Universität Stuttgart
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Item Open Access Genauigkeitssteigerung bei der spanenden Bearbeitung mit Industrierobotern durch Fehlerkompensation mit 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik(2011) Puzik, Arnold; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel eine Lösung zu zeigen, welche allgemeingültig den Fehler eines Industrieroboters kompensiert. Diese Lösung soll sowohl die Kompensation des statischen Fehlers als auch des Bahnfehlers von Robotern ermöglichen, so dass eine genaue Bearbeitung bei dynamischen Prozessen, wie dem Fräsen, möglich wird. Hierzu wird ein Bearbeitungskonzept vorgeschlagen, welches darauf beruht, dass der Roboter das Bauteil handhabt und die Werkzeugspindel auf einer schnellen Ausgleichskinematik befestigt ist, und so mit Hilfe eines Messsystems den gemessenen Positionsfehler des Roboters ausgleichen kann. Gegenüber bisherigen Ansätzen, welche den Roboter steifer machen, soll durch den Einsatz einer aktiven und schnellen Ausgleichsaktorik auf Basis von Piezo-Aktoren der Fehler des Roboters in allen drei Raumrichtungen ausgeglichen werden. Hierzu wird während des Bearbeitungsprozesses der Fehler des Roboters kontinuierlich gemessen und der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik als Führungsgröße übergeben, auf welcher die Bearbeitungsspindel mit dem Werkzeug befestigt ist. Die Entwicklung der schnellen Ausgleichskinematik – der 3D-Piezo-Ausgleichsaktorik – stand dabei im Vordergrund. In dieser Dissertation wird die methodische und systematische Realisierung dieser Kinematik gezeigt. Die gefertigte Kinematik wird hierzu aufgebaut, in Betrieb genommen und anhand von gemessenen Fräswerkstücken aus Aluminium wird das Konzept erfolgreich validiert.Item Open Access Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Farbbestimmung von Zähnen auf Basis spektraler Daten(2014) Pflüger, Marius; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)In der heutigen Gesellschaft hat das Aussehen einen immer größeren Stellenwert. Entsprechend kritisch werden deshalb unpassende Farbausprägungen beim Zahnersatz gesehen. In der Praxis wird die Zahnfarbe hierfür meist visuell mithilfe von Farbringen bestimmt, was jedoch fehleranfällig ist. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Bestimmung der Zahnfarbe mit Hilfe spektraler Messdaten sowie der Integration in den spektralen Smart-Sensor VITA Easyshade. Kernelement ist die Entwicklung eines mehrstufigen Prognosemodells für die Zahnfarbe auf Basis von künstlichen Neuronalen Netzen, welches anhand realer Messdaten trainiert wird. Als vorgelagertes Verfahren wurde ausserdem eine Methode entwickelt, um die realen Messdaten hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit für das Modelltraining automatisch zu bewerten und inkonsistente Daten ausschleusen zu können. Zur Steigerung der Ergebnisqualität wurde für die Prognoseergebnisse zudem einePlausibilitätsprüfung durch Nachbarschaften im Farbraum konzipiert und umgesetzt. Zur Evaluierung der ausgewählten Lösungsansätze konnte im Rahmen der Arbeit auf fast 4000 spektrale Messungen an Zähnen von Probanden zurückgegriffen werden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass anhand definierter Kriterien die Prognosegüte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um knapp 40% gesteigert werden konnte.Item Open Access Untersuchungen zur Eignung mikrohydraulischer Antriebe für die minimal invasive Chirurgie(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Cuntz, Timo; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Da schonender für den Patienten, werden chirurgische Eingriffe zunehmend minimal invasiv durchgeführt. Dabei führt der Chirurg durch kleine Schnitte in Haut und Gewebe, ein Endoskop zur Sichtbarmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Körper ein. Trotz der hohen Zunahme, der minimal invasiven Eingriffe, stagniert die Entwicklung neuer Werkzeuge für diese Operationstechnik. Zwar wurden neuartige Instrumente mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden an der Spitze entwickelt, diese besitzen aber solch große technische Probleme bei ihrer Anwendung, dass sie kaum benutzt werden. Ein Wechsel, weg von der der mechanischen Kraftübertragung mit Seilzügen, hin zu Direktantrieben, mit kompakten Aktoren in der Instrumentenspitze verspricht die Lösung dieser Probleme. So besteht in der minimal invasiven Chirurgie ein großer Bedarf an leichten, kraftvollen aber dennoch kompakten Antrieben, welche lediglich durch Kabel oder Schläuche und somit räumlich unabhängig im Körper versorgt werden. Beim Vergleich existierender Antriebsarten konnte gezeigt werden, dass hydraulische Antriebe