SGA ASSPA SSAC BULLETIN

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1 Schweizerische Gesellschaft für Automatik Association Suisse pour l Automatique Swiss Society for Automatic Control SGA ASSPA SSAC BULLETIN Nr. 46 Robotik von der Gegenwart zur Zukunft Editorial Sehr geehrte Mitglieder schon ist wieder ein neues Jahr angebrochen und damit ist es auch wieder Zeit Ihnen ein Bulletin schmackhaft zu machen. Ich bin seit dem Erscheinen des letzten Bulletins auf dem Gebiet der Robotik nicht untätig geblieben und kann ihnen nun eine Palette von Artikeln präsentieren, die an den spielerischen Einstieg ins Gebiet der Robotik anknüpfen. Die Artikel sind im Bulletin so gruppiert, dass diese sich vom spielerischen Einstieg schrittweise entfernen und über Beiträge von Unternehmen zu Zukunftsvisionen von Anwendungen hinsteuern. Die zwei letzten Artikel sind zwar auf englisch, sollten aber vielleicht gerade deswegen auch gelesen werden. Der Anfang macht nochmals ein Artikel über einen Einstieg in die Robotik mit einem von der Hochschule für Technik Rapperswil entwickelten Spielroboter, dem «Gecko». Aus derselben Schule stammt der nächste Beitrag, der ein erfolgreich abgeschlossenes KTI- Industrieprojekt mit der Firma Feller AG vorstellt, dem Roboter mit dem «Griff in die Kiste». Die nächsten zwei Industriebeiträge beschreiben Roboter oder roboterähnliche Tools, die vielfach bewährt in der Praxis ihre Tauglichkeit gezeigt haben. Der erste, von der Firma Neuronics AG, vorgestellte Industrieroboter «Katana», ist ein Allrounder, der sehr vielfältig eingesetzt werden kann. Sein Hauptmerkmal ist, dass er ohne Schutzabschrankungen eingesetzt werden kann und damit für flexible Einsätze äusserst beliebt ist. Der zweite Industriebeitrag der Firma «Rosen Gruppe» gibt einen Abriss über die von ihnen entwickelten Inspektionsroboter. Die «Rosen Gruppe» produziert höchst interessante Roboter und roboterähnliche Tools für die Inspektion und Reinigung von Tanks und Pipelines, um das einwandfreie Funktionieren der Öl- und Gasversorgung zu gewährleisten. Zum Schluss möchte ich Ihnen zwei zukunftsorientierte Arbeiten von der EPFL vorstellen, die in der «Swarm-Intelligent Systems Group» durchgeführt werden. Beide befassen sich mit vielversprechenden Anwendungen von mobilen Robotern, die alleine oder in Verbänden arbeiten können. Der erste Roboter kann riechen und hat somit die Fähigkeit, z. B. chemische Explosionsstoffe, wie sie in Personenminen verwendet werden, ausfindig zu machen. Die zweite mobile Roboteranwendung betrifft nochmals die Inspektion: diesmal von Turbinen, deren Inneres ebenfalls durch einen Verband von kleinen mobilen Robotern auf Schäden untersucht werden. Ich hoffe, Sie mit diesem Menüvorschlag hungrig gemacht zu haben und dass Ihnen die einzelnen Gänge schmecken werden. Mit freundlichen Grüssen Peter Gruber Kontakt Dr. Peter Gruber Rittmeyer AG Inwilerriedstr Baar peter.gruber@rittmeyer.com Internet: Inhalt Editorial 1 Kletterroboter dem Gecko aus der Natur abgeschaut 2 Der Griff in die Kiste 4 Katana Automatisieren leicht gemacht 6 Roboter in der Pipelineinspektion 9 Odor Source Localization with Mobile Robots 11 The Autonomous Inspection of Complex Engineered Structures 15 Informationen, Impressum 20

2 Seite 2 von 20 Aus den Schulen Kletterroboter dem Gecko aus der Natur abgeschaut Aus dem Mechatronik-Labor der Hochschule für Technik Rapperswil hört man es Zischen und Rumoren, unterbrochen von herzhaftem Gelächter von Schülerinnen und Schülern. Insider erkennen sofort: Es finden wieder Roboter-Schnuppertage statt. Bereits seit mehreren Jahren wird diese Veranstaltung durchgeführt. Sie ist eine Zusammenarbeit des Institutes für Mechatronik und Automatisierungstechnik (IMA) und der Fachstelle für die Gleichstellung sowie der Berufsberatung. Primär richten sich die Roboter- Schnuppertage an Sekundar- und Berufsschulen und dauern ein bis zwei Tage. Anhand des faszinierenden und anschaulichen Themas «Roboter» sollen Schülerinnen und Schüler auf die Technik neugierig und auf entsprechende Berufe aufmerksam gemacht werden. Ziel ist es, den Sekundarschülerinnen und Sekundarschülern einen Input zur Berufswahl zu geben und ihre Berufsperspektiven zu erweitern. Teamarbeit mit Mechanik/Elektronik/technischer Informatik Wichtigster Bestandteil der Schnuppertage ist das Arbeiten und Experimentieren in Zweieroder Dreiergruppen. Zu Beginn erhalten die Schülerinnen und Schüler einen ersten Einblick in das Thema Robotertechnik. Anschliessend lernen sie die Kletterroboter näher kennen und sammeln erste Erfahrungen im Bereich der Programmierung. Da sich diese Roboter ähnlich wie die natürlichen Geckos bewegen, heissen sie im Labor auch «Gecko». Nach mehreren Versuchen und Anpassungen klettern dann die «Geckos» nach oben und auch wieder nach unten und sie können sich auch mit allen Vieren an Ort festhalten wie ein erfahrener Kletterer. Ein voller Erfolg für alle! Kontakt Patrick Marchion Institut für Mechatronik und Automatisierungstechnik IMA Hochschule für Technik Rapperswil HSR ima@hsr.ch Internet: Abb. 1: Teamarbeit beim Programmieren Abb. 2: Eine Schülerin mit dem «Gecko» Unterschiede zwischen Natur und Technik Der «Gecko» besteht aus einer Trägerplatte aus Kunststoff, an der alle mechanischen Teile befestigt sind. Die Bewegung der Beine erfolgt durch kleine Pneumatikzylinder an der Unterseite dieser Platte. Durch Saugnäpfe und Vakuum findet der «Gecko» Halt an allen glatten Oberflächen. Der Aufbau des «Geckos» sieht auf den ersten Blick sehr einfach aus. Bei genauerer Betrachtung sind jedoch einige Hürden zu überwinden, wie beispielsweise das Gewicht: die Kraft der Zylinder muss genügend gross sein, um über die Hebelarme das Gewicht des «Geckos» nach oben zu tragen. Würde man einfach einen grösseren Zylinder einsetzen wollen, würde das wiederum zu einem grösseren Gewicht führen.. Quelle: Wikipedia Quelle: S. Gorb Max-Planck-Gesellschaft Abb. 3 Die Geckos bevölkern seit ungefähr 50 Millionen Jahren die Erde. Bis heute sind rund 100 Gattungen bekannt. Im Gegensatz zu unserem «Gecko» nutzt der Gecko NICHT das Vakuumprinzip, sondern die allgegenwärtige van der Waals-Kraft.

