Universität Stuttgart
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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 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 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.Item Open Access Eine webbasierte Integrations- und Testplattform zur Unterstützung des verteilten Entwicklungsprozesses von komplexen Serviceroboter-Applikationen(2014) Reiser, Ulrich; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die Entwicklung von Robotersystemen zeichnet sich aus durch einen immer größeren Anteil der Integration bestehender Technologien unter anderem aus den Bereichen Automatisierungstechnik, Maschinenbau und Informatik. Insbesondere für komplexe Serviceroboter, die in dynamischen und unstrukturierten Umgebungen eingesetzt werden und daher mit einer Vielzahl von Soft- und Hardwarekomponenten ausgestattet sind, werden Methoden zur Vereinfachung der Systemintegration benötigt. Der Bedarf an Abstraktion der Komplexität besteht umso mehr, als diese Systeme in der Regel in multi-disziplinären Teams an verteilten Standorten entwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden und Konzepte zur Vereinfachung des Entwicklungs- und Integrationsprozesses von komponenten-basierten Applikationen auf komplexen Servicerobotern mit verteilten Rechnerarchitekturen vorgestellt. Zur Identifikation der Besonderheiten der Roboterentwicklung werden typische Entwicklungsszenarien in derServicerobotik- Forschung analysiert. Neben der Konzeption eines Vorgehensmodells für die verteilte Entwicklung und Integration stehen Technologien zur Abstraktion der Deployment-Aktivitäten im Fokus, die die werkzeuggestützte Installation und Aktualisierung, die Konfiguration für das Zielsystem, die Zielumgebung und eventuelle Nutzerpräferenzen sowie die Bedienung der Applikation umfassen. Durch diese Technologien und Konzepte soll eine Verbesserung der Rollentrennung von Komponentenentwicklern, Applikationsentwicklern und Systemintegratoren sowie die Effizienzsteigerung des Integrationsprozesses durch räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten erzielt werden. Als Basis für die Konzeption der abstrakten Deployment-Werkzeuge wird unter anderem eine erweiterbare domänenspezifische Sprache zur Ressourcenmodellierung des Zielsystems "komplexer Serviceroboter" und eine abstrakte Laufzeitumgebung zum hardwareunabhängigen Zugriff aufRobotersysteme entwickelt. Die einzelnen Deployment-Werkzeuge zur Planung, Installation, Konfiguration und Aktivierung werden in Form einer webbasierten Integrations- und Testplattform als geschlossene Deployment-Werkzeugkette integriert. Zur quantitativen Evaluierung der entwickelten Werkzeuge wird zunächst eine mathematische Formulierung des Integrationsaufwands auf der Basis von Kostenschätzmodellen der Softwaretechnik erstellt. Mit Hilfe dieser Evaluierungsmethodik wird am Beispiel eines großen Verbundforschungsprojektes die Effektivität der entwickelten Werkzeuge nachgewiesen. Die räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten sowie die damit einhergehende Verbesserung der Rollentrennung der einzelnen Entwickler wird durch graphische Auswertungen anschaulich belegt.Item Open Access 3-D-Umgebungserfassung für teil-autonome mobile Roboter(2014) Arbeiter, Georg; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die Servicerobotik hat in den letzten Jahren sowohl durch kostengünstige Sensorik und Aktorik als auch durch verbesserte Algorithmen einen großen Schritt nach vorne gemacht. Dabei hat sich gerade die Wahrnehmung als eine Schlüsseltechnologie für eine erfolgreiche Weiterentwicklung herauskristallisiert. Leistungsfähige 3-D-Kameras und effiziente Verfahren zur Sensordatenverarbeitung ermöglichen es Robotern, ihre Umwelt wahrzunehmen, zu interpretieren und darauf basierend Handlungen abzuleiten. Trotz dieser Fortschritte ist ein voll-autonomer Betrieb von mobilen Robotern in für Menschen gemachten Umgebungen mittelfristig nicht möglich. Ein Hauptgrund dafür ist die Vielzahl nicht vorhersehbarer Ausnahmefälle, mit denen ein Roboter in einem nur teilweise bekannten und dynamischen Umfeld konfrontiert wird. Diese Arbeit behandelt die Erfassung der Umwelt mit 3-D-Kameras im teil-autonomen Betrieb. Ziel ist es, ein Umgebungsmodell zu erzeugen, das