Ausstattung

ER1- und Scorpion-Roboter

Unser Lehrstuhl verfügt über drei ER1- und einen Scorpion-Roboter der Firma evolution robotics, sowie einige Erweiterungspakete. Diese Roboter basieren auf einer Art Bausatzprinzip und werden durch ein mitgeführtes Notebook gesteuert. Der Vorteil: Sie sind ebenso flexibel wie aktuell. Je nach Aufgabenstellung ist eine andere Konfiguration mit passenden Sensoren möglich. Durch einen Austausch der Notebooks kann ferner gewährleistet werden, dass die Sensordaten nach dem jeweiligen Stand der Technik auswertet werden können. Zu den genutzten Sensoren zählen insbesondere eine Vielzahl verschiedener Kameras, ebenso eine Microsoft Kinect, als auch unterschiedliche Infrarot-Sensoren. Dieses Konzept bietet ausreichenden Freiraum im Bereich der Umweltwahrnehmung, darunter natürlich auch das Maschinelle Sehen, sowie im Bereich des Intelligenten Agierens und Lernens.

Wir setzten dabei auf des Robot Operating System (ROS), eine Roboterplattform die komplett offen, dennoch unglaublich umfangreich ist und sich in ständiger Entwicklung befindet. Implementierung neuster Forschungen sind ebenso nutzbar, wie Programme die eher im Bereich der Notwendigkeiten (wie z.B. Visualisierungen) fallen und so uns wertvolle Zeit sparen.

Ein ER1-Roboter (die zwei großen Räder werden mit Schrittmotoren angetrieben) wurde durch eine MS Kinect erweitert.
Ein ER1-Roboter wurde durch eine MS Kinect erweitert. Die Kinect verfügt über einen Motor zur Neigung, eine RGB-Kamera, einen Tiefensensor und ein multi-array Mikrofon (3d-Mikrofon)
Der Scorpion-Roboter.
Der Scorpion-Roboter verfügt insbesondere über zusätzliche Infrarotsensoren zur Entfernungsmessung.
Spezialaufbau für eine Abschlussarbeit im Bereich SLAM. Es werden zusätzliche Mikrocontroller zur Steuerung von ...
... Lasern, Motoren, zum Triggern der Kamera und Auslesen weiterer Infrarotsensoren genutzt.
Versuchsaufbau im Bereich "Autonome Roboterkalibrierung": Höhe der Roboter und Abstände der Räder unterschieden sich.
ER1 mit zwei Kameras (Projekt BIBLIOTHEKAR). Eine Kamera ist zur Seite auf die Bücher im Regal gerichtet. Forschungsziel: Sehende und lernende Roboterfahrzeuge zur Erkennung und Lokalisierung von Inkonsistenzen in den Buchbeständen von Bibliotheken.

NAO-Roboter

Weiter verfügt der Lehrstuhl über zwei NAO-Roboter der Firma Aldebaran. Diese humanoiden Roboter sind nicht nur in der Lage ihre Umwelt wahrzunehmen, sondern auch mit dieser zu interagieren.

Für die Umweltwahrnehmung stehen unter anderem integrierte Kameras, Mikrofone, Ultraschall- und Tastsensoren zur Verfügung. Mit ihren Händen sind die NAO-Roboter in der Lage Objekte zu greifen und zu befördern. Zudem liefert die Softwareplattform ein Modul zur Spracherkennung, sowie ein Modul zur Sprachausgabe. Durch diese Vielzahl an Sensoren und Aktoren sind die NAO-Roboter auch in interdisziplinären Bereichen einsatzfähig. So sind gemeinsame Studien z.B. mit Lehrstühlen der Psychologie denkbar.

