Mit autonomen Landmaschinen zu neuen Pflanzenbausystemen

Ziel des Projektes war es, Szenarien zu künftigen Pflanzenbausystemen auf Basis autonomer Landmaschinen zu entwickeln und Fragestellungen für künftige Gestaltung dieses Forschungsfeldes abzuleiten. Es wurde untersucht, wie derzeitige Entwicklungen in den Bereichen Automatisierung und Digitalisierung genutzt werden können, um heutige Pflanzenbausysteme weiterzuentwickeln und nachhaltiger zu gestalten. In einem ersten Schritt wurde hierfür ein Szenario mit autonomen Großmaschinen entwickelt und bewertet. Es zeigt sich, dass aus rechtlichen und technischen Gesichtspunkten mit Ausnahme der Ernte alle Verfahrensschritte autonom darstellbar sind. Allerdings ergaben sich sowohl ökonomisch als auch pflanzenbaulich keine wesentlichen Verbesserungen im Vergleich zu heutigen Verfahren. In einem zweiten Schritt wurde daher ein Szenario für die Weizenproduktion mit kleinen autonomen Landmaschinen konzipiert. Hierfür wurden die Anforderungen der Maschinen aus dem Pflanzenbau abgeleitet. Als wichtige Kennwerte wurden der Leistungsbedarf, das Gewicht oder die Flächenleistung der Maschinenkonzepte abgeleitet und ökonomisch bewertet. Hierfür wurden auf Basis der künftig zu erwartenden Herstellungskosten der Ma-schinen, der voraussichtlich verfügbaren Feldarbeitstage, die Anzahl erforderlicher Kleinmaschinen sowie deren Kosten abgeleitet. Es zeigte sich, dass die Arbeitserledigungskosten der Kleinmaschinen auf Niveau heutiger Kosten liegen können. Aus pflanzenbaulicher Sicht gilt es künftig zu untersuchen, welche Pflanzen wie auf dem Acker kombiniert werden sollten. Aus technischer und ökonomischer Sicht ist die optimale Maschinengröße einzelner Verfahren zu klären. Weiterhin sollte untersucht werden, ob ein modularer Aufbau der Kleinroboter realisiert werden kann, um einzelne Bauteile in verschiedenen Verfahren einsetzen zu können und die Maschinenkosten weiter zu senken

Integrierte Multi-Sensor-Fusion für die simultane Lokalisierung und Kartenerstellung für mobile Robotersysteme

In this work, probabilistic methods for combining multiple sensors utilizing multi-sensor fusion for robust and precise localization and mapping in heterogeneous outdoor environments are presented. Aspects of increasing the reliability of landmark recognition are highlighted, as well as the integration of additional absolute and relative sensors using advanced filtering techniques

In-situ-Fabrikation

Die technischen Anforderungen zukünftiger Bauprozesse werden immer komplexer und erfordern maßgeschneiderte Lösungen. Computergesteuerte Produktionsmethoden ermöglichen die Herstellung individuell gestalteter Bauteile ohne erhöhten Kosten- und Zeitaufwand. Im Gegensatz zu stationären Maschinen können mobile Einheiten direkt auf einer bestehenden Baustelle eingesetzt werden und die Leistungsfähigkeit digital beschriebener Elemente produktiv mit einer In-situ-Bauweise vereinen. Der direkte Einsatz von Industrierobotern in der Architektur und die roboterbasierte Fertigung im Maßstab 1 : 1 sind Kernthemen dieser Arbeit. Mobile Robotersysteme müssen die gebaute Umgebung wahrnehmen und auf veränderte Bedingungen reaktiv eingehen können. Als Grundlage für die Dissertation dient die erforderliche Untersuchung des neuartigen Zusammenschlusses der roboterbasierten digitalen Fabrikation mit kognitiven Fähigkeiten. Der experimentelle Schwerpunkt dieser Forschungsarbeit liegt daher ebenso auf der digitalen Ansteuerung und Durchführung maschineller Bauprozesse wie auf der Entwicklung einer mobilen Robotereinheit und von erweiterten Rückkopplungs- und Lokalisierungstechniken durch Sensorik. Der Synergieeffekt zwischen den Forschungsbereichen Architektur und Experimentelle Informatik ist angesichts dieser interdisziplinären Themenbereiche von zentraler Bedeutung.The technical demands of future construction processes are becoming increasingly complex and require customised solutions. Computercontrolled production methods allow for the manufacture of individually designed building components without increasing outlay in terms of costs or time. In contrast to stationary machines, mobile units can be deployed directly on an existing building site and thus combine the capabilities of digitally defined elements with an in-situ construction technique. The core themes of this dissertation are the direct use of industrial robots in architecture and robot- assisted in-situ fabrication on a 1 : 1 scale. Mobile robotic systems must be able to perceive the constructed environment and respond to changing conditions. The necessary investigation of the innovative fusion of robot-based digital fabrication and cognitive abilities forms the basis of this research. Thus, the experimental focus of this research is on the development of a mobile robotic unit and advanced feedback and localisation techniques, as well as the digital management and implementation of mechanical construction processes. Due to the interdisciplinary nature of this subject area, the synergetic effect between the research areas of architecture and experimental computer science is of central importance

