Spezielle Kapitel aus Intelligente Systeme Roboter fr neue
Spezielle Kapitel aus Intelligente Systeme: Roboter für neue Anwendungen o. Univ. Prof. Dr. h. c. mult. P. Kopacek Technische Universität Wien Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 1
Themen - Schwerpunkte • Aufbau von Mobilen Roboter Systemen • Sensorik • Bildverarbeitung für mobile Systeme • Bewegungssteuerung • Hinderniserkennung und Wegplanung • Roboter - Anwendung • Mobile Roboter am IHRT • Zusammenfassung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 2
Manipulation Vom Industrie- zum Serviceroboter Industrielles Umfeld Industrieroboter Fortgeschr. Industrieroboter (feste Basis) (Pick & Place) (Montage) (Tanken) Externe Sensoren AGVs Fortbewegung Öffentliches Umfeld, Haushalt (Transport) Serviceroboter Mensch-Roboter Interaktion Intelligente AGVs (mobiler Manipulator) (Fetch & Carry) Serviceroboter (mobile Platform) Netzwerke (flexibler Transport) (Intell. Rollstuhl, Helpmate) mehrfüßige Gehmasch. Teleroboter Externe Sensoren Stabilität Gehmaschine Serviceroboter zweifüßige Gehmasch. Humanoide Roboter Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 3
Komponenten eines mobilen Roboters Sensor - System Bediener - Panel Antriebsteil Rechner - Rack Energieversorgung Sensorik passive Hinterräder Aktive Räder ( angetrieben und gelenkte ) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 4
Architektur von Mobilen Roboter Plattformen Umgebung und Peripherie User/ Benützer Roboter Sicherheits-System Man. Maschine Schnitt-stelle Sensoren Mobile Plattform Payload Module Objekt Handling Arm Control Endeffector Drive Energie Versorgung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 5
Autonome Systeme oder als intelligente Roboter bezeichnet Forderung nach Autonomie setzt voraus: • Kommunikation mit der Umwelt • selbständige Generierung von Aktionsplänen zu einem vorgegebenen Auftrag • automatische Ausführung und Überwachung von Aktionsplänen • eigenes Verständnis der Umgebung mit Hilfe von Sensoren und internen Modellen • Reaktion auf unvorhersehbare Situationen Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 6
Problemstellung für autonomes Verhalten Ê Verständnis von Aufträgen: Die Spezifikation eines Auftrags wird häufig Bestandteile enthalten, die sich auf eine bestimmte Umweltkonstellation beziehen. Ë Planung von Aktionen: Von der Umgebung muss mehr als nur die Position des Zielpunktes bekannt sein. Ì Autonome Navigation: Fortschrittliche Konzepte zur autonomen Navigation; Vergleich von Sensormessungen mit einem selbsterstellten internen Modell: Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 7
Merkmale von „Service“ - Robotern Ein mobiler Roboter weist im allgemeinen folgende Merkmale auf Mobilität Kommunikation Sensorik Aktorik Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 8
Internes Modell Methoden zur Konstruktion des Weltmodells: ¬ explizite Spezifikation. . . mit Hilfe von entsprechenden Modellierungswerkzeugen systeminterne sukzessive Generierung. . . auf der Basis von Sensordaten. Komplizierter zu realisieren, erlaubt dafür aber eine flexible Anpassung an dynamische Einsatzumgebung. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 9
Mobolität und Kommunikation Mobilität Entsprechend seiner Umgebung muss sich der Roboter in geeigneter Weise fortbewegen können ( z. B. Räder, Ketten, Füße, Saugnäpfe, schwimmend, etc. ). Dafür sind eine kompakte Bauweise und eine autonome Energieversorgung eine notwendige Voraussetzung. Kommunikation Jeder Roboter muss mit einer oder mehreren Schnittstellen zwischen Mensch und Roboter ( MM-I ) sowie zwischen Roboter und anderen Maschinen ausgerüstet sein, um notwendige Informationen übermitteln zu können. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 10
Sensorik und Aktorik Sensorik Sämtliche Wechselwirkungen des Roboters mit seiner Umgebung, seien es veränderte Zustände des Roboters oder Änderungen in der Umgebung werden über geeignete Sensoren erfasst. Speziell bei der Fortbewegung in unbekanntem Gebiet, der Kollisionsvermeidung und Objekterkennung spielen das Zusammenwirken verschiedener Systeme sowie die Erfassung und effiziente Verarbeitung eine wesentliche Rolle. Aktorik Jeder Roboter wird für einen speziellen Zweck eingesetzt und besitzt daher zur Lösung dieser Aufgabe (Transport, Bearbeitung, Handhabung, Überwachung oder einer Kombination davon) spezielle Zusatzeinrichtungen wie Greifer, Arme und Hände oder Werkzeuge. Diese Aktoren sind zum Teil bereits vom Einsatz bei den Industrieroboter in der Fertigungstechnik her bekannt, und können somit hier bereits wirtschaftlich verwendet werden. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 11
