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.

Biped robots with serial links driven by an electric motor experience problems because the motor and transmission are installed in each joint, causing the legs to become very heavy. Previous solutions involved robots using servo valves, a type of highly responsive proportional valve. However, high supply pressure is necessary to realize high responsiveness and the resulting energy losses are large. To address this problem, we proposed a hydraulic direct-drive system in which the pump controls the cylinder meter-in flow, while a proportional valve controls the meter-out flow. Furthermore, our hydraulic interlocking drive system connects two hydraulic direct-drive systems for biped humanoid robots and concentrates the pump output on one side cylinder. The meter-in flow rate of the other side cylinder is controlled by the meter-out flow rate of the cylinder on which the pump is concentrated. A comparison of the walking simulation performance with that of the conventional independent system shows that our proposed system reduces the motor output power by 24.3%. These results prove the feasibility of constructing a two-legged robot without having to incorporate highly responsive servo valves.

This paper aims to show that controlled hydraulic drives, when properly considered and approached, are a technology that allows for a systematic and safe system design with regard to performance and energy efficiency. Controlled hydraulic drives are predestinated to be an indispensable alternative to electromechanical drives for many fields of application, especially against the background of Industry 4.0. But hydraulic drives will only be able to play this role if they see themselves as a part of mechatronics, speak the language of mechatronics and recognize the increasing importance of electric drives as part of the hydraulic toolbox as a chance.

Oscillating positive displacement pumps are used in many industrial sectors. Mechanical stroke generators / drives such as crank drive, spring-cam drive etc have reached a high technological level, but to which are set mechanical limits. Especially in the smallest dosing range <1 l/h at a pressure range from 100 … 400 bar considerable optimisation is still required with regard to precision and continuity / control range of the dosing flow. In order to expand the current application possibilities for the diaphragm metering pump technology, it is necessary to use new drive systems such as linear motor technology. A linear motor is an electric drive unit which transmits the oscillating delivery movement of the dosing pumps directly to the displacer (hydraulic piston, diaphragm, etc.) without any mechanics, so that highly dynamic movements can be carried out with maximum precision, an individual kinematic profile and a control range of 1:200. The examples of gas odorization and filling processes show how the linear motor drive can be used to technologically solve and even optimize the customer's process requirements. The linear motor pump can realize an integrated 3-parameter control and is therefore suitable for almost any kinematically solvable dosing task.

Animals exploit soft structures to move smoothly and effectively in complex natural environments. These capabilities have inspired robotic engineers to incorporate soft actuating technologies into their designs. Developing soft muscle-like actuation technology is one of the grand challenges in the creation of soft-body robots that can move, deform their body, and modulate body stiffness. This paper presents the development of smart pneumatic McKibben muscles woven and reinforced by using conductive insulated wires to equip the muscles with an inherent sensing capability, in which the deformation of the muscles can be effectively measured by calculating the change of wire inductance. Sensing performance of a variety of weaving angles is investigated. The ideal McKibben muscle models are used for analysing muscle performance and sensing accuracy. The experimental results show that the contraction of the muscles is proportional to the measured change of inductance. This relationship is applied to a PID control system to control the contraction of smart muscles in simulation, and good control performance is achieved. The creation of smart muscles with an inherent sensing capability and a good controllability is promising for operation of future soft robots.

Temperature drifts, tool deterioration, unknown vibrations as well as spindle play are major effects which decrease the achievable precision of computerized numerically controlled (CNC) lathes and lead to shape deviations between the processed work pieces. Since currently no measurement system exist for fast, precise and insitu 3d shape monitoring with keyhole access, much effort has to be made to simulate and compensate these effects. Therefore we introduce an optical interferometric sensor for absolute 3d shape measurements, which was integrated into a working lathe. According to the spindle rotational speed, a measurement rate of 2,500 Hz was achieved. In-situ absolute shape, surface profile and vibration measurements are presented. While thermal drifts of the sensor led to errors of several µm for the absolute shape, reference measurements with a coordinate machine show, that the surface profile could be measured with an uncertainty below one micron. Additionally, the spindle play of 0.8 µm was measured with the sensor.

