Formation Navigation and Relative Localisation of Multi-Robot Systems

When proceeding from single to multiple robots, cooperative action is one of the most relevant topics. The domain of robotic security systems contains typical applications for a multi-robot system (MRS). Possible scenarios are safety and security issues on airports, harbours, large industry plants or museums. Additionally, the field of environmental supervision is an up-coming issue. Inherent to these applications is the need for an organised and coordinated navigation of the robots, and a vital prerequisite for any coordinated movements is a good localisation. This dissertation will present novel approaches to the problems of formation navigation and relative localisation with multiple ground-based mobile robots. It also looks into the question what kind of metric is applicable for multi-robot navigation problems. Thereby, the focus of this work will be on aspects of 1. coordinated navigation and movement A new potential-field-based approach to formation navigation is presented. In contradiction to classical potential-field-based formation approaches, the proposed method also uses the orientation between neighbours in the formation. Consequently, each robot has a designated position within the formation. Therefore, the new method is called directed potential field approach. Extensive experiments prove that the method is capable of generating all kinds of formation shapes, even in the presence of dense obstacles. All tests have been conducted with simulated and real robots and successfully guided the robot formation through environments with varying obstacle configurations. In comparison, the nondirected potential field approach turns out to be unstable regarding the positions of the robots within formations. The robots strive to switch their positions, e.g. when passing through narrow passages. Under such conditions the directed approach shows a preferable behaviour, called “breathing”. The formation shrinks or inflates depending on the obstacle situation while trying to maintain its shape and keep the robots at their desired positions inside the formation. For a more particular comparison of formation algorithms it is important to have measures that allow a meaningful evaluation of the experimental data. For this purpose a new formation metric is developed. If there are many obstacles, the formation error must be scaled down to be comparable to an empty environment where the error would be small. Assuming that the environment is unknown and possibly non-static, only actual sensor information can be used for these calculations. We developed a special weighting factor, which is inverse proportional to the “density” of obstacles and which turns out to model the influence of the environment adequately. 2. relative localisation A new method for relative localisation between the members of a robot group is introduced. This relative localisation approach uses mutual sensor observations to localise the robots with respect to other objects – without having an environment model. Techniques like the Extended Kalman Filter (EKF) have proven to be powerful tools in the field of single robot applications. This work presents extensions to these algorithms with respect to the use in MRS. These aspects are investigated and combined under the topic of improving and stabilising the performance of the localisation and navigation process. Most of the common localisation approaches use maps and/or landmarks with the intention of generating a globally consistent world-coordinate system for the robot group. The aim of the here presented relative localisation approach, on the other hand, is to maintain only relative positioning between the robots. The presented method enables a group of mobile robots to start at an unknown location in an unknown environment and then to incrementally estimate their own positions and the relative locations of the other robots using only sensor information. The result is a robust, fast and precise approach, which does not need any preconditions or special assumptions about the environment. To validate the approach extensive tests with both, real and simulated, robots have been conducted. For a more specific evaluation, the Mean Localisation Error (MLE) is introduced. The conducted experiments include a comparison between the proposed Extended Kalman Filter and a standard SLAM-based approach. The developed method robustly delivered an accuracy better than 2 cm and performed at least as well as the SLAM approach. The algorithm coped with scattered groups of robots while moving on arbitrarily shaped paths. In summary, this thesis presents novel approaches to the field of coordinated navigation in multi-robot systems. The results facilitate cooperative movements of robot groups as well as relative localisation among the group members. In addition, a solid foundation for a non-environment related metric for formation navigation is introduced

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

Modellbasierte Robotersteuerung zur gartenbaulichen Pflanzenproduktion auf der Grundlage bildanalytischer Verfahren am Beispiel von Gerbera jamesonii

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