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

Adaptive Steuerung eines mehrsegmentigen Inspektionsroboters

Mehrsegmentige Roboter können verschiedene Umgebungen befahren und inspizieren. In dieser Arbeit wird eine Steuerung entwickelt, die die selbständige Durchführung komplexer Bewegungen in unstrukturierten Umgebungen ermöglicht. Vorgaben eines menschlichen Operators und Zustandsinformationen des Roboters werden in einem Regelkreis verarbeitet. Drei Sensorsysteme erfassen diesen Zustand. Die Teilkomponenten und das Gesamtsystem werden auf den Zielsystemen MakroPlus und Kairo-II evaluiert

Bewegungsplanung und sensorgestützte Ausführung für das Greifen auf humanoiden Robotern

Zielsetzung dieser Arbeit ist die Untersuchung, Entwicklung und Realisierung von Algorithmen zur Planung und Ausführung von Greif- und Manipulationsaufgaben auf humanoiden Robotern. Die hierzu entwickelten Methoden ermöglichen die Planung kollisionsfreier Bewegungen für ein- und zweiarmige Aufgabenstellungen sowie deren sensorgestützte Ausführung

Bewegungsregelung mobiler Manipulatoren für die Mensch-Roboter-Interaktion mittels kartesischer modellprädiktiver Regelung

Für die Mensch-Roboter-Interaktion wird in dieser Arbeit eine Methode zur Überwachung der komplexen, dynamischen Roboterumgebung vorgestellt. Die Roboterbewegung wird basierend auf dem Konzept der modellprädiktiven Regelung unter Berücksichtigung der detektierten Hindernisse und der stattfindenden Kontakte des Roboters mit seiner Umgebung geregelt, um Kollisionen zu vermeiden und angemessen auf Kontakte zu reagieren. Die Ansätze werden auf einem mobilen Manipulator validiert

Ein neues Verfahren zur automatischen Kalibrierung zwischen Manipulator und 2D Laserscanner ohne Kalibriertarget unter Berücksichtigung von Messfehlern

Damit mobile oder feststehende Manipulatoren die Messdaten von Laserscannern nutzen können, um die Bewegung des Manipulators zu planen, müssen die Systeme mit einer extrinsischen Kalibrierung in einen geometrischen Kontext zueinander gesetzt werden. Da die Systeme im industriellen Umfeld oder im Einsatz vor Ort Einflüssen wie Vibrationen oder Stößen ausgesetzt sind, können die beiden Teilsysteme zueinander verschoben und rotiert werden. Dies verändert die kinematische Struktur des Gesamtsystems und kann zu einer eingeschränkten Funktion oder Kollisionen führen. Um die Einsatzfähigkeit wiederherzustellen, muss die kinematische Struktur mit einer extrinsischen Kalibrierung neu parametriert werden. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Benutzerfreundlichkeit sollten die Systeme ihre Aufgaben weitestgehend autonom oder teilautonom verrichten. Die Fähigkeit einer automatischen Kalibrierung ohne zusätzlich anzubringende Sensorik oder mitzuführende Kalibriertargets ist erforderlich, um dauerhaft zuverlässig und robust mit der Umgebung interagieren und die geforderte Funktion ausführen zu können. Bisherige Verfahren zur extrinsischen Kalibrierung zwischen 2D Laserscanner und Manipulator verwenden komplexe und große Kalibriertargets oder eine mitzuführende Kamera. Die automatische Kalibrierung anhand des Manipulators selbst ist bisher nicht möglich. Dieses Problem wird in dieser Arbeit für Manipulatoren mit zylinderförmigen Gliedern oder Werkzeugen erstmals gelöst und untersucht. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz basiert darauf die kinematische Kette des Manipulators entlang einer Achse zu verlängern und den Schnittpunkt mit der Messebene des Laserscanners zu bestimmen. Mehrere Messposen führen schließlich dazu, dass die Transformationskette zwischen Manipulator und Laserscanner mit einer Kleinste-Quadrate Optimierung geschlossen werden kann und sich die gesuchte Transformation zwischen Manipulator-Basis und Laserscanner ergibt. Dieses Vorgehen ermöglicht es kleine, mitführbare, zylinderförmige Kalibriertargets, zylinderförmige Werkzeuge oder den Manipulator selbst zur Kalibrierung zu verwenden. Der Ansatz wird außerdem dahingehend erweitert, dass die Messfehler berücksichtigt werden können. So wird die Genauigkeit der Kalibrierung verbessert. Zur Bewertung des Ansatzes wird dieser in simulierten und realen Experimenten untersucht. Die gewonnenen Kalibrierparameter werden mit einem externen, hoch präzisen optischen Referenzsystem evaluiert. Im Vergleich mit einem aktuellen Verfahren konnten der translatorische und rotatorische Fehler der Kalibrierparameter zwischen 44% und 92% verringert werden

