Design of Interactive Service Robots applying methods of Systems Engineering and Decision Making

Interaktive Service Roboter werden heute bereits in einigen Anwendungsszenarien eingesetzt, in denen sie beispielsweise Menschen durch Gebäude geleiten oder bei häuslichen Aufgaben unterstützen. Dennoch gibt es bislang kein System, das den erwarteten Marktdurchbruch geschafft hat. Die hohe Komplexität solcher Systeme und vielfältige Anforderungen durch Benutzer und Betreiber erschweren die Entwicklung von erfolgreichen Service Robotern. In dieser Arbeit wurden zwei interaktive Service Roboter entwickelt, die das Potential haben, die beschriebenen Hinderungsgründe für einen breiten Einsatz zu überwinden. Das erste Robotersystem wurde als Shopping Roboter für Baumärkte entwickelt, in denen es Kunden zu gesuchten Produkten führt. Das zweite System dient als interaktiver Pflegeroboter älteren Menschen in häuslicher Umgebung bei der Bewältigung täglicher Aufgaben. Diese Arbeit beschreibt die Realisierung der Embedded Systems beider Robotersysteme und umfasst insbesondere die Entwicklung der Low-Level System Architekturen, Energie Management Systeme, Kommunikationssysteme, Sensorsysteme, sowie ausgewählte Aspekte der mechanischen Umsetzung. Die Entwicklung einer Vielzahl von Steuerungsmodulen, notwendig für die Realisierung interaktiver Service Roboter, wird beschrieben. Die vorliegende Arbeit verwendet und erweitert Methoden des Systems Engineerings, um die hohe Systemkomplexität von interaktiven Service Robotern sowie die vielfältigen Anforderungen an deren späteren Einsatz beherrschen zu können. Der Entwicklungsprozess der beiden Roboter basiert auf dem V-Model, welches einen strukturierten Entwurfsablauf unter Berücksichtigung aller Systemanforderungen erlaubt. Es zwingt ferner zur frühzeitigen Spezifikation von Prüfabläufen, was die Qualität und Zuverlässigkeit der Entwicklungsergebnisse verbessert. Für die Unterstützung von Entscheidungen im Entwicklungsprozess schlägt diese Arbeit eine Kombination aus dem V-Model und dem Analytic Hierarchy Process (AHP) vor. Der AHP hilft bei der Auswahl verfügbarer technischer Alternativen unter Berücksichtigung von Prioritäten im Entwicklungsprozess. Diese Arbeit spezifiziert sieben Kriterien, die Service Roboter charakterisieren: Anpassbarkeit, Laufzeit, Benutzbarkeit, Robustheit, Sicherheit, Features und Kosten. Die Prioritäten dieser Kriterien im Entwicklungsprozess werden für jeden Roboter individuell bestimmt. Der AHP ermittelt die beste Lösung basierend auf diesen gewichteten Kriterien und den bewerteten technischen Alternativen. Die Einbindung des AHP in den V-Model Prozess wurde am Entwurf des Shopping Roboter entwickelt und geprüft. Die Allgemeingültigkeit dieser Methode wurde während der Entwicklung des Pflegeroboters verifiziert.Interactive service robots have already been developed and operate as example installations taking over guidance tasks or serving as home assistants. However, none of these systems have become an off-the-shelf product or have achieved the predicted breakthrough so far. The challenges of the design of such systems are, on the one hand, the combination of cutting edge technologies to a complex product; on the other hand, the consideration of requirements important for the later marketing during the design process. In the framework of this dissertation, two interactive service robot systems are developed that have the potential to overcome current market entry barriers. These robots are designed to operate in two different environments: one robot guides walked-in users in large home improvement stores to requested product locations and interacts with the customer to provide product information; the other robot assists elderly people to stay longer in their homes and takes over home-care tasks. This work describes the realization of the embedded systems of both robots. In particular, the design of low-level system architectures, energy management systems, communication systems, sensor systems, and selected aspects of mechanical implementations are carried out in this work. Multiple embedded system modules are developed for the control of the robots' functionalities; the development processes as well as the composition and evaluation of these modules are presented in this work. To cope with the complexity and the various factors that are important for the design of the robots, this thesis applies and further develops system engineering methods. The development process is based on the V-Model system design method. The V-Model helps to structure the design process under consideration of all system requirements. It involves evaluation procedures at all design levels, and thus increases the quality and reliability of the development outputs. To support design decisions, this thesis proposes to combine the V-Model with the Analytic Hierarchy Process (AHP) method. The AHP helps to evaluate technical alternatives for design decisions according to overall criteria, a system has to fulfill. This thesis defines seven criteria that characterize a service robot: Adaptability, Operation Time, Usability, Robustness, Safeness, Features, and Costs. These criteria are weighted for each individual robot application. The AHP evaluates technical design alternatives based on the weighted criteria to reveal the best technical solution. The integration of the AHP into the V-Model development is tested and improved during the design process of the shopping robot system. The generality of this combined systematic design approach is validated during the design of the home-care robot system

