Universität Stuttgart
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Item Open Access Mobile Robotik in der bandsynchronen Montage zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Bix, Johannes; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die sich wandelnden Anforderungen der Märkte sowie der Produktionsfaktoren in der Automobilindustrie zwingen diese ihre Produktionssysteme weiterzuentwickeln und an die zukünftigen Rahmenbedingungen anzupassen. Der Einsatz mobiler Robotik zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion in der bandsynchronen Montage schafft die Voraussetzungen für Antworten auf die Herausforderungen in der Produktion von morgen und legt den Grundstein für zukünftige Produktionskonzepte. Die Realisierung in der bandsynchronen Montage stellt besondere Anforderungen an die mobile Robotik. Diese werden auf Basis von untersuchten Anwendungsfällen aus der Montage der Automobilindustrie in einem Anforderungskatalog zusammengetragen und die spezifischen Herausforderungen abgeleitet. Für Betreiber von starr verketteten Produktionssystemen steht neben der technischen Realisierung dieser Herausforderungen vor allem die Gesamtverlässlichkeit der Produktion im Vordergrund. Wesentliche, u.a. experimentell bestätigte Einflussfaktoren auf die Verlässlichkeit eines mobilen Roboters in der bandsynchronen Montage sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Mit diesem Fokus wird für die bandsynchrone Montage in der Automobilindustrie ein katalogbasiertes Reaktionsverfahren entwickelt, das mithilfe der kognitiven Fähigkeiten des Menschen, aus einer integrierten Risikobeurteilung für Sicherheit und Zuverlässigkeit, vorbeugende Reaktionen für den mobilen Roboter ableitet. Diese sollen den Übergang des Roboters in einen sicheren Zustand - mit möglichst geringen Anforderungen an die mobile Rechenleistung - vorbeugend vermeiden und die geforderte Verfügbarkeit des verketteten Produktionssystems ermöglichen. Hierbei greift das Reaktionsverfahren nicht in die aus der Sicherheitsbeurteilung festgelegten technischen Schutzmaßnahmen ein. Die vorläufige Identifikation von Reaktionen ist aufgrund der bekannten Arbeitsabläufe und der für den industriellen Einsatz ohnehin durchzuführenden Sicherheitsbeurteilung in der Montage möglich. Die Verbesserung der Verfügbarkeit wird im Anschluss unter Laborbedingungen und in der bandsynchronen Montage experimentell nachgewiesen.Item Open Access Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Farbbestimmung von Zähnen auf Basis spektraler Daten(2014) Pflüger, Marius; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)In der heutigen Gesellschaft hat das Aussehen einen immer größeren Stellenwert. Entsprechend kritisch werden deshalb unpassende Farbausprägungen beim Zahnersatz gesehen. In der Praxis wird die Zahnfarbe hierfür meist visuell mithilfe von Farbringen bestimmt, was jedoch fehleranfällig ist. Diese Arbeit befasst sich deshalb mit der Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Bestimmung der Zahnfarbe mit Hilfe spektraler Messdaten sowie der Integration in den spektralen Smart-Sensor VITA Easyshade. Kernelement ist die Entwicklung eines mehrstufigen Prognosemodells für die Zahnfarbe auf Basis von künstlichen Neuronalen Netzen, welches anhand realer Messdaten trainiert wird. Als vorgelagertes Verfahren wurde ausserdem eine Methode entwickelt, um die realen Messdaten hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit für das Modelltraining automatisch zu bewerten und inkonsistente Daten ausschleusen zu können. Zur Steigerung der Ergebnisqualität wurde für die Prognoseergebnisse zudem einePlausibilitätsprüfung durch Nachbarschaften im Farbraum konzipiert und umgesetzt. Zur Evaluierung der ausgewählten Lösungsansätze konnte im Rahmen der Arbeit auf fast 4000 spektrale Messungen an Zähnen von Probanden zurückgegriffen werden. Die Validierung des Verfahrens zeigte, dass anhand definierter Kriterien die Prognosegüte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um knapp 40% gesteigert werden konnte.Item Open Access Fehlertolerante numerische Steuerung(2015) Bock, Hans-Peter; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die andauernde Leistungssteigerung von Rechnern nach dem noch geltenden Mooreschen Gesetz ermöglicht computerbasierten numerischen Steuerungen den Einsatz in Anwendungsbereichen, die bisher allein dem Menschen vorbehalten waren. Damit werden numerische Steuerungen vermehrt auch in sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt wie beispielsweise der minimal invasiven Chirurgie. Dieser Anwendungsbereich stellt sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit des Assistenzsystems. Aus diesem Grund