Orientador: Marina Lavorato de Oliveira / Co-orientador: John Fredy Franco Baquero / Banca: Sergio Azevedo de Oliveira / Banca: Fernanda Caseño Lima Trindade / Resumo: O problema do carregamento de veículos elétricos consiste em determinar a programação ótima da recarga dos PEVs (do inglês Plug-in Electric Vehicles) de forma que o custo de operação seja minimizado e as condições de operação do sistema de distribuição de energia elétrica (SDEE) sejam satisfeitas. Neste trabalho são propostas as técnicas de otimização metaheurística: Busca Tabu e GRASP para resolver o problema da coordenação do carregamento de veículos elétricos em sistemas de distribuição, modelado como um problema de programação não linear inteira mista. Posteriormente, é proposto um algoritmo híbrido chamado GRASP-BT com o objetivo principal de melhorar as soluções obtidas com as metodologias Busca Tabu e GRASP. As soluções propostas pelas metaheurísticas desenvolvidas neste trabalho indicam os períodos de tempo em que deve ser carregado cada veículo ligado no SDEE, minimizando os custos totais de operação, satisfazendo as restrições operacionais do SDEE, considerando prioridade de carregamento dos PEVs e permitindo a entrega de soluções de qualidade em tempo real. Para demonstrar a eficiência da metodologia proposta e a adaptação de cada metaheurística na resolução do problema, foi usado um sistema teste de 449 nós que considera os sistemas primário e secundário do SDEE e duas fontes de geração distribuída. Os testes são feitos com níveis de 47% e 63% de penetração de PEVs dentro do sistema / Abstract: The main objective of the plug-in electric vehicles (PEV) charging problem is to determine the optimal schedule for charging the PEV batteries with the aim of minimizing the total operational cost of the electrical distribution system in order to obtain an efficient and secure system operation. The optimization techniques used to resolve the plug-in electric vehicles charging problem on electrical distribution systems are two metaheuristic: Tabu Search and GRASP. The mathematical model used to represent the PEV charging problem is a mixed-integer nonlinear programing problem. On the other hand, a hybrid algorithm named GRASP-BT is also proposed in order to improve the solutions obtained by the Tabu Search and GRASP methodologies. The solutions found by the proposed methodologies designate the time periods where each PEV battery connected to the electrical distribution system need to be charged, minimizing the total operational costs, satisfying the operational constraints, considering PEV charging priority and providing quality solution on real time. In order to show the efficiency of the proposed methodologies, a 449 nodes test system with HV and LV network and two sources of distributed generation are used. Test cases consider a 47% and a 63% of PEV penetration / Mestre

O Problema do Lapidário tem como objetivo encontrar o modelo de lapidação que resulte no maior aproveitamento volumétrico para uma dada gema bruta. Nesta dissertação apresentamos um Algoritmo Genético com variáveis de valores reais, e um GRASP Contínuo como heurísticas para resolução deste problema. Ambos os algoritmos maximizam o fator de escala do modelo de lapidação, sobre todas as posições de centro e ângulos de giro que o modelo pode assumir, buscando encontrar o modelo de maior volume inscrito no interior da gema, representada virtualmente por uma malha triangular. Propomos também um algoritmo de avaliação de uma instância do problema, o qual determina eficientemente o maior fator de escala, para um dado centro e orientação, que o modelo de lapidação pode assumir permanecendo completamente no interior da gema. Os algoritmos propostos foram avaliados em um conjunto de 50 gemas reais para o problema, utilizando como modelos base os cortes redondo e oval. Por fim, comparamos os resultados computacionais obtidos em relação a aproveitamento volumétrico e tempo de execução com os principais trabalhos relatados na literatura, demonstrando que as heurísticas propostas são competitivas com as demais abordagens. / The goal of the gemstone cutting problem is to find the largest cutting design which fits inside a given rough gemstone. In this work, we propose a real-valued Genetic Algorithm and a Continuous GRASP heuristic to solve it. The algorithms determine the largest scaling factor, over all possibilities of centers and orientations which the cutting could assume, finding the cutting with the largest volume as possible inside a gemstone, represented by a triangular mesh. We also propose an algorithm to evaluate a problem instance. This method efficiently determines the greatest scaling factor, for a given center and orientation, such that the cutting fits inside the rough gemstone. The proposed algorithms are validated for an instance set of 50 real-world gemstones, using the round and oval cuttings. Finally, we compare our computational results, for volume yield and running time, with the state-of-art. Ours methods are proved be competitive with the previous approachs.

