Einführung in die Robotik. Jianwei Zhang

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1 - Jianwei Zhang Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Technische Aspekte Multimodaler Systeme 28. Juni 2011 J. Zhang 324 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung Gliederung Allgemeine Informationen Einführung Koordinaten eines Manipulators Kinematik-Gleichungen Inverse Kinematik von Manipulatoren Differentielle Bewegungen mit homogenen Transformationen Jacobi-Matrix eines Manipulators Aufgabenbeschreibung Robotergrammierung auf drei Ebenen Trajektoriegenerierung Trajektoriengenerierung Einführung in RCCL Dynamik J. Zhang 325

2 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung Gliederung (cont.) Roboterregelung Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung Transformation vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen Berechnung der K-Hindernisse für Stangenkette Repräsentation des Konfigurationsraums durch Zerlegungsverfahren Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung Architekturen sensorbasierter intelligenter Systeme Aus- und Rückblick J. Zhang 326 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Transformation vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum Grundlage zur Programmierung auf Aufgabenebene Ein Roboter mit physikalischen Größen ein Punkt, die Hindernisse im Arbeitsraum Konfigurationsraumhindernisse (K-Hindernisse), das Komplement der vereinigten K-Hindernisse der kollisionsfreie Raum (Freiraum). Bahnplanung für einen Roboter Suche einer Bahn für den Referenzpunkt des Artefaktes im Freiraum. J. Zhang 327

3 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Transformation vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum Vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum: eine Illustration J. Zhang 328 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Transformation vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum Vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum: ein Beispiel Die Topologie ändert sich nach der Transformation. J. Zhang 329

4 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Transformation vom Arbeitsraum zum Konfigurationsraum Berechnung eines K-Hindernisses für ein kreisförmiges Objekt r-vergrößerung eines Hindernisses: J. Zhang 330 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen J. Zhang 331

5 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen Berechnung eines K-Hindernisses mit Minkowski-Differenz Ein K-Hindernis eines ortsfesten konvexen Hindernisses bzgl. eines (bewegten) konvexen Roboterteils läßt sich theoretisch einfach darstellen als Minkowsky-Differenz der beteiligten Objekten. Wir können CO O (H), ein K-Hindernis eines ortsfesten konvexen Hindernispolyeders H bzgl. eines (bewegten konvexen Objektes O, exakt berechen. CO M (H), Ein K-Hindernis eines ortsfesten konvexen Hindernispolyeders H bzgl. eines sich translatorisch bewegenden konvexen Objektes O: Minkowski-Differenz (Minkowski-Summe) von H und O (H und O): wobei CO O (H) = H O = H ( O) H O := {h o h H o O} J. Zhang 332 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen Berechnung eines K-Hindernisses mit Polygonen J. Zhang 333

6 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen K-Hindernisse für ein Objekt mit 2D translatorischen und 1D rotatorischen Bewegungen - I J. Zhang 334 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse von Polygonen K-Hindernisse für ein Objekt mit 2D translatorischen und 1D rotatorischen Bewegungen - II J. Zhang 335

7 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse für Stangenkette Berechnung der K-Hindernisse für eine Stange J. Zhang 336 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse für Stangenkette Berechnung der K-Hindernisse für eine 2D Stangenkette J. Zhang 337

8 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse für Stangenkette Baumstruktur zur Zerlegung des Konfigurationsraums J. Zhang 338 Programmierung auf Aufgabenebene und Bahnplanung - Berechnung der K-Hindernisse für Stangenkette Konfigurationsraum für eine 3D Stangenkette J. Zhang 339

9 Repräsentation des Konfigurationsraums durch Zerlegungsverfahren Geometrische Zerlegung über gleichmäßige Kuben eine hierarchische Baumstruktur (Viererbaum, Achterbaum, usw.) Scheiben und Scanlinien Luftblasen flexibler Größe Topologische Zerlegung mit überlappenden verallgemeinerten Kegeln mit kritischen Punkten der K-Hindernisse J. Zhang 340 Kubenzerlegung des Konfigurationsraums Das erzeugt ein Bitmap für einen Konfigurationsraum J. Zhang 341

10 Zerlegung eines Konfigurationsraums mit Quadraten J. Zhang 342 Achterbaum-Zerlegung des Konfigurationsraums J. Zhang 343

11 Achterbaum-Zerlegung des Konfigurationsraums Komplexität: r d 1 f (m) zur Abbildung der K-Hindernisse, wobei r: die Anzahl der Diskretisierungsschritte in jedem Freiheitsgrad, d: Freiheitsgrad des Roboterarms, f (m): die Rechenzeit einer Scheibe eine Funktion der Kantenanzahl aller Hindernisse ist. J. Zhang 344 Repräsentation des Freiraums mit verallgemeinerten Kegeln J. Zhang 345

12 Exakte Zerlegung eines Konfigurationsraums das ist ein Beispiel der trapezoiden Zerlegung J. Zhang 346 Beispiel einer exakten Zerlegung mit kritischen Punkten das ist ein Beispiel der zylindischen Zerlegung J. Zhang 347

13 Beispiel einer exakten Zerlegung und eines Verbindungsgraphen J. Zhang 348 Planungsergebnisse Piano-Mover : Manipulatoren: Lozano-Perez 92 HANDEY 3D Konfigurationsraum (auf einem seriellen Rechner) Bis zu 6D Konfigurationsraum (auf massiv-parallelen Rechnern) J. Zhang 349

14 Zusammenfassung: Zerlegungsbasierte Bahnplanung Vorteile: Vollständigkeit bei einer ausreichenden Auflösung globale Übersicht Nachteile: großer Speicherbedarf relativ schwer zu implementieren praktisch implementierbar nur für wenige Freiheitsgrade Bahnplanung ohne explizite Repräsentation der Freiraumgeometrie? J. Zhang 350