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Navigation with Local Sensors in Surgical Robotics
(2011)
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Philipp J. Stolka
- Using robots in medicine and especially in surgery requires an adequate representation of and reaction to a changing environment. This is usually achieved by modeling the environment at different representation levels throughout the process, ranging from complex 3D imaging modalities which reflect the environment geometry to finding appropriate low-level control parameters for actual motion through environment regions. In this work, a common framework for different types of navigational problems in surgical robotics is proposed, and validated by the introduction of navigation cycles on novel local sensors. Currently industrial (and surgical) robotic systems employ almost exclusively static global maps -- if any -- for navigation and planning purposes. Additional information -- intra-process, spatial, current, and persistent sensor data -- is useful to cope with uncertainty, measurement errors, and incompleteness of data. Between global pre-operative navigation and control, this work introduces the concept of intra-operative navigation on local sensor data into surgical robotics. This includes the creation and maintenance (both concurrent as well as independent) of local environment maps for navigation purposes. This intermediate level of sensory feedback and processing allows to react to changes in the environment, based on persistent but incremental mapping. Furthermore, local sensors permit intra-operative sampling of additional information which may be unattainable before process execution, or available only with reduced precision. This work proposes to augment robot world models by introducing such local sensors (in particular, force and sound as well as ultrasonic sensors, all of which provide data from an estimated local epsilon-environment) and to build precise maps from local sensors, which serve as input for several introduced navigation algorithms. This map-building is improved by precise data localisation and precise data insertion. The general idea of nested control loops is illustrated on the basis of a specific surgical application -- robot-based milling at the lateral skull base.
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Constraint-System für eine mehrschichtige Metamodellierungsumgebung
(2011)
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Michael Zeising
- In vielen Bereichen wird die Bewältigung von komplexen Problemstellungen durch Modelle unterstützt. Modelle beschreiben Software-Systeme, geschäftliche Abläufe, Kommunikationsbeziehungen zwischen Menschen und vieles mehr. Sogenannte Metamodelle beschreiben dabei die Struktur und Bedeutung von Modellen, dienen also als „Sprache“ für deren Formulierung. Die meisten Modellierungswerkzeuge sind eng an ein bestimmtes Metamodell gekoppelt, können also nur zur Entwicklung einer bestimmten „Art“ von Modellen dienen. Ein Ansatz flexiblere Werkzeuge zu erhalten besteht darin, zwischen der Repräsentation und der Bedeutung von Modellen zu trennen. Ein flexibles Werkzeug basiert dann auf einem Metamodell, dass lediglich die Repräsentation von Modellen beschreibt und kann damit zur Entwicklung von Metamodellen selbst dienen. Zu Beginn der Entwicklung eines Modells darf das Werkzeug so wenige Einschränkungen wie möglich vorgeben. Für bestimmte Anwendungsfälle sind hingegen strikte Regeln für die Form eines Modells sinnvoll. Das Werkzeug muss es daher ermöglichen einem Modell je nach Bedarf Regeln bezüglich seiner Struktur aufzuerlegen. Für viele inhaltliche Zusammenhänge wären sehr komplexe Modelle notwendig um alle Randbedingungen präzise zu erfassen und manches lässt sich unter Umständen mit den Mitteln der Modellierungssprache überhaupt erst gar nicht ausdrücken. Auch inhaltlich muss es daher möglich sein, dass Modell durch beliebige Randbedingungen zu verfeinern. In dieser Arbeit wird eine Sprache zur Formulierung solcher Randbedingungen (engl. constraints) entwickelt. Diese dienen einerseits dazu, die Modellierungssprache selbst einzuschränken, ermöglichen also den oben erwähnten Wechsel zwischen freien und strikten Modellierungsparadigmen. Andererseits ermöglicht sie eine inhaltliche Verfeinerung von Modellen über die Modellierungssprache hinaus.