Cultural difference in Robotics: Japan and Germany - an overview

Since the introduction of the first industry robots much has happened in the field of robotics since the 1970s. The latest robots are now capable of taking on a variety of tasks nearly autonomously. There are vast differences in approaches to robotics development and encounters to robots through media between Japan and the Western world (represented by Germany), particularly in the field of service robotics, that will be in the focus of this study. In addition, an overview of the cultural background used for comparing Japan and Germany, the robot kingdom and the latest robots research trends will also be covered in detail

Efficiently learning metric and topological maps with autonomous service robots

Models of the environment are needed for a wide range of robotic applications, from search and rescue to automated vacuum cleaning. Learning maps has therefore been a major research focus in the robotics community over the last decades. In general, one distinguishes between metric and topological maps. Metric maps model the environment based on grids or geometric representations whereas topological maps model the structure of the environment using a graph. The contribution of this paper is an approach that learns a metric as well as a topological map based on laser range data obtained with a mobile robot. Our approach consists of two steps. First, the robot solves the simultaneous localization and mapping problem using an efficient probabilistic filtering technique. In a second step, it acquires semantic information about the environment using machine learning techniques. This semantic information allows the robot to distinguish between different types of places like, e. g., corridors or rooms. This enables the robot to construct annotated metric as well as topological maps of the environment. All techniques have been implemented and thoroughly tested using real mobile robot in a variety of environments

User-centered design of a dynamic-autonomy remote interaction concept for manipulation-capable robots to assist elderly people in the home

In this article, we describe the development of a human-robot interaction concept for service robots to assist elderly people in the home with physical tasks. Our approach is based on the insight that robots are not yet able to handle all tasks autonomously with sufficient reliability in the complex and heterogeneous environments of private homes. We therefore employ remote human operators to assist on tasks a robot cannot handle completely autonomously. Our development methodology was user-centric and iterative, with six user studies carried out at various stages involving a total of 241 participants. The concept is under implementation on the Care-O-bot 3 robotic platform. The main contributions of this article are (1) the results of a survey in form of a ranking of the demands of elderly people and informal caregivers for a range of 25 robot services, (2) the results of an ethnography investigating the suitability of emergency teleassistance and telemedical centers for incorporating robotic teleassistance, and (3) a user-validated human-robot interaction concept with three user roles and corresponding three user interfaces designed as a solution to the problem of engineering reliable service robots for home environments

Emotional robots: principles and practice with PARO in Denmark, Germany and the UK

As societies age there will be a significant increase of those over 80 and a predicted increase in people with dementia. We know that loneliness increases with old age, and those living with dementia are at risk of social isolation. Also opportunities for sensory stimulation and engagement in pleasurable activities are reduced in old age. The question is what technologies can be used to extend the range of available interventions that can enhance well-being. Emotional robots have been developed for activity and therapeutic purposes. This article explores experiences of the emotional robot PARO in Denmark, Germany and UK, and provides principles of this robot as an activity or activity with a therapeutic purpose

Service Robotics and Human Labor: A first technology assessment of substitution and cooperation

AbstractSince the beginning of robotics, the substitution of human labor has been one of the crucial issues. The focus is on the economic perspective, asking how robotics affects the labor market, and on changes in the work processes of human workers. While there are already some lessons learnt from industrial robotics, the area of service robots has been analyzed to a much lesser extent. First insights into these aspects are of utmost relevance to technology assessment providing policy advice. As conclusions for service robots in general cannot be drawn, we identify criteria for the ex-ante evaluation of service robots in concrete application areas

Service robotics: do you know your new companion? Framing an interdisciplinary technology assessment

