Unsere Projekte beinhalten zum größten Teil interdisziplinäre Forschungsvorhaben, die in weltweiter Kooperation mit unseren Partnern durchgeführt werden.

Klemmsysteme haben die Aufgabe, Drehwellen im Betrieb zu fixieren, sodass sie selbst bei anliegendem Drehmoment nicht bewegt werden können. Im Einsatz sind diese beispielsweise in CNC-Maschinen, wo sie einen wichtigen Beitrag zur Erreichung einer hohen Bearbeitungspräzision leisten. Die Klemmsysteme von der Firma HEMA, namens RotoClamp, funktionieren dabei pneumatisch, sodass sie nicht auf hohe Öldrücke angewiesen sind. Diese hochpräzise Baugruppe ist auf regelmäßige Wartungsintervalle angewiesen, und bei einem Ausfall der Klemme sind schwerwiegende Folgen zu erwarten.

Das Ziel dieses, durch die LOEWE-Förderlinie 3 unterstützen (1197/21-198), Projekts ist, gemeinsam mit der Firma HEMA und Core Sensing, Betriebsdaten in Echtzeit zu erfassen, zu interpretieren und Handlungsempfehlungen zu geben, um Ausfälle und Schäden an Maschinenteilen zu vermeiden. Das Projekt eröffnet neue Möglichkeiten im Bereich Digital Services und Predictive Maintenance, wobei das Fachgebiet Mess- und Sensortechnik anwendungsnahe Forschung in diesen Bereichen vorantreibt.

Im Juni 2023 konnte das Vorhaben mit größtem Erfolg abgeschlossen werden. Wir bedanken uns herzlich bei den Projektpartnern und dem Land Hessen.

Für viele Anwendungen, wie z.B. der Überwachung des baulichen Zustands, medizinischen Anwendungen, autonomen Fahrzeugen und Umweltüberwachungssystemen, steigt der Bedarf an Sensornetzwerken stetig. Oft sind die Sensoren an abgelegenen Orten positioniert, wo die Verfügbarkeit von elektrischer Energie oder Möglichkeiten wie das Austauschen oder Aufladen von Batterien eine Herausforderung darstellen. Daher sind andere Methoden zur Stromversorgung elektronischer Schaltkreise, wie z.B. Energy-Harvesting, in den letzten 20 Jahren ein wachsendes Forschungsgebiet gewesen.

Die Ziele dieses Projektes (DFG Projektnummer 392020380) sind das Design neuer Ferroelektret-Materialien und deren Einsatz in Energy-Harvestern, die auf dem transversalen-piezoelektrischen Effekt in diesen Materialien basieren.

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3D-Darstellung des Energy-Harvesters basierend auf einer Biegebalken-Konfiguration (veröffentlicht in Applied Physics Letters).
3D-Darstellung des Energy-Harvesters basierend auf einer Biegebalken-Konfiguration (veröffentlicht in Applied Physics Letters).

Die Nachfrage nach strukturintegrierten Kraft- und Drehmomentsensoren in Bereichen der Prozessüberwachung im Anlagenbau, der Medizintechnik sowie dem Leichtbau wächst stetig. In diesen Anwendungsfeldern sind meist komplexe Strukturen vorhanden, sodass kommerzielle Allzwecksensoren, die konventionell gefertigt sind, nicht oder nur unter erheblichem Aufwand einsetzbar sind. Die konventionelle Herstellungmethode mit der Erstellung eines Verformungskörpers mittels spanender Prozesse und der anschließenden Applikation von Dehnungsmesselementen limitiert die Geometrie und Größe des Sensors. Additiv gefertigte Kraft- und Drehmomentsensoren schaffen hier einen Mehrwert, da sie einen hohen Grad an Individualisierung und eine Anpassung an anwendungsspezifische Bedürfnisse ermöglichen.

Im Rahmen dieses Projektes (DFG Projektnummer 418628981) soll die Eignung des selektiven Laserschmelzens (Laser-based Powder-Bed-Fusion) als additives Fertigungsverfahren zum Aufbau von Kraftsensoren untersucht werden. Das Ziel des beantragten Forschungsprojekts besteht in der Erarbeitung von reproduzierbaren Verfahren zur Strukturintegration von Dehnungsmesselementen in additiv gefertigte komplexe Bauteile mit Kraftmessfunktion.

Completely encapsulated force sensor based on Laser powder bed fabrication process.
Completely encapsulated force sensor based on Laser powder bed fabrication process.

Im Allgemeinen bezeichnet der Ausdruck Kooperation die Zusammenarbeit an einer Aufgabe mit der Ausrichtung auf ein gemeinsames Ziel. Erfolgreiche Kooperation erfordert eine gegenseitige Anpassung an das wahrgenommene Verhalten und die kommunizierten Intentionen des Gegenübers. Im Falle einer physischen Interaktion, wie z.B. dem gemeinsamen Tragen eines Objekts, wird ein erheblicher Anteil dieser Informationen über haptische Signale ausgetauscht. Zu diesem Zweck ist eine Unterscheidung zwischen externen Reizen und solchen, die aus eigenen Bewegungen resultieren, nötig.

Im Rahmen dieses Projekts (DFG Projektnummer 402740893) innerhalb des Schwerpunktprogramms The Active Self untersuchen wir die zugrunde liegenden Prinzipien solcher Interaktionen und übertragen die Erkenntnisse auf Mensch-Roboter-Kooperationen , um diese intuitiver für den Menschen zu gestalteten.

