GPU-accelerated large-eddy simulation of ship-ice interactions

This paper reports on the applicability of the Lattice Boltzmann based free surface flow solver elbe to the simulation of complex ship-ice interactions in marine engineering. In order to model the dynamics of these colliding rigid multi-body systems, elbe is coupled to the ODE physics engine. First, basic validations of the ODE collision and friction models are presented, particularly focusing on interacting triangle meshes that later will serve to describe the ice floes. Then, the basic methodology and initial validation of the fluid-structure coupling of elbe and ODE is presented. Finally, performance is addressed: As elbe uses graphics processing units (GPUs) to accelerate the numerical calculations, the coupled numerical tool allows for investigations of ship-ice interactions in very competitive computational time and on off-the-shelf desktop hardware

A GPU-Accelerated Approach to Static Stability Assessments for Pallet Loading in Air Cargo

The static stability constraint is one of the most important constraints in pallet loading and plays a substantial role when assembling safe and loadable palletizing layouts. Current approaches reach their limits as soon as additional complexity is added, which is a given in the practice of air cargo logistics, or when performance becomes important. As our central objective, we explore a new approach to calculate static stability more performantly and to cover more complexity by relaxing several simplifying assumptions. The approach is implemented in a prototype and builds on the emerging technology of graphical processing unit acceleration in combination with physics engines. We propose a new artifact design and summarize the how-to knowledge in the form of abstracted design principles. Our results demonstrate an improvement in terms of performance depending on the underlying hardware. We develop a conceptual model to assist future research in choosing a solution technology

An Evaluation of Open Source Physics Engines for Use in Virtual Reality Assembly Simulations

We present a comparison of five freely available physics engines with specific focus on robotic assembly simulation in virtual reality (VR) environments. The aim was to evaluate the engines with generic settings and minimum parameter tweaking. Our benchmarks consider the minimum collision detection time for a large number of objects, restitution characteristics, as well as constraint reliability and body inter-penetration. A further benchmark tests the simulation of a screw and nut mechanism made of rigid-bodies only, without any analytic approximation. Our results show large deviations across the tested engines and reveal benefits and disadvantages that help in selecting the appropriate physics engine for assembly simulations in VR

Physikbasierte mechanische Absicherung zur energieeffizienzorientierten Planung und Auslegung automatisierter Montageanlagen im Automobilbau

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode soll einen Beitrag zu einer energieeffizienzorientierten Produktionsplanung der Automobilmontage leisten. Dafür werden automatisierte Montageanlagen der Automobilproduktion und deren Entwicklungs– bzw. Planungsprozess im Hinblick einer ganzheitlichen produktlebenszyklusphasenübergreifenden Wirtschaftlichkeitsbetrachtung fokussiert. Im Kontext des digitalen Anlagenabsicherungsprozesses werden die produktionsprozessbezogenen Energieverbräuche automatisierter Montageanlagen mit Hilfe der physikbasierten Simulation komponentenbasiert modelliert und in Form einer Energiesignatur für einen Montageprozess abgebildet. Energieeffizienzsteigernde Maßnahmen werden unter Beibehaltung produktionstechnischer Rahmenbedingungen in das digitale Anlagenmodell eingepflegt, wodurch eine Reduzierung der Betriebskosten (Energiekosten) bei konstanter Ausbringung angestrebt wird. Die Kapitalwertmethode wird dabei zur Feststellung der wirtschaftlichen Sinnhaftigkeit der energieeffienzsteigernden Maßnahme verwendet, um dem erhöhten Aufwand der Entwicklungsphase den Nutzen der geringeren Betriebskosten der Nutzungsphase gegenüberzustellen. Damit stellt die vorgestellte Methode eine Erweiterung der bisherigen Vorgehensweise der mechanischen Absicherung automatisierter Montageanlagen im Vorfeld der Virtuellen Inbetriebnahme dar und soll Anlagenentwicklern als Entscheidungsunterstützung bei der Gestaltung eines energieeffizienten Anlagendesigns dienen.This work introduces a novel methodology to promote energy-efficient manufacturing in production planning of automobile assembly. Digital design and production planning processes of automated assembly systems for automobile production are considered, complemented by holistic economic analyses encompassing the entire product lifecycle. Energy demands of assembly system components are projected by the use of physics-based modeling capabilities in virtual validation procedures, yielding an energy-signature of assembly operations. Measures for increasing energy efficiency are implemented in the virtual model of the automated assembly system while retaining significant production parameters, thus aiming to reduce operating cost in terms of energy cost while maintaining constant output. Net present value (NPV) determines measures’ economic sense and balances monetary benefits gained through energy savings in the assembly system’s operating phase in comparison to higher investment costs for increased design efforts in its development phase. The novel methodology enhances the state-of-the-art procedure of mechanical design validation preceding virtual commissioning of automated assembly systems for automobile production. The methodology aims to support design decisions facilitating energy-efficient designs of automated assembly systems in early system development phases