abstract: The development of advanced, anthropomorphic artificial hands aims to provide upper extremity amputees with improved functionality for activities of daily living. However, many state-of-the-art hands have a large number of degrees of freedom that can be challenging to control in an intuitive manner. Automated grip responses could be built into artificial hands in order to enhance grasp stability and reduce the cognitive burden on the user. To this end, three studies were conducted to understand how human hands respond, passively and actively, to unexpected perturbations of a grasped object along and about different axes relative to the hand. The first study investigated the effect of magnitude, direction, and axis of rotation on precision grip responses to unexpected rotational perturbations of a grasped object. A robust "catch-up response" (a rapid, pulse-like increase in grip force rate previously reported only for translational perturbations) was observed whose strength scaled with the axis of rotation. Using two haptic robots, we then investigated the effects of grip surface friction, axis, and direction of perturbation on precision grip responses for unexpected translational and rotational perturbations for three different hand-centric axes. A robust catch-up response was observed for all axes and directions for both translational and rotational perturbations. Grip surface friction had no effect on the stereotypical catch-up response. Finally, we characterized the passive properties of the precision grip-object system via robot-imposed impulse perturbations. The hand-centric axis associated with the greatest translational stiffness was different than that for rotational stiffness. This work expands our understanding of the passive and active features of precision grip, a hallmark of human dexterous manipulation. Biological insights such as these could be used to enhance the functionality of artificial hands and the quality of life for upper extremity amputees. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Mechanical Engineering 2013

Essa tese investiga o estagiário, professor de história em formação inicial, na finalização do curso de graduação em história. Apresenta um estudo de casos múltiplos, com cinco participantes, selecionados por suas qualificações acadêmicas e por seu desejo de participação. Caracteriza-se como pesquisa participante, pois a pesquisadora era professora da disciplina da Prática de Ensino I e II, cursada pelos sujeitos do estudo de caso. A coleta de dados realizou-se em uma instituição privada de ensino superior de Porto Alegre, durante um ano letivo. Como estratégia provocadora foi proposto que as aulas preparadas pelos estagiários contivessem uma problematização do conteúdo de história, que gerasse comparação espaço-temporal . A intenção era fazer emergir o que se queria investigar e possibilitar aos estagiários promoverem aulas de história diferenciadas e significativas a seus alunos. Foi formulada a hipótese de que o estudo e as reflexões que o estagiário realiza, ao planejar e realizar as aulas, bem como as discussões na disciplina de Prática de Ensino e nas orientações individuais para planejamento, proporcionam-lhe oportunidade de tematização das relações entre passado e presente, tornando-as objeto de reflexão, o que é uma possibilidade de tomada de consciência das relações espaço-temporais e da própria ação, bem como de reconstrução do conceito de tempo histórico. Os estudos de caso foram organizados a partir da observação participante da pesquisadora e dos documentos escritos pelos estagiários: planejamentos de ensino e relatórios finais do estágio. A teoria que dá sustentação a essa pesquisa é a Epistemologia Genética, de Jean Piaget, em especial no que se refere às tomadas de consciência e à construção de conceitos. A estratégia de pesquisa mostrou-se adequada ao que se queria investigar e os resultados remetem para a necessidade de revisão dos currículos de formação de professores de história, cujo objetivo deve voltar-se para maior integração entre conteúdo e ação pedagógica. A tese integra um projeto maior intitulado Contribuições da Epistemologia Genética para as Práticas Escolares, coordenado pela orientadora. / This thesis investigates the trainee professor of History in their initial training, completing the undergraduate course in History. The data collection was done in a private institution of undergraduate education in Porto Alegre, in the discipline of Teaching Practice I and II, during a school year. This was a multiple case study with five participants, selected from the class for their academic qualifications and their desire to participate. It also involves participatory research, in order that the researcher was a teacher of that discipline. To