Kaiserslautern - Fachbereich Informatik
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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.
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.
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 insbesondere bei langwierigen und zugleich hochpräzisen Fräsvorgängen im Bereich der lateralen Schädelbasis an. In jüngsten Arbeiten wurden Prozessparameter zur Anlage eines Implantatlagers bspw. für ein Cochlea Implantat oder für eine roboterunterstützte Mastoidektomie ermittelt. Gemessen wurden die Parameter Kraft, Moment, Vibration und Temperatur bei unterschiedlichen Vorschüben, Drehzahlen, Bahnkurven und unterschiedlichem Knochenmaterial (Mastoid, Kalotte). Hieraus ergaben sich Optimierungsparameter für solche Fräsvorgänge. Auffallend waren unvermittelt auftretende und extrem weit über dem Grenzwert liegende Spitzenwerte für Kräfte, bei im Normbereich liegenden Mittelwerten. Aus diesem Grunde wurde ein Verfahren entwickelt, welches aus einer geometrischen Beschreibung des Implantates eine geeignete Fräsbahn errechnet und eine Kraft-geregelte Prozesskontrolle des Fräsvorganges implementiert. Mit einem 6-achsigen Knickarmroboter erfolgten die Untersuchungen primär an Tierpräparaten und zur Optimierung an Felsenbeinpräparaten.Durch intraoperative online Rückkopplung der Kraft - Sensorik war eine lokale Navigation möglich. Bei steigenden Kräften über den Grenzwert wurde die Vorschubgeschwindigkeit automatisch reguliert, auch konnte das Errreichen der Dura an Hand der Werte detektiert werden. Das Implantatlager ließ sich durch das entwickelte Computerprogramm exakt ausfräsen. Die Untersuchungen ergaben, dass eine zufriedenstellende Anlage eines Implantatbettes in der Kalotte durch einen Kraft-geregelten Fräsvorgang mit einem Roboter, im Sinne einer lokalen Navigation, gelingt.
GPU Stereo Vision
(2007)
To analyze scenery obstacles in robotics applications depth information is very valuable. Stereo vision is a powerful way to extract dense range information out of two camera images. In order to unload the CPU the intensive computation can be moved to GPU, taking advantage of the parallel processing capabilities of todays consumer level graphics hardware. This work shows how an efficient implementation on the GPU can be realized utilizing the NVIDIA Cuda framework.
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.
Since their invention in the 1980s, behaviour-based systems have become very popular among roboticists. Their component-based nature facilitates the distributed implementation of systems, fosters reuse, and allows for early testing and integration. However, the distributed approach necessitates the interconnection of many components into a network in order to realise complex functionalities. This network is crucial to the correct operation of the robotic system. There are few sound design techniques for behaviour networks, especially if the systems shall realise task sequences. Therefore, the quality of the resulting behaviour-based systems is often highly dependant on the experience of their developers.
This dissertation presents a novel integrated concept for the design and verification of behaviour-based systems that realise task sequences. Part of this concept is a technique for encoding task sequences in behaviour networks. Furthermore, the concept provides guidance to developers of such networks. Based on a thorough analysis of methods for defining sequences, Moore machines have been selected for representing complex tasks. With the help of the structured workflow proposed in this work and the developed accompanying tool support, Moore machines defining task sequences can be transferred automatically into corresponding behaviour networks, resulting in less work for the developer and a lower risk of failure.
Due to the common integration of automatically and manually created behaviour-based components, a formal analysis of the final behaviour network is reasonable. For this purpose, the dissertation at hand presents two verification techniques and justifies the selection of model checking. A novel concept for applying model checking to behaviour-based systems is proposed according to which behaviour networks are modelled as synchronised automata. Based on such automata, properties of behaviour networks that realise task sequences can be verified or falsified. Extensive graphical tool support has been developed in order to assist the developer during the verification process.
Several examples are provided in order to illustrate the soundness of the presented design and verification techniques. The applicability of the integrated overall concept to real-world tasks is demonstrated using the control system of an autonomous bucket excavator. It can be shown that the proposed design concept is suitable for developing complex sophisticated behaviour networks and that the presented verification technique allows for verifying real-world behaviour-based systems.
This PhD thesis aims at finding a global robot navigation strategy for rugged off-road terrain which is robust against inaccurate self-localization, scalable to large environments, but also cost-efficient, e.g. able to generate navigation paths which optimize a cost measure closely related to terrain traversability. In order to meet this goal, aspects of both metrical and topological navigation techniques are combined. A primarily topological map is extended with the previously lacking capability of cost-efficient path planning and map extension. Further innovations include a multi-dimensional cost measure for topological edges, a method to learn these costs based on live feedback from the robot and a set of extrapolation methods to predict the traversability costs for untraversed edges. The thesis presents two sophisticated new image analysis techniques to optimize cost prediction based on the shape and appearance of surrounding terrain. Experimental results indicate that the proposed global navigation system is indeed able to perform cost-efficient, large scale path planning. At the same time, the need to maintain a fine-grained, global world model which would reduce the scalability of the approach is avoided.
In robotics, information is often regarded as a means to an end. The question of how to structure information and how to bridge the semantic gap between different levels of abstraction in a uniform way is still widely regarded as a technical issue. Ignoring these challenges appears to lead robotics into a similar stasis as experienced in the software industry of the late 1960s. From the beginning of the software crisis until today, numerous methods, techniques, and tools for managing the increasing complexity of software systems have evolved. The attempt to transfer several of these ideas towards applications in robotics yielded various control architectures, frameworks, and process models. These attempts mainly provide modularisation schemata which suggest how to decompose a complex system into less complex subsystems. The schematisation of representation and information flow however is mostly ignored. In this work, a set of design schemata is proposed which is embedded into an action/perception-oriented design methodology to promote thorough abstractions between distinct levels of control. Action-oriented design decomposes control systems top-down and sensor data is extracted from the environment as required. This comes with the problem that information is often condensed in a premature fashion. That way, sensor processing is dependent on the control system design resulting in a monolithical system structure with limited options for reusability. In contrast, perception-oriented design constructs control systems bottom-up starting with the extraction of environment information from sensor data. The extracted entities are placed into structures which evolve with the development of the sensor processing algorithms. In consequence, the control system is strictly dependent on the sensor processing algorithms which again results in a monolithic system. In their particular domain, both design approaches have great advantages but fail to create inherently modular systems. The design approach proposed in this work combines the strengths of action orientation and perception orientation into one coherent methodology without inheriting their weaknesses. More precisely, design schemata for representation, translation, and fusion of environmental information are developed which establish thorough abstraction mechanisms between components. The explicit introduction of abstractions particularly supports extensibility and scalability of robot control systems by design.