Schulpflichtige Nachwuchssportler sehen sich mit der Problematik konfrontiert, dass sowohl die schulische als auch die spitzensportliche Karriere von ihnen vollen Einsatz verlangt, ohne dass sich die erbrachten Leistungen wechselseitig anrechnen lassen. Die daraus entstehende Doppelbelastung kann dazu führen, dass beide Karriereformen nur mit Abstrichen und Beeinträchtigungen verfolgt werden. Bedenkt man nunmehr, dass bei einer Vernachlässigung der schulischen Ausbildung bereits frühzeitig weiterführende berufliche Karrieren eingeschränkt werden, so verwundert es nicht, dass die Verantwortung für die Lösung dieses Inklusionsproblems gemeinhin dem politischen System zugeschrieben wird. Das darauf aufbauende, übergeordnete Erkenntnisinteresse der Arbeit liegt in der Analyse der Möglichkeiten und Grenzen des politischen Systems eine bessere Vereinbarkeit von Schule und Spitzensport herbeizuführen. Die Auseinandersetzung mit der Problematik erfolgt dabei primär auf theoretischer Ebene und verfolgt das Ziel ein in sich geschlossenes Theoriegebäude unter systemtheoretischen Prämissen zu entwickeln. Dabei zeigt sich einerseits, dass die Möglichkeiten der Politik, auf die Problematik der Doppelbelastung schulpflichtiger Nachwuchssportler einwirken zu können aufgrund der funktionalen Differenzierung moderner Gesellschaften und der operativen Schließung der einzelnen sozialen Systeme, stark reglementiert sind. Andererseits scheinen jedoch, aufgrund der Außenorientierung der Politik in Verbindung mit den spezifischen Steuerungsmedien und den vielfältigen Verbindungen zu anderen Systemen, Wirkungen im Sinne einer Differenzsteuerung denkbar. Bei der Betrachtung konkreter Ansatzpunkte politischer Steuerungsmöglichkeiten kann danach unterschieden werden, ob sich Interventionen primär auf die Ebene der Funktions- bzw. Organisationssysteme beziehen oder aber, ob Interorganisationsbeziehungen fokussiert werden.

