Zugl.: Konstanz, Univ., Diss., 2005

University, Diss., 2004--Bonn.

Techn. University, Diss., 2006--Darmstadt.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2008 / Hergestellt on demand. - Im Internet unter der Adresse http://uvka.ubka.uni-karlsruhe.de/shop/isbn/978-3-86644-246-7 verfügbar

Das Thema der Arbeit ist ein Roboter der zur Unterstützung von Pflegekräften eingesetzt werden soll. Der Roboter soll dabei auch in der Lage sein mit pflegebedürftigen Menschen zu kommunizieren und sich ihnen zu nähern. Dabei sollte der Roboter sich sozial verträglich verhalten. Dazu wird in dieser Arbeit ein Modul entwickelt, welches Anhand der Person und der Umgebung eine sozial verträgliche Position liefert, um mit der Person wie gewünscht zu interagieren. / The subject of the thesis is a robot that is to be used to support nursing staff. The robot should also be able to communicate with people in need of care and to approach them. The robot should behave in a socially acceptable way. For this purpose, a module is developed in this thesis, which provides a socially acceptable position based on the person and the environment in order to interact with the person as desired.

Die Arbeit beschreibt Konzipierung, Bau und Untersuchung eines Robotersystems, welches die grundlegenden Züge des Billardspiels beherrscht. Die Realisierung erfolgte in Form eines an die Charakteristika von mobilen Robotern angelehnten Fahrzeuges, welches sich auf einem Billardtisch bewegt und mit einer Art Queue Billardstöße ausführt. Alle Abläufe werden mit Hilfe einer über dem Tisch montierten Digitalkamera erfaßt und überwacht. Die Steuerung erfolgt durch einen Personalcomputer. Schwerpunkte der Arbeit bilden Probleme der Bilderkennung, Wegplanung und technischen Umsetzung. Die Lösung wurde mit Hilfe relativ einfacher technischer Mittel und geringem finanziellen Budget erstellt.

Das automatische Erstellen einer Fahrbahn ist eine wichtige Voraussetzung für verschiedene Anwendungen der Robotik, wie z. B. autonome Fahrzeuge oder fahrerlose Transportsysteme. In dieser Arbeit werden verschiedene bekannte Verfahren der Bahnplanung vorgestellt und miteinander verglichen. Die Berücksichtigung mechanischer Zwangsbedingungen ist dabei ein Schwerpunkt der Betrachtungen. Anschließend wird die konkrete Implementierung eines abtastbasierten Verfahrens beschrieben und der Einfluss verschiedener Parameter auf dessen Funktionalität untersucht. Der Planungsalgorithmus wird außerdem um die Möglichkeit einer dynamischen Umplanung der aktuellen Bahn erweitert. Zahlreiche Simulationen belegen, dass das umgesetzte Verfahren auch komplexe Bahnplanungsprobleme unter verschiedenen Bedingungen in vergleichsweise kurzer Zeit lösen kann. Schwächen zeigen sich vor allem bei sehr engen Manövrierräumen und extrem dynamischen Umgebungen. / Automatic path planning is an important prerequisite for various applications in robotics, such as autonomous vehicles or automatic guided vehicle systems. In this thesis, different approaches for path planning are presented. The methods are compared and evaluated, especially considering their ability to handle differential constraints. Then, the concrete implementation of a sampling-based approach using motion primitives is explained. This algorithm is finally expanded to allow dynamic replanning in reaction of unexpected environmental changes. In numerous simulations, the implemented method proves its ability to solve path planning problems under a variety of conditions in a relatively short amount of time. It is only in extremely narrow spaces and highly dynamic environments when the approach fails to generate a solution.

