Mit der immer stärker werdenden Präsenz unterschiedlicher Verkörperter Digitaler Technologien (Embodied Digital Technologies, EDTs) in die bisher ausschließlich menschliche Gesellschaft ergibt sich die Frage nach der Integration dieser künstlichen Akteure in sogenannte Hybride Gesellschaften (Hybrid Societies). EDTs umfassen unterschiedliche Technologien wie beispielsweise bionische Prothesen zur Funktionswiederherstellung und -erweiterung an Menschen ebenso wie Roboter als (teil-)autonome Systeme. Deren Wahrnehmung und in weiterer Folge die Rolle von moralischer und rechtlicher Verantwortungsübernahme in Hybriden Gesellschaften wurde im Rahmen dieser Dissertation untersucht. Sozialpsychologische Forschung zeigte wiederholt, dass sich die soziale Wahrnehmung, traditionell zweidimensional (Kompetenz und Wärme) oder dreidimensional (Kompetenz, Sozialität, Moralität) gedacht, auf gesellschaftliche Prozesse auswirkt. In Hybriden Gesellschaften, wo nicht nur menschliche Akteure in diese Prozesse eingebunden sind, stellt sich nun die Frage, ob und wie menschliche soziale Wahrnehmungsdimensionen anwendbar auf künstliche Akteure sind. Unterschiedliche Modelle zeigen, dass Menschen ursprünglich menschliche Interaktionsmuster auf künstliche Akteure übertragen, beziehungsweise dass die Einschätzung der Kompetenz Auswirkungen auf die tatsächliche Nutzung von technischen Systemen hat. Es wurde daher in zwei Studien (Artikel II und III) untersucht, inwieweit menschliche Attributionen hinsichtlich der Dimensionen Kompetenz, Sozialität und Moralität anwendbar auf Industrieroboter, soziale Roboter und androide Roboter sind. Dabei zeigte sich, dass die Kompetenzdimension überwiegend anwendbar war. Demgegenüber waren die inhärent menschlichen Dimensionen Sozialität und Moralität zu geringeren Anteilen auf EDTs übertragbar: Hier zeigte sich, dass Proband:innen ungerne sehr menschliche Attribute auf EDTs anwandten. Daher wurde, auf Basis vorhergehender Studien, ein Erhebungsinstrument entwickelt und validiert, welches im Speziellen die soziale Wahrnehmung von Robotern auf den Dimensionen Anthropomorphismus, Moralität/Sozialität und Aktivität/Kooperation abbildet (Artikel IV). Dieses Instrument wurde in einer weiteren Studie angewandt, um die soziale Wahrnehmung von EDTs basierend auf einer Interaktionsszene mit einem Menschen zu erfassen (Artikel V). Hierbei zeigte sich, dass menschenähnliches Design sowohl bei Robotern als auch bei Telepräsenzsystemen eine Rolle in der Zuschreibung sozialer Dimensionen spielt. Darüber hinaus wurden interindividuelle Unterschiede in der Attribution sozialer Dimensionen zu EDTs in den Artikeln II, III und V untersucht. Zwar zeigten sich einzelne Zusammenhänge als replizierbar, jedoch ist die Gesamtheit der Zusammenhänge weiterhin als arbiträr zu betrachten. In Abhängigkeit der menschlichen Integration in EDTs stellen sich außerdem Fragen nach moralischer und rechtlicher Verantwortlichkeit: In menschlichen Gesellschaften wird von vollwertigen Mitgliedern erwartet, Verantwortung für ihr Handeln in moralischer und rechtlicher Hinsicht zu übernehmen. Wenn allerdings nicht mehr Menschen die Handelnden sind, sondern autonome Systeme, so wird hier ein Rahmenmodell benötigt, welches einerseits die unterschiedlichen Akteure definiert und andererseits die benötigen Fähigkeiten zur Verantwortungsübernahme und deren Zuordnung zu den Akteuren umfasst. Dieses vorläufige Modell wurde in einem interdisziplinären Zugang aus psychologischer und juristischer Perspektive konzeptualisiert und legt somit eine umfassende theoretische Basis für weitere Forschung (Artikel I). Es wurden sieben Akteure und sieben Fähigkeiten definiert, wobei sowohl aus psychologischer als auch juristischer Perspektive zum gegenwärtigen Zeitpunkt nur der Mensch als Akteur vollständige Verantwortung übernehmen kann. Die Kombination dieser beiden Forschungsziele – die theoretische Konzeptualisierung von moralischer Verantwortung und die Untersuchung sozialer Wahrnehmung von EDTs – fand in Artikel V statt: Es wurden Interviewdaten von Personen, welche mit einem mit Künstlicher Intelligenz ausgestatteten Sortiersystem arbeiteten, erfasst und untersucht, welche Fähigkeiten des Modells zur Verantwortungsübernahme und welche sozialen Dimensionen erwähnt wurden. Dabei fanden sich alle Fähigkeiten der psychologischen Verantwortungsübernahme und die sozialen Dimensionen Kompetenz, Sozialität, Anthropomorphismus, Aktivität und Kooperation wieder. Nicht zuletzt auf Basis dieser Befunde zeigt