Mechatronics
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In recent years, much research has been done on medical laser applications inside the human body, as they are minimally invasive and therefore have fewer side effects and are less expensive than conventional therapies. In order to bring the laser light into the human body, a glass fibre with a diffuser is needed. The goal of this master thesis is the characterization and production of fibre optic diffusers that can be used for the three therapeutic applications: photodynamic therapy, laser-induced thermotherapy and endovenous laser therapy. For this purpose the following goals have to be achieved:
- Optimization of the efficiency and homogeneity of internally structured diffusers
- Examine damage thresholds of the diffusers in the tissue using a crash test
- Achieving a better understanding of the decouple mechanism with a simulation
Using an ultra-short pulse laser, modifications could be introduced into the fibre in this way that the radiation profile is homogeneous and the decoupling efficiency is 68.3 %. It was discovered that the radiation profile depends on the wavelength. Attempts have been made to improve the decoupling efficiency by mirroring the distal end of the fibre. The mirror reflects the remaining light back into the fibre, so that it is also decoupled lateral on the modifications. Vapor-deposited aluminum with physical vapor deposition is a promising approach. However, the adhesion of the coating must be improved or the coating must be protected by a mechanical cover, otherwise it will flake off too quickly.
In a crash test, it was shown that the glass fibre diffusers can withstand 20 W laser power for 300 s without visible change. In an ex vivo test, the coagulation zone in the tissue was examined and it was showed that the diffusers radiate radially homogeneously. Using a ray trace simulation, the course of the light rays in the fibre was examined and the correlation of modification width and length with the decoupling efficiency was investigated. It was discovered that there are helical light rays in the fibre, which cannot be decoupled by modifications in the fibre centre.
Many test drives are carried out in the automotive environment. During these test drives many signals are recorded. The task of the test engineers is to find certain patterns (e.g. an emergency stop) in these long time series. Finding these interesting patterns is currently done with rule based processing. This procedure is very time consuming and requires a test engineer with expertise. In this thesis it is examined if the emerging field of machine learning can be used to support the engineers in this task. Active Learning, a subarea of machine learning, is used to train a classifier during the labeling process. Thereby it proposes similar windows to the already labeled ones. This saves the annotator time for searching or formulating rules for the problem. A data generator is worked out to replace the missing labeled data for tests. The custom performance measure “proportion of seen samples” is developed to make the success measurable. A modular software architecture is designed. With that, several combinations of Time Series Classification algorithms and query strategies are compared on artificial data. The results are verified on real datasets, which are open source available. The best performing, but computational intensive solution is an adapted RandOm Convolutional KErnel Transform (ROCKET). The custom query strategy “certainty sampling” shows the best results for highly imbalanced datasets.
The Fast Average Current Mode control methodology is a novel method for the implementation of a current compensator in a switched-mode power supply. It does not require compensation against sub-harmonic instability and is inductor independent. In this work, the digital implementation of this topology is compared against an analog implementation using simulation. Additionally, a hardware prototype is created to validate the digital simulation's results. In a Simulink environment, parameters of the digital implementation, such as the digital-to-analog converter resolutions and the delay counter frequency are varied to research their impact on system performance. The simulations show that a digital current compensator has similar performance as an analog implementation when designed tailored to the application. When evaluating the whole control loop the digital system is inferior due to added delays caused by digital to analog conversion. By operating the Buck converter hardware implementation as a current source, the functionality of the current mode control implementation in a FPGA was proven. Voltage control cannot be validated due to hardware issues. Due to the successful simulation of the source code with a mixed signal model of the converter, it can be assumed that it is functional. Apart from performance, a digital implementation shows many benefits compared to an analog solution, such as configurability of control parameters and easy compensation of component variations and aging.
Die Mensch-Roboter-Kollaboration verspricht, die Leistungsfähigkeit eines Roboters und die Stärken eines Menschen zu kombinieren. Das junge Thema bringt nicht nur Vorteile, sondern auch neue Sicherheitsbestimmungen und aufwändige Validierungsverfahren mit sich, was den Zeitbedarf für die Entwicklung neuer MRK-Applikationen erhöht. Oft ergibt sich erst bei der Validierung, dass die Sicherheitsbestimmungen (meist die biomechanischen Grenzwerte) nicht eingehalten werden können und dadurch Änderungen an der Applikation durchgeführt werden müssen. So bildet sich ein Kreislauf aus „Validieren“ und „Änderungen vornehmen“, der erst nach mehreren Zyklen beendet werden kann. Ziel der vorliegenden Masterarbeit ist es, Empfehlungen zu konzipieren, mit welchen dieser Kreislauf frühzeitig durchbrochen werden kann. Die Arbeit beschränkt sich dabei auf das Leistungs- und Kraftbegrenzungsschutzprinzip. Um den Einfluss unterschiedlicher Parameter, wie beispielsweise die maximale TCP-Geschwindigkeit oder die Greifergeometrie, auf die Kollisionskräfte und Drücke zu erforschen, wurde ein biofideles Messsystem und ein Roboter vom Typ ABB GoFa™ verwendet. Diese Untersuchungen dienen zusammen mit den Sicherheitsbestimmungen als Grundlage der Gestaltungsempfehlungen. Um eine Anwendung der Empfehlungen vorzuzeigen, wird in der vorliegenden Arbeit exemplarisch eine MRK-Applikation gestaltet und validiert
In this work, the simulation possibilities of transient magnetic fields are investigated. For this purpose, an experimental setup is established to compare the simulation results with actual measurement data.
