Einführung in die Robotik

Transkript

1 Einführung in die Robotik Vorlesung 2 30 Oktober 2007 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik WS 2007

2 Was will ich in dieser Vorlesung erreichen? Ich will dass sie eine Grundlage haben um: 1. die Position eines mobilen Roboter zu regeln (Kinematik), 2. die Geschwindigkeit eines mobilen Roboter zu regeln (Dynamik), 3. einen mobilen Roboter zu einem Ziel zu fahren, 4. und die Hindernisse zu vermeiden.

3 Was will ich in dieser Vorlesung erreichen? Durch ein Praktikum kann ein Student lernen, 1. wie man eine praktische Arbeit im Team durchführen soll, 2. wie man eine wissenschaftliche Ausarbeitung schreiben soll, 3. und wie man seine Arbeit Professionell präsentieren soll.

4 Heutiges Thema: - Was ist ein Roboter? - Einsatzgebiete - Autonome Mobile Roboter - Praktikum & HIWI

5 Was ist ein Roboter? Der Begriff Roboter kommt vom slawischen Wort robot (Zwang-) Arbeit übersetzt werden kann. Das erste Auftreten dieses Begriffs ist in dem Theaterstück R.U.R. (Rossum's Universal Robots) zu finden (von Karel Capek 1923).

6 Was ist ein Roboter? Definition der RIA (Robot Institute of America, 1979): a robot is a reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks. Ein Roboter ist ein programmierbares Mehrzweck-Handhabungsgerät für das Bewegen von Material, Werkstücken, Werkzeugen oder Spezialgeräten. Der frei programmierbare Bewegungsablauf macht ihn für verschiedene Aufgaben einsetzbar.

7 Was sind Roboter Heute? Sind sie Arbeitsmaschinen? Sind sie Künstliche Menschen? Kampfmaschinen? denkende Maschinen?

8 Einsatzgebiete

9 Einsatzgebiete Industrie Arm Roboter (von ABB) So ein Roboter ist für einen eindeutigen und repetitiven Arbeitsablauf ausgelegt. Armroboter im Rohbau der Mercedes A-Klasse (KUKA GmbH)

10 Einsatzgebiete Die Roboter erobern jetzt auch das Wohnzimmer! Zwei Roboter-Staubsauger Personal roboter

11 Einsatzgebiete Service Roboter Elder Assistant (FHG IPA- Stuttgart) Service Roboter (Forschungszentrum Informatik-Karlsruhe)

12 Einsatzgebiete Forschung Forschungsroboter können Vulkane oder Abwasserrohre vordringen, und sie können sogar andere Planeten erkunden. Fraunhofer IAIS (Sankt Augustin, Deutschland) Mars Rover (NASA)

13 Einsatzgebiete Medizin Der Vorteil von Robotern in der Medizin ist die Unabhängigkeit von mentalen Einflüssen und natürlich die konstante Arbeitsleistung. Uni Stuttgart

14 Einsatzgebiete Militär So ein Soldat hat keinen Hunger, kriegt keinen Sold, und vor allem kennt keine Angst! Assault TALON (US-Army)

15 Einsatzgebiete Militär Um feindliches Gebiet auszuspionieren werden Roboter (Dronen) genutzt. Drone: MQ-1 Predator UAV (U.S Airforce).

16 Einsatzgebiete Entertainment robots

17 Market Size

18 Asimov's Law Der wichtigste Aspekt in der Robotik ist die Sicherheit für die Menschen. Dazu schlug Issac Asimaov die drei Gesetze der Robotik vor, die wie folgt lauten: 1. Ein Roboter darf keinen Menschen verletzen. 2. Ein Roboter muss den Anweisungen gehorchen, die ihm von Menschen gegeben werden, außer wenn diese dem ersten Gesetz widersprechen. 3. Ein Roboter muss seine eigene Existenz solange zu sichern versuchen, wie dies nicht dem ersten oder zweiten Gesetz widerspricht.

19 Autonome Roboter

20 Was ist ein autonomer Roboter? Autonom bedeutet, dass der Roboter ohne externe Unterstützung in seiner Umgebung funktionieren kann. Je nach Einsatzumgebung kann die Autonomie in verschiedene Grade unterteilt werden.

21 Wo sind wir in 2007? High Autonomie Medium Wir sind irgendwo here! low low Medium High Komplexität der Umgebung

22 Klassifikation von Robotern Es gibt insgesamt zwei Hauptgruppen von Robotern, welche in unterschiedlichen Gebieten eingesetzt werden. Stationäre Roboter Mobile Roboter

23 Was ist ein Stationäre Roboter? Wie der Name schon sagt, ein stationärer Roboter ist an einem festen Punkt gebunden. Industrie Roboter (ABB)

24 Was ist ein mobiler Roboter? Mobile Ein Roboter wird mobile genannt, wenn er in seiner Umgebung (Land, Wasser, Luft) bewegen kann. Bewegungsarten: Fahren, Laufen, Fliegen, Schwimmen usw.