Aufgabenbereiche für Sensoren Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 12
Roboter - Sensoren Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 13
Smart - Sensor - Konzept Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 14
Smart-Sensor-Konzept I. . das Verhalten von Lebewesen verwenden als Grundlage für die Steuerung eines Serviceroboters. . Spezielles Verhaltensmuster bei bestimmten Situationen Reflex (kürzeste Antwortzeit) Durch Intelligenz nicht beeinflussbar Verhalten (komplexer) hängt vom aktuellen Status und den Umwelteinflüssen ab, und benötigt Informationen von mehreren Sensoren Intelligenz Komplexer Lernprozess ändert die Verhaltensmuster. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 15
Smart-Sensor-Konzept II Unabhängige Verhaltensmodule Erzeugen eine Information I = f(x 1, x 2) x 1. . . Daten von Sensoren x 2. . . Status anderer Module Kommunikation mit anderen Modulen erfolgt über Meldungen Klassische Steuerungsstruktur -> Kaskade Verhaltensgesteuerte Steuerungsstruktur -> Objekt orientierter Ansatz Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 16
Smart-Sensor-Konzept III Verhaltensgesteuerte Steuerungsstruktur « Module erzeugen neue Informationen (Festlegung des Ausgangssignals ( Impuls, Rampe etc. ) und bestimmen so das Verhalten ( Reaktion ) « Durch Kapselung der Verarbeitung ist Austausch der Module möglich « Informationsaustausch über Meldungen erlaubt einfaches Hinzufügen/Entfernen von Modulen « Zusätzlich ist mind. ein Fahrtmodul notwendig Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 17
Smart-Sensor-Konzept IV Basismodule: « Hindernisserkennung /Sicherheitsaspekte (Reflexe): Vielzahl unterschiedl. Objekte mit verschied. Oberflächen als Vorhanden erkennen; Keine hohe Genauigkeit und Reichweite dafür weites „Gesichtsfeld“ für Sensor notwendig « Kollisionsvermeidung: Dieses Modul muss Ausweichstrategien entwickeln, um vorgegebene Bahn zu korrigieren. Sensoren benötigen genauere Informationen, aber geringeres Gesichtsfeld « Konturverfolgung: Verhaltensmodul, das bereits generelle Aufgabenstellungen für SR löst (z. B. Halte Abstand zu Wand etc. ) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 18
Sensordatenverarbeitung • • • Informationen optimal verarbeiten Auswertung und Verarbeitung dieser Datenmengenproblem Fehlerelimination Meßwertkompression Merkmalsextraktion Datenfusion Modellabstraction Objektidentifikation Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 19
Was versteht man unter Navigation • ein bewegliches Objekt • ausgehend von einer momentanen Position • auf Basis teilweise unvollständiger Information • unter Berücksichtigung vorgegebener Randbedingungen • zu einem vorgegebenen Ziel zu bringen Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 20
Anforderungen ( Qualität der Ergebnisse ) • kollisionsfreier Weg • minimale Gesamtlänge • minimale Fahrzeit • minimale Rechenzeit zur Wegbestimmung • Sicherheitsaspekte • zielgerichtetes Arbeiten auch in unbekannter Umgebung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 21
Navigation und Autonomie • Terrestrische Navigation Standort wird über Sichtpeilung von Landmarken ermittelt • Funknavigation Standort wird durch Anpeilen von Funksendern ermittelt • Koppelnavigation Standort wird ausgehend von der Startposition mit Hilfe von internen Sensoren ( Kreisel, Beschleunigungsmesser, Radsensoren, etc. ) laufend berechnet. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 22
Fähigkeit für einen „autonomen mobilen Roboter“ In Bezug auf die Navigation erst dann als autonom bezeichnet, Ê Unerwartete Hindernisse auf der Fahrbahn veranlassen Ausweichmanöver Ë Innerhalb der bekannten Umgebung kann jede erreichbare Position angefahren werden. Ì Verbesserte Informationen über die Einsatzumgebung werden durch Erkundung und Erfahrung erreicht, Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 23
