Universitat Hamburg
MIN-FakultatDepartment Informatik
- Einfuhrung in die Robotik
Einfuhrung in die Robotik
Jianwei [email protected]
Universitat HamburgFakultat fur Mathematik, Informatik und NaturwissenschaftenDepartment Informatik
Technische Aspekte Multimodaler Systeme
12. Juli 2011
J. Zhang 389
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme Einfuhrung in die Robotik
Gliederung
Allgemeine InformationenEinfuhrungKoordinaten eines ManipulatorsKinematik-GleichungenInverse Kinematik von ManipulatorenDifferentielle Bewegungen mit homogenen TransformationenJacobi-Matrix eines ManipulatorsAufgabenbeschreibungRobotergrammierung auf drei EbenenTrajektoriegenerierungTrajektoriengenerierungEinfuhrung in RCCLDynamik
J. Zhang 390
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme Einfuhrung in die Robotik
Gliederung (cont.)
RoboterregelungProgrammierung auf Aufgabenebene und BahnplanungProgrammierung auf Aufgabenebene und BahnplanungProgrammierung auf Aufgabenebene und BahnplanungArchitekturen sensorbasierter intelligenter Systeme
Architekturen sensorbasierter intelligenter SystemeDas Perzeption-Aktion-Modell mit GedachtnisDas CMAC-ModellDie Subsumtions-ArchitekturSteuerungsarchitektur eines FischesVerhaltensfusionHierarchieEine Architektur fur lernende Roboter
J. Zhang 391
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme Einfuhrung in die Robotik
Gliederung (cont.)
Das AuRA-Modell - Arkin ’86Aus- und Ruckblick
J. Zhang 392
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme Einfuhrung in die Robotik
Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme
Themenubersicht
I Basisverhalten
I Verhaltensfusion
I Subsumtion
I Hierarchische Entwurfe
I Interaktive Architekturen
J. Zhang 393
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das Perzeption-Aktion-Modell mit Gedachtnis Einfuhrung in die Robotik
Das Perzeption-Aktion-Modell mit Gedachtnis
J. Zhang 394
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das CMAC-Modell Einfuhrung in die Robotik
Das CMAC-Modell - I
(Englisch)
CMAC: “Cerebellar Model Articulation Controller”The input vector S is modelled as sensory firing cell patterns. Thecombination of the cell patterns produces an association vector A. Thisassociation cell vector multipied by the weight matrix W produces aresponse vector P.The CMAC model can be viewed as two mappings:
f : S→ A
g : A→ P
S = {sensory input vectors}A ={ association cell vectors}P ={ response output vectors }
J. Zhang 395
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das CMAC-Modell Einfuhrung in die Robotik
CMAC - II
J. Zhang 396
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das CMAC-Modell Einfuhrung in die Robotik
B-Spline-Modell
The B-Spline model is an ideal implementation of the CMAC-Model.The CMAC model provides an neurophysiological interpretation of theB-Spline model.
J. Zhang 397
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das CMAC-Modell Einfuhrung in die Robotik
Alvinn - Visuelle Navigation CMU
J. Zhang 398
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das CMAC-Modell Einfuhrung in die Robotik
Handlungsorientierte Perzeption
J. Zhang 399
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Die Subsumtions-Architektur Einfuhrung in die Robotik
Die Subsumtions-Architektur
(Englisch, R. Brooks)
A robot program employing the modelling/planning paradigm iscomposed of a sequence of steps. These functional units transform asnapshot of sensory data into a series of actions inteded to achieve aspecified goal.A subsumption architecture for a mobile robot “Rug Warrior” beginswith a behaviour called “Cruise” (moving forward).“Follow” is triggered by photo-cells to move toward right.“Avoid” suppresses “Follow” and “Cruise” when the near-infrared sensorsdetect an imminent collision and “Escape” also helps to avoid obstacles.The highest-level behaviour, “Detect-Sound-Pattern” caused the robot toplay a tune.