Recently, mobile robots with visual perception working in dynamic environments have been extensively investigated because this method of perception offers a large amount of environmental information. Optical flow perception is an important class of visual perception because it offers powerful perception methods and it offers both egomotion and structure from motion estimation. Especially advantageous is the fact that optical flow perception does not require a priori knowledge of the working environment and can work with minimum hardware, i.e. a mono-camera as the main navigation sensor. In this thesis, a new approach of optical flow-based perception through qualitative interpretations is developed. Compared to the classical metric approaches for optical flow perception, this approach uses much simpler arithmetic and requires less computation time because of the use of qualitative optical flow interpretations. The qualitative optical flow interpretations provide mobile robots with visual perception a more detailed image of their 3D working environment, e.g. obstacle positions and indoor object types. By using fuzzy logic for the interpretations, the optical flow perception becomes simple and intelligent in a bioinspired manner and moreover gains robustness under noisy conditions in the working environment. On the other hand, this thesis develops a generic modular structure of a behavior-based control system with three clearly separate modules for perception, motion control, and path planning. These modules are connected by simple IO interfaces. The system concept is independent of the specific type of perception. The designed behaviors are functionally classified into two separated modules, concerning collision-free motion control and goal oriented path planning. The hierarchical organization of these behaviors makes the operation of the control system more efficient and enables an easy adjustment of behaviors. Some of the behaviors use fuzzy logic concepts, which result in flexible and smooth robotic motion. Furthermore a new scheme for topological path planning in combination with fuzzy-based behaviors is developed for the goal-oriented navigation of a mobile robot. This combination allows a mobile robot to perform topological path planning in a real environment without metric information regarding its global and local positions. This enables an easy adjustment of topological path planning for different sensor perceptions or landmarks by just changing the topological map data. The performance of the optical flow-based perception embedded in the behavior-based control system with the topological path planning has been successfully tested through experiments in a real environment under most realistic conditions including relevant noise effects, e.g. unfavorable lightning conditions, non-standard objects, image processing limitations, image noise, etc. / Heutzutage werden mobile Roboter zunehmend mit Kameras ausgestattet, da diese eine Vielzahl von Informationen über die Umgebung bereitstellen. Die Perzeption mit Hilfe des optischen Flusses ist eine wichtige Methode der Bildverarbeitung, da sie eine leistungsfähige Umgebungserfassung und die Nachahmung biologisch-inspirierter Prozesse erlaubt. Dabei können sowohl Informationen zur Eigenbewegung als auch Daten über die Struktur der Umgebung gewonnen werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei einerseits die Tatsache, dass keinerlei a-priori-Informationen über die Umwelt benötigt werden und anderseits die geringen Hardwareansprüche von Kamerasystemen. So kann beispielsweise eine einfache Monokamera als Hauptsensor zur Navigation für den mobilen Roboter verwendet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz zur optischen Fluss basierten Perzeption mittels qualitativer Interpretation entwickelt. Verglichen mit klassischen metrischen Methoden, arbeitet der vorgestellte Ansatz dabei mit einer simpleren Arithmetik und benötigt weniger Rechenzeit. Die qualitative Verarbeitung des optischen Flusses bietet dem Roboter ein detaillierteres Bild der dreidimensionalen Arbeitsumgebung. So können beispielsweise Hindernispositionen ermittelt und Objekttypen im Innenraum erfasst werden. Durch die Verwendung von Fuzzy-Logik bei der Interpretation der visuellen Information gestaltet sich die Umgebungserfassung mit Hilfe des optischen Flusses sehr einfach und erlaubt eine bioinspirierte intelligente Entscheidungsfindung, die auch robust gegenüber realen gestörten Umgebungsbedingungen ist. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit eine generische modulare Struktur für eine verhaltensbasierte Steuerung mit drei klar getrennten Modulen für Perzeption, Bewegungssteuerung und Pfadplanung vorgestellt. Diese Module werden über einfache Schnittstellen miteinander verbunden. Dadurch ist das entstandene System auch auf andere Perzeptionsmethoden mobiler Roboter anwendbar. Die realisierten Verhaltensmuster werden dabei funktionsorientiert in zwei Module eingeordnet: Ein Modul sichert hierbei die kollisionsfreie Bewegungssteuerung, ein weiteres realisiert die zielorientierte Pfadplanung. Die hierarchische Organisation dieser Verhaltensmuster ermöglicht ein effizientes und einfaches Vorgehen bei der Modifikation der hinterlegten Eigenschaften. Dabei nutzen manche dieser Verhaltensmuster wiederum Konzepte der Fuzzy-Logik, um die Roboterbewegung so flexibel und leichtgängig zu realisieren, wie es bei biologischen Systemen der Fall ist. Für die zielorientierte Navigation eines mobilen Roboters wurde in einem dritten Schwerpunkt eine neue Methode für die topologische Pfadplanung in Kombination mit Fuzzy-Logik-basierten Verhalten entwickelt. Diese Kombination ermöglicht dem Roboter die topologische Pfadplanung in einer realen Umgebung ohne jegliche Verwendung von metrischen Informationen in Bezug auf seine Position und Orientierung. Dadurch kann die Pfadplanung durch einfache Modifikationen der topologischen Kartendaten für verschiedene Perzeptionssensoren oder Landmarkenrepräsentationen angepasst werden. Die Leistungsfähigkeit der Perzeption mittels des optischen Flusses innerhalb der verhaltensbasierten Steuerung zusammen mit der topologischen Pfadplanung wird anhand von Experimenten mit einem mobilen Roboter in einer realen Umgebung gezeigt. Dabei werden auch unterschiedlichste Bedingungen, wie sich ändernden Lichtverhältnissen, unbekannten Objekten, Einschränkungen bei der Bildverarbeitung sowie Bildrauschen berücksichtigt.