Roboter Navigation System Die Hauptaufgabe eines Roboter Navigation System ist, ein Echtzeit, Sensorbasierendes Navigationssystem zu entwickeln, damit der Roboter sowohl intelligent als auch unabhängig in der „Welt“ sich bewegen kann. • Vier Aktivitäten für eine Roboter Navigation: § Weg - Planung § Kollisionsvermeidung § Positionsbestimmung und § Weg - Kontrolle Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 24
Grundfunktionen der autonomen Navigation Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 25
Hindernisserfassung • Ständig seine lokale Umgebung überwachen und frühzeitig auf Hindernisse in seiner Fahrbahn reagieren. • Die Sensordaten müssen in Echtzeit verarbeitet werden, um die Hindernisse in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeuges erkennen und eine Ausweichbahn planen zu können • berührungslose Hinderniserkennung kann prinzipiell auf bildverarbeitenden oder entfernungsgebenden Sensoren aufbauen. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 26
Positionsbestimmung • Integration der Wegstrecke Das Antriebssystem des Roboters ist mit Sensoren ausgestattet, die Fahrstrecke und richtung messen. Da die Startposition bekannt ist, kann damit nach jeder Bewegung die neue Position berechnet werden. ( Kumulation der Positionsfehler ) • Absolute Positionsmessung Die Einsatzumgebung wird mit künstlichen Markierungen ( Landmarken ) präpariert. Diese dienen als externe Referenzpunkte, an denen sich der Roboter orientieren kann. Sie geben dem Roboter absolute Positionen vor. • Relative Methode Der Roboter wählt sich Objekte/Plätze aus, die er als seine eigenen Ortsreferenzen betrachtet. Geeignet dazu sind gut sichtbare, charakteristische Hindernisse ( z. B. Säulen, Wandecken, etc. ) oder geeignete Merkmale ( z. B. Mittelstreifen der Straßen ). Diese Umweltmerkmale können einprogrammiert, oder selbständig ausgewählt werden. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 27
Weltmodellierung Interne Darstellung der Umwelt • Unsicherheit • Ungenauigkeit • Systematische Fehler Verschiedene Ansätze zur Behandlung der Unsicherheit î Ignorieren î Eliminieren î Integrieren Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 28
Bewegungssteuerung Planer Navigator Pilot Mechanischen Komponenten Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 29
Funktion des Piloten Pilot: Schnittstelle zwischen Navigationsentscheidung und dynamischer Steuerung ÿ Anfahren einer vorgegebenen Zielkonfiguration ÿ Ansteuerung der mechanischen Komponenten ÿ Berücksichtigung der Kinematik ÿ Vermeidung des Kontakts mit Hindernissen Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 30
Aufgaben der Fahrtkomponente ÿ Zerlegung des Kurses in für den Piloten realisierbare Teilsegmente ÿ Ermittlung des jeweils nächsten relevanten Kurssegmentes ÿ Bestimmung von Richtwerten für Fahrgeschwindigkeiten ÿ Validierung der Ergebnisse des Wegplanungsteils aufgrund aktueller Informationen ( current sensor map ) ÿ Interaktion mit dem Wegplanteil Modifikation des Wegnetzes Anstoß weiterer Berechnungen ÿ rechtzeitige Bereitstellung von Zielkonfigurationen ( Position, Geschwindigkeit, . . . ) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 31
Architektur der Verhaltensmodule Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 32
Bildverarbeitung und Mustererkennung für mobile Systeme Beispiel: Roboterfußball Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 33
Bildverarbeitung und Mustererkennung für mobile Systeme Technische Daten Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 34
Ablauf der Bildverarbeitung • Bildaufnahme • Bildübertragung • Bildvorbearbeitung • Bild-Transformationen • Bild-Analyse • Ergebnis-Ausgabe Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 35
Anwendung der Bildverarbeitung in der Industrie • • • Lageerkennung Roboteransteuerung Oberflächeninspektion Messen und Prüfen Vollständigkeitskontrolle Verpackungsinspektion Etiketteninspektion und Lesen von Etiketten Zugangskontrolle Steuerung von Fahrzeugen und Mobil-Robotern. . . Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 36
