VisuellbasierteRobotik StandundPerspektiven einertechnologie. Prof.Dr.G.Sommer. Christian{Albrechts{UniversitatKiel

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1 VisuellbasierteRobotik StandundPerspektiven einertechnologie Prof.Dr.G.Sommer Dipl.{Inform.J.Bruske Dr.K.Daniilidis Dr.J.Pauli Christian{Albrechts{UniversitatKiel TechnologiestiftungSchleswig{Holstein imauftragder Marz1996

2 1Einleitung Inhaltsverzeichnis 2GegenwartigerStand 2.1Anwendungsgebiete::::::::::::::::::::::::::::::: GebotefurdenEinsatzvonRobotern::::::::::::::::: Funktionsprinzipien::::::::::::::::::::::::::::::: BestandteilevonRobotersystemen:::::::::::::::::: VisuellbasiertesManipulieren::::::::::::::::::::: KategorienderRoboterautonomie::::::::::::::::::: VisuellbasiertesFortbewegen::::::::::::::::::::: AktivevisuelleWahrnehmung:::::::::::::::::::::20 2.3BewertungdesEntwicklungsstandes:::::::::::::::::::::: FunktionaleModularisierungvonRobotern:::::::::::::: RoboterrelevantesMaschinensehen:::::::::::::::::: EntwicklungsstanddesRoboterlernens:::::::::::::::: EntwicklungsstanddervisuellbasiertenRobotik::::::::::: EntwicklungsstanddesRobotersehens::::::::::::::::: RoboterrelevantesMaschinenlernen::::::::::::::::::42 3SehendeRobotersystemealsPerspektive 3.1EinigeSzenarien:::::::::::::::::::::::::::::::::59 2.4KommerzielleundwissenschaftlicheProdukte:::::::::::::::: AutomatisierteUnterstutzungvonBehinderten::::::::::: AutomatisierungvonTeleoperationen::::::::::::::::: AutomatisiertesBefordernvonGegenstanden:::::::::::: FusionvonRobotik,MaschinensehenundNeuroinformatik::::::::: KonzeptionderverhaltensbasiertenModularisierung::::::::: RechentechnischeVoraussetzungen::::::::::::::::::68 1

3 3.3VisuellbefahigteRobotersysteme::::::::::::::::::::::: PerspektivefurdasRobotersehen:::::::::::::::::::71 3.4VisuelleInformations{Management{Systeme::::::::::::::::: MobilesehendeRoboteralsPerspektive::::::::::::::: ManipulierendesehendeRoboteralsPerspektive::::::::::: BinokulareKameraplattformenalsPerspektive:::::::::::: VisuelleInformationssystemeundBild{Datenbanken:::::::: VideobasierteInformationssysteme:::::::::::::::::: AutonomesSehen,FortbewegenundManipulieren::::::::::78 4RealisierungsehenderRobotersysteme Index 4.1RealisierungschancenundErfordernisse::::::::::::::::::::82 4.2SituationundChanceninSchleswig{Holstein:::::::::::::::::87 Literatur

4 zuschaen,daesanseinerstelleunangenehmeodergefahrlichearbeitenodertatigkeitenverrichtenkonne.einejudischesageberichtet,daderinpraglebenderabbilow imjahre1580einegolemgenanntetongurschuf.eswardertschechischeschriftsteller KarelCapek,derindererstenHalftediesesJahrhundertsmitdemTheaterstuckRossum'sUniversalRobotsdiesemMenschheitstraumseinenheutegebrauchlichenNamen schuftenoderschwerarbeitensteht.motivierendfurcapekwardieuberwindungindi- gab:roboter.dieserbegrileitetsichausdemslawischenverbrobotaab,dasfurfronen, 1Einleitung WahrscheinlichtraumtderMenschseitjeherdavon,sicheinderartigkomplexesWerkzeug nungsfeldvonsciencefictionundstanddererkenntnisbeziehungsweisestanddesmach- barenstehend,indiesemjahrhundertverschiedeneentwicklungsstufenderrealisierung zialgesellschaftlicheundgesellschaftspolitischeruckwirkungen[friebe,1996]. erreichte.andererseitshattenundhabendieseentwicklungsstufenstetsauchenormeso- UnsergegenwartigesWissenuberdieseZusammenhangeerfordertdeshalbnichtnur, DieRobotikistinihrerEntwicklungeinerseitsdadurchgepragt,dasie,stetsimSpanviduellerBelastungen,diederMensch,indemerdiemoderneIndustriegesellschaftdieses Jahrhundertsschuf,zutragenhat. diesekonsequenzenzukonstatieren,sondernsieaktivzursteuerungdergesellschaftlichen gepragtsein,unsererasantgewachsenenwissenschaftlichenundtechnologischenkenntnisseaufdemgebietrobotikzurharmonisierunginharenterkoniktedermodernen Entwicklungeinzusetzen.Dasheit,wirsolltenerkennen,wasmachbarist,abernichtalleindanachstreben,dasheuteMachbarezutun.VielmehrsollteunsereMaximedadurch Industriegesellschafteinzusetzen. RobotikiststetsmitAutomatisierungverbunden. Automatisierungheit,einenVorgangmittechnischenMittelnso desmenschenalsindividiumausdemzurealisierendenvorgang,sonderndemmenschen EinzeitgemaesVerstandnisdiesesBegrisbedeutetnichtdasvolligeHerauslosen braucht. einzurichten,dadermenschwederstandignochineinemerzwungenenrhythmusfurdenablaufdesvorgangstatigzuwerden diechancezurverwirklichungseinerenormenintellektuellenaberdeutlichbegrenzten entsprochenwerdenkann. wachst,alsdenmitseinernutzbarmachungbewirktengesellschaftlichenkonsequenzen zenbedeutensowohldasausnutzendestechnologischeninnovationsschubesalsauch liegtdarinbegrundet,daderwissenschaftlich{technischefortschrittwesentlichrasanter physischenfahigkeitenzugeben.diehiermitverbundenengesellschaftlichenkonsequen- weitreichendeanderungenderberufs-undtatigkeitsprole.dieeigentlicheproblematik DieRobotikbendetsichineinerPhasedesUmbruchsbeziehungsweisederkonzeptio- 3

5 ForschungslaborsabspielendeUmwalzungistmitwenigenSchlagwortencharakterisiert: chenfolgenaktivkontrollierenzukonnen.diesesichgegenwartignochvorwiegendinden sollte,umsowohldentechnischenfortschrittmaximalnutzenalsauchdiegesellschaftli- nellenerweiterung,diefruhzeitigvonderindustrieunddergesellschafterkanntwerden Roboterwerdenintelligent. Roboterkonnenlernen. Roboterwerdenmobil. tenumgebungschlieteineroboterprogrammierungimobigensinneaus.stattdessen selbstandigaufgabenerledigenkonnen.dasselbstandigeagierenineinerunstrukturier- mudasrobotersystemausderwechselwirkungmitderumweltfortwahrendhinzulernenunddadurchneuefertigkeitenerwerbenbeziehungsweisevorhandenefahigkeiten dienichtnurineinermodellierbarensondernauchineinerunstrukturiertenumgebung DieaktuelleRobotikforschunghatdieEntwicklungvonRobotersystemenzumZiel, Roboterkonnensehen. Roboterbeispielsweisenochfolgendermaen: Bocionek,1994].IndensechzigerJahrendiesesJahrhundertslauteteeineDenitionfur aufdemgebietkunstlicheintelligenzimweitestensinnezuruckzufuhren[dillmannund visuellewahrnehmungauchfurrobotersystemeeinebesonderswichtigerolle. verbessern.diehierzuerforderlichewahrnehmungderumweltsollselektivaufdieaufgabebezogensein.angelehntandiebedeutungdesmenschlichensehsystemsspieltdie DerinderRobotikerlebteQualitatssprungistimwesentlichenaufdieFortschritte tor,dermaterial,teile,werkzeugeoderspeziellegeratebewegen kann,undzwarmittelsveranderbarzuprogrammierenderbewegungen,zurerfullungverschiedeneraufgaben. EinRoboteristeinprogrammierbarer,multifunktionalerManipula- diewahrnehmungderumweltunddierechentechnischeumsetzbarkeitderumweltdaten schaftderintelligenzoderkompetenz.grundlagefurkompetentesroboter{verhaltenist inaktionenunterrealzeitbedingungen.dieseforderungenkonnenheutzutageinhohem AusheutigerSichtvermitmaninderartigenDenitioneninsbesonderejeglicheEigen- Rechentechnik.Vorallemaberentwickeltensich,relativwenigvonderbreitenOentlichkeitbeachtet,neueWissenschaftsdisziplinen,dievonunmittelbaremEinuaufunser heutigesverstandnisderrobotiksind.einigehiervon,diezumteilalsunterdiszipli- Ubersichtdar. rungderhalbleitertechnikunddemdamitverbundenenleistungszuwachsdersensor-und insbesonderemitderindenletztendreiigjahrenrasantfortgeschrittenenminiaturisie- Maeerfulltwerden.DieVoraussetzungenwurdenauftechnologischemGebietgeschaen, nenderkunstlichenintelligenzzuverstehensind,stelltdienachfolgendetabelleineiner 4