sich die Relevanz der in dieser Dissertation dargestellten Forschung: Hybride Gesellschaften werden in Zukunft immer stärker an Präsenz gewinnen, was eine frühzeitige wissenschaftliche Begleitung nötig macht. So ist der Aspekt der Verantwortungsübernahme unbenommen nicht nur aus psychologischer, sondern insbesondere auch aus juristischer Perspektive von großer Brisanz. Auch der Aspekt der sozialen Wahrnehmung, welcher schlussendlich die Vorbedingung für die tatsächliche Nutzung unterschiedlicher EDTs in angedachten Bereichen wie Pflege oder Bildung darstellt, verdient Beachtung. Letztlich wurde im Rahmen dieser Dissertation ein Modell zur Verantwortungsübernahme in Hybriden Gesellschaften erstellt und der Frage danach, ob EDTs als soziale Akteure betrachtet werden, nachgegangen – auch wenn diese Frage nur vorläufig und unter bestimmten Bedingungen bejaht werden kann.:I. Synopsis 1. Introduction 1.1. Actors in Hybrid Societies – who (or what) are they? 1.2. Issue of responsibility 2. Hybrid Societies 2.1. Embodied Digital Technologies (and the like) 2.1.1. Industrial Robots 2.1.2. Social Robots 2.1.3. Telepresence Systems 2.1.4. Conclusion 2.2. Models of humans interacting with EDTs 2.2.1. Technology Acceptance Model 2.2.2. Computers are Social Actors 2.2.3. Anthropomorphism 2.2.4. Sociomorphing 2.2.5. Conclusion 2.3. Social Perception 2.3.1. Social perception of humans 2.3.2. Social perception of EDTs 2.3.2.1. Competence 2.3.2.2. Warmth 2.3.3. Individual differences associated with social perception 2.3.4. Assessment of social perception of EDTs 2.3.4.1. The Godspeed Questionnaire 2.3.4.2. The Robotic Social Attributes Scale 2.3.4.3. General Attitudes Towards Robots Scale 2.3.4.4. Attitudes towards social robots scale 2.3.5. Conclusion 2.4. Responsibility in Hybrid Societies 2.4.1. Moral agents and moral patients 2.4.2. Moral machines? 2.4.3. Conclusion 3. Research objectives 3.1. General objective 3.2. Key questions 4. Study summaries 4.1. Responsibility in Hybrid Societies: concepts and terms 4.2. Embodied Digital Technologies: First Insights in the Social and Legal Perception of Robots and Users of Prostheses 4.3. Social perception of embodied digital technologies – a closer look at bionics and social robotics 4.4. The Social Perception of Robots Scale (SPRS): Developing and Testing a Scale for Successful Interaction Between Humans and Robots 4.5. Social perception of Embodied Digital Technologies interacting with humans 4.6. Exploring key categories of social perception and moral responsibility of AI-based agents at work: Findings from a case study in an industrial setting 5. Discussion 5.1. Social perception of EDTs 5.1.1. Anthropomorphism 5.1.2. Competence 5.1.3. Sociability/Morality 5.1.4. Activity/Cooperation 5.1.5. Personality traits associated with social perception 5.1.6. Are robots perceived as social actors? 5.2. Moral responsibility 5.3. Practical implications 5.4. Critical reflection of the studies 5.4.1. Stimulus material 5.4.2. Items 5.4.3. Sample composition 5.5. Future research 5.5.1. Type of contact and scenario 5.5.2. Gender 5.5.3. Diversity aspects 5.6. Conclusion 6. References II. Papers 7. Paper I: Responsibility in Hybrid Societies: concepts and terms 8. Paper II: Embodied Digital Technologies: First insights in the social and legal perception of robots and users of prostheses 9. Paper III: Social perception of embodied digital technologies – a closer look at bionics and social perception 10. Paper IV: The Social Perception of Robots Scale (SPRS): Developing and testing a scale for successful interaction between humans and robots 11. Paper V: Social perception of Embodied Digital Technologies interacting with humans 12. Paper VI: Exploring key categories of social perception and moral responsibility of AI-based agents at work: Findings from a case study in an industrial setting Publication List / With the increasing presence of different Embodied Digital Technologies (EDTs) in the so far exclusively human society, the question of the integration of these artificial actors in so-called Hybrid Societies is being explored. EDTs comprise different technologies such as bionic prostheses for function restoration and enhancement on humans, or robots as (partially) autonomous systems. Their perception and subsequently the role of moral and legal responsibility in Hybrid Societies was investigated in this dissertation. Social psychological research repeatedly showed that social perception, traditionally thought of as two-dimensional (competence and warmth) or three-dimensional (competence, sociability, morality), affects social processes. In Hybrid Societies, where not only human actors are involved in these processes, the question arises whether and how human social perception is applicable to artificial actors. Different models show that people do transfer originally human interaction patterns to artificial actors, respectively that the assessment of competence has an impact on the actual use of technical systems. Therefore, two studies (Papers II and III) investigated the extent to which human attributions regarding the dimensions of competence, sociability, and morality are applicable to industrial robots, social robots, and android robots. Results showed that the dimension of competence was predominantly applicable. In contrast, the inherently human dimensions sociability and morality were applicable to EDTs to a lesser extent: Subjects were reluctant to apply very human attributes to EDTs. Therefore, based on previous studies, a questionnaire was developed and validated, which specifically maps the social perception of robots on the dimensions anthropomorphism, sociability/morality, and activity/cooperation (Paper IV). This instrument was applied in a subsequent study to assess the social perception of EDTs based on an interaction scene with a human (Paper V). Here, human-like design was shown to play a role in the attribution of social dimensions for both robots and telepresence systems. Interindividual differences in the attribution of social dimensions to EDTs were further examined in Papers II, III, and V. Although individual correlations were shown to be replicable, the totality of correlations must still be considered arbitrary. Depending on human integration in EDTs, questions of moral and legal responsibility arise: In human societies, full members are expected to assume responsibility for their actions in moral and legal terms. However, if the actors are no longer humans but autonomous systems, a framework model is needed that on one hand defines the different actors, and on the other hand includes the required capacities for taking responsibility, and their allocation to the actors. This preliminary model was conceptualized in an interdisciplinary approach from a psychological and a legal perspective, thus laying a comprehensive theoretical foundation for further research (Paper I). Seven actors and seven capacities were defined, and from both a psychological and a legal perspective, only humans can assume complete responsibility as actors at this stage. The combination of these two research objectives – the theoretical conceptualization of moral responsibility and the investigation of social perception of EDTs – took place in Paper V: Interview data of persons who worked with a sorting system equipped with artificial intelligence were examined for the unprompted mentions of the capacities from the responsibility model and dimensions of social perception. All capacities and the social dimensions competence, sociability, anthropomorphism, activity, and cooperation were mentioned by actual users of an AI-based system. Not least on the basis of these findings, the relevance of the research presented in this thesis becomes apparent: Hybrid Societies will gain more and more presence in the future, which makes an early scientific monitoring necessary. Thus, the aspect of responsibility is unquestionably highly relevant, not only from a psychological, but also from a legal perspective. The aspect of social perception, which ultimately represents the precondition for the actual use of different EDTs in various envisaged areas such as care or education, also deserves attention. Ultimately, in this dissertation, we created a model for responsibility in Hybrid Societies and the question of whether EDTs are considered as social actors was explored – even if this question can only be answered in the affirmative provisionally and under certain conditions.:I. Synopsis 1. Introduction 1.1. Actors in Hybrid Societies – who (or what) are they? 1.2. Issue of responsibility 2. Hybrid Societies 2.1. Embodied Digital Technologies (and the like) 2.1.1. Industrial Robots 2.1.2. Social Robots 2.1.3. Telepresence Systems 2.1.4. Conclusion 2.2. Models of humans interacting with EDTs 2.2.1. Technology Acceptance Model 2.2.2. Computers are Social Actors 2.2.3. Anthropomorphism 2.2.4. Sociomorphing 2.2.5. Conclusion 2.3. Social Perception 2.3.1. Social perception of humans 2.3.2. Social perception of EDTs 2.3.2.1. Competence 2.3.2.2. Warmth 2.3.3. Individual differences associated with social perception 2.3.4. Assessment of social perception of EDTs 2.3.4.1. The Godspeed Questionnaire 2.3.4.2. The Robotic Social Attributes Scale 2.3.4.3. General Attitudes Towards Robots Scale 2.3.4.4. Attitudes towards social robots scale 2.3.5. Conclusion 2.4. Responsibility in Hybrid Societies 2.4.1. Moral agents and moral patients 2.4.2. Moral machines? 