Univ., Diss., 2010--Würzburg.

Thèse EPFL, 2007. / Mit engl. "abstract." Bibliogr.

Universiẗat, Diss., 1999--Freiburg (Breisgau).

Die 3D-Kartierung von Umgebungen spielt in der Robotik eine zunehmend wichtige Rolle. Mit Hilfe von 3D-Sensoren lassen sich dreidimensionale Umgebungen präzise erfassen. Allerdings vermessen selbst hochaufgelöste Scanner Oberflächen nur stichprobenartig. Zudem verbrauchen die gewonnenen Punktwolken viel Speicher. Eine Möglichkeit, die Diskretisierung aufzulösen und die Darstellung zu optimieren, ist, eine polygonale Umgebungsdarstellung aus den Punktdaten zu erzeugen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich komprimierte Polygonkarten automatisch erstellen lassen. Die Oberflächenrekonstruktion basiert auf einem modifizierten Marching-Cubes-Algorithmus. Die mit diesem Verfahren erzeugten Polygonnetze werden durch Optimierungsschritte in eine kompakte Darstellung überführt, die sich für Anwendungen in der Robotik einsetzen lässt, wie anhand von verschiedenen Einsatzbeispielen demonstriert wird.

In vielen industriellen Anwendungen kooperieren mobile Maschinen, um ein gemeinsames Prozessziel zu erreichen. Durch den Transfer von Technologien und Verfahren aus der Robotik agieren einzelne mobile Maschinen in vielen Bereichen bereits (teil)autonom. Der nächste Schritt der Automatisierung erfordert die Koordination von robotischen Systemen zur Erreichung bestimmter gemeinsamer Prozessziele. Um die Kooperation von roboterisierten mobilen Maschinen oder von mobilen Robotern allgemein zu ermöglichen, müssen ihre Pläne raumzeitlich aufeinander abgestimmt werden. In dieser Arbeit wird ein Planungssystem für ein kooperatives Ernteszenario aus dem Anwendungsbereich der Infield-Transportlogistik vorgestellt. In dem Szenario agieren ein Mähdrescher und ein Transportfahrzeug kooperativ, um den Ernte- und Transportprozess effizient ausführen zu können. Ein maschinenübergreifender Planungsschritt optimiert die Logistik des Gesamtprozesses. Ein weiterer, maschinenspezifischer Planungsschritt generiert aus dem gemeinsamen Prozessplan aller Fahrzeuge einen ausführbaren Teilplan für jedes einzelne Feldfahrzeug. Die Pläne werden aufgrund der Online-Problematik des Ernteszenarios während der Prozessausführung bei Bedarf dynamisch neu berechnet. Diese Arbeit zeigt die Umsetzbarkeit raumzeitlicher Planungssysteme für kooperative mobile Roboter in realen Anwendungsszenarien.

This dissertation presents controller design methodologies for a formation of cooperative mobile robots to perform trajectory tracking and convoy protection tasks. Two major problems related to multi-agent formation control are addressed, namely the time-delay and optimality problems. For the task of trajectory tracking, a leader-follower based system structure is adopted for the controller design, where the selection criteria for controller parameters are derived through analyses of characteristic polynomials. The resulting parameters ensure the stability of the system and overcome the steady-state error as well as the oscillation behavior under time-delay effect. In the convoy protection scenario, a decentralized coordination strategy for balanced deployment of mobile robots is first proposed. Based on this coordination scheme, optimal controller parameters are generated in both centralized and decentralized fashion to achieve dynamic convoy protection in a unified framework, where distributed optimization technique is applied in the decentralized strategy. This unified framework takes into account the motion of the target to be protected, and the desired system performance, for instance, minimal energy to spend, equal inter-vehicle distance to keep, etc. Both trajectory tracking and convoy protection tasks are demonstrated through simulations and real-world hardware experiments based on the robotic equipment at Department of Computer Science VII, University of Würzburg. / Diese Dissertation handelt sich um Controller Entwurfsmethoden für eine Bildung von kooperativen mobile Roboter auf Bahnverfolgung und Konvoischutz Aufgaben. Zwei große Probleme zu Multi-Agenten-Formation Steuerung werden angesprochen, nämlich die Zeitverzögerung und Optimalitätsprobleme. Für die Aufgabe der Bahnverfolgung wird eine Leader-Follower-basiertes System für den Reglerentwurf angenommen, in dem die Auswahlkriterien für die Reglerparameter durch Analysen von charakteristischen Polynome abgeleitet werden. Die herauskommenden Parameter sorgen für die Stabilität des Systems und vermeiden die Steady-State Fehler sowie das Schwingungsverhalten unter Zeitverzögerungseffekt. In der Konvoischutz Szenario wird eine dezentrale Koordinationsstrategie zur ausgewogenen Einsatz mobiler Roboter zum ersten Mal vorgeschlagen. Auf der Grundlage dieser Abstimmungsschema werden optimale Reglerparameter in zentrale und dezentrale Weise für den dynamischen Konvoischutz in einem einheitlichen Rahmen erzeugt, in dem verteilten Optimierungstechnik in der dezentralen Strategie angewendet ist. Diese einheitlichen Rahmen berücksichtigt die Bewegung des zuschützenden Ziels, und die gewünschte Systemleistung, zum Beispiel, einen minimalen ausgegebene Energie, und einen gleichen Zwischenfahrzeugabstand, usw. Die Aufgaben der Bahnverfolgung und des Konvoischutzes werden durch Simulationen und realen Hardware-Experimente auf der Basis der Roboterausrüstungen am Institut für Informatik VII, Universität Würzburg demonstriert.

