Zugl.: Frankfurt (Main), Univ., Diss., 2006

Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009

Universiẗat, Diss., 2002--Bremen.

Techn. University, Diss., 2006--Darmstadt.

Mobile autonomous robotics in outdoor areas is a challenging task. This domain combines many fields like computer science and electrical engineering. This diploma thesis will show how Miro (Middleware for Robots) has been ported to a new mobile robot platform developed at the Institute for Automation at Chemnitz University of Technology. Additionally, security aspects will be covered, that arise because CORBA is used as middleware, which is an open standard and by default implements no communication security between server and client. Three approaches to solve this problem will be discussed.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung von Mensch-Roboter Interaktion in Mensch-Roboter Teams für Teleoperation Szenarien, wie z.B. robotergestützte Feuerwehreinsätze. Hierbei wird ein Konzept und eine Architektur für ein System zur Unterstützung von Teleoperation von Mensch-Roboter Teams vorgestellt. Die Anforderungen an Informationsaustausch und -verarbeitung, insbesondere für die Anwendung Rettungseinsatz, werden ausgearbeitet. Weiterhin wird das Design der Benutzerschnittstellen für Mensch-Roboter Teams dargestellt und Prinzipien für Teleoperation-Systeme und Benutzerschnittstellen erarbeitet. Alle Studien und Ansätze werden in einem Prototypen-System implementiert und in verschiedenen Benutzertests abgesichert. Erweiterungsmöglichkeiten zum Einbinden von 3D Sensordaten und die Darstellung auf Stereovisualisierungssystemen werden gezeigt. / This work deals with teams in teleoperation scenarios, where one human team partner (supervisor) guides and controls multiple remote entities (either robotic or human) and coordinates their tasks. Such a team needs an appropriate infrastructure for sharing information and commands. The robots need to have a level of autonomy, which matches the assigned task. The humans in the team have to be provided with autonomous support, e.g. for information integration. Design and capabilities of the human-robot interfaces will strongly influence the performance of the team as well as the subjective feeling of the human team partners. Here, it is important to elaborate the information demand as well as how information is presented. Such human-robot systems need to allow the supervisor to gain an understanding of what is going on in the remote environment (situation awareness) by providing the necessary information. This includes achieving fast assessment of the robot´s or remote human´s state. Processing, integration and organization of data as well as suitable autonomous functions support decision making and task allocation and help to decrease the workload in this multi-entity teleoperation task. Interaction between humans and robots is improved by a common world model and a responsive system and robots. The remote human profits from a simplified user interface providing exactly the information needed for the actual task at hand. The topic of this thesis is the investigation of such teleoperation interfaces in human-robot teams, especially for high-risk, time-critical, and dangerous tasks. The aim is to provide a suitable human-robot team structure as well as analyze the demands on the user interfaces. On one side, it will be looked on the theoretical background (model, interactions, and information demand). On the other side, real implementations for system, robots, and user interfaces are presented and evaluated as testbeds for the claimed requirements. Rescue operations, more precisely fire-fighting, was chosen as an exemplary application scenario for this work. The challenges in such scenarios are high (highly dynamic environments, high risk, time criticality etc.) and it can be expected that results can be transferred to other applications, which have less strict requirements. The present work contributes to the introduction of human-robot teams in task-oriented scenarios, such as working in high risk domains, e.g. fire-fighting. It covers the theoretical background of the required system, the analysis of related human factors concepts, as well as discussions on implementation. An emphasis is placed on user interfaces, their design, requirements and user testing, as well as on the used techniques (three-dimensional sensor data representation, mixed reality, and user interface design guidelines). Further, the potential integration of 3D sensor data as well as the visualization on stereo visualization systems is introduced.

