Characterizing envelopes of moving rotational cones and applications in CNC machining

Motivated by applications in CNC machining, we provide a characterization of surfaces which are enveloped by a one-parametric family of congruent rotational cones. As limit cases, we also address ruled surfaces and their offsets. The characterizations are higher order nonlinear PDEs generalizing the ones by Gauss and Monge for developable surfaces and ruled surfaces, respectively. The derivation includes results on local approximations of a surface by cones of revolution, which are expressed by contact order in the space of planes. To this purpose, the isotropic model of Laguerre geometry is used as there rotational cones correspond to curves (isotropic circles) and higher order contact is computed with respect to the image of the input surface in the isotropic model. Therefore, one studies curve-surface contact that is conceptually simpler than the surface-surface case. We show that, in a generic case, there exist at most six positions of a fixed rotational cone that have third order contact with the input surface. These results are themselves of interest in geometric computing, for example in cutter selection and positioning for flank CNC machining.RYC-2017-2264

08221 Abstracts Collection -- Geometric Modeling

From May 26 to May 30 2008 the Dagstuhl Seminar 08221 ``Geometric Modeling\u27\u27 was held in the International Conference and Research Center (IBFI), Schloss Dagstuhl. During the seminar, several participants presented their current research, and ongoing work and open problems were discussed. Abstracts of the presentations given during the seminar as well as abstracts of seminar results and ideas are put together in this paper. The first section describes the seminar topics and goals in general. Links to extended abstracts or full papers are provided, if available

Robotic manipulation of cloth: mechanical modeling and perception

(Eng) In this work we study various mathematical problems arising from the robotic manipulation of cloth. First, we develop a locking-free continuous model for the physical simulation of inextensible textiles. We present a novel 'finite element' discretization of our inextensibility constraints which results in a unified treatment of triangle and quadrilateral meshings of the cloth. Next, we explain how to incorporate contacts, self-collisions and friction into the equations of motion, so that frictional forces and inextensibility and collision constraints may be integrated implicitly and without any decoupling. We develop an efficient 'active-set' solver tailored to our non-linear problem which takes into account past active constraints to accelerate the resolution of unresolved contacts and moreover can be initialized from any non-necessarily feasible point. Then, we embark ourselves in the empirical validation of the developed model. We record in a laboratory setting --with depth cameras and motion capture systems-- the motions of seven types of textiles (including e.g. cotton, denim and polyester) of various sizes and at different speeds and end up with more than 80 recordings. The scenarios considered are all dynamic and involve rapid shaking and twisting of the textiles, collisions with frictional objects and even strong hits with a long stick. We then, compare the recorded textiles with the simulations given by our inextensible model, and find that on average the mean error is of the order of 1 cm even for the largest sizes (DIN A2) and the most challenging scenarios. Furthermore, we also tackle other problems relevant to robotic cloth manipulation, such as cloth perception and classification of its states. We present a reconstruction algorithm based on Morse theory that proceeds directly from a point-cloud to obtain a cellular decomposition of a surface with or without boundary: the results are a piecewise parametrization of the cloth surface as a union of Morse cells. From the cellular decomposition