Institut für
Robotik und Prozessinformatik

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Abgeschlossene Dissertationen

Bin-Picking - New Approaches for a Classical Problem

(Dirk Buchholz, 2015)
(External) Das automatisierte Handling von Objekten ist seit Entwicklung der ersten Roboter ein Forschungsthema. Der erste Schritt in diese Richtung ist das automatische Greifen von Objekten. Eines der berühmtesten Probleme in diesem Zusammenhang ist der "Griff-in-die-Kiste", oder "Bin-Picking". Frei angeordnete Objekte (Schüttgut) aus einer Kiste zu entnehmen stellt für Menschen keine schwierige Aufgabe dar, ist jedoch extrem komplex zu automatisieren. Neben der Objektlokalisierung, also dem Bestimmen der Position und der Orientierung, der Pose, des Objekts muss hier auch gewährleistet werden, dass eine kollisionsfreie Interaktion des Roboters mit dem Objekt möglich ist. Seit mehr als 50 Jahren veröffentlichen Forscher Ansätze, um einer generischen Lösung dieses Problems näher zu kommen. Dennoch ist Bin-Picking auch heute noch nicht vollständig gelöst. Diese Arbeit beschreibt daher drei neue, unterschiedliche Konzepte um das Bin-Picking-Problem zu lösen. Genauer gesagt werden Verfahren vorgestellt, die auf Basis unterschiedlicher Daten Objekte lokalisieren können. Die Arbeit beschreibt, wie moderne optische Sensoren effizient für das Bin-Picking eingesetzt werden können, aber auch, dass klassische Sensorkonzepte neuartige und effiziente Lösungen ermöglichen. Drei Systeme werden beschrieben und verglichen. Zunächst werden per 3D-Scanner aufgenommene Punktwolken als Basis genutzt und mittels Random Sample Matching Objektposen extrahiert. Die Kollisionsvermeidungsstrategie basiert auf Tiefenbildern, was die Berechnung sehr effizient macht. Als zweites wird die Lokalisierung direkt auf Tiefenbildern gerechnet. Dies ermöglicht den direkten Einsatz von 2d Bildverarbeitungsmethoden, was eine Greifposenbestimmung in Echtzeit ermöglicht. Verbunden mit Kraft-Momentensensorik entsteht so ein nahezu zeitoptimales Bin-Picking-System. Als dritte Möglichkeit werden Oberflächennormalenkarten als Basis zur Objektlokalisierung verwendet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen aus der Literatur werden diese Karten nicht zu 3d Daten umgerechnet sondern direkt zur Posenschätzung genutzt. Dies ermöglicht den Einsatz einer Klasse von Sensoren zum Bin-Picking die bisher nur in anderen Gebieten genutzt werden konnte. Alle drei Methoden werden miteinander verglichen und Vor- sowie Nachteile beleuchtet.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. D. Henrich

On Hierarchical Models for Visual Recognition and Learning of Objects, Scenes, and Activities

(Jens Spehr, 2014)
(External) In zahlreichen Computer Vision Anwendungen müssen Objekte in einzelnen Bildern oder Bildsequenzen erlernt und erkannt werden. Viele dieser Objekte sind hierarchisch aufgebaut. So lassen sich 3d Objekte in Objektteile zerlegen und Objektteile wiederum in geometrische Grundkörper. Und auch Aktivitäten oder Verhaltensmuster lassen sich hierarchisch in einzelne Aktionen aufteilen, diese wiederum in einzelne Bewegungen usw. Für die Repräsentation sind hierarchische Modelle dementsprechend gut geeignet. In dieser Arbeit werden neue probabilistische hierarchische Modelle vorgestellt, die es ermöglichen auch mehrere Objekte verschiedener Kategorien, Skalierungen, Rotationen und aus verschiedenen Blickrichtungen effizient zu repräsentieren. Eine Idee ist hierbei, Ähnlichkeiten unter Objekten, Objektteilen oder auch Aktionen und Bewegungen zu nutzen, um redundante Informationen und Mehrfachberechnungen zu vermeiden. In der Arbeit werden online und offline Lernverfahren vorgestellt, die es ermöglichen, effiziente Hierarchien auf Basis von kleinen oder großen Trainingsdatensätzen zu erstellen, in denen Posen und bewegliche Strukturen durch Beispiele gegeben sind. Des Weiteren werden Inferenzansätze zur schnellen und robusten Detektion vorgestellt. Diese werden innerhalb eines einheitlichen hierarchischen Frameworks sowohl räumlich zur Objekterkennung als auch raumzeitlich zur Aktivitätenerkennung verwendet.
Das einheitliche Framework ermöglicht die Anwendung des vorgestellten Modells innerhalb verschiedener Projekte. Neben der klassischen Objekterkennung wird es zur Erkennung von menschlichen Posen in einem Projekt zur Ganganalyse verwendet. Die Aktivitätenerkennung wird in einem Projekt zur Gestaltung altersgerechter Lebenswelten genutzt, um in intelligenten Wohnräumen Aktivitäten und Verhaltensmuster von Bewohnern zu erkennen. Im Rahmen eines Projektes zur Parklückenvermessung mithilfe eines intelligenten Fahrzeuges werden die vorgestellten Ansätze verwendet, um das Umfeld des Fahrzeuges hierarchisch zu modellieren und dadurch das Szenenverstehen zu ermöglichen.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. J. M. Buhmann

On-Line Trajectory Generation in Robotic Systems

(Torsten Kröger, 2009)
(External) Die vorliegende Dissertationsschrift ist eine Arbeit über die Integration von Sensoren in Robotersysteme und deren Steuerungen. Es wird ein mechanisches System betrachtet, das mit mehren Sensoren ausgestattet ist, die jeweils digitale und/oder analoge Sensorsignale liefern. Es ist keine Frage, dass die Integration von Sensoren und die Sensor-basierte Steuerung und Regelung entscheidend zur Weiterentwicklung von Robotersystemen beiträgt. Obwohl bereits zahlreiche Konzepte zu dieser Thematik bekannt sind, gibt es eine wichtige Frage, die bisher unbeantwortet blieb: Nehmen wir an, ein Roboter sei in einem beliebigen Bewegungszustand, wie können wir nun eine Trajektorie berechnen und unmittelbar auf unvorhersehbare Sensorereignisse reagieren?

Der Kern dieser Arbeit besteht aus der Herleitung einer Klasse von Algorithmen, die Trajektorien für Roboter während der Laufzeit berechnet, also innerhalb eines Regeltaktes (typischer Weise innerhalb einer Millisekunde oder weniger). Ein solcher Algorithmus wird parallel zu den Algorithmen der Antriebsregler ausgeführt, damit Steuerungs- und Regelungssysteme für Roboter unmittelbar auf unvorhergesehene (Sensor-)Ereignisse reagieren können. Der Algorithmus ermöglicht das Umschalten von sensorgeführten Bewegungen (z.B. Kraft- oder Kamerageführt) auf Bahnfolgebewegungen und umgekehrt, wobei der Algorithmus als Führungsgrößengenerator und Schnittstelle zwischen den Antriebsreglern und der (Sensor-basierten) Bewegungsplanung arbeitet. Somit ermöglicht er die Ausführung einer Art von Roboterreflexen.