2.4.3. Conclusion 3. Research objectives 3.1. General objective 3.2. Key questions 4. Study summaries 4.1. Responsibility in Hybrid Societies: concepts and terms 4.2. Embodied Digital Technologies: First Insights in the Social and Legal Perception of Robots and Users of Prostheses 4.3. Social perception of embodied digital technologies – a closer look at bionics and social robotics 4.4. The Social Perception of Robots Scale (SPRS): Developing and Testing a Scale for Successful Interaction Between Humans and Robots 4.5. Social perception of Embodied Digital Technologies interacting with humans 4.6. Exploring key categories of social perception and moral responsibility of AI-based agents at work: Findings from a case study in an industrial setting 5. Discussion 5.1. Social perception of EDTs 5.1.1. Anthropomorphism 5.1.2. Competence 5.1.3. Sociability/Morality 5.1.4. Activity/Cooperation 5.1.5. Personality traits associated with social perception 5.1.6. Are robots perceived as social actors? 5.2. Moral responsibility 5.3. Practical implications 5.4. Critical reflection of the studies 5.4.1. Stimulus material 5.4.2. Items 5.4.3. Sample composition 5.5. Future research 5.5.1. Type of contact and scenario 5.5.2. Gender 5.5.3. Diversity aspects 5.6. Conclusion 6. References II. Papers 7. Paper I: Responsibility in Hybrid Societies: concepts and terms 8. Paper II: Embodied Digital Technologies: First insights in the social and legal perception of robots and users of prostheses 9. Paper III: Social perception of embodied digital technologies – a closer look at bionics and social perception 10. Paper IV: The Social Perception of Robots Scale (SPRS): Developing and testing a scale for successful interaction between humans and robots 11. Paper V: Social perception of Embodied Digital Technologies interacting with humans 12. Paper VI: Exploring key categories of social perception and moral responsibility of AI-based agents at work: Findings from a case study in an industrial setting Publication List

Die Verbindung von Robotern mit Virtual Reality (VR) zur Echtzeitvisualisierung stellt eine erhebliche Programmierherausforderung dar. Dieser Vortrag zeigt einen vereinfachten Ansatz unter Verwendung des Robot Operating System (ROS), einer Open-Source-Plattform, die diese Aufgabe erleichtert. Durch den Einsatz von ROS kann der Programmieraufwand deutlich reduzieren werden, indem vorhandene Pakete für eine nahtlose Integration von Robotern und VR genutzt werden. In dieser Präsentation wird schrittweise erläutert, wie diese Verbindung realisiert wird, was neue Möglichkeiten in der Visualisierung und Steuerung von Robotern mit minimalem Programmieraufwand erschließt. Diese Methode ebnet den Weg für innovative Anwendungen in Robotik und VR und bietet praktische Einblicke für Entwickler und Forscher. / Connecting robots with Virtual Reality (VR) for real-time visualization poses a significant programming challenge. This presentation demonstrates a simplified approach using the Robot Operating System (ROS), an open-source platform that facilitates this task. By utilizing ROS, the programming effoit can be significantly reduced by leveraging existing packages for seamless robot-VR integration. This presentation will explain step-by-step how this connection can be realized, opening new possibilities in visualization and control of robots with minimal programming effort. This method paves the way for innovative applications in robotics and VR, providing practical insights for developers and researchers.

Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt. Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern. In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden. Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt. Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded. Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters. Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously. The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera. All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.