6 KunstlicheIntelligenz ArticialIntelligence Fachgebiet VerstehenintelligenterLeistungenbiologischerSystemeund ModellierungintelligenterLeistungentechnischerSysteme. Gegenstand/Inhalt Maschinensehen Neuroinformatik ComputerVision VerstehendervisuellenWahrnehmungderWeltdurchbiologischeSystemeundModellierungvisuellwahrnehmender Computational ModellierunginformationsverarbeitenderProzessenachdem Neuroscience technischersysteme. ParadigmakunstlicherneuronalerNetze. PatternRecognition Mustererkennung scher(neuronaler)systeme,insbesonderediewechselwir- kungvonstrukturundfunktionunterdemparadigma,da dimensionaler)sensorischerdatennachstrukturbildenden ModellierunginformationsverarbeitenderProzessebiologi- berechenbareaufgabenzulosensind. ModellierungderWahrnehmungoderdesVerstehens(mehr- Maschinenlernen ModellierungdesLernensvonAufgaben,insbesondereder MustererkennungundderProzekontrolle(z.B.Kontrolle vonbewegungen),z.b.aufdergrundlagederneuroinformatik,evolutionarerstrategienodergenetischeralgorithmen. Gesichtspunkten. ArticialLife Optimierung Evolutionare KunstlichesLeben genetischenalgorithmen. aufdergrundlagevonevolutionsstrategienbeziehungsweise ModellierungvonOptimierungsprozessenunddesLernens Mechatronik EntwicklungkomplexerheterogenertechnischerSysteme, stischist. ModellierungtechnischerodersimulierterSysteme,dieauf dergrundlageerworbenerkompetenzinderlagesind,verhaltenzuzeigen,wieesfurbiologischesystemecharakteri- Tabelle1.1:WissenschaftsdisziplinenmitEinuaufRobotik. duktionderzahlderkomponentenunddesvolumens. unterdengesichtspunktenderfunktionalenintegration,re- 5

7 odereinigederobenerwahntenfahigkeiten(intelligent,lernend,mobil,sehend)haben. handenenwissensstandaufdemgebietdervisuellbasiertenrobotikdarzustellen.unter dembegrivisuellbasierterobotikwerdenrobotersystemeverstanden,dieentwederalle Robotersystemerealisierbarsind,dieimVergleichzudenderzeiteingesetztenSystemen derstudiewirdfruhzeitigdaraufaufmerksamgemacht,dainnaherzukunftsehende InsbesonderenutzensiestetsvisuelleInformationenzurRealisierungihrerAktionen.Mit DieseStudiestelltsichzumZiel,dengegenwartiginternationalindenLaborsvor- anautonomie.dieskonnenbeispielsweisefahrzeugeoderintelligentekameras,baumaschinenoderdienstleistungsmaschinensein.zeitgemakonntediedenitionfureinen denheuteimeinsatzbendlichen.visuellbasierteroboterrealisiereninsehrvielfalti- Roboterheutefolgendermaenlauten: DieseneueKategorievonRoboternhatzumTeilnurnochsehrwenigzutunmit einenwesentlichbreiterenanwendungsbereichhaben. gerweiseeinenwahrnehmungs{aktions{zyklusunderreichenhierbeieinenhohengrad furdieausfuhrungseineraufgabewesentlichenaspektederumweltherangezogenwerdennenverbessernbeziehungsweiseadaptierenkann,wobeihierfurdie TeilenaufgabenorientiertbewegenundseineKompetenzdurchLer- EinRoboteristeinmitKompetenzenderWahrnehmungundHandlungausgestattetestechnischesSystem,dassichalsGanzesoderidertesnicht,daindervisuellbasiertenRobotikbishergetrenntverfolgteFachgebiete wiemaschinensehen,neuroinformatikundrobotikverschmelzen(abbildung1). MitdenzentralenBestandteilen Wahrnehmung,LernenundHandlung verwun- Maschinensehen autonomerobotik Visuellbasierte EinuspharenderRobotik(a),desMaschinensehens(b)undderNeuroinformatik(c). schungrealisierbar.umhiervoneineneindruckzuvermitteln,zeigtabbildung2die JededieserKomponentenistselbstnurdurchstarkverzweigteinterdisziplinareFor- Abbildung1:DieHauptquellenvisuellbasierterRobotik. Neuroinformatik DabeisindverwandteFachgebieteindenjeweiligenGraphikenbenachbartdargestellt. 6

8 Technische Informatik Robotik Aktorik Regelungstechnik verarbeitung Psychophysik physiologie Signal- Neuro- Maschinensehen Kunstliche Intelligenz Sensorik Kybernetik (a) Nachrichtentechnik Informatik Physik Signaltheorie Mathematik erkennung Musterwissenschaften Lerntheorie Neuro- Neuroinformatik wissenschaft Kognitions- (b) Stochastische Systeme undkomplexitat Berechenbarkeit Informatik Dynamische Systeme Physik Maschinensehen,(c)Neuroinformatik.7 Abbildung2:InterdisziplinaritatderWurzelnvisuellbasierterRobotik;(a)Robotik,(b) (c)

9 funktionaleintegrationzuraumlicherintegrationundminiaturisierungfuhrt,undder technischendisziplinbeobachtbar[luckel,1995].mechatronikhatdiefusionelektronischerundmechanischerkomponenteneinestechnischensystemszuminhalt,wobenehmbarist(abbildung4a). GleichzeitigistgegenwartigunterdemBegriMechatronikdasEntsteheneinerneuen Systementwurfsozurealisierenist,dadieinnereHeterogenitatauerlichnichtwahr- darauf,diesenwahrnehmungs{aktions{zyklus(insehrunterschiedlicherweise)realisierenzukonnen.dieserzyklusistdascharakteristikumautonomenverhaltens. InstarkerAbstraktionnenntmaneinderartigbefahigtesSysteminderKunstlichen DietechnischeRealisierungdesWahrnehmungs{Aktions{Zyklus. Lebewesenoder,wiedieTechnikersagen,biologischeSystemebegrundenihreExistenz DieStorichtungenvonMechatronikundvisuellbasierterRobotiksindgleich: IntelligenzeinenAgenten.EinAgentstrebtstetsnachdemErreichenseinerZieleoder rungdeswahrnehmungs{aktions{zykluszusein. Robotik,Maschinensehen,Neuroinformatik wesentlichfurdietechnischerealisie- koordiniert,indemeralsolernt,denkoniktzureduzieren.deshalbscheintdasdreibein sowohldiewahrnehmungderumweltverbessert,alsauchseineaktionenentsprechend dererledigungseineraufgaben.dieskannerabernur,indemerdieinseinerumwelt bildung3verdeutlicht,istderhierauserwachsendekoniktnurlosbar,indemderagent wirksamengesetzmaigkeitenerkenntundimrahmenihrergultigkeithandelt.wieab- Umwelt: Gesetze der Physik Wahrnehmung Abbildung3:Wahrnehmungs{Aktions{ZyklusdesautonomenVerhaltens. Agent Modelle als Teil der der 8 Umwelt Umwelt Handlung Agent: Ziele, Aufgaben

