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Folie 1Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter mit mehrfingrigen Händen
Christoph Borst, Franziska ZachariasInstitut für Robotik und Mechatronik - DLR Oberpfaffenhofen
Folie 2Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Motivation: Autonomes Manipulieren von Objekten
„Einfacher Fall“: Relokation von ObjektenKollisionsfreie AnfahrtGreifen des ObjektsKollisionsfreie Bewegung mit dem ObjektSicheres Abstellen des ObjektsKollisionsfreie Abfahrt
Komplexe Manipulationsaufgabe (beidhändig)siehe obenDrehen, Schrauben, Fügen, Wischen/Polieren
Folie 3Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Wege zur Autonomen Manipulation
Klassische, modellbasierte PlanungsmethodenGrosse Auswahl schneller, ausgereifter PlanerGut passend zu Regelungsmethoden (Objektsteifigkeit)
Lernen durch VormachenMächtige Methodik, einfache Erweiterung des AufgabenfeldsÜbertragung auf den Roboter (Regelung) schwierig
Selbstlernende RoboterProbleme mit der Systemverfügbarkeit
Folie 4Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Wege zur Autonomen Manipulation
Klassische, modellbasierte PlanungsmethodenGrosse Auswahl schneller, ausgereifter PlanerGut passend zu Regelungsmethoden (Objektsteifigkeit)
Lernen durch VormachenMächtige Methodik, einfache Erweiterung des AufgabenfeldsÜbertragung auf den Roboter (Regelung) schwierig
Selbstlernende RoboterProbleme mit der Systemverfügbarkeit
DLR
Folie 5Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Problemstellung: Autonomes Greifen
Erkennen Planen Ausführen
Folie 6Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Problemstellung: Autonomes Greifen
Umwelt-modellierung
Bahnplanung
Griffplanung
Roboter-steuerung
Erkennen Planen Ausführen
Folie 7Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Modellbasierte Griffplanung
1. Was ist ein Griff ?
2. Was ist ein guter Griff ?
3. Gibt es viele „gute“ Griffe ?Wie nahe am optimalen Griff sind sie ?
4. Wie kann ein guter Griff generiert werden ?
Folie 8Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Modellbasierte Griffplanung
1. Was ist ein Griff ?
2. Was ist ein guter Griff ?
3. Gibt es viele „gute“ Griffe ?Wie nahe am optimalen Griff sind sie ?
4. Wie kann ein guter Griff generiert werden ?
Folie 9Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Was ist ein Griff?
Griff ? Präzision Kraft
Gut ?Besser ?
Qualitätsklassen Klassifikation Qualitätsmaß
Folie 10Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Grifftaxonomie (Cutkosky & Howe 1990)
Folie 11Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Grifftaxonomie
Kraftgriff
große Kraftviele Kontakteganze Hand beteiligt
Präzisionsgriff
große Feinfühligkeit wenige Kontaktenur Fingerspitzen beteiligt
Qualitätsbewertung: gleichPlanung: verschieden
Folie 12Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Modellbasierte Griffplanung
1. Was ist ein Griff ?
2. Was ist ein guter Griff ?
3. Gibt es viele „gute“ Griffe ?Wie nahe am optimalen Griff sind sie ?
4. Wie kann ein guter Griff generiert werden ?
Folie 13Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Griffqualität
Fragestellungen:
1. Was kann der Griff ?
2. Was soll der Griff können ?
3. Kann er mehr als er soll ?
Folie 14Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Formalisierung Griff
Griff: Menge von Kontakten
Kontaktmodelle:A Punktkontakt ohne ReibungB Punktkontakt mit ReibungC Softfinger Kontakt
Ergebnis am Objekt: Wrench ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛×−
=frc
fw
)(c
Folie 15Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Griffqualität
Was kann ein einzelner Kontakt ?(Cone Wrench Space – CWS)
( ) ( ) ( ) .1⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
≤∧⋅≤⋅−∧⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛×−
== iiiiiiiii
iiiCWS fnfnnff
frcf
wwic μ
Wrench Definition Reibungskegel Normierung
Was kann ein Griff mit k Kontakten ?(Grasp Wrench Space – GWS)
.1 ⎭
⎬⎫
⎩⎨⎧
∈∧== ∑=
k
icii i
CWSGWS wwww
Folie 16Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Griffqualität
Was soll der Griff können ?