Im ersten Schritt wird der Algorithmus für Systeme mit nur einem Freiheitsgrad hergeleitet; anschließend erfolgt die Erweiterung auf mehrere Freiheitsgrade. Die resultierenden Bewegungen sind zeitoptimal und für alle Freiheitsgrade synchronisiert, sodass alle Freiheitsgrade genau gleichzeitig ihr Ziel erreichen.

Die Verwendung dieses neuen Steuerungsalgorithmus' in einem hybriden, schaltenden Regelungssystem vereinfacht die Ausführung von Sensor-geführten sowie Sensor-überwachten Bewegungen. Dadurch, dass der Algorithmus für jeden beliebigen Bewegungszustand Führungsgrößen generieren kann, ist es möglich, stetige Roboterbewegungen zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten - auch dann, wenn Sensoren ausfallen. Ein weiterer Vorteil ist die Ermöglichung von (Sensor-basierten) Umschaltungen zwischen verschiedenen Bezugssystemen und/oder Zustandsräumen.

Das vorgeschlagene Verfahren ist von sehr grundlegender Natur und lässt sich für verschiedene Gebiete der Robotik einsetzen, in denen die Integration von Sensoren eine wichtige Rolle spielt. Dies sind zum Beispiel die Gebiete der Servicerobotik, der industriellen Manipulation, der mobilen Robotik und Manipulation und der Medizinrobotik. Sämtliche Teile dieser Arbeit werden durch zahlreiche Beispiele und Anwendungsfälle begleitet. Durch selbige soll ein gut verständlicher Einblick in dieses interessante und relevante Gebiet der Robotik ermöglicht werden.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. ir. H. Bruyninckx

Automatisierte Programmierung von Robotern für Montageaufgaben

(Ulrike Thomas, 2008)
In der vorliegenden Dissertation werden Konzepte für die kostengünstige automatisierte Roboterprogrammierung entwickelt und an Hand von prototypischen Implementierungen evaluiert. Auf der Basis von CAD-Daten können Roboter automatisiert programmiert werden.

Zur Planung der Montagereihenfolge von Baugruppen wurde ein neues System entwickelt. Dieses berechnet unter Berücksichtigung verschiedener Bewertungskriterien optimale Montagereihenfolgen. Während der Planung wird eine "Assembly-by-Disassembly"-Strategie angewendet, die durch geeignete "Graph-Cut"-Algorithmen mögliche Montagereihenfolgen findet. Dabei kommen neuartige Algorithmen zur effizienten Berechnung der geometrischen Separierbarkeit zum Einsatz. Für das Berechnen eines Demontagepfades im 6d-Konfigurationsraum wurde ein neuer stochastischer Bahnplanungsalgorithmus entwickelt. Das Montageplanungssystem konnte mit zahlreichen industriellen Montagebaugruppen evaluiert werden.

Für das Montieren von Bauteilen stehen heute vielfältige Sensoren zur Verfügung. Kraft-/Momentensensoren stellen eine Möglichkeit dar, Montageaufgaben flexibel gegenüber Bauteil- und Lagetoleranzen zu programmieren. Aktionsprimitive dienen als Schnittstelle zu modernen Steuerungen mit hybriden Positions-, Geschwindigkeits- und Kraftreglern. Durch Aktionsprimitivnetze können komplexe Montageaufgaben fehlertolerant programmiert werden. Mit den in dieser Arbeit entwickelten Methoden lassen sich Aktionsprimitivnetze erstmals automatisiert erzeugen. Hierfür werden Dreiecksnetze von Bauteilen zunächst in topologische Elemente segmentiert. Aus diesen Segmenten und der berechneten Montagebahn lassen sich Kontaktformationsgraphen aufstellen. Unter Verwendung neuer Kontaktformationen ist es möglich, Aktionsprimitivnetze für komplexe Montageaufgaben automatisiert zu generieren. Dieses neue Konzept wird an Hand industrieller Montageaufgaben evaluiert.

Eine weitere Möglichkeit, Roboter automatisiert zu programmieren, stellen Kraft-/Momentenkarten dar. Diese Arbeit zeigt, wie Kraft-/Momentenkarten automatisch aus CAD-Daten gewonnen werden. Mit Hilfe eines Partikelfilters lassen sich Varianten von "Stift-in-Loch"-Aufgaben erfolgreich ausführen.

Schließlich ist im Rahmen dieser Arbeit eine vollständige Prozesskette von der Spezifikation der Montageaufgaben über die Planung der Montagereihenfolge bis hin zur Ausführung dieser durch serielle und parallele Roboter entstanden.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. rer. nat. D. Henrich

Sensor-Based Surgical Robotics: Contributions to Robot Assisted Fracture Reduction

(Ralf Westphal, 2007)
Frakturen des menschlichen Femurs werden heutzutage üblicherweise mit einer minimalinvasiven Methode, der so genannten Marknagelung, fixiert. Bei dieser für den Chirurgen überaus anstrengenden Operationsmethode kommt es häufig zu postoperativen Fehlstellungen, die einen beträchtlichen Einfluss auf die funktionale Biomechanik und den Rehabilitationsprozess des Patienten haben können. Die hohe Strahlenexposition des OP-Personals ist ein weiterer Faktor, der bei den Chirurgen den Wunsch nach technisch ausgereiften Hilfsmitteln weckt und das interdisziplinäre Forschungsprojekt zwischen der Medizinischen Hochschule Hannover und der TU Braunschweig motiviert.

Die vorliegende Arbeit ist im Rahmen dieses Projekts entstanden und zeigt die Möglichkeiten auf, den Chirurgen mithilfe von Robotersystemen bei der Durchführung solcher Operationen zu unterstützen und die Reponierung der Knochenfragmente durchzuführen. Es wird zunächst die Entwicklung eines Telemanipulatorsystems vorgestellt, welches basierend auf 2D und 3D Bildgebung am exponierten Knochen und am menschlichen Präparat evaluiert wird. Anhand der Erfahrungen aus den telemanipulierten Reponierungen werden Konzepte abgeleitet, die eine (semi-)automatische Reponierung durch einen Roboter ermöglichen. Diese automatische Reponierung berechnet einen weichteilverträglichen Bewegungspfad und führt diesen mithilfe von Aktionsprimitiven sensorüberwacht bzw. sensorgeführt aus.

Darüber hinaus werden Bildanalyseverfahren entwickelt, die den Einsatz des Roboters als vollautomatische Bohrerführung ermöglichen. Neben der Frakturreponierung sind das Einbringen und das Verschrauben des Marknagels zwei weitere für den Chirurgen anspruchsvolle Aufgaben, die so auf optimale Weise durch die Kombination von chirurgischer Navigation, Computer assistierter Chirurgie und Robotik unterstützt werden. In diesem Zusammenhang wird ferner ein Konzept entwickelt, bei welchem Petri-Netze und Aktionsprimitive im bekannten "Model-View-Controller"-Muster integriert werden, und so einen verlässlichen und nicht notwendigerweise strikt sequentiellen Operationsablauf ermöglichen.

