Interaktive Verhaltenssteuerung für Robot Companions

Kleinehagenbrock M. Interaktive Verhaltenssteuerung für Robot Companions. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2004.Das Bestreben in der Robotikforschung, Roboter zu entwickeln, die dem Menschen gewisse Dienste erweisen, ist nach wie vor ungebrochen. Dabei konzentriert sich die aktuelle Entwicklung zunehmend auf den Privatgebrauch: Es ist das Ziel, persönliche Roboter zu entwickeln, die in Zukunft mit Menschen, einem Kameraden ähnlich, das Zuhause teilen können. Damit Menschen geneigt sind, sich einen solchen Robot Companion zuzulegen, muss er nützlich und einfach zugänglich sein. Somit sind einerseits Fähigkeiten, wie z.B. "Tisch abräumen" und "Blumen gießen", zu realisieren. Andererseits sind die wenigsten Menschen Experten für Robotik. Daher sollte der Roboter intuitiv bedienbar sein, so dass ein natürlicher Umgang zwischen Mensch und Robot Companion entsteht. Folglich muss der Roboter Dialoge in natürlicher Sprache führen können und Zeigegesten erkennen. Da solche Interaktionen in Privatwohnungen stattfinden, kann der Roboter weder die Umgebung noch alle dort denkbaren Gegenstände im Voraus kennen. Somit muss er dieses Wissen erlernen, um es in weiteren Interaktionen nutzen zu können. Um diese Herausforderungen zu lösen, war es ein Ziel dieser Arbeit, eine Software-Architektur für Robot Companions zu entwickeln. Das Konzept der Architektur sollte möglichst flexibel und erweiterbar sein, um diverse Interaktionsfähigkeiten integrieren zu können. Als weiteres Ziel sollte die Basis zur Interaktion mit Menschen geschaffen werden. Dazu wurde ein neuartiges multimodales Personen-Tracking entwickelt, das mit weiteren Interaktionsmodulen in der realisierten Architektur zu integrieren war. Das entwickelte Personen-Tracking ist multimodal, da es Daten von drei verschiedenen Sensorsystemen verarbeitet, um vor dem Roboter anwesende Personen robust zu verfolgen. Zur Sensordatenfusion wurde das "Multimodale Anchoring" entwickelt. Dieser neuartige Ansatz erlaubt es, gleichzeitig mehrere Personen anhand ihrer Gesichter, Oberkörper, Stimmen und Beine zu verfolgen, und sie auch voneinander zu unterscheiden. Somit kann eine Person bevorzugt betrachtet werden, indem die Sensoren auf sie gerichtet werden. Durch zugehörige Experimente wird die Leistungsfähigkeit des multimodalen Verfahrens belegt. Neben dem Personen-Tracking werden jeweils eine Aufmerksamkeitssteuerung für Personen und Objekte und eine Dialogsteuerung vorgestellt. Diese Module sind im Rahmen anderer Promotionsvorhaben entwickelt worden und es galt, sie ebenfalls im Gesamtsystem zu integrieren. Die Aufmerksamkeitssteuerung für Personen setzt auf dem Personen-Tracking auf und bestimmt den Interaktionspartner des Roboters. Zur sprachlichen Kommunikation mit dem Benutzer ist die Dialogsteuerung verantwortlich. Für das Erfassen von zu lernenden Gegenständen dient die Aufmerksamkeitssteuerung für Objekte, die sprachliche und gestische Informationen kombiniert. Zur Entwicklung der Software-Architektur wurden Architekturen bestehender Robotersysteme untersucht und funktionale und strukturelle Anforderungen an einen Robot Companion formuliert. Das daraus entwickelte Architekturkonzept ist eine besonders flexible Drei-Ebenen-Architektur, die zur Koordination des Systems einen zentralen "Execution Supervisor" (ESV) besitzt und per XML kommuniziert. Der ESV empfängt von angebundenen Modulen Nachrichten, die Aktionen auslösen, wie z.B. das Weiterleiten von Daten an andere Module und das Rekonfigurieren des Systems. Dieses Konzept wurde schließlich für den Roboter BIRON umgesetzt. Dabei wurde der ESV so implementiert, dass er äußerst generisch ist: Um ihn zu modifizieren, muss nur eine Konfigurationsdatei angepasst werden, die ebenfalls in XML spezifiziert ist. Die Kommunikation basiert dabei auf dem "XML enabled Communication Framework" und ist somit äußerst transparent. Außerdem wurden Benutzerexperimente mit BIRON durchgeführt, wobei dessen Interaktionsfähigkeiten als recht natürlich eingestuft wurden. Da für eine flüssige Interaktion das System nicht zu langsam reagieren darf, wurden auch gewisse Zeitmessungen vorgenommen. Diese zeigen, dass der Zeitaufwand, der durch die Architektur verursacht wird, im Vergleich zu den Berechnungen der integrierten Module gering ist und somit eine flüssige Interaktion erlaubt. Das System wurde außerdem auf der IST 2004 in Den Haag präsentiert, wo zwei BIRONs an drei Tagen insgesamt 24 Stunden lang erfolgreich präsentiert wurden. Folglich bietet das präsentierte Architekturkonzept eine hervorragende Basis zur Entwicklung von Robot Companions. Durch die Integration der vorgestellten Modulen ergibt sich bereits ein grundlegendes System zur natürlichen Mensch-Roboter-Interaktion. Da es auf Erweiterbarkeit ausgelegt ist, können andere Funktionalitäten einfach hinzugefügt werden. Diese Generizität wird insbesondere durch XML ermöglicht. XML wird zur Konfiguration des ESV und zur Kommunikation mit den angebundenen Modulen verwendet. Nur so kann das bereits umfangreiche System auch in Zukunft noch umfangreich erweitert werden