Folgende Aufgabenstellungen sind nur ein kleiner Auszug von möglichen Forschungsgebieten:

  • Mensch-Roboter Interaktion
  • Inspektionsaufgaben
  • Kooperative Aufgaben von zwei Robotern
  • Lernen von Verhaltensweisen
Maria (links) und Bender (rechts) beim Greifen von Objekten
Maria (links) und Bender (rechts) beim Greifen von Objekten
25 Freiheitsgrade sorgen für enorme Beweglichkeit
Maria verfolgt ein Objekt über ihrem Kopf
Maria verfolgt ein Objekt auf dem Boden
Maria steht nach einem Sturz ohne Hilfe auf
Maria steht nach einem Sturz ohne Hilfe auf

Industrielle Bildverarbeitung

Industriekamera

Zur hochauflösenden Aufnahme von großen Oberflächen steht eine 8 Megapixel Grauwertkamera mit schnellem Kodak CCD Sensor im "Micro Four Thirds" Format zur Verfügung. Die Kamera bietet eine duale GigE Schnittstelle zur Datenübertragung und Steuerung vom PC. Dabei können bis zu 16 vollaufgelöste Grauwertbilder pro Sekunde im 12-bit Datenformat - das sind ca. 190MB/s - dauerhaft übertragen werden. Die Versorgungsspannung wird ebenfalls über das Netzwerkkabel bereitgestellt (PoE - Power over Ethernet), aber mit dem externen Netzteil kann die Kamera an jeder Netzwerkkarte betrieben werden.

Highlights

  • Kodak CCD-Sensor

    • 18,13 x 13,6 mm
    • 3296 x 2472 Pixel
    • 5,5 x 5,5 µm Pixelgröße

  • 16 Bilder/s (Vollformat)
  • Max. 79 Bilder/s (Ausschnitt)
  • 256 MB interner Bildspeicher
  • Dual-GigE mit PoE Schnittstelle
  • Interner Temperatursensor

Makro-Objektive

Zum Abfotografieren von großen Oberflächen wurden zwei geometrisch verzerrungsfreie Vergrößerungsobjektive angeschafft. Diese hochauflösenden Makro-Objektive sind für Vergrößerungsmaßstäbe von 1X bzw. 0,5X und 2X optimiert. Wir verwenden diese Makro-Objektive zusammen mit der zuvor genannten Grauwertkamera um Oberflächen in einer nativen theoretischen Objekt-Auflösung von 2,75 µm, 5,5 µm, 11 µm und 22 µm zu scannen.

Highlights

  • 1X bzw. 0,5X und 2X Vergrößerungsmaßstäbe
  • Für große Sensoren bis 70 bzw. 80 mm Bildkreis
  • Für Sensoren bis 7 µm bzw. 5 µm Auflösung
  • Geometrisch absolut verzerrungsfreie Abbildung
  • Apochromatisches Linsensystem

Mikroskop-Objektive

Für höchstauflösende Aufnahmen sowohl im sichtbaren als auch im NIR/SWIR Wellenlängenbereich wurde ein 10X vergrößerndes Mikroskopobjektiv mit guter Transmission, einer Numerischen Apertur NA = 0,3 und großem Arbeitsabstand zur leichteren Verwendung mit einer externen Dunkelfeld-Lichtquelle angeschafft. Im Vergleich zu einem Makro-Objektiv erreicht man in Kombination mit einem modernen Bildsensor bereits Ortsauflösungen an der physikalischen Grenze von etwa 500 Nanometern, allerdings auf Kosten einer sehr geringen Schärfentiefe von nur wenigen Mikrometern und einem sehr kleinen Aufnahmebereich.