Insgesamt konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz der entwickelten Methoden eine hohe Präzision der Operationsergebnisse zu erreichen ist und gleichzeitig die Strahlenbelastung für Patient und OP-Personal reduziert werden kann.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. H. Wörn

Realistische haptische Simulation materialabtragender chirurgischer Eingriffe

(Andreas Petersik, 2007)
In der Luftfahrt ist die Verwendung von Simulatoren schon seit Jahrzehnten fester Bestandteil der Ausbildung. Dabei müssen Piloten schwierige und in der Praxis seltene Gefahrensituationen regelmäßig in einem Flugsimulator trainieren. Die so gewonnene Routine lässt die Piloten später auch mit realen Gefahren erheblich sicherer umgehen.
Auch in der Medizin rückt die Verwendung von Simulatoren für das Erlernen komplexer Fähigkeiten zunehmend ins Blickfeld. In der Literatur finden sich dazu ganz überwiegend Entwicklungen, die sich auf die Simulation von minimal invasiven Eingriffen beziehen. Dabei wird typischerweise der visuelle Eindruck des Eingriffs modelliert, seltener auch das damit verbundene Gefühl (Haptik) der deformierenden Einwirkung von punktförmigen Werkzeugen auf Weichteilgewebe. Verfahren, die materialabtragende Eingriffe an komplexen starren Körpern wie zum Beispiel Knochen mit ausgedehnten Werkzeugen (Bohrer, Fräser) simulieren, gibt es bisher erst in Ansätzen.
In der vorliegenden Arbeit soll deshalb ein System entwickelt werden, das das haptische Rendering, d. h. das Fühlbarmachen von Strukturen und Werkzeuginteraktionen mittels geeigneter Kraftrückkopplungsgeräte, für die Simulation von bohrenden und fräsenden Eingriffen in virtuellen anatomischen Modellen ermöglicht. Das algorithmische Hauptproblem besteht dabei in der Kollisionserkennung und der Berechnung der daraus resultierenden Kräfte. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich aus den Anforderungen nach einer hohen räumlichen Auflösung einerseits und der für eine realistische Haptik nötigen hohen zeitlichen Auflösung mit einer Wiederholfrequenz im Bereich von 1000 Hz andererseits. Darüber hinaus müssen Verfahren entwickelt werden, die trotz der limitierten Kraft der zur Verfügung stehenden Kraftrückkopplungsgeräte einen der Realität nahe kommenden haptischen Eindruck vermitteln.
Die meisten existierenden Verfahren der Kollisionserkennung basieren auf Oberflächenmodellen, wie sie auch in der klassischen Computergrafik verwendet werden. Der Rechenaufwand steigt bei diesen Verfahren mit der Komplexität der Szene stark an. Kollisionen mit hochauflösenden anatomischen Modellen, wie sie in dieser Arbeit verwendet werden, lassen sich mit solchen Verfahren auf Standardrechnern bisher nicht mit der notwendigen Geschwindigkeit und räumlichen Auflösung berechnen.
Aus diesem Grund wird in dieser Arbeit ein neues Verfahren zur Kollisionserkennung zwischen einem ausgedehnten Werkzeug und einem Volumenmodell entwickelt. Dieses Volumenmodell basiert dabei im Gegensatz zu anderen volumenbasierten Verfahren auf einer Technik, die die subvoxelgenaue Bestimmung der Objektoberflächen für segmentierte Objekte erlaubt und somit sehr detaillierte Isointensitätsoberflächen liefert. Für die Kollisionserkennung wird ein bekanntes Verfahren erweitert, welches das Werkzeug diskretisiert durch Oberflächenpunkte und Suchvektoren darstellt. Durch Kollisionstests mit den Oberflächenpunkten und das Suchen der Objektoberflächen entlang der Suchvektoren lässt sich die Kraftrichtung für die zu berechnende Kraft approximieren. Das Problem der möglichst exakten Bestimmung des Kraftbetrages wird durch ein Projektionsverfahren gelöst, das den Betrag mit großer Genauigkeit und Geschwindigkeit approximieren kann. Erstmalig wird ein haptischer Proxy, also ein virtuelles Zwischenobjekt, das immer an den Objektoberflächen verbleibt und Objekte nicht durchdringen kann, auch im Volumenmodell eingeführt, was dazu führt, dass auch durch dünne Objekte nicht hindurch gedrückt werden kann.
Um den Materialabtrag zu simulieren, werden zwei Verfahren zur Berechnung der dabei entstehenden Kräfte entwickelt. Das erste Verfahren benutzt den naheliegenden Ansatz, die Materialverteilung um das Werkzeug herum zu bestimmen und daraus eine Gegenkraft zu berechnen. Da die verfügbaren Kraftrückkopplungsgeräte die berechneten starken Kräfte nicht wiedergeben können, laufen die simulierten materialabtragenden Eingriffe allerdings viel zu schnell ab. Als Lösung wird ein geometrisches Verfahren entwickelt, in dem der Proxy immer an der abzutragenden Materialoberfläche verweilt und der Materialabtrag nur über eine relativ zum Proxy zu verschiebende Modifikationsregion gesteuert wird. Damit wird die Geschwindigkeit des Materialabtrages einstellbar. Um weitere Charakteristika materialabtragender Werkzeuge zu simulieren, werden die berechneten Kräfte um Effekte wie Vibrationen erweitert.
Die entwickelten Methoden wurden in mehreren Simulatoren für die Felsenbeinchirurgie sowie für die Zahnheilkunde implementiert, die zum Teil bereits vermarktet werden. Für eine Validierung des vorgestellten Ansatzes liegen neben den subjektiven Erfahrungen zahlreicher Anwender verschiedener medizinischer Fachrichtungen auch zwei unabhängige Studien vor (Zirkle et al., Laryngoscope, Volume 117 (2), February 2007, Sternberg et al., Int. J. Oral Maxillofac. Surg., Volume 36, Issue 5, 2007). Mit den vorgestellten Methoden ist es damit trotz der beschränkten Möglichkeiten der eingesetzten Kraftrückkopplungsgeräte erstmals gelungen, eine realistische Simulation der bei bohrenden und fräsenden Eingriffen auftretenden haptischen Eindrücke zu erreichen.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. Karl Heinz Höhne

Das 3d-Puzzle-Problem - Effiziente Methoden zum paarweisen Zusammensetzen von dreidimensionalen Fragmenten

(Simon Winkelbach, 2006)
Das Zusammenfügen von dreidimensionalen Objekten aus Einzelteilen (3d-Puzzle-Problem) ist in vielen wichtigen Forschungs- und Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel der Archäologie, der Medizin, sowie der Bioinformatik und Robotik, von hoher Relevanz. So müssen in der Archäologie zerbrochene historische Artefakte rekonstruiert, in der Chirurgie gebrochene Knochen repositioniert und fixiert, in der Bioinformatik Proteine zusammengesetzt und in der Robotik Bauteile gefügt werden.