This work focuses on coordination methods and the control of motion in groups of nonholonomic wheeled mobile robots, in particular of the car-like type. These kind of vehicles are particularly restricted in their mobility. In the main part of this work the two problems of formation motion coordination and of rendezvous in distributed multi-vehicle systems are considered. We introduce several enhancements to an existing motion planning approach for formations of nonholonomic mobile robots. Compared to the original method, the extended approach is able to handle time-varying reference speeds as well as adjustments of the formation's shape during reference trajectory segments with continuously differentiable curvature. Additionally, undesired discontinuities in the speed and steering profiles of the vehicles are avoided. Further, the scenario of snow shoveling on an airfield by utilizing multiple formations of autonomous snowplows is discussed. We propose solutions to the subproblems of motion planning for the formations and tracking control for the individual vehicles. While all situations that might occur have been tested in a simulation environment, we also verified the developed tracking controller in real robot hardware experiments. The task of the rendezvous problem in groups of car-like robots is to drive all vehicles to a common position by means of decentralized control laws. Typically there exists no direct interaction link between all of the vehicles. In this work we present decentralized rendezvous control laws for vehicles with free and with bounded steering. The convergence properties of the approaches are analyzed by utilizing Lyapunov based techniques. Furthermore, they are evaluated within various simulation experiments, while the bounded steering case is also verified within laboratory hardware experiments. Finally we introduce a modification to the bounded steering system that increases the convergence speed at the expense of a higher traveled distance of the vehicles. / Diese Arbeit befasst sich mit Methoden zur Bewegungskoordination und Regelung in Gruppen autonomer, nichtholomer Fahrzeuge, wobei vornehmlich autoähnliche mobile Roboter betrachtet werden. Diese Fahrzeuge sind besonders eingeschränkt in ihrer Bewegungsfreiheit. Im Hauptteil der Arbeit werden die Probleme der Formationsbewegung und des Rendezvous in Gruppen verteilter Fahrzeuge betrachtet. Für ein bestehendes Verfahren zur Bewegungsplanung für Formationen nichtholonomer, mobiler Fahrzeuge werden eine Reihe von Verbesserungen vorgestellt. Diese ermöglichen dem erweiterten Verfahren den Umgang mit Referenztrajektorien mit nicht-konstanter Geschwindigkeit und stetig differenzierbarer Krümmung. Außerdem werden im Gegensatz zum ursprünglichen Ansatz unerwünschte Sprungstellen in den Geschwindigkeits- und Krümmungsprofilen der Fahrzeuge vermieden. Desweiteren wird in dieser Arbeit das Schneeräumen auf Flughafenrollfeldern mittels Formationen autonomer Schneepflugfahrzeuge diskutiert. Dabei werden Lösungen für die Teilprobleme Bewegungsplanung der Formationen und Spurführungsregelung der einzelnen Fahrzeuge vorgestellt. Zusätzlich zu den durchgeführten Simulationen werden außerdem die Ergebnisse von Hardwareexperimenten mit der entwickelten Spurführungsregelung präsentiert. Das Rendezvous-Problem in Gruppen autoähnlicher Roboter besteht darin, die Fahrzeuge durch dezentrale Regelgesetze zu einer gemeinsamen Position in der Ebene zu bewegen. Dabei besteht typischerweise keine direkte Interaktionsverbindung zwischen allen Fahrzeugen der Gruppe. In dieser Arbeit werden verteilte Rendezvous-Regelgesetze für Fahrzeuge mit unbeschränktem und mit beschränktem Lenkwinkel eingeführt und deren Konvergenzeigenschaften mit Methoden zur Stabilitätsanalyse nicht-linearer Systeme untersucht. Die vorgestellten Regelsysteme werden weiterhin anhand von Simulationen und Hardwareexperimenten verifiziert. Schließlich wird noch eine Erweiterung des Systems für Fahrzeuge mit beschränktem Lenkwinkel vorgestellt, welches die Konvergenzgeschwindigkeit auf Kosten der zurückgelegten Distanz der Fahrzeuge erhöht.

