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Faculty / Organisational entity
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.
For the online collision detection with a multi-arm robot a fast method for computing the so-called collision vector is presented. Manipulators and obstacles are modelled by sets of convex polytopes. Known distance algorithms serve as a foundation. To speed up the collision detection dynamic obstacles are approximated by geometric primitives and organized in hierarchies. On-line, the here introduced Dynamic Hierarchies are adjusted to the current arm configuration. A comparison with previous methods shows an increased acceleration of the computations.
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.
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.
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.
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.
The paper presents a novel approach to parallel motion planning for robot manipulators in 3D workspaces. The approach is based on a randomized parallel search algorithm and focuses on solving the path planning problem for industrial robot arms working in a reasonably cluttered workspace. The path planning system works in the discretized configuration space which needs not to be represented explicitly. The parallel search is conducted by a number of rule-based sequential search processes, which work to nd a path connecting the initial configuration to the goal via a number of randomly generated subgoal configurations. Since the planning performs only on-line collision tests with proper proximity information without using pre-computed information, the approach is suitable for planning problems with multirobot or dynamic environments. The implementation has been carried out on the parallel virtual machine (PVM) of a cluster of SUN4 workstations and SGI machines. The experimental results have shown that the approach works well for a 6-dof robot arm in a reasonably cluttered environment, and that parallel computation increases the efficiency of motion planning significantly.
We have presented a novel approach to parallel motion planning for robot manipulators in 3D workspaces. The approach is based on arandomized parallel search algorithm and focuses on solving the path planning problem for industrial robot arms working in a reasonably cluttered workspace. The path planning system works in the discretized con guration space, which needs not to be represented explicitly. The parallel search is conducted by a number of rule-based sequential search processes, which work to find a path connecting the initial con guration to the goal via a number of randomly generated subgoal con gurations. Since the planning performs only on-line collision tests with proper proximity information without using pre-computed information, the approach is suitable for planning problems with multirobot or dynamic environments. The implementation has been carried outontheparallel virtual machine (PVM) of a cluster of SUN4 workstations and SGI machines. The experimental results have shown that the approach works well for a 6-dof robot arm in a reasonably cluttered environment, and that parallel computation increases the e ciency of motion planning signi cantly.
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.