sind diese Systeme fehlersicher ausgelegt und gewährleisten, dass ein interner Fehler des Systems einen Patienten nicht unmittelbar verletzt. Um dieser Anforderung gerecht zu werden nehmen bestehende Systeme zur Erhöhung der Sicherheit eine Reduktion der Zuverlässigkeit in Kauf. Zukünftig ist dies nicht weiter ausreichend, da bestimmte Operationstechniken bei Ausfall des Assistenzsystems nur durch einen deutlich größeren manuellen Eingriff weitergeführt werden können oder im schlechtesten Fallüberhaupt nicht möglich sind. Eine Aufgabenstellung liegt hierbei darin, eine fehlertolerante numerische Steuerung zu entwerfen, welche den bestehenden Sicherheitsanforderungen gerecht wird und gleichzeitig die Zuverlässigkeit gegenüber bestehenden Systemen deutlich erhöht. Herausfordernd ist dabei, dass möglicherweise in der Steuerung auftretende Fehler zu keiner Konturverletzung der Sollbahn führen dürfen. Diese Arbeit untersucht hierzu bestehende Ansätze zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Systemen sowie ein Operationsassistenzsystem, das die Sicherheit dessen numerischer Steuerung erhöht. Dabei wird der fehlersichere Ansatz des Operationsassistenzsystems um Fehlertoleranz erweitert. Das Ziel ist der Entwurf eines numerischen Steuerungssystems das durch Redundanz auf Basis einer Mehrheitsentscheidung interne Fehler maskieren sowie fehlerhafte redundante Einheiten durch Rekonfiguration ausgliedern kann, so dass keine fehlerhaften Sollwerte ausgegeben werden. Das System weist damitnach außen hin eine fehlerfreie Funktion auf, so dass ein begonnener Bearbeitungsprozess ohne Unterbrechung zu Ende geführt werden kann.Item Open Access iWindow - Intelligentes Maschinenfenster(Düsseldorf : VDI Verlag, 2018) Sommer, Philipp; Verl, Alexander; Kiefer, Manuel; Rahäuser, Raphael; Müller, Sebastian; Brühl, Jens; Gras, Michael; Berckmann, Eva; Stautner, Marc; Schäfer, D.; Schotte, Wolfgang; Do-Khac, Dennis; Neyrinck, Adrian; Eger, Ulrich; Sommer, PhilippDas Verbundforschungsprojekt iWindow: Intelligentes Maschinenfenster beschäftigte sich mit der visuellen Unterstützung von Maschinenbedienern an Werkzeugmaschinen. Diese konnten bisher nur auf wenige bis keine Systeme, die sie bei ihren täglichen Aufgaben direkt an der Werkzeugmaschine unterstützen, zurückgreifen. Das Forschungsprojekt verbindet reale und virtuelle Welt in der Werkzeugmaschine durch Technologien wie Virtual und Augmented Reality, digitaler Zwilling, Simulation und Mehrwertdienste. Durch Nutzung jeweils für die aktuelle Arbeitssituation passender Dienste, werden Mitarbeiter befähigt, sich an die steigende Individualisierung der Produkte und die flexiblere Produktion anzupassen. Kunden und Geschäftspartner werden durch die Möglichkeit eigene mehrwertgenerierende Dienste zu entwickeln und anderen Anwendern zur Verfügung zu stellen in den Wertschöpfungsprozess eingebunden. Diese Publikation beleuchtet die im Rahmen des Forschungsprojekts erarbeiteten Ergebnisse hinsichtlich für ein intelligentes Maschinenfenster benötigter Technologien und Entwicklungen.Item Open Access Informationsmodell zur funktionalen Typisierung von Automatisierungsgeräten(2011) Selig, Andreas; Klemm, Peter (Prof. Dr.)Aktueller Trend in der Automatisierungstechnik ist die Einführung von Ethernet-basierten, digitalen Schnittstellen zwischen der Steuerungs- und der Sensor-/Aktorebene. Die entstehenden Ethernet-basierten Feldbusse decken dabei nicht nur die klassischen Feldbusaufgaben ab, sondern bieten zusätzlich Bandbreite für weitere Dienste. Ziel eines jeden Ethernet-basierten Feldbusses ist dabei, ein umfassendes Kommunikationsmedium für die Automatisierungstechnik zu sein. Dieses soll den Anforderungen eines Feld-, Antriebs- und Sicherheitsbusses gerecht werden und zusätzlich noch Kommunikation über Protokolle, die aus der elektronischen Datenverarbeitungstechnik bekannt sind, ermöglichen, um eine vertikale Integration in höherliegende Ebenen der Automatisierungspyramide zu erlauben. Ein „Plug and Produce“, ähnlich dem aus der Computertechnik bekannten „Plug and Play“, bei dem sich die beteiligten Komponenten gegenseitig erkennen und sich das Gesamtsystem automatisch konfiguriert und parametriert, wird in diesem Umfeld allenthalben gefordert und propagiert, da die Komplexität und der Umfang der Schnittstellen zwischen den beteiligten Geräten immer größer und umfangreicher werden. Es gibt bislang kein globales Konzept für die Automatisierungstechnik, dieses Problem zu lösen. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Erreichung dieses Ziels darstellen, indem sie ein Informationsmodell für Automatisierungsgeräte und die durch sie bereitgestellten Kommunikationsobjekte liefert. Auf diese Weise wird eine funktionale Sicht auf die Geräte und die funktionalen Zusammenhänge über Gerätegrenzen hinaus bereitgestellt.Item Open Access A user-oriented, comprehensive system for the 6 DoF recognition of arbitrary rigid household objects(2015) Fischer, Jan; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)The objective of this thesis is to develop a model-based object recognition system for 6 DoF localization of typical rigid household objects that explicitly enables an intuitive teaching of new objects. When considering the perceptual process of object recognition in its entirety, it may be divided into the three main areas: data acquisition, object modeling and object localization. The different areas are examined individually and distinct contributions to each of them are presented and evaluated. The originating conditions for the recognition process system are one-shot images of range and color data. Considering data acquisition, it is most often taken for granted that a sensor delivers directly 2.5D data or color information. However, when combining different sensor modalities, it is possible to exceed the data quality of a single sensor. The thesis follows this idea and presents a novel sensor fusion technique for data acquisition that combines the 2.5D inputdata from a stereo and a range imaging system. Regarding object modeling, the thesis presents a method for dense object modeling directly on the robot using its manipulator and camera system. Additionally, two stand-alone training setups are introduces which avoid the explicit need of a robotic manipulator for object modeling. One is using a turn table to rotate the object in front of the camera system and the other one is using a chessboard where the camera is manually moved around a stationary object. Initial work conducted within the scope of this thesis and published in [AFV10] proposes a fastSLAM-based in-gripper object modeling approach which is able to cope with multi-occurrences of similar textures on the object's surface. This approach is further developed and the information filter is replaced by a Bundle Adjustment algorithm that enables a faster registration of the individual object views. This thesis proposes two novel binary descriptors for texturedand texture-less object modeling that enable the usage of rapid bit operations to accelerate the descriptor computations. When addressing textured objects, recent fast-to-compute descriptors achieving remarkable recognition rates have been presented. This thesis proposes a scale invariant extension of the binary feature descriptor ORB [RRKB11], which is fast to compute while still being as descriptive as SURF. The presented results have been published in [FABV12]. In order to distinctly describe texture-less objects, a global histogram-based descriptor is presented, that aggregates 2D and 3D gradient information from a local binary descriptor. Compared to the current state-of-the art, the descriptor exhibits scale and rotation invariance. Additionally, the underlying binary descriptor is computed faster than competing methods by the use of dynamic programming. The presented results have been published in [FBAV13]. In order to increase the robustness of texture-less objectrecognition, data association is subject to a spatial constraint to take account for the spatial expansion of an object. The thesis proposes an adaptive sliding window approach to build up a probability map for prominent object locations. Based on a non-maximum suppression algorithm, the dominant object locations are selected. The presented approach has been published in [FBAV13]. The different components have been integrated in a software framework for 6 DoF object recognition that has been implemented on the service robot Care-O-bot 3 using the middleware ROS. The software components for data acquisition, object modeling and object recognition are evaluated individually using standard datasets and typical real world household objects like plates, bottles or cups.Item Open Access Force control of cable-driven parallel robots(2016) Kraus, Werner; Pott, Andreas (Junior-Prof. Dr.