In den letzten Jahren ist die Forschung in der Robotik soweit fortgeschritten, dass die Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmend die kritischste Komponente für eine hohe Gesamtperformanz von Systemen zur Navigation und Koordination von Robotern wird. In dieser Dissertation wird untersucht wie Mixed-Reality Technologien für Nutzerschnittstellen genutzt werden können, um diese Gesamtperformanz zu erhöhen. Hierzu werden Konzepte und Technologien entwickelt, die durch Evaluierung mit Nutzertest ein optimiertes und anwenderbezogenes Design von Mixed-Reality Nutzerschnittstellen ermöglichen. Er werden somit sowohl die technische Anforderungen als auch die menschlichen Faktoren für ein konsistentes Systemdesign berücksichtigt. Nach einer detaillierten Problemanalyse und der Erstellung eines Systemmodels, das den Menschen als Schlüsselkomponente mit einbezieht, wird zunächst die Anwendung der neuartigen 3D-Time-of-Flight Kamera zur Navigation von Robotern, aber auch für den Einsatz in Mixed-Reality Schnittstellen analysiert und optimiert. Weiterhin wird gezeigt, wie sich der Netzwerkverkehr des Videostroms als wichtigstes Informationselement der meisten Nutzerschnittstellen für die Navigationsaufgabe auf der Netzwerk Applikationsebene in typischen Multi-Roboter Netzwerken mit dynamischen Topologien und Lastsituation optimieren lässt. Hierdurch ist es möglich in sonst in sonst typischen Ausfallszenarien den Videostrom zu erhalten und die Bildrate zu stabilisieren. Diese fortgeschrittenen Technologien werden dann auch dem entwickelten Konzept der generischen 3D Mixed Reality Schnittselle eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine integrierte 3D Darstellung der verfügbaren Information, so dass räumliche Beziehungen von Informationen aufrechterhalten werden und somit die Anzahl der mentalen Transformationen beim menschlichen Bediener reduziert wird. Gleichzeitig werden durch diesen Ansatz auch immersive Stereo Anzeigetechnologien unterstützt, welche zusätzlich das räumliche Verständnis der entfernten Situation fördern. Die in der Dissertation vorgestellten und evaluierten Ansätze nutzen auch die Tatsache, dass sich eine lokale Autonomie von Robotern heute sehr robust realisieren lässt. Dies wird zum Beispiel zur Realisierung eines Assistenzsystems mit variabler Autonomie eingesetzt. Hierbei erhält der Fernbediener über eine Kraftrückkopplung kombiniert mit einer integrierten Augmented Reality Schnittstelle, einen Eindruck über die Situation am entfernten Arbeitsbereich, aber auch über die aktuelle Navigationsintention des Roboters. Die durchgeführten Nutzertests belegen die signifikante Steigerung der Navigationsperformanz durch den entwickelten Ansatz. Die robuste lokale Autonomie ermöglicht auch den in der Dissertation eingeführten Ansatz der prädiktiven Mixed-Reality Schnittstelle. Die durch diesen Ansatz entkoppelte Regelschleife über den Menschen ermöglicht es die Sichtbarkeit von unvermeidbaren Systemverzögerungen signifikant zu reduzieren. Zusätzlich können durch diesen Ansatz beide für die Navigation hilfreichen Blickwinkel in einer 3D-Nutzerschnittstelle kombiniert werden – der exozentrische Blickwinkel und der egozentrische Blickwinkel als Augmented Reality Sicht. / With the progress in robotics research the human machine interfaces reach more and more the status of being the major limiting factor for the overall system performance of a system for remote navigation and coordination of robots. In this monograph it is elaborated how mixed reality technologies can be applied for the user interfaces in order to increase the overall system performance. Concepts, technologies, and frameworks are developed and evaluated in user studies which enable for novel user-centered approaches to the design of mixed-reality user interfaces for remote robot operation. Both the technological requirements and the human factors are considered to achieve a consistent system design. Novel technologies like 3D time-of-flight cameras are investigated for the application in the navigation tasks and for the application in the developed concept of a generic mixed reality user interface. In addition it is shown how the network traffic of a video stream can be shaped on application layer in order to reach a stable frame rate in dynamic networks. The elaborated generic mixed reality framework enables an integrated 3D graphical user interface. The realized spatial integration and visualization of available information reduces the demand for mental transformations for the human operator and supports the use of immersive stereo devices. The developed concepts make also use of the fact that local robust autonomy components can be realized and thus can be incorporated as assistance systems for the human operators. A sliding autonomy concept is introduced combining force and visual augmented reality feedback. The force feedback component allows rendering the robot's current navigation intention to the human operator, such that a real sliding autonomy with seamless transitions is achieved. The user-studies prove the significant increase in navigation performance by application of this concept. The generic mixed reality user interface together with robust local autonomy enables a further extension of the teleoperation system to a short-term predictive mixed reality user interface. With the presented concept of operation, it is possible to significantly reduce the visibility of system delays for the human operator. In addition, both advantageous characteristics of a 3D graphical user interface for robot teleoperation- an exocentric view and an augmented reality view – can be combined.

Die Modellfabrik der FH Münster erlaubt durch den Umfang und die Komplexität der enthaltenen Automatisierungsaufgaben sowie einen Aufbau aus industriellen Komponenten eine praxisnahe Lehre im Bereich aktueller Anlagenautomatisierung und darüber hinausgehenden Funktionen im Sinne einer durchgängigen Digitalisierung. Die verwendete Unterscheidung der durchgängigen Digitalisierung in horizontale und vertikale Verknüpfungen wird veranschaulicht. Aufbauend auf Erfahrungen mit der Vorgängeranlage werden Neuerungen der 2021 aufgebauten neuen Modellfabrik vorgestellt. Neuerungen umfassen insbesondere die Modularisierung der Anlage, das umgesetzte Sicherheitskonzept, einen Webshop mit Onlinekonfigurator, eine Webvisualiserung des Anlagenzustandes inklusive der Energieverbräuche, sowie Möglichkeiten zur virtuellen Inbetriebnahme. Weiterhin wird das aktuelle Konzept zur Erweiterung der horizontalen digitalen Durchgängigkeit mittels der Einbindung eines autonomen mobilen Roboters in die Modellfabrik vorgestellt.

Die Modellfabrik der FH Münster erlaubt durch den Umfang und die Komplexität der enthaltenen Automatisierungsaufgaben sowie einen Aufbau aus industriellen Komponenten eine praxisnahe Lehre im Bereich aktueller Anlagenautomatisierung und darüber hinausgehenden Funktionen im Sinne einer durchgängigen Digitalisierung. Die verwendete Unterscheidung der durchgängigen Digitalisierung in horizontale und vertikale Verknüpfungen wird veranschaulicht. Aufbauend auf Erfahrungen mit der Vorgängeranlage werden Neuerungen der 2021 aufgebauten neuen Modellfabrik vorgestellt. Neuerungen umfassen insbesondere die Modularisierung der Anlage, das umgesetzte Sicherheitskonzept, einen Webshop mit Onlinekonfigurator, eine Webvisualiserung des Anlagenzustandes inklusive der Energieverbräuche, sowie Möglichkeiten zur virtuellen Inbetriebnahme. Weiterhin wird das aktuelle Konzept zur Erweiterung der horizontalen digitalen Durchgängigkeit mittels der Einbindung eines autonomen mobilen Roboters in die Modellfabrik vorgestellt.