Eine Voraussetzung für die erfolgreiche Kooperation zwischen Mensch und Roboter ist die gegenseitige Wahrnehmung.
Eine Voraussetzung für die erfolgreiche Kooperation zwischen Mensch und Roboter ist die gegenseitige Wahrnehmung.

Die Hauptanwendung von Herzkatheterisierungen liegt in der vertiefenden Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose. Hierbei führen verschiedene Arten von Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen (Plaque) zu einer Verringerung des inneren Querschnitts. Dies sorgt für eine Minderdurchblutung des Herzmuskels und kann damit zu einem Herzinfarkt führen. Zur minimal-invasiven Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose wird ein dünner Führungsdraht mit einem Durchmesser von 360 μm, in der Regel von der Leiste aus, durch die Arterie femoralis oder auch durch die Arterie radialis am Handgelenk in das Gefäßsystem des Patienten eingeführt und bis in die Herzkranzgefäße an die zu behandelnde Stelle geschoben. Hierzu muss der Arzt die im Gefäß befindliche Drahtspitze durch Drehen und Schieben am äußeren Ende durch die verengten Gefäße navigieren. Schwierigkeiten entstehen durch ein fehlendes haptisches Feedback, welches die ohnehin komplexe Navigation durch die Herzkranzgefäße zusätzlich erschwert.

Im Gegensatz zum Projekt HapCath, bei dem die Generierung eines haptischen Feedbacks für den Kardiologen im Fokus steht, ist das Ziel des Projektes SMArt Guide Wire (DFG Projektnummer 392780747) eine erleichterte Navigation durch eine Steuerbarkeit des Führungsdrahtes zu ermöglichen. Daher wurde im Rahmen dieses Projektes die Integration einer SMA-Aktorik (Formgedächtnislegierung) in der Führungsdrahtspitze erforscht. Damit ist eine von außen einstellbare Steifigkeit sowie eine von außen einstellbare Krümmung der Führungsdrahtspitze möglich.

Während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs wird die Anzahl der kleinen Zugänge (Ports), z.B. zum Bauchraum, auf ein Minimum beschränkt. Dadurch sind postoperative Schmerzen und Komplikationsraten gering und Patienten genesen schneller. Allerdings ergeben sich aus dieser Beschränkung der Freiheitsgrade neue Herausforderungen in Form der begrenzten Beweglichkeit und Navigierbarkeit der Instrumente im Körperinneren. Daher wurde im Rahmen dieses Projektes (DFG Projektnummer 172196622) ein Teleoperationssystem mit parallelkinematischer Struktur entwickelt, das austauschbare chirurgische Instrumente (z.B. Greifer) als Endeffektoren besitzt und über fünf Freiheitsgrade verfügt. Zur Steuerung der Endeffektoren wurde ein haptisches Nutzerinterface geschaffen, das mittels einer Delta-Kinematik und einem Bedienelement Bewegungen detektiert, skaliert und überträgt. Umgekehrt messen Kraftsensoren die Interaktionskräfte am Endeffektor, die am Bedienelement haptisches Feedback generieren, um eine intuitive Steuerung für operierende Fachkräfte zu ermöglichen.

Die Hauptanwendung von Herzkatheterisierungen liegt in der vertiefenden Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose. Hierbei führen verschiedene Arten von Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen (Plaque) zu einer Verringerung des inneren Querschnitts. Dies sorgt für eine Minderdurchblutung des Herzmuskels und kann damit zu einem Herzinfarkt führen. Zur minimal-invasiven Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose wird ein dünner Führungsdraht mit einem Durchmesser von 360 μm, in der Regel von der Leiste aus, durch die Arterie femoralis oder auch durch die Arterie radialis am Handgelenk in das Gefäßsystem des Patienten eingeführt und bis in die Herzkranzgefäße an die zu behandelnde Stelle geschoben. Hierzu muss der Arzt die im Gefäß befindliche Drahtspitze durch Drehen und Schieben am äußeren Ende durch die verengten Gefäße navigieren. Schwierigkeiten ergeben sich durch ein fehlendes haptisches Feedback und der dadurch erschwerten Navigation durch die Herzkranzgefäße.

Im Rahmen des Projekts HapCath (DFG Projektnummer 5429061 und 212414892) stand der Entwurf und die Realisierung eines haptischen, kraftvermittelnden Assistenzsystems für Katheterisierungen in der medizinischen Diagnostik und Therapie. Der Lösungsansatz beruht auf der Kraftmessung an der Führungsdrahtspitze und der Rückführung der Kraftsignale in skalierter Form auf eine in den Behandlungsablauf integrierte haptische Bedieneinheit.

REM-Aufnahme des entwickelten Silizium-Miniaturkraftsensors basierend auf dem piezoresistiven Prinzip.
REM-Aufnahme des entwickelten Silizium-Miniaturkraftsensors basierend auf dem piezoresistiven Prinzip.

Mit zunehmendem Alter sowie durch das Gleichgewicht beeinflussende Krankheiten nehmen Stürze im Alltag zu. Um die damit verbundenen Verletzungen und Todesfälle zu reduzieren, wurden in den letzten Jahren Interventionsmaßnahmen primär über körperliches Training erforscht und umgesetzt.

In diesem Projekt (FiF Website) werden neuartige Ansätze zur Reduzierung des Sturzrisikos untersucht. Dazu werden Vibrationen mittels Ultraschall kontaktlos auf die Haut aufgebracht. Im Vergleich zu konventionellen Vibrationsmotoren ermöglicht Ultraschall eine flexible Wahl der Stimulationsparameter, wie Signalform, Amplitude und Frequenz.