In dieser Arbeit wird die gesamte Prozesskette von der Datenakquisition mittels unterschiedlicher Sensoren, über die allgemeine Registrierung von Oberflächen, bis hin zu speziellen Anforderungen beim Zusammensetzen von Fragmenten in unterschiedlichen Anwendungsfällen, betrachtet. Insbesondere werden zwei neue Ansätze vorgestellt, mit denen ein paarweises Matching von Fragmentoberflächen äußerst effizient gelöst werden kann. Hierbei wird eine hohe Robustheit gegenüber Messungenauigkeiten, Fragmentschädigungen und Materialverschleiß erreicht. In ihrer Basiskonfiguration berechnen beide Verfahren diejenige relative Lage, bei der die Fragmente einen möglichst großen Oberflächenkontakt aufweisen. Der erste Ansatz beruht auf einer zufallsbasierten Generierung von wahrscheinlichen Lagehypothesen und einer schnellen Hochrechnung der Kontaktfläche. Der zweite Ansatz basiert auf einer deterministischen "Grob-zu-Fein-Strategie" und kommt ohne Zufallskomponente aus.

Des Weiteren wird untersucht, auf welche Weise Vorwissen über die zerbrochenen Objekte (z.B. über Form, Symmetrieebenen, Achsen, etc.) genutzt werden kann, um die Effizienz, Genauigkeit und Robustheit zu erhöhen. Insbesondere gelingt es in dieser Arbeit durch Einbeziehung von Vorwissen gebrochene Oberschenkel- und Beckenknochen virtuell zusammenzufügen und somit einen wichtigen Baustein für die computerassistierte Frakturbehandlung in der Chirurgie zu schaffen.

Neben den 3d-Puzzle-Problemen findet das automatische Anpassen von Oberflächendaten (engl. 'surface matching') auch in vielen anderen wichtigen Bereichen des 3d-Computer-Sehens Anwendung. In diesem Zusammenhang wird gezeigt, dass die entwickelten Ansätze unter anderem auch für die Erkennung und Lageschätzung von Objekten im Raum und für die Registrierung von Tiefendaten eingesetzt werden können.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. H. Burkhardt

Robotersteuerungsarchitektur auf der Basis von Aktionsprimitiven

(Bernd Finkemeyer, 2004)
Robotersysteme sind mittlerweile nicht mehr wegzudenken. In vielen Bereichen erleichtern sie das Leben und nehmen schwere Arbeit ab. Doch nach wie vor haben Roboter den Nachteil, dass sie sehr unflexibel sind. Ungenauigkeiten im Arbeitsgebiet oder unvorhergesehene Ereignisse stellen für die Maschine häufig ein enormes Problem dar.

Zur Bewältigung dieser Problematik ist der Einsatz geeigneter Sensorik unumgänglich. Doch ist deren Verwendung limitiert, obwohl geeignete Sensorik und Regelalgorithmen in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wird der Frage nachgegangen, warum die derzeitige Situation so ist und wo die Probleme der Sensorintegration liegen. Dabei werden vier Forderungen formuliert, die für den erfolgreichen Sensoreinsatz eingehalten werden müssen. Inwieweit diese mit heutigen Steuerungsarchitekturen erfüllt werden können, wird analysiert.

Mit den gewonnenen Kenntnissen wird das Aktionsprimitiv definiert, das eine minimale Roboterbewegung darstellt, die sowohl sensorgeführt als auch sensorüberwacht sein kann. Zur Lösung von Roboteraufgaben wird aus mehreren Aktionsprimitiven ein Netz gebildet. Mit dem Aktionsprimitiv wird ein Interface zur Steuerung bereitgestellt, das diese nicht nur parametrisiert, sondern sie auch für die Bedürfnisse der aktuellen Bewegung optimiert. In der Arbeit wird das Konzept der adaptiven Selektionsmatrix eingeführt, das die reflexartige Reglerumschaltung erlaubt. Sie ist notwendig, falls ein ausgewählter Sensor samt Regelung die aktuelle Situation nicht kontrollieren kann. Damit wird zu jedem Zeitpunkt ein stabiler Regelkreis gewährleistet. Mit dem Aktionsprimitivkonzept können viele aus der Literatur bekannte Regelungs- und Steuerungsverfahren eingesetzt werden und zur Anwendung kommen.

Um eine die Aktionsprimitive voll nutzende Steuerung realisieren zu können, ist eine modulare Softwarearchitektur notwendig. Sie muss die Verteilung der Softwaremodule auf mehrere Rechner erlauben. Es wird gezeigt, dass bestehende Softwarearchitekturen und Middlewarekonzepte den benötigten Anforderungen nicht gerecht werden. Daher wird für die Bedürfnisse der Steuerungstechnik die Middleware MiRPA (Middleware for Robotic and Process Control Applications) entwickelt und deren Leistungsfähigkeit verifiziert.

Basierend auf MiRPA wird die Steuerungssoftware zur technischen Umsetzung der Aktionsprimitive konzipiert. Alle Funktionalitäten der Softwaremodule und ihr Zusammenspiel untereinander werden mit UML (Unified Modelling Language) modelliert. Offenheit und Flexibilität stehen beim Entwurf der Software im Vordergrund.

An einigen Roboteraufgaben, wie der Objektablage oder der Montage eines Handyakkus, wird die praktische Anwendung des Steuerungskonzepts gezeigt.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. A. Knoll


Beiträge zur Planung, Dekomposition und Ausführung von automatisch generierten Roboteraufgaben

(Heiko Mosemann, 2000)
Damit ein Roboter Aufgaben selbständig planen, durchführen und überwachen kann, muss er sich adaptiv an die Umgebung anpassen. Dies erfordert die Integration zahlreicher, verschiedener Sensoren, deren Informationen fusioniert und zu logischen Aussagen verarbeitet werden, und Softwarewerkzeugen, die die Aufgabenadaption realisieren. Bei der aufgabenorientierten Planung spezifiziert der Anwender nur die vom Roboter auf die in der Roboterarbeitszelle vorhandenen Objekte auszuübenden Aktionen; der Anwender gibt nicht die einzelnen Roboterbewegungssequenzen an, die für die Ausführung der Aufgabe notwendig sind. Ein Roboteraufgabenplanungssystem setzt die vom Anwender spezifizierten Roboteraufgaben in eine Sequenz von Roboterbewegungen und -aktionen um. Diese müssen hierzu analysiert, klassifiziert und dekomponiert werden, damit sie vom Roboter in der Arbeitszelle ausgeführt werden können.