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

Neues Konzept zur Planung, Ausführung und Überwachung von Roboteraufgaben mit hierarchischen Petri-Netzen

Es wird gezeigt, wie die aufgabenausführungsrelevanten Komponenten einer hybriden Steuerungsarchitektur mit Hilfe von hierarchischen Petri-Netzen umgesetzt, integriert und mit Überwachungsmodulen verknüpft werden können. Hierzu wird zunächst ein Konzept zur Generierung von Aufgabenwissen vorgeschlagen, das es erlaubt Bausteine komplexer Handlungen systematisiert zu entwerfen. Im Anschluss wird ein neues Konzept zur online Überwachung von Bewegungsvorgängen bei humanoiden Robotern vorgestellt

Multisensorielle diskret-kontinuierliche Überwachung und Regelung humanoider Roboter

In der vorliegenden Arbeit wird für eine neue Klasse von humanoiden Robotern ein generisches zweischichtiges diskret-kontinuierliches Regelungskonzept vorgestellt, welches eine operative multisensorielle Überwachung des Roboterumfeldes hinsichtlich störungsbedingter Abweichungen vom geplanten Bewegungsablauf beinhaltet und in der Lage ist, entsprechend zu reagieren. Auf der Grundlage des vorgeschlagenen Konzepts wurden verschiedene perzeptorisch geregelte Grundgeschicklichkeiten implementiert

