Prototyping and benchmarking autonomous mobile service robot applications

Abstract

This thesis describes methods and approaches which aim to accelerate scientific research and development in mobile service robotics through standardization in hardware and software and through application-oriented system benchmarking. It contains three major contributions. The first contribution is the design and implementation of a mechatronic construction kit for efficient and multipurpose mobile service robot prototyping called VolksBot. The relevance and multipurpose character of this development is demonstrated through various robot components, platforms and applications that were implemented on the basis of this kit and which are used by an international robotic community. Second, is the sensor development for mobile robotics and autonomous urban driving. This includes an adaptive catadioptric vision system for varying light conditions IAISVision and a continuously rotating 3D laser range finder 3DLS-K which was used as a sensor component for autonomous driving in the DARPA Urban Challenge 2007. The third major contribution is the design and implementation of the RoboCup@Home initiative, an international scientific competition for benchmarking and developing personal domestic service robots. Here, system benchmarking is applied to test the robots' performance in specific abilities in a realistic and uncertain setting which includes human-robot interaction. In summary, the combination of standardization, modularization, community building and benchmarking in mobile robotic research and development is proposed as a suitable approach to cope with the high level of related complexity and unsolved problems in the domain. Furthermore, this approach aims to foster and accelerate the development and the distribution of useful, affordable and broadly accepted robotic applications and products in the near future.

Diese Arbeit zeigt Methoden und Ansätze auf, welche zum Ziel haben, Forschung und anwendungsorientierte Entwicklung im Bereich mobiler Serviceroboter durch Standardisierung in Hardware und Software sowie durch applikationsorientiertes Systembenchmarking zu beschleunigen. Die Arbeit beinhaltet drei Hauptbeiträge. Erstens, den Entwurf und die Umsetzung eines mechatronischen Baukastensystems für effiziente Entwicklung mobiler Serviceroboter namens VolksBot. Die Bedeutung und die Vielseitigkeit dieser Entwicklung wird mittels auf dem Baukasten basierender Roboterprototypen und -anwendungen sowie anhand der Verbreitung und Nutzung von Volks- Bot-Komponenten in der Robotikforschung und -entwicklung nahegelegt. Der zweite Beitrag bezieht sich auf Sensorentwicklungen für mobile Roboter und autonomes Fahren in städtischen Umgebungen. Zum Einen, das katadioptrische Kamerasystem IAISVi- sion welches Robustheit gegenüber veränderter Beleuchtungssituationen aufweist, zum Anderen, ein kontinuierlicher 3D Laserscanner 3DLS-K welcher als Sensorkomponente für autonomes Fahren während des Wettbewerbs DARPA Urban Challenge 2007 eingesetzt wurde. Der dritte Beitrag bezieht sich auf die Entwicklung der RoboCup@Home Initiative, welche der derzeit verbreitetste wissenschaftliche Wettbewerb für Service- und Haushaltsroboter ist. Die dargelegte Kombination aus Standardisierung und Rapid Prototyping bei der Entwicklung von Roboterkomponenten, dem Aufbau einer Community und der Definition und dem Benchmarking von mobilen Servicerobotikanwendungen zeigt vielversprechende Ergebnisse in Forschung und Entwicklung. Damit soll diese Arbeit zur zukünftigen Entwicklung relevanter Anwendungen und Produkten im Bereich Servicerobotik beitragen