This work is composed of three main parts: remote control of mobile systems via Internet, ad-hoc networks of mobile robots, and remote control of mobile robots via 3G telecommunication technologies. The first part gives a detailed state of the art and a discussion of the problems to be solved in order to teleoperate mobile robots via the Internet. The focus of the application to be realized is set on a distributed tele-laboratory with remote experiments on mobile robots which can be accessed world-wide via the Internet. Therefore, analyses of the communication link are used in order to realize a robust system. The developed and implemented architecture of this distributed tele-laboratory allows for a smooth access also with a variable or low link quality. The second part covers the application of ad-hoc networks for mobile robots. The networking of mobile robots via mobile ad-hoc networks is a very promising approach to realize integrated telematic systems without relying on preexisting communication infrastructure. Relevant civilian application scenarios are for example in the area of search and rescue operations where first responders are supported by multi-robot systems. Here, mobile robots, humans, and also existing stationary sensors can be connected very fast and efficient. Therefore, this work investigates and analyses the performance of different ad-hoc routing protocols for IEEE 802.11 based wireless networks in relevant scenarios. The analysis of the different protocols allows for an optimization of the parameter settings in order to use these ad-hoc routing protocols for mobile robot teleoperation. Also guidelines for the realization of such telematics systems are given. Also traffic shaping mechanisms of application layer are presented which allow for a more efficient use of the communication link. An additional application scenario, the integration of a small size helicopter into an IP based ad-hoc network, is presented. The teleoperation of mobile robots via 3G telecommunication technologies is addressed in the third part of this work. The high availability, high mobility, and the high bandwidth provide a very interesting opportunity to realize scenarios for the teleoperation of mobile robots or industrial remote maintenance. This work analyses important parameters of the UMTS communication link and investigates also the characteristics for different data streams. These analyses are used to give guidelines which are necessary for the realization of or industrial remote maintenance or mobile robot teleoperation scenarios. All the results and guidelines for the design of telematic systems in this work were derived from analyses and experiments with real hardware. / Diese Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: Fernsteuerung mobiler Systeme über das Internet, ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter und Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Im ersten Teil werden ein ausführlicher Stand der Technik und eine Diskussion der bei der Fernsteuerung mobiler Roboter über das Internet zu lösenden Probleme gegeben. Der Fokus der zu realisierenden Anwendung in diesem Teil der Arbeit liegt auf einem verteilten Tele-Labor mit Experimenten zu mobilen Robotern, welche über das Internet weltweit zugänglich sind. Hierzu werden Link-Analysen der zugrundeliegenden Kommunikationsinfrastruktur zu Hilfe genommen, um ein robustes System zu realisieren. Die entwickelte und implementierte Architektur des verteilten Tele-Labors erlaubt einen reibungslosen Zugang auch für Verbindungen mit variabler oder schlechter Linkqualität. Im zweiten Teil werden ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter behandelt. Die Vernetzung mobiler Roboter über mobile ad-hoc Netzwerke ist eine vielversprechende Möglichkeit um integrierte Telematiksysteme zu realisieren ohne auf zuvor existierende Infrastruktur angewiesen zu sein. Relevante Einsatzszenarien im zivilen Bereich sind zum Beispiel Such- und Rettungsszenarien, in denen die Rettungskräfte vor Ort durch vernetzte Multi-Roboter Systeme unterstütz werden. Hier werden dann mobile Roboter, Menschen und gegebenenfalls auch vorhandene stationäre Sensoren schnell und effizient vernetzt. In dieser Arbeit werden dazu verschieden ad-hoc Routing-Protokolle für IEEE 802.11 basierte Drahtlosnetzwerke in relevanten Szenarien untersucht und deren Leistungsfähigkeit verglichen. Die Analyse der verschiedenen Protokolle erlaubt eine Optimierung der Parametereinstellung, um diese ad-hoc Routing-Protokolle zur Fernsteuerung mobiler Roboter nutzbar zu machen. Weiterhin werden Richtlinien zur Realisierung solcher Telematiksysteme erarbeitet und Mechanismen zur Verkehrsformung auf Applikationsebene präsentiert, die eine effizientere Nutzung der vorhandenen Kommunikationskanäle erlauben. Als weiteres Anwendungsbeispiel ist die Integration eines ferngesteuerten Kleinhubschraubers in ein IP basiertes ad-hoc Netz beschrieben. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Die hohe Verfügbarkeit der UMTS-Technologie mit der verbundenen Mobilität und der gleichzeitigen hohen Bandbreite bietet hier eine interessante Möglichkeit um die Fernsteuerung mobiler Roboter oder auch interaktive Fernwartungsszenarien zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden wichtige Parameter der UMTS Verbindung analysiert und auch die Charakteristiken der Verbindung für verschiedene Verkehrsströme ermittelt. Diese dienen dann zur Erstellung von Richtlinien, die zur Umsetzung der interaktive Fernwartungsszenarien oder auch der Fernsteuerung mobiler Roboter nötig sind. Die in dieser Arbeit erstellten Richtlinien zum Entwurf von Telematiksystemen wurden aus Analysen und Experimenten mit realer Hardware abgeleitet.

