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Virtual Robot Programming for Deformable Linear Objects: System concept and Prototype Implementation
(2002)
In this paper we present a method and system for robot programming using virtual reality techniques. The proposed method allows intuitive teaching of a manipulation task with haptic feedback in a graphical simulation system. Based on earlier work, our system allows even an operator who lacks specialized knowledge of robotics to automatically generate a robust sensor-based robot program that is ready to execute on different robots, merely by demonstrating the task in virtual reality.
Utilization of Correlation Matrices in Adaptive Array Processors for Time-Slotted CDMA Uplinks
(2002)
It is well known that the performance of mobile radio systems can be significantly enhanced by the application of adaptive antennas which consist of multi-element antenna arrays plus signal processing circuitry. In the thesis the utilization of such antennas as receive antennas in the uplink of mobile radio air interfaces of the type TD-CDMA is studied. Especially, the incorporation of covariance matrices of the received interference signals into the signal processing algorithms is investigated with a view to improve the system performance as compared to state of the art adaptive antenna technology. These covariance matrices implicitly contain information on the directions of incidence of the interference signals, and this information may be exploited to reduce the effective interference power when processing the signals received by the array elements. As a basis for the investigations, first directional models of the mobile radio channels and of the interference impinging at the receiver are developed, which can be implemented on the computer at low cost. These channel models cover both outdoor and indoor environments. They are partly based on measured channel impulse responses and, therefore, allow a description of the mobile radio channels which comes sufficiently close to reality. Concerning the interference models, two cases are considered. In the one case, the interference signals arriving from different directions are correlated, and in the other case these signals are uncorrelated. After a visualization of the potential of adaptive receive antennas, data detection and channel estimation schemes for the TD-CDMA uplink are presented, which rely on such antennas under the consideration of interference covariance matrices. Of special interest is the detection scheme MSJD (Multi Step Joint Detection), which is a novel iterative approach to multi-user detection. Concerning channel estimation, the incorporation of the knowledge of the interference covariance matrix and of the correlation matrix of the channel impulse responses is enabled by an MMSE (Minimum Mean Square Error) based channel estimator. The presented signal processing concepts using covariance matrices for channel estimation and data detection are merged in order to form entire receiver structures. Important tasks to be fulfilled in such receivers are the estimation of the interference covariance matrices and the reconstruction of the received desired signals. These reconstructions are required when applying MSJD in data detection. The considered receiver structures are implemented on the computer in order to enable system simulations. The obtained simulation results show that the developed schemes are very promising in cases, where the impinging interference is highly directional, whereas in cases with the interference directions being more homogeneously distributed over the azimuth the consideration of the interference covariance matrices is of only limited benefit. The thesis can serve as a basis for practical system implementations.
Two approaches for determining the Euler-Poincaré characteristic of a set observed on lattice points are considered in the context of image analysis { the integral geometric and the polyhedral approach. Information about the set is assumed to be available on lattice points only. In order to retain properties of the Euler number and to provide a good approximation of the true Euler number of the original set in the Euclidean space, the appropriate choice of adjacency in the lattice for the set and its background is crucial. Adjacencies are defined using tessellations of the whole space into polyhedrons. In R 3 , two new 14 adjacencies are introduced additionally to the well known 6 and 26 adjacencies. For the Euler number of a set and its complement, a consistency relation holds. Each of the pairs of adjacencies (14:1; 14:1), (14:2; 14:2), (6; 26), and (26; 6) is shown to be a pair of complementary adjacencies with respect to this relation. That is, the approximations of the Euler numbers are consistent if the set and its background (complement) are equipped with this pair of adjacencies. Furthermore, sufficient conditions for the correctness of the approximations of the Euler number are given. The analysis of selected microstructures and a simulation study illustrate how the estimated Euler number depends on the chosen adjacency. It also shows that there is not a uniquely best pair of adjacencies with respect to the estimation of the Euler number of a set in Euclidean space.