Highlights

  • 10X vergrößernd
  • Mit 17,3 mm großer Arbeitsabstand
  • Verzerrungsfreie Abbildung auch bei größeren Bildsensoren
  • Sichtbarer und NIR/SWIR Wellenlängenbereich

Kartesischer Roboter

Zum hochgenauen Positionieren und Ausrichten unseres Kamerasystems wurde ein XYZ Positioniersystem aus Lineartischen spezifiziert und aufgebaut. Das Scansystem besteht aus einer luftgelagerten X Achse für schwere Lasten und einem weiten Verfahrweg, sowie einer davon getrennt auf einem Portal montierten YZ Einheit aus kreuzrollengelagerten Lineartischen, welche das Kamerasystem tragen und auch der sub-mikrometergenauen Fokussierung dienen. Mithilfe dieses Positioniersystems können große industriell gefertigte Oberflächen automatisiert abgefahren und vollständig eingescannt werden. Dazu werden viele Einzelbilder zu einem einzelnen hochauflösenden Bild zusammengesetzt. Wir erstellen routinemäßig geometrisch verzerrungsfreie Bilder mit einer nominellen Ortsauflösung von bis zu 2,75 µm / Pixel und einer Größe von 6 Gigapixeln.

Highlights

  • Große Scanfläche von 400 mm X 125 mm
  • Große Lasten bis 20 Kg
  • Hohe Wiederholgenauigkeit von < 1 µm auf allen Achsen
  • Hohe Scangeschwindigkeit bis 50 mm/s
  • Temperaturstabilisiertes Bildverarbeitungslabor
Grauwertkamera mit Kodak CCD Sensor. Die Kamera verfügt über einen C-Mount Objektivanschluss.
Kamera mit Nikon-Objektiv. Mit einem C-Mount nach F-Mount Adapter kann jedes Wechselobjektiv, das über ein Nikon F-Bajonett verfügt, an der Kamera verwendet werden.
Kamera mit Modular-Fokus System. Mithilfe des Modular-Fokus Systems können Vegrößerungsobjektive an jeder Kamera angeschlossen werden.
Vergrößerungsobjektive. Links das 1x Vergrößerungsobjektiv. Rechts dasjenige zur 0,5x-fachen Vergrößerung, welches in der sog. Retro-Stellung auch als 2x Vergrößerungsobjektiv verwendet werden kann.
Kartesischer Roboter zum hochauflösenden Scannen einer Probe auf der X Achse durch das Kamerasystem mit Makro-Objektiv, welches an der YZ Achsenkombination auf einem Portal montiert ist.
Ansicht des XYZ Positioniersystems auf dem optischen Tisch zur schwingungsfreien Lagerung.
Der Aufbau des Positioniersystems zeichnet sich durch sein modulares Komponentendesign aus, weshalb verschiedene optische Aufbauten mit unterschiedlichsten optischen Abbildungssystemen schnell realisiert werden können. Hier ist gerade unser Mikroskopobjektiv für höchstauflösende Bilder im Einsatz. Dabei sitzt das Mikroskopobjektiv auf einem 200 mm Tele-Objektiv, welches für die geometrische Abbildung des Mikroskopbildes auf den Kamerasensor erforderlich ist.
Anwendungsbeispiel "LCD Panel Inspection". Mit dem 2x Vergrößerungsobjektiv wurden zwei LCD Panels fotografiert. Die Panels haben quadratische Pixel mit einem Pixelabstand von jeweils 0,264 bzw. 0,294mm, wobei jedes Pixel wiederum in ein rechteckiges rotes, grünes und blaues Farbpixel aufgeteilt ist. In den Aufnahmen entspricht jeweils ein Bildpixel ca. 2,8µm in Echt.
Anwendungsbeispiel "Symbolcode auf Ventil". Auf das abgebildete metallische Bauteil wurde mittels eines Lasers ein Symbolcode zur intelligenten Steuerung des Fertigungsprozesses aufgebrannt. Die Aufnahme mit dem 1x Vergrößerungsobjektiv belegt, dass zum Auflasern eine langsame Gitterpunkt-Methode verwendet wurde (anstatt bspw. einer fahrwegoptimierten vektorbasierten Aufbringungsmethode).
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© Universität Duisburg-Essen, Lehrstuhl Intelligente SystemeLogin