Methoden und Anwendungen zur intuitiven Mensch-Roboter-Interaktion

169 Pages·2010·40.86 MB·German

Technische Universität München
Lehrstuhl für Mensch-Maschine-Kommunikation
Methoden und Anwendungen zur
intuitiven Mensch-Roboter-Interaktion
Jürgen Blume
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstech-
nik der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades
eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigtenDissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof.Dr.-Ing.GeorgSigl
PrüferderDissertation:1.Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.GerhardRigoll
2.Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.Dr.h.c.AlexanderW.Koch
Die Dissertation wurde am 29.04.2014 bei der Technischen Universität München ein-
gereichtunddurchdieFakultätfürElektrotechnikundInformationstechnikam01.12.2014
angenommen.

Zusammenfassung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, durch die Verwendung aktueller In-
teraktionstechnologie und Methoden eine intuitive Interaktion zwischen
Mensch und Roboter mit dem Fokus auf Benutzerschnittstellen und Be-
dienbarkeit zu erreichen. Dabei wurden unterschiedliche Aspekte der In-
teraktion zwischen Mensch und Roboter sowohl im sozialen als auch im
industriellenUmfeldbetrachtet.DiesführtezuderEntwicklungvonInter-
aktionskonzepten, Prototypen und der Evaluierung im Rahmen von Nut-
zerstudien.
HierfürwurdezunächsteinemultimodaleArchitekturzurInteraktionkon-
zipiert und in einem interdisziplinären Forschungsverbund um multimo-
dale Interaktionsmöglichkeiten erweitert. Dabei kam für die Ablaufsteue-
rung in der Architektur eine wissensbasierte Kontrollinstanz zur Anwen-
dung. Für eine natürliche Interaktion mit einer mobilen Roboterplattform
inDialogsituationenwurdeeineBlicksteuerungentwickelt,dieanmensch-
liches Verhalten angelehnt ist. Eine intuitive Interaktion wurde auch im
Rahmen der Programmierung von Robotern betrachtet und evaluiert. Die
Arbeit schließt mit einer Übersicht über die realisierten Anwendungssze-
narienfüreineintuitiveInteraktionimsozialenundindustriellenUmfeld.

Abstract
Theaimofthisthesisistoprovideanintuitiveinteractionbetweenhumans
androbotsbyusingrecentinteractiontechnologyandmethodsfocusingon
user interfaces and usability. Different aspects of the interaction between
human and robot in social and industrial environments were studied and
concepts,firstprototypesandevaluationsinuserstudiesweredeveloped.
For this purpose an architecture supporting multimodal interaction was
designed and various interaction channels were created in collaboration
within an interdisciplinary research cluster. The orchestration of the com-
ponents in the architecture was realized using a knowledge-based system
controller. For a natural interaction with a mobile robotic platform in dia-
loguesituations,ahuman-inspiredgazecontrolwasdeveloped.Anintuiti-
veinteractionwasalsoconsideredandevaluatedforprogrammingrobots.
The thesis concludes with an overview of the application scenarios for in-
tuitiveinteractioninsocialandindustrialenvironments.

Danksagung
Diese Arbeit wäre ohne die Unterstützung vieler Personen nicht möglich
gewesen. Auch wenn es unmöglich ist, jedem Einzelnen an dieser Stelle
zu danken, so möchte ich doch zumindest einigen stellvertretend meine
Dankbarkeit ausdrücken. Zunächst möchte ich mich bei Herrn Professor
GerhardRigollfürdieMöglichkeitzurundUnterstützungbeiderPromo-
tion bedanken. Ein weiterer Dank gilt Professor Frank Wallhoff für die
Koordination der Projekte, die den Rahmen für die Inhalte dieser Arbeit
maßgeblich mitgeprägt haben. Weiterer Dank für die administrative und
technische Unterstützung gilt Peter Brand, Heiner Hundhammer, Wib-
ke Borngesser, Ulrike Scholz, Melitta Schubert, Martina Römpp, Carola
Zwicker,EricBourguignonundDr.UweHaass.
DankefürdiefruchtbareZusammenarbeitunddieErstellungdiverserDe-
monstratoreniminterdisziplinärenForschungsverbundanalleBeteiligten,
jedoch insbesondere an Florian Rohrmüller, Daniel Althoff, Stefan Sos-
nowski, Christoph Mayer, Claus Lenz. Bei Stefan Kohlbecher möchte ich
mich an dieser Stelle für die Unterstützung bezüglich der Blickerfassung
undfürdieunvergesslichenAugenblickemitdenRoboternbedanken.
Danke an alle Studenten, Lehrstuhl- und Projektkollegen, die durch Dis-
kussion,MeinungenundandereBeiträgezumGelingendieserArbeitbei-
getragen haben. Ganz besonderen Dank verdienen Alexander Bannat, To-
bias Rehrl und Wolfgang Rösel für die schöne Zeit am und außerhalb
des Lehrstuhls sowie für die ununterbrochene Motivation und Unterstüt-
zung bei unzähligen Herausforderungen. Bezüglich Korrekturen gebührt
der Dank unter anderem Alexander Bannat, Tobias Rehrl, Jürgen Geiger,
ChristophMayerundClausLenz.
An dieser Stelle möchte ich auch meinen Eltern Ingrid und Dieter sowie
meinenBrüdernfürihreUnterstützungundmeinenerstenPCdanken.Ne-
ben meiner Gastfamilie möchte ich auch meiner Blumenfamilie für jegli-
che Unterstützung danken. Auch ein Dank an Familie Bauer für vieles,
aberganzbesondersfürdasKochen.
MeinherzlichsterDankgebührtmeinerFrauBarbarafürdasErtragenmei-
nerStimmungsschwankungenwährendderErstellungdieserArbeitsowie
fürdenKorrekturmarathon.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 BeitragderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 AufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 MenschundRoboter 7
2.1 Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 GemeinsamerArbeitsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Vision:RoboteralsAssistentineinerindustriellenUmgebung . . . . 13
3 TheoretischeundmethodischeGrundlagen 19
3.1 TheoretischeGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Benutzerschnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Evaluierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 VerwendeteSoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 ArchitekturzurmultimodalenMensch-Roboter-Interaktion 35
4.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 VerwandteArbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3 MultimodaleInteraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 ArchitekturzurmultimodalenInteraktion . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
iii
INHALTSVERZEICHNIS
5 BlicksteuerunginDialogsituationen 55
5.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2 VerwandteArbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3 ModellfürBlickverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.4 RelevanteBeobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.5 ImplementierungundErgebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 LernmethodeninderMensch-Roboter-Kooperation 75
6.1 ÜberblicküberLernverfahrenfürRoboter . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2 InstruktionsbasiertesLernenfürhybrideMontageprozesse . . . . . . 83
6.3 LernenvonVerpackschrittenausPunktwolken . . . . . . . . . . . . . 87
6.4 IntuitiveProgrammierungeinerVerpackstation . . . . . . . . . . . . 103
6.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7 Anwendungen 111
7.1 Roboter-undForschungsplattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2 SozialesUmfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.3 IndustriellesUmfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8 ZusammenfassungundAusblick 129
8.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Glossar 131
Abkürzungsverzeichnis 135
Abbildungsverzeichnis 139
Tabellenverzeichnis 143
Literaturverzeichnis 145
iv