Efficient approaches to cleaning with mobile robots

Medientyp: E-Book; Hochschulschrift

Titel: Efficient approaches to cleaning with mobile robots

Beteiligte: Hess, Jürgen Michael [Verfasser]; Burgard, Wolfram [Akademischer Betreuer]; Nebel, Bernhard [Akademischer Betreuer]

Erschienen: Freiburg: Universität, 2015

Umfang: Online-Ressource

Sprache: Englisch

DOI: 10.6094/UNIFR/10064

Identifikator:

Schlagwörter: Informatik ; Roboter ; Robotik ; Lokalisierung ; SLAM-Verfahren ; Travelling-salesman-Problem ; Reinigungsroboter ; Serviceroboter ; Autonomer Roboter ; (local)doctoralThesis ; Hochschulschrift

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Universität Freiburg, 2015

Anmerkungen:

Beschreibung: Zusammenfassung: Haushaltsroboter sollen in Zukunft immer mehr Aufgaben im Haushalt übernehmen, wie etwa Aufräumen, Putzen oder Wäsche waschen. Könnten Roboter diese Aufgaben selbstständig ausführen, würden deren Anwender von einer großen Zeitersparnis profitieren. Des Weiteren könnten solche Roboter ältere oder körperlich eingeschränkte Menschen dabei unterstützen, länger in ihrer angestammten Umgebung zu wohnen und auf weniger Unterstützung durch Pflegepersonal angewiesen zu sein.Reinigungungstätigkeiten gehören zu denjenigen Aufgaben im Haushalt, die derzeit am ehesten von Robotern durchgeführt werden können. Im häuslichen Umfeld sind Reinigungsroboter auch schon weit verbreitet. Bereits 2008 führten Prassler und Kosuge [120] insgesamt 13 Reinigungsroboter auf, die zum Einsatz im Haushalt angeboten wurden. Ihre Verbreitung wird auch dadurch deutlich, dass die Firma iRobot angibt, bis zum Jahr 2013 etwa zehn Millionen Haushaltsroboter weltweit verkauft zu haben [73]. Die meisten der derzeit angebotenen Roboter sind zur Bodenreinigung gedacht.Obwohl schon sehr gebräuchlich, sind Reinigungsroboter oft nicht sehr effizient. Frühe Staubsaugroboter etwa, bewegten sich eher zufällig in der Umgebung. Neuere Modelle hingegen versuchen, systematisch die gesamte Umgebung abzudecken. Dieses Vorgehen dauert allerdings sehr lange und ist häufig nicht notwendig. Eine längere Laufzeit führt zu einer längeren Lärmbelastung des Anwenders sowie zu einem höheren Energieverbrauch.Auch stellt ein einmaliges Überfahren einer Stelle, etwa mit einem Staubsauger, nicht sicher, dass diese auch zufriedenstellend gereinigt wurde. Deshalb kann ein mehrfaches Staubsaugen derselben Stelle erforderlich sein. Bisweilen ist auch die zum Reinigen verfügbare Zeit begrenzt, wenn etwa kurzfristig Besuch erwartet wird. Darüber hinaus sind Reinigungsroboter derzeit auf die Bodenreinigung beschränkt und nicht in der Lage, andere Aufgaben, wie etwa Abstauben, durchzuführen.Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, neue innovative Techniken zu entwickeln, um bisherige Reinigungsroboter effizienter zu machen. Des Weiteren sollen Algorithmen für Manipulationsroboter erforscht werden, die es diesen ermöglichen, Oberflächen beliebiger Struktur zu reinigen, und somit Anwendungen wie Staubwischen auszuführen. Im Folgenden werden die Fragestellungen dieser Arbeit an zwei typischen Aufgaben, die in jedem Haushalt anfallen, motiviert und veranschaulicht: dem Staubwischen und dem Reinigen der Böden. Als erste Aufgabe wird das Staubwischen betrachtet. Dazu wird typischerweise ein trockenes Tuch oder ein Schwamm verwendet und die gesamte Oberfläche abgewischt. Staub ist sehr leicht zu entfernen, die abzuwischenden Oberflächen können aber sehr verschieden sein. In einem Haushalt findet man häufig viele ebene Flächen, wie etwa die von Regalen, Tischen oder Schränken. Des Weiteren kommen aber auch sehr komplizierte Freiformflächen vor, wie sie beispielsweise Vasen oder Lampen besitzen. Für einen Manipulationsroboter birgt die Aufgabe des Abstaubens deshalb mehrere Herausforderungen. Für die Lokalisierung sowie für die Planung kollisionsfreier Bewegungen des Roboters ist zunächst eine Karte der Umgebung erforderlich. Für das Säubern der Oberfläche eines Objektes benötigt der Roboter zum einen ein Modell der Oberflächenstruktur. Zum anderen muss er einen Pfad für seinen Endeffektor bzw. Werkzeug planen, der die gesamte Oberfläche abdeckt und Kollisionen mit anderen Gegenständen vermeidet. Zusätzlich sollte die für die Reinigung benötigte Zeit minimal gehalten werden. Für andere Aufgaben, wie etwa das Wegwischen eines Kaffeeflecks auf einem Tisch, muss nicht die gesamte Oberfläche gereinigt werden. Könnte der Roboter mithilfe seiner Sensoren den Fleck erkennen, könnte er sich bei der Reinigung auf diesen Teil der Oberfläche konzentrieren, die Reinigung schneller abschließen und das Reinigungsergebnis anschließend überprüfen.Die zweite Aufgabe, die betrachtet wird, ist das Staubsaugen. Beim Staubsaugen wird manchmal die gesamte Wohnung gereinigt, oft aber auch nur ein kleiner Teil. Einige Stellen müssen dabei häufiger gereinigt werden als andere. Der Eingangsbereich muss eventuell jeden Tag oder sogar mehrmals am Tag gereinigt werden. Für andere Teile der Wohnung hingegen, wie z.B. das Schlafzimmer, kann eine einmalige Reinigung pro Woche ausreichend sein. Manchmal muss dieselbe Fläche abhängig von der Art des Schmutzes und des Bodens mehrfach bearbeitet werden um sie vollständig zu säubern. Wie auch beim Beispiel des Manipulationsroboters könnte ein Staubsaugroboter effizienter reinigen, sofern ihm bekannt wäre, welche Teile der Umgebung derzeit verschmutzt sind. Diese Überlegungen führen zu den folgenden wissenschaftlichen Fragestellungen, die in dieser Arbeit behandelt werden:• Wie kann ein Roboter ein genaues Modell seiner Umgebung erstellen, das es ihm ermöglicht, kollisionsfreie Pfade zu planen und die Oberflächenstruktur der Objekte abzubilden?• Wie kann ein Manipulationsroboter einen Pfad für sein Werkzeug planen, der die gesamte Oberfläche eines Gegenstandes abdeckt und dabei die Arbeitszeit minimiert?• Wie kann ein Roboter lernen, die Teile der Umgebung zu erkennen, die gereinigt werden müssen, und diese Information nutzen, um die Aufgabe effizienter zu erfüllen?• Wie kann ein Staubsaugroboter seinem Besitzer eine saubere Umgebung garantieren?Diese Arbeit behandelt und beantwortet diese Fragen und ist wie folgt strukturiert. Kapitel 1 gibt eine Einführung in die Fragestellungen und erläutert die verwendeten mathematischen Schreibweisen.

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