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Lehrstuhl für Informatik VI, Universität Würzburg Praktikum Mobile Roboter, WS 2000/01 Kurze Einführung in die Robotik Axel Guicking 12. März 2014 PowerPoint PPT Presentation


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Lehrstuhl für Informatik VI, Universität Würzburg Praktikum Mobile Roboter, WS 2000/01 Kurze Einführung in die Robotik Axel Guicking 12. März 2014. Was sind Roboter?.

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Lehrstuhl für Informatik VI, Universität Würzburg Praktikum Mobile Roboter, WS 2000/01 Kurze Einführung in die Robotik Axel Guicking 12. März 2014

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Presentation Transcript


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Lehrstuhl für Informatik VI, Universität WürzburgPraktikum Mobile Roboter, WS 2000/01Kurze Einführung in die RobotikAxel Guicking12. März 2014


Was sind roboter l.jpg

Was sind Roboter?

VDI-Richtlinie 2860: Industrieroboter„Universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, deren Bewegungen […] programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.“

P. Hoppen: Autonomer mobiler Roboter„Maschine, die sich in einer natürlichen Umgebung aus eigener Kraft und ohne Hilfestellung von außen bewegen und dabei ein ihr gestelltes Ziel erreichen kann. […] Dabei erkennt sie die Umwelt, sofern dies notwendig ist, über eigene Sensoren.“

Robot Institute of America:„A programmable, multifunction manipulator designed to move material, parts, tools, or specific devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks.“

S. Russell, P. Norvig:„An active, artificial agent whose environment is the physical world.“

Encyclopaedia Galactica (D. Adams): „Technische Vorrichtung, die dazu dient, dem Menschen die Arbeit abzunehmen.“


Die 10 wichtigsten gr nde roboter zu bauen l.jpg

Die 10 wichtigsten Gründe, Roboter zu bauen

  • Simulationen zählen nicht.

  • Du machst aus Science-Fiction Wirklichkeit.

  • Du arbeitest mit tollen Leuten zusammen.

  • Du musst eine herausfordernde Vielzahl von Fähigkeiten beherrschen.

  • An jeder Ecke warten Überraschungen.

  • Es beeindruckt deine Freunde.

  • Du hast Spaß mit deinen Kindern.

  • Du verwirklichst deine Träume.

  • Es ist besser als Arbeiten.

  • Sie brauchen dich, um auf die Welt zu kommen.

    Quelle: G. von Randow; Mondotronics-Katalog, http://www.mondo.com/


Die anf nge der robotik l.jpg

Die Anfänge der Robotik

Automatisierung:

  • Heron von Alexandrien (1. Jh.) baute einen automatischen Türöffner: Feuer erwärmt Wasser, dass durch ein Rohr in einen Eimer fließt; das erhöhte Gewicht setzt eine Mechanik in Gang, das die Tempeltüren öffnet.

    Robotik (20. Jh.):

  • Karel Čapek (1890-1938): Prägte 1921 den Begriff „Roboter“ (nach tschech. robota: Fronarbeit) in seinem Stück „Rossum‘s Universal Robots“, in dem seelenlose menschenähnliche Geräte ihre Schöpfer überwältigen.

  • Isaac Asimov (1920-1992): Russisch-amerikanischer Biochemiker und Schriftsteller, prägte Ende der 30er Jahre den Begriff„Robotik“.

  • StarTrek (70er Jahre): Lt. Commander Data

  • StarWars (1977): R2D2, C3PO

  • Douglas Adams (1979): Marvin, der stets depressiveRoboter...


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Heutige Einsatzgebiete von Robotern

Einteilung von Robotern z.B. nach ihren Einsatzgebieten

(Übergänge sind fließend):

Industrieroboter

Arbeiten in Fabriken und Montagehallen:Schweißroboter u.ä.

Serviceroboter

Arbeiten in anderen Gebieten, die von Menschen bevölkert sind:Putzroboter, Rasenmäher, Museumsführer u.ä.

Geländeroboter

Arbeiten in der rauhen Natur oder an Orten, die für Menschen nicht mehr zugänglich sind:Tiefsee, Weltraum, Kernkraftwerke, Kanalreinigung, Orangen pflücken u.ä.


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Industrieroboter

  • Komplett von Menschen geschaffene Umwelt (Fabriken)

  • Heute eine knappe Million Industrieroboter weltweit im Einsatz (der Großteil davon in Japan, gefolgt von den USA)

  • Meist nicht autonom und nicht mobil:Roboter müssen an neue Produktevon Menschen angepasst,d.h. umprogrammiert werden

  • Häufig Fließbandarbeit wie Schweißen,Polieren, Lackieren, ...

  • Unterstützung der menschlichenArbeitskräfte durch Handhabung von Bauteilen (Zusammensetzen von Autos)


Serviceroboter l.jpg

Serviceroboter

  • Zumindest teilweise künstliche Umwelt, in der Menschen leben

  • Unterscheidung zwischen Robotern zur Unterstützung von menschlicher Arbeit (Putzroboter u.ä.) und interaktiven Servicerobotern wie Museumsführern

    Unterstützende Serviceroboter:

  • SkyWash: Putzroboter für Jumbojets (Preis: 5 Mio. DM) (IPA)

  • SIRIUSc: Fassadenreinigungsroboter für Hochhäuser (IFF)

  • Robodoc: Einsatz von künstlichen Hüftgelenken (Kalifornien/Japan)

  • Lely: Melkroboter mit individueller Kuherkennung

  • Tennisballsammler: Pioneer I mit Farbkamera und Bürste


Interaktive serviceroboter l.jpg

Interaktive Serviceroboter

  • Für den interaktiven Umgang mit Menschen ist Kommunikation erforderlich

  • RHINO: Ein autonomer, mobiler, interaktiver Museumsführer der Universität Bonn. Hauptschwerpunkte:

    • Schnelle und zuverlässige Bewegung in hochdynamischer Umwelt

    • Interesse der Besucher wecken

    • Interaktionsfähigkeit (Touchscreens)

    • Toleranz gegenüber unkooperativen Museumsbesuchern

    • Fernsteuerung über Web-Interface

      Literatur: W. Burgard et al.: Experiences with an interactive museum tour-guide robot. Artificial Intelligence 114 (1999), S. 3-55.

  • Museum für Kommunikation, Berlin (IPA):

    • „Komm-rein“: Begrüßt die Besucher, gibt aktuelle Infos

    • „Also-gut“: Führt die Besucher durch das Museum

    • „Mach-was“: Animiert die Besucher zum Ball spielen


Gel nderoboter l.jpg

Geländeroboter

  • Arbeiten in praktisch natürlicher Umwelt („draußen“)

  • Einsatz in der Natur oder in Gebieten, die für Menschen ...

    ... nicht oder nur schwer zugänglich sind: Tiefsee, Weltraum

    ... gefährlich sind: Minensuche, Unfälle in Kernkraftwerken

  • KURT/MAKRO: Kanalreinigungsroboter der GMD:

    • In Deutschland ca. 400.000 km öffentliche Abwasserrohre

    • Konventionelle Reinigung sehr zeit- und damit kostenintensiv, da Inspektionsplattformen häufig umgesetzt werden müssen

    • Kurt: Autonome mobileRoboterplattform zur Erkennungvon Rissen etc. Versagt beihöheren Stufen

    • Makro: 5 Segmente, 4Knickelemente,kann Höhenunterschiede bis zu35cm überwinden


Der robocup l.jpg

Der RoboCup

  • Ein Wettbewerb unter vielen, wird aber zunehmend populärer...

  • Fußballmeisterschaft in verschiedenen Ligen. EM im vergangenen Juni in Amsterdam, WM 31.8.-3.9.00 in Melbourne. Jeweils parallel zu einer größeren KI-Tagung. Nächstes Jahr in Seattle.

  • Erfordert Fähigkeiten auf verschiedenen Gebieten: Autonome Agenten, Multi-Agenten-Kollaboration, Strategieentwicklung und -anpassung, Echtzeitauswertung von Sensordaten (Vision, Laserscans)

  • Teilnehmer sind häufig Universitäten, gesponsert von Firmen (Kameras, Laserscanner etc.); deutsche Universitäten (Freiburg, Berlin, Karlsruhe) gehören neben Iran, Japan, USA zu den besten Teams.

  • Neue Teams sind nicht unbedingt viel schlechter als amtierende Weltmeister…

  • Bei der WM in diesem Jahr erstmals als Demonstration zu sehen:

    • Bi-Ped Liga, äußerst wacklige Zweibeiner, ab 2002 sollen auch sie kicken

    • Search and Rescue: Rettungsszenario zur tatsächlichen Anwendung der „RoboCup-Forschung“

  • Weitere Infos: http://www.robocup.org/ und beim Spiegel-Online: http://www.spiegel.de/netzwelt/robocup/.


Die simulationsliga l.jpg

Die Simulationsliga

  • Je elf autonome Software-Agenten

  • Spieldauer: 2x 5 Minuten

  • Jeder Spieler hat sein eigenes Programm (Spielstrategie).

  • Entwicklungsstand: sehr gut (keine Hardwareprobleme), bei 0:0-Unentschieden nach VerlängerungEntscheidung durch Münzwurf.

  • In nächster Zeit: Dritte Dimension,mehr Offensive.

  • Weltmeister:1. FC Portugal2. Karlsruhe Brainstormers


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Die F-180 Liga

  • Maximal 5 Roboter pro Team

  • Grundfläche jeweils bis 180cm²

  • Drahtlose Kommunikation überexternen Rechner erlaubt,aber ohne menschlichen Eingriff

  • Menschlicher Schiedsrichter

  • FIFA-ähnliche Regeln (Fauls etc.)

  • Kamera über dem Spielfeld alsglobales Vission-System, aber inzwischen auch oft individuelle Kameras

  • Bei Unentschieden Verlängerung, dann „Elfmeter-Schießen“

  • Weltmeister: 1. Cornell University, 2. FU Fighters (Berlin)


Die f 2000 liga l.jpg

Die F-2000 Liga

  • Königsdisziplin: maximal 4 Roboter je Team,jeweils bis 50cm Durchmesser

  • Direkte Kommunikation zwischen den Spielern

  • Spielzeit: 2x 10 Minuten

  • Freiburger haben am meisten Strategie, trotzdemnach wie vor Hauptprobleme bei Vision

  • Weltmeister: 1. CS Freiburg, 2. Golem Italia

  • CS Freiburg: DM‘99, Dritter beim RoboCup 99,DM‘98, Weltmeister beim RoboCup 98

Video #1

Video #2


Die sony legged robot league l.jpg

Die Sony Legged Robot League

  • Bis zu drei Hunde je Team

  • Komplizierte Beinsteuerung, um den Ball ins Tor zu schießen

  • Ecken des Spielfelds farblich markiert als Orientierungshilfe

  • Im Vergleich zum letzten Jahr enorme Steigerung, trotzdem meist noch arge Schwierigkeiten bei Ballerkennung und Koordination der eigenen Beine und der Roboter untereinander.

  • Weltmeister:1. University of NSW (Melbourne)2. Humboldt-Universität (Berlin)


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Die Roboter der Zukunft

RoboGuard:

  • Am King Mongkut‘s Institute of Technology (Bangkok)wurde ein Robotersoldat entwickelt, der auf Einbrecherschießen kann.

  • Mithilfe von IR-Sensoren und einer Kamera wird das Zielverfolgt.

  • Kann via Internet ferngesteuert werden.

     Wer ist verantwortlich?

    Die drei Asimovschen Gesetze der Robotik (1942):

    • Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzen oderdurch Untätigkeit gestatten, dass einem menschlichen WesenSchaden zugefügt wird.

    • Ein Roboter muss den von einem Menschen gegebenenBefehlen gehorchen, es sei denn, ein solcher Befehl würdegegen Regel 1 verstoßen.

    • Ein Roboter muss seine eigene Existenz schützen,solange er damit nicht gegen Regel 1 und 2 verstößt.

      Selbstständige Vermehrung:

  • An der Brandeis Universität in Waltham, MA, wurden kürzlich Roboter konstruiert, die sich eigenständig reproduzieren und weiterentwickeln können.

Video #3

Video #4


Literaturhinweise l.jpg

Literaturhinweise

  • P. Hoppen: Autonome mobile Roboter: Echtzeitnavigation in bekannter und unbekannter Umgebung. BI-Wissenschaftsverlag, 1992.

  • G. von Randow: Roboter. Unsere nächsten Verwandten. Rowohlt, Hamburg, 1997.

  • S. Russell, P. Norvig: Artificial Intelligence: A modern Approach. Prentice Hall Inc., 1995.

  • J. Vera, P. Menzel: Robots. ¿Qué hay de nuevo, R2D2? Spanische Ausgabe von GEO, Nr. 158, März 2000, S.42-51.

  • Spiegel online: http://www.spiegel.de/

  • Fraunhofer IPA: http://www.ipa.fhg.de/srdatabase/ (Serviceroboter)

    … und dann noch dies:

  • D. Adams: Per Anhalter durch die Galaxis. Ullstein Taschenbuch, 20. Auflage, 1995.


Agentenarchitekturen l.jpg

Agentenarchitekturen

  • Agent: Etwas, das seine Umwelt mittels Sensoren wahrnimmt und in dieser Umwelt mittels Effektoren handelt.

  • Beispiele: Menschen, Roboter, Softbots, ...

  • Agent = Architektur + Programm

  • Programm: Bestimmt passende Aktion(en) zu aktuellen Sensorinputs bzw. Folge von Sensorinputs (Software)

  • Architektur: Liefert Sensorinputs an Programm, führt dieses aus und liefert die Aktion(en) zurück an Effektoren (Hardware)

  • Beschreibung mit PAGE: Percepts – Actions – Goals – Environment


Einfacher reflex agent l.jpg

Einfacher Reflex-Agent

  • Zuordnung von Sensorinputs zu Effektoroutputs über Condition-Action-Rules

  • Bsp. Taxifahrer: if car-in-front-is-braking then initiate-braking

  • Versagt, wenn korrekte Entscheidung nicht durch aktuellen Sensorinput getroffen werden kann

Programmgerüst:

state = INTERPRET_INPUT(percept)

rule = RULE_MATCH(state, rules)

action = RULE_ACTION[rule]


Reflex agent mit internem zustand l.jpg

Reflex-Agent mit internem Zustand

  • Agent besitzt internen Zustand, in dem die aktuelle Situation (Weltzustand) gespeichert ist, da Sensoren nicht die gesamte Umwelt wahrnehmen können

  • Auswahl der auszuführenden Aktion abhängig vom Zustand und Sensorinputs

  • Bsp. Taxifahrer: Vor einem Spurwechsel Blick in den Rückspiegel, wenn Nachbarspur frei ist, kann Vorgang gestartet werden (Blinker setzen etc.)

  • Probleme, wenn mehrere Regeln auf aktuellen Weltzustand anwendbar sind (Taxifahrer: Kreuzung)

Programmgerüst:

state = UPDATE_STATE(state, percept)

rule = RULE_MATCH(state, rules)

action = RULE_ACTION[rule]

state = UPDATE_STATE(state, action)


Zielbasierter agent l.jpg

Zielbasierter Agent

  • Agent benötigt ein Ziel, das erwünschte Situationen beschreibt

  • Kombination mit Informationen über Aktionen und deren Ergebnisse zur Auswahl der richtigen Aktion

  • Oft ist diese Auswahl ein komplexer Vorgang (Suche, Planen)

  • Unterschied zu bisherigen Agententypen: Keine „Vorausberechnung“ der Condition-Action-Rules mehr nötig (wesentlich flexibler)

  • Bsp. Taxifahrer: Gewünschtes Ziel des Fahrgasts


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Nützlichkeitsbasierter Agent

  • Ziele sind erforderlich, aber nicht ausreichend für intelligentes Verhalten

  • Anhand einer Nützlichkeitsfunktion kann der Agent die einzelnen Zustände be-urteilen und die Aktion wählen, die zum Zustand mit größter Nützlichkeit führt

  • Vorteil gegenüber rein zielbasierter Architektur: Bei widersprüchlichen Zielen liefert die Nützlichkeitsfunktion einen trade-off

  • Bsp. Taxifahrer: Viele Wege führen zum Ziel (unterschiedlich schnell, sicher, billig), mit der Nützlichkeitsfunktion kann der beste Weg ausgewählt werden.


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Eigenschaften der Umwelt

  • Zugänglich (vs. Unzugänglich): Sensoren des Agenten können gesamte Umwelt wahrnehmen (kein interner Zustand nötig)

  • Deterministisch (vs. Indeterministisch): Nächster Zustand der Welt ist komplett durch den aktuellen Zustand und die Aktion des Agenten bestimmt

  • Episodisch (vs. nicht-episodisch): Einteilung der Zustands- bzw. Aktionsfolge in Episoden, wobei spätere Aktionen nicht von Aktionen früherer Episoden abhängen

  • Statisch (vs. dynamisch): Umwelt ändert sich von sich aus nicht

  • Diskret (vs. kontinuierlich): Anzahl der Zustände und Aktionen ist endlich

    Beispiele:


Bestandteile eines roboters l.jpg

Bestandteile eines Roboters

  • Jeder Effektor bestimmt einen Freiheitsgrad.

  • Bsp. Tennisball: 6 Freiheitsgrade: Mittelpunkt im Raum (x,y,z-Koordinate) und die Achsen des kartes. Koordinatensystems, zur Drehung des Balls auf der Stelle (jeder freier Körper im Raum)

  • Nichtholonomischer Roboter: Anzahl der kontrollierbaren Freiheitsgrade < Anzahl der Freiheitsgrade insgesamt (bei Gleichheit: holomonisch).

  • Bsp. Roboter mit zwei Rädern ist nichtholonomisch: 3 Freiheitsgrade (Punkt im Raum, bzw. in x-y-Ebene und die Ausrichtung), zwei Freiheitsgrade kontrollierbar

Sensoren:Wahrnehmung der gegenwärtigen Umwelt

Aktuatoren:Übersetzung von Softwarebefehlen in Bewegung

Effektoren:Direkte Beeinflussung der Umwelt


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Lokomotion

  • Effektoren dienen in erster Linie zwei Zielen:

    • Lokomotion: Bewegung des Roboters im Raum

    • Manipulation: Bewegung von Objekten in der Umwelt

  • Lokomotion erfolgt mit Beinen oder Rädern

  • Beine sind schwerer zu kontrollieren als Räder,Einsatz nur in „Ausnahmesituationen“ wie wildesGebirge oder Waldboden

  • Statisch stabil: Kann zu jedem Zeitpunkt anhaltenohne umzufallen (langsam und energieaufwendig)

  • Dynamisch stabil: Bewegungsablauf bestehtaus Umfallen und Wiederauffangen (wie beimnormalen Gehen).

  • Räder sind einfacher zu bauen und effizienter,oft zwei einzeln gesteuerte Räder und ein passivesStützrad oder Differenzialantrieb (ein Motor zumFahren, der andere zum Lenken).

Video #5


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Manipulation

  • Ferngesteuerte Roboterarme bei der Verarbeitung von gefährlichen Gütern

  • Manipulatoren (Industrieroboter) besitzen Gelenke für rotatorische (Nicken: vertikal, Gieren: horizontal, Rollen: Kreisbewegung) und prismatische (längs) Bewegungen

  • Ein Manipulator benötigt mindestens sechs Gelenke, um das letzte Armglied an einen „beliebigen“ Punkt mit beliebiger Ausrichtung positionieren zu können


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Sensoren

  • Propriozeptoren: Intrinsische Sensoren z.B. über Gelenkstellungen (Winkel) erzielen hohe Genauigkeit; Odometer zur Bestimmung von Radumdrehungen sind aufgrund von Schlupf relativ ungenau

  • Kraftsensoren zur genauen Drucküberwachung von Greifern vor allem bei zerbrechlichen Gegenständen wie z.B. Glasscheiben

  • Tastsensoren (meist einfache An/Aus-Schalter) zum Einleiten von Ausweichmanövern um Hindernisse

  • Ultraschall- und Infrarotsensoren zur berührungslosen Objekterkennung (ermöglicht „elegantere“ Hindernisvermeidung als reine Erkennung mit Tastsensoren)

  • Laserscanner zur großflächigen Abstandsmessung (meist rotierend)

  • Kameras zur Wahrnehmung größerer Teile der Umwelt, die Datenauswertung ist je nach Auflösung und Framerate sehr komplex und sprengt oft die Rechenkapazität, sodass die Auswertung von Bildinformationen zur Laufzeit bisher nur in einfachen Umwelten möglich ist


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