sowohl für die autonomen Funktionen des Roboters wie Navigation oder Manipulation verwendet werden kann als auch eine Hilfe für einen menschlichen Teleoperator bietet. Dadurch stellen sich besondere Anforderungen an die verwendete Repräsentation. Diese muss sowohl vom Roboter als auch vom Bediener verstanden werden. Weiterhin ist die Umwandlung der Sensordaten in die Repräsentation durch ein geeignetes Verfahren ein Kernpunkt dieser Arbeit. Dieses Verfahren muss nicht nur ein Modell der Umwelt mit ausreichender Genauigkeit erzeugen, sondern auch eine entsprechende Verarbeitungsgeschwindigkeit für den Einsatz auf einem Roboter ermöglichen. Nach der Aufstellung von Anforderungen wird ein Verfahren zur \umerf konzipiert und umgesetzt. Dieses erzeugt ein hybrides Umgebungsmodell, bestehend aus einer Punkte- und einer Geometriekarte. Die Punktrepräsentation kann vom Roboter für die Hindernisvermeidung während Navigation und Manipulation verwendet werden, besitzt jedoch ein großes Datenvolumen und lässt sich schwer visualisieren. Deswegen werden aus den Sensordaten geometrische Primitive abgeleitet und in einer Geometriekarte gespeichert. Dies führt zu einer hohen Datenkompression ohne den Verlust wichtiger Information. Diese Repräsentation lässt sich gut zu einem menschlichen Bediener übertragen und dort anzeigen. Die Ableitung geometrischer Basisformen wie Ebenen oder Zylinder nimmt einen Großteil dieser Arbeit ein. Zunächst werden Filter für die von den 3-D-Kameras ausgegebenen Punktwolken betrachtet. Diese können Rauschen eliminieren oder die Dichte der Punktwolke beeinflussen. Im nächsten Schritt werden die Sensordaten in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Dies ist notwendig, da sowohl die Sensordaten als auch die Roboterposition mit Fehlern behaftet sind. Die registrierten Punktwolken werden im nächsten Schritt segmentiert. Hierbei kommt ein Verfahren zum Flächenwachstum auf Basis von Normalenvektoren zum Einsatz. Die entstehenden Segmente können anhand geometrischer Eigenschaften in Basisgeometrien klassifiziert werden. Diese werden abschließend in einer Geometriekarte vereint. Für alle Teilschritte erfolgt eine Evaluierung gegenüber Verfahren aus dem Stand der Technik hinsichtlich Genauigkeit und Rechengeschwindigkeit. Abschließend erfolgt die Validierung der Funktionsweise anhand typischer Innenraumszenen und die Veranschaulichung durch ein Anwendungsbeispiel.Item Open Access Efficient combination of topology and parameter optimization(2014) Lin, Yusheng; Sun, Zheng; Dadalau, Alexandru; Verl, AlexanderThis paper presents a combination method of Particle Swarm Optimization (PSO) and topology optimization. With this method a better result can be achieved compared with the sequential ap-plication of the two optimization methods. It inherits the ability in finding global optimum from PSO and also suits for discretized design domain. Some special schemes are used in order to provide higher computation efficiency. This method has only been tested with a convex optimization problem. The application in case of a concave problem will be a future study.Item Open Access Verfahren zur Bewertung von Greifern für Photovoltaik-Wafer(2014) Fischmann, Christian; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Der enorme Ausbau der Produktionskapazitäten der Photovoltaik-Industrie in den vergangenen Jahren hat auch die Anforderungen an den Maschinen- und Anlagenbau erhöht. Die Automatisierung in der Fertigung von Solarzellen spielt dabei zur Sicherung von Qualität und Ausbeute und somit auch für die Kostenreduktion eine entscheidende Rolle. Die sich erhöhenden Materialtransportintensitäten zwischen den einzelnen Prozessschritten stellen dabei eine nicht zu vernachlässigende Herausforderung dar: Die zunehmend dünneren und fragilen Substrate bei verkürzten Zykluszeiten bringen insbesondere die Handhabung an deren physikalische Grenzen. Vor diesem Hintergrund gewinnt eine Bewertung der Leistungsfähigkeit von Handhabungskomponenten verstärkt an Bedeutung. Die Ausgangssituation zeigt, dass in der Zellfertigung aktueller Fertigungslinien insbesondere die greiferbasierte Handhabung mit Pick-and-Place-Charakter bereits parallel eingesetzt wird, um den hohen Durchsätzen gerecht zuwerden. Hierbei muss der Aufnahme- und Ablagevorgang