die besten Voraussetzungen mitbringen um die zuvor erarbeiteten Anforderungen zu erfüllen. Die in der Konzeptphase in der Theorie angestellten Abschätzungen, vor allem zur Miniaturisierbarkeit hydraulischer Systeme, damit sich diese für den Einsatz in hydraulisch betriebenen Instrumenten für die Chirurgie eignen, konnten in praktischen Versuchsreihen bestätigt werden. In der Arbeit wurden zunächst leistungsstarke Hydraulikzylinder mit Durchmessern von wenigen Millimetern entwickelt, aus denen anschließend hydraulisch betriebene Instrumentenfunktionsmuster entstanden. Durch die Verwendung biokompatibler Materialien bis hin zu den Hydraulikmedien und dem Nachweis der Sterilisierbarkeit der kompletten Systeme wurde gezeigt, dass hydraulisch betriebene Instrumente die grundlegenden Medizinischen Anforderungen erfüllen und somit ein der Chirurgie eingesetzt werden können. Die durchgeführte Verifizierung der Instrumente demonstrierte, dass sie die geforderten Kräfte erreichen und sogar bei weitem übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Nachweis für die Eignung hydraulischer betriebener Instrumente in der minimal invasiven Chirurgie erbracht.Item Open Access Fehlertolerante numerische Steuerung(2015) Bock, Hans-Peter; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die andauernde Leistungssteigerung von Rechnern nach dem noch geltenden Mooreschen Gesetz ermöglicht computerbasierten numerischen Steuerungen den Einsatz in Anwendungsbereichen, die bisher allein dem Menschen vorbehalten waren. Damit werden numerische Steuerungen vermehrt auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt wie beispielsweise der minimal invasiven Chirurgie. Dieser Anwendungsbereich stellt sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit des Assistenzsystems. Aus diesem Grund sind diese Systeme fehlersicher ausgelegt und gewährleisten, dass ein interner Fehler des Systems einen Patienten nicht unmittelbar verletzt. Um dieser Anforderung gerecht zu werden nehmen bestehende Systeme zur Erhöhung der Sicherheit eine Reduktion der Zuverlässigkeit in Kauf. Zukünftig ist dies nicht weiter ausreichend, da bestimmte Operationstechniken bei Ausfall des Assistenzsystems nur durch einen deutlich größeren manuellen Eingriff weitergeführt werden können oder im schlechtesten Fallüberhaupt nicht möglich sind. Eine Aufgabenstellung liegt hierbei darin, eine fehlertolerante numerische Steuerung zu entwerfen, welche den bestehenden Sicherheitsanforderungen gerecht wird und gleichzeitig die Zuverlässigkeit gegenüber bestehenden Systemen deutlich erhöht. Herausfordernd ist dabei, dass möglicherweise in der Steuerung auftretende Fehler zu keiner Konturverletzung der Sollbahn führen dürfen. Diese Arbeit untersucht hierzu bestehende Ansätze zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Systemen sowie ein Operationsassistenzsystem, das die Sicherheit dessen numerischer Steuerung erhöht. Dabei wird der fehlersichere Ansatz des Operationsassistenzsystems um Fehlertoleranz erweitert. Das Ziel ist der Entwurf eines numerischen Steuerungssystems das durch Redundanz auf Basis einer Mehrheitsentscheidung interne Fehler maskieren sowie fehlerhafte redundante Einheiten durch Rekonfiguration ausgliedern kann, so dass keine fehlerhaften Sollwerte ausgegeben werden. Das System weist damitnach außen hin eine fehlerfreie Funktion auf, so dass ein begonnener Bearbeitungsprozess ohne Unterbrechung zu Ende geführt werden kann.Item Open Access Informationsmodell zur funktionalen Typisierung von Automatisierungsgeräten(2011) Selig, Andreas; Klemm, Peter (Prof. Dr.)Aktueller Trend in der Automatisierungstechnik ist die Einführung von Ethernet-basierten, digitalen Schnittstellen zwischen der Steuerungs- und der Sensor-/Aktorebene. Die entstehenden Ethernet-basierten Feldbusse decken dabei nicht nur die klassischen Feldbusaufgaben ab, sondern bieten zusätzlich Bandbreite für weitere Dienste. Ziel eines jeden Ethernet-basierten Feldbusses ist dabei, ein umfassendes Kommunikationsmedium für die Automatisierungstechnik zu sein. Dieses soll den Anforderungen eines Feld-, Antriebs- und Sicherheitsbusses gerecht werden und zusätzlich noch Kommunikation über Protokolle, die aus der elektronischen Datenverarbeitungstechnik bekannt sind, ermöglichen, um eine vertikale Integration in höherliegende Ebenen der Automatisierungspyramide zu erlauben. Ein „Plug and Produce“, ähnlich dem aus der Computertechnik bekannten „Plug and Play“, bei dem sich die beteiligten Komponenten gegenseitig erkennen und sich das Gesamtsystem automatisch konfiguriert und parametriert, wird in diesem Umfeld allenthalben gefordert und propagiert, da die Komplexität und der Umfang der Schnittstellen zwischen den beteiligten Geräten immer größer und umfangreicher werden. Es gibt bislang kein globales Konzept für die Automatisierungstechnik, dieses Problem zu lösen. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels darstellen, indem sie ein Informationsmodell für Automatisierungsgeräte und die durch sie bereitgestellten Kommunikationsobjekte liefert. Auf diese Weise wird eine funktionale Sicht auf die Geräte und die funktionalen Zusammenhänge über Gerätegrenzen hinaus bereitgestellt.Item Open Access A user-oriented, comprehensive system for the 6 DoF recognition of arbitrary rigid household objects(2015) Fischer, Jan; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)The objective of this thesis is to develop a model-based object recognition system for 6 DoF localization of typical rigid household objects that explicitly enables an intuitive teaching of new objects. When considering the perceptual process of object recognition in its entirety, it may be divided into the three main areas: data acquisition, object modeling and object localization. The different areas are examined individually and distinct contributions to each of them are presented and evaluated. The originating conditions for the recognition process system are one-shot images of range and color data. Considering data acquisition, it is most often taken for granted that a sensor delivers directly 2.5D data or color information. However, when combining different sensor modalities, it is possible to exceed the data quality of a single sensor. The thesis follows this idea and presents a novel sensor fusion technique for data acquisition that combines the 2.5D inputdata from a stereo and a range imaging system. Regarding object modeling, the thesis presents a method for dense object modeling directly on the robot using its manipulator and camera system. Additionally, two stand-alone training setups are introduces which avoid the explicit need of a robotic manipulator for object modeling. One is using a turn table to rotate the object in front of the camera system and the other one is using a chessboard where the camera is manually moved around a stationary object. Initial work conducted within the scope of this thesis and published in [AFV10] proposes a fastSLAM-based in-gripper object modeling approach which is able to cope with multi-occurrences of similar textures on the object's surface. This approach is further developed and the information filter is replaced by a Bundle Adjustment algorithm that enables a faster registration of the individual object views. This thesis proposes two novel binary descriptors for texturedand texture-less object modeling that enable the usage of rapid bit operations to accelerate the descriptor computations. When addressing textured objects, recent fast-to-compute descriptors achieving remarkable recognition rates have been presented. This thesis proposes a scale invariant extension of the binary feature descriptor ORB [RRKB11], which is fast to compute while still being as descriptive as SURF. The presented results have been published in [FABV12]. In order to distinctly describe texture-less objects, a global histogram-based descriptor is presented, that aggregates 2D and 3D gradient information from a local binary descriptor. Compared to the current state-of-the art, the descriptor exhibits scale and rotation invariance. Additionally, the underlying binary descriptor is computed faster than competing methods by the use of dynamic programming. The presented results have been published in [FBAV13]. In order to increase the robustness of texture-less objectrecognition, data association is subject to a spatial constraint to take account for the spatial expansion of an object. The thesis proposes an adaptive sliding window approach to build up a probability map for prominent object locations. Based on a non-maximum suppression algorithm, the dominant object locations are selected. The presented approach has been published in [FBAV13]. The different components have been integrated in a software framework for 6 DoF object recognition that has been implemented on the service robot Care-O-bot 3 using the middleware ROS. The software components for data acquisition, object modeling and object recognition are evaluated individually using standard datasets and typical real world household objects like plates, bottles or cups.Item Open Access Force control of cable-driven parallel robots(2016) Kraus, Werner; Pott, Andreas (Junior-Prof. Dr.