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.

Dielektrische Elastomersensoren sind aus Elastomermaterialien aufgebaute Sensoren mit einem kapazitiven Messprinzip. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus einer dehnbaren Elastomerfolie als Dielektrikum, die beidseitig mit leitfähigen und ebenfalls dehnbaren Schichten als Elektroden bedeckt ist. Damit entsteht ein mechanisch verformbarer elektrischer Kondensator, dessen Kapazität mit der Dehnung der Elastomerfolie stetig ansteigt. Neben solchen Dehnungssensoren lassen sich mit einem geeigneten geometrischen Aufbau auch dielektrische Elastomersensoren realisieren, bei denen eine elektrische Kapazität mit einem angelegten Druck bzw. einer Kraft auf die Oberfläche, mit einer Scherkraft oder mit der Annäherung eines elektrisch leitfähigen oder polarisierbaren Körpers wie z. B. der menschlichen Hand messbar ansteigt. Durch ihre vielfältige Funktion, intrinsische Verformbarkeit und flächige Ausgestaltung weisen Dielektrische Elastomersensoren erhebliches Potential in der Schaffung smarter, sensitiver Oberflächen auf. Dabei sind weitgehende und individuelle Adaptionen auf den jeweiligen Anwendungszweck durch Abstimmung geometrischer, mechanischer und elektrischer Eigenschaften möglich. Die bisherige Forschung beschränkt sich jedoch auf die Analyse und Optimierung einzelner Aspekte ohne das Potential einer übergreifenden systemischen Perspektive zu nutzen. Diese Arbeit widmet sich daher der Betrachtung der Sensorik als Gesamtsystem, sowohl horizontal - von abstrakten Modellen bis zur Fertigung und prototypischen Anwendung - als auch vertikal über die Komponenten Material, Struktur und Elektronik. Hierbei wurden in mehreren Teilgebieten eigenständige neue Erkenntnisse und Verbesserungen erzielt, die anschließend in die übergreifende Betrachtung des Gesamtsystems integriert wurden. So wurden in den theoretischen Vorarbeiten neue Konzepte zur ortsaufgelösten Erfassung mehrerer physikalischer Größen und zur elektrischen und mechanischen Modellierung entwickelt. Die abgeleiteten Materialanforderungen wurden in eine tiefgehende Charakterisierung der verwendeten Elastomer-Kompositwerkstoffe überführt, in der neuartige analytische Methoden in Form von dynamischer elektromechanischer Testung und nanoskaliger Computertomographie zur Aufklärung der inneren Wechselwirkungen zum Einsatz kamen. Im Bereich der automatisierten Prozessierung wurde ein für die komplexen mehrschichtigen Elektrodenstrukturen geeigneter neuer lasergestützer substraktiver Fertigungprozess etabliert, der zudem die Brücke zu elastischer Elektronik schlägt. In der abschließenden Anwendungsevaluierung wurden mehrere ortsaufgelöste und multimodale Gesamtsysteme aufgebaut und geeignete Messelektronik und Software entwickelt. Abschließend wurden die Systeme mit einem eigens entwickelten robotischen Testsystem charakterisiert und zudem das Potential der Auswertung mittels maschinellem Lernen aufgezeigt. / Dielectric elastomer sensors are sensors constructed from elastomer materials with a capacitive measuring principle. In their simplest form, they consist of a stretchable elastomer film as dielectric, which is covered on both sides with conductive and also stretchable layers as electrodes. This creates a mechanically deformable electrical capacitor whose capacitance increases steadily with the stretching of the elastomer film. In addition to such strain sensors, with a suitable geometric design it is also possible to realize dielectric elastomer sensors in which an electrical capacitance increases measurably with an applied pressure or force on the surface, with a shear force or with the approach of an electrically conductive or polarizable body such as the human hand. Due to their versatile function, intrinsic deformability and flat design, dielectric elastomer sensors have considerable potential in the creation of smart, sensitive surfaces. Extensive and individual adaptations to the respective application purpose are possible by matching geometric, mechanical and electrical properties. However, research to date has been limited to the analysis and optimization of individual aspects without exploiting the potential of an overarching systemic perspective. This work is therefore certainly dedicated to the consideration of sensor technology as an overall system, both horizontally - from abstract modeling to manufacturing and prototypical application - and vertically via the components material, structure and electronics. In this context, individual new findings and improvements were achieved in several sub-areas, which were subsequently integrated into the overall consideration of the entire system. Thus, in the preliminary theoretical work, new concepts were developed for the spatially resolved measurement of multiple physical quantities and for electrical and mechanical modeling. The derived material requirements were transferred into an in-depth characterization of the elastomer composite materials used, in which novel analytical methods in the form of dynamic electro-mechanical testing and nanoscale computer tomography were applied to elucidate the internal mechanisms of interaction. In the area of automated processing, a new laser-based subtractive manufacturing process suitable for the complex multilayer electrode structures was established, which also bridges the gap to stretchable electronics. In the final application evaluation, several spatially resolved and multimodal sensor systems were built and suitable measurement electronics and software were developed. Finally, the systems were characterized with a specially developed robotic test system and, in addition, the potential of evaluation by means of machine learning was demonstrated.

