Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4226
Main Title: Natürlich-räumliche Industrieroboterprogrammierung auf Basis markerloser Gestenerkennung und mobiler Augmented Reality
Translated Title: Natural-spatial programming of industrial robots based on markerless gesture recognition and mobile augmented reality
Author(s): Lambrecht, Jens
Advisor(s): Krüger, Jörg
Referee(s): Krüger, Jörg
Reinhart, Gunther
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an produzierende Unternehmen im globalen Wettbewerb übernimmt die Industrierobotik in den westlichen Industrienationen eine Schlüsselrolle zur Flexibilisierung und kosteneffizienten Gestaltung von Produktionsprozessen. Als Flaschenhals erweist sich für kleine und mittlere Unternehmen oftmals der Prozess der manuellen Programmierung von Industrierobotern. Dementsprechend besteht die Motivation, den Programmierprozess effizienter und einfacher zu gestalten. Zu diesem Zweck soll die Mensch-Roboter-Kommunikation der natürlichen Mensch-Mensch-Kommunikation angenähert werden. In dieser Arbeit wird ein Interaktionskonzept unter der Verwendung natürlicher Kommunikation in Form von markerloser Gestenerkennung vorgestellt. Der Anwender wird in die Lage versetzt, das Programm im Sinne des Paradigmas „Programming by Demonstration“ durch gestenbasiertes Vormachen zu definieren. Dabei zeichnet der Anwender die Posen oder Bahnen aus freier Hand in den Raum. Zur Adressierung von Nutzergruppen mit unterschiedlichem Qualifikationsgrad wird neben der bewegungsorientierten Programmierebene eine aufgabenorientierte Programmierung betrachtet. Kombiniert wird die prozessnahe Definition des Roboterprogramms mit Simulationstechniken der Augmented Reality. Durch den Einsatz von Handheld-Geräten wird eine mobile Visualisierung und Simulation des Roboterprogramms auf beliebigen Smartphones und Tablet-PCs ermöglicht. Zudem entsteht durch synergetische Kombination von Gesten und Augmented Reality eine intuitive Art der Interkation, die es dem Anwender ermöglicht, Roboterprogramme über natürliche Bewegungen interaktiv im Raum zu manipulieren. Die Umsetzung des Interaktionskonzepts in Form eines Programmiersystems erfolgt kosteneffizient durch die Verwendung von Motion-Tracking-Sensorik aus dem Consumer-Bereich. Die zentrale Programmierumgebung stellt eine Android-App, welche mit einer vereinheitlichten Schnittstelle zur Übertragung und Ausführung der Programme auf beliebigen Robotersteuerungen ausgestattet wird. Darüber hinaus erfolgt eine drahtlose Anbindung der App an betriebliche Informations- und Kommunikationssysteme. Zur Erprobung der aufgabenorientierten Programmierebene wurde ein Pick-and-Place-Prozess umgesetzt, bei dem der Anwender virtuelle Objekte im Raum manipuliert. Aus der Wahrnehmung der Manipulation lässt sich automatisiert das entsprechende Roboterprogramm generieren. Eine umfangreiche Nutzerstudie vergleicht das räumliche Programmiersystem mit der klassischen Teach-In-Programmierung sowie der Offline-Programmierung. Verglichen werden die Kriterien der Programmierdauer, der Programmierfehler und eine subjektive Bewertung der Programmierverfahren, um Aussagen über die allgemeinen Ziele der Effizienz, Effektivität und Nutzerfreundlichkeit zu treffen. Die Auswertung der Studie belegt eine signifikante Reduzierung der Programmierdauer sowie eine verbesserte Wahrnehmung der Nutzerzufriedenheit für die räumliche Programmierung. Zudem wird im Vergleich zum Teach-In eine Verringerung der Programmierfehler erreicht.
Against the background of increasing demands on manufacturing companies in global competition, industrial robotics plays a key role shaping flexibility and cost-efficiency of production processes in western industrialized countries. In regards to small and medium-sized enterprises, manual robot programming often turns into a bottleneck. Accordingly, there is the motivation to ease the programming process and make it more time-efficient. To this end, scientific approaches adapt human-robot-communication inspired by human-human-communication. Within this thesis, an interaction concept for industrial robot programming is presented taking into account natural communication through markerless gesture recognition. The programmer is enabled to define the robot program by gestures following the principle “programming by demonstration“. Therefore, the programmer is capable of drawing poses and trajectories into space through natural 3D-bare-hand interaction. In terms of the individual support of user groups with varying levels of qualification, a task-oriented as well as a motion-oriented programming level is considered. The gestural definition of the robot program is combined with an Augmented Reality simulation. Due to the use of handheld devices, mobile visualisation and simulation are carried out on arbitrary smartphones and tablet PCs. Based on the synergetic combination of gestures and Augmented Reality, a novel kind of intuitive interaction arises providing interactive manipulation of the robot program in space. The implementation of the interaction concept within a programming system is conducted costefficiently through the use of motion tracking sensors from the consumer domain. The central programming environment is an Android app, which is equipped with a unified interface for the transmission and execution of programs on arbitrary robot controllers. In addition, a wireless connection between app and enterprise information systems is established. The task-oriented programming level is tested within a pick-and-place scenario enabling the programmer to manipulate virtual objects. Based on the perception of the gestural interaction, a robot program is derived automatically from task demonstration. With the help of a user study, the programming duration, programming errors and subjective assessment compared with Teach-In and Offline Programming are evaluated. The analysis of the results shows a significant reduction of programming duration as well as a reduction of programming errors compared with Teach-In. Furthermore, most participants favor the spatial programming system.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-58159
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4523
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4226
Exam Date: 15-Oct-2014
Issue Date: 23-Dec-2014
Date Available: 23-Dec-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Produktionstechnik
Robotik
Programmierung
Gesten
Production technology
robotics
programming
gestures
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Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb » Publications

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