Die vorliegende Arbeit behandelt integrierte Hochvolt-Schaltungen für die Ansteuerung elektrostatisch arbeitender Mikroaktoren und Mikroaktorarrays. Im Besonderen wird auf die Gesichtspunkte der Treiberschaltungen von Torsionsspiegelarrays eingegangen. Es werden verschiedene Verstärkerbetriebsarten und Schaltungsvarianten hinsichtlich der Ansteuerung kleiner kapazitiver Lasten beurteilt. Für die hocheffiziente Signalübertragung zwischen Low-Side und High-Side in geschalteten Hochvolt-Verstärkern wird ein neuer dynamischer Level-Shifter vorgestellt. Anhand eines gebondeten Mikroelektronik-Mikromechanik-Aufbaus für ein Hadamard-Transformations-Spektrometer werden die speziellen Aspekte des Elektronikentwurfs für ein System-in-Package aufgezeigt. Als Entwurfsgrundlage wird ein Überblick über die wesentlichen Isolationstechnologien für integrierte Hochvolt-Schaltungen und über die Bauelementemodellierung in einer SOI-Technologie ausgearbeitet. Außerdem werden die Vor- und Nachteile der wichtigsten Antriebsprinzipien von Mikroaktoren zusammengefasst.

Die vorgestellte Arbeit präsentiert ein geschlossenes Konzept für die synchronisierte Erfassung, Verarbeitung und Aufbereitung beliebiger Sensor-Informationen. Es ist nun möglich, heterogene Sensornetze sowie dedizierte, autarke Messsysteme zeitlich zu koordinieren und entsprechend in Relation zu setzen. Auf Basis von XML erfolgt die ganzheitliche Beschreibung des Monitoring-Szenarios und die Einordnung der einzelnen Datensätze. Die Informationen können nun in beliebigen Ausgabeformaten anwendungsspezifisch definiert und visualisiert werden. Zusätzlich ermöglichen Mechanismen zur gezielten Messwert-Vorverarbeitung und -Filterung eine Senkung des benötigten Datenvolumens. Die Funktionalität des vorgestellten GREASE-Frameworks wird am Beispiel eines geschlossenen Test-Systems aus dem Automotive-Bereich evaluiert. Dabei wird die vorhandene Sensorik eines Kfz-Bordnetzes mit einem zusätzlichen Netzwerk aus Sensorknoten verfeinert. Die korrelierten Daten werden anschließend für die Visualisierung mittels Google Earth, jBEAM und anderen Lösungen aufbereitet.

