64-544 Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik (Teil2)

Universität Hamburg

MIN-FakultätFachbereich Informatik

64-544 Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik

64-544Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ss/vorlesung/GdSR

Jianwei Zhang, Bernd Schütz

Universität HamburgFakultät für Mathematik, Informatik und NaturwissenschaftenFachbereich InformatikTechnische Aspekte Multimodaler Systeme

Sommersemester 2014

J. Zhang, Bernd Schütz 1






Gliederung1. Einführung2. Grundlagen der Robotik3. Grundlagen der Sensorik4. Verarbeitung von Scandaten5. Rekursive Zustandsschätzung6. Fuzzy-Logik7. Steuerungsarchitekturen





64-544 Vorlesung

Vorlesung Do. 10:15 -11:45 Uhr, Hörsaal CChemie MLKP6

Web Teil 1 http://kogs-www.informatik.uni-hamburg.de//~seppke/?page=nano-14

Teil 2 http://tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ss/vorlesung/GdSR

Name Prof. Dr. Jianwei Zhang (Bernd Schütz)Büro F-308 (F322)E-mail zhang(schuetz)@informatik.uni-hamburg.de

Sekretariat Tatjana TetsisBüro F-311Telefon (040) 42883-2430E-mail [email protected]





64-545 Übungen

Übungen Mi. 10:15 - 11:45 Uhr, Mi. 12:15 - 13:45 UhrRaum Gruppe 1: 0C 24 b MLKP6

Gruppe 2: PC 261 MLKP6

Web http://tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/

2014ss/vorlesung/GdSR/uebungen/

Name Manfred GroveBüro F-332Telefon (040) 42883-2511E-mail [email protected]


http://tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ss/vorlesung/GdSR/uebungen/

http://tams.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ss/vorlesung/GdSR/uebungen/




Übungen: organisatorisches

I Ausgabe der Aufgabenblätter am Tag der Vorlesung unter:http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ss/vorlesung/GdSR/uebungen

I Abgabe der Übungsblätter:I Mittwoch 6:00 Uhr der darauffolgenden Woche,

ggf. per E-Mail an: [email protected] Arbeitsgruppen mit bis zu drei Studierenden erwünscht

I In den Übungsstunden werden Lösungen von Teilnehmernvorgetragen und gemeinsam besprochen.

I Scheinkriterien:Die abgegebenen Lösungen werden bewertet, für eine erfolgreicheÜbungsteilnahme ist mindestens die Hälfte der maximalen Punktzahlplus einmal Vorrechnen (jeweils für Teil 1 und Teil 2) erforderlich.


http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/lectures/2014ss/vorlesung/GdSR/uebungen

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Terminübersicht, Teil 2 – Robotik

21.05.14 Übung (Teil 1)22.05.14 VL

28.05.14 Übung29.05.14 (VL) Christi Himmelfahrt

04.06.14 Laborführung TAMS05.06.14 VL

11.06.14 (Übung) Pfingstferien12.06.14 (VL) Pfingsterien

18.06.14 Übung19.06.14 VL

25.06.14 Übung26.06.14 VL

02.07.14 Übung03.07.14 VL

09.07.14 Übung10.07.14 VL




1.1 Einführung - Motivation 64-544 Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik

Nanorobotik und Makrorobotik

Robotik

Werkzeuge:

Manipulatorarme

Hände

Greifer

SPM−Tip

bottom−up top−down

extern gesteuert(selbstreplizierend)

inhärent gesteuert

Manipulation von Objekten

Entwurf und Simulationvon Robotern





Nanorobotik und Makrorobotik (cont.)

selbstorganisierend

(selfassembly)

biologische Strukturen

top−down

Nanorobotik

bottom−up

extern gesteuert

Atom für Atom

Molekül für Molekül

SPM−basiert

Design und Simulationnanoskaliger Roboter

Manipulation von nanoskaligen Objekten

SPM−basierte Nanolithographie





Exkurs: Scanning Probe Microscopes

Quelle:quanta.iis.u-tokyo.ac.jp





Exkurs: Scanning Probe Microscopes (cont.)

