Spezielle Kapitel aus Intelligente Systeme: Roboter für neue Anwendungen o.Univ.Prof. Dr. Dr.h.c.mult. P. Kopacek Techni

1. Spezielle Kapitel aus Intelligente Systeme: Roboter für neue Anwendungen o.Univ.Prof. Dr. Dr.h.c.mult. P. Kopacek Technische Universität Wien Institut für Handhabungsgeräte und Robotertechnik

2. Themen - Schwerpunkte • Aufbau von Mobilen Roboter Systemen • Sensorik • Bildverarbeitung für mobile Systeme • Bewegungssteuerung • Hinderniserkennung und Wegplanung • Roboter - Anwendung • Mobile Roboter am IHRT • Zusammenfassung

3. Industrielles Umfeld Öffentliches Umfeld, Haushalt Fortgeschr. Service- Industrie- Industrie- roboter Manipulation roboter roboter (feste Basis) (Pick & Place) (Montage) (Tanken) Serviceroboter ExterneSensoren Mensch-RoboterInteraktion (mobiler Manipulator) (Fetch & Carry) Service- Intelligente AGVs roboter AGVs Netzwerke Tele- (mobile Platform) roboter (Transport) (flexibler Transport) (Intell. Rollstuhl, Helpmate) Fortbewegung ExterneSensoren Stabilität Geh- mehrfüßige zweifüßige Humanoide maschine Gehmasch. Gehmasch. Roboter Vom Industrie- zum Serviceroboter

4. Sensor - System Bediener - Panel Antriebsteil Rechner - Rack Energieversorgung Sensorik passive Hinterräder Komponenten eines mobilen Roboters Aktive Räder( angetrieben und gelenkte )

5. Umgebung und Peripherie Roboter User/ Benützer Sicherheits-System Sensoren Man-MaschineSchnitt-stelle MobilePlattform PayloadModule Objekt HandlingArm End-effector Control Drive Energie Versorgung Architektur von Mobilen Roboter Plattformen

6. Autonome Systeme oder als intelligente Roboter bezeichnet • 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 Forderung nach Autonomie setzt voraus:

7. Problemstellung für autonomes Verhalten • Verständnis von Aufträgen:Die Spezifikation eines Auftrags wird häufig Bestandteile enthalten, die sich auf eine bestimmte Umweltkonstellation beziehen. • Planung von Aktionen:Von der Umgebung muss mehr als nur die Position des Zielpunktes bekannt sein. • Autonome Navigation:Fortschrittliche Konzepte zur autonomen Navigation; Vergleich von Sensormessungen mit einem selbsterstellten internen Modell:

8. Merkmale von „Service“ - Robotern Ein mobiler Roboter weist im allgemeinen folgende Merkmale auf • Mobilität • Kommunikation • Sensorik • Aktorik

9. Internes Modell • explizite Spezifikation...mit Hilfevon entsprechendenModellierungswerkzeugen • systeminterne sukzessive Generierung...auf der Basis von Sensordaten. Komplizierter zu realisieren, erlaubt dafür aber eine flexible Anpassung an dynamische Einsatzumgebung. Methoden zur Konstruktion des Weltmodells:

10. 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.

11. 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.

12. Aufgabenbereiche für Sensoren

13. Roboter - Sensoren

14. Smart - Sensor - Konzept

15. 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 • IntelligenzKomplexer Lernprozess ändert die Verhaltensmuster.

16. Smart-Sensor-Konzept II • Unabhängige Verhaltensmodule • Erzeugen eine Information I = f(x1,x2) • x1... Daten von Sensoren • x2... Status anderer Module • Kommunikation mit anderen Modulen erfolgt über Meldungen • Klassische Steuerungsstruktur -> Kaskade • Verhaltensgesteuerte Steuerungsstruktur -> Objekt orientierter Ansatz

17. 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

18. 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.)

19. Sensordatenverarbeitung • Informationen optimal verarbeiten • Auswertung und Verarbeitung dieser Daten • Datenmengenproblem • Fehlerelimination • Meßwertkompression • Merkmalsextraktion • Datenfusion • Modellabstraction • Objektidentifikation

20. 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

21. Anforderungen ( Qualität der Ergebnisse ) • kollisionsfreier Weg • minimale Gesamtlänge • minimale Fahrzeit • minimale Rechenzeit zur Wegbestimmung • Sicherheitsaspekte • zielgerichtetes Arbeiten auch in unbekannter Umgebung

22. Navigation und Autonomie • Terrestrische NavigationStandort wird über Sichtpeilung von Landmarken ermittelt • FunknavigationStandort wird durch Anpeilen von Funksendern ermittelt • KoppelnavigationStandort wird ausgehend von der Startposition mit Hilfe von internen Sensoren ( Kreisel, Beschleunigungsmesser, Rad- sensoren, etc. ) laufend berechnet.

