Impulsbasierte Dynamiksimulation von Mehrkörpersystemen in der virtuellen Realität

Die dynamische Simulation gewinnt im Bereich der virtuellen Realität immer mehr an Bedeutung. Sie ist ein wichtiges Hilfsmittel, um den Grad der Immersion des Benutzers in eine virtuelle Welt zu erhöhen. In diesem Anwendungsbereich ist die Geschwindigkeit des verwendeten Simulationsverfahrens entscheidend. Weitere Anforderungen an das Verfahren sind unter anderem Genauigkeit, Stabilität und eine einfache Implementierung. In dieser Arbeit wird ein neues impulsbasiertes Verfahren für die dynamische Simulation von Mehrkörpersystemen vorgestellt. Dieses erfüllt, im Gegensatz zu klassischen Verfahren, alle Anforderungen der virtuellen Realität. Das vorgestellte Verfahren arbeitet ausschließlich mit Impulsen, um mechanische Gelenke, Kollisionen und bleibende Kontakte mit Reibung zu simulieren

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

Kollisionserkennung für echtzeitfähige Starrkörpersimulationen in der Industrie- und Servicerobotik

Die mechanisch plausible Simulation von Robotern und deren Arbeitsumgebungen ist in der Industrie- und Service-Robotik ein zunehmend wichtiges Werkzeug bei der Entwicklung und Erprobung neuer Hardware und Algorithmen. Ebenso sind Simulationsanwendungen oftmals eine kostengünstige und vielseitig einsetzbare Alternative, sofern die Beschaffung echter Roboter unrentabel ist, oder Hardware und Arbeitsumgebung nur mit großer zeitlicher Verzögerung zur Verfügung stehen würden. Besonders wichtig sind Mechanik-Simulationen für Anwendungsfälle, in denen die direkte mechanische Interaktion von Objekten miteinander beziehungsweise der Arbeitsumgebung selbst im Vordergrund stehen, wie etwa in der Greifplanung oder der Ermittlung kollisionsfreier Bewegungsabläufe. Bei welcher Art von Szenarien der Einsatz von Mechanik-Simulationen sinnvoll ist und inwieweit die Möglichkeiten solcher Simulations-Werkzeuge ein geeigneter Ersatz für eine reale Arbeitsumgebung sein können, hängt sowohl von den technischen Besonderheiten dieser Werkzeuge, als auch von den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebiets ab. Die wichtigsten Kriterien sind dabei: Die zur Umsetzung der jeweiligen Aufgabe nötige oder gewünschte geometrische Präzision bei der Modellierung von Objekten in einer Simulation, ie bei der Simulation mechanischem Verhaltens berücksichtigten Eigenschaften und Phänomene (etwa durch die Berücksichtigung von Verformungsarbeit oder tribologischer Eigenschaften), und die Fähigkeit, eine Simulation in oder nahe Echtzeit betreiben zu können (d. h. innerhalb von Laufzeitgrenzen, wie sie auch durch die reale Entsprechung eines simulierten Systems gegeben sind). Die Fähigkeit zum Echtzeit-Betrieb steht dabei in Konflikt mit der geometrischen und mechanischen Präzision einer Simulation. Jedoch ist es gerade die Kombination aus diesen drei Kriterien, die für Szenarien mit einem hohen Anteil mechanischer Interaktion zwischen aktiv durch einen Benutzer gesteuerten Aktorik und einer simulierten Arbeitsumgebung besonders wichtig sind: Im Speziellen gilt das für Simulationssysteme, die zur Steuerung simulierter Roboter-Hardware dieselben Hardware- oder Software-Steuerungen verwenden, die auch für die realen Entsprechungen der betrachteten Systeme verwendet werden. Um einen Betrieb innerhalb sehr kurzer Iterationszeiten gewährleisten zu können, muss eine Mechanik-Simulation zwei Teilaufgaben effizient bewältigen können: Die Überprüfung auf Berührung und Überschneidung zwischen simulierten Objekten in der Kollisionserkennung in komplex strukturierten dreidimensionalen Szenen, und die Gewährleistung einer numerisch stabilen Lösung des zugrundeliegenden Gleichungssystems aus der klassischen Mechanik in der Kollisionsbehandlung. Die Kollisionserkennung erfordert dabei gegenüber der Kollisionsbehandlung ein Vielfaches an Laufzeit-Aufwand, und ist dementsprechend die Komponente einer jeden echtzeitfähigen Mechanik-Simulation mit dem größten Optimierungspotential und -bedarf: Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Kombination existierender Ansätze zur Kollisionserkennung unter weitgehender Vermeidung von deren Nachteilen. Dazu sollen ausgehend von Erfahrungen einer Projektstudie aus der Industrie-Robotik die speziellen Anforderungen an echtzeitfähige Mechanik-Simulationen beim Einsatz in dieser und verwandten Disziplinen hergeleitet und den Möglichkeiten und Einschränkungen existierender Simulations-Lösungen gegenüber gestellt werden. Basierend auf der Analyse existierender Kollisionserkennnungs-Verfahren soll im weiteren Verlauf der Arbeit eine alternative Möglichkeit zur Bewältigung dieser laufzeitaufwendigen Aufgabe auf Basis der Verwendung massiv paralleler Prozessor-Architekturen, wie sie in Form programmierbarer Grafik-Prozessoren (GPUs) kostengünstig zur Verfügung stehen, erarbeitet und umgesetzt werden