Verwendung von Mobilen Roboter Systemen • Fabriks - Automation Transport - Komponenten zwischen der Bearbeitung und der Montage ( Demontage ) • Aufgabenerfüllung in gefährlicher Umgebung Minen suche, Roboter in einem Nuklear - Reaktor • Planeten und Weltraum Erkundung z. B. Pathfinder am Mars • Unterwasser Vermessung und • Anwendung in der Medizin • „Service Roboter“ für persönlichen Gebrauch z. B. Reinigungs - Roboter Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 37
Fabrik Gefährlicher Umgebung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 38
Weltraum Erkundung Unterwasser - Anwendung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 39
Medizin Service Roboter Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 40
Kunden „Führungs“ Roboter in Shanghai Höhe 1. 4 m Gewicht: 65 Kg Energiever. AC power/ Battery power Arme Two arms - each arm with 3 D. O. F Control Modus Automatic control / DSP control from remote panel Sensoren Ø Voice receiving and recognizing sub-system Ø ultrasonic sensing for obstacle and walls Ø infrared proximity sensing for emergency near obstacles Ø Several TV cameras for backstage monitoring Control System On-board control system Backstage control system Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 41
Mobile Roboter Platformen am IHRT Maxi. Fander (DBI Int. ) Nomad 200 (Nomad Techn. ) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 42
Mobile Plattformen Ausführungen Hohe Bauform ( Tom ) Flache Bauform ( Jerry ) Sonderbauformen Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 43
Hohe Bauweise Flache Bauweise Sonderbauformen • Kleine bewegliche Räder • Anordnung in Stockwerken • indoor only • 2 „fixe“ Räder + Spornrad • flache Anordnung • definierte Vorwärtsrichtung • Schreitwerke und Mischformen • Fußballroboter • Humanoide, Spinnen, Käfer, . . Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 44
Technische Daten „Maxi. Fander“ Maße ( H x L x W ) (mm x mm) Eigengewicht 450 x 680 x 480 kg 15 Nennlast da. N 25 Maximale Geschwindigkeit m/s 0, 75 Sensoren Sonarsystem ( 1 rotierender Ultraschall Sensor ) 3 Infrarot - Näherungsschalter Stereo Mikrophone ( „Ohren“ ) Optische Linienverfolgung On-board control system 486 DX PC, 33 MHz Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 45
Technische Daten „Nomad 200“ Maße ( H x D ) (mm x mm) 970 x 530 kg 59 Nennlast da. N 23 Maximale Geschwindigkeit m/s 0, 5 Eigengewicht Sensoren Taktiles Sensorsystem Feststehendes Ultraschallsystem Vision System Laser Navigationssystem On-board Steuerungssystem Pentium 133 Mhz, 32 MB RAM Sprachsynthese Modul Betriebssystem: LINUX Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 46
• • Programming ("Mission") GUI (Position Monitoring) Path-Planning Remote Control (graph. Joystick) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik • Common Language Basic Robot Commands • Reactive Behaviour • Sensor Data Feedback System Übersicht 47
Mini-Roboter Khepera Bauteile: è Motorola 68331 on-board Prozessor è 8 Infrarot Näherungs- und Licht Sensoren è Ni. Cd Batterien (oder externe Energievers. ) è RS 232 Schnittstelle è Verbunden (über RS 232) mit einem i 586 PC (WIN 95 Betriebssystem) als „Roboter Controller“ Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 48
Integrierte Roboter Navigation Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 49
Integrierte Roboter Navigation Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 50
IRN - Control Windows Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 51
Vergleich von Mobilen Roboter Systemen Name MM-TC MRV-4 Maxi. Fander Nomad 200 Lab. Mate Experimental chassis E 1 Größe (cm x cm) 700 x 1038 x 560 Ø 68. 5 x 91. 5 680 x 450 Ø 46 x 76 ( - 97) 750 x 700 x 280 600 x 800 (kg) Max. Transl. Geschw. Sensoren#1 100 118 10 59 50 200 30 140 25 23 90 120 1000 2500 710 510 1000 400 (I), (S), (T), (L), (V) L, S, T I, S #2 (I), (S), (T), (L), (V) (I), (S), T, (V) Gewicht (kg) Nennlast B 14 Ø 350 x 610 25 10 B 21 Ø 530 x 1080 120 100 (mm/sec) I, S, T, (V) 800 I, S, T, (V) #3 #1. . . I infrared sensor, S sonar system, T tactile sensor, L laser range system, V vision system; (x ) optional #2. . . additional optical line follower, stereophonic microphone #3. . . computerized navigation compass (optional) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 52
Modulare “Mehr - Zweck" Roboter à à à à Als Basis eine mobile Plattform verschiedene Arme verschiedene Sensoren verschiedene Bauformen, Antriebe eine modular kontrollierende Software verschiedenartige End - Effektoren Mensch - Maschine Schnittstelle Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 53