Although in many of the tasks in robotics, what is sought mainly includes accuracy, precision, flexibility, adaptivity, etc., yet in wearable robotics, there are some other aspects as well that could distinguish a reliable and promising approach. The three key elements that are addressed are as follows: control, actuation, and sensors. Where the goal for each of the previously mentioned objectives is to find a solution/design compatible with humans. A possible way to understand the human motor behaviours is to generate them on human-like robots. Biologically inspired action generation is promising in control of wearable robots as they provide more natural movements. Furthermore, wearable robotics shows exciting progress, also with its design. Soft exosuits use soft materials to build both sensors and actuators. This work investigates an adaptive representation model for actions in robotics. The concrete action model is composed of four modularities: pattern selection, spatial coordination, temporal coordination, and sensory-motor adaptation. Modularity in motor control might provide us with more insights about action learning and generalisation not only for humanoid robots but also for their biological counterparts. Successfully, we tested the model on a humanoid robot by learning to perform a variety of tasks (push recovery, walking, drawing, grasping, etc.). In the next part, we suggest several soft actuation mechanisms that overcome the problem of holding heavy loads and also the issue of on-line programming of the robot motion. The soft actuators use textile materials hosting thermoplastic polyurethane formed as inflatable tubes. Tubes were folded inside housing channels with one strain-limited side to create a flexor actuator. We proposed a new design to control the strained side of the actuator by adding four textile cords along its longitudinal axis. As a result, the actuator behaviour can be on-line programmed to bend and twist in several directions. In the last part of this thesis, we organised piezoresistive elements in a superimposition structure. The sensory structure is used on a sensory gripper to sense and distinguish between pressure and curvature stimuli. Next, we elaborated the sensing gripper by adding proximity sensing through conductive textile parts added to the gripper and work as capacitive sensors. We finally developed a versatile soft strain sensor that uses silicone tubes with an embedded solution that has an electrical resistance proportional to the strain applied on the tubes. Therefore, an entirely soft sensing glove exhibits hand gestures recognition. The proposed combinations of soft actuators, soft sensors, and biologically inspired action representation might open a new perspective to obtain smart wearable robots. / Obwohl bei vielen Aufgaben in der Robotik vor allem Genauigkeit, Präzision, Flexibilität, Anpassungsfähigkeit usw. gefragt sind, gibt es in der Wearable-Robotik auch einige andere Aspekte, die einen zuverlässigen und vielversprechenden Ansatz kennzeichnen. Die drei Schlüsselelemente, sind die folgenden: Steuerung, Aktuatoren und Sensoren. Dabei ist das Ziel für jedes der genannten Elemente, eine menschengerechte Lösung und ein menschengerechtes Design zu finden. Eine Möglichkeit, die menschliche Motorik zu verstehen, besteht darin, sie auf menschenähnlichen Robotern zu erzeugen. Biologisch inspirierte Bewegungsabläufe sind vielversprechend bei der Steuerung von tragbaren Robotern, da sie natürlichere Bewegungen ermöglichen. Darüber hinaus zeigt die tragbare Robotik spannende Fortschritte bei ihrem Design. Zum Beispiel verwenden softe Exoskelette weiche Materialien, um sowohl Sensoren als auch Aktuatoren zu erschaffen. Diese Arbeit erforscht ein adaptives Repräsentationsmodell für Bewegungen in der Robotik. Das konkrete Bewegungsmodell besteht aus vier Modularitäten: Musterauswahl, räumliche Koordination, zeitliche Koordination und sensorisch-motorische Anpassung. Diese Modularität in der Motorsteuerung könnte uns mehr Erkenntnisse über das Erlernen und Verallgemeinern von Handlungen nicht nur für humanoide Roboter, sondern auch für ihre biologischen Gegenstücke liefern. Erfolgreich testeten wir das Modell an einem humanoiden Roboter, indem dieser gelernt hat eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen (Stoß-Ausgleichsbewegungen, Gehen, Zeichnen, Greifen, etc.). Im Folgenden schlagen wir mehrere weiche Aktuatoren vor, welche das Problem des Haltens schwerer Lasten und auch die Frage der Online- Programmierung der Roboterbewegung lösen. Diese weichen Aktuatoren verwenden textile Materialien mit thermoplastischem Polyurethan, die als aufblasbare Schläuche geformt sind. Die Schläuche wurden in Gehäusekanäle mit einer dehnungsbegrenzten Seite gefaltet, um Flexoren zu schaffen. Wir haben ein neues Design vorgeschlagen, um die angespannte Seite eines Flexors zu kontrollieren, indem wir vier textile Schnüre entlang seiner Längsachse hinzufügen. Dadurch kann das Verhalten des Flexors online programmiert werden, um ihn in mehrere Richtungen zu biegen und zu verdrehen. Im letzten Teil dieser Arbeit haben wir piezoresistive Elemente in einer Überlagerungsstruktur organisiert. Die sensorische Struktur wird auf einem sensorischen Greifer verwendet, um Druck- und Krümmungsreize zu erfassen und zu unterscheiden. Den sensorischen Greifer haben wir weiterentwickelt indem wir kapazitiv arbeitende Näherungssensoren mittels leitfähiger Textilteile hinzufügten. Schließlich entwickelten wir einen vielseitigen weichen Dehnungssensor, der Silikonschläuche mit einer eingebetteten resistiven Lösung verwendet, deren Wiederstand sich proportional zur Belastung der Schläuche verhält. Dies ermöglicht einem völlig weichen Handschuh die Erkennung von Handgesten. Die vorgeschlagenen Kombinationen aus weichen Aktuatoren, weichen Sensoren und biologisch inspirierter Bewegungsrepräsentation kann eine neue Perspektive eröffnen, um intelligente tragbare Roboter zu erschaffen.

The thesis is concerned with modern game engines, focusing on physical simulation and particle systems. It offers usable architectures overview for a game engine development. The thesis provides characteristic to the most essential game engine's logical modules as scene graph, resource management or rendering. Today's tools used for physical simulation in games are also described. Main part of the thesis concentrates on design and implementation of its own C3D game engine which exploits capabilities of the NVIDIA PhysX physical engine. The thesis includes modern techniques rising from author's gained experience.

Die vorgestellte Arbeit präsentiert ein geschlossenes Konzept für die synchronisierte Erfassung, Verarbeitung und Aufbereitung beliebiger Sensor-Informationen. Es ist nun möglich, heterogene Sensornetze sowie dedizierte, autarke Messsysteme zeitlich zu koordinieren und entsprechend in Relation zu setzen. Auf Basis von XML erfolgt die ganzheitliche Beschreibung des Monitoring-Szenarios und die Einordnung der einzelnen Datensätze. Die Informationen können nun in beliebigen Ausgabeformaten anwendungsspezifisch definiert und visualisiert werden. Zusätzlich ermöglichen Mechanismen zur gezielten Messwert-Vorverarbeitung und -Filterung eine Senkung des benötigten Datenvolumens. Die Funktionalität des vorgestellten GREASE-Frameworks wird am Beispiel eines geschlossenen Test-Systems aus dem Automotive-Bereich evaluiert. Dabei wird die vorhandene Sensorik eines Kfz-Bordnetzes mit einem zusätzlichen Netzwerk aus Sensorknoten verfeinert. Die korrelierten Daten werden anschließend für die Visualisierung mittels Google Earth, jBEAM und anderen Lösungen aufbereitet.

