Model reduction for the material point method via an implicit neural representation of the deformation map

This work proposes a model-reduction approach for the material point method on nonlinear manifolds. Our technique approximates the $\textit{kinematics}$ by approximating the deformation map using an implicit neural representation that restricts deformation trajectories to reside on a low-dimensional manifold. By explicitly approximating the deformation map, its spatiotemporal gradients -- in particular the deformation gradient and the velocity -- can be computed via analytical differentiation. In contrast to typical model-reduction techniques that construct a linear or nonlinear manifold to approximate the (finite number of) degrees of freedom characterizing a given spatial discretization, the use of an implicit neural representation enables the proposed method to approximate the $\textit{continuous}$ deformation map. This allows the kinematic approximation to remain agnostic to the discretization. Consequently, the technique supports dynamic discretizations -- including resolution changes -- during the course of the online reduced-order-model simulation. To generate $\textit{dynamics}$ for the generalized coordinates, we propose a family of projection techniques. At each time step, these techniques: (1) Calculate full-space kinematics at quadrature points, (2) Calculate the full-space dynamics for a subset of `sample' material points, and (3) Calculate the reduced-space dynamics by projecting the updated full-space position and velocity onto the low-dimensional manifold and tangent space, respectively. We achieve significant computational speedup via hyper-reduction that ensures all three steps execute on only a small subset of the problem's spatial domain. Large-scale numerical examples with millions of material points illustrate the method's ability to gain an order of magnitude computational-cost saving -- indeed $\textit{real-time simulations}$ -- with negligible errors

Automating Virtualization of Machinery for enabling efficient Virtual Engineering Methods

Virtual engineering as a new working method in product development should make it much easier to validate the development progress and facilitate team communication. Work steps are brought forward and start with the virtual components instead of real ones. To validate mechanical and electrical CAD as well as programming, automated virtualization systems should create the virtual twin of the machine at the push of a button. For this purpose, generic intelligence is added to enable complex interactive virtual models that can be used for training, monitoring and many other applications. Advanced applications are for example training and support applications, especially in combination with augmented reality and remote collaboration. We propose a system that combines virtual reality, virtual engineering and artificial intelligence methods for the product development process. Geometry analysis algorithms are used to process mechanical CAD data and thus, for example, to automatically parameterize kinematic simulations. In combination with electrical CAD data and the simulations of electric circuits as well as the original machine program allow simulating the behavior of the machine and the user interaction with it. This article will describe the virtualization method in detail and present various use-cases in special machine construction. It will also propose a novel method to use causal discovery in complex machine simulations

Workstation Configuration and Process Planning for RLW Operations

The application of Remote Laser Welding (RLW) has become an attractive assembly technology in various branches of industry, as it offers higher efficiency at lower costs compared to traditional Resistance Spot Welding (RSW) when high volumes of sheet metal assemblies are to be produced. However, the introduction of RLW technology raises multiple new issues in designing the configuration, the layout, and the behavior of the assembly system. Since configuring an RLW workstation and planning the welding process are closely interrelated problems, a hierarchical decision process must be applied where configuration and planning go hand in hand. The paper presents a hierarchical workflow forworkstation configuration and process planning for RLW operations, and proposes methods for solving the decision problems related to each step of this workflow. A software toolbox is introduced that has been developed to facilitate a semi-Automatic, mixed-initiative workstation design and t o guide the expert user throughout the configuration, planning, programming, evaluation, and simulation of the RLW workstation. A case study from the automotive industry is presented, where the software tools developed are applied to configuring and planning the behavior of an RLW workstation that replaces RSW technology in assembling a car door

