Autonome Instrumentierung von Altbergbau durch einen mobilen Manipulator

Im Fokus dieser Arbeit steht die Konzeption, Entwicklung und Erprobung eines autonomen Roboters zur Instrumentierung eines untertägigen Bergwerks. Der exemplarische Anwendungsfall umfasst das selbstständige Absetzen intelligenter Sensorstationen durch einen Roboterarm. Der Roboter ist einer der ersten mobilen Manipulatoren für den langfristigen Einsatz unter Tage. Ziel ist es, die Sicherheit für den Bergmann zu erhöhen, indem in gefährlichen Situationen der mobile Manipulator als echte Alternative zur Verfügung steht. Das fordert von dem Roboter selbstständiges und adaptives Handeln in einer Komplexität, die mobile Manipulatoren bisher lediglich in strukturierten Umgebungen leisten. Exemplarisch dafür ist das Platzieren von Technik im Altbergbau - Dunkelheit, Nässe und enge Querschnitte gestalten dies sehr herausfordernd. Der Roboter nutzt seine anthropomorphe Hand, um verschiedene Objekte abzusetzen. Das sind im konkreten Fall Sensorboxen, die diese Arbeit für die Instrumentierung des Bergwerks vorschlägt. Wichtig ist, dass das Absetzen autonom geschieht. Der Roboter trifft die Entscheidungen, wo er etwas platziert, welche Trajektorie sein Arm wählt und welchen Planungsalgorithmus er nutzt, vollkommen selbstständig. In dem Zusammenhang entwirft diese Dissertation eine variable Absetzroutine. Der mobile Manipulator baut dafür ein Kollisionsmodell der Umgebung auf, sucht eine geeignete Absetzposition, greift ein vordefiniertes Objekt und platziert dies im Bergwerk. Sicherheit und Robustheit stehen dabei an vorderster Stelle. Entsprechend schließt die Absetzroutine nach dem Absetzen nicht ab, sondern führt eine unabhängige Überprüfung durch. Dabei vergleicht der mobile Manipulator über Sensoren die wahrgenommene mit der angestrebten Objektposition. Hier kommen auf Deep Learning basierende Methoden zum Einsatz, die eine Überprüfung auch in vollkommener Dunkelheit erlauben. In insgesamt 60 Experimenten gelingt das Absetzen in 97% der Fälle mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich. Dabei beschränkt sich diese Evaluierung nicht auf das untertägige Bergwerk, sondern wertet auch Experimente in strukturierten und offenen Umgebungen aus. Diese Breite erlaubt eine qualitative Diskussion von Aspekten wie: Autonomie, Sicherheit und Einfluss der Umgebung auf das Verfahren. Das Ergebnis ist die Erkenntnis, dass der hier vorgestellte Roboter die Lücke zwischen Untertagerobotern und den mobilen Manipulatoren aus Industrieanwendungen schließt. Er steht in gefährlichen Situationen als Alternative zur Verfügung.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Notation Variablenverzeichnis 1. Einleitung 1.1. Motivation 1.2. Forschungsfrage und Beitrag der Arbeit 1.3. Aufbau der Arbeit 2. Forschungstrends bei mobilen Manipulatoren und Untertagerobotern 2.1. Mobile Manipulatoren in verschiedenen Einsatzszenarien 2.2. Wettbewerbe mobiler Manipulatoren und Trends im Forschungsgebiet 2.3. Hard- und Software Komponenten für mobile Manipulatoren 2.4. Zusammenfassung 3. Aufbau von Julius - dem Roboter für den Einsatz im Altbergbau 3.1. Umgebungsbedingungen im untertägigen Altbergbau 3.2. Physischer Aufbau des Roboters 3.3. Softwaretechnische Grundlagen für ein autonomes Handeln 3.4. Zusammenfassung 4. Entwurf der autonomen Absetzroutine für Julius 4.1. Planen von Armbewegungen 4.2. Umgebungsmodell detaillieren 4.3. Bodenfläche identifizieren 4.4. Absetzposition berechnen 4.5. SSB greifen 4.6. Absetzrotation festlegen 4.7. SSB absetzen 4.8. Absetzpose überprüfen 4.9. Zusammenfassung 5. Experimentelle Validierung von Julius und der Absetzroutine 5.1. Beschreibung des Experiments und der generellen Rahmenbedingungen 5.2. Referenzexperimente im Innenbereich 5.3. Experimente im Außenbereich 5.4. Experimente im Forschungs- und Lehrbergwerk 5.5. Diskussion 5.6. Zusammenfassung 6. Zusammenfassung 6.1. Erkenntnisse dieser Arbeit 6.2. Fazit 6.3. Ausblick Literatur Anhang A. Berechnung der Absetzrotation B. Übersicht technischer Daten C. Weiterführende Abbildungen D. Messdate