Tesis y Trabajos de Investigación PUCP
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Ítem Texto completo enlazado Theoretical and experimental investigations of multiple contact points between a biologically inspired tactile sensor and various objects(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-09-15) Fischer Calderón, Juan Sebastián; Alencastre Miranda, Jorge HernánThe somatosensory system of mammals includes sensory hairs (vibrissae) for tactile perception during near field exploration. Interacting with the environment, the tactile hair transfers mechanical stimuli to the hair follicle (follicle-sinus complex). The follicle-sinus complex transduces the singnals and transmits them to the central nervous system. Rats, e.g., are able to characterize objects with regard to their surface and geometric shape. Inspired by the biological paragon, the implementation of a vibrissa-like tactile sensor is an object of engineering research. According to the sensory organ, the function of a technical vibrissa is based on the recording of stimuli by the artificial hair shaft and their measurement at the support. This enables the detection of technically relevant information. In this context, the present work focuses on the task of object contour reconstruction. For that purpose, the support reactions are determined during scanning of an object. Previous investigations have been restricted on scanning objects with convex contours. This is due to the limitation of mechanical models to single-point contact scenarios. Goal of the present work is the consideration of multiple contact points between sensor shaft and object contour. The sensor shaft is modelled as a Euler-Bernoulli beam. The mathematical/theoretical description of the deformation of the beam during quasi-static scanning results in a multipoint boundary value problem with switching point. In order to simulate scanning sweeps along two different object types, the corresponding multipoint boundary value problems are solved by applying a shooting method incooperating a Runge Kutta Method of 4th order. The support reactions are calculated during scanning. It shows that multi-point contacts can be identified in the support reactions. The simulation is validated by experiments using selected examples.Ítem Texto completo enlazado 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, MoritzEinige 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.Ítem Texto completo enlazado 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, MoritzVerschiedene 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.Ítem Texto completo enlazado Artificial tactile sensors for surface texture detection - analytical and numerical investigations(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-07) Scharff, Moritz; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Behn, CarstenNatural vibrissae fulfill a lot of functions. Next to object distance detection and object shape recognition, the surface texture can be determined. Inspired by the natural process of surface texture detection, the goal is to adapt it by technical concepts. Modeling the vibrissa as an EulerBernoulli bending beam and the vibrissa-surface contact with respect to Coulomb's Law of Friction, the first approach is formed by the group of Steigenberger and Behn. Due to the surface contact, the vibrissa gets deformed. Initiating a linear movement of the beam support in the way that the bearn tip gets pushed, first the beam tip is sticking to the surface. The acting friction force prevents a movement of the beam tip until the static friction coeflicient is reached. The displacement of the support corresponds to changes in the acting forces and moment. Out of these changes the coeflicient of static friction can be determined. Advancing the present model, the effects of an elastic support, a conical shape of the considered beam, a natural pre-curved (stress free) beam and an inclined contact plane on the resulting forces and moments are analyzed in an analytical way, and then discussed by numerical simulations in performing parameter studies. All these special features of the beam as a tactile sensor are successfully studied. The results for the conical beam shape are only of theoretical relevance. In a next step, a quasi-static model is compared to experimental data to verify the concept. The displacement is represented by a linear, stepwise change of the support of the sensor. By image processing the deformations of the beam for every support position are analyzed. This information is compared to the simulation. The concept in principal is confirmed by the experiments.Ítem Texto completo enlazado Artificial tactile sensors for surface texture detection-finite element models and numerical treatment(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-07) Darnieder, Maximilian; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Behn, CarstenThe biological example of vibrissa-type sensors in the animal realm is attributed with impressive sensing capabilities. A recently discovered ability is the surface discrimination task. Preceding research on the topic elaborated certain hypotheses for the functionality of the sensor. The scientific work is predominantly based on an empirical approach closely related to the biological example. Complex and highly nonlinear mechanical interrelations and tribological aspects of the contact frequently remain unconsidered. In the interplay between the properties of the biological example and the desired technical realization of the sensor concept, the present thesis incrementally develops a complex mechanical model. Its purely numerical treatment is based on the finite element method framed in the software package ANSYS. Following three modeling stages, the nonlinear structural model is successively implemented firstly enhancing the contact formulation and secondly including dynamic effects in the computation. The attributes of the biological example like elastic support, pre-curvature and conicity are incorporated and their effects are related to the desired sensor function. Beside the characteristic of the sensor system, elaborated through parameter studies, special emphasis is placed on the determination of the working range and its limiting borderlines as well as the uncovering of problematic aspects of the concept. The complex picture of the static behavior of the sensor system is complemented by a first dynamic calculation in close proximity to an experiment, which is conducted in parallel. The juxtaposition of the outcomes are interpreted and a proposal for a measurement strategy is outlined.