Modellierung primärer multisensorischer Mechanismen der räumlichen Wahrnehmung

Abstract The presented work concerns visual, aural, and multimodal aspects of spatial perception as well as their relevance to the design of artificial systems. The scientific approach chosen here, has an interdisciplinary character combining the perspectives of neurobiology, psychology, and computer science. As a result, new insights and interpretations of neurological findings are achieved and deficits of known models and applications are named and negotiated. In chapter one, the discussion starts with a review on established models of attention, which largely disregard early neural mechanisms. In the following investigations and experiments, the basic idea can be expressed as a conceptual differentiation between early spatial attention and higher cognitive functions. All neural mechanisms that are modelled within the scope of this work, can be regarded as primary and object-independent sensory processing. In chapter two and three the visual and binaural spatial representations of the brain and the specific concept of the computational topography in the central auditory system are discussed. Given the restriction of early neural processes, the aim of the actual multisensory integration, as it is described in chapter four, is not object classification or tracking but primary spatial attention. Without task- or object-related requirements all specifications of the model are derived from findings about certain multisensory structures of the midbrain. In chapter five emphasis is placed on a novel method of evaluation and parameter optimization based on biologically inspired specifications and real-world experiments. The importance of early perceptional processes to orienting behaviour and the consequences to technical applications are discussed.In der vorliegenden Arbeit werden visuelle, auditive und multimodale Formen der räumlichen Wahrnehmung und deren Relevanz für den Entwurf technischer Systeme erörtert. Der dabei vertretene wissenschaftliche Ansatz hat interdisziplinären Charakter und berücksichtigt im Umfeld der Neuroinformatik und Robotik methodische Aspekte der Neurobiologie, Wahrnehmungspsychologie und Informatik gleichermaßen. Im Ergebnis sind einerseits neue und weitergehende Interpretationen der Befunde über die natürliche Wahrnehmung möglich. Andererseits werden Defizite bestehender Simulationsmodelle und technischer Anwendungen benannt und überwunden. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet in Kapitel 1 die Diskussion und kritische Wertung etablierter Aufmerksamkeitsmodelle der Wahrnehmung, in denen frühe multisensorische Hirnfunktionen weitgehend unbeachtet bleiben. Als Grundgedanke der folgenden Untersuchungen wird die These formuliert, dass eine konzeptionelle Trennung zwischen primärer Aufmerksamkeit und höheren kognitiven Leistungen sowohl die Einordnung von sensorischen Merkmalen und neurologischen Mechanismen als auch die Modellierung und Simulation erleichtert. In den Kapiteln 2 und 3 werden zunächst die primären räumlichen Kodierungen der zentralen Hörbahn und des visuellen Systems vorgestellt und die Spezifika von projizierten und berechneten sensorischen Topographien beschrieben. Die anschließende Modellierung von auditorisch-visuellen Integrationsmechanismen in Kapitel 4 dient ausdrücklich nicht der Klassifikation oder dem Tracking von Objekten sondern einer frühen räumlichen Steuerung der Aufmerksamkeit, die im biologischen Vorbild unbewusst und auf subkortikalem Niveau stattfindet. Nach einer Erörterung der wenigen bekannten Modellkonzepte werden zwei eigene multisensorische Simulationssysteme auf Basis künstlicher neuronaler Netze und probabilistischer Methoden entwickelt. Kapitel 5 widmet sich der systematischen experimentellen Untersuchung und Optimierung der Modelle und zeigt, wie unbewusste Wahrnehmungsleistungen und deren Simulation unter Bezugnahme auf qualitative und quantitative Befunde über multisensorische Effekte im Mittelhirn evaluiert werden können. Die Diskussion des Modellverhaltens in realen audio-visuellen Szenarien soll unterstreichen, dass die frühe Steuerung der Aufmerksamkeit noch vor der Objekterkennung einen wichtigen Beitrag zur räumlichen Orientierung leistet