In der vorliegenden Arbeit werden rekurrente neuronale Netze im Hinblick auf ihre Eignung zur Bewegungssteuerung autonomer Roboter untersucht. Nacheinander werden Oszillatoren für Vierbeiner, homöostatische Ringmodule für segmentierte Roboter und monostabile Neuromodule für Roboter mit vielen Freiheitsgraden und komplexen Bewegungsabläufen besprochen. Neben dem mathematisch-theoretischen Hintergrund der Neuromodule steht in gleichberechtigter Weise deren praktische Implementierung auf realen Robotersystemen. Hierzu wird die funktionale Einbettung ins Gesamtsystem ebenso betrachtet, wie die konkreten Aspekte der zugrundeliegenden Hardware: Rechengenauigkeit, zeitliche Auflösung, Einfluss verwendeter Materialien und dergleichen mehr. Interessante elektronische Schaltungsprinzipien werden detailliert besprochen. Insgesamt enthält die vorliegende Arbeit alle notwendigen theoretischen und praktischen Informationen, um individuelle Robotersysteme mit einer angemessenen Bewegungssteuerung zu versehen. Ein weiteres Anliegen der Arbeit ist es, aus der Richtung der klassischen Ingenieurswissenschaften kommend, einen neuen Zugang zur Theorie rekurrenter neuronaler Netze zu schaffen. Gezielte Vergleiche der Neuromodule mit analogen elektronischen Schaltungen, physikalischen Modellen und Algorithmen aus der digitalen Signalverarbeitung können das Verständnis von Neurodynamiken erleichtern. / How recurrent neural networks can help to make autonomous robots move, will be investigated within this thesis. First, oscillators which are able to control four-legged robots will be dealt with, then homeostatic ring modules which control segmented robots, and finally monostable neural modules, which are able to drive complex motion sequences on robots with many degrees of freedom will be focused upon. The mathematical theory of neural modules will be addressed as well as their practical implementation on real robot platforms. This includes their embedding into a major framework and concrete aspects, like computational accuracy, timing and dependance on materials. Details on electronics will be given, so that individual robot systems can be built and equipped with an appropriate motion controller. It is another concern of this thesis, to shed a new light on the theory of recurrent neural networks, from the perspective of classical engineering science. Selective comparisons to analog electronic schematics, physical models, and digital signal processing algorithms can ease the understanding of neural dynamics.

Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden sog. sensorgeführte Roboterbewegungen, d. h. die Nutzung von Informationen externer Sensoren zur Regelung des Roboters. Da gängige Industrierobotersysteme üblicherweise positionsgeregelt sind und seitens der Robotersteuerung lediglich der Zugriff zu den Sollwerten der Lageregelkreise erlaubt wird, kann auch der Regelkreis der sensorgeführten Roboterbewegung nur über den Lageregelkreis geschlossen werden. Aus diesem Grunde werden hier nur positionsbasierte Regelungsansätze verfolgt. Die Kraft-/ Momentregelung gilt als eine der wichtigsten Varianten sensorgeführter Roboterbewegungen. Dementsprechend widmet sich auch ein großer Teil dieser Arbeit dem Thema, mit dem Ziel durch innovative und übersichtliche Regelalgorithmen die Akzeptanz der Kraft-/ Momentregelung in industriellen Produktionsprozessen zu erhöhen. Beginnend mit der eindimensionalen Kraftregelung führt der Weg dabei über Konzepte zur Konturenverfolgung und kraft-/ momentgeregelten Montageaufgaben hin zur Kooperation von Robotern. In einem weiteren Teil wird ein Konzept zur Kollisionsvermeidung zwischen Robotern und Hindernissen präsentiert. Es basiert auf dem Ansatz der virtuellen Potential- bzw. Kraftfelder. Dabei ruft das künstliche Feld eine Bewegung des Roboters hervor, die vom Hindernis weg führt. Um das Feld zu erzeugen, wird die Methode der künstlichen Punktladungen entwickelt. Diese werden auf der Oberfläche eines Hindernisses platziert und generieren dann das virtuelle Kraftfeld. Die Platzierung kann z. B. mithilfe der CAD-Daten des Hindernisses erfolgen. Bei bewegten Objekten müssen alle Ladungspositionen ständig aktualisiert werden. Für Lehr- und Präsentationszwecke ist das sog. inverse Pendel eine oft genutzte Regelstrecke. Sein Aufrichten und Stabilisieren ist auch mit Hilfe eines Industrieroboters möglich. Dazu beschäftigt sich ein Kapitel dieser Arbeit mit Fragen zur Modellbildung der Kombination inverses Pendel und Industrieroboter und mit Regelungskonzepten für das Aufschwingen und Balancieren. Letztendlichen wird in diesem Zusammenhang noch ein Visual-Servoing System präsentiert, dass den Neigungswinkel des Pendels mit einer Kamera bestimmt. Alle hier vorgestellten Konzepte und Algorithmen werden Anhand von praktischen Experimenten verifiziert. / This work deals with so-called sensor guided robot motions, which means using the data of external sensors to control the robot. The control loop of the sensor guided robot motion can be only closed around the position control loop, because industrial robot systems usually work position controlled and only access to the desired positions is enabled. For this reason here only position based control approaches are regarded. Force/torque control is a very important type of sensor guided robot motions. According to this, a good portion of this work deals with the subject of force/torque control. Thus, the acceptance of force/torque control in industrial production processes should be increased, by using innovative and clear control algorithms. For this purpose force control in one degree of freedom, contour-following, force/torque controlled assembling tasks and the cooperation between robots are discussed here in different chapters. Thereafter, a concept to collision avoidance between robots and obstacles is presented. It uses the approach of virtual potential/force fields. In this case the artificial field induces a robot motion away from the obstacle. The method of artificial charges is developed to generate this field. For this purpose virtual charges are placed on the surface of the obstacles. Placing of the charges can be performed using e.g. CAD data of the obstacles. Having moving obstacles charge positions must be updated continuously. The inverted pendulum is commonly used teaching students in control theory. The swinging up and the stabilization of the pendulum also can be performed by an industrial robot. One chapter of this work deals with modelling of the robot mounted inverted pendulum and control algorithms for its swinging up and its stabilization. Finally, in combination with the inverted pendulum a visual-servoing system is presented, which measures the pendulum inclination angle by camera. All concepts introduced in this work are verified by practical experiments.