In this paper we consider the location of stops along the edges of an already existing public transportation network. This can be the introduction of bus stops along some given bus routes, or of railway stations along the tracks in a railway network. The positive effect of new stops is given by the better access of the potential customers to their closest station, while the increasement of travel time caused by the additional stopping activities of the trains leads to a negative effect. The goal is to cover all given demand points with a minimal amount of additional traveling time, where covering may be defined with respect to an arbitrary norm (or even a gauge). Unfortunately, this problem is NP-hard, even if only the Euclidean distance is used. In this paper, we give a reduction to a finite candidate set leading to a discrete set covering problem. Moreover, we identify network structures in which the coefficient matrix of the resulting set covering problem is totally unimodular, and use this result to derive efficient solution approaches. Various extensions of the problem are also discussed.
Many rendering problems can only be solved using Monte Carlo integration. The noise and variance inherent with the statistical method efficiently can be reduced by stratification. So far only uncorrelated stratification methods were used that in addition depend on the dimension of the integration domain. Based on rank-1-lattices we present a new stratification technique that removes this dependency on dimension, is much more efficient by correlation, is trivial to implement, and robust to use. The superiority of the new scheme is demonstrated for standard rendering algorithms.
Spline functions that approximate (geostrophic) wind field or ocean circulation data are developed in a weighted Sobolev space setting on the (unit) sphere. Two problems are discussed in more detail: the modelling of the (geostrophic) wind field from (i)discrete scalar air pressure data and (ii) discrete vectorial velocity data. Domain decomposition methods based on the Schwarz alternating algorithm for positive definite symmetric matrices are described for solving large linear systems occuring in vectorial spline interpolation or smoothing of geostrophic flow.
A spectral theory for stationary random closed sets is developed and provided with a sound mathematical basis. Definition and proof of existence of the Bartlett spectrum of a stationary random closed set as well as the proof of a Wiener-Khintchine theorem for the power spectrum are used to two ends: First, well known second order characteristics like the covariance can be estimated faster than usual via frequency space. Second, the Bartlett spectrum and the power spectrum can be used as second order characteristics in frequency space. Examples show, that in some cases information about the random closed set is easier to obtain from these characteristics in frequency space than from their real world counterparts.
Solid particle erosion is usually undesirable, as it leads to development of cracks and
holes, material removal and other degradation mechanisms that as final
consequence reduce the durability of the structure imposed to erosion. The main aim
of this study was to characterise the erosion behaviour of polymers and polymer
composites, to understand the nature and the mechanisms of the material removal
and to suggest modifications and protective strategies for the effective reduction of
the material removal due to erosion.
In polymers, the effects of morphology, mechanical-, thermomechanical, and fracture
mechanical- properties were discussed. It was established that there is no general
rule for high resistance to erosive wear. Because of the different erosive wear
mechanisms that can take place, wear resistance can be achieved by more than one
type of materials. Difficulties with materials optimisation for wear reduction arise from
the fact that a material can show different behaviour depending on the impact angle
and the experimental conditions. Effects of polymer modification through mixing or
blending with elastomers and inclusion of nanoparticles were also discussed.
Toughness modification of epoxy resin with hygrothermally decomposed polyesterurethane
can be favourable for the erosion resistance. This type of modification
changes also the crosslinking characteristics of the modified EP and it was
established the crosslink density along with fracture energy are decisive parameters
for the erosion response. Melt blending of thermoplastic polymers with functionalised
rubbers on the other hand, can also have a positive influence whereas inclusion of
nanoparticles deteriorate the erosion resistance at low oblique impact angles (30°).
The effects of fibre length, orientation, fibre/matrix adhesion, stacking sequence,
number, position and existence of interleaves were studied in polymer composites.
Linear and inverse rules of mixture were applied in order to predict the erosion rate of
a composite system as a function of the erosion rate of its constituents and their
relative content. Best results were generally delivered with the inverse rule of mixture
approach.
A semi-empirical model, proposed to describe the property degradation and damage
growth characteristics and to predict residual properties after single impact, was
applied for the case of solid particle erosion. Theoretical predictions and experimental
results were in very good agreement.
Strahlerosionsverschleiß (Erosion) entsteht beim Auftreffen von festen Partikel
auf Oberflächen und zeichnet sich üblicherweise durch einen Materialabtrag aus, der
neben der Partikelgeschwindigkeit und dem Auftreffwinkel stark vom jeweiligen
Werkstoff abhängt. In den letzten Jahren ist die Anwendung von Polymeren und
Verbundwerkstoffen anstelle der traditionellen Materialien stark angestiegen.