3 Seite 3 von 20 Die beiden Vakuumerzeuger arbeiten nach dem Venturi-Prinzip. Damit sich der «Gecko» festhalten kann, ist folglich ein ständiger Druckluftstrom notwendig. Die Steuerung der Bewegungen des «Gecko» wird auf dem PC programmiert. Dank der grafischen Programmieroberfläche ist das Programmieren rasch erlernt und alle Teilnehmenden können nun einfach die Steuerung der Bewegungsabläufe entsprechend ihren Überlegungen vorgeben oder zusätzliche Funktionen hinzufügen. Das fertige Programm kann zur Überprüfung am Bildschirm simuliert werden, bevor es an die LOGO-Steuerung übermittelt wird. Von dort aus werden die mit Druckluft versorgten Magnetventile angesteuert. Das Schaltprogramm entspricht somit dem Gehirn des «Gecko» mit dem Unterschied, dass der technische «Gecko» nichts anderes als klettern kann. Ein richtiger Gecko könnte damit nicht lange überleben! Im Laufe der Arbeiten können aufgrund der Vielseitigkeit der «Geckos» auch die Themata Bedienungsfreundlichkeit, Sicherheit, Zuverlässigkeit usw. behandelt werden. Neben den «Geckos» werden auch «Rohrmäuse» eingesetzt. Sie können in einem Rohr auf- und abwärts klettern, indem sie sich abwechslungsweise mit den Armen und Beinen festklemmen und dazwischen den Körper länger bzw. kürzer machen. Eine praktische Einsatzmöglichkeit liegt in der Inspektion von Rohrleitungen. Abb. 4: Mit den Vakuumerzeugern und den Saugnäpfen kann der Kletterroboter auch glatte Fensterflächen hochklettern, ähnlich wie sein tierischer Verwandter.

4 Seite 4 von 20 Aus den Schulen für die Praxis Der «Griff in die Kiste» Das automatische Greifen von nicht geordneten Teilen ist eine der grossen Herausforderungen bei Montage- und Bearbeitungsaufgaben. Der am IMA entwickelte mechatronische Greifer ist so aufgebaut, dass er verschiedenartige Teile erkennen und ohne Umrüstung auch greifen kann. Oft werden Teile für die Montage als Schüttgut in Kisten angeliefert. Sie müssen dann mühsam vereinzelt und anschliessend von einem Handlingsystem oder Roboter gegriffen werden. Die Montage von Hand ist oft zu teuer, so dass Arbeitsplätze und damit auch knowhow - ins Ausland verlagert werden. Ausserdem muss für verschiedene Teile i.a. der Greifer gewechselt werden, wodurch zusätzliche Zeit für pick&place-aufgaben verloren geht. Deshalb wurde am Institut für Mechatronik und Automatisierungstechnik der HSR ein Greifsystem mit integrierter Sensorik für die Firma Feller AG entwickelt. Das Projekt wurde von der KTI unterstützt. Kontakt Prof. Heinz Domeisen Institut für Mechatronik und Automatisierungstechnik IMA Hochschule für Technik Rapperswil HSR heinz.domeisen@hsr.ch Internet Abb. 5: All diese Teile sollen automatisch zusammengesetzt werden Der patentierte Greifer ist das Herzstück der Anlage; er wurde am IMA komplett neu entwickelt, da auf dem Markt kein anderes System mit vergleichbaren Eigenschaften gefunden werden konnte. Mit einem integrierten, ausfahrbaren Vakuumsauger kann er sogar Trennkartons aus den Behältern nehmen. Dank dieser hohen Flexibilität entfällt ein zeitraubender Werkzeugwechsel und die ganze Einrichtung erfordert keinen zusätzlichen Platz.

5 Seite 5 von 20 Abb. 6: Der IMA-Greifer mit Sensoren (links) und Greifmatrix (unten) Abb. 7: Verzerrung der Teilegeometrie im Kamerabild Das Greifsystem kann sich automatisch an die Lage der Teile anpassen, so dass auch schief liegende Teile gegriffen werden können. Das Greif-Prinzip basiert auf einer beweglichen Stiftmatrix. Stifte «mit Gefühl» detektieren das Teil beim Berühren und lösen den Greifvorgang aus. Dieser kann je nach Anforderungen sowohl von innen als auch von aussen erfolgen. Doch mit Mechanik alleine ist eine so hohe Flexibilität nicht zu erreichen, daher ist der Greifer mit «Intelligenz» bepackt. Mit einer Kamera wird die Situation in der Kiste analysiert und mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Es werden diejenigen Teile gesucht, die für das Greifen optimal liegen. Ein Tiefenmesssystem auf Ultraschallbasis liefert weitere Informationen über die Lage der Teile. Das Erkennen der Teile ist deshalb besonders anspruchsvoll, da durch die Schräglage: die Geometrie für das BV-System verzerrt erscheint (Kreis wird zu Ellipse) zusätzliche Kanten sichtbar werden gewisse Teile der Geometrie durch andere Teile verdeckt sein können Schatten durch andere Teile entstehen das Greifen durch die umliegenden bzw. darunter liegenden Teile erschwert wird Die gesamte Anlage wird durch mehrere vernetzte Rechner gesteuert. Damit kann ein Auftrag direkt von übergeordneter Stelle ausgelöst werden. Durch die Kombination von Baugruppen, die optimal aufeinander abgestimmt sind, ist das System in der Lage, ohne Änderung alle acht Teiletypen zu greifen. Somit können auch kleine Losgrössen kostengünstig produziert werden. Abb. 8: Schematische Darstellung der Anlage