Diese Arbeit untersucht auf Basis der aktuellen Forschung Möglichkeiten, die Interaktion mit humanoiden Robotern variabler und somit attraktiver zu gestalten. Hierzu werden Möglichkeiten betrachtet, Emotionen und Absichten dynamisch mittels parametrisierter Gesten auszudrücken. Zunächst werden Gesten und mögliche Parameter analysiert, die zur Generierung eines Whole-Body-Gestensets notwendig sind, um anschließend diese auf Grund ihrer Auswirkungen auf die Gestenphasen in Intra- und Interphasenparameter zu unterteilen. Dadurch werden die innere und äußere Expressivität einer Geste definiert, die zur Bildung der Single Gesture Expression und der Multi Gesture Expression führen. Diese stellen das Steigerungspotential von Gesten beziehungsweise Absichten dar. Gesten werden anschließend nach Feedback-Arten untergliedert und in Abhängigkeit der Expressivität miteinander in Beziehung gesetzt. Somit entsteht ein Gestenset, das durch die Parameter „Feedback-Art“ und „Expressivität“ bestimmt wird. Besagtes Gestenset wurde daraufhin zur Verwendung durch den humanoiden Roboter Nao innerhalb der Entwicklungsumgebung Choregraphe umgesetzt. Zudem wurde eine Verhaltensbibliothek entwickelt, die sämtliche, implementierte Gesten zur Wiederverwendung enthält. Als Ergebnis entstand ein parametrisiertes Gestenset in Theorie und Praxis, das für die ausdrucksstarke Verwendung durch einen humanoiden Roboter geeignet ist und die Kommunikation und Interaktion zwischen Mensch und Roboter erweitert, verfeinert und verbessert.:1 Einleitung 9 2 Theoretische Hintergründe 11 2.1 Überblick über Gesten 11 2.2 Verwendung von Gesten in der Mensch-Roboter-Interaktion 13 2.2.1 Erkennung von Gesten einer Person durch einen Roboter 13 2.2.2 Verwendung von Gesten durch einen Roboter 15 2.3 Generierung und Parametrisierung von Gesten 17 2.4 Anwendungen von Gesten unter Verwendung des Nao 19 3 Entwurf eines parametrisierten Gestensets 23 3.1 Gestenanalyse 23 3.1.1 Entstehung und Entwicklung von Gesten 23 3.1.2 Analyse alltäglicher Gesten 26 3.1.3 Analyse von Gesten zur Feedback-Gestaltung 29 3.2 Parametrisierung von Gesten 33 3.2.1 Analyse und Bewertung möglicher Parameter 33 3.2.2 Auswahl und Kategorisierung der Parameter 35 3.2.3 Zuordnung der Parametern zu den Gesten 40 3.3 Kategorisierung und Auswahl relevanter Feedback-Gesten 41 3.3.1 Arten des expressiven Ausdrucks 41 3.3.2 Kategorisierung der Gesten anhand von Expressivitätsspannen 43 4 Implementierung des Gestensets für einen humanoiden Roboter 51 4.1 Technische Grundlagen 51 4.2 Grundüberlegungen zur Umsetzung 53 4.2.1 Umsetzung der Gestenerzeugung 53 4.2.2 Umsetzung der Multi Gesture Expression 54 4.3 Implementierung in Choregraphe 56 5 Abschließende Bem 61 5.1 Zusammenfassung 61 5.2 Fazit 62 5.3 Ausblick 63 Literaturverzeichnis 65 Abbildungsverzeichnis 69 Tabellenverzeichnis 71 Anhang 73 A Auswirkungen der Steigerung der Parameter auf die Gesten 73 B Anpassung der Expressivitätsspannen an den Nao und Unterteilung der Gesten in Stufen 79 C Aufbau der implementierten Gestenerzeugung in der Entwicklungsumgebung Choregraphe 83 / This work investigates the possibilities of developing a more variable, and thus attractive, interaction with humanoid robots based on current research. For this purpose possibilities of dynamically expressing emotions and intentions associated with parametrised gestures are contemplated. First, gestures and possible parameters, which are necessary for the generation of a whole-body gesture set, are analysed. Afterwards, these are classified into intraphaseparameters and interphase-parameters depending on their impact on gesture phases. A gesture’s inner and outer expressivity are thereby defined which leads to the establishment of the single gesture expression and the multi gesture expression. These constitute the gesture’s and the intention’s potential for increase. Gestures are subsequently classified by feedback types and are related depending on their expressivity. Hence, a gesture set which is defined by the parameters “feedback type” and “expressivity” is developed. As a result, the aforementioned gesture set has been implemented with the development environment Choregraphe to be used by humanoid robots. Additionally a behaviour library is generated for reusability which contains every implemented gesture. The result reveals a parametrised gesture set in theory and practice which is suitable to be expressively used by a humanoid robot and enhances, refines and improves the human-robot-interaction.:1 Einleitung 9 2 Theoretische Hintergründe 11 2.1 Überblick über Gesten 11 2.2 Verwendung von Gesten in der Mensch-Roboter-Interaktion 13 2.2.1 Erkennung von Gesten einer Person durch einen Roboter 13 2.2.2 Verwendung von Gesten durch einen Roboter 15 2.3 Generierung und Parametrisierung von Gesten 17 2.4 Anwendungen von Gesten unter Verwendung des Nao 19 3 Entwurf eines parametrisierten Gestensets 23 3.1 Gestenanalyse 23 3.1.1 Entstehung und Entwicklung von Gesten 23 3.1.2 Analyse alltäglicher Gesten 26 3.1.3 Analyse von Gesten zur Feedback-Gestaltung 29 3.2 Parametrisierung von Gesten 33 3.2.1 Analyse und Bewertung möglicher Parameter 33 3.2.2 Auswahl und Kategorisierung der Parameter 35 3.2.3 Zuordnung der Parametern zu den Gesten 40 3.3 Kategorisierung und Auswahl relevanter Feedback-Gesten 41 3.3.1 Arten des expressiven Ausdrucks 41 3.3.2 Kategorisierung der Gesten anhand von Expressivitätsspannen 43 4 Implementierung des Gestensets für einen humanoiden Roboter 51 4.1 Technische Grundlagen 51 4.2 Grundüberlegungen zur Umsetzung 53 4.2.1 Umsetzung der Gestenerzeugung 53 4.2.2 Umsetzung der Multi Gesture Expression 54 4.3 Implementierung in Choregraphe 56 5 Abschließende Bem 61 5.1 Zusammenfassung 61 5.2 Fazit 62 5.3 Ausblick 63 Literaturverzeichnis 65 Abbildungsverzeichnis 69 Tabellenverzeichnis 71 Anhang 73 A Auswirkungen der Steigerung der Parameter auf die Gesten 73 B Anpassung der Expressivitätsspannen an den Nao und Unterteilung der Gesten in Stufen 79 C Aufbau der implementierten Gestenerzeugung in der Entwicklungsumgebung Choregraphe 83