A novel, sampling-based exploration strategy is introduced for Unmanned Ground Vehicles (UGV) to efficiently map large GPS-deprived underground environments. It is compared to state-of-the-art approaches and performs on a similar level, while it is not designed for a specific robot or sensor configuration like the other approaches. The introduced exploration strategy, which is called Random-Sampling-Based Next-Best View Exploration (RNE), uses a Rapidly-exploring Random Graph (RRG) to find possible view points in an area around the robot. They are compared with a computation-efficient Sparse Ray Polling (SRP) in a voxel grid to find the next-best view for the exploration. Each node in the exploration graph built with RRG is evaluated regarding the ability of the UGV to traverse it, which is derived from an occupancy grid map. It is also used to create a topology-based graph where nodes are placed centrally to reduce the risk of collisions and increase the amount of observable space. Nodes that fall outside the local exploration area are stored in a global graph and are connected with a Traveling Salesman Problem solver to explore them later.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise entwickelt, um Verbesserungspotentiale in produzierenden kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) durch den Einsatz von Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) zu identifizieren. Die Herausforderung in der Anwendung besteht dabei in der Entwicklung von objektiven Bewertungsverfahren, um die Auswirkungen möglicher Realisierungsvarianten ökonomisch, sozial, ökologisch und technisch-technologisch zu beurteilen. Bislang gibt es nur unzureichende Ansätze, um Potentiale der neuen Technologie ganzheitlich zu bewerten. Da sich KMU durch eine hohe Bedeutung des operativen Geschäftes auszeichnen, wird ein flexibler Ansatz benötigt, der an die jeweilige Situation des Unternehmens angepasst werden kann. Entsprechend der firmenindividuellen Zielstellung werden geeignete Arbeitsplätze für den Einsatz von MRK identifiziert und deren Potentiale in verschiedenen Realisierungsvarianten bewertet. Die entwickelte Vorgehensweise wird anhand von Fallstudien mit drei produzierenden Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen verifiziert und iterativ verbessert.:Bibliografische Beschreibung Zusammenfassung Abstract Vorwort Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Variablenverzeichnis 1. Einleitung: Motivation und Problemstellung 2. Stand der Wissenschaft und Technik 3. Abgeleitete Forschungsfrage und Zielsetzung der Arbeit 4. Entwicklung Zieldefinition und Metamodell zur Potentialbewertung von MRK 5. Entwicklung flexibler Modelle gemäß Metamodell 6. Verifizierung der entwickelten flexiblen Modelle anhand von Fallstudien 7. Bewertung der Forschungsergebnisse 8. Zusammenfassung 9. Ausblick Quellennachweise Anhang / In the thesis, a methodology is developed to identify improvement potentials in manufacturing small and medium-sized enterprises (SMEs) through the use of human-robot-interaction (HRI). The challenge in the application is the development of objective evaluation criteria to assess the effects of possible implementation variants economically, socially, ecologically and technically-technologically. So far, there are only insufficient approaches to evaluate potentials of the new technology holistically. Since SMEs are characterized by a high importance of the operational business, a flexible approach is needed, which can be adapted to the respective situation of the company. According to the company's individual objectives, suitable workplaces for the use of HRI are identified and their potentials are evaluated in different realization variants. The developed approach will be verified and iteratively improved by means of three case studies with manufacturing companies from different industries.:Bibliografische Beschreibung Zusammenfassung Abstract Vorwort Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Variablenverzeichnis 1. Einleitung: Motivation und Problemstellung 2. Stand der Wissenschaft und Technik 3. Abgeleitete Forschungsfrage und Zielsetzung der Arbeit 4. Entwicklung Zieldefinition und Metamodell zur Potentialbewertung von MRK 5. Entwicklung flexibler Modelle gemäß Metamodell 6. Verifizierung der entwickelten flexiblen Modelle anhand von Fallstudien 7. Bewertung der Forschungsergebnisse 8. Zusammenfassung 9. Ausblick Quellennachweise Anhang