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Agent Assignment for Process Management: Resource Management Support for Skill Intensive Applications of Workflow Technology Technical and Methodological Issues
(2011)
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Muhammad Ramzan Talib
- Managing an organization’s resource talent particularly in assigning the right person to the right job at the right time is among the top challenges of today’s competitive business environments especially in skill intensive applications of workflow technology since skills of their employees directly affect the business paybacks. Despite that many companies already deal with managing their processes and their human resources, organizations are still feeling the problem of poor resource management. The dilemma is that Workflow Management Systems (WfMSs) support the execution of business process but do only offer static assignment strategies for resources such that an overall poor process performance results. Furthermore, Human Resource Management (HRM) performance evaluation methods lack agility and analytical capabilities that results in poor resource development. To solve this dilemma of poor resource management, this thesis contributes some technical and methodological supports considering some use case scenarios from a textile industry. It offers Agent Performance Evaluation (APE) Framework and Competency-driven Dynamic Resource Management (CDRM) Methodology to overcome the problem of static assignments and also to support proper resource development. Our APE framework not only evaluates and gives feedbacks of employees’ competency profiles but also performs an analysis of employees’ competencies for making best use of their talents thus supporting proper resource development. While, our CDRM methodology allocates dynamically only successful employees to their business processes through consistent support of APE framework and thus supports process optimization. This thesis also contributes a construct in the form of Goal concept and a methodology for continuous resource development in the form of Workflow Lifecycle Support for Continuous Resource Improvement. Defining goals within the process layer, enables organizations to define success criteria of their employees in parallel with all other criteria that influence the performance of an employee within the process. In fact, our APE Framework uses this criteria for evaluating the employees’ competency profiles that are latter used by CDRM methodology to allocate only successful employees to their business processes. The Workflow Lifecycle Support for Continuous Resource Improvement aims to define a precise and comprehensive methodology to elaborate a set of basic tasks that are needed to be performed during different phases of the standard workflow lifecycle to achieve continuous resource improvement.
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Korrespondenzberechnung auf Klassendiagrammen
(2011)
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Sabrina Uhrig
- Für die modellgetriebene Softwareentwicklung werden Werkzeuge benötigt, die das Arbeiten mit Modellen unterstützen. Ein besondere Stellung nehmen Vergleichswerkzeuge ein, die dem Entwickler nicht nur veranschaulichen, was sich zwischen zwei Versionen eines Modells geändert hat, sondern auch Differenzen liefern, auf deren Grundlage zwei Versionen miteinander zu einem Dokument verschmolzen werden können. Vergleichsverfahren arbeiten üblicherweise in zwei Schritten. Zunächst werden die korrespondierenden Modellelemente bestimmt, bevor dann im zweiten Schritt die Unterschiede auf Basis der Korrespondenzen ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem ersten, schwierigeren