Die vorliegende Arbeit folgt diesem Konzept: Zuerst wird ein relationales Baugruppenmodell vorgestellt, welches unter anderem die geometrische Modellierung und die räumlichen Objektlagen einer Baugruppe beinhaltet. Das in dieser Arbeit beschriebene Roboteraufgabenplanungssystem verwendet geometrische und physikalische Bedingungen (z. B. Zugänglichkeiten, Stabilität) für die Generierung und Evaluierung von Aufgabenplänen. Ein wesentlicher Beitrag der vorliegenden Arbeit ist eine neuartige Stabilitätsanalyse von Baugruppen, die Reibungskräfte berücksichtigt. Die vorliegende Arbeit stellt ein modernes Planungssystem vor, welches über das Entwurfsstadium hinausgeht. Die Implementierung stützt sich auf einen modernen softwaretechnologischen Entwurf und besitzt eine leistungsstarke interaktiv-grafische Anwenderschnittstelle. Die Klassifizierung der vom Aufgabenplanungssystem berechneten Roboteraufgaben ist ein entscheidender Schritt in Richtung Autonomie. Roboteraufgaben sind die in den Aufgabenplänen implizit spezifizierten Aktionen, die vom Manipulator für den Zusammenbau einer Baugruppe auszuführen sind. Die komplexen Roboteraufgaben werden in elementare Aktionsprimitive zerlegt. Aktionsprimitive sind elementare, sensorabhängige Roboterbewegungen, Steuerkommandos und Sensorsystemfunktionen. Im Verlauf der Arbeit wird gezeigt, wie Roboteraufgaben geeignet dekomponiert werden. Ebenfalls wird der Einsatz von Sensoren für die Überwachung der Aktionsprimitive vorgestellt. Die in den Aktionsprimitiven angegebenen Bedingungen für hybride Bewegungen erlauben die Leistungsfähigkeit einer hybriden Regelung für Roboter effizient einzusetzen. Die Spezifikation der Aktionsprimitve ist die Basis für eine hybride Bewegungsprogrammierung für Manipulatoren. Ebenfalls behandelt die vorliegende Arbeit den Entwurf einer objektorientierten Bibliothek für Aktionsprimitive basierend auf der Unified Modeling Language. Es werden verschiedene Aktionsprimitivmodule vorgestellt. Die geeignete Komposition dieser Module repräsentieren Roboteraufgaben. Die Vorteile der Bibliothek sind u. a. die Devide-and-Conquer Strategie und Wiederverwendbarkeit. Die Ausführung der dekomponierten Roboteraufgaben (also die Sequenzen von Aktionsprimitiven) wird auch in dieser Arbeit besprochen. Hier wird ein neues Konzept, welches die Reibungskräfte bei Kontaktbewegungen einbezieht, vorgestellt. Durch Messung von Kräften und Momenten ist der Roboter in der Lage, zu entscheiden, in welchem Prozessstatus sich das Aktionsprimitiv befindet. Somit ist es möglich, adaptiv Strategien zu entwerfen, die zum Erfolg der Roboteraufgabe führen. Abschließend werden Experimente in der Simulation und in der realen Arbeitszelle gezeigt, die die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Konzepte unterstreichen.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. A. Knoll

Probabilistische Erkennung von 3d Freiformobjekten mit Bayesschen Netzen

(Björn Krebs, 2000)
In dieser Arbeit werden neue Konzepte zur expliziten Modellierung von Unsicherheiten während des Erkennungsprozesses mit Hilfe von Bayesschen Netzen vorgestellt. Diese erlauben die statistischen Eigenschaften von Merkmalen und Objekten in einer konsistenten Form zu modellieren, um so die Bewertung der aktuellen Erkennungssicherheit zu ermöglichen. Die Berücksichtigung der Signifikanz von Merkmalen und deren Abhängigkeiten mit Hilfe von Zugehörigkeitsrelationen garantiert die konsistente Integration unterschiedlicher Merkmale, um die Selektion der wahrscheinlichsten Objekte zu ermöglichen. Eine Lösung des Segmentierungsproblems, zum einen auf Merkmalsebene mit Hilfe geometrischer Relationen, zum anderen auf Objektebene durch eine robuste Zuordnung von Freiformmodellen zu Sensordaten mittels des Fuzzy ICP Algorithmus, erlaubt die korrekte Validierung von Objekthypothesen. Durch eine Ausgleichsberechnung über viele Sensordaten kann die 3d Lage eines erkannten Objekts hinreichend genau bestimmt werden.

Verlässliche 3d Merkmale in Form von Ecken, Kanten und Randkurven werden vorgestellt. Die effiziente Extraktion sowohl aus Tiefendaten als auch aus CAD-Objektdefinitionen stellt hierbei die Basis für ein robustes 3d Objektkennungssystem von Freiformflächen dar. Eine dem Extraktionsverfahren in Tiefendaten gleichartige Berechnung von Merkmalen aus CAD-Objektmodellen erlaubt die automatische Generierung der Bayesschen Netze aus CAD-Daten. Die einzelnen Evidenzen der erkannten Objekte werden in eine Planung von Aktionsschritten integriert. Die Interaktion von Evidenzpropagation und Aktionsauswahl ermöglicht ein flexibles, aktives 3d Objekterkennungssystem, das sich an die aktuelle Komplexität der beobachteten Szene adaptiert.

In dieser Arbeit werden innovative, grundlegende Konzepte für eine probabilistische 3d Erkennung von beliebigen Objekten vorgestellt. Die Einbettung in ein theoretisches Modell und die Verwendung mathematisch fundierter Konzepte stellen die vorgeschlagenen Methoden auf eine solide Basis, die die Allgemeingültigkeit dieser neuen Sichtweise unterstreichen und die vorgestellten Methoden auch für andere Anwendungen attraktiv machen. Die Entwicklung einer konzeptionell neuen Sichtweise zur Lösung der 3d Erkennungsproblematik steht deshalb im Mittelpunkt dieser Arbeit. Die Methoden werden in ein 3d Erkennungssystem für Freiformobjekte umgesetzt und deren Tragfähigkeit anhand einer Validierung an praktischen Erkennungsaufgaben unter Beweis gestellt.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. H. Niemann

Bewegungsplanung für mobile Roboter in dynamischen Umgebungen auf Basis automatisch erzeugter statistischer Daten

(Eckhard Kruse, 1998)
Die Dissertation stellt ein neues Konzept zur Bewegungsplanung für mobile Roboter vor. In zukünftigen, fortgeschrittenen Einsatzumgebungen können sich neben statischen Hindernissen auch dynamische, d.h. bewegende Hindernisse befinden. Da ihre Bewegungen unter realen Bedingungen in der Regel nicht vollständig vorhersagbar sind, ist eine Vorausplanung von garantiert kollisionsfreien Roboterbahnen nicht möglich. Bisher verwendete Ansätze beruhen daher meist auf wenig vorausschauenden, reaktiven Techniken, welche jedoch zu ineffizienten Roboterbewegungen führen können. Sie berücksichtigen nicht, dass durch Einbeziehung einer Vorausplanung - welche möglichst umfangreiches a priori Wissen einbezieht - die ineffiziente reaktive Planung deutlich entlastet werden kann. Der in der Dissertation vorgestellte Ansatz beschreibt das {vorherrschende} Verhalten der dynamischen Hindernisse mit Hilfe statistischer Daten. Diese werden der Planung als zusätzliches Wissen zur Verfügung gestellt. Dementsprechend wird von statistischer Bewegungsplanung gesprochen.

Nach einem Überblick über den Stand der Forschung werden die theoretischen Grundlagen der statistischen Bewegungsplanung ausführlich untersucht. Ein vereinfachtes Modell ermöglicht es, mathematisch genaue Ergebnisse zu erhalten. Die Kollisionswahrscheinlichkeit, d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass der Roboter bei seiner Bewegung auf ein Hindernis trifft, spielt dabei eine zentrale Rolle. Um die Konzepte auf reale Problemstellungen anzuwenden, wird das theoretische Modell schrittweise erweitert. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines Verfahrens zur Planung von Roboterbahnen mit minimaler Kollisionwahrscheinlichkeit. Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches effizient arbeitet und unter praktischen Anforderungen sinnvoll eingesetzt werden kann. Auf Heuristiken und Näherungen kann dabei dank der mathematischen Modelle weitestgehend verzichtet werden.