10 Kunstliche Intelligenz Technische Informatik Neuro- Wissenschaften Robotik Kognitions- Mechatronik Wissenschaften Informatik Neuro- Informatik Technik Sensorik Opto- Elektronik VLSI- Technik Elektronik Kopplung Prozessor- Mikro- Technik Mikro- Mikro- Mechatronik Sensor- Aktor- Aktor- Sensor- Prozessor- Kopplung Mechanik Kopplung SynergistischeWechselwirkung Mechanik,Mikroelektronik Regelungstechnik,Design Kontrolle,Lernen Adaptivitat,Selbstdiagnose Mechatronik RaumlicheIntegration Mikromechanik,ASIC Systeme Komponenten Technologie{Abhangigkeit Design Innovationen Multifunktionalitat derhardware FunktionaleIntegration VerdeckteFunktionen Unabhangigkeitvon GestaltundKomponenten Flexibilitat bzgl.produktions{ Lebens{Zyklen (a) IntelligentesVerhalten Feinwerktechnik,VLSI AktiveSensoren Wahrnehmungs- Aktions-Zyklus (b) (c) Abbildung4:(a)EntwurfsprinzipienmechatronischerSystemebzw.Komponenten,(b) InterdisziplinaritatderMechatronik,(c)technischeAspektederMechatronik. 9

11 undsoftware{strukturen.diekonzeptedermechatronikdienendazu,diekorperlichkeit kennenwirdieengebeziehungvonstrukturundfunktion.wasnotigist,umdieszu dersystemeandievonihnenzubewaltigendenaufgabenanzupassen.auchinderbiologie erreichen,verdeutlichendiemittlere(b)unddieuntere(c)graphikvonabbildung4.in (b)werdendieinterdisziplinareneinussedargestelltundin(c)dietechnischenaspekte. MechatronischeSystemesindsehrkomplexbezuglichihrerHardware-Komponenten Architekturkonzeptcharakterisiert,dasstarkeranbiologischeVorbilderangelehntistals fruherekonzepte.diesesalsverhaltensbasierterentwurfbezeichnetearchitekturkonzept bedeuteteinesystemmodularisierungnachverhaltensweisen. DiePerspektivedergegenwartiginEntwicklungbegrienenRobotikistdurchein VerhaltenisteinebeobachtbareundimSinnederRealisierungder Roboter.GleichzeitigwirddasheutedominierendeUniversalitatsprinzipinformationsverarbeitenderSysteme(z.B.inFormvonPersonalcomputernoderWorkstations)zumindesnissefuhrtenationalundinternationalbereitszulangfristigenForderprogrammender furdiesenanwendungsfallabgelostdurcheinepalettespezischerkomponenten,diesich Forschung.Stellvertretendseiengenanntfur: Deutschland: lassen. imsinnesowohldesverhaltensbasiertenentwurfsalsauchdermechatronikintegrieren WirerwartenalsoeinestarkeDiversikationderGestaltenundEinsatzfelderkunftiger KorperlichkeitundSituiertheitdesSystemsgepragtenspezischen Kompetenzist. ZieleeinesSystemsadaquateHandlung,dieAusdruckeinervonder BMBF{Verbundprojekt:\ElektronischesAuge"(seit1994gefordert) DieenormeInnovationskraftdieserBundelungwissenschaftlich{technischerErkennt- Europa: BMBF{Leitprojekte(seit1995gefordert)fur: ESPRIT{Projekt:\NEUROBOT NeuralNetwork-BasedRobotsfortheDisassemblyandRecyclingofAutomotiveProducts"(seit1994gefordert) {Greif{Implantat {Retina{Implantat ESPRIT{Projekt:\CONNY RobotControlBasedonNeuralNetworkSystems" (1992bis1994gefordert) 10

12 USA: ESPRIT{Projekt:\BLEARN BehaviorLearning:CombiningSensingandAction"(1992bis1994gefordert) ESPRIT{Projekt:\PANORAMA PerceptionandNavigationSystemforAutonomousMobileApplications"(1989bis1993gefordert) USNavy:VerschiedeneRobotikProjekte NASA:\SpaceTeleroboticsProgram" Japan: TRC-NASA:\RealWorldAdaptiveAutonomousSystems" MITI:\RealWorldComputingProgram"(seit1993gefordert) SanyoElectric:\Vision{basedAutonomousSystem" duktionstechnikundautomatisierung,stuttgart,wirdhierfuralleinfurdeutschlandein Roboterab.IneinervomBMBFbeauftragtenStudiedesFraunhofer{InstitutsfurPro- vorhermodellmaigerfabarenumgebungenausfuhrenkonnen. Marktpotentialzwischen15und40Mrd.DMimJahre2010prognostiziert[IPA,1994]. stemkomponenten,diewahrnehmungund/oderhandlungeninunbekannten,d.h.nicht EinenAspektderAnwendunghiervondeckendiederzeitpopularisiertenService{ ZielstellungdieserProjekteistdieEntwicklungvonSystemenbeziehungsweiseSyformationenbereitzustellen.InSchleswig{HolsteinwirdanunterschiedlichenStellenaunologiezuvereinen. dieaufmerksamkeitzuscharfenundzurbundelungvonaktivitatendieerforderlichenin- sein,diesesreservoirzumzweckederentwicklungundnutzbarmachungeinerhochtech- robotik{relevantengebietengearbeitet,d.h.produziertundgeforscht.esmumoglich AnliegenderStudieistes,fureineinnovativeTechnologieimLandSchleswig{Holstein 11

13 2GegenwartigerStand RoboterganzwesentlichaufdasroboterrelevanteMaschinensehenundMaschinenlernen tersystemen.hierbeiwirdnacheinerbeschreibungdertypischenbestandteilederartiger DiesesKapitelbeschreibtdengegenwartiginternationalindenForschungslaborsvorhandenenWissensstandaufdemGebietdervisuellbasiertenRobotik.Zunachstwird HaupteilbehandeltdiegrundlegendenFunktionsprinzipienvonvisuellbasiertenRobo- aufdieumsetzbarkeitinpraxistauglicheprodukte.miteinerauistungundkurzbeschreibungvonprodukten(visuellbasierteroboteroderrelevantebestandteile),dievon BeschranktheitderzurZeittypischerweiseeingesetztenRobotersystemeaufgezeigt.Der eingegangen.anschlieenderfolgteinebewertungdesentwicklungsstandesimhinblick dasbreitespektrumvonmoglichenanwendungsgebietendargestelltundzugleichdie Firmenschonangeboten,beziehungsweiseinwissenschaftlichenInstitutenrealisiertwerden,schlietdasKapitel. 2.1Anwendungsgebiete tanzderneuenrobotertechnologiedurchdiegesellschaftwerdenhierzunachst BezugnehmendaufdieinderEinleitungdiskutierteProblematikhinsichtlichderAkzep- furdenrobotereinsatzangefuhrt.anschlieendfolgendannanwendungsgebietefurdas visuellbasiertemanipulieren, allgemeingultigegebote DerEinsatzvonRoboternhatsichaneinigenNormenzuorientieren: 2.1.1GebotefurdenEinsatzvonRobotern aktivevisuellewahrnehmen. visuellbasiertefortbewegenund 3.EinRoboterarbeitetzuverlassigundstetsunterderKontrolledesMenschen. 1.EinRoboterunterstutztalsintelligentesWerkzeugdieTatigkeitenundAufgaben 2.EinRoboterwirdniemalszumSchadendesMenscheneingesetzt(alsIndividum odergesellschaft). desmenschen. 12