Aufgabe spezifiziert
Task Wrench Space - TWS:
.2
1 ⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∈∧== ∑=
icii
i CWSTWS wwww
Folie 17Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Griffqualität
Was soll der Griff können ?
keine Aufgabe spezifiziert
Wirkung einer Einheitskraft beliebig verteilt am Objekt
Object Wrench Space - OWS:
{ } ...111 1 ⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
∞∈∧∈∧⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=∧=∧== ∑ ∑
= =
n
i
n
ici
i
iiii nCWSOWS
iw
tf
wfwww
Normierung auf Einheitskraft
Reibung Beliebig viele Angriffspunkte
Folie 18Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Griffqualität
Fragestellungen:
1. Was kann der Griff ?GWS
2. Was soll der Griff können ?TWS / OWS
3. Kann er mehr als er soll ?Qualitätsmaß
Folie 19Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Griffqualität
Fragestellungen:
1. Was kann der Griff ?GWS
2. Was soll der Griff können ?TWS / OWS
3. Kann er mehr als er soll ?Qualitätsmaß
Berechnung ?
Folie 20Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Berechnung der Griffqualität (Stand der Technik)
Diskretisierung der Reibungskegel undApproximation des GWS durch konvexe Hülle
Kirkpatrick et al. 1990Ferrari, Canny 1992Pollard 1994Teichmann, Mishra 1997Liu, Ding, Wang 1999Miller, Allen 99,03
1. Diskretisierung der Reibungskegel
• Fehler bei der Kegel Diskretisierung
• Fehler bei großem Reibungskoeffizienten
Folie 21Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Berechnung der Griffqualität (Stand der Technik)
Approximation des GWS durch konvexe Hüllen
1. GWS ≈ konvexe Hülle über Reibungskegelvektoren
2. GWS ≈ konvexe Hülle über Minkowskisumme der Reibungskegelvektoren
{ }⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
=mii
k
iQ ConvexHullGWS ,1,
11 ,, ww KU
{ }⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⊕=
= mii
k
iQ ConvexHullGWS ,1,12 ,, ww K
GWSQ1GWSQ2
Projektion in Kraftraum
Folie 22Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Berechnung der Griffqualität (Stand der Technik)
Approximation des GWS durch konvexe Hüllen
1. GWS ≈ konvexe Hülle über Reibungskegelvektoren
2. GWS ≈ konvexe Hülle über Minkowskisumme der Reibungskegelvektoren
{ }⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
=mii
k
iQ ConvexHullGWS ,1,
11 ,, ww KU
{ }⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⊕=
= mii
k
iQ ConvexHullGWS ,1,12 ,, ww K
GWSQ1GWSQ2
Projektion in Kraftraum
Komplexität: 4 Finger x 8 RKV = 32
Komplexität: 8 RKV ^ 4 Finger = 84 = 4096
Folie 23Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Effiziente Berechnung der Griffqualität
Hauptproblem: Komplexität GWSQ2
Berechnung GWS in hoher Genauigkeit
Vereinfachung:Kein vollständiger GWS benötigtUmgebung um TWS reicht aus
Idee:Inkrementelle Berechnung der TWS Umgebung
Folie 24Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Algorithmus
(1) Starthülle (4 Finger x 4 RKV)
(2) Suche kleinsten Wrench
(3) Berechne mit Hilfe der Kontakt-information den Wrench der die Hülle in dieser Richtung am weitesten ausdehnt.
(4) Starte bei (2) Abbruch: wneu < wmin(neu) * (1 + relativer Fehler)
Folie 25Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Zusammenfassung
6D - Kugel
+ Effizient berechenbar
- Qualität abhängig von Referenzpunkt
Task Spezifikation
+ Effizient berechenbar (max. Wrench an Ecken des TWS)
Allgem. Task Spez.
Problem:Sampling gibt sehr viele Wrenches
Approx. Ellipsoid
Aufgabenspezifikationen
Folie 26Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Modellbasierte Griffplanung
1. Was ist ein Griff ?
2. Was ist ein guter Griff ?
3. Gibt es viele „gute“ Griffe ?Wie nahe am optimalen Griff sind sie ?
4. Wie kann ein guter Griff generiert werden ?
Folie 27Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Untersuchung der Griffqualität
Interessante Fragen:Wie viele gute und schlechte Griffe gibt es ?Wie gut sind diese im Vergleich zu menschlichen Griffen ?Wie sehen die optimalen Griffe aus ?