Die theoretischen Betrachtungen und das Bahnplanungsverfahren setzen voraus, dass statistische Daten zur Beschreibung der Hindernisbewegungen zur Verfügung stehen. Um diese Daten in einer realen Umgebung automatisch zu gewinnen, wird ein Sensorsystem eingesetzt, welches ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt wird. Die statistische Bewegungsplanung sowie die automatische Gewinnung statistischer Daten wurden im Rahmen eines Experimentiersystems implementiert und erprobt. Experimente werden vorgestellt, um die Unterschiede zu konventionellen Verfahren zu veranschaulichen und um die Ergebnisse der Planung zu bewerten. Es wird gezeigt, dass die statistische Bewegungsplanung ihre Zielsetzung erreicht und zu einer Verbesserung der Bewegungsplanung in dynamischen Umgebungen beitragen kann.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. G. Hommel

Modellbasierte automatisierte Greifplanung

(Frank Röhrdanz, 1997)
In dieser Dissertation wird das Planungssystem Autograsp zur modellbasierten, automatisierten Planung von Greifoperationen bekannter Objekte im Arbeitsraum eines Roboters beschrieben. Im Gegensatz zu existierenden Greifplanungssystemen werden bei der Planung die erforderlichen Nebenbedingungen des Greifvorgangs berücksichtigt. Das vorgestellte Greifverfahren beruht auf einer effizienten Zweiteilung der Planung in eine Offline- und in eine Online-Phase.

Während der Offline-Phase erfolgt eine maximale Modelldatenaufbereitung der zu greifenden Objekte. Geometrische Filteroperationen, die eine Art Shape-Matching zwischen der Geometrie des eingesetzten Parallelbackengreifers und den zu greifenden Objekten durchführen, generieren Griffklassen eines Objektes. Die generierten Griffklassen werden unter Berücksichtigung diverser geometrischer Kriterien evaluiert, die aus den Ergebnissen der Modelldatenaufbereitung folgen. Für die Planung evtl. erforderlicher Umgreifoperationen werden ebenfalls im Rahmen der Modelldatenaufbereitung Plazierungsklassen sämtlicher Objekte der Modellwelt generiert und evaluiert. Zur Bewertung der Stabilität einer Plazierungsklasse wird eine anschaulich zu interpretierende Evaluierungsfunktion eingeführt. Die Ergebnisse der Modelldatenaufbereitung fließen in die Online-Phase der Planung von Greifoperationen ein. Zu diesem Zeitpunkt werden die szenenabhängigen Nebenbedingungen des Greifvorgangs berücksichtigt, die aus der Kinematik des verwendeten Roboters, der durchzuführenden Greifoperation und aus der Lage und Orientierung der zu greifenden Objekte im Roboterarbeitsraum folgen. Eine weitere, in bisherigen Greifplanungssystemen nicht berücksichtigte Nebenbedingung, bildet die Stabilität der zu manipulierenden Szene. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein allgemeingültiges Verfahren zur Analyse der Stabilität einer Konfiguration starrer Körper unter Berücksichtigung von Haftreibungskräften vorgestellt. Kollisionsfreie Zugriffstrajektorien werden im xy-Konfigurationsraum des Greifers bestimmt. Das neuartige Konzept der Griffklassen verbunden mit repräsentativen Greiferorientierungen führt zu einer Reduktion des 6D-Bahnplanungsproblems auf ein 2D-Bahnplanungsproblem. Zur Analyse der Kollisionsfreiheit der Abrückbewegung des Greifers mit dem gegriffenen Objekt wird ein hardware-basiertes Verfahren vorgeschlagen, das im Vergleich zu Standardverfahren eine effizientere Analyse der Kollisionsfreiheit ermöglicht. Werden für eine Greifoperation sowohl die Aufnahme als auch die Ablagekonfiguration des zu greifenden Objektes spezifiziert, so wird darüber hinaus die Planung einer ggfs. erforderlichen Umgreifoperation berücksichtigt. Im Gegensatz zu den bisher existierenden Systemen zur automatisierten Umgreifplanung wird eine Umgreifsequenz bestimmt, die neben der Anzahl der erforderlichen Umgreifoperationen auch weitere Kriterien, wie z.B. die Güte der verwendeten Griffe und der verwendeten stabilen Zwischenplazierungen eines Objektes berücksichtigt.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. R. Dillmann

Reibungsanalyse und Identifikation von Dynamikparametern bei direktangetriebenen und getriebebehafteten Robotern

(Martin Prüfer, 1996)
Roboter werden heute in vielen Bereichen der Automatisierung eingesetzt. Dies beginnt bei Montageaufgaben und geht über Punktschweißen bis hin zu Meß- und Prüfaufgaben. So verschieden wie die Aufgaben, die ein Industrieroboter (IR) erfüllen soll, so unterschiedlich sind auch die Anforderungen an ihn. Entsprechend groß ist die Vielfalt der am Markt verfügbaren Industrieroboter. In der überwiegenden Anzahl der kommerziell verfügbaren Robotersteuerungen wird diesen unterschiedlichen Anforderungen bisher jedoch nicht Rechnung getragen; vielmehr werden seit Jahren unverändert die gleichen Regelkonzepte (fest parametrisierte, voneinander unabhängige PI- oder PID-Regler) angewandt. Insbesondere die Effekte der Dynamik werden nicht berücksichtigt. Für die Regelung geht man von voneinander unabhängigen, federlosen Antrieben und starren Robotergliedern aus. Sämtliche Abweichungen von diesen Modellannahmen (z. B. positionsabhängige Lasten, veränderliche Trägheitsmomente, dynamische Kopplungen) werden als Störgrößen behandelt.

Obwohl sich viele Veröffentlichungen mit der Theorie der Roboterregelung beschäftigen, sind Berichte über experimentelle Ergebnisse eher selten. Im Gegensatz dazu stützen sich die Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit auf eine Vielzahl von Messungen und praktisch durchgeführten Experimenten, denn erst das Experiment am realen Gerät gibt Aufschluß über weitere Details und kann als fundierte Grundlage für eine wertende Aussage herangezogen werden. Es werden sowohl Aspekte der Parameteridentifikation diskutiert als auch verschiedene Regelstrategien gegenübergestellt. Breiten Raum nimmt in diesem Zusammenhang die Untersuchung physikalischer Effekte, wie z. B. Reibung und Drehmoment-Ripple ein. Die in industriellen Robotersteuerungen getroffenen Modellannahmen werden hinterfragt, experimentell getestet und auf ihre Gültigkeit hin überprüft.