With the continuous development of artificial intelligence, there is an effort to let the expressed mind of robots resemble more and more human-like minds. However, just as the human-like appearance of robots can lead to feelings of aversion to such robots, recent research has shown that the apparent mind expressed by machines can also be responsible for their negative evaluations. This work strives to explore facets of aversion evoked by machines with human-like mind (uncanny valley of mind) within three empirical projects from a psychological point of view in different contexts, including the resulting consequences. In Manuscript #1, the perspective of previous work in the research area is reversed and thus shows that humans feel eeriness in response to robots that can read human minds, a capability unknown from human-human interaction. In Manuscript #2, it is explored whether empathy for a robot being harmed by a human is a way to alleviate the uncanny valley of mind. A result of this work worth highlighting is that aversion in this study did not arise from the manipulation of the robot’s mental capabilities but from its attributed incompetence and failure. The results of Manuscript #3 highlight that status threat is revealed if humans perform worse than machines in a work-relevant task requiring human-like mental capabilities, while higher status threat is linked with a higher willingness to interact, due to the machine’s perceived usefulness. In sum, if explanatory variables and concrete scenarios are considered, people will react fairly positively to machines with human-like mental capabilities. As long as the machine’s usefulness is palpable to people, but machines are not fully autonomous, people seem willing to interact with them, accepting aversion in favor of the expected benefits. / Mit der stetigen Weiterentwicklung von künstlicher Intelligenz besteht das Bestreben, das ausgedrückte Bewusstsein von Robotern dem menschlichen Bewusstsein immer mehr nachzubilden. Die Forschung hat dargelegt, dass das augenscheinlich von Maschinen ausgedrückte Bewusstsein für negative Bewertungen verantwortlich sein kann (Uncanny Valley of Mind). Dieser Befund soll aus psychologischer Perspektive in verschiedenen Kontexten inklusive der daraus resultierenden Konsequenzen genauer betrachtet werden. Mit Manuskript #1 wird die Perspektive bisheriger Arbeiten in dem Forschungsgebiet umgekehrt und gezeigt, dass Menschen Unheimlichkeit gegenüber Robotern empfinden, die scheinbar menschliche Gedanken lesen können, was aus der Mensch-Mensch-Interaktion unbekannt ist. In Manuskript #2 wird der Frage nachgegangen, ob Empathie für einen von einem Menschen verletzt werdenden Roboter eine Möglichkeit ist, das Uncanny Valley of Mind abzuschwächen. Ein hervorzuhebendes Resultat dieser Arbeit ist, dass Aversion in dieser Studie nicht durch die Manipulation der Bewusstseinszustände des Roboters aufgekommen ist, sondern durch dessen attribuierte Inkompetenz und sein Versagen. Die Ergebnisse von Manuskript #3 zeigen, dass Statusbedrohung auftritt, wenn Menschen bei einer arbeitsrelevanten Aufgabe, die menschenähnliche mentale Fähigkeiten erfordert, schlechter abschneiden als Maschinen. Es wird auf die wahrgenommene Nützlichkeit der Maschine Bezug genommen um zu erklären, dass höhere Statusbedrohung mit höherer Bereitschaft zur Interaktion assoziiert ist. Zusammenfassend reagieren Menschen recht positiv auf Maschinen mit menschenähnlichen mentalen Fähigkeiten, sobald erklärende Variablen und konkrete Szenarien mitberücksichtigt werden. Solange die Nützlichkeit der Maschinen deutlich gemacht wird, diese aber nicht vollkommen autonom sind, scheinen Menschen gewillt zu sein, mit diesen zu interagieren und dabei Gefühle von Aversion zugunsten der antizipierten Vorteile in Kauf zu nehmen.

Die Modellfabrik der FH Münster erlaubt durch den Umfang und die Komplexität der enthaltenen Automatisierungsaufgaben sowie einen Aufbau aus industriellen Komponenten eine praxisnahe Lehre im Bereich aktueller Anlagenautomatisierung und darüber hinausgehenden Funktionen im Sinne einer durchgängigen Digitalisierung. Die verwendete Unterscheidung der durchgängigen Digitalisierung in horizontale und vertikale Verknüpfungen wird veranschaulicht. Aufbauend auf Erfahrungen mit der Vorgängeranlage werden Neuerungen der 2021 aufgebauten neuen Modellfabrik vorgestellt. Neuerungen umfassen insbesondere die Modularisierung der Anlage, das umgesetzte Sicherheitskonzept, einen Webshop mit Onlinekonfigurator, eine Webvisualiserung des Anlagenzustandes inklusive der Energieverbräuche, sowie Möglichkeiten zur virtuellen Inbetriebnahme. Weiterhin wird das aktuelle Konzept zur Erweiterung der horizontalen digitalen Durchgängigkeit mittels der Einbindung eines autonomen mobilen Roboters in die Modellfabrik vorgestellt.