-Ing.)In this thesis, a relatively new class of robots which use cables instead of rigid links is investigated. As cable can transmit only pull forces, cable robots make high demands on the control. The cable robots investigated in this thesis have more cables than degrees-offreedom of the platform and, thus, belong to the class of redundant robots. The redundancy allows to tense the cables agairrst each other. A control approach for synchronaus control of the platform position and the cable forces is proposed. For this purpose, system identifications for dynamic models of the robot are carried out and the forward kinematics is expanded to deal with non-linear cable stiffness. The proposed approach for calculation of the desired cable forces allows for step-less adjustment of the internal tensions. The investigations show that with change of the internal tension the eigenfrequencies of the robot can be influenced by 15-30%. By choice of a minimal tension Ievel, the energy consumption of the robot can be decreased by up to 20% while the performance of the robot remains on the same Ievel. For the proposed control scheme, extensive investigations of the positional accuracy are carried out. As reference approach, the control assuming a rigid robot model without closed-loop control of the operational space position and cable forces is used. The two approaches delivered comparable results in the workspace centre. The position accuracy with a payload of 80 kg amounted to roughly 70 mm and 2.5°. Using the proposed controller at the workspace border, almost the same accuracy could be reached as weil, as the cables are kept under tension. For rnachining processes like grinding, the well-known hybrid position and force control approach is incorporated on a cable robot. With the control approach, the robot can apply a contact force in a programmable direction, while the platform can be position-controlled in the Iasting directions. For the human robot cooperation, an admittance controller is proposed. The platform simulates a virtual spring-mass-damper system which enables for the implementation of a virtual workspace. With the demonstrator, a bandwidth of 13Hz is reached.Item Open Access Function-based cost estimation for service robot prototypes in early design phases(2014) Blümlein, Nikolaus; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Early cost estimation is a common prerequisite for the profitability assessment of the development of complex products. Thereby, the combination of numerous technical and economic factors poses a particular challenge for system developers when little more than the desired functionality of the product is known. In the field of service robotics, this issue is acerbated by the lack of empirical values and experience as the according technologies are comparatively novel. The presented work proposes an approach which facilitates the estimation process for various cost aggregates of service robot prototypes in early development phases. To this end, typical components and functionalities are structurally mapped and related to statistical cost models. Additionally, the presented approach offers the possibility of unit cost estimation for small lot sizes. Core elements of this work are the development of a design-structure-matrix for service robots and the modeling of hardwareand software costs. Robot functions mapped to hardware and software components via structure matrix facilitate the derivation of essential prototype parts from desired service robot capabilities. For hardware components, central characteristics serve as a basis for non-parametric regression derivation of individual cost models. For software components, the approach applies the principle of analogy-based estimation. To this end, several hundred modules of an existing open-source software framework for robots were analyzed and costs of their development and reuse deduced using heuristic data. The models' statistical foundation allow the calculation of expectation value, standard deviation and interquartile range and thus facilitate the assessment of the of estimation uncertainty. In order to support the estimation process a software application was developed. The approach was verified using to different datasets. On the one hand, estimations for robot prototypes outlined inthe EFFIROB study were calculated applying the proposed methodology and consecutively compared with the original estimates and assessed by experts. On the other hand, costs estimated for a built prototype, the corresponding original estimate as well as the actual costs were juxtaposed and critically reviewed by one of the developers involved in the prototype's development.Item Open Access Ein Verfahren zur automatischen Erzeugung intelligenter Prozessüberwachungssysteme(2014) Kaupp, Markus; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Eine Voraussetzung für die Automatisierung von Produktionsprozessen ist die Existenz zuverlässiger Prozessüberwachungssysteme. Solche Systeme ermöglichen es, ungünstige Prozesszustände schnell zu erkennen. Prozessüberwachungssysteme erfassen Sensordaten aus dem zu überwachenden Prozess. Aus den Sensordaten wird - entweder nach starren Regeln oder mittels künstlicher