620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
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In this contribution we present a novel approach to transform data from time-of-flight (ToF) sensors to be interpretable by Convolutional Neural Networks (CNNs). As ToF data tends to be overly noisy depending on various factors such as illumination, reflection coefficient and distance, the need for a robust algorithmic approach becomes evident. By spanning a three-dimensional grid of fixed size around each point cloud we are able to transform three-dimensional input to become processable by CNNs. This simple and effective neighborhood-preserving methodology demonstrates that CNNs are indeed able to extract the relevant information and learn a set of filters, enabling them to differentiate a complex set of ten different gestures obtained from 20 different individuals and containing 600.000 samples overall. Our 20-fold cross-validation shows the generalization performance of the network, achieving an accuracy of up to 98.5% on validation sets comprising 20.000 data samples. The real-time applicability of our system is demonstrated via an interactive validation on an infotainment system running with up to 40fps on an iPad in the vehicle interior.
Advances in Human-Robot Interaction" provides a unique collection of recent research in human-robot interaction. It covers the basic important research areas ranging from multi-modal interfaces, interpretation, interaction, learning, or motion coordination to topics such as physical interaction, systems, and architectures. The book addresses key issues of human-robot interaction concerned with perception, modelling, control, planning and cognition, covering a wide spectrum of applications. This includes interaction and communication with robots in manufacturing environments and the collaboration and co-existence with assistive robots in domestic environments. Among the presented examples are a robotic bartender, a new programming paradigm for a cleaning robot, or an approach to interactive teaching of a robot assistant in manufacturing environment. This carefully edited book reports on contributions from leading German academic institutions and industrial companies brought together within MORPHA, a 4 year project on interaction and communication between humans and anthropomorphic robot assistants.
Photolumineszenz (PL) aus Halbleiterstrukturen liefert Informationen bezüglich verschiedener Materialparameter wie z.B. Bandlücke, Schichtdicke sowie Temperatur. PL-Messungen werden klassischerweise erst ex situ und somit nach dem Produktionsprozess vorgenommen. Wird eine derartige PL-Messung während der Epitaxie einer Halbleiterstruktur und den damit verbundenen hohen Wachstumstemperaturen durchgeführt, erlaubt dies eine quasi-kontinuierliche In-situ-Charakterisierung der optoelektronischen Eigenschaften dieser Struktur zum frühestmöglichen Zeitpunkt, also noch in der Produktionsphase. Hierdurch wird eine In-situ-Optimierung der Prozessparameter ermöglicht, welche bei einer Ex-situ-Messung nicht gegeben ist. Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst theoretisch und dann anhand praktischer Messungen an industrienahen Epitaxie-Anlagen erstmals eine quasi-kontinuierliche In-situ-PL-Messung am Beispiel von wachsenden Nitrid-Halbleiterstrukturen. Über zeitaufgelöste PL-Messungen wird ein temperaturabhängiger Quenching-Mechanismus bei Gallium-Nitrid (GaN) und Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) aufgezeigt, welcher den Einsatz von gepulsten Lasern als PL-Anregungsquelle bei hohen Wachstumstemperaturen einer Epitaxie erforderlich macht. Mit In-situ-PL-Messungen können hierdurch erstmals verschiedene Parameter einer gerade wachsenden Halbleiterschicht charakterisiert werden. Neben der Bestimmung der Temperatur und der Schichtdicke einer wachsenden, auf InGaN basierten LED-Struktur wird auch die Möglichkeit demonstriert, in einem frühen Stadium des Wachstums einer LED-Struktur ihre spätere Emissionswellenlänge bei Raumtemperatur vorherzusagen, und dies mit einer Genauigkeit von ± 1,3 nm (2σ). Diese Arbeit zeigt somit neben den industriell etablierten Messtechniken, wie z.B. pyrometrische Verfahren, eine weitere Möglichkeit zur Prozessüberwachung einer Epitaxie auf.
In modernen Prüffeldern zur Warenendkontrolle dienen halbleitergesteuerte Frequenzumformer zur Einstellung der Drehzahl. Diese Systeme verursachen erhebliche Störungen der Strom- und Spannungssignale. Aus diesen Signalen müssen alle elektrischen Kenngrößen berechnet werden. Eine besondere Bedeutung haben dabei die Frequenz und Phasenlage. In diesem Beitrag wird ein mathematischer Algorithmus vorgestellt, der zur Berechnung von Frequenz und Phasenlage bei guter Unterdrückung dieser Störungen eingesetzt werden kann.
