Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

Seminar Robotik WS 04/05

Torsten Ehli

31.1.2005 Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

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1. Allgemeine Anforderungen an Roboter

2. Klassische Zerlegung

3. Ansatz von Brooks: Ebenenentwicklung

4. Beschreibung der Ebenen

5. Weiterentwicklungen und Beispiele

6. Fazit

Inhalt

31.1.2005 Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

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1. Anforderungen

1. Parallele Tätigkeiten und Ziele

2. Paralleler Sensorbetrieb

3. Robustheit

4. Erweiterbarkeit

31.1.2005 Steuerungsarchitekturen für Stand-Alone-Robotersysteme

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2. Klassische Zerlegung

Sensoren

Wahrnehmung

Modellierung anpassen

Planung

Aufgabenbearbeitung

Regelung der Motoren Gelenk

e

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3. Annahmen von Brooks

1. Komplexität

2. Dinge einfach halten

3. Kartierung

4. Drei Dimensionen

5. Relative Koordinaten

6. Umgebung

7. Sensornutzung

8. Selbstkalibrierung

9. Selbsterhaltung

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3. Subsumption Architektur

Sensoren

Gelenke

Verhalten von Objekten ergründen

Veränderungen an der Welt planen

Objekte Identifizieren

Veränderungen beobachten

Karten erstellen

Erkunden

Wandern

Objekte vermeiden

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3. Subsumption Architektur

Aufgabenorientierte Zerlegung

Parallelisierung der Aufgabenbearbeitung

Schnelle Verarbeitung notwendiger Daten

Reduzierung des Overheads

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3. Ebenen hinzufügen

Induktiver Aufbau Ebene 0 vollständig fehlerfrei

Höhere Ebene

Niedrigere Ebene

Lesen

Verändern

unbewusst

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3. Design der Ebenen

Innerhalb einer Ebene werden nur benötigte globale Ressourcen verwendet.

Verteiltes System von Modulen Erweiterte Endliche Automaten Eigene Zeitgeber Minimaler lokaler Speicher Asynchron getaktet

Kommunikation über Leitung untereinander Keine Empfangsbestätigungen

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3. Kommunikation

Jedes Modul hat verschieden Ein- und Ausgänge

Eingangsleitungen haben einen Speicherplatz Eingaben können Überschrieben werden (Supressed) Ausgaben können Unterdrückt werden (Inhibited) Modul kann in den Ursprungszustand versetzt

werden

ModulEingänge

AusgängeS

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Reset

I3

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3. Anforderungen

1. Parallele Tätigkeiten und Ziele

2. Paralleler Sensorbetrieb

3. Robustheit

4. Erweiterbarkeit

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4. Ebene 0Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motor

Motorstatus

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4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus

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4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus

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4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus

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4. Ebene 0

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraft

Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Motorstatus

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4. Ebene 1

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Aus-weichen

WandernRichtung

S1.5

Motorstatus

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4. Ebene 1

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

Kollision

Halt

Sonar Karte

Aus-weichen

WandernRichtung

S1.5

Motorstatus

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4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando

Monitor IntegrationRoboter

Integral

Drehen

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4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando

Monitor IntegrationRoboter

Integral

Drehen

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4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando

Monitor IntegrationRoboter

Integral

Drehen

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4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando

Monitor IntegrationRoboter

Integral

Drehen

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4. Ebene 2

Motor

Roboter Roboter

GefälleKraf

t Flüchten

Kommando

KollisionHalt

Sonar Karte

Aus-weichenWandern

Richtung

S1.5

I2.5

I2

S1.5

S1.5

S0.5

I1/4

I1/4

Greifer

ZielGriff

Pfad-planung

Ziel

Aus-richten

Motor-

status

Kommando

Monitor IntegrationRoboter

Integral

Drehen

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5. Genghis

32 Module reichen zum Laufen

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5. Genghis - Hardware

Je Bein zwei Servomotoren

Sensoren 6 passive Infrarotdetektoren 2 Berührungssensoren als Barthaare 2 Neigungsmesser

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5. Genghis

57 Module in der endgültigen Version Einfaches Gehen Stabileres Laufverhalten Verfolgen von sich bewegenden

Objekten 2 Möglichkeiten Hindernisse zu

erkennen

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5. Weiterentwicklungen

Flexibleres Überschreiben und Unterdrücken

Gruppierung von Modulen zu abgeschlossenen Verhalten Innerhalb und zwischen Verhalten:

Nachrichten Überschreiben Unterdrücken

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5. Cog

Menschenähnlicher Roboter Verhaltensbasiert Zwei 6-DOF Arme 7 DOF Kopf (Augen 3, Hals 4) 3 DOF Torso (noch ?) keine Beine Hände und Gesicht sind aktuelle

Projekte

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5. Kismet

„nur“ ein Kopf (15 DOF)

Simulation sozialer Interaktion Mimik Sprache

Verhaltensbasiert

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5. Kismet

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6. Fazit

Divide-and-Conquer Ansatz

Einfach zu erweitern

Aktueller Gegenstand der Forschung

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Quellen

http://people.csail.mit.edu/u/b/brooks/public_html/Rodney A. Brooks: „A Robust Layered Control System for a Mobile Robot “ (1986)Rodney A. Brooks: „A Robot that Walks; Emergent Behaviors from a Carefully Evolved Network “ (1989)Rodney A. Brooks: „Elephants Don‘t Play Chess “ (1990)

Rodney A. Brooks, Anita M. Flynn: „Fast, Cheap and out of Control: A Robot Invasion of the Solar System “ (1989)Rodney A. Brooks, „From Earwigs to Humans “, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 20, Nos. 2–4, June 1997, pp. 291–304.

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Quellen (2)

http://www.ai.mit.edu/projects/humanoid-robotics-group/ ... kismet/kismet.html ... cog/cog.html ... genghis/genghis.html