25 Fahren Laufen Roboter Stanley (Standford- Univ USA) Fliegen ASIMO (Honda) Schimmen Technische Uni-Berlin MIT- Institute (USA)

26 Autonome Mobile Roboter

27 Steuerungsarchitekturen Sense-Plan-Act Behavior-based Strategy

28 Sense-Plan-Act Welt Sensoren Plan Aktoren Welt

29 Autonome Mobile Systeme Navigation Sense-Plan-Act Welt Sensoren Sensordaten erfassen Weltmodel Planen Agieren Aktoren Welt

30 Autonome Mobile Systeme Navigation Sense-Plan-Act Auf der Grundlage des Weltmodells können optimale Lösungen gefunden werden Alle Module sind voneinander abhängig (wenn ein Module ausfällt, das gesamte System fällt aus) Veränderungen der Umgebung erfordern Anpassung des Weltmodells.

31 Let see a short History Shakey ( , Stanford Research Institute USA) First AI robot Leave in a world of blocks Model based - Modell-Abhängig - Langsame Reaktion

32 Roboter Shakey Video

33 Nutzt eine Biene eine Sense-Plan- Act Strategie um ihre Umgebung zu erkunden? Wahrscheinlich nicht! Höchstwahrscheinlich nutzt sie einfache reactive behaviors Strategie um komplexe Verhalten zu erzeugen.

34 Behavior-based Robotics (Brooks, MIT Lab 1986) PLAN SENSE ACT SENSE-ACT couplings are called behaviors SENSE ACT Behaviors are independent, and run in parallel SENSE ACT

35 Behavior-based Robotics Einfache reactive behaviors können ein komplexes Behavior erzeugen. Welt Sensoren Sensordaten erfassen Hindernis vermeiden Zielanfahren Objekterkennen Verhaltensfusion Aktoren Welt

36 Behavior-based Robotics Fahren Motors Das Verhalten Fahren bewegt den Roboter Vorwärts.

37 Behavior-based Robotics Ultraschall, Laser Avoid Fahren Arbiter Motors Das Verhalten Avoid : Wenn ein Hindernis nah ist, Stop und dann mit 90 Grad umdrehen.

38 Behavior-based Robotics Bumper Ultraschall, Laser Escape Avoid Arbitration Techniques - Fixed priority - Random priority Fahren Arbiter Motors Das Verhalten Escape : Stop, 50 cm Rückwärtsfahren, und dann 90 Grad umdrehen.

39 Behavior-based Robotics kein Weltmodell ist notwendig Einfacher Entwurf und Implementierung, da jede Ebene für sich betrachtet werden kann. Robust: die Ebenen sind voneinander unabhängig. Pläne und Optimierungen sind schwer zu implementieren

40 Genghis (Massachusetts Institute of Technology) Behavior based control Brooks, Rodney A. A Robot That Walks; Emergent Behaviors from a Carefully Evolved Network MIT AI Lab Memo 1091, February beiniger Roboter Dezentrale Steuerung Aus den einzelnen Reaktionen setzt sich die Fortbewegung zusammen

41 Roboter Genghis Video

42 Beispiel für autonome mobile Roboter Grand DARPA Challenge Meilen (212.4 km) Fahrerlos (autonom) durch die Wüste 2 Millions $ Preisgeld vom Pentagon In 23 Teams nur 5 Teams erreichten das Ziel!

43 Roboter an der Neuroinformatik Uni-Ulm Eve: der indoor Roboter

44 Roboter an der Neuroinformatik Uni-Ulm Stanislav der zweite Indoor Roboter

45 Roboter an der Neuroinformatik Uni-Ulm RoboCup

46 Roboter an der Neuroinformatik Uni-Ulm Der Humanoid-Roboter

47 Praktikum & HIWI

48 PRAKTIKUM I Neural Fields for Multi-Robot, Multi-Target tracking control (2 Studenten) Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Navigationsystem mit Hilfe von Neuronale Felder zur Steuerung unserer Indoor Robotern (Bild) entworfen und implementiert. Zuerst sollen die Roboter mit Hilfe von Neuronalefelder einen Zielpunkt erreichen, eine Formation beibehalten, und Kollisionen mit Hindernissen oder miteinander vermeiden. Dann müssen die Roboter in der Lage sein, mehrere Ziele gleichzeitig zu verfolgen. Anwendungen: Überwachung, Rettung,. Betreuer: Dr. Mohamed Oubbati (mohamed.oubbati@uni-ulm.de) Co-Betreuer: Dipl. Inf. Ulrich Kaufmann (ulrich.kaufmann@uni-ulm.de)

49 PRAKTIKUM II reinforcement learning for acquiring a target while avoiding obstacles Betreuer: Dr. Mohamed Oubbati (mohamed.oubbati@uni-ulm.de)

50 PRAKTIKUM III Motion control for a humanoid robot: balance and stability in the motion Betreuer: Dr. Mohamed Oubbati (mohamed.oubbati@uni-ulm.de)

51 HIWI-Stelle Dieser Roboter muss erstmal repariert werden, und dann für die Human-Robot- Interaction angepasst werden. Betreuer: Dr. Mohamed Oubbati Co-Betreuer: Dipl. Inf. Ulrich Kaufmann