Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Novel control, haptic and calibration methods for teleoperated electrohydraulic servo systems

The aim of this thesis is to propose a novel control method for teleoperated electrohydraulic servo systems that implements a reliable haptic sense between the human and manipulator interaction, and an ideal position control between the manipulator and the task environment interaction. The proposed method has the characteristics of a universal technique independent of the actual control algorithm and it can be applied with other suitable control methods as a real-time control strategy. The motivation to develop this control method is the necessity for a reliable real-time controller for teleoperated electrohydraulic servo systems that provides highly accurate position control based on joystick inputs with haptic capabilities. The contribution of the research is that the proposed control method combines a directed random search method and a real-time simulation to develop an intelligent controller in which each generation of parameters is tested on-line by the real-time simulator before being applied to the real process. The controller was evaluated on a hydraulic position servo system. The simulator of the hydraulic system was built based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. A Particle Swarm Optimization algorithm combined with the foraging behavior of E. coli bacteria was utilized as the directed random search engine. The control strategy allows the operator to be plugged into the work environment dynamically and kinetically. This helps to ensure the system has haptic sense with high stability, without abstracting away the dynamics of the hydraulic system. The new control algorithm provides asymptotically exact tracking of both, the position and the contact force. In addition, this research proposes a novel method for re-calibration of multi-axis force/torque sensors. The method makes several improvements to traditional methods. It can be used without dismantling the sensor from its application and it requires smaller number of standard loads for calibration. It is also more cost efficient and faster in comparison to traditional calibration methods. The proposed method was developed in response to re-calibration issues with the force sensors utilized in teleoperated systems. The new approach aimed to avoid dismantling of the sensors from their applications for applying calibration. A major complication with many manipulators is the difficulty accessing them when they operate inside a non-accessible environment; especially if those environments are harsh; such as in radioactive areas. The proposed technique is based on design of experiment methodology. It has been successfully applied to different force/torque sensors and this research presents experimental validation of use of the calibration method with one of the force sensors which method has been applied to.

Architectural rendering of the Argyros Forum

Photographic copy of the architectural rendering of the Argyros Forum, Chapman University, Orange, California. Architect: Bob Murrin. Groundbreaking September 16, 1991 and dedication October 26, 1992.

Architectural rendering of Davis Apartments, Chapman College, Orange, California

Davis Community Center and Apartments opened September, 1974 at 625 North Grand Street, Orange, California, named in honor of Chapman College's fourth president, Dr. John L. Davis. The five two-story apartment buildings were designed by Harold Gimeno & Associates of Santa Ana and built by the J. Ray Construction Company, Inc. of Costa Mesa.

Genetic Programming for Non-Photorealistic Rendering

This thesis focuses on developing an evolutionary art system using genetic programming. The main goal is to produce new forms of evolutionary art that filter existing images into new non-photorealistic (NPR) styles, by obtaining images that look like traditional media such as watercolor or pencil, as well as brand new effects. The approach permits GP to generate creative forms of NPR results. The GP language is extended with different techniques and methods inspired from NPR research such as colour mixing expressions, image processing filters and painting algorithm. Colour mixing is a major new contribution, as it enables many familiar and innovative NPR effects to arise. Another major innovation is that many GP functions process the canvas (rendered image), while is dynamically changing. Automatic fitness scoring uses aesthetic evaluation models and statistical analysis, and multi-objective fitness evaluation is used. Results showed a variety of NPR effects, as well as new, creative possibilities.

Artists Rendering of Isobel Price

Artist’s rendering in colour of Isobel Price in an oval frame with a hook at the top and a section at the back which contains a lock of hair. This painting was done by Gerald Sinclair Hayward who was a renowned artist whose work was displayed at an exhibition in New York in 1899. He painted Theodore Roosevelt, William K. Vanderbilt and members of the ruling families of Britain, Germany and Russia. The frame is enclosed in a folding case lined with velvet and silk. The silk is quite worn. The outside of the case appears to be leather and has a stand for setting it upright. It closes with a metal latch. This is accompanied by a note by R. Band.