Thermodynamic processes in finite time are in general irreversible. But there are chances to avoid irreversibility. For instance, there are canonical ensembles of special quantum systems with a given probability distribution describing the likelihood to find the system at time t=0 in a particular state with energy E_i(0), which can be controlled in a specific way, such that the initial probability distribution is recovered at the end of the process (t=T), but the state energies did change, hence E_i(0) is not equal to E_i(T). This allows to change thermodynamic quantities (expectation values) adiabatically, reversibly and in finite time. Such special processes are called Shortcuts to Adiabaticity. The presented thesis analyzes the origin of these shortcuts utilizing special Hamiltonian systems with dynamical algebra. Their main feature is to provide canonical invariance, which means a canonical ensemble stays canonical under Hamiltonian dynamics. This invariance carried by the dynamical algebra will be discussed using Lie group theory. In addition, the persistence of the dynamical algebra with respect to calculating expectation values will be deduced. This allows to benefit from all intrinsic symmetries within the discussion of ensemble trajectories. In consequence, these trajectories will evolve under Hamiltonian dynamics on a specific manifold given by the so-called Casimir companion. In addition, the deformation of this manifold due to non-Hamiltonian (dissipative) dynamics will be discussed, which allows to present a framework for modeling irreversible processes based on Hamiltonian systems with dynamical algebra. An application of this framework based on the parametric harmonic oscillator will be presented by determining time-optimal controls for transitions between two equilibrium as well as between non-equilibrium and equilibrium states. The latter one will lead to time-optimal equilibration strategies for a statistical ensemble of parametric harmonic oscillators. / Thermodynamische Prozesse in endlicher Zeit sind im Allgemeinen irreversibel. Es gibt jedoch Möglichkeiten, diese Irreversibilität zu umgehen. Ein kanonisches Ensemble eines speziellen quantenmechanischen Systems kann zum Beispiel auf eine ganz spezielle Art und Weise gesteuert werden, sodass nach endlicher Zeit T wieder eine kanonische Besetzungverteilung hergestellt ist, sich aber dennoch die Energie des Systems geändert hat (E(0) ungleich E(T)). Solche Prozesse erlauben das Ändern thermodynamischer Größen (Ensemblemittelwerte) der erwähnten speziellen Systeme in endlicher Zeit und auf eine adiabatische und reversible Art. Man nennt diese Art von speziellen Prozessen Shortcuts to Adiabaticity und die speziellen Systeme hamiltonsche Systeme mit dynamischer Algebra. Die vorliegende Dissertation hat zum Ziel den Ursprung dieser Shortcuts to Adiabaticity zu analysieren und eine Methodik zu entwickeln, die es erlaubt irreversible thermodynamische Prozesse adequat mittels dieser speziellen Systeme zu modellieren. Dazu wird deren besondere Eigenschaft ausgenutzt, die kanonische Invarianz, d.h. ein kanonisches Ensemble bleibt kanonisch bezüglich hamiltonscher Dynamik. Der Ursprung dieser Invarianz liegt in der dynamischen Algebra, die mit Hilfe der Theorie der Lie-Gruppen näher betrachtet wird. Dies erlaubt, eine weitere besondere Eigenschaft abzuleiten: Die Ensemblemittelwerte unterliegen ebenfalls den Symmetrien, die die dynamische Algebra widerspiegelt. Bei näherer Betrachtung befinden sich alle Trajektorien der Ensemblemittelwerte auf einer Mannigfaltigkeit, die durch den sogenannten Casimir Companion beschrieben wird. Darüber hinaus wird nicht-hamiltonsche/dissipative Dynamik betrachtet, welche zu einer Deformation der Mannigfaltigkeit führt. Abschließend wird eine Zusammenfassung der grundlegenden Methodik zur Modellierung irreversibler Prozesse mittels hamiltonscher Systeme mit dynamischer Algebra gegeben. Zum besseren Verständnis wird ein ausführliches Anwendungsbeispiel dieser Methodik präsentiert, in dem die zeitoptimale Steuerung eines Ensembles des harmonischen Oszillators zwischen zwei Gleichgewichtszuständen sowie zwischen Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtszuständen abgeleitet wird.

