Roboter sind seit Jahren ein aktuelles Thema und spielen eine immer wichtigere Rolle in vielen Bereichen. Auch in Bibliotheken sind Roboter immer öfter zu finden. Gegenstand dieser Bachelorarbeit soll der Einsatz von Robotern in Bibliotheken sein. Das Ziel dieser Arbeit ist eine möglichst umfassende Bestandsaufnahme der Roboter, die aktuell in Bibliotheken eingesetzt werden. Dafür werden die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten erläutert und mit Beispielen veranschaulicht. Ferner werden NAO und Pepper vorgestellt, da diese beiden Roboter in Deutschland in Bibliotheken derzeit am häufigsten zum Einsatz kommen. Neben allgemeinen Infos werden die Programmierung und mögliche Probleme der Roboter erläutert. Außerdem wird ein Ausblick auf zukünftige Einsatzmöglichkeiten gegeben und darauf eingegangen, warum diese noch nicht umgesetzt wurden. Im empirischen Teil der Arbeit wird die Einstellung von Bibliotheksnutzern und -mitarbeitern zu dem Thema erfasst und untersucht. Mithilfe einer Umfrage wird die Meinung der Befragten zu Robotern allgemein und zu spezifischen Einsatzmöglichkeiten von Robotern in Bibliotheken ermittelt.:Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Ziel und Fragestellung 1.2 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagenkapitel 2.1 Definition des Begriffs „Roboter“ 2.2 Grundlagen von RFID 2.3 Gründe für den Einsatz von Robotern in Bibliotheken 3 Aktuelle Anwendungsfelder 3.1 Erstellung von Inventuren 3.2 Transportroboter 3.3 Scanroboter 3.4 Off-Site-Shelving Roboter 3.5 Programmieren lernen mit Robotern 3.6 Leseförderung mithilfe von Robotern 3.7 Serviceroboter 3.8 Roboter, die Nutzer zu Medien führen 3.9 Telepräsenzroboter 3.10 Mobiler Rückgabeautomat 4 Technische Grundlagen und Herausforderungen am Beispiel von NAO und Pepper 4.1 Vorstellung von NAO und Pepper 4.1.1 NAO 4.1.2 Pepper 4.2 Programmierung der Roboter 4.3 Grenzen der Roboter 5 Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten 5.1 Inventurroboter: weitere Möglichkeiten 5.2 Roboter suchen Bücher, nehmen sie aus dem Regal und bringen Sie zu Nutzern 5.3 Roboter, die Bücher einstellen können 5.4 Barrieren überwinden - Gedankenspiel: Wie kann man bereits vorgestellte Technologien nutzen, um Barrierefreiheit voranzutreiben? 6 Akzeptanz von Robotern in Bibliotheken 6.1 Erstellung und Durchführung der Umfrage 6.2 Ergebnisse der Umfrage für Bibliotheksnutzer 6.2.1 Bibliotheksnutzung 6.2.2 Allgemeine Einstellung zu Robotern 6.2.3 Einstellung zu Robotern in Bibliotheken 6.2.4 Wer hat geantwortet? 6.3 Ergebnisse der Umfrage für Bibliotheksmitarbeiter 6.3.1 Allgemeine Einstellung zu Robotern 6.3.2 Einstellung zu Robotern in Bibliotheken 6.3.3 Wer hat geantwortet? 6.4 Auswertung und Vergleich 6.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 7 Fazit Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Glossar der erwähnten Roboter Literaturverzeichnis A Anhang A.1 Umfrage für Bibliotheksnutzer A.2 Umfrage für Bibliotheksmitarbeiter A.3 Ergebnisse der Umfrage für Bibliotheksnutzer A.4 Ergebnisse der Umfrage für Bibliotheksmitarbeiter

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

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.

Die motorischen Fähigkeiten humanoider Roboter werden häufig von antriebsbedingten Nichtlinearitäten und Reibungseffekten negativ beeinflusst. Zur deren Kompensation werden üblicherweise modellbasierte Regelkreise genutzt, die i.d.R. von einer hochfrequenten Signalverarbeitung und mehreren Sensorqualitäten abhängen. Entgegen solch modellbasierten Techniken werden in der vorliegenden Arbeit modellfreie Steuerungsmethoden auf Basis parallel gekoppelter Antriebe entwickelt. Zur Entwicklung und Untersuchung dieser Steuerungsmethoden wird nach der von Pfeifer in seinem Werk “How the body shapes the way we think” beschriebenen synthetischen Methodik vorgegangen. Entgegen modellbasierten Untersuchungen auf Basis von Simulationen stehen bei der synthetischen Methodik empirische Untersuchungen am realen System im Vordergrund. Als Ausgangspunkt dienen konventionelle elektromechanische Antriebe mit deren bekannten leistungseinschränkenden Nichtlinearitäten und Reibungseffekten. Durch die parallele Kopplung mehrerer Antriebe an einem einzelnen Gelenk wird das Spektrum der Steuerungsmöglichkeiten deutlich erweitert. Es zeigt sich, dass (1) durch eine konstante antagonistische Vorspannung das Arbeitsverhalten von konventionellen Proportionalreglern optimiert werden kann, (2) durch dynamische asymmetrische Änderung der Vorspannung Nichtlinearitäten bei niedrigen Geschwindigkeiten ausgeglichen werden können und (3) getriebebedingte Reibungseffekte mit einer phasenverschobenen Pulsmodulation der Steuersignale kompensiert werden können. Weiterhin wird gezeigt, wie die erarbeiteten Steuerungsmethoden auf beliebig viele parallel gekoppelte Antriebe übertragen werden können. Für den praktischen Einsatz der Steuerungsmethoden werden diese in einer hybriden Steuerung zusammengeführt. Diese wird durch eine weitere Funktion, den Energiesparmodus beim Halten statischer Positionen, ergänzt und am humanoiden Roboter Myon implementiert und experimentell evaluiert. / Motor functions of humanoid robots are often negatively influenced by nonlinearities and friction effects of the actuators. The popular means of compensation are control circuits based on modelling, which rely on powerful HF Signal processing and various sensor qualities. In contrast, this thesis develops non-modelling control methods based on parallel coupled actuators. Development and exploration of these control methods follow Pfeifer’s synthetic methodology as described in his work “How the body shapes the way we think”. In contrast to the analysis based on emulation as used in modelling, the synthetic methodology focuses rather on empirical tests within the real system. The present work explores control methods for parallel coupled actuators for use in robot points. It starts from conventional electromechanical actuators with their known power limiting nonlinearities and frictional effects. Linking several parallel coupled actuators to a single joint significantly expands the spectrum of control capabilities. Using two parallel coupled actuators as an example, it is examined to which extent undesirable properties of single actuators can be compensated. The results show that (1) the Performance of conventional proportional controllers can be optimized by a constant antagonistic bias voltage, (2) nonlinearities at low velocities can be balanced out by a dynamic asymmetrical adjustment of the bias, and that (3) gear related frictional effects can be compensated by a phase shifted pulse modulation of the control signals. In addition, it is shown how the developed control methods can be applied to a random number of parallel coupled actuators. For practical use, the various control methods are combined in a hybrid control, which is supplemented by an energy saving mode when maintaining static positions. The hybrid control is being implemented into the humanoid robot Myon and evaluated by experiment.