Schritt, der Korrespondenzberechnung, mit einem Schwerpunkt auf Klassendiagrammen, die das Kernstück der objektorientierten Modellierung darstellen. In diesem Rahmen wurden zwei Korrespondenzberechnungsverfahren für den Vergleich von Ecore-Klassendiagrammen entwickelt, die strukturbasiert arbeiten und keine eindeutigen Objektbezeichner verwenden. Während die bisher bekannten Vergleichsverfahren für Klassendiagramme, die keine eindeutigen Objektbezeichner verwenden, die Korrespondenzen über Ähnlichkeitsheuristiken bestimmen, wurde für das erste Verfahren ein neuartiger Ansatz verfolgt. Analog zu der Definition eines Edierabstandes für Bäume oder Graphen wurde ein Edierkostenmodell in Verbindung mit einer Menge zulässiger Änderungsoperationen auf Klassendiagrammen entworfen. Auf diese Weise kann die Berechnung der Korrespondenzen zwischen zwei Klassendiagrammen als Optimierungsproblem dargestellt werden, eine Zuordnung mit minimalen Edierkosten zu bestimmen. Aufgrund der kontextabhängigen Kosten für die Edieroperationen auf Assoziationen und Vererbungskanten würde eine Bestimmung der optimalen Lösung die Bewertung aller O(n!) verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Klassenpaare erfordern. Daher wird in dem vorgestellten Verfahren stattdessen ein relaxiertes Optimierungsproblem gelöst. Mit Hilfe der Abschätzung der Kosten für Assoziationen und Vererbungsbeziehungen durch eine untere Schranke lässt sich das Optimierungsproblem auf ein Netzwerkflussproblem reduzieren, das mit Hilfe eines Verfahrens aus der Graphentheorie mit polynomiellem Aufwand gelöst werden kann. In einem Teil der Fälle lässt sich über ein leicht überprüfbares hinreichendes Optimalitätskriterium nachweisen, dass die so berechnete Lösung für das relaxierte Optimierungsproblem auch für das ursprüngliche Optimierungsproblem optimal ist. Entsprechend den Ergebnissen einer durchgeführten Evaluation weichen die berechneten Edierkosten nur wenig von den optimalen Edierkosten ab. Das Verfahren unterscheidet sich von allen heuristischen Verfahren dadurch, dass ein objektives Kriterium, die Edierkosten der berechneten Zuordnung, existiert, mit dem beurteilt werden kann, inwieweit das Verfahren die vorgegebenen Ziele erreicht hat. Als zweites Verfahren zum Vergleich wurde ein ähnlichkeitsbasiertes, heuristisches Verfahren entwickelt, das für die möglichen Korrespondenzpaare Ähnlichkeitswerte berechnet und mit Hilfe eines heuristischen Auswahlverfahrens die korrespondierenden Elemente über die Maximierung der Gesamtähnlichkeit bestimmt. Beide Verfahren wurden in einem Plugin für Eclipse implementiert, das zusammen mit Komponenten des Eclipse Modeling Frameworks ein Rahmenwerk zum Modellieren und Vergleichen von Ecore-Klassendiagrammen bildet. Dabei wurde der Vergleich von Klassendiagrammen mit Paketen in zwei Stufen unterteilt. Über einen Vergleich aller Klassenpaare unabhängig von deren Lage in der Pakethierarchie werden zunächst die Korrespondenzen auf Klassenebene gebildet. Darauf aufsetzend werden die korrespondierenden Pakete unter der Vorgabe der Klassenkorrespondenzen bestimmt. Das Rahmenwerk bietet eine Auswahlsicht, in der verschiedene Klassen- und Paketebenenverfahren kombiniert werden können. Die Vergleichsergebnisse des edierkostenbasierten und des ähnlichkeitsbasierten Verfahrens wurden in einer Evaluation einander gegenübergestellt. Die vorliegende Arbeit erweitert den Stand der Technik in diesem Gebiet somit nicht nur um Korrespondenzberechnungsverfahren, sondern liefert auch Erkenntnisse über die Eignung des Edierabstandes zwischen Modellen als Kriterium für die Bewertung von Modelldifferenzen und darüber, wie sich ein edierkostenbasiertes Verfahren im Vergleich zu einem ähnlichkeitsbasierten Verfahren verhält.
