Roboter - IMA,ZLW & IfU - RWTH Aachen University

To Mars and Beyond
Ein Streifzug durch die moderne Robotik
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke
Wissenschaftsnacht
09. November 2012
Institutscluster IMA/ZLW & IfU
der RWTH Aachen University
Fakultät für Maschinenwesen
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de

Inhaltsübersicht
2
I. Aus der Phantasie des Menschen …
II.
III.
IV.
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.
V. Und was bringt die Zukunft?
09.11.2012
Sabina Jeschke

Die Kybernetik als „Großvater“ der Robotik
3
1928 – Eric Robot: Erster Roboter gebaut in Menschengestalt von Captain
William H. Richards und A. H. Reffell. Zweck war die Ausstellungseröffnung der
Gesellschaft für Modellbauer als Ersatz für den Duke von York. Aluminium.
Funktionen: Aufstehen, Gesten mit den Armen, ferngesteuertes Sprechen.
1932: 2., verbesserte Version
1939 - Elektro: Nächster humanoider Roboter. Er konnte laufen,
sprechen (700 Wörter), zählen (mit den Fingern) und rauchen .
Er wurde von Westinghouse/USA zur Weltausstellung in New York
hergestellt und vorgeführt. Aluminium.
1949 Elsie und Elmar („Turtles“): Der Neurophysiologe Dr. W. Grey Walter
erfand den ersten autonomen Roboter, der nicht nach vorgegebenen
Verhaltensmustern agiert, sondern auf seine Umgebung reagiert. Ziel war
die Untersuchung simpler Regelkreise, um seine Theorie zu komplexen
Verhaltensweisen aus neuronalen Verbindung zu bestätigen.
Hierbei wurde er durch die junge Wissenschaft der Kybernetik inspiriert.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Die Entwicklung der Kybernetik
4
gr.: κυβερνήτης [kybernētēs] Steuermann(skunst)
Essentials:
• Begründung: 40er Jahren durch Norbert Wiener und andere.
• Idee: Erweiterung der Regelungstechnik auf komplexe Systeme.
• Neu dabei: Keinerlei Voraussetzung an Art der Systeme – es kann sich dabei um Maschinen,
Menschen, Organisationen, ökologische Systeme oder sonstige Konstrukte
mit Informationsrückfluss handeln, auch um Mischformen.
• Systemorientierter Theorieansatz – heute oft auch als „Systemtheorie“ bezeichnet.
v. Neumann
Ashby
Management
Kybernetik
J.W. Forrester
Stafford Beer
H.v.Foerster
Maturana
Varela
’46-‘52 1950er
1960er
1970er
1980er
Macy Konferenzen
(1946-1953)
„Die Übergangszeit“
(1950-1957)
System Dynamics
(1956-…)
Biological Computer
Laboratory
(1958-1975)
Eigenständiges
Theoriegebäude
(80er Jahre)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Macy Konferenzen - Bedeutung für die Kybernetik
5
Die Macy Konferenzen (1946-1953) –
Rückkopplungsschleifen und zirkuläre Kausalität selbstregulierender Systeme
Warren
McCulloch
(Vorsitzender)
Neuropsychologie
Gregory
Bateson
Antropologie
Norbert
Wiener
Mathematik
John von
Neumann
Mathematik
Heinz von
Foerster
Elektrotechnik
Max
Delbrück
Biophysik, Genetik
Claude
Shannon
Inform.theorie
Margaret
Mead
Antropologie
Arturo
Rosenblueth
Physiologie
• 1949 Gedächtnis und Speicher, Neuronale Netze
• 1950 Sprache, Neurophysiologie
• 1951 Kommunikation, Digitale Computer
• 1952 Lernen und Wahrnehmen, Mustererkennung
• 1953 Sprache, Gruppendynamik, - kommunikation
Ein Ziel: Begründung einer allgemeiner Wissenschaft
der Funktionsweise des menschlichen Geistes
09.11.2012
Sabina Jeschke