Polymere und Polymer-Verbundwerkstoffe weisen eine relativ hohe Erosionsrate
(ER) auf, was die potenzielle Anwendung dieser Werkstoffe unter erosiven
Umgebungsbedingungen erheblich einschränkt.
Untersuchungen des Erosionsverhaltens anhand ausgewählter Polymere und
Polymer-Verbundwerkstoffe haben gezeigt, dass diese Systeme unterschiedlichen
Verschleißmechnismen folgen, die sehr komplex sind und nicht nur von einer
Werkstoffeigenschaft beeinflusst werden. Anhand der ER kann das
Erosionsverhalten grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: sprödes und duktiles
Erosionsverhalten. Das spröde Erosionsverhalten zeigt eine maximale ER bei 90°,
während das Maximum bei dem duktilen Verhalten bei 30° liegt. Ob ein Material das
eine oder das andere Erosionsverhalten aufweist, ist nicht nur von seinen
Eigenschaften, sondern auch von den jeweiligen Prüfparametern abhängig.
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war, das grundsätzliche Verhalten von
Polymeren und Verbundwerkstoffen unter dem Einfluss von Erosion zu
charakterisieren, die verschiedenen Verschleißmechanismen zu erkennen und die
maßgeblichen Materialeigenschaften und Kennwerte zu erfassen, um Anwendungen
dieser Werkstoffe unter Erosionsbedingungen zu ermöglichen bzw. zu verbessern.
An einer exemplarischen Auswahl von Polymeren, Elastomeren, modifizierten Polymeren und Faserverbundwerkstoffen wurden die wesentlichen Einflussfaktoren
für die Erosion experimentell bestimmt.
Thermoplastische Polymere und thermoplastische- und vernetzte- Elastomere
Die Versuche, den Erosionswiderstand ausgewählter Polymere (Polyethylene
und Polyurethane) mit verschiedenen Materialeigenschaften zu korrelieren, haben
gezeigt, dass es weder eine klare Abhängigkeit von einzelnen Kenngrößen noch von
Eigenschaftskombinationen gibt. Möglicherweise führt die Bestimmung der
Materialeigenschaften unter den gleichen experimentellen Bedingungen wie bei den Erosionsversuchen zu einer besseren Korrelation zwischen ER und
Materialkenngröße.
Modifiziertes Epoxidharz
Am Beispiel eines modifizierten Epoxidharzes (EP) mit verschiedener
Vernetzungsdichte wurde eine Korrelation zwischen Erosionswiderstand und
Bruchenergie bzw. Erosionswiderstand und Vernetzungsdichte gefunden. Die
Modifizierung erfolgte mit verschiedenen Anteilen von einem hygrothermisch
abgebauten Polyurethan (HD-PUR). Der Zusammenhang zwischen ER und
Vernetzungsparametern steht im Einklang mit der Theorie der Kautschukelastizität.
Modifizierungseffizienz in Duromeren, Thermoplasten und Elastomeren
Des weiteren wurde der Einfluss von Modifizierungen von Polymeren und
Elastomeren untersucht. Mit dem obenerwähnten System (d.h. EP/HD-PUR) läßt sich
auch der Einfluss der Zähigkeitsmodifizierung des Epoxidharzes (EP) auf das
Erosionsverhalten untersuchen. Es wurde gezeigt, dass für HD-PUR Anteile von
mehr als 20 Gew.% diese Modifizierung einen positiven Einfluss auf die
Erosionsbeständigkeit hat. Durch Variation der HD-PUR-Anteile können für dieses
EP Materialeigenschaften, die zwischen den Eigenschaften eines üblichen
Duroplasten und eines weniger elastischen Gummis liegen, erzeugt werden.
Deswegen stellt der modifizierte EP-Harz ein sehr gutes Modellmaterial dar, um den
Einfluss der experimentellen Bedingungen zu studieren, und zu untersuchen, ob
verschiedene Erodenten zu gleichen Erosionsmechanismen führen. Der Übergang
vom duroplastischen zum zähen Verhalten wurde anhand von vier Erodenten
untersucht. Aus den Versuchen ergab sich, dass ein solcher Übergang auftritt, wenn
sehr feine, kantige Partikel (Korund) als Erodenten dienen. Die Partikelgröße und -form ist von entscheidender Bedeutung für die jeweiligen Verschleißmechanismen.
