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"Autonome Robotersysteme"

Sommersemester 2008

Nils T Siebel

Inhalte der Vorlesung

Ein zentrales Thema in der gegenwärtigen Roboterforschung ist die Entwicklung einer Architektur, in der ein Robotersystem Verhaltensweisen selbständig erlernen kann. Eine vorgegebene Aufgabe soll durch das Robotersystem in einer teilweise unbekannten oder veränderlichen Umwelt erledigt werden. Dies steht im Gegensatz zum momentanen Einsatz von Robotern in der Industrie, wo Roboter in einer fest definierten und konstanten Umwelt nur einfache Aufgaben fast "blind", d.h. ohne eine Wahrnehmung der Umwelt, ausführen.

Die Vorlesung "Autonome Robotersysteme" ist in zwei Teile gegliedert und umfasst die folgenden Inhalte:

Teil I: Grundlagen

1. Einführung
2. Robotersensorik und -aktorik
3. Koordinatensysteme und Transformationen
4. Roboterarmkinematik
5. Roboterarmdynamik

Teil II: Anwendungen

1. Der Roboter als dynamisches System
2. Regelungstheoretischer Ansatz zur bildbasierten Roboterregelung (Image-based Visual Servoing)
3. Weiterentwicklung: Regelung mit Hilfe einer Trust Region-Methode
4. Regelungen mit Hilfe Neuronaler Netzwerke
5. Evolutionäre Methoden (z.B. Genetische Programmierung)

Falls es die Zeit erlaubt, werden im zweiten Teil der Vorlesung weitere Methoden und Beispiele für Roboterregelungen gegeben.

Im darauffolgenden Semester wird das Fortgeschrittenenpraktikum "Computer Vision und Robotik" angeboten, in dem die in dieser Vorlesung erworbenen Grundlagen in unserem Robot-Vision-Labor in die Praxis umgesetzt werden können.

Übungszettel

Die Übung findet mittwochs vor der Vorlesung statt. Einige Übungen sollen einzeln gelöst werden, andere können auch von einer Gruppe von max. 2 Studenten abgegeben werden. Dies ist jeweils auf den Aufgabenzetteln vermerkt. Die Abgabe der Übungen erfolgt über das Fach "Autonome Robotersysteme" im Haus I.

Scheinkriteria

Wer einen Schein dieser Vorlesung benötigt, muss folgende Kriteria erfüllen:

• Aktive Teilnahme an der Vorlesung
• Erfolgreiche Teilnahme an den Übungen, d.h. mindestens 50% der erreichbaren Punkte bei den Übungszetteln sowie Anwesenheit/Vorrechnen
• Deutlicher und ausreichender Beitrag zum System, das im Softwarepraktikum entwickelt wird (Details später)
• Mündliches Fachgespräch am Ende der Vorlesung (wichtig, da neuerdings nur noch benotete Scheine ausgestellt werden dürfen)

Vorlesungsskript

Das Material zum ersten Teil der Vorlesung (Grundlagen) findet sich größtenteils in Kapitel 1 bis 4 des folgenden Skripts:
PS-Version (1296 KB) und PDF-Version (888 KB), kombiniert mit den ausgeteilten Folien und anderem Material.

Literaturliste/Buchempfehlungen

Folgende Bücher sind zur Begleitung der Vorlesung und zur Vertiefung des Stoffes gut geeignet:

• Thomas Bräunl, Embedded Robotics, Springer Verlag 2003 (ab ca. 60 Euro bei Amazon.de):
  Thomas Bräunl beschreibt auf über 400 Seiten viele Aspekte autonomer Robotersysteme. Im ersten Teil werden anhand des Beispiels eines kleinen mobilen Roboters mit einem einfachen Betriebssystem Sensorik, Aktorik und die Programmierung von Regelungen erklärt. Im zweiten Teil werden wichtige allgemeine Grundlagen wie z.B. Antrieb und Lenkung mobiler Roboter vorgestellt. Der dritte Teil beschäftigt sich ausführlich mit Anwendungen. Besonders gut gefällt mir dabei, wie die angewandten Methoden, wie beispielsweise Neuronale Netzwerke und Genetische Programmierung, auf wenigen, präzisen Seiten eingeführt und erklärt werden.
• Mark W. Spong, Seth Hutchinson, M. Vidyasagar, Robot Modeling and Control, John Wiley & Sons 2005 (ca. 71 Euro bei Amazon.de):
  Dies ist eines der ausführlichsten und besten Grundlagenbücher auf dem Gebiet der Robotik. Es behandelt Koordinatensysteme und Transformationen, Kinematik und Inverse Kinematik sowie Dynamik. Dazu gibt es Kapitel über Wegplanung, eine kurze Einführung in die Bildverarbeitung und weitere relevante Themen. Das Buch ist klar und gut geschrieben und dadurch leicht verständlich. Im Vergleich zum Vorgängerbuch, Robot Dynamics and Control gibt es einige Ergänzungen und Überarbeitungen, die den Klassiker von 1989 weiter verbessern.
• Ulrich Nehmzow, Mobile Robotik, Springer Verlag, 2002 (44,95 Euro bei Amazon.de):
  Dieses Buch enthält zunächst eine kurze Einführung, unter anderem zur Sensorik von mobilen Robotern und anderen Grundlagen. Im Weiteren werden anhand von einer Reihe von Fallstudien Regelkonzepte für autonome mobile Roboter verdeutlicht und Anwendungen vorgestellt.
• Jan Lunze, Regelungstechnik 1, Springer Verlag, 2004 (39,95 Euro bei Amazon.de):
  Für diejenigen, die sich für regelungstechnischen Grundlagen der behandelten Regelkreise (z.B. im Zusammenhang mit Visual Servoing) näher interessieren, ist ein entsprechendes Buch wie dieses sehr empfehlenswert.
• A.E. Eiben und J.E. Smith, Introduction to Evolutionary Computing, Springer Verlag, 2003 (42,75 Euro bei Amazon.de):
  Dieses Buch ist eines der besten auf dem Gebiet Evolutionary Computing (d.i. Genetische Algorithmen, Evolutionäre Strategien, Evolutionäre Programmierung und Genetische Programmierung). Zu diesem Buch gibt es eine Homepage im Internet, auf der sich u.A. Angaben zum Inhalt finden.

Die Bücher von Thomas Bräunl und Jan Lunze stehen in der Fachbibliothek Mathematik/Informatik/Rechenzentrum als Handapparat zu dieser Vorlesung zur Einsicht bereit. Darüber hinaus können alle genannten Bücher bei mir eingesehen werden.

Für den zweiten Teil der Vorlesung sind unter anderem folgende Arbeiten zur visuellen Roboterregulung relevant:

• Nils T Siebel: Bildbasierte Roboterregelung in sechs Freiheitsgraden unter Verwendung einer Trust-Region-Methode, Diplomarbeit, Zentrum für Technomathematik und Institut für Automatisierungstechnik, Universität Bremen, August 1999.
  Verfügbar als PS-Version (2328 KB) und PDF Version (3528 KB).
• Nils T Siebel, Oliver Lang, Fabian Wirth, Axel Gräser: "Robuste Positionierung eines Roboters mittels Visual Servoing unter Verwendung einer Trust-Region-Methode". In Forschungsbericht Nr. 99-1 der Deutschen Forschungsvereinigung für Meß-, Regelungs- und Systemtechnik (DFMRS) e.V. anlässlich der DFMRS Jahrestagung 1999 zum Thema Automatische Prozessführung, Prozessüberwachung und Montage, Bremen, Seiten 23--39, November 1999, ISSN 0944-694X.
  Verfügbar als PS-Version (904 KB) und PDF Version (296 KB).

Links auf dem Internet

Hilfreich zur Regelungstechnik ist das Skript "Systemdynamik und Regelungstechnik" von Volker Krebs (Uni Karlsruhe).

Hier sind Links zum Thema "Evolutionäre Algorithmen":

• Genetic Algorithms for Search von Mark Rich.
• Introduction to Genetic Algorithms von Jean-Philippe Rennard.
• Introduction to Genetic Algorithms von Hiu Wong.
• Introduction to Genetic Algorithms von Matthew Wall.

Kontakt

Nils T Siebel, CAP 4 (Hochhaus), Raum 1310
Sprechzeit: Do. 13:00-15:00
E-Mail:

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