Von der Kybernetik zur Künstlichen Intelligenz
6
Kybernetische Modelle:
Sozio-technisches System, d.h.
technisches Systemen mit bestimmten, an
die Natur angelehnten Verhaltensweisen
(vergl. die „turtles“).
Urahnen der ersten Roboter.
Autonomes System:
Intelligentes, computergestütztes
System, das selbstständig Aufgaben
erfüllen kann.
Bsp.: fahrerlose Autos, robotische
Gefährten oder intelligente Häuser.
Systeme künstlicher Intelligenz:
KI: Teilgebiet der Informatik, das sich
mit der Automatisierung intelligenten
Verhaltens befasst.
Versuch, eine menschenähnliche
Intelligenz nachzubilden.
Selbstorganisierendes System:
System, das seine grundlegende
Struktur ändert aufgrund von
Erfahrung und Umgebung.
Populärer Begriff in Kybernetik und
Systemtheorie.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mobile Roboter, künstliche Lebewesen, Automaten
7
3500 BC
1400 BC 100 AD 1200 1500 1700 1800
Prometheus Hephastus
Hero(n) of Alexandria Al-Jazari Leonardo Jacques Karakuri-Ningyo da Jaquet-Droz
de Vinci Vaucanson
Formte Mechanische Menschen aus Dienerinnen Lehm Automatisiertes aus Gold Roboter Flötenspieler, Theater zur Mechanische Ritterroboter
Teeausgabe mechanische Androidenfamilie
Puppen Ente
1900
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds.): Springer Handbook of Robotics. Springer 2008.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Roboter in Literatur und Film
8
1900 1950
2000
E.T.A. Hoffmann Jüdische Karel Legende Fritz Čapek Langen Isaac Robert Asimov Mangas Wise Fred George M. Wilcox Vintar Gene Lucas Willson & Roddenberry Goldsman James & Maddock Cameron
Der Sandmann Golem Rossum's Metropolis Universal Robotergesetze Der Robots Tag Science an Alarm dem Fiction-Mangas Star die im I, Wars Erde Weltall Star Robot stillstand Trek Nummer (ab Terminator 1960) 5 lebt
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds.): Springer Handbook of Robotics. Springer 2008.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Kapitel - Summary
9
• Die Beschäftigung mit / das Interesse für „künstlichen Lebewesen“ ist uralt.
• Wissenschaftsmethodischer „Großvater“ der Robotik ist die Kybernetik.
• Robotik ist seit jeher ein sehr interdisziplinäres Thema.
• Das umfasst insbesondere auch die Kunst.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
10
I. Aus der Phantasie des Menschen …
II.
III.
IV.
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.
V. Und was bringt die Zukunft?
09.11.2012
Sabina Jeschke

Parade Humanoider Roboter
11
NAO
Aldebaran
(Frankreich)
Geminoid
Univ. Osaka
(Ishiguro)
(Japan)
Roboter Girl
AIST
(Japan)
Justin
DLR
(Germany)
Wakamura
Mitsubishi
(Japan)
REEEM
Pal Robotics
(VAE/Spanien)
ARMAR III
KIT (Dillmann)
(Germany)
Qrio
Sony
(Japan)
HOAP 1
Fujitsu
(Japan)
Asimo
Honda
(Japan)
Hubo
KAIST
(Korea)
09.11.2012
Sabina Jeschke
Kismet
MIT (Brooks)
(USA)
Geigenspieler
Toyota
(Japan)
Petman
Boston Dynamics
(USA)
Kojiro
Univ. Tokyo
(Inaba)
(Japan)
LOLA
TUM (Ulbrich)
(Germany)

NAO (Aldebaran S.A., Frankreich)
12
Eckdaten:
• Größe: 57 cm, 25 Freiheitsgrade, Laufzeit 1.5h .
• Gelenke: Hüfte, Knie, Knöchel, Ellenbogen, Schulter, Kopf.
• Sensorik: 2 Kameras, 4 Mikrophone, 1 Ultraschallsensor, 2
Infrarotsender/-empfänger, Trägheitssensor, 17 Tast- und
Drucksensoren …
• Stimme und Ausdruck: voice synthesizer, 2 Lautsprecher, LED
Leuchten.
• Betrieb: Aldebarans Middleware NAOqi unter Linux, 2 CPUs.
Hauptanwendungen:
• Lehre (Universitäten, Schulen),
• Museen, Ausstellungen,
• Entwicklungsplattform für Humanoidenforschung,
• Standardplattform im RoboCup.
09.11.2012
Sabina Jeschke