14 autonomenroboter.siesindvoraussetzungfurdieakzeptanz,sichsolchermaschinen zubedienen. DieseForderungengeltensowohlfurdieklassischenalsauchfurdievisuellbasierten geistigenfahigkeitendar.indiesemspannungsfeldentwickelteerproduktionsweisenund undkaumerweiterbarenkorperlichenfahigkeitenabersehrexiblenundleistungsfahigen unddemcharakterdervonihmauszufuhrendentatigkeitenandererseitsauszugleichen. evolutionarerreichtenentwicklungsstandvongeistundkorperdesmenscheneinerseits lassensichzumgrotenteildarausableiten,bestehendewiderspruchezwischendem DermenschlicheKorperstellteinenverletzlichenOrganismusmitrelativbegrenzten DieEinsatzgebietefurRoboter,welcheuneingeschrankteAkzeptanzndenkonnen, tedaslebendeseinzelnen.andererseitsfuhrtediearbeitsteilungzuuberforderungder korperlichenundunterforderungdergeistigenfahigkeiten.dennimergebnisderevolutionistdermenscheigentlichbefahigt,seinekorperlicheundgeistigebefahigungenin Produktionsverhaltnisse,diesehrambivalentbezuglichseinesevolutionarenEntwicklungs- einemausgewogenenverhaltniswechselndzubeanspruchen. 1.Ausfuhrunglebens-odergesundheitsgefahrdenderArbeiten. HierausergebensichfolgendeEinsatzfelderfurRoboter: niveauszubewertensind.einerseitserleichterndieerreichtengesellschaftlichenfortschrit- 3.Ausfuhrunggleichformiger,geistigwenigbeanspruchenderTatigkeiten. 2.AusfuhrungschwererkorperlicherArbeiten. BeispielezurLebensgefahrdung:Brandbekampfung,Havariebeseitigung. BeispielezurGesundheitsgefahrdung:Umgangmitchemischenoderradioaktiven Beispiele:VerschiedeneArbeitenbeimHoch-undTiefbau,BeladenvonLKWs. Beispiele:Sortieren,Bestucken,Verpacken,Bewachen. Substanzen,TatigkeitenunterRauch-,Staub-oderGasbelastung. 4.AusfuhrunggleichformigerschmutzigerTatigkeiten. 5.AusfuhrunglanganhaltenderPrasizionsarbeiten. Beispiele:Reinigen,Sortieren. 7.AusfuhrungvonArbeiten,furdiemehralszweiHandenotigsind. 6.AusfuhrungperiodischwiederkehrenderoderunperiodischerHandlungeninunphysiologischemTaktodermithoherGeschwindigkeit. Beispiele:Bestucken,Kontrollieren. Beispiele:ChirurgischeEingrie,Montagearbeiten. Beispiele:Fliebandarbeit,SteuerungkomplexerMaschinen. 8.AusfuhrungvonTatigkeiten,zuderenKontrollediemenschlichenSinnesorganenichtgeeignetsind. Beispiele:NavigierenimDunkeln,TatigkeiteninkontaminiertenUmgebungen. 13

15 systemen. DieAbbildungen5und6zeigenBeispielefurzweckmaigeEinsatzgebietevonRoboter- Abbildung5:UnterstutzungvonBehinderten(aus[Reuber,1994]). beidarfdasspannungsfeld,welchessichaufsozialokonomischemsektordermenschli- chengesellschaftentwickelt,nichtunbeachtetbleiben.vieleroboterbedeutenweniger Abbildung6:AusfuhrungeinesgefahrlichenSchleifvorgangs(ausProspektderFirma Attribute,dieeserforderlichmachen,denEinsatzvonRoboternzuermoglichen.Da- TELEROB,Kiel). Arbeitsplatze.AuchhierfurmueinemenschenwurdigeLosungangebotenwerden. VieleArbeitsplatzedermodernenIndustriegesellschafttragengleichzeitigmehrere 14

16 weildiegefahrdesmibrauchszugroist.werdendieroboterzukunftiguntereinhaltungdergenanntengeboteentwickelt,dannisteineakzeptanzdurchdiegesellschaft DiesistauchzurVerbrechensbekampfungoderzurKriegsfuhrungnichtgerechtfertigt, oderdietotungvonmenschenzumzielhaben. NiemalsdurfenRoboterentwickeltwerden,welchedieVerletzung sehrwahrscheinlich.dieroboteralserrungenschaftenvonwissenschaftundtechnik werdendannnichtnuralsdienerangesehen,sonderndaruberhinausalshilfsmittelfur FormeinesGegenstandes.BeiderLageveranderungwirdeinGegenstandaneineandere UnterManipulationverstehtmaninderRobotikdieVeranderungderLageoderder 2.1.2VisuellbasiertesManipulieren dieweiterentwicklungdermenschlichenlebensgemeinschaft. Lagerhaltungzuerledigen(Abbildung7). Stellegesetztoderandersausgerichtet.DerartigeTatigkeitensindbeispielsweisebeider leentlangeinermontagestreckerichtigangeordnetwerden,umsiedanndurchpunkt- schweienzusammenzufugen.moglichwarebeispielsweiseeinevisuelleuberwachungdes Transportvorgangs,umAbweichungenvonvorgegebenenZielpositionenzuerkennen.Ein weiteresbeispielzurlageveranderungvongegenstandenistdasentfernenvonbestimmtenfehlerhaftenwerkstuckenvoneinemforderbandoderallgemeinerdassortierenvon Gegenstanden.SoistetwadieSortierungvonMull,derubereinForderbandtranspor- tiertwird,einewichtigeaufgabe.anhandvisuellerinformationenlieensichdiefor- EsgibtvieleweitereBeispiele.InderAutomobilfertigungmussenetwaKarosserietei- Abbildung7:ManipulatordeponiertKartonsineinRegal(aus[Nise,1995]). 15

17 mendergegenstandeunddaraufbasierenddiegeeignetengreifwerkzeugeermitteln, umsieimonline{betriebrichtigeinzusetzen.imdienstleistungsbereichistweiterhindie Lahmungensehrgeholfen,wennEbesteckeoderandereHilfsmittelaufWunschautomatischgereichtwerden. UnterstutzungvonBehindertenzunennen.BeispielsweiseistPersonenmitbestimmten verrichteteinmanipulatordieeigentlichearbeit,hierbeispielsweisedaszerlegeneines matisiertarbeitet.dieabbildung9zeigteinedemontagezellefuraltepkws.dabei nemmanipulator,welcherdurcheinevideo{kameraundultraschall{sensorenteilauto- Schleifen,FrasenoderBohrenvonWerkstucken,sowieauchdieFormveranderungdurch dasmontierenmehrererteile.dieabbildung8zeigtdasfrasenvonmetallteilenmitei- verandertwerden.dazugehorenetwaimindustriellenbereichdasbiegen,schneiden, AlternativzurLagemuinzahlreichenAnwendungendieFormvonGegenstanden Motors,undeinzweiterRoboterarmtragteinStereo{Kamerasystem.DurchvisuelleUberwachungdesDemontagevorgangskonnenfruhzeitigfehlerhafteAblaufekorrigiertwerden. Abbildung8:ManipulatorfrastMetallteile,basierendaufVideoundUltraschall(aus [Marguerre,1993]). dertenezienzundstabilitatauchohnediesegarantiertwerdenkonnen.diesituative sein,visuellbasiertekontrolledorteinzufuhren,wodieproduktionsablaufeindergefortigungallenfallseinevisuellbasiertebeobachtungunduberwachungvonmanipulationsvorgangenerfolgt(sieheabbildungen8und9).einevisuellbasiertekontrolledermanisprechendeprodukteangebotenwerden(sieheabschnitt2.4).eswirdabernichtsinnvolpulationistderzeitkaummoglich,obwohlhierzuvonmittelstandigenfirmenerstevielver- Realistischbetrachtetmumanfesthalten,dagegenwartiginderindustriellenFer- GleichformigkeitderProduktioningroenStuckzahlenlateszu,kostengunstigereVorkehrungenhierfurzutreen.VisuellbasierteManipulationbedarfandererSzenarien,die mithandelninunstrukturierterumgebungimzusammenhangstehen. 16

18 Abbildung 9: Manipulator demontiert Auto, basierend auf Stereo{Kamera (aus Brosch ure der Fraunhofer{Gesellschaft, IITB, Karlsruhe) Visuell basiertes Fortbewegen Visuell basiertes Fortbewegen bedeutet das autonome Gehen oder Fahren eines Roboters, bei dem die Erfassung der Umgebung mit Hilfe bildgebender Sensoren stattndet. Dieser Anwendungsbereich taucht auch unter den Begri en visuelle oder bildgest utzte fahrerlose Navigation auf. Die zwei Grundaufgaben des autonomen Fortbewegens sind das lokale Man ovrieren und die globale Navigation. Unter lokalem Man ovrieren versteht man das Einhalten eines stabilen Kurses, einschlie lich der Reaktion auf statische Hindernisse oder gef ahrliche dynamische Ereignisse auf der Fahrbahn. Typische Beispiele sind voll autonome oder fahrerunterst utzende Systeme f ur das Autofahren [Nagel, 1995]. Die Auswertung von Bildsignalen erm oglicht eine stabile Fahrtrichtung und Abbiegeman over, die Erkennung von Gefahren aus statischen Hindernissen oder anderen Verkehrsteilnehmern und das Einhalten eines ausreichenden Abstandes zu vorausfahrenden Autos (Abbildung 10). 17