The experimental set-up consists of two coils, which are placed on two U-shaped iron cores. These cores are then brought together to form two air-gaps. These two gaps are used for measurement and the optional insertion of samples. The simulations are carried out with the finite element method (FEM) program ANSYS Maxwell 19R3.
In the first experiments, static simulations and measurements are compared to verify the validity of the available material data and the simulation techniques, especially the symmetry considerations, excitations of the coils, and boundary conditions. The static simulations show two main sources of uncertainty. The B-H curve of the core material used in the simulations and the air-gap distance uncertainty.
After validating the simulations with the static measurements, transient experiments are performed. In these experiments, the qualitative agreement of the simulation and measurement, as well as the characteristic rise times are compared. The experiments show a decisive influence of the considered loss mechanisms on the agreement of the simulation results with the measurements. Therefore, several simulations with different loss mechanisms are performed.
Finally, also the simulation capability including a material sample in the upper gap is investigated. Therefore, the conformity of the relative change of the measurement and the simulation is compared.
In the experiments a good simulation capability within a 5% error bar is seen. The main difficulty of this work represents the uncertainty due to the available material data. It is assumed, that with more accurate material data the error can be reduced significantly.
SysML Modellierung komplexer Systeme und automatische Erzeugung domänenspezifischer Ressourcen
(2021)
Moderne Technische Systeme und ihre Entwicklung werden zunehmend komplexer. Durch eine Vielzahl bei der Entwicklung beteiligter Modelle/Dokumente wird eine konsistente und rückverfolgbare Modellierung erschwert. Model-Based Systems Engineering (MBSE) ist ein Ansatz, welcher diese Problemstellung adressiert und bei der Systementwicklung formale Modelle anstelle von Dokumenten einsetzt/verwendet. Im Gegensatz zu Dokumenten sind Modelle formal definiert, können automatisiert überprüft werden und ermöglichen eine leichte maschinelle Verarbeitung der Informationen. Im Zentrum der Entwicklung steht ein Systemmodell, welches mit einer formalen Modellierungssprache erstellt wurde. Während der Entwicklung entstehende Informationen werden in das Systemmodell integriert, sodass eine konsistente Single Source of Truth entsteht. Aus dem Systemmodell können über automatisierte Modelltransformationen domänenspezifische Ressourcen, wie beispielsweise Digital Twins, generiert werden. Digital Twins und die damit verbundenen Simulationen können einen deutlichen Mehrwert in Bereichen, wie Optimierung, Wartung und Anomalieerkennung liefern. Allerdings ist die manuelle Erzeugung Aufwändig und Fehleranfällig sein, weshalb eine automatische Erzeugung aus den Informationen des Systemmodells eine Erleichterung darstellt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dieser Problemstellung und der Modellierung komplexer Systeme. Es wird ein Systemmodell mit der Modellierungssprache Systems Modeling Language (SysML) erstellt, welches durch domänenspezifische Profile erweitert wird um Modellierung/Integration der Domänen zu ermöglichen. Mittels einer Modelltransformation in Acceleo werden Informationen aus dem Systemmodell in ein Simulationsmodell der Simulationssoftware twin, welche zur Simulation von Digital Twins geeignet ist, transformiert. Der in der Arbeit präsentierte Ansatz wird anhand er Modellfabrik des Forschungszentrums Digital Factory Vorarlberg veranschaulicht.
In today’s world, fiber optic networks for data transmission are an essential technology. This technology provides multiple advantages compared to conventional electrical data transmission. The simultaneous transmission of multiple optical signals in a single fiber is one of the main benefits of fiber optic cable. This is accomplished by directing the different optical signals into a single fibre and splitting them up after the transmission in order to obtain the individual signals. Arrayed Waveguide Gratings (AWGs) are used for this purpose in modern optical networks. Design and evaluation process are two components of AWG development. During the evaluation of several simulated and already manufactured AWGs for telecommunication applications, it was discovered that the channel spacing parameter does not conform telecommunication standards. The correct shift of the geometric parameter ”separation of the output waveguides” leads to the standard-conform channel spacing.
According to the current state of the art, no commercial tool is available which calculates the shift of this parameter correctly. The aim of this thesis is the development of a software tool to calculate the accurate shifting of the geometric parameter ”separation of the output waveguides” of an AWG. This tool operates as an interface between the design and evaluation processes and must be able to import the data format of the evaluation process and returns the data in a suitable data format for the design process. The Vorarlberg University of Applied Sciences uses three different methods for the shifting of the geometric parameter ”separation of the output waveguides”. These methods are evaluated and optimised as part of this thesis. Additionally, it has been determined that the shift of the geometric parameter ”separation of the output waveguides” has no significant impact on the performance of the AWG.