SPECIAL: NAO im Team – der RoboCup
13
Ausgerechnet Fußball ... ! ??
Fußballspielen stellt Roboter vor große sensorische, motorische und kognitive
Herausforderungen:
• Objekterkennung (Ball, Linien, Tor, Spieler, Gegenspieler, ...),
• Regelkenntnis und –anwendung,
• Strategieplanung,
• Koordination des einzelnen Spielers,
• Schnelle Kommunikation und Koordination
im Team,
• Kooperation im Team,
• laufende Interaktion mit einem unvollständig
bekannten und dynamischen Umfeld,
• motorische Fähigkeiten zum
Torschuss aus
verschiedenen Positionen,
• ...
09.11.2012
Sabina Jeschke

Asimo (Honda, Japan)
14
Eckdaten:
• Größe: 120 cm, 34 Freiheitsgrade, Laufzeit 40min.
• Gelenke: Hüfte, Knie, Knöchel, Ellenbogen, Handgelenke,
Schulter, Kopf.
• Geschwindigkeit max. gehend: 2,7 km/h, rennend: 6 km/h.
• Sensorik: visuelle Sensoren, Bodenoberflächen-Sensoren,
Ultraschall-Sensoren, IC-Ferninteraktions-Kommunikationskarte,
kinästhetische Kraftsensoren, Audio-Sensoren, ...
• Gesichts- und Gestenerkennung (in eingeschränktem Umfang).
• Betrieb: 4 CPUs.
Hauptanwendungen:
• Erforschung der Mobilität, Schwerpunkt
Gehen (vor- und rückwärts), Rennen,
Treppensteigen etc.,
• Museen, Messen.
• Overall-Goal: Unterstützung
hilfebedürftiger Menschen.
09.11.2012
Sabina Jeschke

SPECIAL : Asimo in action
15
Asimo Entwicklung
• Entwicklung seit 1986.
• Erste Prototypen: P1, P2, P3.
• Entwicklung Asimo seit 1999,
erste Vorstellung 2004.
Klar als Forschungsprojekt definiert –
dennoch: Grundlage für andere Technologien
• Kraftfahrzeug-Sicherheit
• Erkennungstechnologien
• Leichtbau
• ...
09.11.2012
Sabina Jeschke

Kismet (MIT Artificial Intelligence Lab (Brooks), USA)
16
Eckdaten:
• Motorik: 21 Motoren für das Kopf- und Halssystem, 3
Freiheitsgrade für den Hals, 3 Freiheitsgrade pro Auge, 4 für die
Lippen, 2 pro Ohr, 2 pro Augenbraue, 1 pro Augenlid.
• „Gefühlszustände“: 7 (ruhig, angewidert, verärgert, traurig,
interessiert, glücklich und überrascht).
• Sensorik: Kameras, Mikrophone.
• Stimme und Ausdruck: voice synthesizer, Lautsprecher, mimische
Komponenten.
• Betrieb: Fokus auf real time proccessing, multi-threaded LISP,
unter Unix.
Hauptanwendungen:
• Analyse und Simulation
menschlicher Emotionen,
• Forschung an der
Interaktion von Robotern
mit Menschen.
09.11.2012
Sabina Jeschke

SPECIAL: Kismets Emotionszustände
17
Kismet Entwicklung
• Entwicklung 1990 – 2000.
• Seit 2000 Projekt eingestellt,
Ergebnisse jedoch noch immer relevant.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Kojiro (Univ. of Tokyo, JSK Robotics Laboratory (Inaba), Japan)
18
Eckdaten:
• Motorik: aufgebaut auf einer Skelettstruktur, darauf eine
Sehnen-Muskel-Struktur (über 100), 60 Freiheitsgrade.
• Sensoren: insb. Gyroskope (Gleichgewicht) und hochpräzise
Winkelsensoren in den Gelenken.
Hauptanwendungen:
• Analyse des menschlichen
Körperbaus.
• Ziel: „naturgetreuer“
Nachbau des menschlichen
Bewegungsapparates.
09.11.2012
Sabina Jeschke