The fearsome island, being a modern rendering of the narrative ofone Seld Fordred, master marines of Hythe, whose shipwreck and subsequent adventures are herein set forth...

UANL

Facteurs influencing haptic shape perception

Le but de cette étude était de déterminer la contribution de plusieurs facteurs (le design de la tâche, l’orientation d’angle, la position de la tête et du regard) sur la capacité des sujets à percevoir les différences de formes bidimensionnelles (2-D) en utilisant le toucher haptique. Deux séries d'expériences (n = 12 chacune) ont été effectuées. Dans tous les cas, les angles ont été explorés avec l'index du bras tendu. La première expérience a démontré que le seuil de discrimination des angles 2-D a été nettement plus élevé, 7,4°, que le seuil de catégorisation des angles 2-D, 3,9°. Ce résultat étend les travaux précédents, en montrant que la différence est présente dans les mêmes sujets testés dans des conditions identiques (connaissance des résultats, conditions d'essai visuel, l’orientation d’angle). Les résultats ont également montré que l'angle de catégorisation ne varie pas en fonction de l'orientation des angles dans l'espace (oblique, verticale). Étant donné que les angles présentés étaient tous distribués autour de 90°, ce qui peut être un cas particulier comme dans la vision, cette constatation doit être étendue à différentes gammes d'angles. Le seuil plus élevé dans la tâche de discrimination reflète probablement une exigence cognitive accrue de cette tâche en demandant aux sujets de mémoriser temporairement une représentation mentale du premier angle exploré et de la comparer avec le deuxième angle exploré. La deuxième expérience représente la suite logique d’une expérience antérieure dans laquelle on a constaté que le seuil de catégorisation est modifié avec la direction du regard, mais pas avec la position de la tête quand les angles (non visibles) sont explorés en position excentrique, 60° à la droite de la ligne médiane. Cette expérience a testé l'hypothèse que l'augmentation du seuil, quand le regard est dirigé vers l'extrême droite, pourrait refléter une action de l'attention spatiale. Les sujets ont exploré les angles situés à droite de la ligne médiane, variant systématiquement la direction du regard (loin ou vers l’angle) de même que l'emplacement d'angle (30° et 60° vers la droite). Les seuils de catégorisation n’ont démontré aucun changement parmi les conditions testées, bien que le biais (point d'égalité subjective) ait été modifié (décalage aux valeurs inférieurs à 90°). Puisque notre test avec le regard fixé à l’extrême droite (loin) n'a eu aucun effet sur le seuil, nous proposons que le facteur clé contribuant à l'augmentation du seuil vu précédemment (tête tout droit/regard à droite) doit être cette combinaison particulière de la tête/regard/angles et non l’attention spatiale.

Order and the literary rendering of chaos : children's literature as knowledge, order, and social foundation