Pflegeroboter

Dieses Open-Access-Buch bündelt technische, wirtschaftliche, medizinische und ethische Reflexionen über Pflegeroboter. Pflegeroboter, im Moment noch mehrheitlich Prototypen, unterstützen oder ersetzen menschliche Pflegekräfte bzw. Betreuer. Sie bringen Kranken und Alten die benötigten Medikamente und Nahrungsmittel, helfen beim Hinlegen und Aufrichten oder alarmieren den Notdienst. Vorteile von Pflegerobotern sind durchgehende Verwendbarkeit und gleichbleibende Qualität der Dienstleistung. Nachteile sind Kostenintensität (bei möglicher Amortisation) und Komplexität der Anforderungen. Unter der wissenschaftlichen Leitung von Prof. Dr. Oliver Bendel trafen sich im September 2017 Vertreter verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen im Rahmen eines Ladenburger Diskurses der Daimler und Benz Stiftung, um über den aktuellen und künftigen Einsatz von Pflegerobotern zu sprechen und Forschungspotenziale zu identifizieren. Die Autoren gehen in ihren Beiträgen auch Fragen aus Wirtschafts-, Medizin- und Informationsethik nach: Wer trägt die Verantwortung bei einer fehlerhaften Betreuung und Versorgung durch die Maschine? Inwieweit kann diese die persönliche und informationelle Autonomie des Patienten unterstützen oder gefährden? Ist der Roboter eine Entlastung oder ein Konkurrent für Pflegekräfte? Antworten müssen von Wissenschaft und Gesellschaft gefunden werden

Foresight-Studie "Digitale Arbeitswelt"

Die Foresight-Studie "Digitale Arbeitswelt" des Instituts für Innovation und Technik (iit) im Auftrag des BMAS stellt die möglichen Entwicklungen der Arbeitswelt in den Branchen Produktion, Medien und Dienstleistungen in einer mittel- und langfristigen Perspektive dar. Die Studie geht dabei auf neue Formen der Automatisierung, der innerbetrieblichen Arbeitsorganisation sowie neue digital vermittelte Formen der Arbeitsteilung ein. Zentrales Ergebnis sind drei Roadmaps zur möglichen Entwicklung der einzelnen Branchen sowie branchenübergreifende Thesen zu Veränderungen der Arbeitswelt durch die Digitalisierung

Entwerfen Entwickeln Erleben 2014 – Beiträge zum Technischen Design: Dresden, 26.-27. Juni 2014