SPECIAL : Kojiro in action
19
Kojiro Entwicklung
• Kotaro: Veröffentlichung v.a. um 2005.
• Kojiro bekannt seit 2010.
• Erste weitgehend vollständige Entwicklung
eines „anthropomimetic musculoskeletal humanoids“.
• Gruppe um Masayuki Inaba, Professor an der Tokyo University.
Vorgänger:
Kotaro
Kojiro im Detail
09.11.2012
Sabina Jeschke

Drei Schwerpunkte der Humanoidenforschung
20
(Einzel-)
Fähigkeiten
Aktorik
Physiognomie
Gestalt
Gestik
Motorik
Sensorik/
Kognition
Informationsverarbeitung
Informationsbeschaffung
Lernen
Systemverständnis
Anwendungsszenarien
Mimik
Verhalten
des
Einzelnen
Umweltakzeptanz
Mensch-
Maschine
eines
Teams
09.11.2012
Sabina Jeschke

Die Hardwareseite - wichtige, offene Forschungsfragen
21
• Einerseits: Fortschritt in anderen Bereichen, insb. der Industrierobotik,
der Chipherstellung für Microcontroller etc.
• Andererseits: Mobile Robotik stellt neue Anforderungen an die
verfügbare Hardware
Exemplarisch:
• Sensorik:
• Erweiterung des Sinnesspektrums (Bsp. künstliche Haut)
• Aktoren:
• Weitere Miniaturisierung für detailgetreuen Muskelnachbau
(z.B. über Kopplung mit Nanotechnologie)
• Datentransport:
• Bsp. Multi-Electrode-Arrays zur Kopplung von Nervenzellen mit
elektronischen Schaltungen
• Rechenleistung:
• Weitere Steigerung zur Verarbeitung multipler Sensordaten
• Overall, für alle Komponenten:
• Energieeffizienz (incl. Leichtbau...)
ICub, IIT Genua,
mit stellenweise
künstlicher Haut
09.11.2012
Sabina Jeschke

Motiv 1 – Humanoide für den Durchbruch in der KI
22
Argumentationslinie:
Konstruktion humanoider Roboter ist Grundlage für die Erschaffung einer menschenähnlichen,
künstlichen Intelligenz:
• KI kann nicht „einfach so“ programmiert werden, sondern resultiert aus der Kombination von
Wissensprozessen und körperlichbehaftenen Erfahrungen.
• Hintergrund: Beobachtungen aus der Lernpsychologie, Lernen geschieht durch Erfahrungen.
‣ Konsequenz 1: KI braucht einen körperbehaftenen Agenten (Roboter).
• Intelligenzbegriff ist nicht „objektiv“, sondern vom Menschen definiert.
• Erfahrungswelten sehr unterschiedlich gebauter Wesen
unterscheiden sich wesentlich.
‣ Konsequenz 2: KI braucht einen möglichst menschenähnlichen
körperbehaftenen Agenten (Humanoide Roboter)
‣ Embodiment-Theorie (deutsch: Verkörperung, Inkarnation):
These aus der neueren Kognitionswissenschaft, nach der Intelligenz
einen Körper benötigt, also eine physikalische Interaktion voraussetzt.
Diese Auffassung ist der klassischen Interpretation der „Intelligenz als
Computation“ diametral entgegengesetzt und wird als grundlegende
Wende in der Kognitionswissenschaft angesehen.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Motiv 2 – Die „menschenähnliche“ Einsatzbreite
23
Argumentationslinie:
• Industrieroboter haben die Produktion massiv gewandelt - dabei schwierige, sicherheitskritische
oder einfach monotone, „langweilige“ Aufgaben übernommen.
• Ziel der mobilen Robotik: multifunktionale Helfer für Assistenz im häuslichen/beruflichen Umfeld.
• Besondere Bedeutung künftig: Bereich des Ambient Assisted Living – Roboter bieten Senioren die
Chance für ein lang selbstbestimmtes Leben.
• Lebensraum des Menschen (Gebäude, Verkehrsmittel, Werkzeuge oder Geräte)
orientiert sich an der menschlichen Physiologie.
‣ Humanoide eignen sich für denselben Lebensraum, dieselben Tätigkeiten.
‣ Sogar gleichartige Vorgehensweisen denkbar (entscheidend für die Akzeptanz –
Technik, die zwar geschickt aber nicht nachvollziehbar agiert, erweckt Ängste).
• Humanoide Körperform ermöglicht eine intuitive Mensch-Roboter-Interaktion
(Blickrichtung, Mimik, Gestik, Körpersprache, Sprache).
• Ähnliche Körperform erleichtert das „Imitationslernen“
(Nachahmung, Play-Back-Verfahren).
‣ Hohe Akzeptanz durch intuitive Interaktion.
‣ Erweiterung des Tätigkeitsspektrums durch Nicht-Techniker.
‣ Ähnlichkeit von Humanoiden als Vertrauenssignal. (! ??)
09.11.2012
Sabina Jeschke
ARMAR III
KIT (Dillmann)
(noch nicht humanoider) Rettungsroboter