so schnell und schädigungsarm durchgeführt werden, dass sowohl der geforderte Durchsatz, wie auch die erforderliche Qualität erreicht werden können. Durch diese Randbedingungen sind neue und erhöhte Anforderungen an die Greiferauswahl und die optimale Parametereinstellung des eingesetzten Greifers zu stellen. Die vorliegende Arbeit beschreibt ein neues, angepassten Verfahren für die Leistungsbewertung von Greifern für Silizium-Wafer. Im Vordergrund steht die Entwicklung eines objektiven und herstellerunabhängigen Bewertungsverfahrens für Greifer, die insbesonders in der Zell- und Modulfertigung eingesetzt werden. Das zu entwickelnde Verfahren kann sowohl von Zellherstellern, Anlagen- und Maschinenbauern, aber auch von Komponentenlieferanten eingesetzt werden. Das daraus resultierende Ergebnis soll eine optimale Entscheidungshilfe für den Anwender darstellen aber auch eine adäquate, neutrale Klassifizierung der getestetenGreifer ermöglichen.Item Open Access Semantische Wiki-Systeme in der wandlungsfähigen Produktion(2014) Zapp, Matthias; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Europäische Produktionsunternehmen nehmen weltweit eine führende Rolle bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen und an Kundenanforderungen angepassten Gütern ein. Zur Erhaltung und zum Ausbau ihrer Wettbewerbsfähigkeit müssen diese Unternehmen die Attraktivität ihres Angebots und ihre Reaktionsfähigkeit auf die sich immer schneller ändernden Anforderungen und Markbedingungen kontinuierlich verbessern. Hierzu müssen die eingesetzten Produktionssysteme, als soziotechnische Gesamtsysteme, über Wandlungsfähigkeit verfügen. Dies verlangt, zum einen, nach flexiblen und rekonfigurierbaren Maschinen in der Produktion und, zum anderen, nach leistungsfähigen und flexibel einsetzbaren Mitarbeitern. Diese benötigen für die Lösung von immer komplexeren und schneller wechselnden Aufgabenstellungen ein gestiegenes Maß an Daten, Informationen und Wissen, welches in unterschiedlichen Kontexten anwendbar ist. Als Folge steigt die Bedeutung von Methoden und Werkzeugen zur Verbesserungdes Wissensmanagements in produzierenden Unternehmen. Am Markt existiert bereits eine Vielzahl von IT-Werkzeugen zum Wissensmanagement, die jedoch in der Produktion und insbesondere in KMU auf Grund ihrer fehlenden Flexibilität und Anpassbarkeit sowie wegen ihres hohen Ressourcenbedarfs nicht verbreitet sind. Für die Verbesserung des Wissensmanagements der Mitarbeiter in der Produktion sind Systeme zu entwickeln, welche die spezifischen Anforderungen in wandlungsfähigen Produktionssystemen und in KMU erfüllen. Das in dieser Arbeit vorgestellte Lösungskonzept stellt einen Bauplan und einen Leitfaden für die Entwicklung organisationsspezifischer semantischer Wissensmanagementsysteme in wandlungsfähigen Produktionssystemen bei KMU dar. Die Systemarchitektur beschreibt die Systemkomponenten des Wissensmanagementsystems und ordnet diese anhand von drei funktionalen Ebenen an. In der Präsentations- und Anwendungsebene wird ein Semantisches Wiki-System eingesetzt. Dieses ermöglicht denMitarbeitern die flexible Erfassung, die semantische Verknüpfung und die Anfrage von heterogenen Informationsobjekten. Für die Unterstützung komplexerer Arbeitsabläufe können zudem Anwendungsmodule als Web-Anwendungen entwickelt und in das Wiki-System integriert werden. Die mit der Präsentations- und Anwendungsebene verbundene Integrations- und Auswertungsebene umfasst eine semantische Middleware, welche alle im System vorhandenen Informations- und Datenobjekte verknüpft und auswertet. Das System verwendet hierfür ein Wissensmodell. Dieses wird als Ontologie implementiert und umfasst die Metadaten der Systemdomäne, deren semantische Verknüpfungen sowie formalisiertes maschinenverständliches Expertenwissen in Form von Regeln. Die Extraktions- und Aggregationsebene als dritte Systemebene besteht aus verteilten semantischen Datenadaptern zur Übertragung und zur semantischen Annotation von Datenobjekten wie Rezepten und Reports aus den Informationssystemen in der Produktion. Das indieser Arbeit entwickelte Lösungskonzept wurde anhand von zwei praktischen Fallbeispielen erprobt. Zusätzlich wurde das Lösungskonzept anhand von Anforderungen bewertet, die in Wissenschaft und Praxis diskutiert