collect the data, we used a provocative strategy: the classes to be prepared by the trainees should contain a kind of solv-problems of the historical content, which in turn could generate a spatial-temporal comparison of this content. This strategy was intended to bring out what we wanted to investigate and to enable the trainees to promote History classes differentiated and meaningful to their students. It has been hypothesized that the study and considerations which the trainee performs to plan and conduct lectures and discussions in the discipline of Teaching Practice, and the guidelines for individual planning give them the opportunity to thematize relations between past and present, making these relationships subject of reflection, which is a possibility for grasp of conscience of space-time relations and their own actions, as well as reconstruction of the concept of historical time. The case studies were organized based on participant observation of the researcher as well as documents written by the trainees, their teaching plans and final reports. The theory that supports this research is the Genetic Epistemology by Jean Piaget, especially in regard to the grasp of conscience and building concepts. The research strategy was adequate to investigate what was proposed and the results point to a need to review the training table of contents for teachers of History, whose goal is to turn to a closer integration between content and pedagogical action. This thesis is part of a major research entitled Contributions of Genetic Ephistemology to school practices, coordinated by the academic adviser.

O presente estudo tem como objetivo promover situações de aprendizagem de História em 5a. série do Ensino Fundamental. Investiga a dificuldade de compreensão dos conteúdos de História constatados pela pesquisadora em sua experiência docente e confirmados pela bibliografia consultada. As dificuldades apontadas referem-se principalmente ao estabelecimento de relações e à construção de conceitos. A metodologia adotada é a pesquisaação, em que o pesquisador tem como papel promover as situações que pretende investigar de dentro do caso. É utilizada como estratégia o estudo de caso. Os dados foram colhidos através de relatórios realizados pela professora-pesquisadora e por uma observadora externa, em sala de aula e no pequeno grupo, tomado como uma unidade incorporada, e através de trabalhos escritos pelos alunos. Parte-se do princípio que o entendimento dos conteúdos de História está estruturado sobre as noções espaço-temporais construídas pela criança, desde o nascimento. Tem-se por hipótese que a tomada de consciência das relações espaço-temporais é um caminho para uma melhor compreensão da História. Adota-se como referencial teórico a Epistemologia Genética e a teoria da Tomada de Consciência de Jean Piaget, tanto para a elaboração das situações de aprendizagem, quanto para explicar a construção das noções temporais e analisar os dados. Os resultados apontam para um entendimento de História possibilitado por uma conjugação de fatores, referentes à fase de desenvolvimento do pensamento em que a criança se encontra, às suas atuais construções temporais e sociais bem como às suas construções anteriores, viabilizadas pelas interações cognitivas e sociais. O processo de tomada de consciência provocou modificações nas ações e nas conceituações ao longo do ano, apresentando-se como um modo adequado de promover uma melhor compreensão da História. / The purpose of the present study is to promote learning situations of History in order to investigate the difficulties observed in children of the 5th degree, in this matter. The subjects were children between 10 and 17 years old, of a public school. It is an action-research that uses a case study format. The searcher was also the teacher who promotes the situations to be investigated. The data were collected through the work developped during nine month with the holly group of children and a small one, wich was part of it. It came from the report related by the searcher and an external observer. The hypotesis was that the grasp of conscience of the spatial and temporal relations permits to the children to improve the understanding of History, whereas the construction of time is the basis in wich the historical time is supported. The theoretical framework of this study came from Genetic Epistemology and the Grasp of Conscience of Jean Piaget. The study findings indicates that the understanding of History came from a conjunction of factors, like the different levels of development about the notions of time and social constructions, besides the general evolution of thought. In this search, the grasp of conscience revels success in aid children to have a better understanding of History.