Depuis que l'animal humain a conçu un système de technologies pour la pensée abstraite grâce au langage, la guerre contre le monde sauvage est devenu une voie à sens unique vers l'aliénation, la civilisation et la littérature. Le but de ce travail est d'analyser comment les récits civilisationnels donnent une structure à l'expérience par le biais de la ségrégation, de la domestication, de la sélection, et de l'extermination, tandis que les récits sauvages démontrent les possibilités infinies du chaos pour découvrir le monde en toute sa diversité et en lien avec sa communauté de vie. Un des objectifs de cette thèse a été de combler le fossé entre la science et la littérature, et d'examiner l'interdépendance de la fiction et la réalité. Un autre objectif a été de mettre ces récits au cœur d'un dialogue les uns avec les autres, ainsi que de tracer leur expression dans les différentes disciplines et œuvres pour enfants et adultes mais également d’analyser leur manifestations c’est redondant dans la vie réelle. C'est un effort multi-disciplinaires qui se reflète dans la combinaison de méthodes de recherche en anthropologie et en études littéraires. Cette analyse compare et contraste trois livres de fiction pour enfants qui présentent trois différents paradigmes socio-économiques, à savoir, «Winnie-l'Ourson» de Milne qui met en place un monde civilisé monarcho-capitaliste, la trilogie de Nosov sur «les aventures de Neznaika et ses amis» qui présente les défis et les exploits d'une société anarcho-socialiste dans son évolution du primitivisme vers la technologie, et les livres de Moomines de Jansson, qui représentent le chaos, l'anarchie, et l'état sauvage qui contient tout, y compris des épisodes de civilisation. En axant la méthodologie de ma recherche sur la façon dont nous connaissons le monde, j'ai d'abord examiné la construction, la transmission et l'acquisition des connaissances, en particulier à travers la théorie de praxis de Bourdieu et la critique de la civilisation développée dans les études de Zerzan, Ong, et Goody sur les liens entre l'alphabétisation, la dette et l'oppression. Quant à la littérature pour enfants, j'ai choisi trois livres que j’ai connus pendant mon enfance, c'est-à-dire des livres qui sont devenus comme une «langue maternelle» pour moi. En ce sens, ce travail est aussi de «l’anthropologie du champ natif». En outre, j’analyse les prémisses sous-jacentes qui se trouvent non seulement dans les trois livres, mais dans le déroulement des récits de l'état sauvage et de la civilisation dans la vie réelle, des analyses qui paraissent dans cette thèse sous la forme d'extraits d’un journal ethnographique. De même que j’examine la nature de la littérature ainsi que des structures civilisées qui domestiquent le monde au moyen de menaces de mort, je trace aussi la présence de ces récits dans l'expression scientifique (le récit malthusien-darwinien), religieuse, et dans autres expressions culturelles, et réfléchis sur les défis présentés par la théorie anarchiste (Kropotkine) ainsi que par les livres pour enfants écrits du point de vue sauvage, tels que ceux des Moomines.

Photorealistic Surface Rendering with Microfacet Theory

La synthèse d'images dites photoréalistes nécessite d'évaluer numériquement la manière dont la lumière et la matière interagissent physiquement, ce qui, malgré la puissance de calcul impressionnante dont nous bénéficions aujourd'hui et qui ne cesse d'augmenter, est encore bien loin de devenir une tâche triviale pour nos ordinateurs. Ceci est dû en majeure partie à la manière dont nous représentons les objets: afin de reproduire les interactions subtiles qui mènent à la perception du détail, il est nécessaire de modéliser des quantités phénoménales de géométries. Au moment du rendu, cette complexité conduit inexorablement à de lourdes requêtes d'entrées-sorties, qui, couplées à des évaluations d'opérateurs de filtrage complexes, rendent les temps de calcul nécessaires à produire des images sans défaut totalement déraisonnables. Afin de pallier ces limitations sous les contraintes actuelles, il est nécessaire de dériver une représentation multiéchelle de la matière. Dans cette thèse, nous construisons une telle représentation pour la matière dont l'interface correspond à une surface perturbée, une configuration qui se construit généralement via des cartes d'élévations en infographie. Nous dérivons notre représentation dans le contexte de la théorie des microfacettes (conçue à l'origine pour modéliser la réflectance de surfaces rugueuses), que nous présentons d'abord, puis augmentons en deux temps. Dans un premier temps, nous rendons la théorie applicable à travers plusieurs échelles d'observation en la généralisant aux statistiques de microfacettes décentrées. Dans l'autre, nous dérivons une procédure d'inversion capable de reconstruire les statistiques de microfacettes à partir de réponses de réflexion d'un matériau arbitraire dans les configurations de rétroréflexion. Nous montrons comment cette théorie augmentée peut être exploitée afin de dériver un opérateur général et efficace de rééchantillonnage approximatif de cartes d'élévations qui (a) préserve l'anisotropie du transport de la lumière pour n'importe quelle résolution, (b) peut être appliqué en amont du rendu et stocké dans des MIP maps afin de diminuer drastiquement le nombre de requêtes d'entrées-sorties, et (c) simplifie de manière considérable les opérations de filtrage par pixel, le tout conduisant à des temps de rendu plus courts. Afin de valider et démontrer l'efficacité de notre opérateur, nous synthétisons des images photoréalistes anticrenelées et les comparons à des images de référence. De plus, nous fournissons une implantation C++ complète tout au long de la dissertation afin de faciliter la reproduction des résultats obtenus. Nous concluons avec une discussion portant sur les limitations de notre approche, ainsi que sur les verrous restant à lever afin de dériver une représentation multiéchelle de la matière encore plus générale.

