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In many robotic applications, the teaching of points in space is necessary to register the robot coordinate system with the one of the application. Robot-human interaction is awkward and dangerous for the human because of the possibly large size and power of the robot, so robot movements must be predictable and natural. We present a novel hybrid control algorithm which provides the needed precision in small scale movements while allowing for fast and intuitive large scale translations.
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.
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.
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.
Virtual Robot Programming for Deformable Linear Objects: System concept and Prototype Implementation
(2002)
In this paper we present a method and system for robot programming using virtual reality techniques. The proposed method allows intuitive teaching of a manipulation task with haptic feedback in a graphical simulation system. Based on earlier work, our system allows even an operator who lacks specialized knowledge of robotics to automatically generate a robust sensor-based robot program that is ready to execute on different robots, merely by demonstrating the task in virtual reality.
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 lateralen 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.
It is difficult for robots to handle a vibrating deformable object. Even for human beings it is a high-risk operation to, for example, insert a vibrating linear object into a small hole. However, fast manipulation using a robot arm is not just a dream; it may be achieved if some important features of the vibration are detected online. In this paper, we present an approach for fast manipulation using a force/torque sensor mounted on the robot's wrist. Template matching method is employed to recognize the vibrational phase of the deformable objects. Therefore, a fast manipulation can be performed with a high success rate, even if there is acute vibration. Experiments inserting a deformable object into a hole are conducted to test the presented method. Results demonstrate that the presented sensor-based online fast manipulation is feasible.
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.
This paper deals with the handling of deformable linear objects (DLOs), such as hoses, wires or leaf springs. It investigates the a priori knowledge about the 6-dimensional force/torque signal for a changing contact situation between a DLO and a rigid polyhedral obstacle. The result is a complete list, containing for each contact change the most significant combination of force/torque signal components together with a description of the expected signal curve. This knowledge enables the reliable detection of changes in the DLO contact situation and with it the implementation of sensor-based manipulation skills for all possible contact changes.
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.
We present a parallel path planning method that is able to automatically handle multiple goal configurations as input. There are two basic approaches, goal switching and bi-directional search, which are combined in the end. Goal switching dynamically selects a fa-vourite goal depending on some distance function. The bi-directional search supports the backward search direction from the goal to the start configuration, which is probably faster. The multi-directional search with goal switching combines the advantages of goal switching and bi-directional search. Altogether, the planning system is enabled to select one of the pref-erable goal configuration by itself. All concepts are experimentally validated for a set of benchmark problems consisting of an industrial robot arm with six degrees of freedom in a 3D environment.
Es wird die Aufgabe der vollständigen räumlichen Abdeckung von Regionen in durch mobile Roboter betrachtet. Da-bei können die Regionen in vollständig, teilweise oder nicht bekannten Umgebungen liegen. Zur Lösung wird ein Verfahren aus der Computer-grafik zum Füllen von Bildregionen zugrunde gelegt. Das Verfahren hat eine lokale Sichtweise und läßt somit den Einsatz von Sensordaten und das Auftreten von unvorhergesehenen Hindernissen zu. Die Regionen können durch Karten off-line vorgegeben sein oder durch Sensordaten on-line aufgebaut werden. Dennoch ist eine vollständige und genau einma-lige Flächenbearbeitung garantiert. Dies wird an Beispielen in einer graphischen Visualisierung der Realzeit-Steuerung des Roboters validiert.
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.
Diese Arbeit skizziert einen allgemeinen Ansatz zur Montage deformierbarer linearer Werkstücke (wie Kabel, Drähte, Schläuche, Blattfedern) mit Industrierobotern. Hierzu werden insbesondere die folgenden zwei Aspekte betrachtetet. Erstens die zuverlässige Ausführung der Montage unter Berücksichtigung der Werkstückdeformation und anderer Unsicherheiten, zweitens die numerische Simulation des Werkstückverhaltens. Zur robusten Ausführung der Montage wird das aus der Montage starrer Werkstücke bekannte Konzept der Manipulation-Skills auf deformierbare Werkstücke übertragen. Bei der numerischen Simulation wird insbesondere die Bestimmung der Greifertrajektorie bei gegebener Aufgabenstellung betrachtet.
Anwendungen effizienter Verfahren in Automation - Universität Karlsruhe auf der SPS97 in Nürnberg -
(1998)
This paper presents a new approach to parallel motion planning for industrial robot arms with six degrees of freedom in an on-line given 3D environment. The method is based on the A*-search algorithm and needs no essential off-line computations. The algorithm works in an implicitly descrete configuration space. Collisions are detected in the cartesian workspace by hierarchical distance computation based on the given CAD model. By decomposing the 6D configuration space into hypercubes and cyclically mapping them onto multiple processing units, a good load distribution can be achieved. We have implemented the parallel motion planner on a workstation cluster with 9 PCs and tested the planner for several benchmark environments. With optimal discretisation, the new approach usually shows linear, and sometimes even superlinear speedups. In on-line provided environments with static obstacles, the parallel planning times are only a few seconds.
A practical distributed planning and control system for industrial robots is presented. The hierarchical concept consists of three independent levels. Each level is modularly implemented and supplies an application interface (API) to the next higher level. At the top level, we propose an automatic motion planner. The motion planner is based on a best-first search algorithm and needs no essential off-line computations. At the middle level, we propose a PC-based robot control architecture, which can easily be adapted to any industrial kinematics and application. Based on a client/server-principle, the control unit estab-lishes an open user interface for including application specific programs. At the bottom level, we propose a flexible and modular concept for the integration of the distributed motion control units based on the CAN bus. The concept allows an on-line adaptation of the control parameters according to the robot's configuration. This implies high accuracy for the path execution and improves the overall system performance.
Die Bewegungsplanung für Industrieroboter ist eine notwendige Voraussetzung, damit sich autonome Systeme kollisionsfrei durch die Umwelt bewegen können. Die Berücksichtigung von dynamischen Hindernissen zur Laufzeit erfordert allerdings leistungsfähige Algorithmen, zur Lösung dieser Aufgabenstellung in Echtzeit. Eine Möglichkeit zur Beschleunigung der Algorithmen ist der effiziente Einsatz von skalierbarer Parallelverarbeitung. Die softwaretechnische Umsetzung kann aber nur dann erfolgreich sein, wenn ein Parallelrechner zur Verfügung steht, der einen hohen Datendurchsatz bei geringer Latenzzeit bietet. Darüber hinaus muß dieser Parallelrechner unter vertretbarem Aufwand bedienbar sein und ein gutes Preisleistungsverhältnis aufweisen, damit die Parallelverarbeitung verstärkt in der Industrie zum Einsatz kommt. In diesem Artikel wird ein Workstation-Cluster auf der Basis von neun Standard- PCs vorgestellt, die über eine spezielle Kommunikationskarte miteinander vernetzt sind. In den einzelnen Abschnitten werden die gesammelten Erfahrungen bei der Inbetriebnahme, Systemadministration und Anwendung geschildert. Als Beispiel für eine Anwendung auf diesem Cluster wird ein paralleler Bewegungsplaner für Industrieroboter beschrieben.