6 Seite 6 von 20 Aus den Unternehmen Katana - Automatisieren leicht gemacht Das Schweizer Unternehmen Neuronics AG ist ein international führender Anbieter von intelligenten und menschennahen Automationslösungen. Das Hauptprodukt, der rund 5 kg leichte Katana, ist ein intelligenter Helfer, der ohne Schutzabschrankungen eingesetzt werden darf. Unternehmen aus verschiedensten Branchen automatisieren mit diesem Roboterarm weltweit vielfältige Aufgaben. In diesem Beitrag werden das Anwendungsprinzip sowie die Unterschiede gegenüber herkömmlichen Industrierobotern beschrieben und einige Einsatzgebiete aufgezeigt. Einleitung Industrieroboter haben grosse Teile der Produktion in den letzten Jahrzehnten revolutioniert. Das deutlichste Beispiel ist die Automobilindustrie, wo Roboter Tag und Nacht für eine Vielzahl von Prozessen bei Zulieferern und im Hauptwerk im Einsatz sind. Hingegen begegnet man auch heute im Alltag relativ selten einem Roboter. Dies könnte sich in Zukunft drastisch ändern. Grund dafür sind neue Technologien, die erlauben, die Systeme sowohl ungefährlich als auch genau so einfach wie Automaten zu machen. Langweilige und ungesunde Arbeiten werden immer mehr von künstlichen Agenten übernommen werden. Nebst Steigerungen in Industrieanwendungen werden gemäss Studien der internationalen Robotervereinigung IFR Anwendungen in der sogenannten Servicerobotik stark zunehmen. Für diese mobilen Anwendungen von Robotern sind hochentwickelte Sensorik, Lernfähigkeit und Sicherheit gefordert. Neuronics hat, basierend auf Ansätzen der künstlichen Intelligenz, neuartige Roboterarme entwickelt, die sowohl vor Ort (zum Beispiel bei einer Bearbeitungsmaschine) als auch mobil einsetzbar sind. Dank Polsterungen, Niedrigstspannung, limitierten Geschwindigkeiten und Kräften wird er als sicher eingestuft, um direkt mit dem Menschen in Berührung zu kommen. Dadurch werden verschiedenste Anwendungen möglich, die bisher nur vom Menschen selbst erledigt werden konnten, oder bei denen sich bis anhin die Automatisierung nicht gerechnet hat. Der Greifarm Katana darf - basierend auf einer umfassenden Risikoanalyse, die von Electrosuisse durchgeführt wurde - ohne zusätzliche Schutzvorrichtungen direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten. Dadurch ist er für den Einsatz in Produktion, Montage, Qualitätsprüfung und vielen weiteren Anwendungen eine äusserst interessante Automatisierungslösung. Sie lässt sich meist bereits bei kleinen, sich ständig wechselnden Losgrössen rechnen und oft in kurzer Zeit amortisieren. Technische Beschreibung Mit bis zu 6 Freiheitsgraden und einer Vielzahl von Greifarmkonfigurationen, Greiferlösungen sowie Standard-Zubehör erlaubt Katana die schnelle und flexible Lösung der meisten Problemstellungen im Rahmen der angegebenen Reichweite, Präzision und Nutzlast. Auf einer mobilen Plattform montiert, wird Katana zum idealen Helfer bei verschiedensten Servicerobotik-Anwendungen. Katana bildet für viele Anwendungen eine Komplettlösung. Leistungs- und Steuerelektronik, Controlboard und Sensorik sind voll integriert und benötigen keinen zusätzlichen Stauraum. Das leistungsfähige Controlboard bietet die simultane Kommunikation mit allen Prozessoren, ermöglicht den stand-alone Echtzeitbetrieb und besitzt einen integrierten Webserver. Die für Industrieanwendungen konzipierte Software Katana4D ermöglicht eine einfache Bedienung des Roboters, welche das Führen von Hand mittels Joystick und/oder via Sprachkommandos optional mit einschliesst. Vorkenntnisse in einer anderen Programmiersprache sind nicht notwendig. Der Anwender kann Programme in einer Skript-Sprache und per Teach-in auf einfache Weise erstellen. Für das Teach-in der Positionen und Bewegungen führt man den Roboter typischerweise von Hand an die gewünschten Stellen und nimmt, bei Bedarf, einfach per Mausklick eine Feinpositionierung vor. Sämtliche Programmierbefehle stehen in einer übersichtlichen Programmbibliothek zur Verfügung. Ein Programm-Assistent erstellt die Anwenderprogramme automatisch. Kontakt Neuronics AG Technoparkstrasse 1 CH-8005 Zürich Tel Fax info@neuronics.ch Internet:

7 Seite 7 von 20 Technische Daten KATANA Antrieb DC-Motoren mit Positionsencodern Wiederholgenauigkeit ± 0.1 mm Freiheitsgrade 4 bis 6 Arbeitsradius bis 60 cm (Radius) Konstruktion Aluminium eloxiert Gewicht 4.3 kg Nutzlast 500 g Leistung max. 96 W(24 V/4 A) Geschwindigkeit 90 /sec. - alle Gelenke gleichzeitig Prüfung/Norm CE-konformEN 12100, EN Standard-Schnittstellen Digital I/O Sensoren/Aktoren Ethernet Modbus (zusätzliche I/O- und SPS-Anbindung) USB LAN Soft Stop USV C++ Schnittstelle Unterstützung von Python (Skriptsprache) Anwendungen Die Akzeptanz für Roboterlösungen ist oft noch bescheiden. Dies nicht zuletzt, weil herkömmliche Industrieroboter hohe Investitionskosten nicht nur in die Roboter selbst, sondern auch in die Einrichtung des Arbeitsplatzes inklusive Montagesockel und Schutzzäunen erforderten. Dagegen arbeitet Katana recht ähnlich wie der Mensch, und, ungefährliche Greifwerkzeuge und Greifobjekte vorausgesetzt, ohne wesentliche Gefahren. Katana wird von KMU's bis hin zu Grossunternehmen, wie Unilever, Mettler-Toledo, BMW, Maxon, Intel oder Phonak, weltweit eingesetzt. Es zeigt sich, dass in beinahe jedem Unternehmen Arbeitsprozesse mittels Katana rentabel automatisiert werden können. Die drei momentanen Hauptanwendungsfelder werden nachfolgend kurz beschrieben. Abb. 9: Handarbeitsplatz mit Katana Abb. 10: Beschicken einer Widerstandsschweissanlage

8 Seite 8 von 20 Pick & Place bei Bearbeitungsmaschinen Bearbeitungsmaschinen stehen überall: In Fabriken, Gewerbebetrieben, ja selbst in Dienstleistungsunternehmen. Insbesondere in kleinere und mittelgrosse Bearbeitungsmaschinen werden Teile noch sehr oft von Hand eingelegt und entnommen. Die Gründe sind einerseits die Kosten, andererseits auch die geforderte hohe Flexibilität und der Einschulungsaufwand. All diese Punkte können mit einer Katana-Lösung auf einem Niveau gehalten werden, das sich schnell rechnet: kein zusätzlicher Platzbedarf, Teach-in auf denkbar einfache Weise und hohe Flexibilität sowohl was Umstellung auf einen andern Arbeitsplatz wie auch Durchführen verschiedener Anwenderprogramme betrifft. Katana ist heute u.a. an Schweiss-, Stanz-, Dreh-, Biege-, Etikettier-, Schleif- und Spritzgussanlagen im Einsatz. Ausführen von Prüfaufgaben Ein zweites Anwendungsgebiet sind Prüfaufgaben. Ob Voll- oder Auswahlprüfung, meist ist das Handling für Prüfzwecke sehr monoton: Die Prüfung dauert eine bestimmte Zeit (von Sekunden bis über eine Minute), welche abgewartet werden muss. Zudem bedingt die nachfolgende Ablage der Prüfstücke Konzentration: gute und schlechte Proben müssen fehlerfrei separiert werden. Für solche monotonen Arbeiten ist der Mensch nur für kurze Zeiten ideal einsetzbar. Lösungen mit dem Kleinroboter Katana hingegen können während 24 Stunden stets die gleiche Zuverlässigkeit an den Tag legen. Anwendungen in der sich rasant entwickelnden Service-Robotik Ob in grossen Restaurant-Betrieben, Reinigungsinstituten, Spitälern, Rehabilitationszentren, auf der Erdbeer-Plantage oder im Wohnbereich: die mobilen Roboteranwendungen sind im Kommen. Für viele Aufgaben benötigt der intelligente, fahrbare Untersatz auch Manipulatoren. Katana ist auch dafür eine interessante Wahl, da dieser Manipulator auch im Batteriebetrieb arbeiten kann. Zudem besitzt er ein eigenes Betriebssystem und lokale Intelligenz, sodass die Programmierung auf dem mobilen Roboter minimal gehalten werden kann. Weitere Anwendungsgebiete Roboter von Neuronics werden auch für Forschung und Ausbildung in der Schweiz und auf der ganzen Welt eingesetzt. Neue Anwendungsgebiete umfassen das Handling von Lebensmitteln, monotone Arbeiten im IT- Bereich (z.b. Einlegen von CDs oder Austausch von Sicherungsdisketten), als Endaktuator für Fernsteuerungen über Internet sowie Montagearbeiten in direkter Zusammenarbeit mit Menschen am gleichen Arbeitsplatz. Diese Vielfalt von Anwendungen zeigt das enorme Anwendungspotenzial für die Zukunft auf, gleichzeitig aber auch die grossen Herausforderungen zur Markterschliessung und ständigen Weiterentwicklung der Technologien.

9 Seite 9 von 20 Aus den Unternehmen Roboter in der Pipelineinspektion Einleitung Pipelines haben sich als der mit Abstand sicherste Transportweg für Gas und Flüssigkeiten erwiesen. Weltweit existiert ein Netz von über 2.5 Millionen Kilometern Länge, und jedes Jahr kommen weitere km hinzu. Allerdings beeinträchtigen chemische und mechanische Belastungen die Integrität der mit Drücken bis zu 200 bar betriebenen Pipelinesysteme. Die ROSEN Gruppe betreibt weltweit Pipelineinspektionen, und ist mit über 1000 Mitarbeitern aus 36 Nationen Marktführer. Die dazu notwendige Technik wird in den Forschungszentren in Deutschland und der Schweiz komplett eigenentwickelt. Aktuelle Inspektionstechnik Die Inspektionsgeräte, sogenannte Molche, sind mit Sensoren zur Detektion von Korrosion, Rissen und Beulen ausgestattet, und werden vom Medium einige hundert Kilometer durch die Pipeline getrieben. Alle Messdaten werden dabei für die nachfolgende Auswertung aufgezeichnet. Kontakt Markus Hermes Research & Development ROSEN Swiss AG Obere Spichermatt Stans Tel: Internet: Ein solcher Molch ist in Abb. 11 zu sehen. Dieser hat einen Durchmesser von ca. 1,5 Metern und ein Gewicht von mehreren Tonnen. Mehr als 2000 in Umfangsrichtung verteilte Sensoren vermessen ein mittels Dauermagneten in die Pipelinewand eingebrachtes Magnetfeld und lassen es zu, bei einem Samplingabstand von nur 2 mm Wandstärkeverluste der Pipeline genauestens bestimmen. Zur Illustration: Die innerhalb lediglich eines Kilometers erfasste Fläche entspricht dabei ungefähr der Grösse eines Fussballfeldes. Durch ein mitgeführtes inertiales Messystem auf Basis von Faserkreiseln erhalten alle gefunden Ereignisse ihre entsprechenden dreidimensionalen Koordinaten. Damit ist z.b. eine spätere Lokalisierung mittels GPS gewährleistet. Eine aktive Beipassregelung ermöglicht das Halten einer vor dem Lauf eingestellten Fahrtgeschwindigkeit, die weit unter der des umgebenden Mediums liegt. Ansonsten wäre der Pipelinebetreiber gezwungen den Durchsatz zu verringern, damit der niedrige Samplingabstand erreicht wird. Auch ohne tiefer in die Technik einsteigen zu wollen, lassen bereits an diesem Molch drei Felder anspruchsvoller Regeltechnik aufzeigen: Aktive Geschwindigkeitskontrolle Kalman Filterung in der Auswertung der inertialen Messdaten On-Time Kompression der Sensordaten in Abhängigkeit von, Geschwindigkeit und Pipelinewandbeschaffenheit. Abb. 11: Molch zur Detektion von Metallverlusten, bei gleichzeitiger 3D Lagevermessung des Pipelineverlaufs und aktiver Geschwindigkeitskontrolle

