Design of an Autonomous Robot for Mapping, Navigation, and ... · Since 1. July 2017, this junior...
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70. BHT - FREIBERGER UNIVERSITÄTSFORUM 2019 KOLLOQUIUM 3 „KOLLEGE ROBOTER (?) – DIGITALISIERUNG IN DER BOHRTECHNIK“ AM 6. UND 7. JUNI 2019
Lösch, Robert (TU Bergakademie Freiberg)
“DESIGN OF AN AUTONOMOUS ROBOT FOR MAPPING, NAVIGATION, AND MANIPULATION IN UNDERGROUND MINES”
Untertägige Bergwerke sind gefährliche Arbeitsumgebungen und daher könnten Roboter da-bei helfen weniger Menschen dieser Gefahr auszusetzen. Konventionelle Roboter, Sensoren und Software funktionieren aufgrund der erschwerten Umgebungsbedingungen untertage oft nicht zuverlässig. Die Präsentation analysiert kurz diese Umgebungsbedingungen und die dar-aus resultierenden Anforderungen und zeigt schließlich ein Roboterdesign, welches untertage in der Lage ist autonom zu navigieren und Objekte mit einem Arm zu manipulieren. Die Basis bildet eine robuste Plattform mit elektrischen Vier-Rad-All-Rad-Antrieb. Der Roboter ist mit Farb- und Tiefenkameras, Beleuchtung, Laserscannern, einer inertialen Messeinheit und ei-nem robotischem Arm ausgerüstet. Zahlreiche Videos und Bilder veranschaulichen die Mani-pulations- und Navigationsfähigkeiten des Roboters. Es werden zwei verschiedene Navigati-onsansätze vorgestellt und abschließend auf die Aufgabe des Roboters im Projekt ARIDuA eingegangen.
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Design of an Autonomous Robot for Mapping, Navigation,
and Manipulation in Underground Mines
M.Sc. Robert Lösch, Institute of Computer Science, TU Bergakademie Freiberg
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Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen
ARIDuA
TU Bergakademie Freiberg | ESF junior researcher group ARIDuA | Project leader: Prof. Dr.-Ing. Helmut Mischo | Autonome Roboter und Internet der Dinge in untertägigen Anlagen | aridua.tu-freiberg.de | Robert Lösch | BHT | 06.06.2019
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1. Environmental Conditions and Requirements
2. Research Robot Julius
3. Manipulation Tasks
4. Robot Navigation
5. Future Work
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Design of an Autonomous Robot for Mapping, Navigation, and Manipulation in Underground Mines
Table of Contents
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Design of an Autonomous Robot for Mapping, Navigation, and Manipulation in Underground Mines
• Darkness• High Humidity• Spaciousness• Manipulation of SSBs• No GNSSs• Dimensional Constraints
• Light + Camera• Depth cameras• Protection against water
ingress• High battery capacity• Manipulator
Conditions Requirements Realization
1 Environmental Conditions and Requirements
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2D LIDAR
Lighting
Control Panel
RobotiqGripper
UR5
RGB-D Camera
Computer
3D LIDAR
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• Innok Robotik Heros 444 FG
• 138 kg, 0.65 × 1.42 × 1.3 m (w×l×h)
• Electric 4-wheel differential drive
• IP67 upgrade
• 4 – 6 h operating time
• 4 LED spotlights
• 2 PCs7
2.1 Robot Platform
2 Research Robot Julius
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2.2 Optical Sensors
2 Research Robot Julius
Name Range[m]FOV[°]
(Angular)Resolution
[°] or [px x px]
Depthaccuracy
[cm]Rate
Datarate
[MB/s]
Connec-tion
MicrosoftKinect One
(ToF)0.5 – 4.5 70 H60 V
1920×1080 RGB512×424 D ±1.8 30 fps 190 USB 3.0
Asus XtionPro Live 0.8 – 3.5
58 H45 V
1280×1024 RGB640×480 D ±0.2 30 fps 130 USB 2.0
Velodyne PuckVLP-16 0.5 – 300
360 H30 V
0.1 – 0.4 H2.0 V ±3.0 10 Hz 8.5
GigabitEthernet
SICK LMS 111 0.5 – 20 270 V 0.5 ±0.3 50 Hz 0.2 Ethernet
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2.2 Optical Sensors
2 Research Robot Julius
Name Range[m]FOV[°]
(Angular)Resolution
[°] or [px x px]
Depthaccuracy
[cm]Rate
Datarate
[MB/s]Connection
MicrosoftKinect One (ToF) 0.5 – 4.5
70 H60 V
1920×1080 RGB512×424 D ±1.8 30 fps 190 USB 3.0
Asus XtionPro Live 0.8 – 3.5
58 H45 V
1280×1024 RGB640×480 D ±0.2 30 fps 130 USB 2.0
Velodyne PuckVLP-16 0.5 – 300
360 H30 V
0.1 – 0.4 H2.0 V ±3.0 10 Hz 8.5
GigabitEthernet
SICK LMS 111 0.5 – 20 270 V 0.5 ±0.3 50 Hz 0.2 Ethernet