I AFM(AtomicForceMicroscope)

I STM(ScanningTunnelingMicroscope)





SPM als Roboter

I 3 DOF-RobotI Bewegung in x,y,z

I x, y normalerweise open-loopI z normalerweise closed-loop

I Piezos als AktuatorenI HystereseI Kriechen (creep)

I SensorikI Fusion von Sensordaten

(z. B. AFM: laterale Kräfte & Topographie)I Temperaturdrift





Manipulation

I MakrorobotikI physikalische Prozesse und Mechanik weitestgehend verstandenI leistungsfähige Modelle vorhandenI viele Möglichkeiten der Automation

I NanorobotikI physikalische u. chemische Prozesse in aktiver ForschungI Umgebung hat starken Einfluss auf das ExperimentI nicht beschränkt auf mechanische Interaktion

(Temperatur, Licht, Elektrostatik, PH-Wert, . . .)





Nanomanipulation & Automation

I viele UnwägbarkeitenI fast alle Bereiche unter aktueller Forschung⇒ möglichst auf Bewährtes zurückgreifen!

I möglichst viel aus Makrorobotik adaptieren=⇒ Kennenlernen von Konzepten aus der Makrorobotik, die auch

in der Nanorobotik eingesetzt werden können.aber: grundlegend andere physikalische u. chemische Effekte

im nanoskaligen BereichI neue Konzepte und Verfahren werden entwickelt werden

müssenI was kann übernommen werden?I was kann adaptiert werden?I was muss grundlegend neu entwickelt werden?





Entwurf von Robotersystemen

I MethodikI Entwurf und Aufbau des (mechanischen) SystemsI Kinematik und DynamikI Modellierung und SimulationI Kontroll-Strukturen und -AlgorithmenI SoftwarearchitekturI SystemintegrationI . . .





Welche (Teil-) Aufgaben werden vom Systemdurchgeführt?

I LokalisationI PfadplanungI BewegungI ManipulationI Kontrolle von Kraft, Geschwindigkeit. . .I Sensordatenerfassung und -verarbeitungI Fusion und Interpretation der DatenI Mensch-Maschine SchnittstelleI InteraktionsmöglichkeitenI . . .





Interdisziplinäres Forschungsgebiet

Informatik

Linguistik

E−Technik Maschinen−bau

Technik

Medizin−

Physik

Robotik

Mathematik Biologie

Technik

Chemie−





Interdisziplinäres Forschungsgebiet (cont.)

Robotik umfasst sehr viele Teilgebiete allein aus der Informatik

I Architektur- und SystementwurfI Künstliche IntelligenzI BildverarbeitungI SprachverarbeitungI Neuronale NetzeI RegelungstechnikI MechatronikI . . .





Ein Roboter aus der MakroweltWillow Garage Personal Robot 2 (PR2)





Willow Garage Personal Robot 2 (PR2)

Hardware-PlattformI mobile Plattform

I omnidirektionaler 4-Rad-AntriebI Batteriekapazität für zwei Std.I Teleskop-TorsoI jeweils ein Laserscanner an

Vorder- und RückseiteI zwei Manipulatorarme

I Arm mit 4DOFI 1,8 kg TraglastI Handgelenk mit 3DOFI ausbalanzierte GelenkeI jeweils eine Handkamera






Sensor-KopfI Pan & TiltI RGB-D Kamera (nicht montiert)I 5MP FarbkameraI Stereokamerasystem für UmgebungserfassungI Stereokamerasystem für ManipulationI LED-TexturprojektorI Inertial Measurement Unit (IMU)I horizontal schwenkbarer Laserscanner






Zwei GreifwerkzeugeI 1DOFI 90mm SpannbreiteI 3-Achs-BeschleunigungsmesserI Drucksensoren in den FingerspitzenI im Unterarm montierte Handkameras






Zwei on-board RechnerI Quad-Core i7 Xeon (8 Cores)I 24 GB SpeicherI 1.5 TB WechsellaufwerkeI Multi-gigabit Verbindung zwischen den RechnernI Kameras an Gigabit-Netzwerk angeschlossen,

Verschlusssynchronisierung mit 1ms AuflösungI 1 kHz Regelschleife für alle Motore über EtherCAT





Weitere TAMS Plattformen

I sehr unterschiedliche PlattformenI Service-RoboterI Humanoide RoboterI Fensterputzer (pneumatisch)I Snake-likeI Wall-climbing ModuleI PioneerI AiboI „Edutainment“

⇒ Systemarchitekturen⇒ Sensoren, Aktoren⇒ mechanischer Aufbau⇒ . . .





Robotik macht Spaß!

I Roboter bewegen sich - Rechner nichtI Interdisziplinarität:

I Soft- und HardwaretechnikI SensortechnikI MechatronikI RegelungstechnikI Multimedia, ...