Motion representation with spiking neural networks for grasping and manipulation

Die Natur bedient sich Millionen von Jahren der Evolution, um adaptive physikalische Systeme mit effizienten Steuerungsstrategien zu erzeugen. Im Gegensatz zur konventionellen Robotik plant der Mensch nicht einfach eine Bewegung und führt sie aus, sondern es gibt eine Kombination aus mehreren Regelkreisen, die zusammenarbeiten, um den Arm zu bewegen und ein Objekt mit der Hand zu greifen. Mit der Forschung an humanoiden und biologisch inspirierten Robotern werden komplexe kinematische Strukturen und komplizierte Aktor- und Sensorsysteme entwickelt. Diese Systeme sind schwierig zu steuern und zu programmieren, und die klassischen Methoden der Robotik können deren Stärken nicht immer optimal ausnutzen. Die neurowissenschaftliche Forschung hat große Fortschritte beim Verständnis der verschiedenen Gehirnregionen und ihrer entsprechenden Funktionen gemacht. Dennoch basieren die meisten Modelle auf groß angelegten Simulationen, die sich auf die Reproduktion der Konnektivität und der statistischen neuronalen Aktivität konzentrieren. Dies öffnet eine Lücke bei der Anwendung verschiedener Paradigmen, um Gehirnmechanismen und Lernprinzipien zu validieren und Funktionsmodelle zur Steuerung von Robotern zu entwickeln. Ein vielversprechendes Paradigma ist die ereignis-basierte Berechnung mit SNNs. SNNs fokussieren sich auf die biologischen Aspekte von Neuronen und replizieren deren Arbeitsweise. Sie sind für spike- basierte Kommunikation ausgelegt und ermöglichen die Erforschung von Mechanismen des Gehirns für das Lernen mittels neuronaler Plastizität. Spike-basierte Kommunikation nutzt hoch parallelisierten Hardware-Optimierungen mittels neuromorpher Chips, die einen geringen Energieverbrauch und schnelle lokale Operationen ermöglichen. In dieser Arbeit werden verschiedene SNNs zur Durchführung von Bewegungss- teuerung für Manipulations- und Greifaufgaben mit einem Roboterarm und einer anthropomorphen Hand vorgestellt. Diese basieren auf biologisch inspirierten funktionalen Modellen des menschlichen Gehirns. Ein Motor-Primitiv wird auf parametrische Weise mit einem Aktivierungsparameter und einer Abbildungsfunktion auf die Roboterkinematik übertragen. Die Topologie des SNNs spiegelt die kinematische Struktur des Roboters wider. Die Steuerung des Roboters erfolgt über das Joint Position Interface. Um komplexe Bewegungen und Verhaltensweisen modellieren zu können, werden die Primitive in verschiedenen Schichten einer Hierarchie angeordnet. Dies ermöglicht die Kombination und Parametrisierung der Primitiven und die Wiederverwendung von einfachen Primitiven für verschiedene Bewegungen. Es gibt verschiedene Aktivierungsmechanismen für den Parameter, der ein Motorprimitiv steuert — willkürliche, rhythmische und reflexartige. Außerdem bestehen verschiedene Möglichkeiten neue Motorprimitive entweder online oder offline zu lernen. Die Bewegung kann entweder als Funktion modelliert oder durch Imitation der menschlichen Ausführung gelernt werden. Die SNNs können in andere Steuerungssysteme integriert oder mit anderen SNNs kombiniert werden. Die Berechnung der inversen Kinematik oder die Validierung von Konfigurationen für die Planung ist nicht erforderlich, da der Motorprimitivraum nur durchführbare Bewegungen hat und keine ungültigen Konfigurationen enthält. Für die Evaluierung wurden folgende Szenarien betrachtet, das Zeigen auf verschiedene Ziele, das Verfolgen einer Trajektorie, das Ausführen von rhythmischen oder sich wiederholenden Bewegungen, das Ausführen von Reflexen und das Greifen von einfachen Objekten. Zusätzlich werden die Modelle des Arms und der Hand kombiniert und erweitert, um die mehrbeinige Fortbewegung als Anwendungsfall der Steuerungsarchitektur mit Motorprimitiven zu modellieren. Als Anwendungen für einen Arm (3 DoFs) wurden die Erzeugung von Zeigebewegungen und das perzeptionsgetriebene Erreichen von Zielen modelliert. Zur Erzeugung von Zeigebewegun- gen wurde ein Basisprimitiv, das auf den Mittelpunkt einer Ebene zeigt, offline mit vier Korrekturprimitiven kombiniert, die eine neue Trajektorie erzeugen. Für das wahrnehmungsgesteuerte Erreichen eines Ziels werden drei Primitive online kombiniert unter Verwendung eines Zielsignals. Als Anwendungen für eine Fünf-Finger-Hand (9 DoFs) wurden individuelle Finger-aktivierungen und Soft-Grasping mit nachgiebiger Steuerung modelliert. Die Greif- bewegungen werden mit Motor-Primitiven in einer Hierarchie modelliert, wobei die Finger-Primitive die Synergien zwischen den Gelenken und die Hand-Primitive die unterschiedlichen Affordanzen zur Koordination der Finger darstellen. Für jeden Finger werden zwei Reflexe hinzugefügt, zum Aktivieren oder Stoppen der Bewegung bei Kontakt und zum Aktivieren der nachgiebigen Steuerung. Dieser Ansatz bietet enorme Flexibilität, da Motorprimitive wiederverwendet, parametrisiert und auf unterschiedliche Weise kombiniert werden können. Neue Primitive können definiert oder gelernt werden. Ein wichtiger Aspekt dieser Arbeit ist, dass im Gegensatz zu Deep Learning und End-to-End-Lernmethoden, keine umfangreichen Datensätze benötigt werden, um neue Bewegungen zu lernen. Durch die Verwendung von Motorprimitiven kann der gleiche Modellierungsansatz für verschiedene Roboter verwendet werden, indem die Abbildung der Primitive auf die Roboterkinematik neu definiert wird. Die Experimente zeigen, dass durch Motor- primitive die Motorsteuerung für die Manipulation, das Greifen und die Lokomotion vereinfacht werden kann. SNNs für Robotikanwendungen ist immer noch ein Diskussionspunkt. Es gibt keinen State-of-the-Art-Lernalgorithmus, es gibt kein Framework ähnlich dem für Deep Learning, und die Parametrisierung von SNNs ist eine Kunst. Nichtsdestotrotz können Robotikanwendungen - wie Manipulation und Greifen - Benchmarks und realistische Szenarien liefern, um neurowissenschaftliche Modelle zu validieren. Außerdem kann die Robotik die Möglichkeiten der ereignis- basierten Berechnung mit SNNs und neuromorpher Hardware nutzen. Die physikalis- che Nachbildung eines biologischen Systems, das vollständig mit SNNs implementiert und auf echten Robotern evaluiert wurde, kann neue Erkenntnisse darüber liefern, wie der Mensch die Motorsteuerung und Sensorverarbeitung durchführt und wie diese in der Robotik angewendet werden können. Modellfreie Bewegungssteuerungen, inspiriert von den Mechanismen des menschlichen Gehirns, können die Programmierung von Robotern verbessern, indem sie die Steuerung adaptiver und flexibler machen