Service-Robotic—mainly defined as “non-industrial robotics”—is identified as the next economical success story to be expected after robots have been ubiquitously implemented into industrial production lines. Under the heading of service-robotic, we found a widespread area of applications reaching from robotics in agriculture and in the public transportation system to service robots applied in private homes. We propose for our interdisciplinary perspective of technology assessment to take the human user/worker as common focus. In some cases, the user/worker is the effective subject acting by means of and in cooperation with a service robot; in other cases, the user/worker might become a pure object of the respective robotic system, for example, as a patient in a hospital. In this paper, we present a comprehensive interdisciplinary framework, which allows us to scrutinize some of the most relevant applications of service robotics; we propose to combine technical, economical, legal, philosophical/ethical, and psychological perspectives in order to design a thorough and comprehensive expert-based technology assessment. This allows us to understand the potentials as well as the limits and even the threats connected with the ongoing and the planned implementation of service robots into human lifeworld—particularly of those technical systems displaying increasing grades of autonomy

The social construction of human-robot co-work by means of prototype work settings

Whether we look at Europe, the USA or Japan, in many areas in the world new possibilities of employing robotic systems in work settings essentially rely on direct collaborative interaction be-tween human workers and collaborative robots leading to new distributions of agency between them and making available robotic operations as resources for performing different forms of work, work which otherwise would remain out of reach for robotic automation for the time being. In this paper we introduce our concepts of studying the social construction of these collaborative work settings and the distribution of agency, accordingly. Referring to the basic idea of actor-network theory that technology in use should be analysed in a symmetrical manner, treating all the human and nonhuman entities involved as actors, our concept of distributed agency goes beyond actor-network theory in that it introduces the notion of gradualised action, which allows distinguishing between different levels of distributed agency. Therefore, we can precisely describe, in which way and to what extent activities and actor positions are delegated to robot co-workers or remain with its human counterpart. For analysing how the distribution of agency between human and robot co-workers is socially constructed in different stages, first in laboratory settings and then in increas-ingly realistic real-world settings, we interpret the spectrum of manifestations of human-robot col-laboration as prototypically realised scenarios at different stages of elaboration. In doing so we introduce the current state of collaborative robots in the areas of industrial production and care work as they represent contrastive cases: In industrial production collaborative robots are the next step in a long-standing history of robotic automation whereas in care work the new robots are also the first robots to be employed there. We believe that in both fields a perspective on collaborative work between humans and robots as a socio-technical constellation is helpful in order to be able to identify new distributions of work tasks

Bidirektionale Interaktion von Mensch und Roboter beim Bewegungslernen - Visuelle Wahrnehmung von Roboterbewegungen

