Ball-and-socket joint pose estimation using magnetic field

Roboy 3.0 is an open-source tendon-driven humanoid robot that mimics the musculoskeletal system of the human body. Roboy 3.0 is being developed as a remote robotic body - or a robotic avatar - for humans to achieve remote physical presence. Artificial muscles and tendons allow it to closely resemble human morphology with 3-DoF neck, shoulders and wrists. Roboy 3.0 3-DoF joints are implemented as ball-and-socket joints. While industry provides a clear solution for 1-DoF joint pose sensing, it is not the case for the ball-and-socket joint type. In this paper we present a custom solution to estimate the pose of a ball-and-socket joint. We embed an array of magnets into the ball and an array of 3D magnetic sensors into the socket. We then, based on the changes in the magnetic field as the joint rotates, are able to estimate the orientation of the joint. We evaluate the performance of two neural network approaches using the LSTM and Bayesian-filter like DVBF. Results show that in order to achieve the same mean square error (MSE) DVBFs require significantly more time training and hyperparameter tuning compared to LSTMs, while DVBF cope with sensor noise better. Both methods are capable of real-time joint pose estimation at 37 Hz with MSE of around 0.03 rad for all three degrees of freedom combined. The LSTM model is deployed and used for joint pose estimation of Roboy 3.0's shoulder and neck joints. The software implementation and PCB designs are open-sourced under https://github.com/Roboy/ball_and_socket_estimatorComment: Accepted at the International Symposium on Robotics Research (ISRR) 202

Розробка імітаційної моделі обгрунтування параметрів довгострокових контрактів з експлуатаційного утримання доріг

This paper reports a study into the main parameters of long-term contracts for the maintenance of roads. Weaknesses in existing methods and models of substantiation of the initial characteristics of contracts have been identified. It is established that the main reason for the transition to long-term contacts in the road sector is the need to improve the efficiency and effectiveness of road asset management. This determines the main goal to maintain the operational condition of all components of roads at a level that ensures the satisfaction of user requirements and contributes to the preservation of assets. A simulation model for substantiating the parameters of long-term contracts for road maintenance has been built, which makes it possible to simulate forecast assessments of the characteristics of contracts. Underlying this study is the Monte Carlo method, as well as the triangular law of distribution, models of deterioration and restoration of the condition of road elements. Taking into consideration these models, it was established that the error in justifying the parameters of long-term contracts according to the devised method is up to 10 %. The devised model was tested by applying the developed original LTCsimula program using an example of the section of a motorway with a length of 87.3 km with an average level of requirements. According to the results of the test, the assessment of the laws of distribution of value, as well as the amount of deductions and profits of a long-term contract, was carried out. The calculation results demonstrated the model’s capability to determine the strategies for the maintenance of roads, taking into consideration the risk of implementing a contract with an error of up to 3.9 %. The practical use of the devised simulation model makes it possible to improve the efficiency of operational maintenance of roads, as well as to save from 10 % to 40 % of the cost of road maintenanceВиконано дослідження основних параметрів довгострокових контрактів з експлуатаційного утримання доріг. Визначено слабкі місця в існуючих методах та моделях обґрунтування вихідних характеристик контрактів. Встановлено, що основною причиною переходу до довгострокових контактів в дорожньому секторі є потреба підвищення ефективності та результативності управління дорожніми активами. Це визначає основну мету – підтримку експлуатаційного стану всіх складових доріг на рівні, що забезпечує задоволення вимог користувачів та сприяє збереженню активів. Розроблено імітаційну модель обґрунтування параметрів довгострокових контрактів з експлуатаційного утримання доріг, яка дозволяє виконувати симуляцію прогнозних оцінок характеристик контрактів. В основу дослідження були покладені метод Монте-Карло, трикутний закон розподілу, моделі погіршення та відновлення стану елементів доріг. За рахунок врахування цих моделей встановлено, що похибка в обґрунтуванні параметрів довгострокових контрактів за розробленим методом складає до 10 %. Виконано апробацію розробленої моделі на базі авторської прогарами LTCsimula на прикладі ділянки автомобільної дороги протяжністю 87,3 км з середнім рівнем вимог. За результатами апробації було виконано оцінку законів розподілу вартості, суми утримань та прибутку довгострокового контракту. Результати розрахунків показали можливості моделі у визначенні стратегій експлуатаційного утримання доріг з урахуванням ризику здійснення контракту з похибкою до 3,9 %. Застосування розробленої імітаційної моделі на практиці дозволяє підвищити ефективність експлуатаційного обслуговування доріг, а також зберегти від 10 % до 40 % вартості обслуговування дорі