23. Fähigkeit für einen „autonomen mobilen Roboter“ In Bezug auf die Navigation erst dann als autonom bezeichnet, • Unerwartete Hindernisse auf der Fahrbahn veranlassen Ausweichmanöver • Innerhalb der bekannten Umgebung kann jede erreich-bare Position angefahren werden. • Verbesserte Informationen über die Einsatzumgebung werden durch Erkundung und Erfahrung erreicht,

24. 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

25. Grundfunktionen der autonomen Navigation

26. 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.

27. Positionsbestimmung • Integration der WegstreckeDas 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 PositionsmessungDie 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 MethodeDer 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.

28. Weltmodellierung • Unsicherheit • Ungenauigkeit • Systematische Fehler Verschiedene Ansätze zur Behandlung der Unsicherheit • Ignorieren • Eliminieren • Integrieren Interne Darstellung der Umwelt

29. Bewegungssteuerung Planer Navigator Pilot Mechanischen Komponenten

30. Funktion des Piloten Pilot: Schnittstelle zwischen Navigationsentscheidung und dynamischer Steuerung • Anfahren einer vorgegebenen Zielkonfiguration • Ansteuerung der mechanischen Komponenten • Berücksichtigung der Kinematik • Vermeidung des Kontakts mit Hindernissen

31. Aufgaben der Fahrtkomponente • Zerlegung des Kurses in für den Piloten realisierbare Teilsegmente • Ermittlung des jeweils nächsten relevanten Kurssegmentes • Bestimmung von Richtwerten für Fahrgeschwindigkeiten • Validierung der Ergebnisse des Wegplanungsteils aufgrund aktueller Informationen ( current sensor map ) • Interaktion mit dem Wegplanteil Modifikation des Wegnetzes Anstoß weiterer Berechnungen • rechtzeitige Bereitstellung von Zielkonfigurationen ( Position, Geschwindigkeit,... )

32. Architektur der Verhaltensmodule

33. Bildverarbeitung und Mustererkennung für mobile Systeme Beispiel: Roboterfußball

34. Bildverarbeitung und Mustererkennung für mobile Systeme Technische Daten

35. Ablauf der Bildverarbeitung • Bildaufnahme • Bildübertragung • Bildvorbearbeitung • Bild-Transformationen • Bild-Analyse • Ergebnis-Ausgabe

36. 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 • ...........

37. Verwendung von Mobilen Roboter Systemen • Fabriks - Automation Transport - Komponenten zwischen der Bearbeitung und der Montage ( Demontage ) • Aufgabenerfüllung in gefährlicher UmgebungMinen suche, Roboter in einem Nuklear - Reaktor • Planeten und Weltraum Erkundungz.B. Pathfinder am Mars • Unterwasser Vermessung und • Anwendung in der Medizin • „Service Roboter“ für persönlichen Gebrauchz.B. Reinigungs - Roboter

38. Fabrik Gefährlicher Umgebung

39. Weltraum Erkundung Unterwasser - Anwendung

40. Medizin Service Roboter

41. Höhe 1.4m 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 Voice receiving and Ø recognizing sub-system ultrasonic sensing for obstacle Ø and walls infrared proximity sensing for Ø emergency near obstacles Several TV cameras for Ø backstage monitoring Control System On-board control system Backstage control system Kunden „Führungs“ Roboter in Shanghai

42. Mobile Roboter Platformen am IHRT MaxiFander (DBI Int.) Nomad 200 (Nomad Techn.)

43. Mobile Plattformen Ausführungen Hohe Bauform ( Tom ) Flache Bauform ( Jerry ) Sonderbauformen

44. 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, ....

45. Maße ( H x L x W ) (mm x mm x mm) 450 x 680 x 480 Eigengewicht kg 15 Nennlast daN 25 Maximale Geschwindigkeit m/s 0,75 Sensoren Sonarsystem ( 1 rotierender Ultraschall - Sensor )3 Infrarot - NäherungsschalterStereo Mikrophone ( „Ohren“ )Optische Linienverfolgung On-board control system 486 DX PC, 33 MHz Technische Daten „MaxiFander“

46. Maße ( H x D ) (mm x mm) 970 x 530 Eigengewicht kg 59 Nennlast daN 23 Maximale Geschwindigkeit m/s 0,5 Sensoren Taktiles SensorsystemFeststehendes UltraschallsystemVision SystemLaser Navigationssystem On-board Steuerungssystem Pentium 133 Mhz, 32 MB RAMSprachsynthese ModulBetriebssystem: LINUX Technische Daten „Nomad 200“

47. System Übersicht • Common Language Basic Robot Commands • Reactive Behaviour • Sensor Data Feedback • Programming ("Mission") • GUI (Position Monitoring) • Path-Planning • Remote Control (graph. Joystick)

48. Mini-Roboter Khepera • Bauteile: • Motorola 68331 on-board Prozessor • 8 Infrarot Näherungs- und Licht Sensoren • NiCd Batterien (oder externe Energievers.) • RS232 Schnittstelle • Verbunden (über RS232) mit einem i586 PC (WIN95 Betriebssystem) als „Roboter Controller“

49. Integrierte Roboter Navigation

50. Integrierte Roboter Navigation