Moritz Knaust M.Sc.

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Die Partikeltherapie ist eine Form der Strahlentherapie in der Krebstumore mit positiven Ionen bestrahlt werden. Dazu werden die Ionen in einem Teilchenbeschleuniger auf eine definierte Energie beschleunigt und anschließend auf den Tumor geschossen. Dies ermöglicht ein räumlich sehr präzise Bestrahlung des Tumors und minimiert die Schädigung des umliegenden Gewebes.

Die genaue Bestrahlung des Tumors erfordert natürlich eine sehr präzise Lagerung des Patienten an einer durch einen MR Scan festgelegten Position. Dazu werden Industrieroboter verwendet, die eine sehr flexible und hochgenaue Bewegung des Patienten ermöglichen.

Ein grundlegendes Problem dieser Behandlung ist, dass der Tumor sich nach dem MR-Scan im Körper verschieben kann, was im Bauchbereich oft durch Bewegung, Atmen oder einen unterschiedlich gefüllten Magen passiert. Wenn sich der Tumor verschiebt ist die Bestrahlung natürlich deutlich ungenauer und beschädigt eventuell sogar umliegendes Gewebe. Um dieses Problem zu beheben soll in zukünftigen Partikeltherapieanlagen ein MR Scan während der Bestrahlung durchgeführt werden.

Dazu ist ein MR im Behandlungsraum notwendig. Diese führt zu vielen Herausforderungen an die ganze Anlage, unter anderem wird die Positionierung des Patienten mithilfe des Roboters deutlich erschwert. In diesem Projekt soll untersucht werden, wie sich MR und Roboter gegenseitig beeinflussen und es sollen mögliche Lösungswege zur Nutzung eines Roboters im Feld eines MR evaluiert werden.

Forschungsvideo

Im Folgenden sind einige Bereiche für mögliche studentische Projekte aufgeführt. Eigene Vorschläge in ähnlichen Bereichen sind natürlich auch möglich.

Use NPC Training Algorithms for Robotic Tasks

Proseminar / Bachelor-Thesis

The programming of robots is a difficult task which can be simplified by Imitation Learning. There is a lot of research done on this topic in connection to robots, but also in additional areas: In general NPC characters in video games are similar to robots. They also should complete different tasks and must be trained to do this, so from a algorithmic point of view they are very similar. This can be seen on the usage of Behavior Trees, a framework similar to state machines, which was developed by the game industry and is now used in robotics.

In this project at first a literature review should be done, to give a overview between the different algorithms used for NPC training. In the second step it should be evaluated it is possible to use the algorithms on a real world robot and not only in simulated systems. But it is also possible to simulate our robots, so this can be used additionally.

If some suitable algorithms are found, the training can be tested at first on a simple simulation example to compare the different behaviors. If this is working well it can be tested on the real robot.

Simulation der Wechselwirkung zwischen einem MRT Gerät und einem Roboterarm

Bacherlor- / Master-Thesis

In zukünftigen Ionenstrahltherapieanlagen sollen MR Scanner eingesetzt werden um die genaue Lage von Tumoren zu erkennen und diese präzise bestrahlen zu können. Dafür ist es notwendig, den Patienten mit einem Positionierungssystem flexibel im MR Scanner positionieren zu können. Zur Zeit werden für ähnliche Anwendungen meist Industrieroboter verwendet, allerdings stellt die Kombination von MR und einem Roboter eine große Herausforderungen dar.

Das starke Magnetfeld des MR kann eine hohe Kraft auf den Roboter ausüben, gleichzeitig stört der Roboter die Homogenität des MR Magnetfeldes. Dies führt zu einer Verzerrung des aufgenommenen Bildes.

Beide Effekte sollen mithilfe einer Simulation untersucht werden. Zur Simulation des Magnetfeldes und der auftretenden Kräfte kann COMSOL Multiphysics in Kombination mit Matlab verwendet werden. Die Einarbeitung in COMSOL fällt relativ leicht, deshalb sind hier nicht zwingend Vorkenntnisse notwendig.

