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Manipulating deformable linear objects - Vision-based recognition of contact state transitions -
(1999)
A new and systematic approach to machine vision-based robot manipulation of deformable (non-rigid) linear objects is introduced. This approach reduces the computational needs by using a simple state-oriented model of the objects. These states describe the relation of the object with respect to an obstacle and are derived from the object image and its features. Therefore, the object is segmented from a standard video frame using a fast segmentation algorithm. Several object features are presented which allow the state recognition of the object while being manipulated by the robot.
A new and systematic basic approach to force- and vision-based robot manipulation of deformable (non-rigid) linear objects is introduced. This approach reduces the computational needs by using a simple state-oriented model of the objects. These states describe the relation between the deformable and rigid obstacles, and are derived from the object image and its features. We give an enumeration of possible contact states and discuss the main characteristics of each state. We investigate the performance of robust transitions between the contact states and derive criteria and conditions for each of the states and for two sensor systems, i.e. a vision sensor and a force/torque sensor. This results in a new and task-independent approach in regarding the handling of deformable objects and in a sensor-based implementation of manipulation primitives for industrial robots. Thus, the usage of sensor processing is an appropriate solution for our problem. Finally, we apply the concept of contact states and state transitions to the description of a typical assembly task. Experimental results show the feasibility of our approach: A robot performs several contact state transitions which can be combined for solving a more complex task.
This paper deals with the handling of deformable linear objects (DLOs), such as hoses, wires, or leaf springs. It investigates usable features for the vision-based detection of a changing contact situation between a DLO and a rigid polyhedral obstacle and a classification of such contact state transitions. The result is a complete classification of contact state transitions and of the most significant features for each class. This knowledge enables reliable detection of changes in the DLO contact situation, facilitating implementation of sensor-based manipulation skills for all possible contact changes.
Den in der industriellen Produktion eingesetzten Manipulatoren fehlt in der Regel die Möglichkeit, ihre Umwelt wahrzunehmen. Damit Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Arbeitsraum arbeiten können, wird im SIMERO-System die Transferbewegung des Roboters durch Kameras abgesichert. Dieses Kamerasystem wird auf Ausfall überprüft. Dabei werden Fehler in der Bildübertragung und Positionierungsfehler der Kameras betrachtet.
Zur Zeit haben Industrieroboter nur eine sehr begrenzte Wahrnehmung ihrer Umwelt. Wenn sich Menschen im Arbeitsraum des Roboters aufhalten sind sie daher gefährdet. Durch eine Einteilung der möglichen Roboterbewegung in verschiedene Klassen kann gezeigt werden, dass die für einen Menschen im Arbeitsraum gefährlichste Bewegung die freie Transferbewegung ist. Daher besteht die betrachtete Aufgabe darin, diese Transferbewegung eines Manipulators durchzuführen, ohne mit dynamischen Hindernissen, wie zum Beispiel Menschen, zu kollidieren. Das SIMERO-System gliedert sich in die vier Hauptkomponenten Bildverarbeitung, Robotermodellierung, Kollisionserkennung und Bahnplanung. Diese Komponenten werden im einzelnen vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des Systems und die weiteren Verbesserungen werden an einem Versuch exemplarisch gezeigt.
This paper analyzes the problem of sensor-based colli-sion detection for an industrial robotic manipulator. A method to perform collision tests based on images taken from several stationary cameras in the work cell is pre-sented. The collision test works entirely based on the im-ages, and does not construct a representation of the Carte-sian space. It is shown how to perform a collision test for all possible robot configurations using only a single set of images taken simultaneously.
We present a system concept allowing humans to work safely in the same environment as a robot manipulator. Several cameras survey the common workspace. A look-up-table-based fusion algorithm is used to back-project directly from the image spaces of the cameras to the manipulator?s con-figuration space. In the look-up-tables both, the camera calibration and the robot geometry are implicitly encoded. For experiments, a conven-tional 6 axis industrial manipulator is used. The work space is surveyed by four grayscale cameras. Due to the limits of present robot controllers, the computationally expensive parts of the system are executed on a server PC that communicates with the robot controller via Ethernet.
Es handelt sich um den Aufbau des ersten Roboter-gestützten Systems zum Fräsen an der lateralen Schädelbasis. Durch Rückkopplung der Sensordaten lässt sich ein menschähnliches Fräsen nachahmen. Mehr noch: Es besteht die Möglichkeit der automatisierten Detektion der Dura mater durch Analyse der Standardabweichung der Kräfte, da die Dura mater dämpfend auf den Fräser wirkt. Mit dem Roboter ist es möglich, ein exaktes Implantatbett im Bereich der lateralen Schädelbasis auszufräsen.