Integration von 3D-"Time of Flight"-Kameras in Applikationen zur sicheren Steuerung autonomer Roboter

Optische Sensoren sind heutzutage aus den Bereichen mobile Robotik und Industrierobotik nicht mehr wegzudenken. Laserscanner und Stereovisionsysteme dienen hauptsächlich zur Erfassung des Roboterumfelds. Hierbei werden diese Sensoren größtenteils in Kombination verwendet, um die Schwächen der einzelnen Systeme zu kompensieren. Dies hat einen nicht unerheblichen Aufwand zur Sensorfusion und zur Integration in die Robotersysteme zur Folge. Die PMD-Technik, welche in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung bezüglich der erreichbaren Messgenauigkeit vollzogen hat, verspricht in diesem Umfeld eine hervorragende, kostengünstige und leicht zu integrierende Alternative zu sein. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Leistungsfähigkeit der PMD-Kameratechnik in dem Gebiet der Kollisionsvermeidung durch Überwachung des Roboterumfeldes bei Handhabungsrobotern und für mobile Robotersysteme. Diese wird anhand von zwei verschiedenen Beispielapplikationen untersucht. Im Bereich der mobilen Robotik wird ein fahrerloses Transportsystem aufgebaut, welches allein auf Grundlage der 3D PMD-Bilder die autonome Navigation in einer nur teilweise bekannten Umgebung beherrscht. Hierzu wurden PMD basierte Algorithmen zur Selbstlokalisierung, Hinderniserkennung sowie reaktiven Bahnplanung entworfen. Die zweite Applikation befasst sich mit der Überwachung von Roboterarbeitsräumen im Gebiet der Handhabungsrobotik. Spezielle auf die PMD-Kamera angepasste Algorithmen gewährleisten das Erkennen von Fremdobjekten und Personen in der Roboterzelle. Dies ermöglicht dem Roboter entsprechend zu reagieren und alternative kollisionsfreie Trajektorien zu finden. Auf die Installation von Sicherheitszäunen, die heutzutage im industriellen Umfeld noch Standard sind, kann aufgrund dessen verzichtet werden, so dass zum Beispiel die Option zu einer Mensch-Roboter-Kooperation geschaffen wird. Zudem bietet die PMD basierte Bahnplanung von Robotertrajektorien den Vorteil, dass zeitintensive Teach-In-Prozesse zum Einlernen von Trajektorien entfallen und Roboterzellen schneller in Betrieb genommen werden können

Technische Biologie des Tasthaar-Sinnessystems als Gestaltungsgrundlage für taktile stiftführende Mechanosensoren