Humanoide Roboter Honda P 2 Honda P 3 Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 54
Roboter in der Unterhaltung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 55
Roboterbausätze Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 56
Roboter in der Unterhaltung Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 57
Real World Interface, Inc. • „ 1 st in Mobile Robots -- Indoor, Outdoor and Research“ • Vielfältige Palette, eigene On Board Computer, Zubehör Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 58
Real World Interface, Inc. • Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 59
Nomadic Technologies Inc. Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 60
Applied AI Systems, Inc. • Mobile Plattform • Sonderbauformen • Verkäufer Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 61
Robosoft • Mobile Platformen • Muscle Wires™ • Forschungs & Mini Roboter Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 62
K - Team S. A. • Ecole Polytechnique Federale de Lausanne • Zubehör, Software (Simulator) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 63
Help. Mate Robotics Inc. • Transportroboter • Visionsysteme Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 64
Cybermotion Inc. • Cyberguard • Autocharger Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 65
TAG Robotics • Mobile Plattformen • Sensoren • verschiedene Prozessoren möglich Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 66
IS Robotics • Spinnen und Raupen • militärische und Unterwasser Roboter Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 67
Angelus Research Corp. • Eigene Softwarephilosophie Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 68
JOKER Robotics • Mobile Roboter, Vision Roboter, Gehmaschinenen, Manipulatoren Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 69
Mondotronics • Roboterbausätze Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 70
Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 71
ARRICK Robotics • Trilobot Mobile Robot • PC-based Automation Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 72
Unterwasser Roboter • AUSI • Chelsea Instruments Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 73
Atacama Desert Trek • Carnegie Mellon University Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 74
Hummingbird • Stanford University Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 75
Sojourner • NASA JPL Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 76
NASA Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 77
Militärische Roboter Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 78
SONY - “Pet-type Robot” Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 79
Steuerung lokaler Fahrmanöver. . durch direkte Koppelung abbildender Sensorik an ein künstliches neuronales Netz • Systeme zur automatischen Durchführung lokaler Fahrmanöver • starke nichtlinearität der Problemstellung ( näherungsweise lösbar ) • Fahrstrategie mit Hilfe neuronaler Netze Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 80
Szenarioanalyse und Sensorauswahl Analyse verschiedener Szenarien Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 81
OFF - Line Cloning 3 Phasen: Vorführphase Trainingsphase Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik Reproduktionsphase 82
Neuro - Regler Neuronale Regelungsstruktur Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 83
AGENTS - HOLONS - FRACTALS Software Engineering Production Automation Factory of the Future AI Agents HOLONS FRACTALS MAS Holonic Manufacturing Holarchy Fractal Factory ? Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 84
Die Elementareinheit „FRAKTAL“ Definition eines Fraktals. . . selbständig agierende Unternehmenseinheit • organisieren und koordinieren sich selbständig • Gesamtziel ergibt sich aus der dynamischen Kombination der Individualziele • Informations- und Kommunikationssystem vernetzt • Leistung jedes Fraktals wird ständig gemessen und bewertet • Fraktale benutzen gleiche Schnittstellen und Protokolle ( Selbstähnlichkeit ) Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik 85
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