Einführung in die Robotik

Transkript

1 Einführung in die Robotik Vorlesung 1 14 Oktober 2008 Dr. Mohamed Oubbati Institut für Neuroinformatik Tel.: (+49) 731 / mohamed.oubbati@uni-ulm.de WS 2008/2009

2 Heutiges Thema: Allgemeines

3 Homepage der Vorlesung Skript & Foliensammlung Sprechstunde: fast jede Zeit, nur bitte vorher anmelden. M. Oubbati Raum O27 / 4306 tel.: (+49) 731 / fax.: (+49) 731 / mohamed.oubbati@uni-ulm.de

4 Was ist Robotik?

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

6 What is robotics? We don t know exactly!...

7 Was ist Robotik? Definition der RIA (Robot Institute of America, 1979): a robot is a reprogrammable, multifunctional manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices through various programmed motions for the performance of a variety of tasks. Ein Roboter ist ein programmierbares Mehrzweck-Handhabungsgerät für das Bewegen von Material, Werkstücken, Werkzeugen oder Spezialgeräten. Der frei programmierbare Bewegungsablauf macht ihn für verschiedene Aufgaben einsetzbar. Roboticists today are not agree with this definition! Until now there is no general definition for Robotics

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

9 Einsatzgebiete

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

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

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

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

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

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

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

17 Einsatzgebiete Entertainment robots

18 Einsatzgebiete Worldwide robotics market (35% are in the EU) Source: Japan Robotics Association

19 Einsatzgebiete What about Germany? Germany has the world s highest robot density. For every 10,000 persons employed in the German industry, there were 148 industrial robots (year 2003). Source: United Nations Economic Commission for Europe

20 Autonome Roboter

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

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

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

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

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

26 Anforderungen der Anwender Ein mobiler Roboter soll fähig sein, effizient und kollisionsfrei in seiner Umgebung zu bewegen. Hindernisse Das Ziel

27 Insect-inspired bug Algorithms goal Switching between two simple behaviors: moving toward the goal. follow obstacles until you can head toward the goal again Beispiel: Program Bug 1 Repeat: 1. Head toward the goal. 2. If the goal is attained then stop. start 3. If contact is made with an obstacle then follow the obstacle s boundary (toward the left) until heading toward the goal is possible again.

28 bug Algorithms funktioniern nicht immer! goal Hier funktioniert Bug 1 nicht! start

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

30 Sense-Plan-Act Welt Sensoren Plan Aktoren Welt

31 Sense-Plan-Act Welt Sensoren Sensordaten erfassen Weltmodel Planen Agieren Aktoren Welt

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

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

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

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

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

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

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

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

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

41 Was wollen wir in dieser Vorlesung lernen?

42 Was wir lernen wollen Cognitive level (perhaps just an introduction) Path-planing, Potential fields, - Target acquisition - Obstacle avoidance Reactive level control Sensors Low-level control PID controllers Environment Robot - kinematic control. - dynamic control.

43 Geplante Inhalte Einführung Grundbestandteile eines Roboters Kinematik Bewegungsregelung Einführung in die Navigation

44 Geplante Inhalte Grundbestandteile eines Roboters Sensoren Aktoren A/D & D/A Wandler

45 Geplante Inhalte Kinematik Antriebskonzepte Vorwärtskinematik Rückwärtskinematik

46 Geplante Inhalte Bewegungsregelung Regelung PID Regler Motion Control

47 Geplante Inhalte Navigation Lokalisierung Bahnplanung Steuerungsarchitekturen

48 Ulm University Neural Fields for Mobile Robot Navigation

49 Ulm University Biologically inspired control for humanoid robot Recurrent Neural Networks for motion control

50 Ulm University - Behavior-based control with neural networks - Learning Skills - Artificial Curiosity

51 Robotikveranstaltungen WS2008/2009 Praktika, Diplomarbeiten, Masterarbeit Neural Fields for Robot Navigation. Biologically inspired motion control for Humanoid robot. Behavior-based control with recurrent neural networks. Bitte bei mir melden, wenn sie Interesse haben!