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept des Reizleitungsapparates vorgestellt, welches die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens ermöglicht und sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen eignet. Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird dieses Konzept als methodische Leitlinie angewendet. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen.Nature offers an inexhaustible array of phenomena with potential for technical application. A wide range of designs inspired by ideas from biology often fails because no transfer method from research to industrial implementation exists. This work introduces a concept for systematic analysis of function determining principles of biological sensor organs. The concept is based on comparative examination of biological sensor organs and technical sensor systems. Target-oriented evaluation and systematization of biological knowledge in the technological context is accomplished by using the so called stimulus-leading-apparatus concept. Furthermore, this concept can be applied to technical sensor systems to identify design strategies and optimization potential. The concept is tested on tactile sensors. Biological subject of study is the whisker system of mammals because of its technical relevance. Hair shaft, follicle-sinus-complex (FSC) and mechano receptors are the interesting peripheral structures of the whisker system. Aim of the study is not a detailed analysis of all functional correlations from periphery to neural processing but an abstraction of the essential principles which can initiate solutions for technical sensor problems. Therefore, the biological system is analyzed by means of technical methods and models. The whisker system periphery is examined as a beam with a compliant clamping featuring variable stiffness. Structural and mechanical parameters of the hair shaft are determined experimentally. Deductive methods of modeling are used to analyze the follicle-sinus-complex. A mechanical model reduced to basic principles is introduced. The reaction to external forces is studied and compared using static and even dynamic models. Finally, some ideas for optimizing technical tactile sensors are developed. Emphasis is on design concepts for the stimulus receiving structure and the realization of a compliant clamping with variable stiffness.Die Natur bietet ein unerschöpfliches Potential an Phänomenen mit technischer Relevanz. Oft scheitert die breite Anwendung von Ideen aus der Biologie am Fehlen einer effektiven Transfermethode zwischen Forschung und industrieller Anwendung. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf einer vergleichenden Betrachtung biologischer Sinnesorgane und technischer Sensorsysteme ein Konzept zur systematischen Analyse der funktionell entscheidenden Grundprinzipien biologischer Sinnesorgane dargestellt. Dieses Konzept des Reizleitungsapparates ermöglicht die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens und eignet sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen. Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird das Konzept zum Reizleitungsapparat als methodische Leitlinie angewandt. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen. Daher erfolgt die Aufarbeitung der biologischen Kenntnisse unter Zuhilfenahme ingenieur-wissenschaftlicher Methoden und Modelle. Die Peripherie des Tasthaar-Sinnesorgans wird als Biegebalken mit nachgiebiger Lagerung interpretiert, deren Steifigkeit aktiv einstellbar ist. Während der Haarschaft bezüglich seiner Struktur und der mechanischen Eigenschaften mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht werden kann, muss bei der Analyse des Follikel-Sinus-Komplexes auf deduktive Methoden der Modellbildung zurückgegriffen werden. Es wird ein auf Grundprinzipien reduziertes mechanisches Modell vorgestellt und dessen Reaktion einerseits als statisches und andererseits als dynamisches System auf verschiedene Erregerkräfte analysiert. Abschließend werden Ansatzpunkte zur Optimierung taktiler stiftführender Sensoren entwickelt. Schwerpunkte liegen neben Gestaltungsvorschlägen für die reizaufnehmende Struktur auf der Umsetzung einer nachgiebigen und in ihrer Steifigkeit einstellbaren Lagerung

Autonome Instrumentierung von Altbergbau durch einen mobilen Manipulator

Im Fokus dieser Arbeit steht die Konzeption, Entwicklung und Erprobung eines autonomen Roboters zur Instrumentierung eines untertägigen Bergwerks. Der exemplarische Anwendungsfall umfasst das selbstständige Absetzen intelligenter Sensorstationen durch einen Roboterarm. Der Roboter ist einer der ersten mobilen Manipulatoren für den langfristigen Einsatz unter Tage. Ziel ist es, die Sicherheit für den Bergmann zu erhöhen, indem in gefährlichen Situationen der mobile Manipulator als echte Alternative zur Verfügung steht. Das fordert von dem Roboter selbstständiges und adaptives Handeln in einer Komplexität, die mobile Manipulatoren bisher lediglich in strukturierten Umgebungen leisten. Exemplarisch dafür ist das Platzieren von Technik im Altbergbau - Dunkelheit, Nässe und enge Querschnitte gestalten dies sehr herausfordernd. Der Roboter nutzt seine anthropomorphe Hand, um verschiedene Objekte abzusetzen. Das sind im konkreten Fall Sensorboxen, die diese Arbeit für die Instrumentierung des Bergwerks vorschlägt. Wichtig ist, dass das Absetzen autonom geschieht. Der Roboter trifft die Entscheidungen, wo er etwas platziert, welche Trajektorie sein Arm wählt und welchen Planungsalgorithmus er nutzt, vollkommen selbstständig. In dem Zusammenhang entwirft diese Dissertation eine variable Absetzroutine. Der mobile Manipulator baut dafür ein Kollisionsmodell der Umgebung auf, sucht eine geeignete Absetzposition, greift ein vordefiniertes Objekt und platziert dies im Bergwerk. Sicherheit und Robustheit stehen dabei an vorderster Stelle. Entsprechend schließt die Absetzroutine nach dem Absetzen nicht ab, sondern führt eine unabhängige Überprüfung durch. Dabei vergleicht der mobile Manipulator über Sensoren die wahrgenommene mit der angestrebten Objektposition. Hier kommen auf Deep Learning basierende Methoden zum Einsatz, die eine Überprüfung auch in vollkommener Dunkelheit erlauben. In insgesamt 60 Experimenten gelingt das Absetzen in 97% der Fälle mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich. Dabei beschränkt sich diese Evaluierung nicht auf das untertägige Bergwerk, sondern wertet auch Experimente in strukturierten und offenen Umgebungen aus. Diese Breite erlaubt eine qualitative Diskussion von Aspekten wie: Autonomie, Sicherheit und Einfluss der Umgebung auf das Verfahren. Das Ergebnis ist die Erkenntnis, dass der hier vorgestellte Roboter die Lücke zwischen Untertagerobotern und den mobilen Manipulatoren aus Industrieanwendungen schließt. Er steht in gefährlichen Situationen als Alternative zur Verfügung.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Notation Variablenverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Forschungsfrage und Beitrag der Arbeit 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Forschungstrends bei mobilen Manipulatoren und Untertagerobotern 2.1. Mobile Manipulatoren in verschiedenen Einsatzszenarien 2.2. Wettbewerbe mobiler Manipulatoren und Trends im Forschungsgebiet 2.3. Hard- und Software Komponenten für mobile Manipulatoren 2.4. Zusammenfassung 3. Aufbau von Julius - dem Roboter für den Einsatz im Altbergbau 3.1. Umgebungsbedingungen im untertägigen Altbergbau 3.2. Physischer Aufbau des Roboters 3.3. Softwaretechnische Grundlagen für ein autonomes Handeln 3.4. Zusammenfassung 4. Entwurf der autonomen Absetzroutine für Julius 4.1. Planen von Armbewegungen 4.2. Umgebungsmodell detaillieren 4.3. Bodenfläche identifizieren 4.4. Absetzposition berechnen 4.5. SSB greifen 4.6. Absetzrotation festlegen 4.7. SSB absetzen 4.8. Absetzpose überprüfen 4.9. Zusammenfassung 5. Experimentelle Validierung von Julius und der Absetzroutine 5.1. Beschreibung des Experiments und der generellen Rahmenbedingungen 5.2. Referenzexperimente im Innenbereich 5.3. Experimente im Außenbereich 5.4. Experimente im Forschungs- und Lehrbergwerk 5.5. Diskussion 5.6. Zusammenfassung 6. Zusammenfassung 6.1. Erkenntnisse dieser Arbeit 6.2. Fazit 6.3. Ausblick Literatur Anhang A. Berechnung der Absetzrotation B. Übersicht technischer Daten C. Weiterführende Abbildungen D. Messdate