Image Based Rendering Using Algebraic Techniques

This paper presents an image-based rendering system using algebraic relations between different views of an object. The system uses pictures of an object taken from known positions. Given three such images it can generate "virtual'' ones as the object would look from any position near the ones that the two input images were taken from. The extrapolation from the example images can be up to about 60 degrees of rotation. The system is based on the trilinear constraints that bind any three view so fan object. As a side result, we propose two new methods for camera calibration. We developed and used one of them. We implemented the system and tested it on real images of objects and faces. We also show experimentally that even when only two images taken from unknown positions are given, the system can be used to render the object from other view points as long as we have a good estimate of the internal parameters of the camera used and we are able to find good correspondence between the example images. In addition, we present the relation between these algebraic constraints and a factorization method for shape and motion estimation. As a result we propose a method for motion estimation in the special case of orthographic projection.

High bandwidth, large workspace haptic interaction: flying phantoms

It is well understood that for haptic interaction: free motion performance and closed-loop constrained motion performance have conflicting requirements. The difficulties for both conditions are compounded when increased workspace is required as most solutions result in a reduction of achievable impedance and bandwidth. A method of chaining devices together to increase workspace without adverse effect on performance is described and analysed. The method is then applied to a prototype, colloquially known as 'The Flying Phantom', and shown to provide high-bandwidth, low impedance interaction over the full range of horizontal movement across the front of a human user.

Perceptual cues for orientation in a two finger haptic grasp task

Single point interaction haptic devices do not provide the natural grasp and manipulations found in the real world, as afforded by multi-fingered haptics. The present study investigates a two-fingered grasp manipulation involving rotation with and without force feedback. There were three visual cue conditions: monocular, binocular and projective lighting. Performance metrics of time and positional accuracy were assessed. The results indicate that adding haptics to an object manipulation task increases the positional accuracy but slightly increases the overall time taken.

Extending the friction cone algorithm for arbitrary polygon based haptic objects

Most haptic environments are based on single point interactions whereas in practice, object manipulation requires multiple contact points between the object, fingers, thumb and palm. The Friction Cone Algorithm was developed specifically to work well in a multi-finger haptic environment where object manipulation would occur. However, the Friction Cone Algorithm has two shortcomings when applied to polygon meshes: there is no means of transitioning polygon boundaries or feeling non-convex edges. In order to overcome these deficiencies, Face Directed Connection Graphs have been developed as well as a robust method for applying friction to non-convex edges. Both these extensions are described herein, as well as the implementation issues associated with them.

Force shading and bump mapping using the friction cone algorithm

Previous work has presented the friction cone algorithm, a generalised method to resolve forces on a simulated haptic object when two or more fingers are in contact. Two extensions to the friction cone algorithm are presented: force shading and bump mapping. Force shading removes the discontinuities that are present when transitioning from one face to the next, whilst bump mapping provides a mechanism for rendering haptic textures on polygonal surfaces. Both these extensions can be combined whilst still maintaining the friction cone algorithm's intrinsic ability to simulate arbitrarily complex friction models.