Micro-and nanorobots have the potential to perform non-invasive drug delivery, sensing, and surgery in living organisms, with the aid of diverse medical imaging techniques. To perform such actions, microrobots require high spatiotemporal resolution tracking with real-time closed-loop feedback. To that end, photoacoustic imaging has appeared as a promising technique for imaging microrobots in deep tissue with higher molecular specificity and contrast. Here, we present different strategies to track magnetically-driven micromotors with improved contrast and specificity using dedicated contrast agents (Au nanorods and nanostars). Furthermore, we discuss the possibility of improving the light absorption properties of the employed nanomaterials considering possible light scattering and coupling to the underlying metal-oxide layers on the micromotor’s surface. For that, 2D COMSOL simulation and experimental results were correlated, confirming that an increased spacing between the Au-nanostructures and the increase of thickness of the underlying oxide layer lead to enhanced light absorption and preservation of the characteristic absorption peak. These characteristics are important when visualizing the micromotors in a complex in vivo environment, to distinguish them from the light absorption properties of the surrounding natural chromophores.

No description available.

Quadruped robots can traverse a multitude of terrains with greater ease when compared to wheeled robots. Traditional rigid quadruped robots possess severe limitations as they lack structural compliance. Most of the existing soft quadruped robots are tethered and are actuated using pneumatics, which is a low grade energy source and lacks viability for long endurance robots. The work in this thesis proposes the development of a continuum actuator driven quadruped robot which can provide compliance while being un-tethered and electro-mechanically driven. In this work, continuum actuators are developed using mostly 3D printed parts. Additionally, the closed loop control of continuum actuators for walking is developed. Linear Quadratic Regulator (LQR) and pole placement based methods for controller synthesis were evaluated and LQR was determined to be better when minimizing the actuator effort and deviation from set-point. These continuum actuators are composed together to form a quadruped. Gait analyses on the quadruped were conducted and legs of the quadruped were able to trace the gaits for walking and galloping. / Fyrfotarobotar kan lättare korsa en mängd olika terränger jämfört med hjulrobotar. Traditionella styva fyrfotarobotar har kraftiga begränsningar då de saknar strukturell följsamhet. De flesta befintliga mjuka fyrbenta robotar är kopplade till en eller flera kablar och drivs av pneumatik, vilket är en lågkvalitativ energikälla och lämpar sig inte för robotar med lång uthållighet. Arbetet i denna avhandling föreslår utvecklingen av en continuum ställdonsdriven fyrfotarobot, som ger följsamhet samtidigt som den ¨ar frånkopplad och elektromekaniskt driven. I detta arbete framställs continuum ställdon med mestadels 3D-printade delar. Dessutom utvecklas dessa ställdons slutna kontrolloop för gång. Linjärkvadratisk regulator (LQR) och metoder baserade på polplacering utvärderades för styrsyntes, och det fastställdes att LQR presterade bättre när man minimerar ställdonets ansträngning samt avvikelse från referensvärde. Continuum ställdon sammansattes för att bilda en fyrbent robot. Gånganalyser utfördes på roboten och dess ben kunde följa gång- och galopprörelser.