Die Effizienz neuartiger thermoplastischer Elastomere mit einer cokontinuierlichen
Phasenstruktur, bestehend aus thermoplastischem Polyester und
Gummi (funktionalisierter NBR und EPDM Kautschuk), wurde in Bezug auf die
Erosionsbeständigkeit untersucht. Große Anteile von funktionalisiertem Gummi (mehr
als 20 Gew.%) sind vorteilhaft für den Erosionswiderstand. Weiterhin wurde
untersucht, ob sich die herausragende Erosionsbeständigkeit von Polyurethan (PUR)
durch Zugabe von Nanosilikaten eventuell noch steigern läßt. Das Ergebnis war,
dass die Nanopartikel sich vor allem bei einem kleinen Verschleißwinkel (30°) negativ
auswirken. Die schwache Adhäsion zwischen Matrix und Partikeln erleichtert den
Beginn und das Wachsen von Rissen. Dies führt zu einem schnelleren
Materialabtrag von der Materialoberfläche.
Faserverbundwerkstoffe
Ferner wurden Faserverbundwerkstoffe (FVW) mit thermoplastischer und
duromerer Matrix auf ihr Verhalten bei Erosivverschleiß untersucht. Es war von
großem Interesse, den Einfluss von Faserlänge und -orientierung zu untersuchen.
Kurzfaserverstärkte Systeme haben einen besseren Erosionswiderstand als die
unidirektionalen (UD) Systeme. Die Rolle der Faserorientierung kann man nur in
Verbindung mit anderen Parametern, wie Matrixzähigkeit, Faseranteil oder Faser-
Matrix Haftung, berücksichtigen. Am Beispiel von GF/PP Verbunden weisen die
parallel zur Verstreckungsrichtung gestrahlten Systeme den geringsten Widerstand
auf. Andererseits findet bei einem GF/EP System die maximale ER in senkrechter
Richtung statt. Eine Verbesserung der Grenzflächenscherfestigkeit beeinflusst die
Erosionsverschleißrate nachhaltig. Wenn die Haftung der Grenzfläche ausreichend
ist, spielt die Erosionsrichtung eine unbedeutende Rolle für die ER. Weiterhin wurde
gezeigt, dass die Präsenz von zähen Zwischenschichten zu einer deutlichen
Verbesserung des Erosionswiderstands von CF/EP- Verbunden führt.
Eine weitere Aufgabenstellung war es, die Rolle des Faservolumenanteils zu
bestimmen. „Lineare, inverse und modifizierte Mischungsregeln“ wurden
angewendet, und es wurde festgestellt, dass die inversen Mischungsregeln besser
die ER in Abhängigkeit des Faservolumenanteils beschreiben können.
Im Anwendungsbereich von Faserverbundwerkstoffen ist nicht nur die Kenntnis
der ER, sondern auch die Kenntnis der Resteigenschaften erforderlich. Ein
halbempirisches Modell für die Vorhersage des Schlagenergieschwellwertes (Uo) für den Beginn der Festigkeitsabnahme und der Restzugfestigkeit nach einer
Schlagbelastung wurde bei der Untersuchung des Erosionsverschleißes
angewendet. Experimentelle Ergebnisse und theoretische Vorhersagen stimmten
nicht nur für duromere CF/EP-Verbundwerkstoffe, sondern auch für
Verbundwerkstoffe mit einer thermoplastischen Matrix (GF/PP) sehr gut überein.
This paper analyzes the problem of sensor-based colli-sion detection for an industrial robotic manipulator. A method to perform collision tests based on images taken from several stationary cameras in the work cell is pre-sented. The collision test works entirely based on the im-ages, and does not construct a representation of the Carte-sian space. It is shown how to perform a collision test for all possible robot configurations using only a single set of images taken simultaneously.
We study high dimensional integration in the quantum model of computation. We develop quantum algorithms for integration of functions from Sobolev classes \(W^r_p [0,1]^d\) and analyze their convergence rates. We also prove lower bounds which show that the proposed algorithms are, in many cases, optimal within the setting of quantum computing. This extends recent results of Novak on integration of functions from Hölder classes.