10 Seite 10 von 20 Modulare Komponenten Die Inspektionsgeräte der ROSEN Gruppe bestehen grundsätzlich aus den drei unabhängigen, aber zu einem Gesamtsystem integrierten Komponenten Mechanik (Carrier), Sensorik und Control. Dieser Ansatz hat sich Vergangenheit in dreierlei Hinsicht bewährt. 1. Erhöhte Flexibilität bei der Zusammenstellung eines Tools entsprechend der individuellen Anforderungen an die Pipeline. 2. Erhöhte Zuverlässigkeit durch komponentenbasiertes Testen und klar definierte Schnittstellen. 3. Erhöhte Effizienz in der Forschung und Entwicklung, durch ein optimales Strukturieren der Forschungsfelder. Abb. 12: Das grundlegende modulare Konzept Robotik in der Pipelineinspektion Ein Grossteil des weltweiten Pipelinenetzes ist nicht mit der oben beschriebenen, etablierten Technik inspizierbar. Die Gründe dafür sind u.a. starke Durchmesseränderungen der Pipeline, «Sackgassen», Abzweigungen oder vertikale und mediumfreie Abschnitte. ROSEN begegnet diesen Anforderungen mit der Entwicklung selbstangetriebener, flexibeler Geräte. Es ist klar, dass eine solche Lösung mit Strategien für die Bewegung und den Sensoreinsatz ausgestattet werden muss. Das ursprüngliche Konzept wurde deshalb um eine Robotic-Komponente erweitert. Die Anforderung an das «Robotik-Control» sind hierbei Wegfindung Lokale Strategien: Verlassen/Einfahren von Abzweigungen, Sackgassen, Globale Strategien: Wie soll die gesamte Pipeline inspiziert werden mit Blick auf die Trajektorie, alten Inspektionsergebnissen, Medium, individuellen Anforderungen Sensoreinsatz Strategien zur detaillierten Untersuchung frisch entdeckter Ereignisse Auswahl der richtigen, mitgeführten Sensorik Abb. 13: Das modulare Robotik - Konzept Das Robotik Test System (RTS) und RoFloat Der RTS wurde speziell für den Einsatz in vertikalen Entlüftungspipelines konzeptioniert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Entwicklung ist der Kompetenzaufbau im Feld Robotik.

11 Seite 11 von 20 Inspection Unit Battery and Electronic Unit Tractor Units Abb. 14: Das Robotik Test System Das Gerät ist selbstangetrieben, und in der Lage die Pipeline bidirektional zu passieren. Der «Robotic-Control» ist in sogenannte «SMART-Module» für Prozessing, Datenverwaltung und Datenspeicherung unterteilt (Abb. 15) Kern des Systems ist eine Power PC Einheit unter einem QNX Betriebssystem. Abb. 15 ROSEN «SMART Module» Dieselben Module finden in RoFloat, einem freischwimmenden Gerät zum Auffinden von Leckagen in Wasserpipelines Verwendung (Abb. 16) Abb. 16: RoFloat beinhaltet dieselben elektronischen Komponenten wie der RTS RoFLoat orientiert sich anhand der Daten einer inertialen Messeinheit und einer Wirbelstromsensorik. Undichte Stellen in der Pipeline erzeugen signifikante Geräuschmuster. Diese werden über mitgeführte Hydrophone erfasst und aufgezeichnet. Zusammenfassung Die Erweiterung der Inspektionstechnik um den Bereich Robotik ist bei ROSEN nur folgerichtig und geschieht strategisch durch einen evolutionären Erfahrungsaufbau. Das etablierte Konzept der modulare Inspektionstechniken unterstützt dies durch die im Text genannten Vorteile. Wesentliches Ziel der jetzigen Forschung und Entwicklung ist der Aufbau einer Kernkompetenz für autonome, selbstangetriebene Inspektionsgeräte. Dies geschieht übrigens ausschliesslich am Forschungsstandort Stans in der Zentralschweiz.