Brustkrebs stellt eine der am häufigsten vorkommenden Krebserkrankungen bei Frauen weltweit dar. Jährlich erkranken in Deutschland ca. 47.000 Frauen neu an Brustkrebs, ca. 18.000 fallen dieser Krankheit im gleichen Zeitraum zum Opfer. Die Brustkrebsdiagnostik basiert auf klinische und verschiedene bildgebende Methoden, die Magnetresonanztomographie (MRT) weist dabei die höchste Sensitivität speziell bei der Erkennung kleiner Tumore unter 5 mm auf. Im Hinblick auf zukünftige Verbesserungen der MR-Bildgebung wird bereits vermutet, dass im Jahr 2010 ca. 50% der neudetektierten Brustkrebse kleiner als 10 mm sein werden. Zur Erhöhung der Diagnosesicherheit werden suspekte Läsionen sowie unklare bildgestützte Befunde zusätzlich mittels Biopsie abgeklärt. In Bezug auf den Stand der Technik ist die sichere Biopsie von Tumoren unter 10 mm Größe jedoch schwierig. Mit dem Ziel, die MR-gestützte Biopsie im Hinblick auf eine höhere Effizienz und Präzision zu verbessern, wurde ein neuer Prototyp für minimal invasive Biopsien speziell in geschlossenen MR-Tomographen entwickelt. Dieses MR-kompatible System basiert auf verschiedene Neukonzeptionen, mit einem automatischen Positioniersystem und Biopsieinstrument zur Ausführung der Intervention. Die extrem hohen Anforderungen an dieses System konnten nur durch spezielle Konstruktionen und Kinematiken, sowie durch MR-kompatible Materialien, Aktoren und Sensoren gelöst werden. Das System ist modular aufgebaut und unterstützt Brustbiopsien sowohl von cranial oder caudal im direkten Anschluss an die Tumorerkennung mit einer neuen doppelseitigen MR-Brustspule. Ein großer Vorteil dieses neuen Ansatzes liegt in der hohen Präzision und der Möglichkeit, sowohl die bildgebende Diagnostik als auch die Biopsie während eines Untersuchungstermines durchzuführen. Die vorklinische Erprobung in einem 1,5 T Hochfeld-MRT zeigte, dass die Zielabweichungen des Instrumentes geringer als 1 mm waren, so dass Interventionen mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit durchführbar wären. Das System implementiert benutzerfreundliche Oberflächen für die Interventionsplanung und für die Gerätesteuerung. Das vorliegende Dissertation stellt die Konzepte und Ergebnisse dieser neuen Biopsieeinrichtung vor und nimmt Bezug auf zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen, insbesondere im Hinblick auf die Anwendung von Materialien und Aktoren im MRT-Magnetfeld. / Breast cancer is one of the most common cancer diseases which women suffer world wide. The incidence rate of breast cancer in Germany goes along with about 47.000 women per year, 18.000 fatal casualties were ascertained in the same period. The breast cancer diagnostic is based on clinical and different imaging methods, whereas Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the most sensitive imaging modality in the detection of especially small lesions under 5 mm. Due to improvements of breast imaging - especially MRI - it has been predicted that by the year 2010 about 50% of newly diagnosed breast cancers will be less than 10 mm in size. However, to assure the image based breast cancer diagnosis, biopsies of tumor tissue are often necessary in order to avoid false specified results. With reference to the state of the art, it is still difficult to achieve sufficient accurate MRI-supported biopsies for tumor sizes of under 10 mm. To improve the MR-controlled diagnostic in respect of increasing the efficiency and precision of the biopsy method, a new apparatus for minimal invasive breast biopsies particularly for the use inside closed bore MRI-scanner was developed. This MR-compatible device is based on new concepts which meet the extremely high requirements on interventions in strong magnetic fields through special designs and kinematic concepts and the application of MR-compatible materials, actors and sensor systems. It is of a modular structure and consists mainly of an automated positioning unit and an integrated intervention tool. This new system makes it possible to do the breast interventions either from the cranial or the caudal position directly after tumor detecting with the use of a new double breast coil. A major advantage of this approach is the high accuracy and the possibility to realize image diagnostic and biopsy in one session. As the preclinical evaluation with a 1.5 T MRI-scanner showed, the deviation of the intervention device regarding instrument positioning to a located target was less than 1mm, so that interventions could be carried out precisely and reproducible. Furthermore there were no image interferences due to the additional materials in the MRI-isocenter. The system implements a user-interface for intervention planning on up-to-date MR images and device control. Besides the concepts and results of the new biopsy device, the present dissertation refers to numerous scientific investigations with a focus on material and actuator application in the magnetic field of a MRI-scanner.

