Object Recognition and Localization : the Role of Tactile Sensors

Tactile sensors, because of their intrinsic insensitivity to lighting conditions and water turbidity, provide promising opportunities for augmenting the capabilities of vision sensors in applications involving object recognition and localization. This thesis presents two approaches for haptic object recognition and localization for ground and underwater environments. The first approach called Batch Ransac and Iterative Closest Point augmented Sequential Filter (BRICPSF) is based on an innovative combination of a sequential filter, Iterative-Closest-Point algorithm, and a feature-based Random Sampling and Consensus (RANSAC) algorithm for database matching. It can handle a large database of 3D-objects of complex shapes and performs a complete six-degree-of-freedom localization of static objects. The algorithms are validated by experimentation in simulation and using actual hardware. To our knowledge this is the first instance of haptic object recognition and localization in underwater environments. The second approach is biologically inspired, and provides a close integration between exploration and recognition. An edge following exploration strategy is developed that receives feedback from the current state of recognition. A recognition by parts approach is developed which uses BRICPSF for object part recognition. Object exploration is either directed to explore a part until it is successfully recognized, or is directed towards new parts to endorse the current recognition belief. This approach is validated by simulation experiments

Greifplanung und Greifskills für reaktives Greifen

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird auf Basis reaktiver Greifskills ein manipulationsunabhängiges Ansteuerungskonzept entwickelt, das Mehrfingergreifer intuitiv und für einen breiten Anwenderkreis handhabbar macht. Dabei bilden reaktive Greifskills die notwendigen übergeordneten und assistierenden Fähigkeiten ab und werden beispielhaft anhand taktiler Sensoren dargestellt. Parallel dazu werden Grundlagen zur Greifplanung ausgearbeitet und ihr Zusammenhang zu reaktiven Greifskills erläutert

Evaluation und Weiterentwicklung eines kapazitiven taktilen Näherungssensors

Die vorliegende Arbeit hat die Technologie eines kapazitiven taktilen Näherungssensors zum Thema. Zunächst wird anhand eines existierenden Sensors gezeigt, wie dieser in der Robotik in zwei Aufgabenbereichen gewinnbringend eingesetzt werden kann: in der robusten Manipulation und in der Überwachung des Umfelds des Roboters. Im Bereich der Manipulation werden zwei neue Untergebiete für diese Art von Sensoren erschlossen: die Haptische Exploration und die Telemanipulation. Dann wird diese Technologie in einem neuen Entwurf entscheidend weiterentwickelt, indem ihre Funktionalität erweitert, ihre Integrierbarkeit verbessert und ihre Ortsauflösung erhöht wird. Für den Bereich der Manipulation wird ein Zwei-Backen-Greifer mit vorhandenen Sensormodulen ausgestattet. Eine gradientenbasierte Regelung ermöglicht das berührungslose Ausrichten an Objekten in den sechs Raumfreiheitsgraden. Diese Methode ist Grundlage für die weiteren Methoden der Haptischen Exploration und der Telemanipulation. Die traditionelle Haptische Exploration wird erweitert, indem berührungslose Explorationsschritte eingeführt werden, welche effizient ausgeführt werden können. Die Telemanipulation beinhaltet, dass der Nutzer des Systems eine Kraftrückkopplung spürt, welche mit dem Gradienten, der durch die Näherungssensoren detektiert wird, korrespondiert. Mit dieser Unterstützung kann der Nutzer Objekte effizienter explorieren und greifen. Die Überwachung des Umfelds des Roboters wird realisiert, indem ein End-Effektor mit den vorhandenen Sensormodulen ausgestattet wird. In einem Szenario zur Konturverfolgung bzw. Kollisionsvermeidung wird gezeigt, dass der End-Effektor unvorhergesehene Hindernisse erfolgreich umfahren kann. Im vorgestellten Ansatz wird gezeigt, dass die geschätzte Krümmung der Hindernisfläche für eine prädiktive Regelung verwendet werden kann. Aus der anwendungsbezogenen Evaluation des Sensors werden die Anforderungen des neuen Entwurfs abgeleitet. Der Sensor wird in seiner Funktionalität erweitert, insbesondere mit der Fähigkeit, im beidseitig-kapazitiven Modus zu messen. Dieser Modus verbessert die Robustheit bei der Detektion von nicht leitenden Materialien. Hinsichtlich der Integrierbarkeit wird der Sensor modularisiert, d. h. einzelne Sensoreinheiten sind in der Lage autark zu messen und die Signale zu verarbeiten. Schließlich wird eine flexible Ortsauflösung für den Sensor realisiert, damit dieser situativ eine höhere Ortsauflösung oder eine höhere Empfindlichkeit aufweisen kann. Es wird gezeigt, dass sich die Methoden, welche für den ersten Sensor entwickelt wurden, auch mit dem neuen Sensor umsetzen lassen. Durch die bessere Integrierbarkeit und Vielseitigkeit werden die Voraussetzungen für eine weitere Verbreitung der Technologie geschaffen