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Entwurf und Modellierung einer Produktlinie von Software-Konfigurations-Management-Systemen
(2011)
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Alexander Dotor Schumann
- Es existieren zur Zeit über 70 verschiedene Software-Konfigurations-Management-Systeme (kurz: SKMS), um die Entwicklung von Software-Anwendungssystemen zu unterstützen. SKMS sind selbst auch Software-Anwendungssysteme, deren Umfang von einigen zehntausend bis zu mehreren Millionen Quelltext-Zeilen reicht. Trotz dieser Größe handelt es sich meist um monolithische Systeme, deren Daten und Funktionen eng verschränkt sind und deren Verfahren lediglich implizit durch den Quellcode beschrieben werden. Eine Identifikation einzelner Methoden ist kaum möglich, ebensowenig wie eine Wiederverwendung bereits implementierter Verfahren. Dies führt dazu, dass für ein neues Verfahren oder sogar nur für eine neue Kombination existierender Verfahren ein SKMS von Grund auf neu implementiert wird. Die fehlende Modularität erschwert auch die Wiederverwendung eines SKMS für unterschiedliche Software-Entwicklungsprozesse, da bereits kleine Unterschiede zwischen den Prozessen die Entwicklung eines neuen SKMS erfordern können. Es besteht daher der Bedarf nach einer neuen Generation von SKMS, die durch ihre modulare Architektur (1) die Wiederverwendung bestehender Verfahren erlauben, (2) die Anpassbarkeit an Entwicklungsprozesse verbessern bzw. überhaupt erst ermöglichen und (3) die Erweiterbarkeit verbessern, um ein SKMS in möglichst vielen Entwicklungsprozessen einsetzen zu können. Die Modellgetriebene Modulare Produktlinie für Software Konfigurations Management Systeme (kurz: MOD2-SKM) identifiziert Gemeinsamkeiten von SKMS auf Basis eines Entwicklungsprozesses für Modellgetriebene Software Produktlinien (MODPL). Der Entwicklungsaufwand eines SKMS wird so reduziert, da gemeinsame Komponenten wiederverwendet und die Produkte aus dem Domänenmodell generiert werden (anstatt sie von Hand zu implementieren). So kann durch Konfiguration des Domänenmodells nach den Anforderungen eines Software-Entwicklungs-Prozesses ein SKMS speziell an den zu unterstützenden Prozess angepasst werden. In dieser Arbeit wird ein Merkmals-Modell für SKMS definiert und ein generisches Domänenmodell für die gesamte Systemfamilie der SKMS modelliert und analysiert. Mit Hilfe des Merkmals-Modells lassen sich die generierten SKMS systematisch beschreiben und miteinander vergleichen. Gleichzeitig können damit auch bestehende SKMS klassifiziert und so systematisch erfasst und verglichen werden. Durch das MOD2-SKM-Domänenmodell wird die SKM-Domäne mit Hilfe von Komponenten und Klassen beschrieben. Abhängigkeiten und Kopplungen werden dabei explizit identifiziert und reduziert. So wird das Verständnis der SKM-Domäne vertieft besonders in Bezug auf Modularisierbarkeit, Erweiterbarkeit und Co-Evolution und durch eine neue Sicht auf die komplexen Datenabhängigkeiten erweitert. MOD2-SKM ist gleichzeitig auch ein Prototyp einer neuen Generation vom SKMS, denn aus dem Domänenmodell lassen sich vollständig lauffähig SKMS erzeugen. Somit wird auch die Architektur und Realisierung einer modellgetriebenen Produktlinie für SKMS erforscht. MOD2-SKM zeigt, dass ein einzelnes SKMS nicht mehr von Hand implementiert werden muss. Stattdessen können, mit Hilfe von Konfigurationen, eine Vielzahl von SKMS generiert werden. So lassen sich entweder bestehende SKMS wie CVS oder Subversion nachbilden oder auch vollständig neue SKMS erstellen. Die Erkenntnisse, die beim Entwurf von MOD2-SKM gewonnen wurden, bilden die Grundlagen, die für den Entwurf und die Entwicklung modularer SKMS benötigt werden: • Sind SKMS überhaupt für MODPL geeignet? • In welche Komponenten lässt sich ein SKMS zerlegen? • Welche Kernkomponenten muss jedes SKMS besitzen? • Welche Kopplungen bestehen zwischen den Komponenten? • Welche Modellierungsmethoden sind für die lose Kopplung der Komponenten besonders geeignet? Der MOD2-SKM Entwicklungsprozess folgt dem MODPL-Modellierungsansatz und basiert so letztendlich auf modellgetriebenen Entwicklungsmethoden. MOD2-SKM stellt damit eine nicht-triviale Fallstudie für den Einsatz von modellgetriebenen Produktlinien dar, mit deren Hilfe sich der MODPL-Modellierungsansatz untersuchen lässt. In dieser Arbeit werden somit auch der Modellierungsansatz und die verwendeten modellgetriebenen Entwicklungsmethoden evaluiert und abschließend auch Anforderungen an sie formuliert.