19 BenzinStuttgartdurchgefuhrt[DickmannsundGraefe,1988].EinmiteinemStereo{ JahrenanderUniversitatderBundeswehrinMuncheninZusammenarbeitmitMercedes{ Abbildung10:FahrerunterstutzungimVerkehr(BMW{Prospektund[Nagel,1995]). maximalegeschwindigkeitvonetwa100stundenkilometer. LKWkannsichautonomaufublichenBundesstraenbewegenunderreichthierbeieine KamerasystemundzugehorigerSpezial{HardwarezurBildverarbeitungausgestatteter DieunumstrittenerfolgreichsteEntwicklungsarbeithierzuwirdinDeutschlandseit Wegweiserngearbeitet. newirddeshalbandervisuellenerkennungvonampelnundverkehrszeichensowievon Verkehrszeichenangezeigtwerden.IndenForschungslaborsdergroenAutomobilkonzerpunktausmitHilfevonLandmarkenund/oderFunksystemen.Dabeisindbeispielsweise imoentlichenstraenverkehrbestimmteregelnzubeachten,diedurchampelnoder AndereAnwendungsbeispielefurAuenszenensinddasautonomeFahreninunzuganglichenGebieten,wienuklearoderchemischverseuchtenAnlagenoderMinengebieten, GlobaleNavigationheitdasAnfahrenvonZielortenvoneinembestimmtenStart- sowiedieexplorationdesmeeresbodensoderderoberachevonplaneten.diefahrzeugefurderartigeeinsatzortewerdengegenwartigvorrangigdurchmanuelleteleoperation InIndustriehallenwerdenmobilePlattformenzumTransportundPalettiereneingesetzt. EinevisuellbasierteKursregelungwurdekeinezusatzlichenInfrastrukturkomponentenwie eingesetztwerden. gesteuert,ohnehierbeimaschinellvisuelleinformationenzuverarbeiten.zudenfort- Transportschienenerfordern.DeutlichzeichnetsichderEinsatzvonautonomenFahrzeugenimDienstleistungsbereichab. DiezweitegroeAnwendungsgruppebildenfahrerloseSystemeinRaumen[IPA,1994]. FahrerloseSystemekonnenfurdenTransportderPostinBurogebaudenoderfur maschinen,diefurdieerkundungaufunregelmaigenoberachenoderinkanalrohren bewegungsmaschinengehorennichtnurdiefahrzeuge,sondernauchmehrbeinigelauf- 18

20 FuhrungdiezureinigendeFlacheerfassen(Abbildung11,unten).VongroterBedeutungwerdenkunftigauchHilfsmittelfurkrankeundbehindertePersonensein.Hierzu erhohen.aberauchtragbarenavigationsgerateoderselbstfahrendefuhrersystemezur (Abbildung11,linksoben).WeiterhinwerdenStaubsaugergebaut,dieohnemenschliche zahlenselbstnavigierenderollstuhle,welchedieunabhangigkeitgehunfahigerpersonen dieverteilungvonmedikamentenoderegeschirrinkrankenhauserneingesetztwerden UnterstutzungvonBlindensindimStadiumderEntwicklung(Abbildung11,rechtsoben). (obenlinks),unterstutzungvonblinden(obenrechts),autonomebodenreinigung(unten), Abbildung11:NavigierendemobileRoboter,furTransportaufgabenimKrankenhaus aus[ipa,1994]. 19

21 2.1.4AktivevisuelleWahrnehmung Laborentwicklung.WeiterindenBereichpraktischerAnwendungenvorgedrungensind Systeme,diesichaufderBasisandererSensorik(z.B.Ultraschall)fortbewegenkonnen. ZuvisuellbasiertemFortbewegenbefahigteSystemebendensichimStadiumder SensorenalsauchdurchdieselektiveVerarbeitungderBilddatenerfolgt. UnteraktivervisuellerWahrnehmungverstehtmandieRegelungdervisuellenAufmerksamkeit,diesowohldurchdiemechanischeSteuerungderBlickrichtungderbildgebenden beiublichenkamerasalsauchdieunezienteverarbeitungdervisuelleninformationbei dasganze,voneinerkameraerfate,visuellefeldmithochsterdetailtreueinechtzeit statischenkameras.trotzderstetigenleistungserhohungderrechentechnikkannnicht ausgewertetwerden.diesteuerungderkamerasermoglichtrechenintensivedetaillierte BerechnungennurfurdenxiertenBereichdesGesichtsfeldes. MotivationderAufmerksamkeitssteuerungsindsowohldaseingeschrankteGesichtsfeld tiert,werdenfurdieerkundungunduberwachungvonszeneneingesetzt,damitderein- satzmehrererstationarerkameraszurerfassungdergesamtenszenevermiedenwird.die BildgebendeSensoren,einzelnoderalsPaaraufSchwenk{Neige{Mechanismenmon- vonmuseumsraumen. Abbildung12zeigteineneigbareKameraanordnungaufeinemFahrzeugzurUberwachung Abbildung12:UberwachungvonMuseumsraumen(aus[Nise,1995]). 20

22 durchbetrachtungderkamerabilderdurchaufmerksamespersonal,wobeidiekamerashaugwegenihrerstarrenbefestigungeineneingeschranktensichtbereichhabenund somitzahlreichaufgestelltseinmussen.imkommunikationsbereichkonnenkunstliche DieKameranachfuhrungermoglichtdasvisuelleVerfolgenvonPersonenoderFahrzeu- autonomfolgen.dieshatdenvorteil,dasichbeispielsweisepersonenvoreinembildtelephonoderteilnehmereinervideokonferenzfreierbewegendurfen. vonsportveranstaltungenodervonschwerzuganglichengebieten.industriellverfugbar tions-undnavigationsaufgaben(siehe2.1.2und2.1.3)eingesetzt. WeiterhinkonnenschwierigeVideoaufnahmenautomatisiertwerden,beispielsweise aktivebeobachtungssystemedennaturlichenbewegungenderaufgenommenenpersonen geninuberwachungsanwendungen.gegenwartigerfolgtdieuberwachungublicherweise 1995einaktivesStereo{Kamerasystemvorgestellt,dasinEchtzeitBewegungenverfolgen sindderartigesystemenochnicht,jedochwurdebeispielsweiseaufderhannover{messe kann.bildgebendesensorenmitmechanischenfreiheitsgradenwerdenauchinmanipulaheitsgradederkameraanordnungverandern,sindgegenwartignurinlaborsverfugbar. GegenstandemanipulierenodersichfortbewegenundhierzuauchnochaktivdieFreiwegungbeiManovrieraufgaben.Robotersysteme,diebasierendaufvisuellerInformation genauererabstandsinformationzumgreifenundzuverlassigerewahrnehmungderbe- StereoskopischeSystememitmechanischenFreiheitsgradenerlaubendieErmittlung 21