Determination of the decarbonized layer of high strength alloyed steel from the results of hardness measurements

Представлено використання методики визначення величини зневуглецьованого шару легованих високоміцних сталей за результатами вимірів твердості. На зразках з листового прокату легованої високоміцної сталі марки Armox 500T різними методами, а саме металографічними дослідженнями мікроструктури, аналізом хімічного складу, мікро- та макроіндентування отримано результати, які підтвердили ефективність запропонованої методикиThe use of a technique for determining the value of the decarbonized layer of highstrength alloy steels based on the results of hardness measurements is presente

Model and Training Method of the Resilient Image Classifier Considering Faults, Concept Drift, and Adversarial Attacks

Modern trainable image recognition models are vulnerable to different types of perturbations; hence, the development of resilient intelligent algorithms for safety-critical applications remains a relevant concern to reduce the impact of perturbation on model performance. This paper proposes a model and training method for a resilient image classifier capable of efficiently functioning despite various faults, adversarial attacks, and concept drifts. The proposed model has a multi-section structure with a hierarchy of optimized class prototypes and hyperspherical class boundaries, which provides adaptive computation, perturbation absorption, and graceful degradation. The proposed training method entails the application of a complex loss function assembled from its constituent parts in a particular way depending on the result of perturbation detection and the presence of new labeled and unlabeled data. The training method implements principles of self-knowledge distillation, the compactness maximization of class distribution and the interclass gap, the compression of feature representations, and consistency regularization. Consistency regularization makes it possible to utilize both labeled and unlabeled data to obtain a robust model and implement continuous adaptation. Experiments are performed on the publicly available CIFAR-10 and CIFAR-100 datasets using model backbones based on modules ResBlocks from the ResNet50 architecture and Swin transformer blocks. It is experimentally proven that the proposed prototype-based classifier head is characterized by a higher level of robustness and adaptability in comparison with the dense layer-based classifier head. It is also shown that multi-section structure and self-knowledge distillation feature conserve resources when processing simple samples under normal conditions and increase computational costs to improve the reliability of decisions when exposed to perturbations

Economics and Business Innovation

Матеріал, представлений у підручнику відображає сучасні проблеми впливу інновацій на підприємницьку діяльність бізнес-структур. У підручнику розглядаються питання впровадження інновацій в економічних системах, а також наводяться матеріали, що висвітлюють специфіку управління інноваційними процесами. Зокрема, в них розглядаються питання: генерування інновацій на підприємствах, реалізації цифрових трансформацій, інтенсифікації бізнес-процесів в умовах сучасних промислових революцій, формування інноваційних моделей ведення бізнесу, а також інші актуальні в сьогоднішніх умовах питання. Підручник призначений для викладачів і студентів, а також може бути використаний керівниками підприємств, фахівцями та бізнесменами в їх практичній діяльності.The material presented in the textbook reflects modern problems of the influence of innovations on the entrepreneurial activity of business structures. The textbook examines the issues of introducing innovations in economic systems, as well as provides materials highlighting the specifics of managing innovation processes. In particular, they consider the following issues: generation of innovations at enterprises, implementation of digital transformations, intensification of business processes in the conditions of modern industrial revolutions, formation of innovative business models, as well as other issues relevant in today's conditions. The textbook is intended for teachers and students, and can also be used by enterprise managers, specialists and businessmen in their practical activities

Humanoid robots to mechanically stress human cells grown in soft bioreactors

For more than 20 years, robotic bioreactor systems have facilitated the growth of tissue-engineered constructs using mechanical stimulation. However, we are still unable to produce functional grafts that can translate into clinical use. Humanoid robots offer the prospect of providing physiologically-relevant mechanical stimulation to grafts and implants which may expedite their clinical deployment. To investigate the feasibility of a humanoid bioreactor, we have designed a flexible bioreactor chamber that can be attached to a modified musculoskeletal (MSK) humanoid robot shoulder joint. We demonstrate that fibroblast cells can be grown in this chamber while undergoing physiological adduction-abduction on the robotic arm. A preliminary evaluation of the transcriptome of the cells after 14 days indicated a clear influence of the loading regime on the gene expression profile. These early results will facilitate the exploration of MSK humanoid robots as a biomechanically more realistic platform for tissue engineering and biomaterial testing applications