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Sensorbasierte, echtzeitfähige Online-Bahnplanung für die Mensch-Roboter-Koexistenz
(2011)
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Thorsten Gecks
- Die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist ein wichtiges Ziel der aktuellen Forschung in der Robotik, um die spezifischen Fähigkeiten von Mensch und Roboter zu verbinden. Die Voraussetzung für die Zusammenarbeit ist die sichere und effiziente Koexistenz in einem gemeinsamen Arbeitsraum. Hierzu muss die Sicherheit des Menschen gewährleistet sein und eine hohe Verfügbarkeit des Robotersystems erreicht werden. In dieser Arbeit wird ein bildbasierter Kollisionstest beziehungsweise eine Distanzberechnung entwickelt, um die Sicherheit des Menschen zu realisieren. Eine hohe Verfügbarkeit wird durch die Konzeption und Implementierung einer Bahnplanung erreicht, welche echtzeitfähig mit Ausweichbewegungen auf dynamische Hindernisse wie z.B. den Menschen reagiert, um gegenseitige Blockaden zu vermeiden. Die Detektion des Menschen und anderer Objekte wird mit Hilfe eines Netzwerks stationärer Kameras erreicht, deren Befestigung den Einsatz effizienter Differenzbildverfahren („Change Detection“) ermöglicht und über die Kalibrierung der Kameras die Verwendung von Modellen bekannter Objekte (Roboter und Zellenaufbauten) erlaubt. Hierdurch werden Verdeckungen unbekannter Objekte (z.B. der Mensch) in einem bildbasierten Kollisionstestverfahren korrekt berücksichtigt. Weiterhin werden Konzepte zum Umgang mit dynamischen Hintergründen in realistischen Arbeitszellen erarbeitet. Die zusätzlich realisierte bildbasierte Distanzberechnung ermöglicht die Geschwindigkeits-regelung des Roboterarms für die sichere und ergonomische Mensch-Roboter-Koexistenz. Auch hierbei wird eine korrekte Behandlung der verdeckenden Geometrien berücksichtigt. Die Bahnplanung wird in jedem Zyklus des Systems (100 ms) auf Basis aktueller Sensordaten (im bildbasierten Kollisionstest) durchgeführt, parallel zur Ausführung der jeweils im vorigen Zyklus berechneten Bahn. Das entwickelte Konzept verbindet dabei eine globale Bahnplanung auf randomisierten Netzen in hochdimensionalen Konfigurations-räumen mit der Begrenzung von teuren Kollisionstests bzw. Distanzberechnungen. Informationen über die nicht berechneten Teile des Graphen werden durch Schätzung aus bekannten Informationen erzeugt. Zusätzlich werden bereits berechnete Informationen über die Umwelt durch Speicherung im Graph über Systemzyklen hinweg beibehalten und somit sukzessive ausgeweitet. Ein Konzept wurde entwickelt und implementiert, um die persistenten Informationen bei detektierter Arbeitsraumdynamik zu adaptieren, wodurch flexibel auf Umweltveränderungen reagiert werden kann. Dieses grundlegende Rahmenwerk erzeugt einen Planer, welcher echtzeitfähig ist und somit auf dynamische Objekte reagieren kann und über Systemzyklen hinweg statistische Vollständigkeit in statischen Umgebungen erreicht. Mit Hilfe des bildbasierten Kollisionstests wird dann ein wegoptimierender Planer realisiert und mit Hilfe der bildbasierten Distanzberechnung ein zeitoptimierender Planer, welcher die Ausführungsdauer der Bewegung unter Maßgabe der distanzbasierten Geschwindigkeitsregelung optimiert. Letzterer ist für die Mensch-Roboter-Koexistenz aufgrund des vergrößerten Hindernisabstands besonders geeignet.