23 NachdemdasbreitgestreuteSpektrumvonmoglichenAnwendungsgebietendervisuellbasiertenRobotikdargelegtist,werdennundiegrundlegendenFunktionsprinzipien,dieder 2.2Funktionsprinzipien denabschnittebehandelndannalswesentlichefunktionsprinzipiendasroboterrelevante Realisierungzugrundeliegen,erklart.DerersteAbschnittbeschreibtdieHauptkomponentenvonwahrnehmendenRobotern.DannfolgteineKategorisierungvonRobotersystemen dieauchdieindustrierobotereinschliet imhinblickaufdengraddererreichbaren vorherrschendekonzeptionvonwahrnehmendenroboternvorgestellt.dieletztenbei- Autonomie.SchlielichwirdimdrittenAbschnittdiebiszumEndederachtzigerJahre MaschinensehenundMaschinenlernen BestandteilevonRobotersystemen RoboterkonnenanhanddergrundlegendenphysischenBestandteilecharakterisiertwerden.DieseBestandteilesind: dasaktuator{system, dasantriebs{systemund dassensor{system, werden.aktuator{systemewerdeneingesetzt kannsowohldieformdesrobotersalsauchdiepositionundorientierungverandert DasAktuator{SystemumfatallebeweglichenKomponenteneinesRoboters.Damit dasrechner{system. physischenkontaktkommen,heieneektoren.betrachtetmandenroboteralsbestandteilderumwelt,sowirddieseeinerseitsdurchdiebewegungdesaktuator{systemsund ebenemterrain,etwainfabrikhallen,gebaudeurenodergeteertenstraen,werden andererseitsdurcheventuellvondeneektorenmanipuliertegegenstandeverandert. Raderverwendet.UnwegsamesGelandemachtstattdessenKettenlaufwerkeoderauch DieEektorenbeimobilenRoboternsinddieFortbewegungsmittelwiebeispielsweise DiejenigenKomponentendesAktuator{Systems,dieunmittelbarmitderUmweltin zurpositionierungundorientierungvonsensoren. zurmanipulationvongegenstandenund zurfortbewegungvonrobotern, Rader(Abbildung12),Kettenlaufwerke(Abbildung13)oderFue(Abbildung14).Bei 22

24 BeinemitFuenerforderlich.KettenlaufwerkewerdenbeiLasttransportbevorzugt,die BeinebeispielsweisebeiokologischwertvollemGelande,dasnichtzerstortwerdendarf. Abbildung13:RobotermitKetten(ausProspektderFirmaTELEROB,Kiel). pulationbezeichnet.dieskann,wieimabschnitt2.1.2bereitserwahnt,entwedereine formerhaltendebewegungodereinephysischeveranderungeinesgegenstandessein.zur BewegungvoneinfachenGegenstandenmitacherOberachengestaltkannalsEektor einevakuum{saugglockeverwendetwerden.beigegenstandenmitkomplexerformwerdengreifermitzweiodermehrerenstarrenbackenverwendet.inzunehmendemmae DiemiteinenEektoraneinemGegenstandverrichteteTatigkeitwirdalsMani- Abbildung14:RobotermitBeinen(aus[Nise,1995]). 23

25 kommenauchgelenkigefingerzumeinsatz,eventuellsogarmitelastischerbeschichtung. DieadaquatePositionierungundOrientierungdesEektorserfolgtubereinenRoboter- orthogonalzueinanderverschoben.beieinemdrehgelenkwerdenzweibenachbartekomponentendurchrotationodertorsiongegeneinanderverdreht. Gelenken.BeieinemLineargelenkwerdenzweibenachbarteKomponentenparalleloder net.diecharakterisierungeinesroboterarmeserfolgtdurchdieartunddieanzahlvon armḋerroboterarmzusammenmitdemeektorwirdhaugalsmanipulatorbezeich- dergantry{roboterarm, WichtigeTypenvonRoboterarmensind: derscara{roboterarmund nenarbeitsachezumanipulieren.derartikulation{roboterarmistbeispielsweisedurch 6aufeinanderfolgendeDrehgelenkesokonguriert,daderEektorineinembestimmten genbiszudreiaufeinanderfolgendedrehgelenke,umvorrangiggegenstandeaufeinerebe- uberganzefabrikhallen,umgegenstandezubefordern.derscara{roboterarmhatdage- DerGantry{RoboterarmhateineFolgevonLineargelenkenunderstrecktsichhaug derartikulation{roboterarm. Arbeitsraumbeliebigorientiertwerdenkann(Abbildung15). torenneuerdingsauchfurdiegeeignetepositionierungundorientierungvonsensoren FortbewegungvonRoboternundderManipulationvonGegenstanden,werdenAktua- aufeinemvertikalgerichtetendrehgelenk(pan{bewegung)montiert,sodaeinerundum- eingesetzt.imeinfachstenfallistbeispielsweiseeineinfrarot{odereinelaser{kamera Beobachtungmoglichwird.MiteinemzusatzlichenhorizontalgerichtetenDrehgelenk (Tilt{Bewegung)istaucheineBeobachtungmoglich,dieausderhorizontalenEbeneherausfuhrt. einerstereo{anordnungunabhangigvoneinanderaufeinengewunschtengegenstandge- Blickpositionenbeobachten,ohnedenRoboterinsgesamtfortbewegenzumussen. BewegungnochFreiheitsgradezurVergenz{Regelunghat.DamitkonnenzweiKameras AlsRoboterkopfwirdeinAktuatorbezeichnet,derzusatzlichzurPan{undTilt{ ErganzendzudenobigenbeidenAnwendungendesAktuator-Systems,namlichder richtetwerden(abbildung16).derroboterkopfkannnunselbstaufeinersogenannten Schwenkvorrichtungmontiertsein.DamitlassensichGegenstandevonunterschiedlichen 24

26 Abbildung15:Artikulation{RobotermitsechsDrehgelenken. Abbildung16:RoboterkopfmitPan{,Tilt{undVergenz{Freiheitsgraden. 25

27 formationenuberdieumweltliefern.beispielsweiseistbeifahrzeugendurchmessender MotorenoderFehlersituationen.DaruberhinauskonneninterneSensorenauchgrobeInfektorenbereitgestellt.ZuunterscheidenistzwischeninternerundexternerSensorik. InterneSensorenmessenunderkennensystembezogeneZustandewieStellgroenvon DasSensor{System NeigungdannauchunmittelbardieGelandeneigunggegeben.AuchdieFahrzeugposition imgelandelatsichunterderannahmeeinergeradeaus{bewegungmitinternensenso- MitdemSensor{SystemwerdenInformationenfurdengewunschtenEinsatzderEf- auslenkbarenfinger,sokanndamitdieberandungeinesobjektesabgefahrenundsomit dasobjektvermessenwerden.diesteuerungerfolgthierbeimithilfedesdrehmoments, diedrehmoment{sensoren.verfugtbeispielsweisediehanddesroboterarmsubereinen EineweitererTypvoninternenSensoren,dervorrangigbeiRoboterarmenvorkommt,sind renungefahrbestimmen.dabeiwirddiezuruckgelegtestreckeindirektanhandderum- laufgeschwindigkeitderraderineinembestimmtenzeitintervall(odometrie)berechnet. dasamfingergelenkdurchdiefingerauslenkunghervorgerufenwird. plausiblecharakterisierungkannnachderartdesmediumserfolgen,daszwischensensor undumweltwahrgenommenwird.manunterscheidetdiewahrnehmung liertwidergeben.ausfuhrlichereinformationenerhaltmanmitexternensensoren.eine durchkontakt, InterneSensorenkonnendieBeschaenheitderUmweltnurungenauundwenigdetail- durchluftund durchstrahlung. nissen. RoboterndienensiezumSchutzvorEigenzerstorungsowiederZerstorungvonHindermitteln.BeieinerausreichendgewahltenPuerzonezwischendemKontakt{Sensorund denubrigenkomponentenkannderroboterrechtzeitiggeeignetreagieren.beimobilen trischeschaltkreisegeschlossen,diedemantriebdereektorenneuesteuersignaleuber- diesichbeiberuhrungmiteinemgegenstandverformt.dadurchwerdenbestimmteelek- Kontakt{Sensoren(auchtaktileSensorengenannt)habeneineelastischeOberache, SchallgeschwindigkeitdieDistanzzuHindernissen. renverwenden.dabeiwirdluftausgesendetunddieeventuellvoneinemhindernisver- ursachtereexionausgewertet.pneumatischesensorensindfurdenfallgeeignet,da ausstromendenluftgemessenwerdenkann.ultraschall{sensorenmodulierenluftmit UmHindernisseohneKontaktierungzuerkennen,lassensichsogenannteLuft{Senso- sicheinhindernisunmittelbarvordemroboterbendet,sodadiebehinderungder SchallwellenimUltraschallbereichundberechnenausderHin-undRucklaufzeitundder 26