Die Arbeit gliedert sich wie folgt: Nach der Einführung und Motivation des Themas werden die Grundlagen der Regelungstechnik, der Roboterkinematik und -dynamik soweit angeführt, wie dies zum Verständnis der anschließenden Kapitel notwendig erscheint. Im dritten Kapitel werden die Gründe erklärt, die zur Konstruktion eines Experimentalarms und zur Entwicklung einer Robotersteuerung für Industrieroboter geführt haben, bevor auf einige Realisierungsaspekte eingegangen wird. Sie stellen die Voraussetzungen für die in dieser Arbeit durchgeführten Experimente dar. In Kapitel 4 werden physikalische Effekte untersucht. Hier wird u. a. eine signifikante und in der Fachliteratur bisher vernachlässigte Abhängigkeit der Gelenkreibung von der Temperatur nachgewiesen. Das Kapitel 5 behandelt die Identifikation von Dynamikparametern. Der eigene Beitrag ist hier in den vergleichenden Untersuchungen zwischen integralem und differentiellem Modell zu sehen. Diese beiden Kapitel bilden somit den Kern der Arbeit. Im Kapitel 6 werden verschiedene Reglerkonzepte gegenübergestellt. Hier wird der praktische Nutzen einer Parameteridentifikation dargelegt. Außerdem wird ein Regler mit zustandsabhängig umgeschalteten Parametern vorgestellt. Abschließend werden die Ergebnisse der Arbeit diskutiert und zusammengefaßt. Im Ausblick werden Ideen und Anregungen für weiterführende Arbeiten gegeben.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. J. U. Varchmin

Globales Monitoring System zur Steuerung und Überwachung Fahrerloser Transportsysteme in Fabrikationsumgebungen

(Claudio Laloni, 1995)
Fahrerlose Transportsysteme werden zunehmend in der Automatisierungstechnik und insbesondere in der flexiblen Fertigungstechnik eingesetzt, da es aufgrund ihrer Flexibilität möglich ist, einen Materialfluss mit modifizierbarer Verbindungsstruktur zwischen den einzelnen Arbeitszellen bzw. Arbeitsbereichen aufzubauen. Die heute eingesetzten Transportsysteme benötigen ein fest vorgegebenes Streckennetz innerhalb dessen sie sich bewegen können. Das hat zur Folge, dass sowohl Start- als auch Zielposition direkt von dem Streckennetz aus erreichbar sein müssen. Trifft das Fahrzeug auf ein Hindernis, so muss dieses entweder erst entfernt werden oder es muss ein alternativer Weg in dem Steckennetz gefunden werden. Zur Orientierung werden Leitdrähte oder Identifikationsmarken entlang des Netzes verlegt. Die Flexibilität, die so ein System bietet ist nicht mit der von manuell gesteuerten Fahrzeugen, wie z.B. Gabelstaplern vergleichbar, da erstens keine Transporte zwischen beliebigen Punkten stattfinden können und zweitens auf Veränderungen der Arbeitsumgebung nicht reagiert werden kann.
Um dennoch eine derartige Flexibilität bieten zu können, wird am Institut für Robotik und Prozessinformatik der TU-Braunschweig das Transportsystem MONAMOVE (MOnitoring and NAvigation for MObile VEhicles) entwickelt.
In dieser Arbeit sollen Konzepte und Methoden für das globale Überwachungssystem von MONAMOVE erarbeitet und validiert werden. Der Struktur des Gesamtsystems liegt dabei ein Schichtenmodell zu Grunde. Es besteht aus einer Sensorschicht, einer Analyseschicht und einer Koordinationsschicht. Die Aufgaben des Systems werden in einem ersten Schritt konkretisiert und daraus resultierende Systemanforderungen abgeleitet. Anschließend wird die Sensorschicht genau beschrieben. Dabei wird u.a. erörtert, welche Art Sensorik aufgrund der Systemanforderungen geeignet sind. Weiterhin werden sowohl Problematiken bei der Sensorkalibrierung behandelt, sowie Aspekte der Sensordatenverbesserung. Der nächste Abschnitt befasst sich mit der Analyseschicht, welche die gegebenen Sensordaten interpretiert und spezialisierte Module einsetzt, um z.B. Veränderungen des befahrbaren Bereiches zu detektieren. Zuletzt wird die Koordinationsschicht erläutert. Deren Aufgabe besteht darin, den Einsatz der Module der Analyseschicht zu koordinieren und die erforderliche zeitlich kontinuierliche Überwachung zu garantieren. Die Arbeit schließt mit der Bewertung von experimentellen Ergebnissen der prototypenhaft implementierten Systemschichten.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. Erwin Paulus

Ein aktives 3D-Robotersensorsystem auf der Grundlage eines verallgemeinerten Ansatzes zur Erstellung modellbasierter Objekterkennungsverfahren

(Thomas Stahs, 1994)
Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit ist der oft geäußerte Wunsch nach einem leistungsfähigen System zur Erkennung und Lagebestimmung dreidimensionaler, industrieller Bauteile. Im Gegensatz zu bestehenden Arbeiten wird dazu im folgenden aber nicht nur ein neues Verfahren für dieses spezielle Anwendungsgebiet vorgestellt, sondern in einem vorangehenden Schritt zunächst vielmehr unabhängig von den spezifischen Besonderheiten des einzelnen Anwendungsfalls eine neue, problemübergreifend nutzbare Gesamtkonzeption für die Entwicklung modellbasierter Objekterkennungssysteme erarbeitet. Sie besteht im Kern aus einem verallgemeinerten Lösungsansatz für modellbasierte Erkennungsaufgaben, der in eine geeignete Systematik zur praktischen Realisierung und Auswertung entsprechender Verfahren eingebettet wurde. Ein wesentliches Merkmal des so entstandenen Entwurfsrahmens zur Erstellung modellbasierter Erkennungssysteme liegt dabei in einer ganzheitlichen Betrachtung des jeweils entstehenden Systems, da nur auf diese Weise eine sorgfältige Abstimmung aller beteiligten Systemkomponenten und damit eine kontrollierte Umsetzung des geometrischen Modellwissens in die letztlich angestrebte Erkennungsleistung sichergestellt werden kann. Die mit der Erstellung des Entwurfsrahmen vollzogene Abstraktion von den spezifischen Besonderheiten des einzelnen Anwendungsfalls ermöglicht dabei nicht nur die Klärung verschiedener, grundlegender Fragen zur Arbeitsweise solcher Systeme, sondern führt durch die Bereitstellung eines sogenannten Spezifikations- und Bewertungskatalogs schließlich auch zur Schaffung einer praktischen Arbeitsgrundlage, die auch über den Rahmen dieser Arbeit hinaus ganz unmittelbar zur Realisierung weiterer Erkennungsverfahren genutzt werden kann.