Intelligenz - der aktuelle Prozesszustand abgeleitet. Die intelligenten Systeme gelten dabei als die leistungsfähigere Variante. Bisher ist die Erstellung intelligenter Prozessüberwachungssysteme sehr zeitaufwändig und erfordert ein hohes Maß an Expertenwissen. Dies ist ein Hemmnis für den flächendeckenden Einsatz solcher Systeme. In dieser Arbeit wird ein Verfahren für die automatische Erzeugung intelligenter Prozessüberwachungssysteme für beliebige zyklische Fertigungsprozesse vorgestellt. Für die Umsetzung wurde ein generisches Prozessüberwachungssystem implementiert. Dieses bietet die Infrastruktur fürdie Datenerfassung und die benötigten Datenflüsse. Das System enthält zunächst keine Logik für die Verarbeitung und Bewertung der erfassten Daten. Diese Logik wird von außen in Form eines Analysemodells vorgegeben. Solch ein Analysemodell ist eine Verarbeitungskette, die aus aufeinander abgestimmten Verfahren für die Signalverarbeitung, die Kenngrößenbildung, die Kenngrößenselektion und die Klassifikation besteht. Durch Setzen eines geeigneten Analysemodells lässt sich das generische Prozessüberwachungssystem an jeden Fertigungsprozess anpassen. Mit diesem Konzept ist das Erzeugen eines Prozessüberwachungssystems für einen Fertigungsprozess ein Optimierungsproblem: Man sucht dasjenige Analysemodell, das das generische Prozessüberwachungssystem am besten an den Fertigungsprozess anpasst. Für die Lösung dieses Optimierungsproblems wurde ein Optimierungsverfahren mit dem Namen Artificial-Bee-Colony-Optimierung gewählt. Im Rahmen der hier beschriebenen Arbeit wurde diesesOptimierungsverfahren entscheidend erweitert, sodass es auf die gegebene Problemstellung angewandt werden konnte.Item Open Access Eine webbasierte Integrations- und Testplattform zur Unterstützung des verteilten Entwicklungsprozesses von komplexen Serviceroboter-Applikationen(2014) Reiser, Ulrich; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die Entwicklung von Robotersystemen zeichnet sich aus durch einen immer größeren Anteil der Integration bestehender Technologien unter anderem aus den Bereichen Automatisierungstechnik, Maschinenbau und Informatik. Insbesondere für komplexe Serviceroboter, die in dynamischen und unstrukturierten Umgebungen eingesetzt werden und daher mit einer Vielzahl von Soft- und Hardwarekomponenten ausgestattet sind, werden Methoden zur Vereinfachung der Systemintegration benötigt. Der Bedarf an Abstraktion der Komplexität besteht umso mehr, als diese Systeme in der Regel in multi-disziplinären Teams an verteilten Standorten entwickelt werden. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden und Konzepte zur Vereinfachung des Entwicklungs- und Integrationsprozesses von komponenten-basierten Applikationen auf komplexen Servicerobotern mit verteilten Rechnerarchitekturen vorgestellt. Zur Identifikation der Besonderheiten der Roboterentwicklung werden typische Entwicklungsszenarien in derServicerobotik- Forschung analysiert. Neben der Konzeption eines Vorgehensmodells für die verteilte Entwicklung und Integration stehen Technologien zur Abstraktion der Deployment-Aktivitäten im Fokus, die die werkzeuggestützte Installation und Aktualisierung, die Konfiguration für das Zielsystem, die Zielumgebung und eventuelle Nutzerpräferenzen sowie die Bedienung der Applikation umfassen. Durch diese Technologien und Konzepte soll eine Verbesserung der Rollentrennung von Komponentenentwicklern, Applikationsentwicklern und Systemintegratoren sowie die Effizienzsteigerung des Integrationsprozesses durch räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten erzielt werden. Als Basis für die Konzeption der abstrakten Deployment-Werkzeuge wird unter anderem eine erweiterbare domänenspezifische Sprache zur Ressourcenmodellierung des Zielsystems "komplexer Serviceroboter" und eine abstrakte Laufzeitumgebung zum hardwareunabhängigen Zugriff aufRobotersysteme entwickelt. Die einzelnen Deployment-Werkzeuge zur Planung, Installation, Konfiguration und Aktivierung werden in Form einer webbasierten Integrations- und Testplattform als geschlossene Deployment-Werkzeugkette integriert. Zur quantitativen Evaluierung der entwickelten Werkzeuge wird zunächst eine mathematische Formulierung des Integrationsaufwands auf der Basis von Kostenschätzmodellen der Softwaretechnik erstellt. Mit Hilfe dieser Evaluierungsmethodik wird am Beispiel eines großen Verbundforschungsprojektes die Effektivität der entwickelten Werkzeuge nachgewiesen. Die räumliche und zeitliche Entkopplung der Integrations- und Testaktivitäten sowie die damit einhergehende Verbesserung der Rollentrennung der einzelnen Entwickler wird durch graphische Auswertungen anschaulich belegt.