12 Seite 12 von 20 Aus der Forschung Odor Source Localization with Mobile Robots Because of their excellent olfactory sense, dogs are often used to find bombs, mines, drugs, or people buried by avalanches. For such applications, autonomous mobile robots could be used in the future. Electronic sensors already exist for a wide variety of substances, and are still being actively researched. Mobile robots are an important area of research, too. But beyond a good sensor and a suitable robotic platform, a third component is required: odor source localization algorithms and due to the complex propagation of odor molecules in the air, tracking down odor sources is still a big challenge. The sense of smell is very important for many animals. Olfaction is used for scavenging and inspection, mating, recognition, hunting, and avoiding predators. Humans also use smells in their daily lives, though their senses are much less acute than those of dogs or rats [1]. Largely due to this special ability, these animals are often used in search and rescue operations, at airports or border controls to search for drugs or explosives, and for humanitarian de-mining. In mobile robotics, olfaction has not yet been widely used. Recently, however, many electrochemical sensors are being researched and developed which may allow this to change. In addition to general-purpose sensors for the detection of alcohol, harmful gases, and air contaminants, there are also sensors for the detection of explosives. The highest quality current sensors can even rival the sensitivity of a dog's nose. Such sensors, if deployed on a suitable platform, could replace the dog in many applications. In future search and rescue operations, for example, small robots could be used to find human bodies or hazardous substances. Other potential applications include humanitarian de-mining, bomb detection after threats or alerts, or even simply locating leakages in industrial plants. These applications all have a common structure: one or several sources are constantly releasing molecules, which are then dispersed in the air by mainly advective flows (wind). The goal is to find the source by sniffing air at various places, and perhaps measuring the wind. While this may sound like a relatively easy task, odor source localization is actually quite challenging. The complex structure of plumes in the air Air movements exist at all scales. Large and strong eddies (air currents) are perceived as wind and tend to transport air in one principal direction. The smaller, sometimes barely perceptible, eddies, however, additionally stir the air in an unpredictable way. Odor molecules follow this airflow and are thus spread in an irregular, packet-like fashion. This can be observed over a smoking chimney, for example. When traversing such a field, high concentrations (odor packets) may be measured right next to very low concentrations. These patterns are also highly unstable and change rapidly. In addition, changing wind conditions can transport the chemicals in different directions. This is called meandering, and is a unique feature of odor plumes; such effects don t exist in sound or light waves. Furthermore, intermittent sources may yield an even more complicated distribution. Inspiration from biology A robot tracing such a plume measures a highly irregular signal, as described. Sporadic peaks appear when its sensor encounters an odor packet, rendering gradient-based search techniques essentially useless. All is not lost, though, as we can see several examples in biology of natural systems that have developed methods for approaching this problem. Insects such as moths, for example, fly in a zigzag pattern towards their mating partners. What they are doing is a repeated lateral traversal of the odor plume coming from their potential partner, advancing a little bit upwind with each crossing. Ants use the same strategy when they follow pheromone trails. Using an algorithm such as this, a robot is also able to locate an odor source [2]. The time required to localize the source is mainly dependent on the upwind angle choosing a steep upwind angle yields a higher upwind speed (and therefore a higher speed towards the source), but lowers robustness to plume meandering. Kontakt Thomas Lochmatter Xavier Raemy Alcherio Martinoli thomas.lochmatter@epfl.ch xavier.raemy@epfl.ch alcherio.martinoli@epfl.ch Swarm-Intelligent Systems Group École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

13 Seite 13 von 20 However, this trade-off can be optimized with adaptive strategies. To account for the irregularity of the signal, a robot considers itself to have left the plume only after not encountering any packets for a given time; thereby, ignoring transient decreases in measured concentration. Another algorithm, also inspired by animal behavior, is called the spiral surge algorithm [3]. Here, the robot moves along a outward spiral path until it perceives a certain concentration and then moves straight upwind. As soon as it looses the scent, it starts spiraling again. The size of the spiral can be decreased when moving closer to the source. Even though distance to the source is usually not known, it can sometimes be estimated with the amplitude of the concentration peaks and the spatiotemporal intervals between them. Both the spiral surge and the zigzag algorithm work reasonably well in environments with sufficient wind flow. In calm environments, however, these algorithms in their original version are noticeably less effective. Beyond modified versions of the spiral surge algorithm, approaches using plume mapping have been studied. The robot first systematically traverses the environment to measure concentration at various points. The sources can then be localized on the resulting concentration map. If time allows, the robot may traverse the environment several times so that the concentrations can be averaged and the map quality consequently enhanced. a) Source b) Source Abb. 17: Zigzagging (a) and spiral surge (b) are two bioinspired odor source localization algorithms for single-robot systems. Another, rather indirect, approach consists of avoiding the odor instead of following it [4]. Observing the robot trajectory can then highlight potential source locations to investigate. Odor source localization with a swarm of robots A critical characteristic of odor source localization algorithms is energy consumption, which is largely determined by the time it takes to find the source and the distance traveled. Time can also be a constraint in itself in many applications, especially those in the field of security. To speed up the search, multi-robot systems have been proposed [3]. By deploying several robots, the time required to find the first odor packet (first hit) can often be significantly reduced, and if the robots communicate with each other and collaborate, the time to track the plume to its source can be decreased as well. Futhermore, multi-robot systems provide a greater robustness against hardware failures.

14 SGA Bulletin Nr. 46 Februar 2007 Seite 14 von 20 Multi-robot systems for odor source localization have not been well studied so far, but are now the topic of a research project funded by the Swiss National Center of Competence in Research on Mobile Information & Communications Systems (NCCR-MICS) and carried out by the Swarm-Intelligent Group (SWIS) at EPFL. To test multi-robot algorithms, the researchers are using Khepera III robots (K-Team SA, Yverdon) that have been equipped with an odor sensor (MicroChemical Systems SA, Corcelles), a smoke sensor, and a wind sensor. Air is sniffed with a miniature pump and delivered to the odor or the smoke sensor, which closely resembles the respiration systems of humans or animals. These robots, despite being just 12 cm in diameter, are running an embedded distribution of Linux and can communicate through an ad hoc WLAN b network. The odors used for experimentation are alcohol vapors, smoke, and water vapor. In the near future, experiments will be carried out in a wind tunnel at EPFL. Since the conditions in the wind tunnel can be closely controlled, experiments can be repeated with various algorithms and parameters. This allows comparison of different algorithms under the same setup and the same conditions. For these experiments, ten such robots will be used, so as to study the impact of collaborative approaches on system performance. The algorithms themselves, though, are scalable, and could one day be just as easily deployed in a swarm consisting of hundreds or thousands of robots, depending on the number of sources, the area to search and the desired localization speed. Applications and outlook The field of potential applications for odor source localization algorithms is vast. In principle, robots could one day perform all the same search tasks that are currently carried out with dogs or other trained animals. However, locomotion over complex terrain is still largely an open challenge in the current state of mobile robotics; significant additional developments will be necessary before disaster area applications become feasible. Applications in simpler environments (e.g. buildings), though, could soon be possible. Abb. 18: A Khepera III robot with the odor and wind sensor modules (prototype). References [1] [2] [3] [4] G. S. Settles. Sniffers: Fluid-Dynamic Sampling for Olfactory Trace Detection in Nature and Homeland Security. Journal of Fluids Engineering, vol. 127, p , Wei Li and Jay A. Farrell and Ring T. Cardé. Tracking of Fluid-Advected Odor Plumes: Strategies Inspired by Insect Orientation to Pheromone. Journal of Adaptive Behavior, vol. 9, number 3-4, p , A. T. Hayes, A. Martinoli and R. M. Goodman. Distributed Odor Source Localization. IEEE Sensors Journal, vol. 2, number 3, p , June Achim J. Lilienthal and Tom Duckett. Experimental Analysis of Gas-Sensitive Braitenberg Vehicles. Advanced Robotics Journal, vol. 18, number 8, p , December 2004.