Die transurethrale Resektion der Prostata (TURP) ist ein Verfahren der Elektrochirurgie innerhalb der Urologie. Thema der Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik für realitätsnahe vergleichende Untersuchungen der elektrothermischen Vorgänge um Resektoskope zur bipolaren TURP. Die Relevanz dieses Themas liegt in der aktuellen Diskussion, ob elektrothermische Verletzungen eine mögliche Ursache urethraler Komplikationen darstellen. In diesem Kontext sind nicht die Vorgänge an der Resektionselektrode sondern in nicht behandelten Arealen des Operationsgebiets von Interesse. Bisher durchgeführte Untersuchungen konzentrieren sich auf monopolare Systeme. Untersuchte bipolare Elektrodenanordnungen unterscheiden sich allerdings von heutigen bipolaren Resektoskopen. Die vorhandenen Erkenntnisse sind deshalb nur äußerst eingeschränkt anwendbar. Informationen zu thermischen Vorgängen bezüglich Spätkomplikationen liegen nicht vor.
Der gewählte Ansatz aus messtechnischer Bestimmung der 3D Potentialverteilung ex situ sowie modellbasierter und numerischer Analyse der sich daraus ergebenden 3D Verlustleistungsdichteverteilung und der darauf beruhenden Temperaturberechnung im operationsnahen Gewebe ermöglicht ein auf die Realität übertragbares Ergebnis. Die berechnete Temperatur dient des Weiteren als Grundlage einer medizinischen Einschätzung hinsichtlich des Potentials elektrothermischer Verletzungen. Ergebnis der Arbeit ist, dass vergleichende Untersuchungen bipolarer Resektoskope mit der entwickelten Methodik durchführbar sind. Für die untersuchte bipolare Elektrodenanordnung erscheinen elektrothermische Verletzungen als Ursache urethraler Strikturen bei konservativer Betrachtung und unter durchschnittlichen Operationsbedingungen ohne intraoperative Komplikationen unwahrscheinlich.
This article describes the current state of our research on anthropomorphic robots. Our aim is to make the reader familiar with the two basic principles our work is based on: anthropomorphism and dynamics. The principle of anthropomorphism means a restriction to human-like robots which use version, audition and touch as their only sensors so that natural man-machine interaction is possible. The principle of dynamics stands for the mathematical framework based on which our robots generate their behavior. Both principles have their root in the idea that concepts of biological behavior and information processing can be exploited to control technical systems.
To enable a robotic assistant to autonomously reach for and transport objects while avoiding obstacles we have generalized the attractor dynamics approach established for vehicles to trajectory formation in robot arms. This approach is able to deal with the time-varying environments that occur when a human operator moves in a shared workspace. Stable fixed-points (attractors) for the heading direction of the end-effector shift during movement and are being tracked by the system. This enables the attractor dynamics aoproach to avoid the spurious states that hamper potential field methods. Separating planning and control computationally, the approach is also simpler to implement. The stability properties of the movement plan enable to approach to deal with fluctuating and imprecise sensory information. We implement this approach on a seven degree of freedom anthropomorphic arm reaching for objects on a working surface. We use an exact solution of the inverse kinematics, which enables us to steer the spatial position of the elbow clear of obstacles. The straight-line trajectories of the end-effector that result far from obstacles make the movement goals of the robotic assistant predictable, improving man-machine interaction.
As service robotics research advances rapidly, availability of objective, reproducible test specifications and evaluation criteria and also of benchmarking is more and more felt to be desirable in the community. As a first step towards benchmarking, in this paper we propose a formalization of tests - exemplified for domestic grasp&place tasks. The underlying philosophy of our approach is to confront the robot system in a black-box manner with requirements of a “rational customer”, and characterize the performance of the system in an objective way by the outcomes of a test-suite tailored to this scenario. A formalized single test description consists of a clear and reproducible specification of the robot’s task and the full context on the one hand, and a number of figures which objectively characterize the test result on the other hand. We illustrate this methodology for the domestic assistance scenario.