Ein heikler Ort – das „Uncanny Valley“
24
Uncanny Valley (engl. „unheimliches Tal“):
• Empirisch messbarer, paradox erscheinender Effekt in
der Akzeptanz künstlicher Figuren auf die Zuschauer.
• Akzeptanz steigt nicht linear mit der Menschenähnlichkeit,
sondern hat „mittendrin“ einen starken
Einbruch.
• Erstmals beschrieben 1970 im Journal “Energy” durch
den Robotikforscher Masahiro Mori (Japan).
A: Annahme
B: Realität
Erklärungsansatz (medientheoretisch):
Menschenunähnliche Roboter werden vom Beobachter als eigengesetzlich eingestuft. –
Vorhandene menschliche Eigenschaften werden ihnen zugute geschrieben.
JEDOCH: Menschenähnliche Roboter hingegen werden als Menschen eingeordnet. –
Mängel in nonverbalem Verhalten werden ihnen übel genommen.
09.11.2012
Sabina Jeschke

„Uncanny valley“ Demos
25
C3PO
Star Wars
Girl Roboter
AIST, Tsukuba
Roboter Twin by
Hiroshi Ishiguro
09.11.2012
Sabina Jeschke

Kapitel - Summary
26
• Die Humanoidenforschung wird stark von Japan (und zunehmend Korea) getrieben.
In Europa spielen Deutschland, Frankreich und Spanien eine wichtige Rolle.
Außerdem ist die USA sehr aktiv in diesem Bereich.
• Langsam aber sicher entstehen erschwingliche Hardware-Plattformen,
die Zugang für eine breite Gruppe von Wissenschaftlern erlauben.
• Humanoidenforschung stellt eine wichtige Grundlage für eine „starke künstliche
Intelligenz“ dar.
• Humanoide sind attraktiv wegen der „menschenähnlichen“ Einsatzbreite.
• Das Uncanny Valley stellt die Humanoidenforschung vor
ein besonderes Problem („Henne-Ei“):
Nur in der Interaktion mit Menschen können sich
Humanoide stetig verbessern.
Umgekehrt sinkt jedoch zunächst die Akzeptanz
bei weiteren Fortschritten.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
27
I. Aus der Phantasie des Menschen …
II.
III.
IV.
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.
V. Und was bringt die Zukunft?
09.11.2012
Sabina Jeschke

Auszüge aus einer sich entwickelnden Servicerobotik
28
Charakteristikum der Servicerobotik:
• Komplexität steigt aufgrund der notwendigen
„Alltagstauglichkeit“ erheblich:
• Umgebung ist variantenreicher
• „User“ ist kein Spezialist
Schneeräumen
Musizieren
Kochen
Staubsaugen
09.11.2012
Sabina Jeschke

(Teil-)autonome Trucks - Projekt KONVOI (I)
29
Berufskolleg
Simmerath/Stolberg
09.11.2012
Sabina Jeschke