O Problema do Lapidário tem como objetivo encontrar o modelo de lapidação que resulte no maior aproveitamento volumétrico para uma dada gema bruta. Nesta dissertação apresentamos um Algoritmo Genético com variáveis de valores reais, e um GRASP Contínuo como heurísticas para resolução deste problema. Ambos os algoritmos maximizam o fator de escala do modelo de lapidação, sobre todas as posições de centro e ângulos de giro que o modelo pode assumir, buscando encontrar o modelo de maior volume inscrito no interior da gema, representada virtualmente por uma malha triangular. Propomos também um algoritmo de avaliação de uma instância do problema, o qual determina eficientemente o maior fator de escala, para um dado centro e orientação, que o modelo de lapidação pode assumir permanecendo completamente no interior da gema. Os algoritmos propostos foram avaliados em um conjunto de 50 gemas reais para o problema, utilizando como modelos base os cortes redondo e oval. Por fim, comparamos os resultados computacionais obtidos em relação a aproveitamento volumétrico e tempo de execução com os principais trabalhos relatados na literatura, demonstrando que as heurísticas propostas são competitivas com as demais abordagens. / The goal of the gemstone cutting problem is to find the largest cutting design which fits inside a given rough gemstone. In this work, we propose a real-valued Genetic Algorithm and a Continuous GRASP heuristic to solve it. The algorithms determine the largest scaling factor, over all possibilities of centers and orientations which the cutting could assume, finding the cutting with the largest volume as possible inside a gemstone, represented by a triangular mesh. We also propose an algorithm to evaluate a problem instance. This method efficiently determines the greatest scaling factor, for a given center and orientation, such that the cutting fits inside the rough gemstone. The proposed algorithms are validated for an instance set of 50 real-world gemstones, using the round and oval cuttings. Finally, we compare our computational results, for volume yield and running time, with the state-of-art. Ours methods are proved be competitive with the previous approachs.

The aim of this diploma thesis is a profound understanding of the compositional intention and interpretation of the piano cycles Bagatelles et Impromtus by Bedřich Smetana. The first part of the thesis focuses on composer's personality and circumstances associated with the origin of this music piece. The second part of the thesis deals with a complex analysis of individual parts of the music cycle and its educational and interpretative grasp. Part of this thesis is an interview with pianist Miroslav Sekera and his view on the interpretation of the work.

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Mit der Interaktionstechnik der "direkten Objektmanipulation" für virtuelle Umgebungen wird angestrebt, virtuelle Objekte genauso realistisch und flexibel handhaben zu können, wie das bei realen Objekten der Fall ist. Das bedeutet, virtuelle Objekte können mittels eines Handmodells direkt berührt, ergriffen, getragen, gedrückt und gezogen werden. Diese Interaktionstechnik findet vor allem dort Anwendung, wo Objektmanipulationen möglichst realistisch simuliert und erfasst werden sollen, z.B. bei Ergonomieuntersuchungen, virtuellem Prototyping, Trainingssimulationen usw. Neben einigen Ansätzen zur technischen Umsetzung von direkten Objektmanipulationen werden in dieser Arbeit vor allem Konzepte und Verfahren entwickelt und vorgestellt, die eine Erfassung und Analyse von Benutzerinteraktionen unter Verwendung dieser Interaktionstechnik