This thesis performs closed-loop control of a 3D printed soft bending actuator with feedback from a 3D printed strain sensor. This process utilizes the Finite Element Method (FEM) to design a bellow type pneumatic bending actuator that can handle pressures up to 4 bar. The developed actuator is produced with a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer method with the elastic filament NinjaFlex. Soft sensors are 3D printed with the conductive filament Eel and their strain-resistive performance in hysteresis, linearity, and repeatability are investigated by testing 3D printed sensors with different shapes. The optimal sensor design is then selected and applied onto the soft actuator and the resistance signal from the sensor is used as the shape feedback signal for the soft actuator. Two different controllers are applied for the shape control of the soft actuator using the feedback from the sensor and the controller performance is compared experimentally. A gripper composed of three closed-loop controlled soft actuators is developed to perform complex grasping tasks. / Denna avhandling konstruerar ett 3D-skrivet mjukt ställdon som återkopplas med en 3D-skriven böjsensor. Arbetet använder Finita Elementmetoden (FEM) för att skapa ett böjande bälgställdon som klarar av 4 bar av lufttryck. Det framtagna ställdonet är tillverkad av det elastiska filamentet NinjaFlex med 3D-skrivarmetoden Smält Deponeringsmodellering (FDM). Dem mjuka sensorerna är 3D-skrivna med det elektriskt ledande filamentet Eel. Sensorernas ansträgning-resistiva prestanda med avseende på hysteres, linjäritet, och repeterbarhet är undersökta genom att utföra experiment med olika former. Den optimala sensorformen är sedan applicerad på det mjuka ställdonet och dess resistiva signal från sensorn används för återkoppling av det mjuka ställdonets böjning. Med den applicerade sensorn utvärderas två olika kontrollmetoder för att kontrollera böjningen av det mjuka ställdonet, kontrollmetodernas prestanda jämförs sedan experimentellt. Ett gripdon som består av tre återkopplade, mjukaställdon är sedan konstruerad för att utföra komplexa grepp.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο μιας πειραματικής διάταξης παράλληλου ρομποτικού μηχανισμού, η οποία περιλαμβάνει ηλεκτροπνευματικό εξοπλισμό, όπως τέσσερα πνευματικά έμβολα τύπου τεχνητών μυών, ισάριθμες ανάλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα και έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Η πειραματική διάταξη που σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε είναι ένας παράλληλος ρομποτικός μηχανισμός πέντε βαθμών ελευθερίας, ο οποίος αποτελείται από τέσσερις δοκούς, δύο βασικά γρανάζια περιστροφής, δύο οδοντωτούς ιμάντες, μια βάση στήριξης και επιπρόσθετα βοηθητικά στηρίγματα. Οι δοκοί συνδέονται μεταξύ τους μέσω περιστροφικών αρθρώσεων και αποτελούν μια κλειστή κινηματική αλυσίδα, στα άκρα της οποίας τοποθετούνται οι κινητήριες αρθρώσεις (γρανάζια). Στόχος είναι με τον έλεγχο της περιστροφής των γραναζιών να εξασφαλίζεται μια επιθυμητή τροχιά του τελικού σημείου. Ο έλεγχος της περιστροφής των γραναζιών επιτυγχάνεται μέσω της ανταγωνιστικής λειτουργίας των μυών της διάταξης μας. Η τροφοδοτούμενη πίεση στους μύες, ελέγχεται μέσω του PLC. Πιο συγκεκριμένα, οι επιθυμητές τροχιές που επιχειρήθηκαν ήταν η παράλληλη, η κατακόρυφη και η κυκλική τροχιά. Οι έλεγχοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ένας έλεγχος ανοιχτού βρόχου και ένας PID έλεγχος κλειστού βρόχου. Συμπερασματικά, τα ζητήματα που μας απασχόλησαν κατά τη διεξαγωγή της διπλωματικής εργασίας είναι ο προγραμματισμός του PLC, οι πνευματικοί μύες, η ανταγωνιστική τους λειτουργία, η μαθηματική περιγραφή του μοντέλου του παράλληλου μηχανισμού και ο έλεγχος για την επίτευξη των επιθυμητών τροχιών. / The thesis consists of designing, manufacturing and controlling a parallel robotic mechanism, including electro-pneumatics equipment, such as four pneumatic artificial muscles, four analogue pneumatic valves and a programmable logical controller (PLC), in order to control the structure's operation. This structure is a 5-degrees-of-freedom robotic mechanism, consisting of four beams, two basic rotating gears, two toothed belts and other complementary brackets. Beams are connected to each other by use of rotary joints and, therefore, constitute a closed kinematic chain. At the ends of the chain are placed the rotating gears. The thesis goal is to achieve the mechanism's end successful move through a certain track by controlling the gears' rotating angles. This is achieved by the competitive operation of pneumatic artificial muscles. Pneumatic muscles' pressure is controlled through the PLC. A parallel, a vertical and a circular track were executed. An open loop and a PID closed loop controller where designed. In conclusion, issues taken into consideration in this thesis were PLC programming, pneumatic artificial muscles and their competitive operation, parallel mechanism's mathematical model description and control implementation.

Cost efficient operation and maintenance strategies are crucial for reducing cost of wind energy. Since the regime change from feed-in tariffs to an auction-based bidding system for capacity in most European wind projects, levelized cost of energy is challenged constantly. Therefore, new technologies such as new controllers are developed to improve operation and to increase profit. Previous research studies demonstrated the advantage of increased power output of wake redirection control. However, understanding and quantifying the impact of wind farm control technologies on operation and maintenance strategies is inevitable to evaluate the economic feasibility of such new technologies. Thus, an event-based O&M simulation tool has been developed. Besides general modules, such as the wind turbine model, the weather forecasting model and a model for simulating corrective and planned maintenance, the developed tool also takes wake effects into account. This allows considering different power productions for each individual turbine and a failure rate distribution within the wind farm which is based on altering loads on the different components. Both aspects are driven by changes in operation when applying a new controller technology. Exemplarily, the economic feasibility of a closed-loop active wake steering control has been analysed. Main achievements of this study are the possibility to quantify the impact of the active wake steering control on O&M related KPIs. Results show that additional loads caused by applying yaw-misalignment and redirecting wake, lead to an increase in OPEX. However, the achieved energy production gain and thus related additional revenue exceeds additional cost in the case study. Nonetheless, the study reveals that the profitability of the controller is highly dependent on the electricity price which can be acquired during the wind farm’s lifetime.