Mit dem sogenannten 3D-Robotersensorsystem zur Erkennung und Lagebestimmung industrieller Bauteile wird dann im weiteren Verlauf der vorliegenden Arbeit sowohl der im Entwurfsrahmen verfolgte Erkennungsansatz wie auch die dort hergeleitete Methodik des Systemaufbaus an einer sehr praxisnahen Aufgabenstellung exemplarisch vorgestellt. Aufgrund der ausgeprägten Schlüsselrolle des Sensors für die Leistungsfähigkeit jedes Erkennungssystems wird diesem speziellen Verfahren dabei mit dem sogenannten 3D-Robotersensor zunächst ein aktives, und damit sehr leistungsfähiges Sensorkonzept zugrundegelegt. Es ermöglicht auf der Grundlage des Codierten Lichtansatzes die flexible Gewinnung von Tiefenbildern in einer Roboterarbeitszelle aus problemspezifischen Sichten. Darauf aufbauend werden dann in weiteren Arbeitsschritten geeignete Analysewerkzeuge zur lokalen Aufbereitung der Tiefeninformation, ein systemspezifischer Modellierungsansatz zur Objektbeschreibung und schließlich auch der Erkennungsprozeß selbst nach den entsprechenden Vorgaben des Entwurfsrahmens spezifiziert, aufeinander abgestimmt und ausgewertet. Zahlreiche experimentelle Ergebnisse sowohl für die realisierten Einzelkomponenten wie auch für das entstandene Gesamtsystem veranschaulichen dabei die praktische Vorgehensweise des Entwurfsrahmens bei der Abstimmung der Systemkomponenten. Darüberhinaus wird aber speziell auch für die Erkennung und Lagebestimmung industrieller Bauteile deutlich, wie durch die hier vorgestellte Verbesserung der Sensordatenbasis und die konsequente Nutzung geometrischer Objekteigenschaften eine im Vergleich zu existierenden Ansätzen merklich gesteigerte Erkennungsleistung erzielt werden kann. Mit dem Einsatz des Entwurfsrahmens steht somit für die zukünftige Entwicklung modellbasierter Objekterkennungsysteme ein Weg offen, um die heute noch immer übliche Erstellung prototypischer Einzellösungen zu überwinden und durch eine konzeptionell fundierte, softwaretechnisch handhabbare und vor allem auch quantitativ auswertbare Vorgehensweise zu ersetzen.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. H. Burkhardt

Automatische Bahnplanung für fahrerlose Transportsysteme in dynamischen Umgebungen

(Ralf Gutsche, 1993)
In den Fertigungsprozessen innerhalb von Fabrikanlagen werden heutzutage häufig fahrerlose Transportsysteme eingesetzt. Diese haben stets ein fest vorgegebenes Streckennetz auf denen Bahnen zwischen definierten Start- und Zielpositionen abgefahren werden können. Um derartige Systeme einsetzen zu können, ist es zwingend erforderlich, während des Betriebes das kollisionsfreie Abfahren der Bahnen sicherzustellen. Sollte dennoch ein Teil der Strecke blockiert sein, kann eine Reaktion bzw. Umplanung erst erfolgen, wenn das Fahrzeug den entsprechenden Abschnitt der Bahn erreicht hat. Befindet sich das Hindernis zudem in einem schmalen Gang, so dass keine lokale Ausweichbahn gefunden werden kann, muss u.U. ein großer Teil des bereits zurückgelegten Weges in entgegengesetzer Richtung durchfahren werden, um das Ziel entlang einer alternativen Route erreichen zu können.
Um die genannte Nachteile kompensieren zu können, wurde das System MONAMOVE (MOnitoring and NAvigation system for MObile VEhicles) zur vorrauschauenden Bahnplanung in einer dynamischen Welt entwickelt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Grundidee von MONAMOVE darzustellen und Konzepte für die Bahnplanung zu entwickeln. Das Gesamtsystem besteht dabei im wesentlichen aus 4 Komponenten: dem globalen Überwachungssystem, einem Weltmodell mit Benutzerschnittstelle, einem Navigator und einem Piloten. . Der Navigator ist die vorausplanende Komponente des Systems. Er berechnet Roboterbahnen unter Berücksichtigung statischer und dynamischer Hindernisse, während der Pilot die Bahn abfährt und für die reaktive Planung zuständig ist. Dies beinhaltet u.a. die Fähigkeit, plötzliche auftauchenden dynamischen Hindernissen ausweichen zu können. In dieser Arbeit wird zunächst ein Bahnplanungsverfahren betrachtet, welches rechtsorientierte Bahnen erzeugt, so dass Fahrzeuge, die einen Gang in gleicher Richtung durchfahren eine Kolonne bilden. In einem weiteren Schritt werden keine derartig expliziten Regeln mehr vorgegeben, sondern die Bahnen werden aufgrund von statistischen Daten über dynamische Hindernisse geplant und abgefahren. Zuletzt wird die Mehrfahrzeugkoordination behandelt, welche auf geometrischen Kreuzungen basiert, die vom Navigator automatisch berechnet werden.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof.Dr. Ing. J.Hesselbach

Zur Berechnung geschlossener Lösungen des inversen kinematischen Problems

(Harald Rieseler, 1991)
Der Entwurf und der Einsatz von Industrierobotern werfen eine Reihe fundamentaler Fragen auf. Von besonderem Interesse ist die Frage nach der geschlossenen Lösung des inversen kinematischen Problems, d.h. nach einer Abbildung einer vorgegebenen kartesischen Position und Orientierung eines Werkzeugs am Ende eines Roboterarms in die zur Realisierung dieser Lage erforderlichen Gelenkstellungen des Roboters. Dabei zeigt sich, daß die mathematischen Beziehungen i.allg. eine so hohe Kompliziertheit erreichen, daß eine manuelle Lösungsherleitung nahezu unmöglich wird.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur automatisierten, symbolischen Herleitung geschlossener Lösungsformeln dieses inversen kinematischen Problems (IKP) für nicht-redundante Roboter vorgestellt. Den Kern dieses Konzepts bildet ein Satz von Prototypgleichungen zur Herleitung von Lösungen für immer wieder auftretende Gleichungskombinationen. Dieses Prototypenkonzept geht einher mit einer Reduktion des komplexen Suchraums trigonometrischer Gleichungen durch eine vor dem Lösungsprozeß stattfindende Extraktion lösungsrelevanter Gleichungsmerkmale.

Es wird gezeigt, daß dieses Konzept geeignet ist, für mächtige Roboterklassen, die über Gleichungen mit einem maximalen Grad von 4 lösbar sind, eine geschlossene Lösung innerhalb von 1-2 Minuten zu ermitteln. Eine dieser Klassen umfaßt alle Roboter, die drei sich ständig in zueinander parallelen Ebenen bewegende Gelenke (= ebene Gelenkgruppe) besitzen. Die Lösbarkeit dieser Klasse über Gleichungen maximal 4. Grades ist ein theoretisches Ergebnis dieser Arbeit, das gleichsam als Einstieg in die Lösungsphilosophie des vorgeschlagenen Invertierungssystems erbracht wird. Des weiteren werden für diese Klasse kinematische Kriterien ermittelt, die auf quadratische Lösungen des IKP führen; eines der entscheidenden Kriterien im Roboterdesign. Ergänzend dazu wird gezeigt, daß alle resultierenden Roboterarme durch das vorgestellte Konzept analytisch invertierbar sind.

Eine Vielzahl von Tests einer ersten Prolog-Implementierung des Gesamtsystems belegen, daß weite Teile der industriell relevanten Roboter automatisch invertiert werden können. Darüber hinaus wird deutlich, daß nur einige quadratisch lösbare Roboter existieren, die von dieser Testimplementierung nicht invertiert werden können, da sie Teilstrukturen enthalten, deren Bearbeitung noch nicht implementiert ist.

Die Arbeit schließt mit einem Einblick in denkbare Anwendungen eines Invertierungssystems in den Bereichen der Robotersimulation und der Invertierung redundanter Roboterstrukturen.

Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. F. M. Wahl
Zweitgutachter: Prof. Dr. F. Krückeberg


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