the topology of the surface can be then deduced immediately. Finally, we study the configuration space of a piece of cloth: since the original state of a piece of cloth is flat, the set of possible states under the inextensible assumption is the set of developable surfaces isometric to a fixed one. We prove that a generic simple, closed, piecewise regular curve in space can be the boundary of only finitely many developable surfaces with nonvanishing mean curvature. Inspired on this result we introduce the dGLI cloth coordinates, a low-dimensional representation of the state of a piece of cloth based on a directional derivative of the Gauss Linking Integral. These coordinates --computed from the position of the cloth's boundary-- allow to distinguish key qualitative changes in folding sequences.(Esp) En este trabajo estudiamos varios problemas matemáticos relacionados con la manipulación robótica de textiles. En primer lugar, desarrollamos un modelo continuo libre de 'locking' para la simulación física de textiles inextensibles. Presentamos una novedosa discretización usando 'elementos finitos' de nuestras restricciones de inextensibilidad resultando en un tratamiento unificado de mallados triangulares y cuadrangulares de la tela. A continuación, explicamos cómo incorporar contactos, autocolisiones y fricción en las ecuaciones de movimiento, de modo que las fuerzas de fricción y las restricciones de inextensibilidad y colisiones puedan integrarse implícitamente y sin ningún desacoplamiento. Desarrollamos un 'solver' de tipo 'conjunto-activo' adaptado a nuestro problema no lineal que tiene en cuenta las restricciones activas pasadas para acelerar la resolución de los contactos no resueltos y, además, puede inicializarse desde cualquier punto no necesariamente factible. Posteriormente, nos embarcamos en la validación empírica del modelo desarrollado. Grabamos en un entorno de laboratorio -con cámaras de profundidad y sistemas de captura de movimiento- los movimientos de siete tipos de textiles (entre los que se incluyen, por ejemplo, algodón, tela vaquera y poliéster) de varios tamaños y a diferentes velocidades, terminando con más de 80 grabaciones. Los escenarios considerados son todos dinámicos e implican sacudidas y torsiones rápidas de los textiles, colisiones con obstáculos e incluso golpes con una varilla cilíndrica. Finalmente, comparamos las grabaciones con las simulaciones dadas por nuestro modelo inextensible, y encontramos que, de media, el error es del orden de 1 cm incluso para las telas más grandes (DIN A2) y los escenarios más complicados. Además, también abordamos otros problemas relevantes para la manipulación robótica de telas, como son la percepción y la clasificación de sus estados. Presentamos un algoritmo de reconstrucción basado en la teoría de Morse que procede directamente de una nube de puntos para obtener una descomposición celular de una superficie con o sin borde: los resultados son una parametrización a trozos de la superficie de la tela como una unión de celdas de Morse. A partir de la descomposición celular puede deducirse inmediatamente la topología de la superficie. Por último, estudiamos el espacio de configuración de un trozo de tela: dado que el estado original de la tela es plano, el conjunto de estados posibles bajo la hipótesis de inextensibilidad es el conjunto de superficies desarrollables isométricas a una fija. Demostramos que una curva genérica simple, cerrada y regular a trozos en el espacio puede ser el borde de un número finito de superficies desarrollables con curvatura media no nula. Inspirándonos en este resultado, introducimos las coordenadas dGLI, una representación de dimensión baja del estado de un pedazo de tela basada en una derivada direccional de la integral de enlazamiento de Gauss. Estas coordenadas -calculadas a partir de la posición del borde de la tela- permiten distinguir cambios cualitativos clave en distintas secuencias de plegado.Postprint (published version

