Tagungsband Mechatronik 2011: Dresden 31. März – 1. April 2011

Mit dieser sechsten Auflage der Tagung MECHATRONIK 2011 verbindet sich neben dem 10-jährigen Tagungsjubiläum (die erste Tagung fand im Jahre 2001 statt) auch gleichzeitig eine Premiere. Nachdem die ersten fünf Tagungen erfolgreich unter den Fittichen des VDI bzw. des VDI-Wissensforums stattgefunden hatten, beginnt das zweite MECHATRONIK-Dezennium in einem geänderten Format und mit neuen Verantwortlichkeiten und wird dennoch die bewährten Traditionen der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde weiter pflegen. Academia trifft Industrie — Mechatronik und mechatronische Produkte sind seit jeher geprägt durch die Verknüpfung von interdisziplinärem methodenorientierten Wissen und nutzerorientierter Produktgestaltung. Diese Verknüpfung bildet sich höchst erfolgreich speziell in der deutschsprachigen Mechatronik-Fachgemeinde ab, nicht zuletzt deshalb haben deutsche Mechatronikprodukte weltweit eine exzellente Marktpräsenz. Diese enge Verzahnung ist aber ebenso im Tagungsgeschehen etabliert, wo seit vielen Jahren, im Gegensatz zu vielen anderen Ländern und internationalen Tagungen, eine gute Balance zwischen Teilnehmern aus Hochschulen und Industrie gegeben ist. Dies trifft auch auf die MECHATRONIK 2011 zu, mit 47 (70 %) Beiträgen aus Hochschulen und 20 (30 %) Beiträgen aus der Industrie bzw. Industriebeteiligung. Academia trifft Industrie — Dieser Sachverhalt wird zukünftig auch ganz transparent an den Tagungsorten und dem Tagungsumfeld sichtbar sein. Ab diesem Jahr 2011 wird die Organisation und Ausrichtung durch akademische Tagungsveranstalter durchgeführt werden. Die bisherigen wissenschaftlichen Tagungsleiter Prof. Burkhard Corves (Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule - RWTH Aachen) und Prof. Klaus Janschek (Technische Universität Dresden) werden zukünftig gemeinsam mit Prof. Torsten Bertram (Technische Universität Dortmund) für die Ausrichtung und Durchführung verantwortlich zeichnen. Als Veranstaltungsort sind entsprechende Räumlichkeiten an den beteiligten Universitäten geplant (2011 in Dresden, 2013 in Aachen, 2015 in Dortmund). Neben einer Kostenersparnis erwarten sich die Veranstalter durch das gegenüber Kongresszentren doch intimere Umfeld einen lebendigen Gedankenaustausch zwischen Wissenschaftlern, Industrievertretern und nicht zuletzt mit dem wissenschaftlichen Nachwuchs. Speziell Studierenden soll damit ein einfacherer Zugang in die Welt des wissenschaftlichen Diskurses mit Experten aus der Industrie und Praxis ermöglicht werden. Academia trifft Industrie — Eine Stärke der bisherigen MECHATRONIK-Tagungen war immer die breite fachliche Verankerung durch die verantwortliche Trägerschaft der VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung (VDI-GPP) und VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (VDI/VDEGMA). Im Selbstverständnis dieser Fachgesellschaften spielt die Bereitstellung von Kommunikationsplattformen zwischen Hochschulen und Industrie eine zentrale Rolle. In den verschiedenen Fachausschüssen von VDI-GPP und VDI/VDE-GMA findet dieser Meinungs- und Informationsaustausch regelmäßig statt. Um eine breitere Fachöffentlichkeit in diese Diskussionen einzubeziehen, ist eine gemeinsame Tagung zum Thema Mechatronik eine logische und fruchtbare Konsequenz. Auch zukünftig wird der enge fachliche und institutionelle Kontakt der Tagung MECAHTRONIK zu den Fachgesellschaften aufgrund der personellen Verankerung der Tagungsveranstalter in den Fachgesellschaften VDI-GPP und VDI/VDE-GMA erhalten bleiben. Das Tagungsprogramm 2011 bietet ein breit gefächertes Angebot an aktuellen und innovativen Fragestellungen zur Mechatronik: mechatronische Produkte, Serienfertigung mechatronischer Produkte, Ressourceneffizienz, Nutzerfreundlichkeit und Akzeptanz, Entwicklungsmethoden und -werkzeuge sowie innovative Konzepte

Aktionsprimitiv-basierte Steuerungsarchitektur für Anwendungen in der Robotik und Fertigungstechnik