-Ing.)In this thesis, a relatively new class of robots which use cables instead of rigid links is investigated. As cable can transmit only pull forces, cable robots make high demands on the control. The cable robots investigated in this thesis have more cables than degrees-offreedom of the platform and, thus, belong to the class of redundant robots. The redundancy allows to tense the cables agairrst each other. A control approach for synchronaus control of the platform position and the cable forces is proposed. For this purpose, system identifications for dynamic models of the robot are carried out and the forward kinematics is expanded to deal with non-linear cable stiffness. The proposed approach for calculation of the desired cable forces allows for step-less adjustment of the internal tensions. The investigations show that with change of the internal tension the eigenfrequencies of the robot can be influenced by 15-30%. By choice of a minimal tension Ievel, the energy consumption of the robot can be decreased by up to 20% while the performance of the robot remains on the same Ievel. For the proposed control scheme, extensive investigations of the positional accuracy are carried out. As reference approach, the control assuming a rigid robot model without closed-loop control of the operational space position and cable forces is used. The two approaches delivered comparable results in the workspace centre. The position accuracy with a payload of 80 kg amounted to roughly 70 mm and 2.5°. Using the proposed controller at the workspace border, almost the same accuracy could be reached as weil, as the cables are kept under tension. For rnachining processes like grinding, the well-known hybrid position and force control approach is incorporated on a cable robot. With the control approach, the robot can apply a contact force in a programmable direction, while the platform can be position-controlled in the Iasting directions. For the human robot cooperation, an admittance controller is proposed. The platform simulates a virtual spring-mass-damper system which enables for the implementation of a virtual workspace. With the demonstrator, a bandwidth of 13Hz is reached.Item Open Access Function-based cost estimation for service robot prototypes in early design phases(2014) Blümlein, Nikolaus; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Early cost estimation is a common prerequisite for the profitability assessment of the development of complex products. Thereby, the combination of numerous technical and economic factors poses a particular challenge for system developers when little more than the desired functionality of the product is known. In the field of service robotics, this issue is acerbated by the lack of empirical values and experience as the according technologies are comparatively novel. The presented work proposes an approach which facilitates the estimation process for various cost aggregates of service robot prototypes in early development phases. To this end, typical components and functionalities are structurally mapped and related to statistical cost models. Additionally, the presented approach offers the possibility of unit cost estimation for small lot sizes. Core elements of this work are the development of a design-structure-matrix for service robots and the modeling of hardwareand software costs. Robot functions mapped to hardware and software components via structure matrix facilitate the derivation of essential prototype parts from desired service robot capabilities. For hardware components, central characteristics serve as a basis for non-parametric regression derivation of individual cost models. For software components, the approach applies the principle of analogy-based estimation. To this end, several hundred modules of an existing open-source software framework for robots were analyzed and costs of their development and reuse deduced using heuristic data. The models' statistical foundation allow the calculation of expectation value, standard deviation and interquartile range and thus facilitate the assessment of the of estimation uncertainty. In order to support the estimation process a software application was developed. The approach was verified using to different datasets. On the one hand, estimations for robot prototypes outlined inthe EFFIROB study were calculated applying the proposed methodology and consecutively compared with the original estimates and assessed by experts. On the other hand, costs estimated for a built prototype, the corresponding original estimate as well as the actual costs were juxtaposed and critically reviewed by one of the developers involved in the prototype's development.Item Open Access Verfahren zur automatisierten Handhabung von hochsensiblen Photovoltaik-Substraten aus Flüssigkeiten(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Giesen, Tim; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Bestrebungen