Reglung eines 7-DOF Roboterarms

Die Regelung von Roboterarmen ist eine zunehmend wichtige Aufgabe, da Roboter sich in immer mehr Bereichen verbreiten. Roboterarme sind aus regelungstechnischer Sicht ein nichtlineares Mehrgrößensystem, daher ist die Regelung nicht einfach, allerdings lassen sich viele Konzepte der nichtlinearen Regelungstechnik sehr gut anwenden.

Bisher sind die meisten Indutrieroboter so gebaut, dass sie eine einmal angefahrene Position sehr genau wiederholen können. Für viele Anwendungen ist es aber erforderlich eine beliebige Position im Raum genau ansteuern zu können. Aus diesem Grund soll ein Regler entworfen werden, der den Roboter stationär genau ausregeln kann. Dazu können sowohl Sensoren im Roboterarm selbst als auch ein externes Tracking System verwendet werden.

Weitere Herausforderungen in der Regelung von Roboterarmen liegen in der sinnvollen Nutzung des siebten Freiheitsgrades. Dieser ermöglicht es eine kartesische Position im Raum mit verschiedenen Gelenkwinkeln anzufahren. Dies stellt den Regler aber gleichzeitig vor die Herausforderung einen möglichst sinnvoll Armposition zu finden.

Zur Regelung von Roboterarmen bieten sich somit verschiedene Studentprojekte an. Diese umfassen folgende Aufgaben:

  • Entwurf (nichtlinearer) Mehrgrößenregler
  • Simulation des Roboterarms
  • Test des Reglers am Roboter und Evaluation

Für ein solches Projekt benötigt man natürlich umfangreiche Kenntnisse der Regelungstechnik, Programmierkenntnisse in C++ und Python und idealerweise etwas Erfahrung mit ROS und Linux.

Trajektorienplanung für 7-DOF Roboterarme mit statischen und dynamischen Hindernissen

Moderne kollaborative Roboter sollen in einer sich ständig ändernden Umgebung eingesetzt werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Programmierung des Roboters, da er seine Bewegungen an Änderungen der Umgebung anpassen muss. Dabei muss die Trajektorie des Roboters während der Laufzeit des Programms online so berechnet werden, dass der Arm weder mit Hindernissen noch mit sich selbst kollidiert. Dieser Schritt wird Motion Planning genannt.

Besonders schwierig wird die Planung der Bewegungen, wenn sie die Hindernisse im Raum vor dem Roboter bewegen. Ein besonders interessanter Spezialfall ist dabei die direkte Interaktion mit Menschen, mit denen eine Kollision natürlich vermieden werden soll.

Zum Aufbau einen solch komplexen Motion Planning Systems sind verschiedene Schritte notwendig:

  • Visuelle Erfassung der Umgebung mit Kameras und Tiefenbildern
  • Kategorisierung der Umgebung in Objekte und Hindernisse
  • Prädiktion der zukünftigen Bewegung von dynamischen Objekten
  • Berechnung einer geeigneten Trajektorie

Zur Darstellung der Umgebung und zum Motion Planning bietet ROS eine Vielzahl von Paketen an. Diese sollen im Projekt verwendet werden.

Thema Typ Status
Entwurf einer Regelung für einen Roboterarm mit 7 Freiheitsgraden Masterarbeit Laufend
Simulation und Modellvalidierung des Franka Emika Panda Roboterarms Masterarbeit Laufend
Automatische Nullraumregelung für 7-DOF Roboterarme Masterarbeit Laufend
Trajektorienplaung für 7-DOF Roboterarme in einer dynamischen Umgebung Projektseminar Laufend
Springe zu: 2019
Anzahl der Einträge: 1.

2019

Schwehr, Julian ; Knaust, Moritz ; Willert, Volker (2019):
How to Evaluate Object-of-Fixation Detection.
k. A., IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), Paris, France, June 9-12, 2019, [Konferenzveröffentlichung]

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