In den vergangenen Jahrzehnten haben sich die Arbeitsbereiche von Menschen und Robotern zunehmend gegenseitig durchdrungen. Interaktionen zwischen Mensch und Roboter sind in vielen Lebensbereichen, z. B. Industrie, Medizin, Rehabilitation und Sport gegenwärtig. Während Roboter bisher vorwiegend starr programmiert wurden, hat sich in den letzten Jahren ein Paradigmenwechsel hin zu einer anpassungsfähigen, lernenden Programmierung vollzogen. Basierend auf diesem neuen Ansatz der Programmierung tritt eine direkte, teils physische Interaktion zwischen Mensch und Roboter zunehmend in den Fokus der Entwicklung und eröffnet ein bisher ungeahntes Potential zur Weiterentwicklung der Mensch-Roboter-Interaktion. Die Beziehung von Mensch und Roboter ist von vielen, teils extremen Unterschieden zwischen den beiden Systemen gekennzeichnet (Verfügbare Sensorik, Anzahl der Freiheitsgrade, Anzahl der Muskeln/Aktuatoren sowie Integrationsgrad von Sensorik und Aktuatorik). Diese Unterschiede erweisen sich für die beiden Systeme in einem isolierten Bewegungslernprozess teils als Vor- und teils als Nachteil. Der Frage, wie sich die Vorteile der beiden Systeme in einem gemeinsamen bidirektionalen Bewegungslernprozess optimal kombinieren lassen, geht das Projekt Bidirectional Interaction between Human and Robot when learning movements nach. Im Rahmen dieses interdisziplinären Forschungsprojektes sollen die Erkenntnisse aus den Bereichen der Sportwissenschaft und der Informatik kombiniert und die wissenschaftliche Basis für ein verbessertes Mensch-Roboter-Training gelegt werden. Das Projekt unterteilt sich dabei in vier Teilbereiche: die bidirektionale Interaktion zweier Menschen, die unidirektionale Interaktion von Mensch und Roboter (zwei Richtungen) sowie die bidirektionale Interaktion von Mensch und Roboter. In dieser Dissertation werden drei Artikel zu der beschriebenen Thematik vorgestellt. Der erste Artikel beschreibt Ziele und Struktur des Forschungsprojekts sowie drei exemplarische Studien zu den ersten drei Teilbereichen des Projekts. Aufbauend auf den Erkenntnissen einer der vorgestellten Studien zur Bedeutung der Beobachtungsperspektive beim Bewegungslernen, fokussieren die beiden darauf folgenden Artikel die visuelle Wahrnehmung von Roboterbewegungen durch den Menschen. Der Beschreibung des Projekts in Zielen und Struktur schließt sich im Artikel I die Vorstellung von drei exemplarischen Untersuchungen an. Die erste Studie betrachtet die bidirektionale Interaktion in Mensch-Mensch-Dyaden. Sie verifiziert einen prototypischen, dyadischen Bewegungslernprozess und identifiziert relevante Themen, die auf Mensch-Roboter-Dyaden übertragen werden können. Zur unidirektionalen Interaktion zwischen Mensch und Roboter werden zwei Studien vorgestellt. Im Bereich des Lernens eines Roboters von einem Menschen wird eine iterative Feedbackstrategie eines Roboters beschrieben. Eine Untersuchung zur Bedeutung der Beobachtungsperspektive beim Bewegungslernen von Mensch und Roboter bearbeitet den Bereich des unidirektionalen Lernens eines Mensches von einem Roboter. Basierend auf dieser Untersuchung ergeben sich die Fragestellungen, die in den folgenden beiden Artikeln untersucht werden. Während viele Studien die Wahrnehmung von biologischen Bewegungen untersucht haben, befassen sich nur wenige Ansätze mit der Wahrnehmung von nichtbiologischen Roboterbewegungen. Um diese Lücke zu schließen, werden im Artikel II zwei aufeinander aufbauende Studien zur Wahrnehmung von Roboterputtbewegungen durch den Menschen vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Leistungsvorhersage der gezeigten Roboterputtbewegungen nur bei Sichtbarkeit der vollständigen Bewegung möglich sind. Insbesondere die Ausschwungphase scheint eine Vielzahl an räumlich-zeitlichen Informationen bereit zu stellen, die einen großen Einfluss auf die Leistungsvorhersage besitzen. Aufbauend auf den bisher gewonnenen Erkenntnissen wird im Artikel III eine Studie vorgestellt, die versucht, die für die Ableitung von räumlich-zeitlichen Informationen wichtigen Bewegungselemente zu identifizieren. Im Rahmen der vorgestellten Untersuchung wurden die gezeigten Roboterputtbewegungen teilweise manipuliert. Wichtige Bewegungselemente, z. B. Roboter, Schläger oder Ball, wurden ausgeblendet. Zusammenfassend betrachtet diese Dissertation die visuelle Wahrnehmung von Roboterbewegungen durch den Menschen am Beispiel der Puttbewegung im Golf. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit sind Erkenntnisse, die in einen bidirektionalen Bewegungslernprozess von Mensch-Roboter-Dyaden überführt werden können. Aus der Arbeit ergeben sich weiterführende Forschungsansätze und Fragestellungen, die eine hohe Relevanz für die Weiterentwicklung der Interaktion von Mensch und Roboter besitzen

Robotic cell project progress report

Treball desenvolupat dins el marc del programa 'European Project Semester'.The Robotic Cell Project belongs to the field of robotics within the electrical engineering industry. It is elaborated by four students from different engineering disciplines and different nationalities within the European Project Semester. The task is developed in cooperation with the robotics company KUKA from Vilanova I la Geltrú and coordinated by the UPC. The main goal of the project is to analyze and evaluate the advantages and disadvantages of the new Safe Teaching technology. This technology can be used in manual teaching aid for robotic trajectories to simplify the programming of complex operations as painting or polishing movements. The cell consists of a KUKA KR 16 robot with a force / torque sensor and the software needed for safety monitoring. It is already mounted and ready to be used