Exemplarische Untersuchung:
Folie 28Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Untersuchung Griffqualität
Verhältnis kraftschlüssig / nicht kraftschlüssig:
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
Box Cone1 Cone2 Cube Cyl1 Cyl2 Sphere Cup Glass Pear Spoon
Zufall
4 KontaktpunkteReibung μ = 0.5Prozentsatz Griffe die kraftschlüssig sind
Nach 83 Kandidaten:
99,9% mindestens einer kraftschlüssig
Folie 29Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Untersuchung der Griffqualität
Verteilung der Griffe nach Qualitätsmaß
Es gibt nur wenigesehr gute Griffe
Wie gut sind typische menschliche Griffe?
Folie 30Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Untersuchung der Griffqualität
Verteilung der Griffe nach Qualitätsmaß
Optimaler Griff istnicht notwendig um sicher zu greifen
Folie 31Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Untersuchung der Griffqualität
Verteilung der Griffe nach Qualitätsmaß
Bewertung von 100 Griffen benötigt ca. 1.8 Sekunden (PIII / 900MHz).
Mit weniger als 100 Kandidaten ist die Wahrscheinlichkeit einen Griff zu bekommen, der besser als ein typischer menschlicher istbereits größer als 99.9%.
Folie 32Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Modellbasierte Griffplanung
1. Was ist ein Griff ?
2. Was ist ein guter Griff ?
3. Gibt es viele „gute“ Griffe ?Wie nahe am optimalen Griff sind sie ?
4. Wie kann ein guter Griff generiert werden ?
Folie 33Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Generate and Test Planer (Laufzeit 30 – 60 Sek.)
Wiederholung
KollisionstestHandkonfiguration
Griffbewertung
Eingabe-Daten
Griff-Generierung
Schnelle Filter
Stabilitäts-Maß
Robustheits-Maß
Ausgabe des besten Griffs
GWS ProjektionKraftraum - Momentenraum
Ergebnis
Folie 34Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Problemstellung: Autonomes Greifen
Umwelt-modellierung
Bahnplanung
Griffplanung
Roboter-steuerung
Erkennen Planen Ausführen
[Franziska Zacharias]
Folie 35Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Problem der kombinierten Greif- und Bahnplanung ?
Planungsmethoden im Konfigurationsraum benötigen für die Planung eine Zielstellung des TCP (Hand).
Greifplaner kann viele verschie-dene Handpositionen liefern.
Handpositionen können leicht oder schwer zu planen sein. Resultierende Manipulations-möglichkeiten am Ort gut oder schlecht.
Folie 36Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Abhängigkeiten der Greifposition von der Umwelt
Freiheitsgrade des Roboters(Reachability)
Lage des Greifobjekts zum Roboter(Reachability)
Freiraum in der Szene (Hindernisse)
Für Justin: Natürlichkeit der Konfigurationen
Folie 37Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Analyse der Erreichbarkeit (2D)
Brute Force Test möglich aber zuzeitaufwändig.
Beobachtung: Mensch greift in bestimmten Regionen relativ zum Objekt.
Heuristik: 1 Quadrant + Vorzugsrichtung
Folie 38Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Einfluss von Hindernissen (Modell 2D)
Ein Quadrant wird durch Heuristikausgewählt und untersucht
Folie 39Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Einfluss von Hindernissen (Modell 2D)
Partitionierung des Quadranten inSektoren
Folie 40Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Einfluss von Hindernissen (Modell 2D)
Repräsentation von Hindernissendurch 2D Gaussians
Folie 41Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Einfluss von Hindernissen (Modell 2D)
Bewertung der Sektoren durch die Nähe zu Hindernissen
Folie 42Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Einfluss von Hindernissen (Modell 2D)
Bewertung aller Sektoren zurEntscheidung der günstigstenRichtung.
Schwellwert zur Bewertung ob die Richtung erreichbar ist oder nicht. (experimentell ermittelt)
Folie 43Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Experiment 1
Zielobjekt: GrünHindernisse: Rot
Nur rechter Arm betrachtet
Akkumulierte SektorenwerteSchwellwert
Einfache Szene –schnelle Bahnplanung
Folie 44Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Experiment 2
Zielobjekt auf direktem Weg nicht erreichbar –Wegräumen von HindernissenEntfernen von Objekt, das im Weg ist und in Richtung des Ziels führt(Entscheidungsbaum)
Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Folie 45Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Experiment 2
Objekt 1 entferntErreichbarkeit wird besser –Schwellwert aber noch nicht überschrittenKorrelation mit Kollisionsinformation für die Zielkonfiguration
Folie 46Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Experiment 2
Erreichbarkeitswert unter Schwellwert – Objekt greifbarGute Korrelation Kollisionsinformation und Schwellwert
Folie 47Greif- und Taskplanung für Humanoide Roboter > Christoph Borst > 24.01.2007
Experiment 3