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Institut für Messtechnik · Universität der Bundeswehr München · 85579 Neubiberg · http://www.unibw-muenchen.de/campus/LRT6 · Tel.: +49 (0)89 6004-3587 · Rainer Bischoff· 23.01.2003
Das HERMES Projekt
Entwicklung von Schlüsseltechnologienfür zukünftige Robotersysteme
Rainer Bischoff
Institut für Messtechnik
Motivation
Industrieroboterschwierig zu programmierenmeistens blind und dumm
Serviceroboterflexibler, intelligenterprogrammiert für einebestimmte AufgabeMensch-Roboter-Interaktionmöglich
Persönliche Robotereinfach zu konfigurierenfür jedenfür verschiedene Aufgaben
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Schlüsseltechnologien
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Schlüsseltechnologien (2)
Im HERMES-Projekt als wichtig erachteteund bearbeitete Schlüsseltechnologien:
Roboterdesign für von Menschen bevölkerteUmgebungen„Natürliche“ Sensorsysteme (Sehen, Fühlen,Hören) zur Wahrnehmung(Mobile) ManipulationLokalisierung und NavigationMensch-Roboter Kommunikation und InteraktionAdaption und LernenSystemintegrationVerlässlichkeit (Dependability)
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Verlässlichkeit
Definiert durch:Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Sicherheit,Vertraulichkeit, Integrität, Wartbarkeit
Erreicht durch folgende Strategien:Natur als Vorbild nehmenNatürliche und intuitive Kommunikation undInteraktion anstrebenauf modulare Bauweise für eine einfacheWartbarkeit achtensystematisch entwickeln und integrieren(„sauberes“ Aussehen)Feldtests mit Laien durchführen
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Ausgangslage (1996)Bildverarbeitung und BV-Systemefür autonome StraßenfahrzeugeSichtbasierte Navigation in Gebäudenmit den mobilen Robotern ATHENE I und IISichtbasiertes kalibrierungsfreies Greifenmit 5 DOF Mitsubishi Movemaster
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
HERMES EntwicklungEntscheidung für ein modularesDesign (04/96)Ansteuerung eines Handgelenk-Moduls als Kamerakopf (06/96)Erste Designstudien eines huma-noiden Serviceroboters (08/96)
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
HERMES EntwicklungEntscheidung für ein modularesDesign (04/96)Ansteuerung eines Handgelenk-Moduls als Kamerakopf (06/96)Erste Designstudien eines huma-noiden Serviceroboters (08/96)Manipulationssystem (01/97)Omnidirektionales Fahrwerk (04/98)
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
HERMES EntwicklungEntscheidung für ein modularesDesign (04/96)Ansteuerung eines Handgelenk-Moduls als Kamerakopf (06/96)Erste Designstudien eines huma-noiden Serviceroboters (08/96)Manipulationssystem (01/97)Omnidirektionales Fahrwerk (04/98)Kommunikationsschnittstellen(08/99)Roboterkopf mit 6 DOF (04/00)
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
HERMES EntwicklungEntscheidung für ein modularesDesign (04/96)Ansteuerung eines Handgelenk-Moduls als Kamerakopf (06/96)Erste Designstudien eines huma-noiden Serviceroboters (08/96)Manipulationssystem (01/97)Omnidirektionales Fahrwerk (04/98)Kommunikationsschnittstellen(08/99)Roboterkopf mit 6 DOF (04/00)Taktile Stossfänger (12/00)Belichtungszeitsteuerung (09/01)
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Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Modularer Aufbau
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Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Omnidirektionales FahrwerkVorder- und Hinterradunabhängig voneinanderangetrieben, gelenkt undmagnetisch gebremst2 Stützräder an den SeitenCa. 2 h unabhängiger BetriebVerschiedene Antriebsmodi:
Vorderrad gelenkt (Auto)Hinterrad gelenkt (Gabelstapler)Beide Räder gleichsinning gelenkt (Kreisfahrten)Beide Räder gegensinnig gelenkt (Diagonalfahrten)Positions-, Geschwindigkeits- und / oderPulsweitenregelung
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Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Omnidirektionales FahrwerkInstitut für Messtechnik
Manipulationssystem
Vor: 130°, zurück: 90°, Reichweite: 120 cmGeschwindigkeit: 4°/sKopf bleibt in vorteilhafter Position fürManipulationsaufgaben
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Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
ManipulationssystemInstitut für Messtechnik
Sensoren
HauptsensormodalitätStereosehen (monochrom)
Künstliche HautOrt und Intensität eines Kontakts
Drahtloses MikrofonSpracheingabe
Hochauflösende inkrementelle WeggeberOdometrieKamerablickrichtungGreiferKinesthetischer Tastsinn
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Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Roboterkopf
1 gemeinsame, 2 unabhängige Schwenk- / Neige-Einheitenfür 2 Monochrom-KamerasGeschwindigkeiten und Beschleunigungen
vergleichbar dem menschlichen AugeHals und Augen
Drehwinkel > +/- 180°, Kippwinkel > +/- 90°
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Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Belichtungszeitsteuerung
Integrationszeit der Kamera verstellbarin 312 Stufenvon 0,1 – 20 msfür jede Kamerafür jedes einzelne Halbbild
Verschiedene Modi verfügbar:konstante Belichtungszeitkonstante mittlere Helligkeit
(auch auf Bildbereiche bezogen)konstanter Kontrast
(wichtige Bildbereiche oder Objektmerkmale)Deutlich vergrößerter Dynamikumfang!
