Thesis (Ph.D.)--University of Bonn, Germany. / Includes bibliographical references and index.

Thesis (Ph.D.)--University of Bonn, Germany. / Includes bibliographical references and index. Also issued online.

Service robots need to be aware of persons in their vicinity in order to interact with them. People tracking enables the robot to perceive persons by fusing the information of several sensors. Most robots rely on laser range scanners and RGB cameras for this task. The thesis focuses on the detection and tracking of heads. This allows the robot to establish eye contact, which makes interactions feel more natural. Developing a fast and reliable pose-invariant head detector is challenging. The head detector that is proposed in this thesis works well on frontal heads, but is not fully pose-invariant. This thesis further explores adaptive tracking to keep track of heads that do not face the robot. Finally, head detector and adaptive tracker are combined within a new people tracking framework and experiments show its effectiveness compared to a state-of-the-art system.

Im Fokus dieser Arbeit steht die Konzeption, Entwicklung und Erprobung eines autonomen Roboters zur Instrumentierung eines untertägigen Bergwerks. Der exemplarische Anwendungsfall umfasst das selbstständige Absetzen intelligenter Sensorstationen durch einen Roboterarm. Der Roboter ist einer der ersten mobilen Manipulatoren für den langfristigen Einsatz unter Tage. Ziel ist es, die Sicherheit für den Bergmann zu erhöhen, indem in gefährlichen Situationen der mobile Manipulator als echte Alternative zur Verfügung steht. Das fordert von dem Roboter selbstständiges und adaptives Handeln in einer Komplexität, die mobile Manipulatoren bisher lediglich in strukturierten Umgebungen leisten. Exemplarisch dafür ist das Platzieren von Technik im Altbergbau - Dunkelheit, Nässe und enge Querschnitte gestalten dies sehr herausfordernd. Der Roboter nutzt seine anthropomorphe Hand, um verschiedene Objekte abzusetzen. Das sind im konkreten Fall Sensorboxen, die diese Arbeit für die Instrumentierung des Bergwerks vorschlägt. Wichtig ist, dass das Absetzen autonom geschieht. Der Roboter trifft die Entscheidungen, wo er etwas platziert, welche Trajektorie sein Arm wählt und welchen Planungsalgorithmus er nutzt, vollkommen selbstständig. In dem Zusammenhang entwirft diese Dissertation eine variable Absetzroutine. Der mobile Manipulator baut dafür ein Kollisionsmodell der Umgebung auf, sucht eine geeignete Absetzposition, greift ein vordefiniertes Objekt und platziert dies im Bergwerk. Sicherheit und Robustheit stehen dabei an vorderster Stelle. Entsprechend schließt die Absetzroutine nach dem Absetzen nicht ab, sondern führt eine unabhängige Überprüfung durch. Dabei vergleicht der mobile Manipulator über Sensoren die wahrgenommene mit der angestrebten Objektposition. Hier kommen auf Deep Learning basierende Methoden zum Einsatz, die eine Überprüfung auch in vollkommener Dunkelheit erlauben. In insgesamt 60 Experimenten gelingt das Absetzen in 97% der Fälle mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich. Dabei beschränkt sich diese Evaluierung nicht auf das untertägige Bergwerk, sondern wertet auch Experimente in strukturierten und offenen Umgebungen aus. Diese Breite erlaubt eine qualitative Diskussion von Aspekten wie: Autonomie, Sicherheit und Einfluss der Umgebung auf das Verfahren. Das Ergebnis ist die Erkenntnis, dass der hier vorgestellte Roboter die Lücke zwischen Untertagerobotern und den mobilen Manipulatoren aus Industrieanwendungen schließt. Er steht in gefährlichen Situationen als Alternative zur Verfügung.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Notation Variablenverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Forschungsfrage und Beitrag der Arbeit 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Forschungstrends bei mobilen Manipulatoren und Untertagerobotern 2.1. Mobile Manipulatoren in verschiedenen Einsatzszenarien 2.2. Wettbewerbe mobiler Manipulatoren und Trends im Forschungsgebiet 2.3. Hard- und Software Komponenten für mobile Manipulatoren 2.4. Zusammenfassung 3. Aufbau von Julius - dem Roboter für den Einsatz im Altbergbau 3.1. Umgebungsbedingungen im untertägigen Altbergbau 3.2. Physischer Aufbau des Roboters 3.3. Softwaretechnische Grundlagen für ein autonomes Handeln 3.4. Zusammenfassung 4. Entwurf der autonomen Absetzroutine für Julius 4.1. Planen von Armbewegungen 4.2. Umgebungsmodell detaillieren 4.3. Bodenfläche identifizieren 4.4. Absetzposition berechnen 4.5. SSB greifen 4.6. Absetzrotation festlegen 4.7. SSB absetzen 4.8. Absetzpose überprüfen 4.9. Zusammenfassung 5. Experimentelle Validierung von Julius und der Absetzroutine 5.1. Beschreibung des Experiments und der generellen Rahmenbedingungen 5.2. Referenzexperimente im Innenbereich 5.3. Experimente im Außenbereich 5.4. Experimente im Forschungs- und Lehrbergwerk 5.5. Diskussion 5.6. Zusammenfassung 6. Zusammenfassung 6.1. Erkenntnisse dieser Arbeit 6.2. Fazit 6.3. Ausblick Literatur Anhang A. Berechnung der Absetzrotation B. Übersicht technischer Daten C. Weiterführende Abbildungen D. Messdaten