Steuerung und Sensordatenintegration für flexible Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern

Veränderte Marktbedingungen zwingen bundesdeutsche Unternehmen zu einer zunehmenden Rationalisierung und Automatisierung der Fertigung, um im internationalen Wettbewerb trotz hoher Lohnkosten bestehen zu können. Neue organisatorische Strukturen und technische Innovationen sollen die rationelle Produktion kleiner Losgrößen mit hoher Variantenvielfalt und Qualität gewährleisten. Produktionsanlagen, die diesen Anforderungen genügen, zeichnen sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit der eingesetzten Fertigungsgeräte aus. Das Flexibilitäts- und Leistungspotential von Industrierobotern ermöglicht es, sich wechselnden Fertigungsbedingungen anzupassen und gleichzeitig die geforderten Qualitätsparameter einzuhalten. Trotz dieser Potentiale sind hierbei Defizite bei der Manipulation von biegeschlaffen Teilen, der Ausführung komplexer Fügeoperationen und der Einhaltung definierter Beziehungen Werkstück-Werkzeug zu verzeichnen. Der Einsatz von mehreren kooperierend Robotern erlaubt bei einer zunehmenden Prozeß- und Produktkomplexität die Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung und somit eine wesentliche Steigerung der Flexibilität der Fertigung. Neben den Leistungsmerkmalen der Industrieroboter bestimmen vor allem die eingesetzten Peripherieeinrichtungen, Handhabungskomponenten und Sensoren die Fähigkeiten der Fertigungs- und Montagesysteme. Deren Möglichkeiten der Programmierung und Integrationsfähigkeit in ein übergreifendes Steuerungssystem sind maßgebend für die Akzeptanz durch den Anwender. Eine durchgängige informationstechnische Verknüpfung aller Komponenten in einer flexiblen Fertigungszelle und eine damit verbundene Informationstransparenz sind die Voraussetzung für eine effiziente Steuerung des Fertigungsablaufes. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Realisierung eines Konzeptes zur Steuerung von Fertigungszellen mit kooperierenden Robotern, basierend auf der Nutzung der Leistungspotentiale aller Komponenten der Zelle und der Integration von Sensorinformationen zur Steuerung der Fertigungsvorgänge. Der Entwurf neuer funktionaler Eigenschaften der Roboter und der Sensoren sowie deren steuerungstechnische Einbindung in ein homogenes System der Steuerung einer Fertigungszelle standen dabei im Vordergrund. Ausgangspunkt bildet die Analyse der Fähigkeiten, der Formen der Kooperation und der Struktur der Steuerung von mehreren zusammen agierenden Robotern. Darauf aufbauend, werden die Nutzenpotentiale des Einsatzes von kooperierenden Industrierobotern in der automatisierten Fertigung aufgezeigt. Besonders die Gesichtspunkte einer höheren Flexibilität, eines erweiterten Bewegungsvermögens und einer möglichen Kosteneinsparung werden dabei herausgestellt. Ausgehend von bestehenden Defiziten derzeitiger Steuerungssysteme von Industrierobotern wurden die Schwerpunkte der Entwicklung des Steuerungssystems für kooperierende Roboter und der Integration von Sensoren abgeleitet und umgesetzt. Vor dem Hintergrund des steigenden Softwareaufwandes für komplexe Steuerungssysteme wurde ein Zellensteuerungssystem unter Verwendung von Methoden des Software Engineering konzipiert. Speziell für die Belange der Steuerung von Zellen mit Industrierobotern wurde ein Funktionsumfang zur Programmierung und Ausführung des Fertigungsablaufes, der Bedienung und Steuerung der Komponenten und der Erfassung von Maschinen- und Betriebsdaten realisiert. Eine anwendungsnahe Spezifikation der zur Ausführung eines Auftrages notwendigen Abläufe wird durch eine grafisch interaktive Programmierung und dessen Realisierung auf einem Zellenrechner ermöglicht. Die Überlegungen zum Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten münden in ein Konzept zur kooperierenden Bewegungsführung von Robotern. Ausgehend von grundlegenden Bewegungsformen wurde die hierauf beruhenden Bahnplanungsmethoden zur Erzeugung unabhängiger und kooperierender Bahnen entwickelt. Das Verfahren eines virtuellen Masters erlaubt hierbei die Beschreibung von komplexen räumlichen Bewegungsbahnen. In diesem Zusammenhang galt es, die Frage nach der Erkennung und Abwendung möglicher Kollisionen in komplexen Anordnungen mehrerer Roboter zu analysieren. Durch den Einsatz einer vereinfachten