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Einleitung
Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
ObjektverfolgungInstitut für Messtechnik
Taktile Haut
Leitfähige Schaumstoffemodularer AnsatzStossfänger und FingerOrt und Intensität (50 Hz Messfrequenz)
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Video: Taktile StossfängermoduleInstitut für Messtechnik
Video: Feldtest der taktilenStossfänger
Institut für Messtechnik
Informationsverarbeitung
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Systemarchitektur
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Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
SystemarchitekturSituationsorientiertes verhaltensbasiertes KonzeptHardware-Komponenten werden über Skills(Fertigkeiten) angesprochen.Skills werden kategorisiert in hauptsächlichperzeptive, motorische oder kognitive Skills.Situationsmodul
= kognitive Schaltzentrale des Roboters(“Situationsbewertung & Verhaltensauswahl“)Dem Auswählen bestimmter Fertigkeiten geht einkognitiver Prozess voraus. Das resultierendeVerhalten kann beobachtet werden.
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Kommunikation & Interaktion
Gesprochene SpracheEnglisch, Französisch, Deutsch
Gestenz.B. bei Wegbeschreibungen
Fühlenz.B. beim Händeschütteln oderÜbernehmen und Übergeben von Objekten
Sehenz.B. „Fahre zum GROSSEN Tisch“
Geschriebene SpracheBildschirm, Tastatur und E-Mail
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Implementierungsdetailsnur ein Bruchteil der Rechenleistung steht fürSpracherkennung zur Verfügung und wird benötigtbeschränktes Vokabular (ca. 350 Wörter)beschränkte Grammatik: Befehle und Fragen, z.B.:
„Fahre zur Küche!“, „Greife den Ball!“„Biege an der nächsten Kreuzung links ab!“„Fahre vorwärts!“, „Schneller!“„Was kannst Du machen?“„Wo bist Du?“, „Wo bin ich?“„Wie komme ich zu Rainers Büro?“„Wie ist das Wetter in Stuttgart?“
Antworten aus interner Datenbasis oder dem WWW
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Situationsabhängiger Kontextwechsel
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Video: Multimodale KommunikationInstitut für Messtechnik
Experimente
Vielfältige Interaktionsexperimente zumNachweis der Konzepte:
in der Institutsumgebung (Japanese English!)in Fernsehstudios (Live-Auftritte!)auf Messen (Umgebungsgeräusche!)
Langzeit-Test im Heinz NixdorfMuseumsForum, Paderborn in derSonderausstellung „Computer.Gehirn“
angelernte Laien führten den Robotermehrmals am Tag vorPräsentation der sensorischen, motorischenund kommunikativen Fertigkeitenphysische Interaktion
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Experimente
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Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Video: Interaktive PräsentationInstitut für Messtechnik
Ergebnisse
6 Monate im Einsatz (20.10.01-30.04.02)täglich 2 h, manchmal 12 hAusfälle:
Hardware: 1 Leistungselektronik, 1 Audio-verstärker, 1 Fahrmotor (alles leicht ersetzbar!)Keine Softwareprobleme
Die Vorführer entwickelten eine emotionaleBindung zum Roboter.Das Museum sagt, dass HERMES der mitAbstand verlässlichste Roboter war.
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Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Was haben wir gelernt?Planungsphase: Zweifel über SupportumfangVorbereitung machte Spaß, war arbeitsintensiv
Dokumentation für Laien ohne Ingenieurausbildungaber: Leute probieren lieber, als Handbuch zu studieren!Zeitdruck half, die universitären Arbeiten abzuschließen
Es ist eine wertvolle Erfahrung, den Roboter überlängere Zeiten wirklich arbeiten zu sehenLeistungen einzelner Fertigkeiten des Robotersvariierten mit der Einsatzumgebung (Boden, Licht)Kinder mochten am liebsten mit dem Roboterinteragieren, hatten keine AngstErwachsene näherten sich mit dem nötigenRespekt
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
ZusammenfassungVorstellung des Roboters HERMES
menschenähnlicher Aufbauverschiedene Sensormodalitäten(Sehen, Fühlen, Hören)verschiedene Aktormodalitäten(Gesten und Sprache)
Alle Modalitäten werden zur natürlichenKommunikation und Interaktion eingesetzt.Experimente in verschiedenen Einsatzumgebungen
mit Laienüber längere Zeit und ohne universitären Support
Ein nach den vorgestellten Konzepten gebauterRoboter wird als kooperativ, freundlich undintelligent wahrgenommen.
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Schlussfolgerungen
Sogar komplexe menschenähnliche Roboterkönnen verlässlich gemacht werden!wesentliche Schlüsseltechnologien:
Kommunikation und Interaktion• multimodal, situationsabhängig, intuitiv!
Wahrnehmung• mit natürlichen Sinnen!
Verlässlichkeit und Systemintegration• universitäre Forschung ist gefragt!
Es ist noch ein weiter Weg...Forschung muss über Machbarkeitsstudienhinaus gehen.
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Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung
Institut für Messtechnik
Weiterführende Informationen
Homepage des Instituts für Messtechnik:www.unibw-muenchen.de / campus / LRT6
Veröffentlichungen und Videosvon HERMES:
www.unibw-muenchen.de / hermes
Software
Hardware
Einleitung
Experimente
Zusammenfassung
Schlussfolgerung