(Teil-)autonome Trucks - Projekt KONVOI (II)
30
Teilautonome Systeme zur Assistenz des Fahrers
• Steigerung der Verkehrssicherheit
• Effizientere Nutzung der Infrastruktur
• Optimierung des Verkehrsflusses
• Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
• …
KONVOI (konzeptuelle Animation)
KONVOI (Realverkehr)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Autonome Autos – The Google Driverless Car (I)
31
Von Fahrer-Assistenz …
• Kollisionsvermeidung
• Automatisierte regelkonforme Wegfindung
• Einhaltung von Verkehrsregeln
• Berechenbarkeit durch andere Verkehrsteilnehmer
• Turbulenztauglichkeit
• …
Google Driverless Car
Rotating
Sensors
Video Camera
Radar Sensors
09.11.2012
Sabina Jeschke

Autonome Autos – The Google Driverless Car (II)
32
… zur vollständigen Autonomie:
• Auto ohne Fahrer
• Besondere Herausforderung: für Blinde
• Auto: Toyota Prius
• Erster offizieller Testfahrer: Steve Mahan
• Erste offizielle Straßenzulassung eines
fahrerlosen Autos Nevada USA 2012
Testfahrt! Und alles läuft...
Technisches
Innenleben...
Entwickler-
Interface oder
„Was sieht das
Ding eigentlich?“
09.11.2012
Sabina Jeschke

Lernen von der Natur – Stichwort BIONIK
33
Bionische Bewegungsnachahmung:
• Adaption aero- und hydrodynamischer
Eigenschaften
• Steigerung der Energie-Effizienz
• Steigerung der Beweglichkeit
• Verwendung neuer Materialien zur
Nachahmung von Strömungseffekten
• …
Aqua Jelly (Festo)
SmartBird (Festo)
Aqua Ray (Festo)
Air Penguin (Festo)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Lernen von der Natur – Gehen, Laufen, Rennen
34
„Cheetah läuft schneller als Usain Bolt“ (Boston Dynamics) – September 2012
Big Dog & Alpha Dog (Boston Dynamics) tragen schwere Lasten
09.11.2012
Sabina Jeschke

Lernen von der Natur - Fliegen
35
Kooperative / heterogene Schwärme
• Gemeinschaftliches Lösen komplexer
Aufgaben im Schwarm durch verteilte
künstliche Intelligenzen
• Kombinierung individueller Fähigkeiten
durch kooperierende heterogene Systeme
• …
Formation Flight – GRASP Lab
Swarmanoid Project
MARHES Laboratory
09.11.2012
Sabina Jeschke

Kapitel - Summary
36
• Die Servicerobotik – Robotik für den Alltag und den „Jedermann“ - wird vor allem durch
„mobile“ Roboter getrieben.
• Die Realisierung autonomer „Transportsysteme“ (Fahr- und Flugzeuge) ist ein zentrales
Thema. – Das hängt stark mit den Aspekten „Energie“ einerseits und „Sicherheit“
andererseits zusammen.
• Großen Einfluß insbesondere auf die mobile Roboter hat die Natur – Stichwort „Bionik“.
• Partizipation und demographischer Wandel sind zentrale Treiber der Servicerobotik.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
37
I. Aus der Phantasie des Menschen …
II.
III.
IV.
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.
V. Und was bringt die Zukunft?
09.11.2012
Sabina Jeschke