J. Zhang 400
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Die Subsumtions-Architektur Einfuhrung in die Robotik
Die Subsumtions-Architektur
J. Zhang 401
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Die Subsumtions-Architektur Einfuhrung in die Robotik
Foraging and Flocking
J. Zhang 402
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Die Subsumtions-Architektur Einfuhrung in die Robotik
Cockroach Neuron / Behaviors
J. Zhang 403
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Steuerungsarchitektur eines Fisches Einfuhrung in die Robotik
Steuerungsarchitektur eines Fisches
(E.)Control and information flow in artificial fish:Perception: sensors, focusser, filterBehaviours: behaviour routinesBrain/mind: habits, intention generatorLearning: optimizationMotor: motor controllers, actuacotrs/muscles
J. Zhang 404
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Steuerungsarchitektur eines Fisches Einfuhrung in die Robotik
Steuerungsarchitektur eines Fisches
J. Zhang 405
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Steuerungsarchitektur eines Fisches Einfuhrung in die Robotik
Procedural Reasoning System - SRI 1987
J. Zhang 406
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Verhaltensfusion Einfuhrung in die Robotik
Hierarchische Fuzzy-Regelung eines Roboters
J. Zhang 407
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Verhaltensfusion Einfuhrung in die Robotik
Hierarchische Fuzzy-Regelung eines Roboters
Fur die Situationsbewertung werden Fuzzy-Regeln benutzt.
Durch die Situationsbewertung werden 3 Fuzzy-Parameterbestimmt:I die Prioritat KI den Replanning-SelectorI und NextSubgoal, ob ein Unterziel vorbei ist.
Eine typische Regel: IF (SL85 IS HIGH) AND (SL45 IS VL) AND (SLR0 IS VL) AND (SR45 IS VL)
AND (SR85 IS VL) THEN K IS HIGH AND Replan IS LOW
Koordinierung von mehreren Regelbasen:
Speed = SpeedLCA · K + SpeedSA · (1− K )
Steer = SteerLCA · K + SteerSA · (1− K )
J. Zhang 408
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Hierarchie
(Englisch, J. Albus)
A RCS (real-time Control System) reference model architecture forintelligent system.Processing modes are organised such that the BG (Behaviour Gernation)modules form a command tree.Information in the knowledge database is shared between WM (WorldModel) modules in nodes within the same subtree. On the right, areexamples of functional characteristics of the BG modules and stored bythe WM in the knowledge database at each level.
J. Zhang 409
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Hierarchie
J. Zhang 410
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Hierarchie
J. Zhang 411
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Hierarchie
J. Zhang 412
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Sensor-Hierarchie
J. Zhang 413
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Ein anderes Beispiel - Meystel
J. Zhang 414
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Hierarchie Einfuhrung in die Robotik
Ein anderes Beispiel - Saridis
J. Zhang 415
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Eine Architektur fur lernende Roboter Einfuhrung in die Robotik
Eine Architektur fur lernende Roboter
J. Zhang 416
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das AuRA-Modell - Arkin ’86 Einfuhrung in die Robotik
Das AuRA-Modell - Arkin ’86
J. Zhang 417
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Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme - Das AuRA-Modell - Arkin ’86 Einfuhrung in die Robotik
Atlantis – Nasa Rovers 1991
J. Zhang 418
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Gliederung
Allgemeine InformationenEinfuhrungKoordinaten eines ManipulatorsKinematik-GleichungenInverse Kinematik von ManipulatorenDifferentielle Bewegungen mit homogenen TransformationenJacobi-Matrix eines ManipulatorsAufgabenbeschreibungRobotergrammierung auf drei EbenenTrajektoriegenerierungTrajektoriengenerierungEinfuhrung in RCCLDynamik
J. Zhang 419
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Gliederung (cont.)