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Temporale Fuzzy Logik - Eine Vereinigung der Temporal-Logik und Fuzzy-Logik anhand von vorausschauenden Wartungs- und Überwachungssystemen
(2011)
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Thorsten W. Schmidt
- Fuzzy-Logik und ihre Anwendung in Fuzzy-Reglern ist seit vielen Jahren ein Forschungsthema. In den vergangenen Jahren kamen Fuzzy-Regler vielfach in den verschiedensten industriellen Anwendungen zum Einsatz. Fuzzy-Regler können in Waschmaschinen und anderen Haushaltsgeräten Verwendung finden. Aber der wichtigste Vorteil von Fuzzy-Logik ist die Tatsache, dass das vorhandene Wissen über die Kontrolle eines Prozesses einfach und intuitiv für einen Regler umgesetzt werden kann. Außerdem ist es einfach, einen solchen Regler zu warten oder zu erweitern. Bei Fuzzy-Logik werden Informationen über eine Prozess-Steuerung in einer transparenten Regel-Datenbank abgelegt. Dadurch geht dieses Wissen nie verloren. Allerdings können diese Fuzzy-Regler nicht in bestimmten Anwendungen (zum Beispiel Wartungssystemen) verwendet werden, da sie nicht in der Lage sind, zeitliche Abhängigkeiten zu modellieren, welche wesentlich für diese Systeme sind. Deshalb wird ein neues Konzept zur zeitlichen Fuzzy-Regelung eingeführt, indem Fuzzy-Logik durch neue Prädikate erweitert wird. Diese Prädikate behandeln zeitliche Aspekte, um zu erkennen oder vorherzusagen, wie das vergangene oder zukünftige Verhalten eines Prozesses ist. Mit der Fähigkeit ausgestattet, vergangenes oder zukünftiges Prozessverhalten zu analysieren, kann der Nutzer des so genannten Temporalen-Fuzzy-Reglers leichter Expertenwissen in die Regelung integrieren. Als Beispiele für die Richtigkeit dieses Konzeptes untersucht diese Arbeit das Verhalten eines Fuzzy geregelten Büroraum-Beleuchtungssystems und eines Fuzzy-Video-Verarbeitungs-Tools. Dies verdeutlicht die einfache Handhabung und hohe Effizienz dieses Ansatzes. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es möglich ist, Fuzzy-Logik mit zeitlichen Prädikaten zu erweitern, um die so genannte Temporale-Fuzzy-Logik zu erhalten, welche die Modellierung zeitlicher Abhängigkeiten von Ereignissen ermöglicht. Die Arbeit beschreibt die mathematischen Grundlagen der hier eingeführten zeitlichen Fuzzy-Prädikate. Die zeitlichen Fuzzy-Prädikate sind abgeleitet aus den in sich abgeschlossenen Prädikaten der Temporal-Logik. Wie in der Temporal-Logik ist es dann auch in der Temporalen-Fuzzy-Logik möglich, Bedingungen für komplette Zeitintervalle zu erstellen. So sind die temporalen Fuzzy-Prädikate ebenfalls in sich abgeschlossen. Es ist möglich, zeitliche Abhängigkeiten mit AND und OR verknüpften Prädikaten zu bilden, um mit diesen temporale Regelbedingungen zu formulieren. Die Konjunktion der Prädikate wird wie jede andere Fuzzy-Verknüpfung berechnet. Weiterhin gilt die s- und t-Norm (Funktionen mit den folgenden Bedingungen: Einselement, Monotonie, Kommutativität, Assoziativität) für diese Berechnungen. Solche Fuzzy-Regler können für die Überwachung und Wartung von Anwendungen eingesetzt werden. Dieser Ansatz wird in einem Wartungs-Beispiel gezeigt, in welchem ein Benutzer über defekte Lampen informiert und die Büroraumhelligkeit bei einem gewünschten Niveau gehalten wird. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Fuzzy-Videoverarbeitung. Videos können mit hoher Effizienz verarbeitet werden und die Regeln, welche die Videoverarbeitung beschreiben, sind so einfach wie Standard Mamdani-Regeln.