The detection of glucose is an essential part of diabetes management and can help to prevent secondary diseases, that can occur as a result of diabetes. For this reason, it is important to improve the current glucose monitoring by developing novel sensors with high efficiency, low cost and compact design. The use of microelectrodes with interdigitated array (IDA) structures reduces the total detector size while providing benefits such as large currents, high sensitivity, and fast response. The aim of this thesis is to develop a novel sensor based on platinum interdigitated array (IDA) electrodes and to investigate which method is most effective for the detection of glucose. This work is divided into two parts. The first part is focused on the design and the fabrication of the sensor chips. The second part is concerned with the electrochemical characterisation of the sensors. Two distinct sensor designs are created, each consisting of a four-electrode system arranged as an interdigitated array. For the fabrication of the sensors, two different manufacturing processes are used. A lift-off process is used to fabricate the 2 μm-Gap sensor chips, whereas a lift-off free process is applied to produce the nanogap sensor chips. The electrochemical characterisation of both sensor chips is achieved by the immobilisation of the enzyme glucose oxidase (GOx) on the electrode surface. This thesis investigates the immobilisation of GOx by reduction of diazonium salts and the direct immobilisation of GOx by cyclic voltammetry. As a result of this work, it has been demonstrated that glucose detection by reduction of diazonium salts is error-prone due to modification with a multi-step procedure and is not suitable for our sensors based on platinum IDA electrodes. The direct immobilisation of GOx by cyclic voltammetry, by contrast, demonstrates the successful detection of glucose. In glucose solutions ranging from 5 mM to 20 mM, a direct correlation between the glucose concentration and the measured current is obtained. The reproducibility of direct immobilization is demonstrated by repeated performance with various sensors.
Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Open-Source Plugins für die 3D-Modellierungssoftware FreeCAD, mit welchem es möglich ist, Roboterpfade anhand von 3D-Modellen zu erstellen. Die Pfade sind in einem geeigneten Format exportierbar und können beispielsweise zur Steuerung eines Roboters durch eine speicherprogrammierbare Steuerung verwendet werden. Im ersten Teil der Arbeit wird der geplante Arbeitsablauf der Pfadgenerierung beschrieben und genauer erläutert, welche Vorteile und Pflichten die Erstellung von Open-Source-Software nach sich zieht. Anschließend wird anhand der Systeme „Robot Studio“ von ABB und „MotoSim EG VRC“ von Yaskawa analysiert, wie proprietäre Systeme die Programmierung von Roboterpfaden realisieren. Nach einem Überblick über den aktuellen Stand der Technik in der Roboterprogrammierung, wird die Implementierung des Plugins für FreeCAD beschrieben. Dazu wird anhand des Sourcecodes erläutert, wie neue Arbeitsbereiche erstellt werden können. Es werden verschiedene Funktionen implementiert, welche essenziell für die Erstellung von Roboterpfaden sind. Dazu zählen die Möglichkeit zur Definition von Koordinatensystemen, Roboterposen und das Beschreiben des Roboterpfades durch Pfadsegmente mit verschiedenen Parametern, wie Bewegungsart, Geschwindigkeit und Wegpunkte. Das Plugin wurde getestet indem eine einfache Pick & Place Anwendung erstellt wurde. Anschließend sind mögliche Erweiterungen des Plugins, wie zum Beispiel die Möglichkeit des Duplizierens von Pfadsegmenten am Ende der Arbeit beschrieben.
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Analyse von Unterstützungsverfahren, um mithilfe eines Roboters einen Fügeprozess kombiniert mit einer Fügeachse durchführen zu können. Durch das Führen der Bauteile durch den Roboter während des Fügevorgangs entsteht eine Überbestimmung zwischen Fügeachse und Roboter. Die auftretenden Kräfte und Momente, die dadurch auf den Roboter wirken, sind zu untersuchen. Mithilfe der Analysen soll ermittelt werden, ob der Roboter während der Fügeprozesse innerhalb seiner Leistungsgrenzen betrieben wird und ob eine ausreichend genaue Kompensation der Kräfte möglich ist. Ein dazu erstellter Versuchsaufbau soll diese Analysen ermöglichen. Nach dem Erarbeiten von Grundlagen der Roboterregelung wird speziell auf die, bei diesem Versuchsaufbau zu Verfügung stehenden, Unterstützungsverfahren des Roboters eingegangen. Die Eigenschaften und Anwendung des jeweiligen Verfahrens werden beleuchtet und dargestellt. Dem folgt eine Übersicht der geplanten Fügeversuche, um das Verhalten des Roboters während der Fügeprozesse zu analysieren. Die Auswertung einer durchgeführten Messsystemanalyse und der Fügeversuche stellt die Verwendbarkeit und die erreichbaren Toleranzen sowie die Stärken und Schwächen der Unterstützungsverfahren dar.