Specific machines furnish the contemporary socio-technical imaginary: ‘Robot companions’ that supposedly herald the age of robots, an age that is signified by the realization of robot technologies that are taking over labor from humans in every sphere of ‘everyday human lives’. How do we want these robot companions to work and look and how do we want to live with these machines?  This thesis explores the engineering of relating humans and machines in the specific context of contemporary robotics from a queer feminist technoscience perspective. The ways in which such engineering processes implement ‘human-likeness’ in realizing the figure of the robot companion are of special concern. At the heart of this study is one robot model: Armar, developed at the Institute for Anthropomatics and Robotics at the Karlsruhe Institute of Technology. Participating in the local everyday practices of establishing the efficient robot-human interface in the kitchen laboratory, this study investigates the ways in which Armar is made domestic as a prospective care service provider and companion in the kitchen. This study applies a posthumanist frame of research to investigate the practices of making anthropomatic kitchen robots. It employs an understanding of this making in terms of ‘performing the kitchen’. This further entails querying the ways in which norms of ‘humanness’ are translated into the human-like robot as well as the idea of pre-figured embodied entities with individual properties that meet in the laboratory. Thus, this thesis maps the labors and reciprocities of learning to see and experience this specific robot model as a future human-like companion for humans by analyzing the apparatuses of bodily co-production between human and machine that are at work in the kitchen laboratory. / Avhandlingen undersöker sociotekniska processer inom samtida robotik som både upprätthåller och skapar människa – maskin relationer ur ett feministiskt teknovetenskapligt perspektiv. Speciellt undersöks hur ingenjörer skapar robot-människa gränssnitt för hushållsrobotik och implementerar människolikhet i skapandet av framtidens robotsällskap. En specifik robotmodell, Armar, och dess utveckling följs vid Institutet för Antropomatik och Robotik, Tekniska Högskola i Karlsruhe i södra Tyskland. Armar ”bor” och verkar där i ett kökslaboratorium, en simulerad vardagsyta utvecklad för forskning och offentliga demonstrationer. Men hushållsrobotar har också en speciell plats i vår kulturella föreställningsvärld. I denna studie undersöks det sociotekniska och kulturella processen att domesticera robotar och ge dem status som prospektiva hjälpredor och sällskap i köket. Som en sådan kartläggning av ömsesidigt människa-maskin skapande teoretiserar studien den kroppsproducerande apparaten (Haraway 1991) som sätts i spel i detta kökslabb och i robot-människa gränssnittet. I studien utforskas ickemänsklig agens och posthumanistisk performativitet (Barad 2003) samt gränsdragningsarbetet mellan Jaget och Andra, människa och maskin, subject och objekt. Avhandlingen gör ett bidrag till förståelsen av kroppsliga normer och socio-materiella ömsesidigheter i skapandet av förmänskligat robotsällskap. / Ob in Medienberichten oder Kinofilmen – aktuell prägen Maschinen das sozio-technische Imaginäre, die nach menschlichem Vorbild entwickelt werden, um in das ‘alltäglich-menschliche’ Leben einzutreten und dieses nachhaltig zu verändern. In ihrer Allgegenwärtigkeit künden sie das Zeitalter der Roboter an, das verspricht, den Lebensstandard, den sich der globale Norden zuschreibt, zu verbessern. Im Fokus dieser Studie steht ein spezifisches Robotermodell, Armar, das am Institut für Anthropomatik und Robotik des Instituts für Technologie in Karlsruhe (Deutschland) entwickelt wird. In der Analyse von Interviews, teilnehmender Beobachtung sowie Fotomaterial untersucht diese Studie die alltäglichen Praktiken im Robotik-Küchenlabor, durch die Armar zur Begleiter_in und Care-Arbeiter_in in der Küche wird. Die posthumanistische, queer-feministische Rahmung der Analyse erlaubt es, die Herstellung des anthropomatischen Küchenroboters als ein Performing the Kitchen zu verstehen. Die Arbeit fokussiert damit auf die Bedingungen und die Akteur_innen – sowohl menschliche als auch nichtmenschliche – und fragt nach den Normen des Menschlichen, die bei dem Arbeiten an einer ,menschenähnlichen‘ Maschine produziert, aber auch verändert werden. Dabei zeichnet sie nach, dass Entitäten mit verkörperten Eigenschaften nicht präexistieren, sondern aus komplexen Mensch-Maschine-Verhältnissen der Ko-Produktion hervorgehen.

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