15 Seite 15 von 20 Aus der Forschung A Challenging Application in Swarm Robotics: The Autonomous Inspection of Complex Engineered Structures Swarm robotics is a relatively new paradigm for the coordination of multiple robots solely based on local interactions using simple individual robotic nodes. Originally inspired by the intriguing capabilities of natural swarms such as termites, wasps, and ants which are capable of complex tasks such as nest building, brood sorting, or routing for optimal foraging, swarm robotics has the potential to become a full-fledged engineering discipline. Research in swarm robotics is still in its infancy, however, and the main question of how to design an individual robot for achieving a desired behavior on the swarm level is still unsolved to a large extent. This, together with the engineering challenges associated with building robust autonomous miniature robots, has so far prevented swarm robotics from finding concrete commercial applications. Turbine Inspection A potential application is the inspection of complex engineered structure such as turbines from the inside [1] (Figure Abb. 19 and Abb. 20). Turbines are the critical element in power plants and jets, where they face extreme wear and tear. Down-time however leads to considerable cost and safety problems. In order to ensure economical and safe operation, turbines need to be inspected visually using borescopes at regular intervals a process that might be handled automatically in the future, for instance by embedding self-actuated sensors that perform inspection when the turbine is idle. Kontakt Nikolaus Correll Alcherio Martinoli nikolaus.correll@epfl.ch alcherio.martinoli@epfl.ch Swarm-Intelligent Systems Group École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Abb. 19: A photo montage of a Pratt&Whitney PW4000 turbo-fan engine and the 2D mock-up system used at the Swarm-Intelligent System group. The location of the superposition indicates the targeted section of the engine to be inspected.

16 Seite 16 von 20 Abb. 20: A close-up on the compressor section of a medium-size jet turbine engine. The distance between blades is approximately four centimeters. Developing such a system comprises three engineering thrusts: miniaturization of sensors and actuators, control of distributed hybrid systems, and sensor fusion for providing information to a human operator. All three domains are limited by the necessary miniaturization in terms of energy, sensing, actuation, and computation, which in turn rules out certain control approaches in particular those that require rich sensor information and perform extensive reasoning. This requires in turn departure from common engineering ground and investigation of algorithms from a probabilistic perspective, where discrete robot controllers (Finite State Machines) and continuous distributions (Probability Density Functions) form a distributed hybrid system. Finally, commands by human users that address properties on the swarm level need to be synthesized into control inputs to the individual robots. Notice that our research currently does not take into account the upside-down locomotion problem imposed by a real, cylindrical turbine. There exists however miniature robots that successfully solve this problem using magnetic or sticky wheels, and various researchers are currently investigating bio-inspired fibrillar structures such as those that can be found on the feet of Geckos. Moreover, the inspection task is highly parallelizable and any multi-robot solution implies considerable speed-up. Experimental Setup Sponsored by the Swiss National Science Foundation, the Swarm-Intelligent Systems Group at the École Polytechnique Fédérale Lausanne developed a test-bed involving 40 custom-made miniature robots operating in a simplified 2D turbine environment (Figure Abb. 21), which can be analyzed by an overhead vision system. Although aiming to eventually prototype a real turbine inspection system, experiments conducted so far rather contribute to the development of a general methodology for formal analysis and synthesis of swarmrobotic systems. Besides being necessary milestones, these findings cross-fertilize the development of other potential application domains for swarm-robotic systems (coverage, surveillance, and search tasks, for example). In particular, we were able to show how the modeling and design process of a swarm-robotic system can be assessed using standard automatic control methods, namely system identification [2] and optimal control [3], respectively.

17 Seite 17 von 20 Hardware development Designing a self-locomoting platform that fits the size constraints imposed by the turbine environment (inter-blade distances less than a few centimeters, see Figure Abb. 20), while providing sufficient sensing and communication sub-systems for inspection and reporting, is still a major challenge. The Alice, a miniature robot (2cm x 2cm x 2cm) driven by two watch motors and endowed with four infra-red sensors for obstacle avoidance (3cm range), was developed by G. Caprari at the Autonomous Systems Laboratory, EPFL (now located at ETH Zürich) and serves as a baseline for our system. We developed a 2.4 GHz wireless, ZigBee -compliant, radio module that is controlled by a dedicated CPU running TinyOS, an emerging operating system standard for wireless sensor networks (Figure Abb. 22). Abb. 21: A simple 2D mock-up of a turbines interior, which allows us for modeling and designing swarm coordination, independently from the upside-down locomotion problem. Image Alain Herzog. Abb. 22: The miniature robot Alice endowed with a 2.4GHz wireless communication device.

