Design and Development of an Inspection Robotic System for Indoor Applications

The inspection and monitoring of industrial sites, structures, and infrastructure are important issues for their sustainability and further maintenance. Although these tasks are repetitive and time consuming, and some of these environments may be characterized by dust, humidity, or absence of natural light, classical approach relies on large human activities. Automatic or robotic solutions can be considered useful tools for inspection because they can be effective in exploring dangerous or inaccessible sites, at relatively low-cost and reducing the time required for the relief. The development of a paradigmatic system called Inspection Robotic System (IRS) is the main objective of this paper to demonstrate the feasibility of mechatronic solutions for inspection of industrial sites. The development of such systems will be exploited in the form of a tool kit to be flexible and installed on a mobile system, in order to be used for inspection and monitoring, possibly introducing high efficiency, quality and repetitiveness in the related sector. The interoperability of sensors with wireless communication may form a smart sensors tool kit and a smart sensor network with powerful functions to be effectively used for inspection purposes. Moreover, it may constitute a solution for a broad range of scenarios spacing from industrial sites, brownfields, historical sites or sites dangerous or difficult to access by operators. First experimental tests are reported to show the engineering feasibility of the system and interoperability of the mobile hybrid robot equipped with sensors that allow real-time multiple acquisition and storage

Robotics 2010

Without a doubt, robotics has made an incredible progress over the last decades. The vision of developing, designing and creating technical systems that help humans to achieve hard and complex tasks, has intelligently led to an incredible variety of solutions. There are barely technical fields that could exhibit more interdisciplinary interconnections like robotics. This fact is generated by highly complex challenges imposed by robotic systems, especially the requirement on intelligent and autonomous operation. This book tries to give an insight into the evolutionary process that takes place in robotics. It provides articles covering a wide range of this exciting area. The progress of technical challenges and concepts may illuminate the relationship between developments that seem to be completely different at first sight. The robotics remains an exciting scientific and engineering field. The community looks optimistically ahead and also looks forward for the future challenges and new development

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern

Volume 1 – Symposium

We are pleased to present the conference proceedings for the 12th edition of the International Fluid Power Conference (IFK). The IFK is one of the world’s most significant scientific conferences on fluid power control technology and systems. It offers a common platform for the presentation and discussion of trends and innovations to manufacturers, users and scientists. The Chair of Fluid-Mechatronic Systems at the TU Dresden is organizing and hosting the IFK for the sixth time. Supporting hosts are the Fluid Power Association of the German Engineering Federation (VDMA), Dresdner Verein zur Förderung der Fluidtechnik e. V. (DVF) and GWT-TUD GmbH. The organization and the conference location alternates every two years between the Chair of Fluid-Mechatronic Systems in Dresden and the Institute for Fluid Power Drives and Systems in Aachen. The symposium on the first day is dedicated to presentations focused on methodology and fundamental research. The two following conference days offer a wide variety of application and technology orientated papers about the latest state of the art in fluid power. It is this combination that makes the IFK a unique and excellent forum for the exchange of academic research and industrial application experience. A simultaneously ongoing exhibition offers the possibility to get product information and to have individual talks with manufacturers. The theme of the 12th IFK is “Fluid Power – Future Technology”, covering topics that enable the development of 5G-ready, cost-efficient and demand-driven structures, as well as individual decentralized drives. Another topic is the real-time data exchange that allows the application of numerous predictive maintenance strategies, which will significantly increase the availability of fluid power systems and their elements and ensure their improved lifetime performance. We create an atmosphere for casual exchange by offering a vast frame and cultural program. This includes a get-together, a conference banquet, laboratory festivities and some physical activities such as jogging in Dresden’s old town.:Group A: Materials Group B: System design & integration Group C: Novel system solutions Group D: Additive manufacturing Group E: Components Group F: Intelligent control Group G: Fluids Group H | K: Pumps Group I | L: Mobile applications Group J: Fundamental

NASA Tech Briefs, November 1993

Topics covered: Advanced Manufacturing; Electronic Components and Circuits; Electronic Systems; Physical Sciences; Materials; Computer Programs; Mechanics; Machinery; Fabrication Technology; Mathematics and Information Sciences; Life Sciences

Haptics Rendering and Applications

There has been significant progress in haptic technologies but the incorporation of haptics into virtual environments is still in its infancy. A wide range of the new society's human activities including communication, education, art, entertainment, commerce and science would forever change if we learned how to capture, manipulate and reproduce haptic sensory stimuli that are nearly indistinguishable from reality. For the field to move forward, many commercial and technological barriers need to be overcome. By rendering how objects feel through haptic technology, we communicate information that might reflect a desire to speak a physically- based language that has never been explored before. Due to constant improvement in haptics technology and increasing levels of research into and development of haptics-related algorithms, protocols and devices, there is a belief that haptics technology has a promising future

Third International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics, and Automation for Space 1994

The Third International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics, and Automation for Space (i-SAIRAS 94), held October 18-20, 1994, in Pasadena, California, was jointly sponsored by NASA, ESA, and Japan's National Space Development Agency, and was hosted by the Jet Propulsion Laboratory (JPL) of the California Institute of Technology. i-SAIRAS 94 featured presentations covering a variety of technical and programmatic topics, ranging from underlying basic technology to specific applications of artificial intelligence and robotics to space missions. i-SAIRAS 94 featured a special workshop on planning and scheduling and provided scientists, engineers, and managers with the opportunity to exchange theoretical ideas, practical results, and program plans in such areas as space mission control, space vehicle processing, data analysis, autonomous spacecraft, space robots and rovers, satellite servicing, and intelligent instruments