Geometriemodellierung konnte eine Lösung zur On-line-Kollisionserkennung für zwei Industrieroboter aufgezeigt werden. Die entworfenen Verfahren zur Bewegungsplanung bedürfen erweiterter Fähigkeiten der eingesetzten Robotersteuerungen. Auf der Basis eines hybriden und modularen Rechnersystems wurde ein Steuerungskonzept entwickelt, welches den Funktionsumfang der Bewegungsvorbereitung, der koordinierten Bahninterpolation und der Überwachung der Bewegung realisiert. Im Hinblick auf den Einsatz von kooperierenden Robotern wurden auf der Grundlage normierter Programmiertechniken für Industrieroboter geeignete Sprachelemente und Funktionalitäten für die Programmerstellung entworfen. Die Möglichkeiten einer Flexibilisierung und Leistungssteigerung von Fertigungssystemen mit Industrierobotern durch den Einsatz von Sensoren wurden an Hand sensorgeregelter Bewegungen transparent gemacht. Betrachtungen zum Nutzenpotential und den noch bestehenden Defiziten einer Sensorintegration sind vorangestellt worden. Aus den Untersuchungen zu verschiedenen Regelungsstrategien hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens konnten die hieraus resultierenden Eigenschaften für den Einsatz im Prozeß abgeleitet werden. Um die Rückführung der Sensorinformationen in den Bewegungsablauf zu gewährleisten, erfolgte die Entwicklung eines Konzeptes zur Sensor- und Positionsführung. Durch die Anordnung von mehreren Basissensoren und der Nutzung intelligenter und konfigurierbarer Auswertesysteme konnten Profilsensoren für den Einsatz während der Bearbeitung und Montage entwickelt werden. Für die Erfassung der Lage und Anwesenheit von Werkstücken in einer Fertigungszelle wurde ein flexibler Lasersensor entworfen und realisiert, der die Steuerung des Zellenablaufes und die Einhaltung von Qualitätsparametern ermöglicht. Die markanten Flexibilitätsdefizite von Greifern gegenüber Industrierobotern wurden durch den Aufbau eines flexiblen Mehrfingergreifers überwunden. Durch eine objektbezogene Beschreibung der auszuführenden Greifoperationen wird eine Steuerung des Greifers unter gleichzeitiger Integration einer Kraftsensorik erreicht. Mit den dargestellten Arbeiten konnte ein Beitrag zu dem Gesamtanspruch der Steigerung der Flexibilität der Fertigung und der Gestaltung neuer Formen der Manipulation und Bearbeitung von Werkstücken durch den Einsatz von kooperierenden Robotern und der Integration von Sensoren geleistet werden. Es wurde der Nachweis erbracht, daß auch unter den Bedingungen der automatisierten Fertigung der Einsatz von mehreren flexiblen Handhabungsgeräten möglich ist.Changed market conditions are forcing German companies to increasingly rationalize and automate manufacturing in order to survive in international competition despite high labor costs. New organizational structures and technical innovations are intended to ensure the rational production of small lot sizes with a wide variety and quality. Production systems that meet these requirements are characterized by the high performance of the manufacturing equipment used. The flexibility and performance potential of industrial robots makes it possible to adapt to changing production conditions and at the same time to adhere to the required quality parameters. Despite these potentials, there are deficits in the manipulation of limp parts, the execution of complex joining operations and compliance with defined workpiece-tool relationships. The use of several cooperating robots, with increasing process and product complexity, allows the design of new forms of manipulation and processing and thus a significant increase in the flexibility of production. In addition to the performance features of the industrial robots, the peripheral devices, handling components and sensors used determine the capabilities of the manufacturing and assembly systems. Their programming options and ability to integrate into a comprehensive control system are decisive for user acceptance. A consistent information technology connection of all components in a flexible production cell and the associated information transparency are the prerequisites for an efficient control of the production process. The aim of the present work was the development and implementation of a concept for the control of manufacturing cells with cooperating robots, based on the use