Der vorliegende Beitrag stellt einen Entwurf für eine flexible und robuste Steuerungsarchitektur für Roboter- und Fertigungssysteme vor. Dabei wurde versucht ein offenes Konzept zu realisieren, welches einen vereinfachten Engineeringprozess ermöglicht. Hierzu wird innerhalb der Steuerung eine Trennung zwischen einem funktionellen verhaltensbasierten und einem ablauforientierten Modell vorgeschlagen. Dieser Ansatz wird durch die Verwendung von Aktionsprimitiven innerhalb einer hybriden Robotersteuerung ermöglicht. Diese garantieren durch ihre ausgeprägte Modularität eine hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit des entstandenen Systems. Im Beitrag wird sowohl der entstandene Entwurf diskutiert als auch eine prototypische objektorientierte Implementierung vorgestellt sowie erste Ergebnisse präsentiert.This paper presents a framework for a flexible and robust control architecture for robotic systems. The design incorporates an application independent system concept which allows a simplified engineering process. For this purpose a distinction between a functional behavioural and a sequential control system model is proposed. This approach is based on the utilisation of action primitives within a hybrid control architecture. The use of these primitives affords a high level of modularity through increasing flexibility and expandability of the resulting system. In this paper the proposed framework will be discussed as well as a prototypical object-oriented implementation and first results

Concept for the fast modulation of light in amplitude and phase using analog tilt-mirror arrays

The full complex, spatial modulation of light at high frame rates is essential for a variety of applications. In particular, emerging techniques applied to scattering media, such as Digital Optical Phase Conjugation and Wavefront Shaping, request challenging performance parameters. They refer to imaging tasks inside biological media, whose characteristics concerning the transmission and reflection of scattered light may change over time within milliseconds. Thus, these methods call for frame rates in the kilohertz range. Existing solutions typically offer frame rate capabilities below 100 Hz, since they rely on liquid crystal spatial light modulators (SLMs). We propose a diffractive MEMS optical system for this application range. It relies on an analog, tilt-type micro mirror array (MMA) based on an established SLM technology, where the standard application is grayscale amplitude control. The new MMA system design allows the phase manipulation at high-speed as well. The article studies properties of the appropriate optical setup by simulating the propagation of the light. Relevant test patterns and sensitivity parameters of the system will be analyzed. Our results illustrate the main opportunities of the concept with particular focus on the tilt mirror technology. They indicate a promising path to realize the complex light modulation at frame rates above 1 kHz and resolutions well beyond 10,000 complex pixels

Bio-inspired Optical Flow Interpretation with Fuzzy Logic for Behavior-Based Robot Control

This paper presents a bio-inspired approach for optical flow data interpretation based on fuzzy inference decision making for visual mobile robot navigation. The interpretation results of regionally averaged optical flow patterns with pyramid segmentation of the optical flow field deliver fuzzy topological and topographic information of the surrounding environment (topological structure from motion). It allows a topological localization in a global map as well as controlled locomotion (obstacle avoidance, goal seeking) in a changing and dynamic environment. The topological optical flow processing is embedded in a behavior based mobile robot navigation system which uses only a mono-camera as primary navigation sensor. The paper discusses the optical flow processing approach as well as the rule based fuzzy inference algorithms used. The implemented algorithms have been tested successfully with synthetic image data for a first verification and parameter tuning as well as in a real office environment with real image data

System design of programmable 4f phase modulation techniques for rapid intensity shaping: A conceptual comparison

The present study analyses three beam shaping approaches with respect to a light-efficient generation of i) patterns and ii) multiple spots by means of a generic optical 4f-setup. 4f approaches share the property that due to the one-to-one relationship between output intensity and input phase, the need for time-consuming, iterative calculation can be avoided. The resulting low computational complexity offers a particular advantage compared to the widely used holographic principles and makes them potential candidates for real-time applications. The increasing availability of high-speed phase modulators, e.g. on the basis of MEMS, calls for an evaluation of the performances of these concepts. Our second interest is the applicability of 4f methods to high-power applications. We discuss the variants of 4f intensity shaping by phase modulation from a system-level point of view which requires the consideration of application relevant boundary conditions. The discussion includes i) the micro mirror based phase manipulation combined with amplitude masking in the Fourier plane, ii) the Generalized Phase Contrast, and iii) matched phase-only correlation filtering combined with GPC. The conceptual comparison relies on comparative figures of merit for energy efficiency, pattern homogeneity, pattern image quality, maximum output intensity and flexibility with respect to the displayable pattern. Numerical simulations illustrate our findings

Global Localization of an Indoor Mobile Robot with a single Base Station

The navigation tasks in advanced home robotic applications incorporating reliable revisiting strategies are dependent on very low cost but nevertheless rather accurate localization systems. In this paper a localization system based on the principle of trilateration is described. The proposed system uses only a single small base station, but achieves accuracies comparable to systems using spread beacons and it performs sufficiently for map building. Thus it is a standalone system and needs no odometry or other auxiliary sensors. Furthermore a new approach for the problem of the reliably detection of areas without direct line of sight is presented. The described system is very low cost and it is designed for use in indoor service robotics. The paper gives an overview on the system concept and special design solutions and proves the possible performances with experimental results

FLATNESS-BASED OPEN LOOP COMMAND TRACKING FOR QUASISTATIC MICROSCANNERS

ABSTRACT Thi