Objective: In some surgical specialties, e.g. orthopedics, robots are already used in the operating room for bony milling work. Oto- and otoneurosurgery may also greatly benefit by robotic enhanced precision. Study Design: Experimental study on robotic milling on oak wood and human temporal bone specimen. Methods: A standard industrial robot with a 6 degrees-of-freedom serial kinematics was used with force feedback to proportionally control the robot speed. Different milling modes and characteristic path parameters were evaluated to generate milling paths based on CAD geometry data of a cochlear implant and an implantable hearing system. Results: The best suited strategy proofed to be the spiral horizontal milling mode with the burr held perpendicularly to the temporal bone surface. In order to avoid high grooves, the distance in between paths should equal half the radius of the cutting burr head. Due to the vibration of the robot’s own motors, a rather high oscillation of the standard deviation of forces was encountered. This oscillation dropped drastically to nearly 0 N, when the burr head reached contact with the dura mater due to its damping characteristics. The cutting burr could be moved a long time on the dura without damaging it, because of its rather blunt head. The robot moved the burr very smoothly according to the encountered resistances. Conclusion: This is the first development of an functioning robotic milling procedure for otoneurosurgery with force-based speed control. It is planned to implement ultrasound-based local navigation and to perform robotic mastoidectomy.
Load balancing is one of the central problems that have to be solved in parallel computation. Here, the problem of distributed, dynamic load balancing for massive parallelism is addressed. A new local method, which realizes a physical analogy to equilibrating liquids in multi-dimensional tori or hypercubes, is presented. It is especially suited for communication mechanisms with low set-up to transfer ratio occurring in tightly-coupled or SIMD systems. By successive shifting single load elements to the direct neighbors, the load is automatically transferred to lightly loaded processors. Compared to former methods, the proposed Liquid model has two main advantages. First, the task of load sharing is combined with the task of load balancing, where the former has priority. This property is valuable in many applications and important for highly dynamic load distribution. Second, the Liquid model has high efficiency. Asymptotically, it needs O(D . K . Ldiff ) load transfers to reach the balanced state in a D-dimensional torus with K processors per dimension and a maximum initial load difference of Ldiff . The Liquid model clearly outperforms an earlier load balancing approach, the nearest-neighbor-averaging. Besides a survey of related research, analytical results within a formal framework are derived. These results are validated by worst-case simulations in one-and two-dimensional tori with up to two thousand processors.
Die Domäne der Operationsroboter liegt heute in Fräsarbeiten an knöchernen Strukturen. Da Roboter über eine extreme Präzision verfügen und nicht ermüden bietet sich ihr Einsatz ins-besondere bei langwierigen und zugleich hochpräzisen Fräsvorgängen im Bereich der later-alen Schädelbasis an. Aus diesem Grunde wurde ein Verfahren entwickelt, welches aus einer geometrischen Beschreibung des Implantates eine geeignete Fräsbahn errechnet und eine kraftgeregelte Prozesskontrolle des Fräsvorganges implementiert. Mit einem 6*achsigen Knickarmroboter erfolgten die Untersuchungen primär an Tierpräparaten und zur Optimierung an Felsenbeinpräparaten.
On-line Kollisionserkennung mit hierarchisch modellierten Hindernissen für ein Mehrarm-Robotersystem
(1991)