Impulsbasierte Dynamiksimulation von Mehrkörpersystemen in der virtuellen Realität

Die dynamische Simulation gewinnt im Bereich der VR immer mehr an Bedeutung. In diesem Bereich ist die Geschwindigkeit des verwendeten Verfahrens entscheidend. Weitere Anforderungen sind unter anderem Genauigkeit, Stabilität und eine einfache Implementierung. In dieser Arbeit wird ein neues Verfahren für die Simulation von Mehrkörpersystemen vorgestellt. Das vorgestellte Verfahren arbeitet ausschließlich mit Impulsen, um Gelenke, Kollisionen und bleibende Kontakte mit Reibung zu simulieren

Impulsbasierte Dynamiksimulation von Mehrkörpersystemen in der virtuellen Realität

Die dynamische Simulation gewinnt im Bereich der VR immer mehr an Bedeutung. In diesem Bereich ist die Geschwindigkeit des verwendeten Verfahrens entscheidend.Weitere Anforderungen sind unter anderem Genauigkeit, Stabilität und eine einfache Implementierung.In dieser Arbeit wird ein neues Verfahren für die Simulation von Mehrkörpersystemen vorgestellt. Das vorgestellte Verfahren arbeitet ausschließlich mit Impulsen, um Gelenke, Kollisionen und bleibende Kontakte mit Reibung zu simulieren

Faserbasierte Simulation von Humanhaar

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines faserbasierten parametrischen Haarmodells zur numerischen Simulation komplexer Faseranordnungen. Parametrisch bedeutet, dass neben Geometrieinformationen grundlegende, die Faserinteraktion beeinflussende Faktoren, wie Reibung, Temperatur, Luftfeuchte, Steifigkeit, Ladung, etc. mit in den Modellierungsprozess einfließen. Das Modell setzt sich aus zwei Hauptkomponenten zusammen: a) einem mechanischen Modell zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens bzw. der Deformation einer einzelnen Faser unter externen Belastungen und b) einem Interaktionsmechanismus, der Kontaktpunkte oder Durchdringungen zwischen den Fasern detektiert und durch Rückprojektion der Geschwindigkeiten in den Raum der zulässigen Systemzustände in ein lokal physikalisch korrektes Kontaktverhalten, unter Beachtung von Reibung, transformiert. Die korrekte Handhabung der Faser-Faser-Interaktionen ist der Schlüssel zur Volumenerhaltung in komplexen Faseranordnungen. Die Effizienz des Modells wird an einer Reihe komplexer numerischer Beispiele aufgezeigt. Darüber hinaus werden Algorithmen zur optischen Darstellung von komplexen Faseranordnungen, sowie zur Rekonstruktion von Frisuren aus groben Oberflächeninformationen, wie sie bspw. nach der Abtastung von Skulpturen vorliegen, entwickelt