Die Geschichte der magnetischen Formgedächtnislegierungen (MFGL) ist im Kontext der Materialwissenschaften noch recht jung. In den letzten 30 Jahren sind dabei viele Erkenntnisse in der Forschung gewonnen worden. Der industrielle Durchbruch wiederum ist mit diesem Material noch nicht gelungen. Die existierenden Publikationen zur Auslegung von magnetischen Formgedächtnis- (MFG)-Aktoren sind in dieser Arbeit daher aufbereitet und systematisiert worden. Dabei stellt insbesondere die thermische Auslegung eine Wissenslücke dar, die entsprechende Grundlagenuntersuchungen erfordert. Aufbauend auf dieser Wissensbasis ist eine spezifische Entwurfsmethodik für MFGL entwickelt worden. Die Dimensionierung erfolgt zunächst mit analytischen Gleichungen, um eine zeit- und kosteneffiziente Vorgehensweise für Entwicklungsingenieure zu gewährleisten. Finite-Elemente-Methode-(FEM)-Software wird erst im zweiten Schritt zur Prüfung oder Optimierung eingesetzt. Außerdem kann mittels dieser Methodik auf unwirtschaftliche Iterationsschleifen und „trial and error“-Ansätze verzichtet werden. Abschließend ist die Methodik anhand eines Anwendungsszenarios verifiziert worden. Die abgeleiteten Anforderungen konnten dabei ohne Nachbesserungen oder weitere Iterationsschleifen erfüllt werden, so dass die Methodik eine strukturierte und erfolgreiche Entwicklung unterstützt hat.:1 Einleitung 2 Stand der Wissenschaft und Technik 3 Grundlagenuntersuchungen 4 Entwurfsmethodik für MFG-Aktoren 5 Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.

In einer Einleitung werden verschiedene Möglichkeiten der Kopplung unterschiedlicher physikalischer Domänen diskutiert. Begriffe wie Kopplung auf Systemebene über Terminals und auf Feldebene über Lastvektor oder Matrixkopplung werden zugeordnet. Wie diese Kopplungsmöglichkeiten sich in der ANSYS Simulationsumgebung wiederfinden, wird aufgezeigt. Am Beispiel eines Akuators wird erläutert, welche physikalischen Domänen gekoppelt betrachtet werden müssen, um die hier vorhandenen temperaturabhängigen Materialeigenschaften zu berücksichtigen. In einem Beispiel zu einer Steckverbindung wird aufgezeigt, wie eine vom Kontaktdruck abhängige Leitfähigkeit berücksichtigt wird und Ergebnisse aus dieser Simulation werden diskutiert.

Lab-on-a-chip (LOC) technology has blossomed into a major new technology fundamentally influencing the sciences of life and nature. From a systemic point of view however, microfluidics is still in its infancy. Here, we present the concept of a microfluidic central processing unit (CPU) which shows remarkable similarities to early electronic Von Neumann microprocessors. It combines both control and execution units and, moreover, the complete power supply on a single chip and introduces the decision-making ability regarding chemical information into fluidic integrated circuits (ICs). As a consequence of this system concept, the ICs process chemical information completely in a self-controlled manner and energetically self-sustaining. The ICs are fabricated by layer-by-layer deposition of several overlapping layers based on different intrinsically active polymers. As examples we present two microchips carrying out long-term monitoring of critical parameters by around-the-clock sampling. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Piezokeramischen Werkstoffe auf der Basis von Bleizirkonat - Titanat (PZT) zeigen Extremwerte der elektromechanischen Eigenschaften im morphotropen Phasenübergangsbereich. Durch Modifikation des Verhältnisses von rhomboedrischer und tetragonaler Phase im Gefüge können die piezoelektrischen Eigenschaften des Werkstoffs entsprechend den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Es wurde eine Methode vorgestellt, einen mathematisch kohärenten Satz piezoelektrischer Kleinsignalkoeffizienten vollständig und mit hoher Genauigkeit über einen breiten Temperatur-(-200°C...+200°C) und Zusammensetzungsbereich (0...1 rh/tet) zu bestimmen. Desweiteren wurden die piezoelektrischen Eigenschaften dem Phasenanteil im Gefüge zugeordnet. / Piezoceramic materials based on Lead- Zirconate- Titanate (PZT) show extreme electromechanic properties in the area of morphotropic phase transition. PZT materials can be tailored to specific demands by modifying the ratio of volume of the rhombohedral and tetragonal phase within the micro structure. A method was introduced to accurately determine a complete and mathematically coherent set of piezoelectric small signal coefficients. This was done over a wide range of temperature (-200°C…+200°C) and phase composition (0…1 rh/tet). Additionally, the piezoelectric properties were correlated to the ratio of rhombohedral and tetragonal phases.