28 standdurcheinevonihmausgehendestrahlungwahr.beispielsweisekanndasdurch einestromdurchossenehochspannungsleitungverursachtemagnetfeldmitsogenannten Magnetfeld{Sensorengemessenwerden.Dieserfolgtdadurch,dadasMagnetfeldselbst imsensorwiederumeinespannung,diesogenanntehall{spannung,induziert. DiedritteKlassederexternenSensoren,Strahlungs{Sensoren,nimmteinenGegen- GradCelsiushaben.TypischeAnwendungsfeldersinddieInspektionvonindustriellen AnlagenetwaimHinblickaufWarmeverlust.Ebensokonnenbeispielsweisefehlerhafte OberachenbeschichtungendurchunterschiedlicheWarmeleitfahigkeiterkanntwerden. tromagnetischenwelleneingebettetwerden.dieinfrarot{sensorenundinfrarot{kameras nehmenstrahlungimwellenlangenbereichvoneinigenmikrometernwahr.derartige StrahlungwirdvonGegenstandenausgesendet,dieTemperaturenzwischen{20und+1500 DieweiterenstrahlungsbasiertenSensorenkonnenindasGesamtspektrumderelek- alsreexionempfangen.zurentfernungsmessungexistierenmehreremethoden,wie kunstlichintensiviertenlichtstrahlung,diesieinbestimmterichtungenaussendenund kommtmanzurlichtstrahlung(wellenlangenimbereichzwischen0.4und0.8mikrometern).laser{distanz{sensorenundlaser{kamerasarbeitenbeispielsweisemiteiner Triangulationsverfahren, WahltmanimGesamtspektrumkurzereWellenlangenalsbeiInfrarotstrahlung,so Laufzeitverfahren, telt.durchdieengebundelungderlichtstrahlungkonnendieangestrahltengegenstande durchverrechnungmitderlichtgeschwindigkeitdiedistanzzuhindernisobjektenermit- BeispielsweisewirdbeimLaufzeitverfahrendieHin-undRucklaufzeitgemessenund Unscharfeverfahren. Phasenverfahrenund undaufeinenvideo{ccd{chipweitergeleitet.derccd{chip(chargecoupleddevice) wirddievoneinemgegenstandabgestrahltelichtmengeubereinlinsensystemgesammelt Licht vergleichbarmiteinemkondensator aufgeladenwerden.beimonochrom{ isteinematrixvonlichtempndlichenrezeptoren,diejeweilsdurchdaslokalauftreende KamerashatmanjeMatrixelementeinenRezeptor,deruberalleWellenlangendesLichts sogardreidimensionalvermessenwerden. integriert.farb{kamerasverfugenuberdreitypenvonrezeptoren,diejeweilsempndlichimblauen,imgrunenundimrotenwellenlangenbereichdeslichtssind.eineinzelner kommerziellenccd{chipsbetragenbeispielsweise6.6millimeterinderhoheund8.8 RezeptorhattypischerweiseeineSeitenlangevon11Mikrometer.DieAbmessungenvon MillimeterinderBreite.DasBelichtenundEntladenderRezeptorenerfolgthaugim sogenannteninterline{modus.hierbeiwerdenjeweilsinzweiaufeinanderfolgendenzeitabschnittendierezeptorenmitungeraderodergeraderzeilennummerentwederbelichtet oderentladen.derzeitabschnittfurdasentladen(auslesendesanalogenvideosignals) DieublicheWahrnehmungderUmweltdurchLichtistjedochzweidimensional.Dabei 27

29 dererstenserievonrezeptorenwirdausgenutztzumbelichtenderzweitenserievon einervideo{ccd{kameranachgeschalteteframe{grabberbautdiebeidenhalbbilder jesekundeerforderlich,beideramerikanischenntsc{normsindes60halbbilder.der digitalebildermitdiskreteranzahlvonpixelnunddiskreteranzahlvonhelligkeitsstufen (Grauwerten). jeweilszueinemvollbildzusammenundfuhrteinedigitalisierungdurch.esentstehen Rezeptoren.BeidereuropaischenPAL{NormisteineAufnahmeratevon50Halbbildern beiultraschall{sensoreneinemoglicheverfalschungderdistanzmessungdurchsogenanntedoppelreexion,fallsdieszenengegenstandeglatteoberachenhaben.wegendieser alsokeinenzusammenhangendenszenenausschnittabbilden.hinzukommtbeispielsweise schiedenentypenvonexternensensorenerhaltlich.ublichistdabeieinekombinationvon Distanz{SensorenundUltraschall{Sensoren.DabeihatmanaberprinzipielldasProblem, dadiesensorennurpunktuelldiedistanzenzuszenengegenstandenermitteln,somit unterschiedlichensensoren,wiebeispielsweisephoto{dioden,infrarot{sensoren,laser{ FurZweckederanwendungsorientiertenForschungsindheutzutageRobotermitvergendeKonzeptezurHandhabungdeshochdimensionalenZustandsraumes,welcherdurcmendverfugbarist.ZumanderenwurdendiezugehorigenRechnerunddieVideo{CCD{ KamerasinausreichendemMaeminiaturisiert.Allerdingsfehlenderzeitnochgrundle- einendiezurverarbeitungdergroendatenmengeerforderlicherechenkapazitatzunehrenerganzenoderteilweiseersetzen.dieserneuetrendwirddadurchgefordert,dazum NachteilewerdenzunehmendVideo{CCD{Kameraseingesetzt,diedieeinfachenSenso- GebietdesMaschinensehensdar. dereduzierungdieseszustandsraumesstelltdiehauptaufgabederforschungaufdem diehochaufgelosteabbildungderszeneentsteht.dieeektiveundbedeutungserhalten- FreiheitsgradeingewunschterWeiseeinstellenzukonnen.DasAntriebs{Systemfurein GelenkbestehtjeweilsausdemMotorunddemzugehorigenGetriebe.Hinzukommen triebejeweilsgeringefehlertoleranzen,soerreichtmanmitdemeektoreinehohewie- derholgenauigkeit.beidenmotorenwerdenbevorzugtschrittmotoreneingesetzt,dieeine AlleGelenkedesAktuator{Systemsmussenindividuellangetriebenwerden,umdie schnelleundprazisepositionierungodervorschubbewegungermoglichen. werden. beerforderlichesequenzvonroboterbefehlennichtexplizitvorprogrammiert.vielmehr ubermitteln.dieseroboterbefehlemusseninsignalefurdiemotorregelungtransformiert DasRechner{System insbesonderenochbremsenundmassenausgleichskomponenten.habendieeinzelnenge- wirddasroboterprogrammauseiner,besondersimfallevisuellersensorik,aufwendi- MitdemRechner{SystemerhaltderBenutzerdieMoglichkeit,demRoboterBefehlezu ImFallesensor-odervisuellbasierterRobotikwirddiezurErledigungeinerAufga- 28

30 genanalysedersensorischendatenabgeleitet.zumeinhaltenderrealzeiterfordernisse inhohemmaevondenzulosendenaufgabendesbilderkennensabhangen. haugmitspeziellenco{prozessorenundsignalprozessorenerganztwird.weiterehardware{komponentendesrechner{systemssindderarbeits-undderhintergrundspeicher, FirmaStaubli.HinzukommennochEditorenzurProgrammerstellungundSystemkom- umbeispielsweiseprogrammemitroboterbefehlenunddatenzurinitialisierungdesprogrammsspeichernzukonnen.diesoftwareeinesroboter{rechnersenthaltimwesentlicheneineninterpreterfureineroboter{programmiersprache,beispielsweisevalvonder AlsHardware{KomponentensindinsbesondereeinHauptprozessorvorhanden,der sindhierfurbesondererechenkapazitatenbereitzustellen,dieimfallevisuellersensorik undorientierungeinnehmensoll(inversekinematik).dieveranderungdergelenkstellungenmudabeiexaktzwischendenverschiedenengelenkenkoordiniertwerden.dies DerHauptprozessordesRechner{SystemsubersetztdieeinzelnenRoboterbefehlein rechnungvonnotwendigengelenkstellungen,wenndereektoreinebestimmteposition Mikroprogramme,dieaufCo{Prozessorenezientablaufen.EinBeispielhierfuristdieBemandoszurDateiverwaltung. soll,eventuellsogarmiteinerbestimmtengeschwindigkeit(inversedynamik).dievon istinsbesonderedannerforderlich,wenndereektoreinebestimmtetrajektorieabfahren denco{prozessorengeliefertesequenzvongewunschtengelenkstellungenwirddannvon nachgeschaltetensignalprozessorenbearbeitet.zielistdieerzeugungvonservosignalen furdiemotorregelung,umschrittweisediegewunschtengelenkstellungenzuerreichen. VoraussetzungfurdieEntwicklungvonautonomenRobotersystemenist,dadievon rakterisiert KategorienderRoboterautonomie DiefurvisuelleWahrnehmungerforderlichenRechnerwerdeninAbschnitt3.2.2cha- werdenzwischen: derexternensensorikbereitgestelltendateneinengewissengenauigkeitsgradhabenund zweckdienlicheinformationendarausextrahiertwerdenkonnen.hinsichtlichderrolle derexternensensorik,undsomitderverwendungvonumweltdaten,kannunterschieden Programm-Roboter Passiv{wahrnehmende{Roboter. Teleoperation{Roboterund Programm{Roboter, sindtypischerweiseindergroindustriellenserienfertigungimeinsatz.dieumweltwird Programm{RoboterarbeitengemaeinerklardeniertenAbfolgevonBefehlenund 29

31 Sensoren.AlleperipherenGegenstandeundGerate,mitdenenderRoboterzutunhat, nichtwahrgenommenodernursehrselektivanhandvonkontakt{odernaherungs{ DieserfolgtbeispielsweisedurchsogenannteTeach{in{Programmierung.DerRoboterwird hierbeimanuellvonbahnpunktzubahnpunktgesteuert,undeinrechnerspeichertdie mussenvorbestimmteformenundpositionenhaben,wobeinurkleinetoleranzenzugelassensind.diegesamtebewegungstrajektoriedesroboterswirddetailliertprogrammiert. einzelnenschritte. genauesmodellderarbeitsumgebungexistieren. stellungendieausfallzeitenderproduktionverkurztwerden.allerdingsmueinmoglichst tigtetatigkeitmithilfeeinerworkstationambildschirmentworfenundoptimiert.ein bungdesrobotersfernabvomtatsachlicheneinsatzbereichsimuliert,unddiebeabsich- VorteildieserVorgehensweisegegenuberderTeach{in{Programmierungist,dabeiUm- EineAlternativeistdiesogenannteOine{Programmierung.HierbeiwirddieUmge- Teleoperation{Roboter erfolgen. furdiemenschenzuschadlichodergefahrlichsind,sokommenmanuellbedienbareroboterzumeinsatz,wobeidasbedienungspersonalbeispielsweisedurcheineglaswand geschutztist(sieheabbildung6).istderblickaufdaswerkobjektwegenunzuganglich- BeiunstrukturierterArbeitsumgebung,dieeventuellsogarfortwahrendenAnderungen unterworfenist,sindherkommlicheprogramm{roboterungeeignet.fallsdiesearbeiten keitodergroerdistanzbehindert,somudiebedienungubersogenannteteleoperation einemmanipulator.mithilfevonsensoren,beispielsweiseultraschall{,infrarot{oder stand.derhandelndeaktuatorbestehttypischerweiseauseinermobilenplattformund Kraft{Sensoren,sowieVideo{oderLaser{Kameras,wirddieUmgebungwahrgenommen, unddieinformationperfunkoderkabelandenkontrollstandubertragen.aufdieser sammenmitdemsensorsystemunddeminsichererentfernungbendlichemkontroll- GrundlagesteuertdasPersonaldenAktuator,derschritthaltendvorOrteinebestimmteAufgabeerledigt.BeiTeleoperation{RoboternistalsoderMenschunmittelbarinden Wahrnehmungs{Aktions{Zyklusintegriert. EinTeleoperation{RoboterbestehtausdemvorOrthandelndenAktuatorsystemzuterschiedenwerden.EineminimaleUnterstutzungliegtdannvor,wenndieStellgroen SensorenderEindruckentsteht,alswurdedirektderSlavebedient.DaTeleoperation{ besserungbietensogenanntemaster/slave{systeme.derimeinsatzbendlicheaktuator furdenhandelndenaktuatorunmittelbarvondenbedienernermitteltwerden.einever- istderslave,undimkontrollstandbendetzusatzlicheinevereinfachtekopiedavon, dermaster.durchdiebedienungdesmasterswirdderslavegefuhrt,wobeiaufgrundder EskonnenunterschiedlicheGradederUnterstutzungdurchdasRechner{Systemun- Umgebungenarbeitenkonnen,sindzunehmendautonomhandelndeRobotererforderlich. Robotermuhsamzubedienensind,undProgramm{Roboternuringenauspezizierten 30

32 samkeitndetnichtstatt. passivwahr,d.h.eineregelungderblickrichtungzuraktivenveranderungderaufmerk- SensorenoderVideo{CCD{Kamerasgeliefertwerden.SienehmendieUmweltabernur DiesenRobotertypsteuertmanvorrangiganhandderSzenendaten,dievonexternen Passiv{wahrnehmende{Roboter dergrundlagevonexternensensorenautonomzuhandeln.sokonnenmobileroboteranfahrbahnmarkierungenentlangfahrenundsomitbeispielsweiseimfabrikgelande einervideo{kameraaufgenommenunddurcheinfachebildverarbeitungerkannt.imwissenschaftlichenbereichhabenmobileroboterdaruberhinausgehendefahigkeiten.beispielsweiseistdasentlangfahrenaneinerwandoderdieannaherunganeinewand UnterindustriellenBedingungensindbislanglediglichmobileRoboterimstande,auf Transport-undLagerarbeitendurchfuhren.DienotwendigenMarkierungenwerdenmit ermitteltwerden. kennungvonlandmarken,kanndamiteingroberplanuberdiefreigebietevonraumen derodometrie(integrationdergeschwindigkeit),zumteilinverbindungmitderer- moglich,ohnedafahrbahn-oderwandmarkierungenerforderlichsind.mitmethoden barernahedesgreifersundsomitimsichtbereichderkamerasbenden.unterdieser Handrucken(Eye{on{Hand)befestigtsein.DasGreifobjektmusichschoninunmittel- einemgreiferdiekamerasentwederzwischendenfingern(eye{in{hand)oderaufdem CCD{Kameras,sindbislanginderIndustrienichtimEinsatz,jedochsindsieGegenstand daeineoderzweikamerasdirektameektorbefestigtsind.beispielsweisekonnenbei intensiverwissenschaftlicherforschung.diedominierendekongurationbestehtdarin, AutonomhandelndeManipulatoren,beispielsweiseaufderGrundlagevonVideo{ Greifstellungermitteln.AndernfallswirddieaprioribekanntePosition,Orientierungund FormderGreingerinBeziehunggesetztzurdreidimensionalenLagedesGreifobjekts, SichtbereichderKamerassein.IndiesemFalllatsichunmittelbarvisuelleinestabile terelativestellungzudengreingernkommt.diegreingerkonnendabeiselbstim VoraussetzungwirddannderGreifersobewegt,dadasGreifobjektineinebestimm- dergroerenentfernungzwischenkameraundgreifobjektmanchedetailsverborgen,so tivenkannsomiteingroererszenenbereicheingesehenwerden.damitlatsichauchein welcheausdembildmaterialrekonstruiertwerdenmu. groererabstandzwischengreiferundgreifobjektuberbrucken.allerdingsbleibenwegen toraneinerdistanziertenstellezupositionieren.unterverwendungvonweitwinkelobjek- beidenkongurationenwurdebislangnochnichtuntersucht. daunstabilegreifstellungenwahrscheinlicherwerden.einegeeignetekombinationder EinealternativeKongurationbestehtdarin,dieKamerasunabhangigvomManipula- BisEndederachtzigerJahrewardieKonzeptionfurpassivwahrnehmendeRobotersystemeeinheitlichdurcheinestrengefunktionaleModularisierungcharakterisiert.Dabei hattemanimwesentlichendreifunkionenunterschieden,diesequentielldurchlaufenwer FunktionaleModularisierungvonRobotern 31