Dieses Kapitel gliedert sich in drei Teile. Zuerst wird die Vorgehensweise in dieser Diplomarbeit zusammengefaßt. Dann folgen die gewonnenen Schlußfolgerungen mit einer Bewertung der verglichenen Ansätze. Der letzte Teil ist ein Ausblick auf die möglichen Anwendungen der Ergebnisse dieser Arbeit. Methodik Bei der Aufgabe, eine on-line Kollisionserkennung mit hierarchisch modellierten Hindernissen für ein Mehrarm-Robotersystem zu untersuchen, wurden folgende Schritte vorgenommen: " Klassifizierung der bisherigen Ansätze zur Beschleunigung der Kollisionserkennung mit einem Arm. Dabei wurde unterschieden zwischen dem Einsatz-Zeitpunkt und der Methode der Ansätze. " Modifikation des Weltmodells der Kollisionserkennung für den Einsatz von mehreren Roboterarmen. Kollisionsklassen wurden in einer formalen Darstellung eingeführt und ihre Eigenschaften betrachtet. " Untersuchung der Approximation von Objekten (z. B. Armsegmente und Hindernisse) durch Primitive. Dabei wurden Algorithmen zur Berechnung der Approximationen entworfen und implementiert. Unterschiedliche Strategien zur Abstandsberechnung mit Primitiven-Approximationen wurden entwickelt. " Untersuchung und Erweiterung der hierarchischen Modellierung für den Einsatz bei bewegten Objekten (wie z. B. Roboterarmen). Dazu wurden eine on-line Aktualisierung der Geometrie und eine Auswahl der optimalen Baumstruktur eingesetzt. " Implementierung der bisherigen und eigenen Beschleunigungs-Ansätze. Für die Durchführung von Experimenten wurden die Ansätze in ein Simulationssystem eingebunden und das Simulationssystem erweitert. " Vergleich und Bewertung der Beschleunigungs-Ansätze durch Messung von Laufzeiten und Qualität der resultierenden Abstandsvektoren. Untersuchung anderer einflußnehmender Parameter, wie z. B. der Sicherheitsabstand oder die Frequenz (Schrittweite) der Kollisionserkennung. Schlußfolgerungen Die Untersuchung der implementierten Ansätze zur on-line Kollisionserkennung erlaubt folgende Bewertung und Folgerungen: " Die on-line Kollisionserkennung mit Abstandsvektoren für mehrere Arme ist bei der Verwendung der entsprechenden Beschleunigungs-Ansätze möglich. Die Berechnungszeit pro Bewegungsschritt liegt im Bereich von wenigen Millisekunden. " Die eingeführte Unterteilung der Umwelt in Kollisionsklassen schafft einen einfachen Mechanismus zur Kollisionserkennung in Szenen mit mehreren bewegten Objekten. Die Kollisionsklassen ermöglichen eine systematische Kollisionserkennung für ein Mehrarm-Robotersystem. " Der Vergleich der Primitiven-Approximationen zeigt, daß der ausschließliche Einsatz der Bounding-Box als Primitiv zu besseren Ergebnissen führt als der Einsatz von mehreren Primitiven wie z. B. in [Adolphs]. Die Verbesserungen betreffen den Aufwand der Abstandsberechnung und die Qualität des Abstandsvektors. " Schon bei wenigen Objekten empfiehlt sich eine hierarchische Darstellung zur Beschleunigung der Kollisionserkennung, da sie zu sehr schnellen Abstandsberechnungen führt. Vor allem bei Szenen mit vielen Objekten ist eine hierarchische Darstellung unverzichtbar. " Durch das neue Konzept der dynamischen Hierarchien ist eine hierarchische Modellierung auch für bewegte Objekte möglich. Die dynamischen Hierarchien garantieren eine optimale Darstellung und ermöglichen eine relativ genaue Modellierung des Roboterarms. Bei der Kollisionserkennung für mehrere Roboterarme ist durch den Einsatz von dynamischen Hierarchien ein Beschleunigungsfaktor von 100 gegenüber dem einfachen Verfahren erreicht worden. Damit ist eine on-line Anwendung möglich. Ausblick Aufbauend auf den hier erzielten Ergebnissen sind folgende Anwendungen denkbar: " Eine on-line Bahnplanung basierend auf den berechneten Abstandsvektoren ist möglich. Von Punkt zu Punkt geplante Bahnen können mit Hilfe der Abstandsvektoren modifiziert und Ausweichtrajektorien generiert werden. " Die Potential-Feld-Methode zur lokalen Bahnplanung kann aufgrund den on-line berechneten Abstandsvektoren angewendet werden. " Auch exakte Abstände können schnell berechnet werden. Diese Abstandsberechnung wird effizient durch die Kombination der dynamischen Hierarchien mit einer A*-Suche. " Die schnelle Abstandsberechnung kann auch für andere Gebiete eingesetzt werden. Beispiele dafür sind der Aufbau von Konfigurations-Räumen oder die Layout-Planung. " Bei zu handhabenden Objekten, wie z. B. Werkstücke, kann das Konzept der Kollisionsklassen einfach um einen dynamischen Wechsel erweitert werden. Dabei wechselt z. B. ein Werkstück, wenn es von dem Arm gegriffen wird, die Klasse.