RoboterregelungProgrammierung auf Aufgabenebene und BahnplanungProgrammierung auf Aufgabenebene und BahnplanungProgrammierung auf Aufgabenebene und BahnplanungArchitekturen sensorbasierter intelligenter SystemeAus- und Ruckblick
J. Zhang 420
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Thematische Zusammenfassung – Regelung
I Industrieroboter:I Positionregler mit PID-Reglern;I mit Schwerkraftkompensation
I Forschung:I modellbasierte RegelungI hybride Position-Kraft-RegelungI “under-actuated control”I “backwards controllable” (“direct drive”, “artificial muscle”)
structureI Externesensorbasierte Regelung
J. Zhang 421
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Thematische Zusammenfassung – Regelung
Adept-Roboter: direct drive
J. Zhang 422
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Thematische Zusammenfassung – MeschanischeStrukturen von Roboter
behandelt:
I Offene Kette mit rotatorischen Gelenken
I Hybride von rotatorischen und translatorischen Gelenken(SCARA, Stanford)
weitere:
I mobile Roboter, Laufmaschine
I Geschlossene Kette u.a. Steward Meschanismus (Craig 279)
I Antrieb ohne Motoren
J. Zhang 423
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Die Stewart-Plattform
eine Plattform, die auf dem Boden steht, und eine, die mitinsgesamt 6 variablen Beinen (in der Regel Hydrauliken) mit derunteren verbunden ist.Die Befestigungen der Beine an beiden Plattformen geschiehtmittels Kardangelenken. Mathematisch entspricht das einemsechs-dimensionalen Konfigurationsraum ohne Singularitaten.Der Vorteil einer parallelen Mechanik ist die große Nutzlast, diediese Systeme tragen konnen. Ein sequentieller Greifarm kann dieauftretenden Drehmomente nicht bewaltigen.
J. Zhang 424
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Die Stewart-Plattform
J. Zhang 425
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Thematische Zusammenfassung – Algorithmen
I Transformation
I Trajektoriengenerierung (z.B. Gerade Kartesische Bahn)
I Approximierte Darstellung von Roboterglidern und Objekten
I Graph-Bildung (V-Graph, T-Graph, ...)
I Suche-Algorithmen
I Andere Bahnplanungsalgorithmen
I Sensorfusion
I Vision: Erkennung (statisch, dynamisch), Rekonstruierung vonPosition und Lage
I Aktionsplanung
I Sensorgefuhrte Bewegung
J. Zhang 426
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Gesamt-Ruckblick - I
I Einleitung:Definition, Klassifikation, Grundkomponenten, DOF
I Koordinaten-Transformation:Manipulator-Koordinaten, homogene Transformationen,
Drehmatrizen, ihre Inverse und ihre Verknupfung,Transformations-Gleichungen (s. Paul81, Craig89, FGL87)
I Kinematik:Problematik der Kinematik und der inversen Kinematik,
DH-Konvention und ihre Anwendungen, die algebraische undgeometrische Losung der inversen Kinematik, differentielle homogeneTransformationen, Jacobi-Matrizen, Singularitaten (s. Paul81,Craig89, FGL87)
J. Zhang 427
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Gesamt-Ruckblick - I
I Trajektoriengenerierung:Aufgabe und Randbedingungen, Polynom-Losungen zwischen zwei
Punkten sowie vier Punkten, Faktoren der optimalen Bewegung,Gerade Bewegungen im Kartesischen Raum: Realisierung undProbleme, Konzept der B-Spline-Interpolation, B-SplineBasisfunktionen. (s. Craig89, FGL87, Literatur uber B-Splines)
I Programmierung:Aufgabenbeschreibung: Schritte von der Frame-Definition zur
Erstellung von Bewegungsprogrammen, Vorteile und Konzepte vonRCCL (s. Paul81, RCCL-Guide), Typen der Roboterprogrammierung,Off-line Programmierung (IRIP-Unterlagen, Craig89)
I Regelung:Regelungssysteme des PUMA-Roboters, lineare und Modell-basierte
Regelung, PID-Regler, Regelungskonzepte im Kartesischen Raum (s.Craig89, FGL87).
J. Zhang 428
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Gesamt-Ruckblick - I
I Sensoren:Klassifikation, Interne Sensoren: Prinzip und Anwendung in der
Regelung (s. Craig87, FGL87)
I Dynamik:Probleme, Newton-Euler’sche Gleichungen und Lagrange’sche
Gleichungen (Losung fur Arme mit 1-2 Gelenken) Struktur einerdynamischen Gleichung (s. Paul81, FGL87)
I Kollisionsvermeidung:Begriffe um Konfigurationsraum, Konzepte der Transformation zum
Konfigurationsraum, Objekt-Reprasentationen,Potentialfeld-Methoden, Porbabilistische Ansatze
I Steuerungsarchitektur:Subsumtion, CMAC, Hierarchische,
J. Zhang 429
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Erganzte Literatur
SiBo96 H.-J. Siegert und S. Bocionek. Robotik: Programmierungintelligenter Roboter, Springer-Verlag, 1996.Schilling90 R. J. Schilling. Fundamentals of Robotics: Analysisand Control, Printice Hall, 1990.Yoshikawa90 T. Yoshikawa. Foundations of Robotics, The MITPress, 1990.SpVi89 M. W. Spong and M. Vidyasagar. Robot Dynamics andControl, Wiley, 1989.