Logistikarbeit in NRW: Technologische Perspektiven, mögliche Konsequenzen für die Arbeit und Handlungsempfehlungen

Die Logistik ist für das Bundesland Nordrhein-Westfalen von großer ökonomischer Bedeutung. Etwa ein Fünftel der Beschäftigten arbeitet in der Logistik und in der erweiterten Logistikbranche (inklusive Industrie und Handel). Allein 12 der 40 größten Handelsfirmen haben ihren Sitz in NRW. Vom Umsatz her betrachtet ist diese Branche die größte in NRW. Nicht nur in NRW sieht sich die Logistik mit einer zunehmenden Digitalisierung konfrontiert: zum einen auf der Seite der Konsument_innen, zum anderen auf der Seite der Logistikbetriebe. Die unter dem Label Industrie 4.0 bekannte Zukunftsvision einer digitalisierten und vernetzten Wertschöpfungskette bietet enorme Potentiale für die Logistik, die per definitionem die Prozesse der Industrie gestaltet. In diesem Zusammenhang spielen bspw. cyberphysische Systeme, welche 'intelligente' Geräte, aber auch Prozesse miteinander verknüpfen, zunehmend eine Rolle. Die Kurzexpertise liefert aus technologischer Perspektive eine Einschätzung auf die Zukunftsvision der Industrie 4.0 im Zusammenhang mit der Logistikbranche in NRW. Dabei werden Entwicklungsperspektiven digitaler Technologien in der Logistik sowie der Wandel von Arbeit in der Logistik betrachtet.Logistics is of great economic importance to the federal state of NRW. About one-fifth of the employees works in the logistics and in the extended logistics sector (including industry and trade). 12 of Germany's 40 largest trading companies are based in NRW. Regarding sales figures, it is even the largest in NRW. Not only in NRW logistics is confronted with increasing digitalization: by consumers as well as by logistics companies. The future vision of a digitized and networked value chain (better known as Industry 4.0) offers enormous potential for logistics, which by definition designs the processes of industry. In this context, for example, cyber-physical systems connecting intelligent devices and also processes are gaining in importance. The brief expertise provides an evaluation from a technological point of view on the future vision of Industry 4.0 concerning the logistics industry in NRW. The development perspectives of digital technologies in logistics as well as the change of logistics labour are considered

Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter

Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt. Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben

Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter

Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt. Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben