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

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1 Kurze Einführung in die Robotik Lehrstuhl für Informatik VI, Universität Würzburg Praktikum Mobile Roboter, WS 2000/01 Kurze Einführung in die Robotik Axel Guicking 16. Mai 2014

2 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 2 von 26 Was sind Roboter? Encyclopaedia Galactica (D. Adams): Technische Vorrichtung, die dazu dient, dem Menschen die Arbeit abzunehmen. S. Russell, P. Norvig: An active, artificial agent whose environment is the physical world. 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.

3 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 3 von 26 1.Simulationen zählen nicht. 2.Du machst aus Science-Fiction Wirklichkeit. 3.Du arbeitest mit tollen Leuten zusammen. 4.Du musst eine herausfordernde Vielzahl von Fähigkeiten beherrschen. 5.An jeder Ecke warten Überraschungen. 6.Es beeindruckt deine Freunde. 7.Du hast Spaß mit deinen Kindern. 8.Du verwirklichst deine Träume. 9.Es ist besser als Arbeiten. 10.Sie brauchen dich, um auf die Welt zu kommen. Quelle: G. von Randow; Mondotronics-Katalog, Die 10 wichtigsten Gründe, Roboter zu bauen

4 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 4 von 26 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 ( ): Prägte 1921 den Begriff Roboter (nach tschech. robota: Fronarbeit) in seinem Stück Rossums Universal Robots, in dem seelenlose menschenähnliche Geräte ihre Schöpfer überwältigen. Isaac Asimov ( ): 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 depressive Roboter... Die Anfänge der Robotik

5 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 5 von 26 Einteilung von Robotern z.B. nach ihren Einsatzgebieten (Übergänge sind fließend): Heutige Einsatzgebiete von Robotern 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.

6 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 6 von 26 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 Produkte von Menschen angepasst, d.h. umprogrammiert werden Häufig Fließbandarbeit wie Schweißen, Polieren, Lackieren,... Unterstützung der menschlichen Arbeitskräfte durch Handhabung von Bauteilen (Zusammensetzen von Autos) Industrieroboter

7 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 7 von 26 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) SIRIUS c : Fassadenreinigungsroboter für Hochhäuser (IFF) Robodoc: Einsatz von künstlichen Hüftgelenken (Kalifornien/Japan) Lely: Melkroboter mit individueller Kuherkennung Tennisballsammler: Pioneer I mit Farbkamera und Bürste Serviceroboter

8 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 8 von 26 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 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 Interaktive Serviceroboter

9 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 9 von 26 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 km öffentliche Abwasserrohre –Konventionelle Reinigung sehr zeit- und damit kostenintensiv, da Inspektionsplattformen häufig umgesetzt werden müssen –Kurt: Autonome mobile Roboterplattform zur Erkennung von Rissen etc. Versagt bei höheren Stufen –Makro: 5 Segmente, 4 Knickelemente, kann Höhenunterschiede bis zu 35cm überwinden Geländeroboter

10 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 10 von 26 Ein Wettbewerb unter vielen, wird aber zunehmend populärer... Fußballmeisterschaft in verschiedenen Ligen. EM im vergangenen Juni in Amsterdam, WM 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: und beim Spiegel-Online: Der RoboCup

11 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 11 von 26 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 Verlängerung Entscheidung durch Münzwurf. In nächster Zeit: Dritte Dimension, mehr Offensive. Weltmeister: 1. FC Portugal 2. Karlsruhe Brainstormers Die Simulationsliga

12 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 12 von 26 Maximal 5 Roboter pro Team Grundfläche jeweils bis 180cm² Drahtlose Kommunikation über externen Rechner erlaubt, aber ohne menschlichen Eingriff Menschlicher Schiedsrichter FIFA-ähnliche Regeln (Fauls etc.) Kamera über dem Spielfeld als globales Vission-System, aber inzwischen auch oft individuelle Kameras Bei Unentschieden Verlängerung, dann Elfmeter-Schießen Weltmeister: 1. Cornell University, 2. FU Fighters (Berlin) Die F-180 Liga

13 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 13 von 26 Königsdisziplin: maximal 4 Roboter je Team, jeweils bis 50cm Durchmesser Direkte Kommunikation zwischen den Spielern Spielzeit: 2x 10 Minuten Freiburger haben am meisten Strategie, trotzdem nach wie vor Hauptprobleme bei Vision Weltmeister: 1. CS Freiburg, 2. Golem Italia CS Freiburg: DM99, Dritter beim RoboCup 99, DM98, Weltmeister beim RoboCup 98 Die F-2000 Liga Video #1Video #2

14 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 14 von 26 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) Die Sony Legged Robot League

15 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 15 von 26 RoboGuard: Am King Mongkuts Institute of Technology (Bangkok) wurde ein Robotersoldat entwickelt, der auf Einbrecher schießen kann. Mithilfe von IR-Sensoren und einer Kamera wird das Ziel verfolgt. Kann via Internet ferngesteuert werden. Wer ist verantwortlich? Die drei Asimovschen Gesetze der Robotik (1942): 1.Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzen oder durch Untätigkeit gestatten, dass einem menschlichen Wesen Schaden zugefügt wird. 2.Ein Roboter muss den von einem Menschen gegebenen Befehlen gehorchen, es sei denn, ein solcher Befehl würde gegen Regel 1 verstoßen. 3.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. Die Roboter der Zukunft Video #3 Video #4

16 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 16 von 26 P. Hoppen: Autonome mobile Roboter: Echtzeitnavigation in bekannter und unbekannter Umgebung. BI-Wissenschaftsverlag, G. von Randow: Roboter. Unsere nächsten Verwandten. Rowohlt, Hamburg, S. Russell, P. Norvig: Artificial Intelligence: A modern Approach. Prentice Hall Inc., J. Vera, P. Menzel: Robots. ¿Qué hay de nuevo, R2D2? Spanische Ausgabe von GEO, Nr. 158, März 2000, S Spiegel online: Fraunhofer IPA: (Serviceroboter)http://www.ipa.fhg.de/srdatabase/ … und dann noch dies: D. Adams: Per Anhalter durch die Galaxis. Ullstein Taschenbuch, 20. Auflage, Literaturhinweise

17 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 17 von 26 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

18 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 18 von 26 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]

19 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 19 von 26 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)

20 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 20 von 26 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

21 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 21 von 26 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.

22 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 22 von 26 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: UmweltZug.Det.Epis.Stat.Diskr. Schach Poker Backgammon Taxifahrer

23 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 23 von 26 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 Effektoren: Direkte Beeinflussung der Umwelt Aktuatoren: Übersetzung von Softwarebefehlen in Bewegung Sensoren: Wahrnehmung der gegenwärtigen Umwelt

24 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 24 von 26 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 wildes Gebirge oder Waldboden Statisch stabil: Kann zu jedem Zeitpunkt anhalten ohne umzufallen (langsam und energieaufwendig) Dynamisch stabil: Bewegungsablauf besteht aus Umfallen und Wiederauffangen (wie beim normalen Gehen). Räder sind einfacher zu bauen und effizienter, oft zwei einzeln gesteuerte Räder und ein passives Stützrad oder Differenzialantrieb (ein Motor zum Fahren, der andere zum Lenken). Video #5

25 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 25 von 26 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

26 Praktikum Mobile Roboter WS 2000/01, Folie 26 von 26 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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