For the navigation of mobile robots cheap procedures for the position and direction determination of the robot vehicle, with an accuracy from one up to some few cm - are necessary. Two novel and unique solutions with active landmarks are described. The first procedure use grid net lines, e.g. realized with some lasers placed in the room. The second procedure works with microwave transmitters as landmarks. should thereby / Für die Navigation von autonomen Fahrzeugen - z.B. eingesetzt im Bereich der Lagerlogistik - sind kostengünstige Verfahren für die Positions- und Richtungsbestimmung mit einer Genauigkeit von einem bis zu wenigen cm notwendig. Es werden 2 neuartige Verfahren hierfür vorgestellt, welche beide aktive Landmarken einsetzen. Das erste Verfahren arbeitet mit mehreren Netzlinien, welche z.B. mit Lasern im Raum aufgebaut werden. Beim zweiten Verfahren wird mit Mikrowellenlandmarken durch eine Laufzeitmessung die Positionsbestimmung ermöglicht.

In der industriellen Fertigung wird fortlaufend neuartige Technik implementiert. In der Automobilindustrie stellen kooperative Roboter eine Form neuartiger Technik dar. Für die Einstellung gegenüber kooperativen Robotern und deren Nutzung spielt die Akzeptanz vor allem beim Erstkontakt eine entscheidende Rolle. Der Grund ist die quasi-soziale Interaktion mit menschlichen Interaktionspartnern. Damit es nicht zur grundlosen Ablehnung kooperativer Roboter als Form neuartiger Technik kommt, verfolgt diese Arbeit als Ziele die Erklärung und anschließende Beeinflussung der Akzeptanz gegenüber kooperativen Robotern auf Grundlage der „unified theory of acceptance and use of technology“ (Venkatesh, Morris, Davis, & Davis, 2003). Dafür wurden Einflussvariablen auf die Akzeptanz kooperativer Roboter identifiziert. Anschließend wurde die Beeinflussbarkeit der Akzeptanz untersucht und es wurden verschiedene Wege der Einführung eines kooperativen Roboters im Anwendungsfeld der Automobilindustrie miteinander verglichen. Die Akzeptanzsteigerung vor der eigentlichen Nutzung eines kooperativen Roboters konnte realisiert werden. Zudem ließen sich die Ergebnisse auch auf eine weitere Form neuartiger Technik im Untersuchungskontext übertragen. / New technologies are constantly implemented in the industrial context. Cooperative robots are a new technology in the automobile industry. The acceptance of these is important for the user’s attitude towards and their usage of them before and during the first contact. The reason for that is the quasi-social interaction with human interaction partners. To counteract the possibility of an unsubstantiated rejection of the use of this new technology, this paper has the aims of explaining and subsequently influencing the acceptance of cooperative robots based on the „unified theory of acceptance and use of technology“ (Venkatesh, Morris, Davis, & Davis, 2003). Therefore variables affecting the acceptance of cooperative robots were identified. Afterwards the influenceability of the acceptance was tested and different ways of introducing a cooperative robot to new interaction partners in the new context of the automobile industry have been compared. As a result an increase of the user’s acceptance could be achieved before the actual use of the cooperative robot. Furthermore the results could also be transferred to another new technology in the same context of research.