Forschungsprojekt 'ReduSys': Kontaktreduzierte Pflege im klinischen Umfeld durch multimodale Systeme und Robotik

'''Hintergrund/Fragestellung:''' Die pflegerische Versorgung bei stationären Krankenhausbehandlungen weist enorme Herausforderungen auf, die durch Ausnahmesituationen wie die COVID-19-Pandemie zusätzlich verstärkt werden. Digitale Technologien halten stetig Einzug in unser Gesundheitssystem und können den Alltag von Pflegefachpersonen unterstützen und entlasten. Neben der Weiterentwicklung technischer Komponenten sollten dabei auch immer die Bedürfnisse des Personals an einen technisierten Berufsalltag berücksichtigt werden [1]. Das Verbundprojekt ReduSys hat zum Ziel, die Entwicklung und Erprobung eines multimodalen Verbundsystems aus drei Teilsystemen: * Das Medical Smart Bed „Medtress“ ermöglicht eine kontaktlose-kontinuierliche Erfassung von Vitalparametern und die automatische Trinkmengenaufzeichnung „PROST“ unterstützt die Überwachung der Flüssigkeitszufuhr. * „FLOW“ dient zur digitalen Übertragung von Gesundheitsdaten über Smart Devices. * Der ferngesteuerte humanoide Roboter „Roboy“ kann basale pflegerische Tätigkeiten übernehmen, besonders in Ausnahmesituationen (z.B. COVID-19-Pandemie). Die Steuerung soll über Embodiment-Konzepte basierend auf Augmented und Virtual Reality realisiert werden. Neben der technischen Entwicklung sollen folgende Forschungsfragen beantwortet werden: Welche Anwendungsmöglichkeiten sind für potentielle NutzerInnen für das Verbundsystem vorstellbar? Welche hemmenden und fördernden Faktoren gibt es bei der Implementierung in ein klinisches Setting? '''Methoden:''' Als theoretische Grundlage wurde das Medical Research Council (MRC) framework for developing and evaluating complex interventions gewählt [[2]. Das gesamte Forschungsvorhaben verfolgt einen partizipativen Ansatz, der insbesondere durch einen qualitativen und praxisorientierten Forschungsansatz umgesetzt wird [3]. Dabei ist angedacht das Pflegepersonal durch Workshops oder Gruppendiskussionen sowie standardisierte Zielgruppenbefragungen von Beginn an zu involvieren. '''Vorläufige/erwartete Ergebnisse, Ausblick:''' Die Ergebnisse der ersten Projektphase dienen als Grundlage für die Simulationen. Diese erfolgen zunächst digital mit sogenannten „Digital Twins“. Im Anschluss finden die Tests mit gesunden ProbandInnen statt, bevor in der finalen Projektphase die Prototypen in der Klinik erprobt werden. Neben Fragestellungen zu Usability und Akzeptanz werden ethische, soziale und rechtliche Fragen fokussiert. ''Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit FKZ 16SV8829'' '''Interessenkonflikte:''' Es liegen keine Interessenkonflikte vor. '''Literatur''' 1. Radic M, Vosen A. Ethische, rechtliche und soziale Anforderungen an Assistenzroboter in der Pflege : Sicht des Führungspersonals in Kliniken und Pflegeeinrichtungen [Ethical, legal and social requirements for assistive robots in healthcare : Viewpoint of management personnel in hospitals and nursing homes]. Z Gerontol Geriatr. 2020 Nov;53(7):630-636. Epub 2020 Oct 7. DOI: 10.1007/s00391-020-01791-6 2. Skivington K, Matthews L, Simpson SA, Craig P, Baird J, Blazeby JM, Boyd KA, Craig N, French DP, McIntosh E, Petticrew M, Rycroft-Malone J, White M, Moore L. A new framework for developing and evaluating complex interventions: update of Medical Research Council guidance. BMJ. 2021 Sep 30;374:n2061. DOI: 10.1136/bmj.n2061 3. von Unger H. Partizipative Forschung – Einführung in die Forschungspraxis. Wiesbaden: Springer VS; 2014

Проектирование информационно-образовательной среды дисциплины для управления образовательным процессом с помощью облачных сервисов