Die Konferenz »Entwerfen – Entwickeln – Erleben« bietet ein be­sonderes Podium zum Austausch von Wissenschaftlern und Praxis­vertretern aus den zentralen Bereichen der Produktentwicklung. Der vorliegende Band enthält Beiträge der EEE2014 unter anderem zu Innovationsstudien und Zukunftskonzepten für verschiedenste Bran­chen, zu Design Thinking und Designprozessen von frühen Phasen bis zum Qualitätsmanagement, Methoden und Werkzeugen von Mindcards bis Eye-Tracking sowie zu den Themen User Experience und Nutzererleben, Öko-Design, Universal Design und partizipative Gestaltung. Die Technischen Universität Dresden und technischesdesign.org er­möglichten in Kooperation mit der Gruppe Virtuelle Produktentwick­lung der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktentwicklung (WiGeP), dem Mathematisch-Physikalischen Salon der Staatlichen Kunstsammlungen Dresden und der Hochschule für Bildende Küns­te Dresden die fachübergreifende Diskussion des Schwerpunkt-The­mas inmitten der Dresdner Altstadt. In diesem Band sind die Bei­träge zum Technischen Design enthalten, ein weiterer Band (http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-144963, herausgegeben von Ralph Stelzer) fasst die Beiträge zur Konstruktionstechnik und zur Virtuellen Produktentwick­lung zusammen.:Das Futur II Innovationskonzept zur Optimierung schienengebundener Fahrzeuge Christian Scholz 11 Eco Design Tool – Qualitative Entscheidungsunterstützung in der Produktgestaltung Georg Dwalischwili, Malte Koslowski und Nikolaus Marbach 27 Innovationsstudien als Treiber anwendungsorientierter Forschung – Beispiele aus dem Agrarbereich Christoph Philipp Schreiber, Thomas Herlitzius und Jens Krzywinski 43 Produktentwicklung von Bekleidung und technischen Textilien – 3DDesign/Konstruktion für biegeweiche Materialien Sybille Krzywinski, Ellen Wendt, Jana Siegmund und Lina Girdauskaite 57 Design Thinking: Allgemeingültiger Innovationsprozess? Gavin Melles und Rebekka Fuge 69 Neue Industrial Design Prozesse für die Produktentwicklung – Die Überarbeitung der VDI/VDE-Richtlinie 2424 Gerhard Reichert, Robert Watty und Christian Zimmermann 77 UXX Enterprise oder: Über den Sinn und Unsinn von Entwerfen, User Experience und Modellbau im Spannungsfeld zwischen Design Thinking und User Centered Design Oliver Gerstheimer 87 Anwenderorientierte strategische Ausrichtung von Design bei technologiegeprägten Unternehmen Frank Thomas Gärtner 103 Partizipative Softwareentwicklung am Beispiel der Findung eines Interaktionskonzeptes Ingmar S. Franke und Frank Peter 115 Die Konzeptvisualisierung als frühe Entscheidungsunterstützung im Rahmen komplexer Produktentwicklungen Frank Mühlbauer und Jens Krzywinski 129 Qualitätsmanagement im Designprozess Matthias Richter 145 Der Raum als unterstützendes Werkzeug im Designprozess. Wie wirkt sich das Design der Arbeitsumgebung auf kreative Teamarbeit aus? Danjela Hüsam, Claudia Nicolai, Dora Panayotova und Ulrich Weinberg 155 Entwickeln mit Mindcards – mehr Interaktion in kreativen Prozessen Stefan Boës, Moritz Mussgnug, Dominik Noli, Bastian Leutenecker und Mirko Meboldt 169 Learning in Action als mannigfaltige Methode zum Erlernen, Erleben und Problem Reframing Andrea Augsten 181 Potenziale und Herausforderungen für das Design in der Konzeptionsphase von soziotechnischen Systemen Jennifer Müller, Christophe Kunze und Madeleine Berger 195 Einsatz von mobilen Eye Tracking Technologien in der nutzerorientierten Produktentwicklung Moritz Mussgnug, Quentin Lohmeyer und Mirko Meboldt 209 Methode zur nutzergerechten Interfacegestaltung auf der Basis eines idealen Informationsablaufs zwischen funktionalen und formalen Anforderungen Markus Schmid 219 Multimodale HMI – Untersuchungen zur Erweiterung der Arbeitsgedächtniskapazität durch visuell-taktile Anzeiger Matti Schwalk und Thomas Maier 233 Assistenzsysteme im industriellen Kontext – Interviews und Kontextanalyse Anja Knöfel, Ralph Stelzer, Rainer Groh und Jens Krzywinski 243 Design im Bereich der Sicherheitstechnik Christian Fritz 255 Gestaltungsprinzipien für herstellerproprietäre, mobilfunkbasierte Arbeitsmittel Applikationen – Die Zielgruppenbefragung Friedrich Niehaus und Tobias Kehrein 263 Optimierung gestalterischer Faktoren für die altersgerechte Mensch-Produkt-Schnittstelle durch Greifkraftmessung Benedikt Janny, Matthias Haug und Thomas Maier 279 Iteratives Design in der Produktentstehung Gerhard Glatzel 291 Streaming alternativer Inhalte ermöglicht Barrierefreiheit für einige – und Mehrwerte für viele Zuschauer Mathias Knigge und Jörn Erkau 303 Kein schales Schimmern – Die Goldene Regel im Designkontext Heike Raap 309 Möbelentwicklung im Wandel Tony Gauser 319 Solarkraft in der Produktentwicklung – Anwendungen für Westafrika Jörg Reiff-Stephan 327 Universal Design – Möglichkeiten und Grenzen Susanne Trabandt, Linda Geißler und Stefan Schmidt 341 Wahrnehmungsgerechtheit als Gestaltungsaufgabe im Produktdesign Thomas Gatzky 35