Robotic manipulation of cloth: mechanical modeling and perception

(Eng) In this work we study various mathematical problems arising from the robotic manipulation of cloth. First, we develop a locking-free continuous model for the physical simulation of inextensible textiles. We present a novel 'finite element' discretization of our inextensibility constraints which results in a unified treatment of triangle and quadrilateral meshings of the cloth. Next, we explain how to incorporate contacts, self-collisions and friction into the equations of motion, so that frictional forces and inextensibility and collision constraints may be integrated implicitly and without any decoupling. We develop an efficient 'active-set' solver tailored to our non-linear problem which takes into account past active constraints to accelerate the resolution of unresolved contacts and moreover can be initialized from any non-necessarily feasible point. Then, we embark ourselves in the empirical validation of the developed model. We record in a laboratory setting --with depth cameras and motion capture systems-- the motions of seven types of textiles (including e.g. cotton, denim and polyester) of various sizes and at different speeds and end up with more than 80 recordings. The scenarios considered are all dynamic and involve rapid shaking and twisting of the textiles, collisions with frictional objects and even strong hits with a long stick. We then, compare the recorded textiles with the simulations given by our inextensible model, and find that on average the mean error is of the order of 1 cm even for the largest sizes (DIN A2) and the most challenging scenarios. Furthermore, we also tackle other problems relevant to robotic cloth manipulation, such as cloth perception and classification of its states. We present a reconstruction algorithm based on Morse theory that proceeds directly from a point-cloud to obtain a cellular decomposition of a surface with or without boundary: the results are a piecewise parametrization of the cloth surface as a union of Morse cells. From the cellular decomposition the topology of the surface can be then deduced immediately. Finally, we study the configuration space of a piece of cloth: since the original state of a piece of cloth is flat, the set of possible states under the inextensible assumption is the set of developable surfaces isometric to a fixed one. We prove that a generic simple, closed, piecewise regular curve in space can be the boundary of only finitely many developable surfaces with nonvanishing mean curvature. Inspired on this result we introduce the dGLI cloth coordinates, a low-dimensional representation of the state of a piece of cloth based on a directional derivative of the Gauss Linking Integral. These coordinates --computed from the position of the cloth's boundary-- allow to distinguish key qualitative changes in folding sequences.(Esp) En este trabajo estudiamos varios problemas matemáticos relacionados con la manipulación robótica de textiles. En primer lugar, desarrollamos un modelo continuo libre de 'locking' para la simulación física de textiles inextensibles. Presentamos una novedosa discretización usando 'elementos finitos' de nuestras restricciones de inextensibilidad resultando en un tratamiento unificado de mallados triangulares y cuadrangulares de la tela. A continuación, explicamos cómo incorporar contactos, autocolisiones y fricción en las ecuaciones de movimiento, de modo que las fuerzas de fricción y las restricciones de inextensibilidad y colisiones puedan integrarse implícitamente y sin ningún desacoplamiento. Desarrollamos un 'solver' de tipo 'conjunto-activo' adaptado a nuestro problema no lineal que tiene en cuenta las restricciones activas pasadas para acelerar la resolución de los contactos no resueltos y, además, puede inicializarse desde cualquier punto no necesariamente factible. Posteriormente, nos embarcamos en la validación empírica del modelo desarrollado. Grabamos en un entorno de laboratorio -con cámaras de profundidad y sistemas de captura de movimiento- los movimientos de siete tipos de textiles (entre los que se incluyen, por ejemplo, algodón, tela vaquera y poliéster) de varios tamaños y a diferentes velocidades, terminando con más de 80 grabaciones. Los escenarios considerados son todos dinámicos e implican sacudidas y torsiones rápidas de los textiles, colisiones con obstáculos e incluso golpes con una varilla cilíndrica. Finalmente, comparamos las grabaciones con las simulaciones dadas por nuestro modelo inextensible, y encontramos que, de media, el error es del orden de 1 cm incluso para las telas más grandes (DIN A2) y los escenarios más complicados. Además, también abordamos otros problemas relevantes para la manipulación robótica de telas, como son la percepción y la clasificación de sus estados. Presentamos un algoritmo de reconstrucción basado en la teoría de Morse que procede directamente de una nube de puntos para obtener una descomposición celular de una superficie con o sin borde: los resultados son una parametrización a trozos de la superficie de la tela como una unión de celdas de Morse. A partir de la descomposición celular puede deducirse inmediatamente la topología de la superficie. Por último, estudiamos el espacio de configuración de un trozo de tela: dado que el estado original de la tela es plano, el conjunto de estados posibles bajo la hipótesis de inextensibilidad es el conjunto de superficies desarrollables isométricas a una fija. Demostramos que una curva genérica simple, cerrada y regular a trozos en el espacio puede ser el borde de un número finito de superficies desarrollables con curvatura media no nula. Inspirándonos en este resultado, introducimos las coordenadas dGLI, una representación de dimensión baja del estado de un pedazo de tela basada en una derivada direccional de la integral de enlazamiento de Gauss. Estas coordenadas -calculadas a partir de la posición del borde de la tela- permiten distinguir cambios cualitativos clave en distintas secuencias de plegado

DEFORM'06 - Proceedings of the Workshop on Image Registration in Deformable Environments

Preface These are the proceedings of DEFORM'06, the Workshop on Image Registration in Deformable Environments, associated to BMVC'06, the 17th British Machine Vision Conference, held in Edinburgh, UK, in September 2006. The goal of DEFORM'06 was to bring together people from different domains having interests in deformable image registration. In response to our Call for Papers, we received 17 submissions and selected 8 for oral presentation at the workshop. In addition to the regular papers, Andrew Fitzgibbon from Microsoft Research Cambridge gave an invited talk at the workshop. The conference website including online proceedings remains open, see http://comsee.univ-bpclermont.fr/events/DEFORM06. We would like to thank the BMVC'06 co-chairs, Mike Chantler, Manuel Trucco and especially Bob Fisher for is great help in the local arrangements, Andrew Fitzgibbon, and the Programme Committee members who provided insightful reviews of the submitted papers. Special thanks go to Marc Richetin, head of the CNRS Research Federation TIMS, which sponsored the workshop. August 2006 Adrien Bartoli Nassir Navab Vincent Lepeti