen in der Kontaktzeit.
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Entwicklung und anwendung eines verfahrens zur bestimmung des dynamischen verhaltens carpaler vibrissen von Ratten (Rattus norvegicus)
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-09) Fliegner, Caroline; Witte, Hartmut; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
Viele S augetiere nutzen Vibrissen als taktile Sinnesorgane, um sich in ihrer Umwelt zurechtzu nden. Besonders Nagetiere, die ihre Vordergliedma en neben dem Laufen auch zum Greifen nutzen, weisen h au g nahe des Handgelenks carpale Vibrissen auf. Uber diese ist bisher wenig bekannt. Damit technische Systeme mit taktilen Sensoren nach dem Vorbild carpaler Vibrissen ausgestattet werden k onnen, m ussen die Eigenschaften letzterer bekannt sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Beitrag zur dynamischen Charakterisierung der Vibrissen geleistet. Es werden zun achst ein analytisches Modell und ein Finite-Elemente-Modell zur Beschreibung der Vibrissenschwingung entwickelt. Sie dienen der Uberpr ufung der Messwerte und der Parameteridenti kation. Eine Modalanalyse konnte erfolgreich durchgef uhrt und die Ergebnisse mit den Messdaten verglichen werden. Anschlie end werden verschiedene Verfahren getestet und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet, die dynamischen Eigenschaften carpaler und mystacialer Vibrissen zu bestimmen. Die Vibrissenauslenkung wird optisch mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bzw. mittels Makrofotogra e dokumentiert. Die Auswertung der Daten erfolgt in Matlab. Ergebnisse lassen sich zum einen mittels einer einmaligen Auslenkung der Vibrisse mit einem Festk orper erzielen: Aus der freien, ged ampften Schwingung des Haars werden die Eigenfrequenz und der D ampfungsgrad ermittelt. Zum anderen kann mit der Anregung durch einen Schwingerreger der Amplitudengang bestimmt werden.
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Mechanical bearings with tunable compliance after biological role model of blood sinus hairs
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-20) Ingaroca Quispe, Jorge Luis; Helbig, Thomas; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
In follicle sinus complex of sinus hairs, two blood vessels seem to have a prominent function. Up to date, their biological role is unknown, however, hypothesis suggest that they are used as hydraulical bearing for the hair which is used to change the stiffness and compliance of the fixation depending on the application. Because of the size of the structures of interest experiments at the living object to clarify the biological role are not possible so far. Therefore, mechatronic approaches can help to investigate advantages and possibilities of a bearing with tunable compliance. Thus, in the current thesis, it is develop a mathematical modeling, multi-body simulation and a mechatronic demonstrator of a swinging rod in a bearing with tunable compliance. The tunable compliance of the system was inspired of Jack Spring principle of work, which change the compliance by decreasing the number of active coils.