werden. Als Ergebnis ist festzuhalten, dass die in dieser Arbeit entwickelte Systemarchitektur die Anforderungen in wandlungsfähigen Produktionssystemen bei KMU erfüllt. Insbesondere ist das System flexibel, durch Mitarbeiter in der Produktion anpassbar und hiermit für den Einsatz in turbulentem Umfeld geeignet. Für die Erfassung großer und komplexer Datenmengen aus der Produktions-IT ist das System jedoch in seiner hier vorgestellten Form nicht ausgelegt. Das komplementäre Vorgehensmodell benennt die notwendigen Aktivitäten für die Anwendung des Systemkonzeptes in produzierenden KMU. Hierbei stehen die Anpassung des erweiterbaren Wissensmodells und die Anwendung des semantischen Schnittstellenmoduls im Fokus. Die im Vorgehensmodell referenzierten Methoden und Werkzeugesind für die Anwendung in KMU besonders geeignet und ermöglichen die Entwicklung und Nutzung des Systems mit geringem Ressourcenaufwand.Item Open Access Aufgabenangepasste, kontrollierte Oberflächenextraktion aus 3D-Computertomographiedaten(2014) Kroll, Julia; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Mit der industriellen Computertomographie (CT) steht der modernen Qualitätssicherung ein Instrument zur Verfügung, das die zerstörungsfreie und vollständige Erfassung von Bauteilen ermöglicht. Als Ergebnis liefert sie 3D-Volumendaten mit allen geometrischen und materialbezogenen Strukturen, welche die Basis für verschiedenste Anwendungsbereiche der Qualitätskontrolle darstellen. Deshalb wird die CT heutzutage bereits an vielen Stellen im Produktentstehungsprozess zur Qualitätsprüfung, aber auch zunehmend für die dimensionelle Messung von Bauteilen eingesetzt. Um derartige messtechnische Auswertungen durchführen zu können, bedarf es der Bestimmung von 3D-Oberflächendaten, welche die Materialgrenzen des zu untersuchenden Bauteils beschreiben. Aktuelle Standardverfahren hierzu weisen in der Praxis jedoch entscheidende Nachteile auf, die dazu führen, dass die CT als Messverfahren für viele Bauteiltypen und Mess- und Prüfaufgabenstellungen bislang nicht anwendbar ist oder einer Vielzahl zusätzlicher Bearbeitungsschritte bedarf, um speziellen Anforderungen gerecht zu werden. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Vorgehen zur Extraktion von 3D-Oberflächen aus CT-Daten entwickelt, welches es ermöglicht, regionsabhängig und an die jeweilige Mess- oder Prüfaufgabe angepasst Grenzflächen zu ermitteln. Ziel ist es, dass der Anwender nach Eingabe der für seine Messaufgabe relevanten Anforderungen direkt das passende Oberflächenmodell erhält. Sowohl Vor- als auch Nachbearbeitungsschritte werden hierbei überflüssig. Die Anzahl der Eingabeparameter soll gering und benutzerfreundlich gehalten und, wenn möglich, automatisiert werden. Dieses Verfahren zur kontrollierten, aufgabenangepassten Oberflächenextraktion aus volumetrischen CT-Daten bietet die Möglichkeit zur Lösung einer Vielzahl von messtechnischen Problemstellungen für verschiedene Bauteiltypen und stellt sich damit aktuellen und zukünftigen Herausforderungen an die industrielle CT-Technologie.Item Open Access Unterstützung der Werkstückhandhabung kooperierender Industrieroboter durch Kraftregelung(2014) Spiller, Alexander; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Kooperierende Industrieroboter weisen Unzulänglichkeiten bei der Handhabung von gemeinsam getragenen, steifen Werkstücken auf. Werkstücke werden durch Kalibrierfehler, begrenzte Bahntreue und Werkstücktoleranzen beim lastteilenden Transport durch kooperierende Roboter unnötigen Verspannungen ausgesetzt. Darüber hinaus werden die Roboter über das erforderliche Maß hinaus belastet und sind einem größeren Verschleiß unterworfen. Durch Kraftregelung kann dieser Effekt reduziert werden. In der Arbeit wird zunächst eine Analyse des Gesamtprozesses durchgeführt. Teilprozesse werden identifiziert und klassifiziert. Es erfolgt eine simulative Untersuchung des Einflusses von Kalibrierfehlern, Werkstücktoleranzen und Schleppfehlern auf den Handhabungsprozess. Anschließend wird ein flexibles Kraftregelungsmodul entwickelt, das während des Greifens, des Transports und des Ablegens eines Werkstücks eingesetzt werden kann. Die Arbeit schließt mit experimentellen Untersuchungen, in denendie Wirksamkeit der entwickelten Strategien bewiesen wird.