I Ein Traum der Menschheit:"Computer sind das bis heute genialste Produktmenschlicher Faulheit" (IBM-Werbung, 70iger Jahre).Roboter = Computer++




2.1 Grundlagen der Robotik - Grundbegriffe 64-544 Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik

EinführungGrundbegriffe

Komponenten eines Roboters

Robotik:intelligente Verbindung von Rechnern, Sensorik und Aktuatoren





Definition von Industrierobotern

Ein Roboter ist laut RIA (Robot Institute of America):...a reprogrammable and multifunctional manipulator,devised for the transport of materials, parts, tools orspecialized systems, with varied and programmedmovements, with the aim of carrying out varied tasks.

Die JARA (Japan Robot Association) z. B. gibt folgendeMerkmale vor:I Manual ManipulatorI fixed Sequence RobotI variable Sequence Robot

I Playback RobotI Numerical Control RobotI Intelligent Robot





Hintergrund einiger Termini

“Robot”: wurde populär durch Rossum’s Universal Robots vonKarel Capek (R.U.R., 1923)

“Robotics”: geprägt durch Isaac Asimov (Runaround, 1942)“Autonomous”: (wörtlich) (gr.) “nach eigenen Gesetzen lebend”

(Auto: Selbst; nomos: Gesetz)“Personal Robot”: ein kleines mobiles Robotersystem mit

einfachen Fähigkeiten; Sichtsystem, Sprechen, Bewegung,usw. (ab 1980).

“Service Robot”: ein mobiles Handhabungssystem mit Sensoren füranspruchsvolle Operationen in Service-Bereichen (ab 1989)




2.2 Grundlagen der Robotik - Roboterklassifikation 64-544 Grundlagen der Signalverarbeitung und Robotik

Roboterklassifikation

I nach Antriebsprinzipelektrisch, hydraulisch, pneumatisch, biologisch

I nach ArbeitsbereichI mobil

Steuerung, Art der FortbewegungI stationär

Freiheitsgrade (DOF und Bewegungsfreiheitsgrade) der ManipulatorenArt der Gelenke (translatorisch, rotatorisch, Kombinationen)

I nach AnwendungManipulation, Montage, Transport,. . .,Unterwasser,. . .,Rescue,. . .,Service-Robot,. . .

I nach Intelligenzmanuelle/automatische Steuerung, Rechenleistung/Sensorik, Lernfähigkeit





Exkurs: Freiheitsgrade eines Roboters/Manipulators

Degrees of Freedom (DOF):Die Anzahl der unabhängigen Bewegungen f im Bezugskoor-dinatensystem. Der Freiheitsgrad (DOF) wird von der Anzahl derunabhängigen Variablen des Steuerungssystems bestimmt.I Auf einer Ebene: 2 Translationen, 1 Rotation; Freiheitsgrad: f=3I In einem Raum: 3 Translationen, 3 Rotationen; Freiheitsgrad: f=6

Bewegungsfreiheitsgrad:Anzahl der Gelenke F eines Manipulators, die unabhängiggesteuert werden.I Freiheitsgrad eines Translationsgelenks: FT = 1I Freiheitsgrad eines Rotationsgelenks: FR ≤ 3I Bewegungsfreiheitsgrad: F =

n∑i=1

(FRi + FTi )





Exkurs: Freiheitsgrade, Beispiele

I Auf dem Boden bewegliches Fahrzeug:I Translation auf der Bodenfläche (x, y-Koordinate)I Drehung um die senkrecht zur Bodenfläche stehende z-Achse⇒ Freiheitsgrad: f = 3

I Festkörper im dreidimensionalen Raum:I Ort im Raum (x,y,z-Koordinate, Translationen in drei Richtungen)I Rotation um die Achsen des kartesischen Koordinatensystems⇒ Freiheitsgrad: f = 6

I Roboterarm mit 8 Drehachsen:I Bewegungsfreiheitsgrad F ist 8

aber: Freiheitsgrad: f = 6I menschliche Hand

I Bewegungsfreiheitsgrad F ist 22aber: Freiheitsgrad: f = 6





Literatur

Wichtige Sekundärliteratur:I K. S. Fu, R. C. Gonzales and C. S. G. Lee, Robotics:

Control, Sensing, Vision and Intelligence, McGraw-Hill, 1987I R. P. Paul, Robot Manipulators: Mathematics, Programming

and Control, MIT Press, 1981I J. J. Craig. Introduction to Robotics, Addison-Wesley, 1989.


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