Zur Planung und Steuerung von komplexen rechnerintegrierten Fertigungssystemen (CIM) ist die Abarbeitung vieler extrem aufwendiger Algorithmen notwendig. Aus dem Bereich der Fertigungssteuerung zählt die Generierung von Maschinenbelegungsplänen (scheduling) dazu. Zur Steigerung der Lösungsgeschwindigkeit bzw. zum Erreichen exakter Ergebnisse bietet sich der massive Einsatz von Rechenparallelität an. Mit Parallelrechnern ist durch die gleichzeitige Verwendung von vielen Prozessoren potentiell eine sehr große Leistungssteigerung zu erreichen. Dafür muß jedoch die vorhandene Parallelität effektiv genutzt werden. Die dazu erforderliche Verteilung der anstehenden Arbeit auf eine große Menge von Prozessoren heißt Lastverteilung und stellt den Kern dieser Arbeit dar. Als allgemeiner Algorithmus zur Lösung kombinatorischer Optimierungs-probleme wird das Branch-and-bound-Verfahren eingesetzt und auf fein-körnigen Parallelrechnerarchitekturen ausgeführt. Zur Lastverteilung werden folgende drei Ansätze verfolgt und untersucht: " Statische Lastverteilung: Es werden mehrere Methoden zur Initialisierung der Prozessoren, welche vor dem eigentlichen Optimierungsalgorithmus ausgeführt werden, analysiert. Es zeigt sich, daß sich die statische Last-verteilung überproportional stark auf die Laufzeit des nachfolgenden Branch-and-bound-Algorithmus auswirkt. Es ist daher wichtig, der bisher unterschätzten statischen Lastverteilung für die parallele Baumsuche mit realen Problemstellungen, besondere Aufmerksamkeit zu schenken. " Dynamische Lastverteilung: Es wird ein vereinfachtes, gut skalierbares Flüssigkeitsmodell als erste synchrone lokale Lastverteilung entwickelt, welche besonders für Parallelrechner mit kurzer Verzögerungszeit beim Aufbau von Kommunikationsverbindungen effizient ist. Die Methode wird mit dem bekannten, aus dem Asynchronen übertragenen, Mittelungs-Ansatz verglichen. Zum analytischen Vergleich wird als ein realistischeres Aufwandsmaß die Kommunikationsmenge statt der üblichen Anzahl von Kommunikationsschritte verwendet. Der in der Prozessoranzahl bisher benötigte quadratische Zeitaufwand wird durch das Flüssigkeitsmodell auf einen linearen Aufwand reduziert, wobei das Flüssigkeitsmodell auch bzgl. der konstanten Zeitfaktoren signifikant effizienter ist. " Implizite Lastverteilung: Zur Vermeidung von Wartezeiten der unbe-teiligten Prozessoren während der Lastverteilung wird der Lastverteilungs-prozeß mit dem Branch-and-bound-Prozeß verschmolzen. Das neuartige Konzept der k-Expansion unterstützt eine automatische Lastverteilung und approximiert eine globale Suchstrategie. Zur Validierung der Ergebnisse werden Simulationen und Experimente mit einem Satz von Benchmark-Problemen durchgeführt. Der zugrunde liegende SIMD-Rechner ist eine MasPar MP-1 mit 16.384 Prozessoren in einem 2- dimensionalen Torus. Als exemplarische, NP-harte Anwendungsdomäne werden statische, non-operationale Planungsprobleme betrachtet.
This paper presents fill algorithms for boundary-defined regions in raster graphics. The algorithms require only a constant size working memory. The methods presented are based on the so-called "seed fill" algorithms using the internal connectivity of the region with a given inner point. Basic methods as well as additional heuristics for speeding up the algorithm are described and verified. For different classes of regions, the time complexity of the algorithms is compared using empirical results.
Four different initialization methods for parallel Branch-and-bound algorithms are described and compared with reference to several criteria. A formal analysis of their idle times and efficiency follows. It indicates that the efficiency of three methods depends on the branching factor of the search tree. Furthermore, the fourth method offers the best efficiency of the overall algorithm when a centralized OPEN set is used. Experimental results by a PRAM simulation support these statements.
One of the many features needed to support the activities of autonomous systems is the ability of motion planning. It enables robots to move in their environment securely and to accomplish given tasks. Unfortunately, the control loop comprising sensing, planning, and acting has not yet been closed for robots in dynamic environments. One reason involves the long execution times of the motion planning component. A solution for this problem is offered by the use of highly computational parallelism. Thus, an important task is the parallelization of existing motion planning algorithms for robots so that they are suitable for highly computational parallelism. In several cases, completely new algorithms have to be designed, so that a parallelization is feasible. In this survey, we review recent approaches to motion planning using parallel computation.
One of the many features needed to support the activities of autonomous systems is the ability of motion planning. It enables robots to move in their environment securely and to accomplish given tasks. Unfortunately, the control loop comprising sensing, planning, and acting has not yet been closed for robots in dynamic environments. One reason involves the long execution times of the motion planning component. A solution for this problem is offered by the use of highly computational parallelism. Thus, an important task is the parallelization of existing motion planning algorithms for robots so that they are suitable for highly computational parallelism. In several cases, completely new algorithms have to be designed, so that a parallelization is feasible. In this survey, we review recent approaches to motion planning using parallel computation. As a classification scheme, we use the structure given by the different approaches to the robot's motion planning. For each approach, the available parallel processing methods are discussed. Each approach is uniquely assigned a class. Finally, for each referenced research work, a list of keywords is given.