J. Zhang 430
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Intelligente Robotersysteme
Zugrundliegende Roboter-Technik (wie oben) plus:
I Externe Wahrnehmung:zuverlassige Umweltmessungen, Szenen-Verstehen
I Wissensbasis:uber Umwelt, eingene Zustande, alltagliche Wissen wie von
einem Mensch
I Automatische Planung:Aktion, Grobbewegung, Greifen und Sensordatenerfassung
J. Zhang 431
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Intelligente Robotersysteme
I Menschfreundliche Schnittstelle:Verstehen der natrurlichsprachlichen Anweisungen, Umsetzung
zu Roboteraktionen, Disambiguitat in Kontext-abhangigenSituationen
I Adaptive Steuerung:Evolution anstatt Programmierung, Lernfahigkeiten
Interessierte → Veranstaltungen im kommenden Semester:Projekt – Service RoboterVorlesung – Angewandte SensorikVorlesung – Machinelles Lernen
J. Zhang 432
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Automatische Planungssysteme
I Aktionsplanung:Aufgaben-Spezifikation, Zustandsdarstellung,Aufgaben-Zerlegung, Aktions-Reihenfolge-Generierung
I Bewegungsplanung:Roboter- und Umwelt-Reprasentation,Konfigurationsraum-Berechnung und -Darstellung,Suche-Verfahren
I Sensorplanung:Welche Sensoren, welche Zeitmomente, wo zu messen; internesowie externe Parameter des Sensors
J. Zhang 433
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Sensorgefuhrte Bewegung
I Ziel: Intelligente Regelung mit Fahigkeiten, an variierendeSituationen anzupassen und auf Unsicherheiten zu reagieren
I Steuerungsarchitektur: Integration von Wahrnehmung,Planung und Aktion
I Aufgaben der Sensordatenverarbeitung:Lagebestimmung, Große-Bestatigung, Annahrung-Detektion,
Rutsche-Entdeckung, Erfolgs-Bestatigung, Fehler-Detektion,Inspektion
J. Zhang 434
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Sensorgefuhrte Bewegung
I Eingesetzte Sensoren:Taktile Bilder, Sichtsysteme, Kraft-Moment-Meßsysteme,
Distanz-Sensoren
I Strategien: kalibrierte: anhand von absoluten Informationen;unkalibriert: anhand von relativen Informationen
I Arten der Wahrnehmung: passiv: basiert auf bestimmterSensor-Aktor-Konfigurierung;aktiv: abhangig von der Sensorplanung
J. Zhang 435
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Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Kommerzielle Roboter in der Zukunft
werden:
I geschickter,
I kleiner,
I schneller,
I leichter,
I kraftiger,
I intelligenter,
I leichter zu bedienen,
I und billiger
sein.
J. Zhang 436
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MIN-FakultatDepartment Informatik
Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Große Herausforderungen an Robotik
Verfahren:
I Symbolisches Verstehen der Umwelt
I Integrierte sensomotorische Koppelung
I Selbst-Lernen
Systeme:
I Synergetische Multisensorik
I Agile Mobilitat
I Geschickte Handhabungsfahigkeit
J. Zhang 437
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MIN-FakultatDepartment Informatik
Aus- und Ruckblick Einfuhrung in die Robotik
Große Herausforderungen an Robotik
Technik:
I Sensorik ahnlicher Komplexitat wie die menschliche
I Neue Antriebsarten
I Nano-Roboter
I Multifinger-Hand
I Anthropomorphischer Roboter
I Fliegender Roboter
J. Zhang 438