Ein alltagstauglicher autonomer Assistenzroboter in einem gemeinsamenArbeitsumfeld mit dem Menschen erfordert, dass der Roboter sämtliche Hindernisse in seiner Umgebung wahrnimmt und diesen sicher ausweicht. Stand der Technik ist jedoch, dass meist nur 2D-Sensordaten zur Navigation herangezogen werden. Oder es werden3D-Verfahren verwendet, die ausschließlich mit einer speziellen Sensorkonfiguration arbeiten. Diese Arbeit untersucht im Rahmen des LiSA-Projekts wie 3D-Sensordaten effizient und flexibel zur sicheren Navigation eines autonomenAssistenzsystems eingesetzt werden können. Dazu wird in dieser Arbeit mit der Virtual Range Scans (VRS)-Methode ein Verfahren zurHindernisvermeidung entwickelt, das beliebige Konfigurationen von Abstandssensoren in den Hindernisvermeidungsprozess integriert. Das Verfahren nutztklassische Verfahren zur 2D-Hindernisvermeidung, um 3D-Hindernisvermeidung zu realisieren. Dadurch wird das VRS-Verfahren unabhängig von der Hindernisvermeidungsstrategie und kann flexibel bestehende Verfahren wiederverwenden. Neben der Hindernisvermeidung wird gezeigt, wie die reichereUmgebungsinformation, die in 3D-Sensordaten vorhanden ist, zur robusteren Selbstlokalisierung des Roboters genutzt werden kann. Hier wird eineffizientes Verfahren vorgestellt, das Abstandssensordaten mit 3D-Umgebungsmodellen vergleicht. Ferner wird ein Verfahren vorgestellt, das Semantikim Umfeld des Roboters verankert und sie zur Navigation des Roboters nutzt.

Damit mobile Roboter vielfältige komplexe Aufgaben autonom erfüllen können, benötigen sie Planung, um so entsprechend der Gegebenheiten ihrer Umgebung zu handeln. Durch die stetig zunehmenden Fähigkeiten der Roboterhardware gewinnt die Handlungsplanung und deren Integration in das Gesamtsystem zunehmend an Bedeutung. Die vorliegende Arbeit versucht, einen weiteren Schritt Richtung planbasierter Robotersteuerung zu gehen. Dabei wird zunächst die Verwendung des HTN-Planers SHOP2 in einem Robotersystem, das sich das Lernen aus Erfahrungen zum Ziel gesetzt hat, beschrieben und Wege aufgezeigt, wie die Robustheit des Systems durch die Integration mit anderen Komponenten erhöht werden kann. Mobilen Robotern stehen unterschiedliche Formen von Wissen, wie temporales oder räumliches Wissen oder Informationen über Ressourcen zur Verfügung. Diese können von SHOP2 jedoch nicht genutzt werden. Um diese Anforderung zu erfüllen, wird in dieser Arbeit der hybride hierarchische Planer CHIMP präsentiert, der die Vorteile hierarchischer Planung und der hybriden Planung als Meta-CSP, das die Integration verschiedener Wissensformen erlaubt, kombiniert. Des Weiteren können seine Pläne parallel ausführbare Aktionen enthalten, und zusätzliche Aufgaben können während der Ausführung in den bestehenden Plan integriert werden.