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Manipulation unit with:
• Universal Robots UR5
• Robotiq 3 Finger Gripper
• (Asus Xtion Pro Live)
• Rubber sleeve
• (Rubber) glove
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2.3 Manipulators
2 Research Robot Julius
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• 2 PCs: i7 (4 cores), 2.7 GHz, 16 GB RAM, 256 GB SSD• Time synchronized• Ubuntu 16.04, ROS Kinetic
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2.4 Computation
2 Research Robot Julius
• Main• Basic
functions
• Utility• High
computational processes
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• Battery:• Li-ion (NMC), 48 V, 20 Ah capacity
• Possible to change battery on site within seconds (minutes)
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2.5 Power supply
2 Research Robot Julius
underground 4 h
office6 h
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• SSDs store maps and sensor data
• Sensors easily exchangeable
• Second, redundant, remote controller safeguards against failures
• WiFi and Bluetooth(-like) communication possible
• Communication limited to line-of-sight
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2.6 Miscellaneous
2 Research Robot Julius
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2.7 Simulation
2 Research Robot Julius
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2.7 Simulation
2 Research Robot Julius
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2.7 Simulation
2 Research Robot Julius
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Target-PoseTeleoperation allows theminer to pick the targetpose for the sensor box
Grasped Sensor Box Box is autono-mously picked upand ready to be setinto the mine
Water Sample Station
autonomous waterprobe extractionvia static routine
3 Manipulation Tasks
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Localization• Via SLAM• Afterwards
Obstacle Avoidance• Dynamic Objects• Real-time
Mapping•Via SLAM•Beforehand
Path Planning•Global•Local
4 Robot Navigation
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4. Robot Navigation
1. Absolute Navigation: Waypoint Navigation
2. Reactive Navigation
3. Mapping with IoT
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Table of contents
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4 Robot Navigation - Absolute Navigation
Mapping• RTAB-Map
(Real-Time Appearance Based)• Graph based• Graph optimization by loop
closure detection• Occupancy Grid Map
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4 Robot Navigation - Absolute Navigation
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4 Robot Navigation - Absolute Navigation
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https://youtu.be/rgeveCOBxzk
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90°-90°
-60°
-30°30°
60°
Velodyne Pointcloud
Pointcloud compressed to Laser Scan
Distance Measures
Steering angle = 𝑎 σ𝑖=16 𝛼𝑖𝑟𝑖 w/ 𝛼 = angle, 𝑟 = distance
𝑎 unknown, but 𝑎 = 𝑓 ሶ𝑥
4 Robot Navigation - Reactive Navigation
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4 Robot Navigation - Reactive Navigation
Separately Driving And Mapping
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Mapping
4 Robot Navigation - Mapping with IoT
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Error Minimization
4 Robot Navigation - Mapping with IoT
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Future Work?
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5 Future Work
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Lösch, Robert, et al. "Design of an Autonomous Robot forMapping, Navigation, and Manipulation in UndergroundMines." 2018 IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2018.
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Since 1. July 2017, this junior research group investigating „Autonomous Robots and Internet of Things in Underground Facilities“ led by Prof. Dr. Ing. Helmut Mischo, Institute for Mining of Raw Materials and Special Methods Underground at TU BergakademieFreiberg, is funded by the state of Saxony with funds of the European Social Fund (ESF).
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