In diesem Artikel wird ein innovativer Ansatz zur intuitiven, kraftgesteuerten Bahnplanung bei kollaborativen Robotern mithilfe von Augmented Reality (AR)-Technologie vorgestellt. Eine benutzerfreundliche Schnittstelle gewährt dem Bediener die volle Kontrolle über den Roboterarm. Durch die Verwendung eines Mixed-Reality-Head-Mounted Displays (HMD), wird virtueller Inhalt überlagert, was eine nahtlose Interaktion mit dem Robotersystem ermöglicht. Die Schnittstelle liefert umfassende Daten zum Roboterstatus, einschließlich Gelenkpositionen, Geschwindigkeiten und auf den Flansch wirkende Kräfte. Der Bediener kann Bewegungsbefehle im Gelenk- und im kartesischen Raum erteilen, intuitiv Pfade planen und kraftgesteuerte Bewegungen ausführen, indem Kontrollpunkte um ein Objekt festgelegt werden. Visuelles Feedback in Form von Schiebereglern ermöglicht die Anpassung der auf das Objekt wirkenden Kräfte. Diese Schieberegler erlauben eine dynamische und intuitive Kraftregulierung im kartesischen Raum und minimieren die Notwendigkeit umfangreicher Programmierung. Ein virtuelles Robotermodell in der Arbeitsumgebung bietet zudem eine Bewegungsvorschau. Die Schnittstelle zwischen Mensch und Roboter sowie der virtuelle Inhalt werden mithilfe von Unity3D erstellt, während die Datenübertragung durch das Robot Operating System (ROS) erfolgt. Dieser Ansatz bietet eine intuitive und sichere Methode zur Steuerung kollaborativer Roboter. Der vorgeschlagene Ansatz hat Potenzial, die Roboterprogrammierung zu vereinfachen, deren Effizienz zu steigern und die Sicherheit in verschiedenen Anwendungen mit kollaborativen Robotern zu verbessern.

Dieses Paper präsentiert das Forschungsprojekt „Intelligent Camera Unit“ (ICU) der Technischen Hochschule Wildau in Kooperation mit der Beiersdorf AG zur Verbesserung von Portraitaufnahmen in Probandenstudien für Kosmetikprodukte. Das Hauptziel des Projekt besteht darin, Ausrichtungsfehler zu minimieren und die Vergleichbarkeit von Vorher-Nachher-Bildern zu erhöhen. Dies wird durch die Verwendung eines kollaborativen Roboters und KI-gestützter Bildanalyse erreicht, um präzise Ausrichtung und Gesichtspositionen der Probanden zu gewährleisten. Das entwickelte System ermöglicht effiziente und reproduzierbare Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln und Entfernungen und bietet eine benutzerfreundliche, web-basierte Bedienoberfläche.

Univ., Diss.--Osnabrück, 2006.