За підрахунками авторитетної International Data Corporation (IDC), до 2023 року об'єм світових витрат на публічні хмарні сервіси та інфраструктуру збільшиться більше ніж вдвічі, переважно за рахунок впровадження цифрових перетворень. У глобальному вимірі ринок хмарних технологій стає полем чимдалі жорсткішої конкуренції між провідними світовими ІТ-корпораціями. Сучасна освіта зазнає стрімкого розвитку завдяки педагогічним працівникам, які протягом останніх років впроваджують хмарні сервіси в своїй професійній діяльності. Постало нагальне питання про формування інформаційно-освітнього середовища для співпраці, кооперації, комунікації та навчальної мобільності. Це дослідження присвячене аналізу особливостей способів проектування інформаційно-освітнього середовища дисципліни за допомогою Google-сервісів. Авторами розглянуто Сервіси Google для проектування відкритого та закритого інформаційно-освітнього середовища, що є безкоштовними, тому їх активно можна використовувати в освітньому процесі. Описуються переваги відкритого та закритого інформаційно-освітнього середовища дисципліни як середовищ для організації та управління освітнім процесом. У дослідженні авторами виділено наступні характеристики інформаційно-освітнього середовища: відкритість (підтримка сучасних стандартів, технології Інтернет/Інтранет); масштабованість (збільшення кількості сервісів, що надаються в середовищі; об’єму інформації, яка може оброблятися); розширення баз даних і знань (не призводить до необхідності переналагоджувати систему); інтегрованість (можливість організувати єдине освітнє середовище для розширення задач, пов’язаних з розробкою та проектуванням навчально-методичного забезпечення освітнього процесу); адаптованість (динамічне налагодження під потреби як конкретного навчального закладу, так і окремого користувача).По подсчетам авторитетной International Data Corporation (IDC), к 2023 году объем мировых расходов на публичные облачные сервисы и инфраструктуру увеличится более чем вдвое, в основном за счет внедрения цифровых преобразований. В глобальном измерении рынок облачных технологий становится полем более жесткой конкуренции между ведущими мировыми IТ-корпорациями. Современное образование испытывает стремительное развитие благодаря педагогическим работникам, которые в течение последних лет внедряют облачные сервисы в своей профессиональной деятельности. Встал насущный вопрос о формировании информационно-образовательной среды для сотрудничества, кооперации, коммуникации и учебной мобильности. Это исследование посвящено анализу особенностей способов проектирования информационно-образовательной среды дисциплины с помощью Googleсервисов. Авторами рассмотрены Сервисы Google для проектирования открытой и закрытой информационно-образовательной среды, являются бесплатными, поэтому их активно можно использовать в образовательном процессе. Описываются преимущества открытой и закрытой информационно-образовательной среды дисциплины как среды для организации и управления образовательным процессом. В исследовании авторами выделено следующие характеристики информационно-образовательной среды: открытость (поддержка современных стандартов, технологии Интернет / Интранет) масштабируемость (увеличение количества сервисов в среде; объема информации, которая может обрабатываться); расширение баз данных и знаний (не влечет к необходимости перенастраивать систему); интегрированность (возможность организовать единое образовательное среду для расширения задач, связанных с разработкой и проектированием учебно-методического обеспечения образовательного процесса); адаптированность (динамическая настройка под нужды как конкретного учебного заведения, так и отдельного пользователя).The authoritative International Data Corporation (IDC) estimates that by 2023, global spending on public cloud services and infrastructure will be more than double, mainly due to the introduction of digital transformations. Globally, the cloud market is becoming a field of increasingly fierce competition between the world's leading IT corporations. Modern education is rapidly evolving due to teachers who in recent years have introduced cloud services in their professional activities. There was an urgent question about the formation of information and educational environment for cooperation, collaboration, communication and learning mobility. This study is devoted to the analysis of the methods peculiarities of designing the information and educational environment of the discipline with the help of GoogleServices. The authors reviewed Google Services for designing open and closed information and educational environments, which are free, so they can be actively used in the educational process. The advantages of open and closed information-educational environment of the discipline as environments for the organization and management of the educational process are described. In the study, the authors identified the following characteristics of the information and educational environment: openness (support for modern standards, Internet / Intranet technology); scalability (increasing the number of services provided in the environment; the amount of information that can be processed); expansion of databases and knowledge (does not lead to the need to reconfigure the system); integration (the ability to organize a single educational environment to expand the tasks associated with the development and design of educational and methodological support of the educational process); adaptability (dynamic adjustment to the needs of both a particular educational institution and an individual user)