Realisierung nutzeradaptiven Interaktionsverhaltens für mobile Assistenzroboter

Im Zentrum dieser Dissertation steht die soziale Assistenzrobotik. In den letzten Jahren hat die Bedeutung dieses Teilgebietes der mobilen Robotik stark zugenommen und zusammen mit der Diversifizierung robotischer Fähigkeiten hat sich die Nutzergruppe hin zur breiten Masse mit potentiellen technischen Laien gewandelt. Aus dieser Situation heraus erwachsen an die Interaktionsfähigkeiten sozialer Assistenzroboter umfangreiche Anforderungen. Insbesondere stehen in dieser Arbeit die Multimodalität der Interaktion und die Anpassungsfähigkeiten an den konkreten Nutzer im Vordergrund. Am Beispiel eines Serviceroboters für die häusliche Gesundheitsassistenz, wie er in einem vom Autor mit bearbeiteten Forschungsprojekt realisiert wurde, wird zunächst der Analyse- und Entwurfsprozess für dessen Umsetzung geschildert. Im Anschluss daran wird gezeigt, wie sich aus der Systemspezifikation eine mehrschichtige Systemarchitektur ableiten lässt, welche auch auf andere Robotikanwendungen übertragbar ist. Der Fokus liegt dabei auf der modularen Realisierung einer Ablauf- und Dialogsteuerung. Um dem System eine Persönlichkeit zu geben und ein im Langzeiteinsatz akzeptierbares Dialogverhalten zu generieren, wurde ein frame-basierter Dialogmanager konzipiert und umgesetzt. Dabei wurden Aspekte wie Modularität durch ein App-Konzept, leichte Erweiterbarkeit und die Möglichkeit, nutzeradaptive Dialoge zu realisieren, berücksichtigt. Im Kern des vorgestellten Dialogsystems kommt eine gänzlich neue Methode der probabilistischen online-Planung von Dialogsequenzen zum Einsatz. Ein eigens konzipiertes Realweltexperiment konnte zeigen, dass es mit diesem System möglich ist, anhand von systeminternen aber auch nutzergetriebenen Bewertungen, das Dialogverhalten im Rahmen von durch den Designer vorgegebenen Freiheiten zur Laufzeit zu optimieren. Die Gestaltung des robotischen Gesundheitsassistenten wurde durch weitere Teilsysteme abgerundet. Unter diesen spielen verschiedene taktile Sensoriken und ein Emotionsmodell eine entscheidende Rolle für die Realisierung eines liebenswerten Begleiters. Letztendlich konnte in sehr erfolgreichen teils mehrtägigen Nutzerstudien mit Senioren die Praktikabilität des entwickelten Interaktionskonzepts und der Systemarchitektur nachgewiesen werden.The central topic of this thesis concerns social service robotics. In recent years this branch of mobile robotics in general has seen increasing interest. Due to increasing capabilities and growing fields of application of such robots, the group of potential users has changed. Unexperienced users raise extensive requirements regarding the interaction capabilities of such robots. The multi-modality of human-robot dialog and its adaptivity regarding user's preferences and needs are in the focus of this thesis. First, the analysis and specification process for such a system is explained by means of an example, which is a service robot for health assistance in home environments, as it has been developed in a research project at which the author participated. Following this, it is shown how a multi-layer system architecture is derived from that specification, which is applicable to other robotic applications as well. Though the main focus is on a modular realization for the control structures and the dialog handling. In order to enable a long term acceptability of such a system and to give it a personality, a frame-based dialog manager has been designed and is explained in detail. Aspects of interest there are modularity by means of an app-concept, extendablility, and adaptivity of the interaction skills regarding users' qirks and demands. In the core of the presented dialog system, there is a unique planning mechanism based on probabilistic reasoning in a factor graph model of the dialog going on. In a real world experiment it could be shown that this online learning concept is able to optimize dialog behavior regarding system internal as well as user driven reward signals. During the implementation of the health assistant robot further system components have been developed in order to realize a likeable companion. Among them, there are two kinds of tactile sensors and an emotion model, which are presented in this thesis as well. Finally, very successful real world user trials of the health assistant robot involving 9 elderly people are described to show that the presented concepts for system architecture and dialog modelling are viable

Interaktive Dialogsysteme

Das Thema der vorliegenden Arbeit kann mit den folgenden drei Hauptfragen zusammengefasst werden: (1) was ist Dialog, (2) welche charakteristische Merkmale hat der Dialog und (3) was ist notwendig, um Dialog erfolgreich mit Hilfe von Maschinen (Computersystemen) zu simulieren. Die Arbeit wurde in der Hoffnung geschrieben, dass sie als Basis und Ausgangspunkt für weitere Forschungen in den bezeichneten wissenschaftlichen Gebieten benutzt werden kann, wie auch in der Hoffnung, dadurch die Aufmerksamkeit von Sprachwissenschaftlerinnen und Germanistinnen auf Forschungsperspektiven und Herausforderungen in diesem Gebiet zu lenken. Dabei wird auch gezeigt, wie weit die theoretischen Grundlagen, die sich auf zwischenmenschliche Dialogformen beziehen, in interaktiven Dialogsystemen implementiert werden können; welche zusätzliche Mittel notwendig sind, um solche Systeme menschenähnlicher in der Dialogkommunikation zu machen. Die Frage nach interaktiven Dialogsystemen wird vor allem aus pragmatischen Gründen gestellt, denn mit der Entwicklung der Computertechnologie werden auch die Einsatzmöglichkeiten für Computer immer mehr. Das führt dazu, dass viel mehr Menschen, vor allem Nicht-Experten, am Computer arbeiten. Die Kommunikation mit dem Computer läuft allerdings, mit Ausnahme der Erfindung und Einführung der Maus in den 1960er/1970er, bis heute noch vor allem über die Konsole (Tastatur/Monitor). Die menschliche Dialogfähigkeit zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, typische Organisationsprinzipien des Dialogs zu erkennen und anzuwenden. Die Prinzipien betreffen einerseits die kognitiven Fähigkeiten des Menschen, andererseits unterschiedliche formale Aspekte. Ein Dialogsystem sollte also diese menschliche Dialogfähigkeit in unterschiedlichen kommunikativen Situationen nachahmen können. Eben aus diesem Grund steht einerseits der Dialog als Kommunikationsmittel im Zentrum der vorliegenden Diplomarbeit, andererseits aber die Frage, wie ein gesprochener Dialog mit einem Computersystem und in welchem Ausmaß möglich wäre