18 Seite 18 von 20 In integrating radio communication into a small platform such as the Alice, high-frequency (HF) analog design and power consumption (around 60 mw for the radio, compared to 15mW for basic operation of the robot) are major challenges. Currently, we are also prototyping a camera that will occasionally transmit low resolution images (30x30 pixels, RGB color) to a supervisor computer. Also here, energy consumption is the bottleneck as the onboard battery of the Alice is only providing around 90mW peak, and thus prohibits the concurrent use of motors, radio communication, and camera. The hardware architecture, which fits well into a volume of 2cm x 2cm x 3cm (including motors and battery) is summarized in Figure Abb. 23. Abb. 23: Block-Diagram of the inspection platform endowed with 2 watch motors for differential drive, a 2.4GHz ZigBeeTM- compliant wireless radio, a VGA camera, and three microcontrollers connected by an I 2 C twowire bus. System analysis and synthesis In order to derive properties such as stability and completeness of the coverage process, analytical models for describing swarm performance are necessary. Unfortunately, swarm robotics cannot be analyzed using classical methods due to its distributed nature and the large amount of noise (from inaccurate sensors and minimalist hardware actuators). We tackle this problem by modeling on the one hand the (probabilistic) population dynamics of the swarm, i.e. the average ratios of robots within a certain state, and on the other hand the spatial distribution of the swarm in the environment in terms of a spatial probability density functions. Model parameters are determined by a system identification process [2], which consists of analysis of experiments involving one or several robots. The resulting system of difference equations can then be used for predicting the behavior of the entire swarm, and can consequently be used in a model-based/optimal control framework. Whereas promising results exist that formulate the swarm-robotics control problem as an optimal control problem, analysis of such systems is still in its infancy and further research in this direction is necessary. Human-Swarm Interfaces and Sensor Fusion In order for humans or high-level agents to interact with a swarm as a whole without bothering about the individual control of its members, techniques have to be developed which provide this synthesis automatically. In the inspection case study, individual agents form a network of sensors whose data needs to be fused and presented to the user as if read from a single sensor (i.e. snapshots of the turbine s interior). On the other hand, tasks have to be defined in terms of swarm rather than individual behavior, raising the need for synthesis methodologies for generating individual behaviors out of given complex behaviors at the collective level. For instance, a task might be defined in terms of the sensor coverage to be achieved, leading to closed-loop control based on the actual sensor coverage of the swarm.

19 Seite 19 von 20 Although the individual robots are not able to localize themselves in the turbine environment, we are planning on exploiting the measurements of the distance sensors as well as the odometry readings of each robots in order to reconstruct every robot s trajectory in the a priori known environment. Then, images recorded by the robots can be mapped on a CAD model of the turbine, eventually leading to a complete, three-dimensional snapshot of the turbine s inside. Conclusion and Outlook Although commercially available swarm-robotic inspection systems are still dreams of the future, on-going research is able to push the boundary of robotic miniaturization, analysis, and control. These findings in turn might enable other applications for swarm robotics, where constraints are less severe, such as inspection of cargo holds, tanks, or industrial facilities, where inspection by a robot swarm might soon become reality. Abb. 24: Realistic, sensor-based simulation in Webots (Cyberbotics S.a.r.l., Lausanne). Webots allows us to explore particular sensor and actuator configurations prior to implementing them in real hardware as well as gathering systematic experimental data for validating system modeling and identification. References [1] Correll N., Cianci C., Raemy X., and Martinoli A., «Self-Organized Embedded Sensor/Actuator Networks for Smart Turbines». Proc. of the IEEE/RSJ IROS 2006 Workshop on Networked Robotic Systems, Beijing, China, October, [2] Correll N. and Martinoli A., «System Identification of Self-Organizing Robotic Swarms». Proc. of the Eight Int. Symp. on Distributed Autonomous Robotic Systems, July 2006, Minneapolis/St. Paul, MN, U.S.A. Distributed Autonomous Robotic Systems 7 (2006), pp [3] Correll N. and Martinoli A., «Towards Optimal Control of Self-Organized Robotic Inspection Systems», Proc. of the Eight IFAC Int. Symp. on Robot Control, September 2006, Bologna, Italy, paper No. R-035.

20 Seite 20 von 20 Informationen - Termine GV Vorankündigung 30. Mai 2007 Der Termin für die diesjährige Generalversammlung ist der 30. Mai Vor der GV besteht die Möglichkeit das AKW Beznau zu besichtigen. Die Details wie zeitlicher Ablauf, Anreise etc. werden wir Ihnen so bald wie möglich per Mail mitteilen. Bei der Besichtigung wird eine Anmeldung erforderlich sein. Bitte halten Sie sich schon heute der Termin frei. Bitte beachten: Termin GV: 30. Mai 2007 Beginn 17Uhr, Besichtigung ca Uhr Call for Papers Alle uns bekannten Call for Paper werden auf der WEB Seite der SGA unter Call for Paper bekannt gegeben. Robotik im Unterricht für 10 bis 20-jährige - Voraussichtlicher Termin 22. Sept Es ist geplant, die im September 06 unter dem Patronat der SGA in Bern erfolgreich durchgeführte erste schweizerische Robo-Lab-Konferenz zu wiederholen. Eine Folgeveranstaltung ist im September 07 terminiert. Das Call for Paper wird auf der WEB Seite publiziert Veranstaltungen befreundeter Organisationen IFAC Symposium, Automatic Control in Aerospace, Juni 2007, Toulouse France Informationen unter aca th IFAC World Congress, Juli 2008, Seoul Korea Informationen unter Intern. Conference on «Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing (AMCTM 2008) Juni 2008, Paris In eigener Sache Das SGA Bulletin vermittelt Informationen zum Thema Automatik. Vielleicht können auch Sie Beiträge liefern, Lernmodule erstellen oder Inserate vermitteln? Falls Sie Ideen haben, wie das Wirkungsumfeld der SGA verstärkt werden kann, melden Sie sich beim Sekretariat. Sie finden das Bulletin auf der WEB Seite der SGA und haben die Möglichkeit es farbig auszudrucken. Geben Sie uns Ihre neue Adresse bekannt! Helfen uns Kosten zu sparen. sekretariat@sga-asspa.ch Impressum Das Bulletin erscheint viermal jährlich und wird den Mitgliedern per zugestellt. Es ist für PDF und Bildschirm optimiert. Die gedruckte Version erscheint daher nicht im doppelseitigen Layout. Redaktion Gestaltung Auflage Dr. Peter Gruber SGA Sekretariat Christl Vogel 150 Exemplare Redaktionsschluss für Bulletin Nr Mai 2007 Herausgeber Schweizerische Gesellschaft für Automatik Association Suisse pour l Automatique Swiss Society for Automatic Control Adresse SGA Sekretariat Christl Vogel Eggwilstr. 16a CH.9552 Bronschhofen Tel. +41 (0) Fax: +41 (0) sekretariat@sga-asspa.ch