How do robots learn to perform motor tasks in a specific condition and apply what they have learned in a new condition? This paper proposes a framework for motor coordination acquisition of a robot drawing straight lines within a part of the workspace. Then, it addresses transferring the acquired coordination into another area of the workspace while performing the same task. Motor patterns are generated by a Central Pattern Generator (CPG) model. The motor coordination for a given task is acquired by using a multi-objective optimization method that adjusts the CPGs' parameters involved in the coordination. To transfer the acquired motor coordination to the whole workspace we employed (1) a Self-Organizing Map that represents the end-effector coordination in the Cartesian space, and (2) an estimation method based on Inverse Distance Weighting that estimates the motor program parameters for each SOM neuron. After learning, the robot generalizes the acquired motor program along the SOM network. It is able therefore to draw lines from any point in the 2D workspace and with different orientations. Aside from the obvious distinctiveness of the proposed framework from those based on inverse kinematics typically leading to a point-to-point drawing, our approach also permits of transferring the motor program throughout the workspace.

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

Magnetfelder und sichtbares Licht präsentieren zwei Operationen externe Reize für eine schnelle, ferngesteuerte, zuverlässige und heilende der Kleinrobotik weicher und harter Körper. Umden Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden, wurden selbstfahrende Bewegungen und komplexere Bewegungsmuster mit kleinen Robotern in der Längenskala von Mikro-bis Zentimeter demonstriert. In Bezug auf die begrenzte Betätigungsleistung und die mangelhafte Untersuchung der nicht linearen Dynamik von Hochgeschwindigkeitsbewegungsmustern in magnetischen weichen Robotern und der durch Niedrigenergie verursachten ineffizienten Bewegung von Mikrorobotern unter sichtbarem Licht konzentriert sich diese Arbeit auf drei Hauptthemen: ultraschnelle Roboter mit weichem Körper, angetrieben durch ein Magnetfeld, hoch-bewegliche, durch sichtbares Licht angetriebene Janus-Mikroroboter aus Silber/Silberchlorid (Ag/AgCl), sowie betätigt aktivierter effizienter Ausschluss zwischen plasmonischen Ag/AgCl-Mikrorobotern und passiven Partikeln mittels sichtbares Licht. Im ersten Teil der Arbeit wird wir eine Reihe von simulationsgesteuerten, leichten, langlebigen, nicht angegeschlossee und ultraschnellen magnetischen Robotern mit weichem Körper, demonstriert die Deformationen mit großer Amplitude (Drehw-inkel > 90◦) bei hohen Frequenzen von bis zu 100 Hz ausführen. Unsere Roboter können mit einem sehr kleinen Magnetfeld von nur 0.5 mT angetrieben werden, was 20-mal weniger ist als das der allgemeine Magnetroboter. Desweiteren werde ein numerisches Modell entwickelt, welches das grundlegende Verständnis dieser nicht linearen Dynamik in ultraschnellen weichen Robotern erklärt. Ein inspirierendes, blütenförmiges, weiches Roboterdesign mit ultraschneller Betätigung kann eine leb ende Fliege in 35msfür einen Moment einwickeln. Die Schließgeschwindigkeit ist etwa achtmal höher als die der Venusfliegenfalle. Wenn unsere mehrarmigen Roboter mit weichem Körper in einem bestimmten Bereich hoher Frequenzen reagieren, zeigen sie eine stark nicht lineare dynamische Betätigung, die als “Kreuzklatsch” - Bewegung bezeichnet wird, die durch Simulation vorhergesagt und durch Experimente beobachtet wird. Unsere multifunktionalen Roboter mit weichem Körper können mit externen Magneten laufen, schwimmen, schweben und Fracht transportieren. Weiterhin wird demonstrieren die Bewegung von Janus-Polystyrolpartikel (PS)/Ag/ AgCl-Mikrorobotern vorgestellt, die große Verschiebungen in reinem Wasser unter blauem Licht zeigen, und mögliche Verwendung in menschlichem Speichel, phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) und Rhodamin B (RhB) Lösungen. Finden der auf Janus Ag/AgCl basierende Mikroroboter kann die mittlere quadratische Verschiebung (MSD) in reinem Wasser in 8 s auf einen bemerkenswerten Wert von 800 μm2 steigern, welcher etwa siebenmal höher ist als die zuvor in der Literatur angegebenen MSDWerte für AgCl-basierte Mikroroboter. Es wird zudem eine Untersuchung experimentelle, unter Verwendung numerischer Simulationen, der Bewegung einzelner Janus-Partikel in kleinen (bestehend aus 2 und 3 einzelnen Janus-Partikeln) und großen Clustern (bestehend aus vielen einzelnen Janus-Partikeln) vorgestellt. Die höchsten Bewegungsgeschwindigkeiten und größten MSD-Werte wurden bei einzelnen Janus-Partikeln beobachtet. Mit zunehmender Anzahl von Einzelpartikeln, die einen aktiven Mikroroboter bilden, nehmen die detektierten Geschwindigkeiten und die MSD. Infolge der Aufhebung der Eigenbitgeschwindigkeiten der Janus-Partikelbestandteile aufgrund ihrer zufälligen Anordnung in den Baugruppen ab. Diese Studie kann dazu genutzt werde, umneue Designs von Mikrorobotern mit sichtbarem Licht zu realisieren, welche auf dem Oberflächenplasmonresonanzeffekt (SPR) basieren, sowie fortschrittliche Anwendungen zu entwickeln, die für die biomedizinischen und ökologischen Wissenschaften relevant sind. Anschließend wird eine Reihe von des welche Lichte aktivierende kollektiven Verhaltensweisen zwischen aktiven Ag/AgCl-basierten Mikrorobotern (Einzel-, Doppel-, Dreifach- und Cluster), durch sichtbares und passiven PS-Partikeln in reinemWasser. Bei Beleuchtung mit sichtbarem Licht lösen die Janus-Mikroroboter eine selbstfahrende Bewegung aus und schließen die umgebenden PS-Partikeln aus. Die ausschließliche Wirkung der passiven PS-Partikel ist bei großen Clustern von Janus-Partikeln aufgrund der starken Strömung der Produkte der chemischen Reaktion aus großen Clustern viel stärker als bei einzelnen Mikrorobotern. Dieses komplexe gemischte System mit beweglichen passiven und aktiven Objekten bietet Einblick in den interaktiven Effekt zwischen den PS-Partikeln und bietet vielversprechende Auswirkungen auf den licht aktivierten Antriebstransport und die chemische Erfassung.