This paper presents the design, simulation, assembly and testing of a force-compensated hydrogel-based pH sensor. In the conventional deflection method, a piezoresistive pressure sensor is used as a chemical-mechanical-electronic transducer to measure the volume change of a pH-sensitive hydrogel. In this compensation method, the pH-sensitive hydrogel keeps its volume constant during the whole measuring process, independent of applied pH value. In order to maintain a balanced state, an additional thermal actuator is integrated into the close-loop sensor system with higher precision and faster dynamic response. Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) with 5 mol% monomer 3-acrylamido propionic acid (AAmPA) is used as the temperature-sensitive hydrogel, while poly (vinyl alcohol) with poly (acrylic acid) (PAA) serves as the pH-sensitive hydrogel. A thermal simulation is introduced to assess the temperature distribution of the whole microsystem, especially the temperature influence on both hydrogels. Following tests are detailed to verify the working functions of a sensor based on pH-sensitive hydrogel and an actuator based on temperature-sensitive hydrogel. A miniaturized prototype is assembled and investigated in deionized water: the response time amounts to about 25 min, just half of that one of a sensor based on the conventional deflection method. The results confirm the applicability of the compensation method to the hydrogel-based sensors.

No description available.

Konsequent betriebener Leichtbau führte und führt weiterhin zu steigender Komplexität in der Blechumformung. Erkenntnisse aus Forschungsaktivitäten zur gezielten Beeinflussung, Regelung und Vollautomatisierung des Tiefziehprozesses konnten jedoch bisher nicht in Großserienpresswerke transferiert werden. Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein Werkzeugkonzept vorgestellt, welches unter Berücksichtigung der relevanten Randbedingungen eine gezielte lokale Beeinflussung des Umformprozesses ermöglicht. Gleichzeitig gestattet es, mit Hilfe eines neuartigen, optischen Sensorkonzeptes die Geschwindigkeit sowie den Einlaufweg der Platine zu überwachen. Es wird eine methodische Vorgehensweise zur Herstellung von Umformwerkzeugen, auf der neuen Konzeption basierend, beschrieben. Umformsimulationen dienen dabei zur Identifikation von kritischen Bauteilen und deren neuralgischen Zonen. Eine entsprechend angepasste Konstruktion bietet Bauraum für die Implementierung von zusätzlichen Aktuatoren und einem definiert elastischen Einsatz. Abschließende FEM-Analysen mit Volumenmodellen sowie die Kalkulation der Lebensdauer bestätigen eine ausreichende Flexibilität und die erforderliche Dauerfestigkeit. Im Rahmen der experimentellen Analyse konnte eine drastische Verkürzung der Anlaufzeit durch deutlich reduzierten Tuschieraufwand aufgrund der Anpassungsfähigkeit sowie Flexibilität des definiert elastischen Werkzeugkonzeptes nachgewiesen werden. Neben diesem Potential hinsichtlich strukturierter Inbetriebnahmen ermöglicht die Konzeption eine Kompensation von Pressenunterschieden und individuellen Maschinencharakteristika (wie bspw. Stößelverkippungen) wodurch der Transfer von der Einarbeitspresse auf die Produktionsanlage wesentlich weniger Korrekturschleifen hervorruft. Außerdem werden der Qualitätsaufwand (Nachtuschieren) während der laufenden Serienproduktion, Stillstandszeiten und Ausschussquoten stark verringert. Darüber hinaus ergeben sich erweiterte Anwendungsmöglichkeiten bei der Umformung von tailored blanks und aus der Minimierung/Optimierung des Platinenzuschnittes enorme Einsparungs- und Kostenpotentiale. Abschließend werden die Vorteile eines geschlossenen Prozessregelkreises durch die Verknüpfung von Sensorik und Aktorik analysiert. Dabei bestätigt das vorgeschlagene Regelkonzept einer Prozessnachführung die Erhöhung der Prozessstabilität bei schwankenden Prozessparametern durch die gezielte, lokale Verteilung der Flächenpressung. Zuletzt diskutiert der vorliegende Beitrag Transfermöglichkeiten der Verbesserungspotentiale in kommende Serienwerkzeuge vor dem Hintergrund von Kostenrestriktionen und Minimierung des bedientechnischen sowie konstruktiven Aufwandes.