In dieser Arbeit untersuchen wir mathematische Modelle für Finanzmärkte mit einem großen Händler, dessen Handelsaktivitäten transienten Einfluss auf die Preise der Anlagen haben. Zuerst beschäftigen wir uns mit der Frage, wie die Handelserlöse des großen Händlers definiert werden sollen. Wir identifizieren die Erlöse zunächst für absolutstetige Strategien als nichtlineares Integral, in welchem sowohl der Integrand als der Integrator von der Strategie abhängen. Unserere Hauptbeiträge sind hier die Identifizierung der Skorokhod M1 Topologie als geeigneter Topologue auf dem Raum aller Strategien sowie die stetige Erweiterung der Definition für die Handelserlöse von absolutstetigen auf cadlag Kontrollstrategien. Weiter lösen wir ein Liquidierungsproblem in einem multiplikativen Modell mit Preiseinfluss, in dem die Liquidität stochastisch ist. Die optimale Strategie wird beschrieben durch die Lokalzeit für Reflektion einer Diffusion an einer nicht-konstanten Grenze. Um die HJB-Variationsungleichung zu lösen und Optimalität zu beweisen, wenden wir probabilistische Argumente und Methoden aus der Variationsrechnung an, darunter Laplace-Transformierte von Lokalzeiten für Reflektion an elastischen Grenzen. In der zweiten Hälfte der Arbeit untersuchen wir die Absicherung (Hedging) für Optionen. Der minimale Superhedging-Preis ist die Viskositätslösung einer semi-linearen partiellen Differenzialgleichung, deren Nichtlinearität von dem transienten Preiseinfluss abhängt. Schließlich erweitern wir unsere Analyse auf Hedging-Probleme in Märkten mit mehreren riskanten Anlagen. Stabilitätsargumente führen zu strukturellen Bedingungen, welche für ein arbitragefreies Modell mit wechselseitigem Preis-Impakt gelten müssen. Zudem ermöglichen es jene Bedingungen, die Erlöse für allgemeine Strategien unendlicher Variation in stetiger Weise zu definieren. Als Anwendung lösen wir das Superhedging-Problem in einem additiven Preis-Impakt-Modell mit mehreren Anlagen. / In this thesis we study mathematical models of financial markets with a large trader (price impact models) whose actions have transient impact on the risky asset prices. At first, we study the question of how to define the large trader's proceeds from trading. To extend the proceeds functional to general controls, we ask for stability in the following sense: nearby trading activities should lead to nearby proceeds. Our main contribution in this part is to identify a suitable topology on the space of controls, namely the Skorokhod M1 topology, and to obtain the continuous extension of the proceeds functional for general cadlag controls. Secondly, we solve the optimal liquidation problem in a multiplicative price impact model where liquidity is stochastic. The optimal control is obtained as the reflection local time of a diffusion process reflected at a non-constant free boundary. To solve the HJB variational inequality and prove optimality, we need a combination of probabilistic arguments and calculus of variations methods, involving Laplace transforms of inverse local times for diffusions reflected at elastic boundaries. In the second half of the thesis we study the hedging problem for a large trader. We solve the problem of superhedging for European contingent claims in a multiplicative impact model using techniques from the theory of stochastic target problems. The minimal superhedging price is identified as the unique viscosity solution of a semi-linear pde, whose nonlinearity is governed by the transient nature of price impact. Finally, we extend our consideration to multi-asset models. Requiring stability leads to strong structural conditions that arbitrage-free models with cross-impact should satisfy. These conditions turn out to be crucial for identifying the proceeds functional for a general class of strategies. As an application, the problem of superhedging with cross-impact in additive price impact models is solved.