ermöglichen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Untersuchung von Greifvorgängen, insbesondere die automatische Erkennung von Greifarten. Dazu wurden mehrere ausführliche empirische Studien mit einer neuartigen systematischen Methodik durchgeführt, woraus sich Empfehlungen für die Wahl von Klassifikationsverfahren und die Zusammensetzung der Merkmale ergeben. Ein weiteres Ergebnis ist eine neue Taxonomie von Greifarten, die speziell auf den Einsatz in virtueller Realität zugeschnitten ist und sich durch die Integration nicht-prehensiler Greifarten auszeichnet. Als weiterer wesentlicher Beitrag wird ein Analyseverfahren vorgestellt, mit dem der kontinuierliche Strom von Bewegungs- und Interaktionsdaten in Sequenzen von diskreten sinntragenden Basisinteraktionen zerlegt werden kann. Diese Sequenzen können anschließend manuell ausgewertet oder im Rahmen des "Action Capture"-Verfahrens in eine abstrakte Aktionsrepräsentation überführt und durch unterschiedliche virtuelle Figuren wiedergegeben werden.:Abbildungsverzeichnis ix Tabellenverzeichnis xiii Verzeichnis der Listings xv 1. Einleitung 1 1.1. Wissenschaftlicher Kontext und Abgrenzung 2 1.2. Zielsetzung und Beitrag 3 1.3. Aufbau der Arbeit 5 2. Interaktion in virtuellen Umgebungen 7 2.1. Grundbegriffe 7 2.2. Techniken der Interaktion in virtuellen Umgebungen 10 2.2.1. Zeigerbasierte Interaktion 10 2.2.2. Multimodale Interaktion 11 2.2.3. Direkte Objektmanipulation 12 2.3. Eingabegeräte 14 2.3.1. Positionstracker 14 2.3.2. Datenhandschuh (Cyberglove) 15 2.3.3. Fingertracker 18 2.4. Virtuelle Objekte 20 2.4.1. Funktionale Komponenten virtueller Umgebungen 20 2.4.2. Artikulierte Objekte und Stellteile 21 2.4.3. Die Industrienorm EN 894-3 für Stellteile 23 2.5. Zusammenfassung 24 3. Direkte Objektmanipulation in der Realität 25 3.1. Menschliches Greifen 25 3.1.1. Anatomische Grundbegriffe der menschlichen Hand 26 3.1.2. Eigenschaften von Greifvorgängen 28 3.2. Taxonomien von Greifarten 31 3.2.1. Greifarten nach Schlesinger 32 3.2.2. Griffkategorien nach Napier 34 3.2.3. Taxonomie von Greifarten nach Cutkosky 37 3.2.4. Taxonomie von Greifarten nach Kamakura 38 3.3. Eine spezielle Grifftaxonomie für Objektmanipulationen in VR 41 3.3.1. Anforderungen an eine Grifftaxonomie 41 3.3.2. Erfüllung dieser Anforderungen durch bestehende Taxonomien 43 3.3.3. Entwurfsprozess der Taxonomie 44 3.3.4. Detailbeschreibung der neuen Taxonomie 46 3.4. Zusammenfassung 51 4. Umsetzung direkter Objektmanipulation in virtuellen Umgebungen 53 4.1. Annotierte Objekte 53 4.1.1. Deklaration annotierter Objekte 55 4.1.2. Szenende?nitionen 58 4.1.3. Implementierung annotierter Objekte 60 4.2. Virtuelle Stellteile 62 4.2.1. Implementierung virtueller Stellteile 62 4.2.2. Stellteilereignisse 66 4.3. Virtuelles Handmodell 67 4.3.1. Deklaration des Handmodells 69 4.3.2. Implementierung des Handmodells 70 4.3.3. Physikalisches Handmodell 72 4.4. Simulation des Greifens 72 4.4.1. Implementierung der Geometrie-basierten Simulation 74 4.4.2. Implementierung der Sensor-Kräfte-basierten Simulation 75 4.4.3. Implementierung der Dynamik-basierten Simulation 76 4.5. Zusammenfassung 77 5. Automatische Erkennung von Greifarten 79 5.1. Verwandte Arbeiten 80 5.2. Methodik 81 5.3. Erkennung basierend auf Rohdaten des Cyberglove 82 5.3.1. Erste Studie (CG-S-R): Cyberglove-Rohdaten, Schlesinger-Taxonomie, reale Objekte 83 5.3.2. Anschlussstudie zur Verbesserung der Generalisierungsfähigkeit 97 5.3.3. Zweite Studie (CG-H-R): Cyberglove-Rohdaten, neue Taxonomie, reale Objekte 108 5.4. Erkennung basierend auf Gelenkwinkeln des Fingertrackings 119 5.4.1. Dritte Studie (FT3-S-R): Fingertracking, Schlesinger-Taxonomie, reale Objekte 119 5.4.2. Vierte Studie (FT5-S-V): Fingertracking, Schlesinger-Taxonomie, virtuelle Objekte 130 5.5. Vergleichende Diskussion aller Studien 143 5.6. Zusammenfassung 146 6. Erfassung und Analyse von direkten Objektmanipulationen in virtuellen Umgebungen 149 6.1. Erfassung und Aufzeichnung von Interaktionen 149 6.1.1. Ebene 0 - Rohdaten der Eingabegeräte 150 6.1.2. Ebene 1 - Bewegungsdaten der Körpermodells 151 6.1.3. Ebene 2 - Interaktionsdaten 152 6.2. Basisinteraktionen 153 6.2.1. Taxonomie von Basisinteraktionen 153 6.2.2. Detailbeschreibung der Basisinteraktionen 154 6.3. Erkennung von Basisinteraktionen 157 6.3.1. Segmentierung der Bewegungen 158 6.3.2. Verarbeitung von Kontaktinformationen 160 6.3.3. Verarbeitung von Stellteilereignissen 161 6.3.4. Weiterverarbeitung von Basisinteraktionen 162 6.4. Interaktionsereignisse 162 6.4.1. Typen von Interaktionsereignissen 163 6.4.2. XML-Format 164 6.4.3. Typabhängige Inhalte 166 6.4.4. Sequenzen von Interaktionsereignissen 171 6.4.5. Visualisierung von Interaktionsereignissen 171 6.5. Interaktionsdatenbank 172 6.5.1. Interaktionskanäle 173 6.5.2. Aufzeichnungssitzungen 174 6.6. Zusammenfassung 176 7. Beispielszenarien 179 7.1. Objekt an andere Position tragen (pick and place) 180 7.1.1. Die Werkbank-Szene 180 7.1.2. Interaktionssequenz im Detail 181 7.2. Stellteilbedienung 191 7.2.1. Die Pult-Szene 191 7.2.2. Die Interaktionssequenz mit dem Stellteil im Detail 192 7.3. Beispiel eines virtuellen Prototyps 200 7.3.1. Die Autocockpit-Szene 200 7.3.2. Aufgezeichnete Aktionssequenz 201 7.4. Zusammenfassung 203 8. Zusammenfassung und Ausblick 205 8.1. Ergebnisse 205 8.2. Einbettung der Arbeit in das „Action Capture“-Verfahren 209 8.2.1. Automatische Generierung von Aktionsbeschreibungen 209 8.2.2. Erzeugung von Animationen 211 8.3. Diskussion: Limitierungen und Anwendbarkeit des vorgestellten Ansatzes 213 8.4. Ausblick 215 A. Schemata der XML-Formate 219 A.1. Interaktionsereignisse 219 A.2. Handsensoren 223 A.3. Annotierte Objekte 224 A.4. Szenenbeschreibung 226 B. Abkürzungsverzeichnis 227 Literaturverzeichnis 229

Cette thése étudie le problème NP-difficile de optimization quadratique en variables binaires (BQO), à savoir le problème de la maximisation d'une fonction quadratique en variables binaires. BQO peut représenter de nombreux problèmes importants de différents domaines et servir de modèle unifié pour un grand nombre de problèmes d'optimisation combinatoire portant sur les graphes. Cette thèse est consacrée au développement d'algorithmes métaheuristiques efficaces pour résoudre le BQO et ses applications. Premièrement, nous proposons algorithmes de "backbone guided" recherche tabou et d'un algorithme mémétique multi-niveaux sur la base de la technique de la fixation de variables. Ces techniques sont toutes deux basées sur l'idée de la réduction du problème afin de mener à bien une exploitation exhaustive d'une petite région de recherche. Ensuite, nous nous concentrons sur des procédés avancés de génération des solutions initiales préférables et développons des algorithmes combinant GRASP avec la recherche tabou et les algorithmes de path-relinking. En outre, nous résolvons des problèmes, y compris le problème de coupe maximum, de clique maximum, de clique maximale de sommets pondérés et la somme coloration minimum, soit en appliquant directement ou avec une légère adaptation de nos algorithmes développés pour BQO, avec l'hypothèse que ces problèmes sont reformulés en BQO. Enfin, nous présentons un algorithme mémétique basé sur la recherche tabou qui s'attaque efficacement au BQO avec contrainte de cardinalité.