of the performance potential of all components of the cell and the integration of sensor information to control the manufacturing processes. The focus was on the design of new functional properties of the robots and sensors as well as their control integration in a homogeneous system for controlling a production cell. The starting point is the analysis of the skills, the forms of cooperation and the structure of the control of several robots working together. Building on this, the potential benefits of using cooperating industrial robots in automated production are shown. In particular, the aspects of greater flexibility, expanded mobility and possible cost savings are emphasized. Based on existing deficits in current control systems for industrial robots, the focus of the development of the control system for cooperating robots and the integration of sensors was derived and implemented. Against the background of the increasing software expenditure for complex control systems, a cell control system was designed using software engineering methods. A range of functions for programming and executing the production process, operating and controlling the components and recording machine and operating data has been implemented specifically for the control of cells with industrial robots. An application-specific specification of the processes required to execute an order is made possible by graphically interactive programming and its implementation on a cell computer. The considerations for the use of several flexible handling devices result in a concept for the cooperative motion control of robots. Based on basic forms of movement, the path planning methods based on this were developed to create independent and cooperating paths. The process of a virtual master allows the description of complex spatial trajectories. In this context, it was necessary to analyze the question of the detection and prevention of possible collisions in complex arrangements of several robots. Through the use of simplified geometry modeling, a solution for online collision detection for two industrial robots was shown. The designed motion planning processes require expanded capabilities of the robot controls used. On the basis of a hybrid and modular computer system, a control concept was developed which realizes the functional scope of the motion preparation, the coordinated path interpolation and the monitoring of the motion. With regard to the use of cooperating robots, suitable language elements and functionalities for program creation were designed on the basis of standardized programming techniques for industrial robots. The possibilities of making production systems with industrial robots more flexible and increasing their performance through the use of sensors were made transparent using sensor-controlled movements. Considerations of the potential benefits and the remaining deficits of sensor integration have been given in advance. The resulting properties for use in the process could be derived from the studies of various control strategies with regard to their dynamic behavior. In order to ensure that the sensor information is fed back into the motion sequence, a concept for sensor and position control was developed. By arranging several basic sensors and using intelligent and configurable evaluation systems, profile sensors could be developed for use during machining and assembly. For the detection of the position and presence of workpieces in a production cell, a flexible laser sensor was designed and implemented, which enables control of the cell sequence and compliance with quality parameters. The striking flexibility deficits of grippers compared to industrial robots were overcome by building a flexible multi-finger gripper. A control of the gripper with simultaneous integration of a force sensor system is achieved by an object-related description of the gripping operations to be carried out. With the works shown, a contribution could be made to the overall claim of increasing the flexibility of production and the design of new forms of manipulation and processing of workpieces through the use of cooperating robots and the integration of sensors. Proof has been furnished that it is possible to use several flexible handling devices even under the conditions of automated production

Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme

Ein Beitrag zur Entwicklung von Strategien zur koordinierten Steuerung autonomer mobiler Multirobotersysteme Abstract The coordinated motion control of multirobot systems is a multilayered and complex type of problem, for which a lot of different solutions are described in scientific publications. Collision avoidance problems as well as resolution of deadlock situations at intersections are very often described. In the paper, presented here, a dedicated strategy is suggested, which allowes to control a group of robots in a way that enables them to keep a formation as long as possible but also to avoid possible collisions with obstacles. This strategy includes the modelling, the mission as well as the behavior planning. Basically a hybrid control architecture is used, which is composed of a global map based path planning and a local behavior based reactive execution. The planning occures offline prior to the execution and results in an optimal path for a given formation (mission planning). In a following step the path is then extended to suggest suitable steering behaviors to each robot (behavior planning). The activation of that steering bahaviors occures local according to preset synchronisation points along the path. A hierarchical structure is applied to the robot group to propagate synchronization informations. Based on a suitable modell for such a multi robot system a concrete implementation of the strategy in all steps is presented. Beginning with an image analysing process to create a grid map for unstructured environment an adaptive route planning algorithm for the hole formation based on that grid is introduced. The so planned route is then analysed to determine the most suitable behavior for each robot according to its specific obstacle situation. From the limitations of this concrete implementation a alternative variant is derived, which integrates the mission- and the behavior planning. Finally an experimental platform is described which was developed during the time of this work and that appears to be suitable for experiments with small multirobot systems. The hardware is documented while the control software is described in detail. A simulation environment is also part of this experimental platform. Due to its higher abstraction it allowes easier variation of test cases. In this context a solution for image based position detection of small robots is presented. In opposition to common color based algorithms the presented solution is based on edge detection. Colors are only used for robot identification as well as obstacle recognition. At the end an application of image processing as part of the local sensoric is briefly discussed.Die koordinierte Bewegungssteuerung von Multirobotersystemen ist eine vielschichtige und komplexe Aufgabe, für die in der Literatur unterschiedliche Lösungsansätze beschrieben sind. Oft steht dabei die Kollisionsvermeidung oder Auflösung von Konfliktsituationen an Kreuzungspunkten im Vordergrund. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere eine Strategie vorgestellt, mit der es möglich ist, eine Gruppe von Robotern so zu steuern, dass diese sowohl eine Formation weitestgehend beibehalten als auch mögliche Kollisionen mit Hindernissen vermeiden. Die Strategie umfasst im Wesentlichen die Modellbildung sowie die Missions- und die Verhaltensplanung. Grundlage bildet dabei eine hybride Steuerungsarchitektur, die sich aus einer globalen kartenbasierten Planung und einer lokalen reaktiven Ausführung zusammensetzt. Die Planung erfolgt offline und liefert im Ergebnis eine optimale Route für eine vorgegebene Formation (Missionsplanung). Die Route wird dahingehend erweitert, dass einzelnen Robotern günstige Steuerverhalten vorgeschlagen werden (Verhaltensplanung). Die Aktivierung dieser Steuerverhalten erfolgt dann lokal an zuvor festgelegten Synchronisationspunkten entlang der geplanten Route unter Ausnutzung einer hierarchischen Struktur innerhalb der Gruppe. Ausgehend von einer geeigneten Modellierung eines solchen Multirobotersystems wird eine konkrete Implementierung dieser Planungsstrategie in allen Schritten vorgestellt. Beginnend mit einer Bildanalyse zur Erstellung einer Karte wird darauf aufbauend ein adaptives Routenplanungsverfahren für die gesamte Formation vorgestellt. Die geplante Route wird im Nachgang analysiert, um der jeweiligen Hindernissituation entsprechend günstige Verhalten für die einzelnen Roboter zu bestimmen. Anhand der Grenzen dieser konkreten Implementierung wird eine alternative Variante abgeleitet, die die Missions- und die Verhaltenplanung integriert. Schließlich wird eine Experimentalplattform mit Kleinstrobotern beschrieben, die im Verlauf der Arbeit entstanden ist und für Versuche mit Multirobotersystemen geeignet erscheint. Es wird die hardwarseitige Umsetzung dokumentiert und vor allem die dazu geschaffene Steuersoftware erläutert, zu der auch eine Simulationsumgebung gehört. In diesem Zusammenhang wird detailliert auf eine Lösung der globalen kameragestützten Positionsbestimmung für kleine Roboter eingegangen. Dabei wird ein Verfahren vorgeschlagen, das im Gegensatz zur üblichen Farberkennung auf der Basis von Binärbildern arbeitet und Farbinformationen lediglich zur Unterscheidung der Roboter sowie zur Erkennung der Hindernisse nutzt. Die Anwendung von Kamerabildern als Ergänzung der lokalen Sensorik eines Roboters wird schließlich kurz angeschnitten

Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion

Abstract zur Dissertation Autor: Jianjun Huang Titel: Modellierung, Simulation und Entwurf biomimetischer Roboter basierend auf apedaler undulatorischer Lokomotion _____________________________________________________________________________________________ This dissertation presented is contributing to the current research in the interdisciplinary field of Biomechatronics. In order to develop a technical locomotion system on the basis of rigid multi body system inspired by biological systems (earthworm), the concepts of the undulatory locomotion has been described and implemented technically into the prototypes. Compared to other natural motion patterns, e.g. legged walking, the biomimetic robot based on the peristaltic principle is of great interest to the engineer because of (1) the ability of miniaturization of compliant structures; (2) the ability to move on various terrain; (3) the ability to simplify the movement apparatus. According to the research of MILLER and STEIGENBERGER two aspect of worm like motion are defined: (1) unsymmetrical friction and (2) periodic internal deformations and its interactions with the environment. For this reason, in the theoretically mechanical part of this dissertation, these specific principles have been studied with analytical and computer aided methods. Control algorithm (gaits) for robots with worm like locomotion that are based on more than two DOF spring mass models and are realizing a forward velocity are proposed. The computer simulation of the dynamic behavior of these models and the prototypes have been achieved with the multi body dynamics package ALASKA. In most cases, the experimental evaluation of the numerical results have proven equality between the theory and the experiment. For the technical testing of the developed principle of locomotion and control algorithm two prototypes, which use the electromechanical motor and imbalance system have been designed and tested to produce an internal periodical excitation. The third prototype uses a piezo actuator as a motor and a flexible mechanisms as transmission element. Potential applications of robots with worm like motions are found in all fields of micro and nanotechniques. For these constraint dimensions locomotion systems that have classical motion principles, e.g. the wheeled mobile systems or legged systems, are not suitable for future potential application environments characterized by special terrains and tight space. Apedale peristaltic principle of locomotion may play an important role in the development of new apparatuses in micro technology. The development of applications in minimally invasive surgery has been encouraged by many national and international research institutes. The theoretical and experimental investigation have shown that future research is necessary.Die vorgelegte Arbeit soll einen Beitrag zur Forschung im interdisziplinären Gebiet der Biomechatronik leisten. Es wurde ein Konzept zur Umsetzung einer undulatorischen Lokomotion zur Entwicklung technischer Bewegungssysteme nach biologischem Vorbild (Regenwurm), basierend auf Starrkörpersystemen mathematisch beschrieben und in Prototypen technisch umgesetzt. Gegenüber anderen Bewegungsformen in der Natur, wie z.B. dem Laufen mit Beinen liegt das ingenieurtechnische Interesse für biomimetische Roboter nach dem Peristaltik-Prinzip des Regenwurmes in (1) der Miniaturisierbarkeit der nachgiebigen Strukturen; (2) der Bewegungsmöglichkeit auf vielgestaltigem Untergrund; (3) der Einfachheit des Bewegungsapparates. Ausgehend von den Arbeiten von MILLER und STEIGENBERGER wurden die zwei Aspekte (1) nichtsymmetrische Reibung und (2) periodische interne Deformationen und ihre Auskopplung über Wechselwirkungen mit der Umwelt als wesentlich für eine wurmartige Fortbewegung definiert. Im mathematisch-mechanischen Teil der Arbeit wurden deshalb speziell diese Phänomene mit analytischen und computergestützten Methoden untersucht. Es sind Ansteueralgorithmen (gaits) für wurmartige Roboter, basierend auf Feder-Masse-Modellen mit dem Freiheitsgrad grösser zwei vorgeschlagen worden, die eine maximale Vortriebsgeschwindigkeit realisieren. Die Computersimulation des dynamischen Verhaltens dieser Modelle bzw. der entwickelten Prototypen erfolgte mit dem System ALASKA. Die experimentelle Evaluierung der numerischen Ergebnisse ergab in vielen Fällen gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Zur praktischen Erprobung der gefundenen Bewegungsprinzipien und der Steuer-algorithmen wurden zwei Prototypen mit elektromechanischem Antrieb und Unwuchtsystem zur Erzeugung der internen periodischen Erregung konstruiert und getestet. Ein dritter miniaturisierter Prototyp arbeitet mit einem Piezoaktuator als Antrieb und einem nachgiebigen Mechanismus als Übertragungselement. Potentielle Einsatzgebiete für wurmartige Roboter sind vor allem im Bereich der Mikro- und Nanotechnik zu erwarten. In diesen Dimensionen sind Bewegungssysteme in ihrer klassischen Form, wie z.B. als "wheeled locomotion systems" und "legged locomotion systems", nicht geeignet für zukünftige potentielle Einsatzumgebungen, die u.a. durch das spezielle Terrain oder eingeschränkte Raumbedingungen gekennzeichnet sind. Apedale peristaltische Bewegungsprinzipien können bei der Entwicklung neuartiger Bewegungssysteme im Mikrobereich eine grosse Rolle spielen. Erste Entwicklungen für die minimal-invasive Chirurgie werden von mehreren Forschergruppen national und international vorangetrieben. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen haben deutlich gemacht, dass weitere Forschungen notwendig sind