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος οδήγησης ενός Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός κυκλώματος Τριφασικού Αντιστροφέα Πηγής Τάσης, ο οποίος θα επιτρέπει την υλοποίηση βαθμωτού και διανυσματικού ελέγχου της λειτουργίας του Σύγχρονου Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιήθηκε βαθμωτός έλεγχος της γωνιακής ταχύτητας περιστροφής του δρομέα (με σταθερό λόγο V/f), ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Όσον αφορά το Σύγχρονο Κινητήρα Μαγνητικής Αντίδρασης, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον σχετικά με τη βελτιστοποίηση της κατασκευής του, καθώς και του ελέγχου της λειτουργίας του μέσω διαφόρων μεθόδων ελέγχου. Το κυριότερο χαρακτηριστικό του συγκεκριμένου κινητήρα αποτελεί η έλλειψη οποιασδήποτε μορφής διέγερσης στον δρομέα. Επομένως, η δημιουργούμενη ροπή οφείλεται αποκλειστικά στη λεγόμενη ροπή μαγνητικής αντίδρασης, από την οποία προέρχεται και η ονομασία του κινητήρα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται μια εισαγωγή στους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, ενώ η ανάλυση επικεντρώνεται στον προαναφερθέντα κινητήρα, προσεγγίζοντάς τον από διάφορες πλευρές (κατασκευαστικά χαρακτηριστικά, μαθηματικό μοντέλο, σύγκριση με άλλους τύπους κινητήρων). Επιπλέον γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του Τριφασικού Αντιστροφέα Πηγής Τάσης, ο οποίος χρησιμοποιείται για την οδήγηση του κινητήρα, καθώς και της τεχνικής Διαμόρφωσης Εύρους Παλμών, η οποία χρησιμοποιείται για την παλμοδότηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος. Η προσομοίωση του κινητήρα ήταν το επόμενο βήμα για την καλύτερη κατανόηση της δυναμικής απόκρισης του κινητήρα. Η παρούσα διπλωματική εργασία συνεχίζεται με την αναφορά στο σχεδιασμό και την κατασκευή των απαραίτητων κυκλωμάτων, ενώ ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε στην υπάρχουσα εργασία, καθώς και στο πρόγραμμα που δημιουργήθηκε για τις λειτουργίες ανοιχτού και κλειστού βρόχου. Τέλος, η ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας έρχεται μέσω της παρουσίασης των πειραματικών αποτελεσμάτων, στα οποία έγινε χρήση των κατασκευασθέντων κυκλωμάτων. / This Thesis is focused on the study and development of a Drive System for the Synchronous Reluctance Motor. This work was conducted in the laboratory of Electromechanical Energy Conversion, at the department of Electrical and Computer Engineering, in the University of Patras, Greece. The main purpose of this project was the study and construction of a three Phase Voltage Source Inverter for the control of the performance of a Synchronous Reluctance Motor by the implementation of Scalar and Vector control. In this thesis, a scalar V/f control scheme was applied, both open and closed loop, for the control of the rotational speed of the rotor. As far as the Synchronous Reluctance Motor is concerned, in the latest years a great interest has emerged around this motor, which mainly focuses in the optimization of its construction and control. The main feature of this motor is that the rotor does not have any field winding. By this way, the output torque is produced only by the so called reluctance torque. In this work, an introduction on the AC motor is done, while the main interest is focused on the already mentioned motors. The analysis of this motor covers many aspects, such as the construction characteristics, the mathematical model of the motor, as well as a comparison with other popular motors. Moreover, the three Phase Inverter is studied, since it is used for the control of the motor. Also, there is an extended reference on the Pulse Width Modulation technique, which is used for the control of power devices. In the next chapters, the simulation of this motor is presented, since it is necessary fot the understanding of its dynamic behavior. In the following, an analysis on the design and construction of the required printed circuit boards is done, while the microcontroller which was used is presented in a more detailed way. The flowacharts of the open and closed loop control methods of the rotational speed are also given. Finally, the experimental results for both cases are presented and analysed.