in der Entwicklung und der Produktion zukünftiger kristalliner Photovoltaik-Zellen haben unter anderem den reduzierten Einsatz von hochreinem Silizium mittels neuer Produktionstechnologien im Fokus. Für die Herstellung von ultra-dünnen Siliziumsubstraten kann das thermomechanische Verhalten des Siliziums genutzt werden, um folienartige, stark gebogene Substrate mit Dicken zwischen 50 - 80 μm zu erzeugen. Diese müssen in anschließenden Prozessschritten gereinigt werden, um flache, nutzbare Substrate für Photovoltaikzellen zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit ist es, für die Reinigung der sich transformierenden Substrate - von einem gebogenen in einen flachen Zustand während des Reinigungsschrittes - eine automatisierte Handhabung zu entwickeln und zu erproben. In der Folge werden die Randbedingungen für das Handhabungsverfahren analysiert, Anforderungen an das Verfahren abgeleitet und das Verfahren konzipiert. Unter der Berücksichtigung von unsteten Bedingungen durch die Prozessflüssigkeit wird das Handhabungsverfahren im aufgestellten Modell regelbar ausgelegt. Die Komplikationen des Handhabungsverfahrens werden erörtert und dabei die Wirkzusammenhänge zwischen Greifpunktpräzision und resultierender Positioniergenauigkeit für einen kontinuierlich stabilen Prozess deutlich. Mit dem Aufbau eines Demonstrators wird das konzipierte Verfahren umgesetzt und die einzelnen Verfahrensfunktionen experimentell untersucht und charakterisiert. Durch die Identifikation der signifikanten Parameter werden die Bedingungen für eine automatisierte Handhabung in Flüssigkeiten beschrieben. Für die Erprobung werden im Dauerversuch Handhabungsvorgänge bei unterschiedlichen Flüssigkeitszuständen bewertet. Die Erprobungsergebnisse zeigen die potentielle Anwendbarkeit des Verfahrens für die industrielle Nutzung. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen für die Automatisierung eines Schlüsselprozesses geschaffen, der die zukünftige Produktion ultra-dünner Siliziumsubstrate und deren Handhabung aus Prozessflüssigkeiten heraus ermöglicht. Es wird ein hoher Erfüllungsgrad der an das Verfahren gestellten Anforderungen aufgezeigt. Synergien des automatisierten Handhabungsverfahrens lassen sich aus den eigens entwickelten Teilsystemen der Greifpunktbestimmung und der Handhabungsbewertung für die situative Prozesslenkung auf weitere, vergleichbare Anwendungsfälle übertragen.Item Open Access Ein Verfahren zur automatischen Erzeugung intelligenter Prozessüberwachungssysteme(2014) Kaupp, Markus; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Eine Voraussetzung für die Automatisierung von Produktionsprozessen ist die Existenz zuverlässiger Prozessüberwachungssysteme. Solche Systeme ermöglichen es, ungünstige Prozesszustände schnell zu erkennen. Prozessüberwachungssysteme erfassen Sensordaten aus dem zu überwachenden Prozess. Aus den Sensordaten wird - entweder nach starren Regeln oder mittels künstlicher Intelligenz - der aktuelle Prozesszustand abgeleitet. Die intelligenten Systeme gelten dabei als die leistungsfähigere Variante. Bisher ist die Erstellung intelligenter Prozessüberwachungssysteme sehr zeitaufwändig und erfordert ein hohes Maß an Expertenwissen. Dies ist ein Hemmnis für den flächendeckenden Einsatz solcher Systeme. In dieser Arbeit wird ein Verfahren für die automatische Erzeugung intelligenter Prozessüberwachungssysteme für beliebige zyklische Fertigungsprozesse vorgestellt. Für die Umsetzung wurde ein generisches Prozessüberwachungssystem implementiert. Dieses bietet die Infrastruktur fürdie Datenerfassung und die benötigten Datenflüsse. Das System enthält zunächst keine Logik für die Verarbeitung und Bewertung der erfassten Daten. Diese Logik wird von außen in Form eines Analysemodells vorgegeben. Solch ein Analysemodell ist eine Verarbeitungskette, die aus aufeinander abgestimmten Verfahren für die Signalverarbeitung, die Kenngrößenbildung, die Kenngrößenselektion und die Klassifikation besteht. Durch Setzen eines geeigneten Analysemodells lässt sich das generische Prozessüberwachungssystem an jeden Fertigungsprozess anpassen. Mit diesem Konzept ist das Erzeugen eines Prozessüberwachungssystems für einen Fertigungsprozess ein Optimierungsproblem: Man sucht dasjenige Analysemodell, das das generische Prozessüberwachungssystem am besten an den Fertigungsprozess anpasst. Für die Lösung dieses Optimierungsproblems wurde ein Optimierungsverfahren mit dem Namen Artificial-Bee-Colony-Optimierung gewählt. Im Rahmen der hier beschriebenen Arbeit wurde diesesOptimierungsverfahren entscheidend erweitert, sodass es auf die gegebene Problemstellung angewandt werden konnte.