Robot Operating System (ROS) ist ein Framework für Robotersteuerung, das die Kommunikation zwischen verschiedenen Robotermodulen ermöglicht. Weiterhin bietet es fertige Lösungen für Vorwärts- und Rückwärtskinematik serieller Roboter. Für parallele Roboter muss die Berechnung der Kinematik in ROS allerdings individuell erfolgen. Diese ist durch lange, verschachtelte Formeln gekennzeichnet, was die Wahrscheinlichkeit für Fehler in der Programmierung erhöht. Hier kommt die geometrische Mathematiksoftware GeoGebra zum Einsatz. Durch die geometrische Modellierung des parallelen Roboters in GeoGebra kann jeder Schritt in der Kinematikberechnung nachverfolgt und mit den Ergebnissen aus der Programmierung in ROS kontrolliert werden. Dadurch können Fehler in den Formeln schneller erkannt und behoben werden. Danach erfolgt die Simulation des parallelen Roboters in der Visualisierungsumgebung von ROS RViz. / Robot Operating System (ROS) is a framework for controlling robots that enables communication between different robot modules. It also provides complete solution for forward and inverse kinematics of serial robots. However, for parallel robots, kinematics calculation must be done individually. These are characterized by long, nested formulas, which increases the likelihood of errors in programming. The geometric mathematics software GeoGebra can be implemented to overcome this problem. By geometrically modelling the parallel robot in GeoGebra, every step in kinematics calculation can be traced and checked against the result from the programming in ROS. This allows errors in the formulas to be detected and corrected more quickly. Then, the parallel robot is simulated in the visualization environment in ROS RViz.