Ανάπτυξη τεχνολογιών επαυξημένης πραγματικότητας στην ιατρική εκπαίδευση με προσομοιωτές

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε ένα πρωτοπόρο σύστημα εκπαίδευσης και αξιολόγησης βασικών δεξιοτήτων λαπαροσκοπικής χειρουργικής σε περιβάλλον Επαυξημένης Πραγματικότητας (ΕΠ). Το προτεινόμενο σύστημα αποτελεί μια πλήρως λειτουργική πλατφόρμα εκπαίδευσης η οποία επιτρέπει σε χειρουργούς να εξασκηθούν χρησιμοποιώντας πραγματικά λαπαροσκοπικά εργαλεία και αλληλεπιδρώντας με ψηφιακά αντικείμενα εντός ενός πραγματικού περιβάλλοντος εκπαίδευσης. Το σύστημα αποτελείται από ένα τυπικό κουτί λαπαροσκοπικής εκπαίδευσης, πραγματικά χειρουργικά εργαλεία, κάμερα και συστοιχία αισθητήρων που επιτρέπουν την ανίχνευση και καταγραφή των κινήσεων του χειρουργού σε πραγματικό χρόνο. Χρησιμοποιώντας το προτεινόμενο σύστημα, σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε σενάρια εκπαίδευσης παρόμοια με τις ασκήσεις του προγράμματος FLS®, στοχεύοντας σε δεξιότητες όπως η αίσθηση βάθους, ο συντονισμός χεριού-ματιού, και η παράλληλη χρήση δύο χεριών. Επιπλέον των βασικών δεξιοτήτων, το προτεινόμενο σύστημα χρησιμοποιήθηκε για τον σχεδιασμό σεναρίου εξάσκησης διαδικαστικών δεξιοτήτων, οι οποίες περιλάμβανουν την εφαρμογή χειρουργικών clips καθώς και την απολίνωση εικονικής αρτηρίας, σε περιβάλλον ΕΠ. Τα αποτελέσματα συγκριτικών μελετών μεταξύ έμπειρων και αρχαρίων χειρουργών που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διατριβής υποδηλώνουν την εγκυρότητα του προτεινόμενου συστήματος. Επιπλέον, εξήχθησαν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με την πιθανή χρήση της ΕΑ στην λαπαροσκοπική προσομοίωση. Η συγκεκριμένη τεχνολογία προσφέρει αυξημένη αίσθηση οπτικού ρεαλισμού και ευελιξία στον σχεδιασμό εκπαιδευτικών σεναρίων, παρουσιάζοντας σημαντικά μικρότερες απαιτήσεις από πλευράς εξοπλισμού σε σύγκριση με τις υπάρχουσες εμπορικές πλατφόρμες. Βάσει των αποτελεσμάτων της παρούσας διατριβής μπορεί με ασφάλεια να εξαχθεί το συμπέρασμα πως η ΕΠ αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό προσομοιωτών λαπαροσκοπικής χειρουργικής ως εναλλακτική των υπαρχόντων τεχνολογιών και συστημάτων.In this thesis we present what is, to the best of our knowledge, the first framework for training and assessment of fundamental psychomotor and procedural laparoscopic skills in an interactive Augmented Reality (AR) environment. The proposed system is a fully-featured laparoscopic training platform, allowing surgeons to practice by manipulating real instruments while interacting with virtual objects within a real environment. It consists of a standard laparoscopic box-trainer, real instruments, a camera and a set of sensory devices for real-time tracking of surgeons’ actions. The proposed framework has been used for the implementation of AR-based training scenarios similar to the drills of the FLS® program, focusing on fundamental laparoscopic skills such as depth-perception, hand-eye coordination and bimanual operation. Moreover, this framework allowed the implementation of a proof-of-concept procedural skills training scenario, which involved clipping and cutting of a virtual artery within an AR environment. Comparison studies conducted for the evaluation of the presented framework indicated high content and face validity. In addition, significant conclusions regarding the potentials of introducing AR in laparoscopic simulation training and assessment were drawn. This technology provides an advanced sense of visual realism combined with a great flexibility in training task prototyping, with minimum requirements in terms of hardware as compared to commercially available platforms. Thereby, it can be safely stated that AR is a promising technology which can indeed provide a valuable alternative to the training modalities currently used in MIS