Einsatz von Robotik im Weltraum
38
ROTEX – GSA (EU)
ETS-VII / JAXA (Japan)
Robonaut 1- NASA
DART - NASA
Canadarm 2 - NASA
Robonaut 2 on ISS - NASA
1993 1996 1997 2001 2003
2011
Heute
Quellen: (Yoshida 2009), (M. A. Diftler et al. 2012), (Bluethmann et al. 2003)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Einsatz von Robotik im Weltraum
39
Robonaut 1 & 2
• Übernahme von Wartungs- bzw.
Inspektionsaufgaben
• Einsatz innerhalb und außerhalb von
Raumstationen
Herausforderungen
• Robotik in der Schwerelosigkeit
• Einsatz bei höherer Strahlungsbelastung
• Kooperation und Kollaboration mit dem
Menschen
• Maximale Präzision
1993 1996 1997 2001 2003
2011
Heute
Source : (Bridgwater et al. 2011), (Fong et al. 2006)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mondrover: Ein Überblick
40
Lunochod 1
UDSSR
Lunar Roving Vehicles
NASA – Apollo 15,16,17
Lunochod 2
UDSSR
1970 1971
1972 1973
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: Ein Überblick
41
Sojourner
NASA
Curiosity
NASA
Spirit & Opportunity
NASA
ExoMars Mission
ESA
1997 2004
2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: Pathfinder (I)
42
Mars Exploration Rover (Spirit and Opportunity)
Pathfinder Mission (NASA)
• Erstellung von 3D-Karten durch den Einsatz zweier
Stereo Cameras
• Autonome Navigation durch Positionsbestimmung
durch Visual Odometry Techniken
• Bestimmung der Zusammensetzung von Gestein
mittels eines Alpha Particle X-Ray Spectrometers
• Solarpaneele, bedecken die gesamte Oberseite der
Rover mit einer Fläche von 1,3m²
1997 2004 2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: Pathfinder (II)
43
Mars Exploration Rover (Spirit and Opportunity)
Pathfinder Mission (NASA)
Panorama des Endeavour Kraters und von Cape York am Ort Greeley Haven (Anfang 2012)
1997
2004 2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: Mars Science Laboratory (I)
44
Curiosity Rover
Mars Science Laboratory (NASA)
• Erforschung des Mars hinsichtlich der Eignung als
Biosphäre (Quantitative Messungen von Wasserstoff,
Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff und
Sauerstoff)
• Untersuchung der mineralogischen und chemischen
Zusammensetzung der Marsoberfläche
• Demonstration der Langstrecken-Fortbewegung auf
dem Mars (5-20km)
1997 2004 2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: Mars Science Laboratory (II)
45
Curiosity Rover – Landung August 2012
Mars Science Laboratory (NASA)
Erstes 360° Farbpanorama der Curiosity
1997
2004 2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: ExoMars
46
ExoMars Rover (ESA)
• Ursprünglich geplante Landung im Jahr 2013
• Aus Kostengründen Einstieg der NASA
• Aufgrund explodierender Kosten stieg die NASA
wieder aus
• Enge Kooperation mit Roskosmos (russische
Raumfahrbehörde) soll den Start doch noch
ermöglichen
• Voraussichtlich geplante Landung auf dem
Mars im Jahr 2018
• Voraussichtlich deutlich kleiner als der Curiosity
Rover der NASA
1997 2004 2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Mars-Missionen: Vergleich der Rover
47
Spirit & Opportunity
Masse (in kg) 174 kg
Größe (in m) 1,6x2,3x1,5
Instrumente 5
kWh/Sol 0,3-0,9
Curiosity
Masse (in kg) 900 kg
Größe (in m) 3,1x2,7x2,1
Instrumente 10
kWh/Sol 2,9
Sojourner
Masse (in kg) 10,6 kg
Größe (in m) 0,7x0,5x0,3
Instrumente 4
kWh/Sol max. 0,1
?
1997
2004 2012 Heute
2018
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)
09.11.2012
Sabina Jeschke

Kapitel - Summary
48
• Robotik ist in der Weltraumerkundung ein zentrales Thema –
Stichwort „Sicherheit bei gleichzeitigem Erkenntnisgewinn“.
• Die Astro-Robotik hat für das Thema „autonome Fahrzeuge“ entscheidende Impulse
geliefert und profitiert umgekehrt von der Weiterentwicklung in diesem Gebiet.
• Humanoide spielen auch im Weltraum eine Rolle – wieder: wegen der gleichen „Physis“.
• Die Astro-Robotik stellt eines der anspruchsvollsten Gebiete der Robotik dar –
erstens wegen der „Zero Tolerance“,
zweitens wegen der notwendigen „Vollautonomie“.
09.11.2012
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
49
I. Aus der Phantasie des Menschen …
II.
III.
IV.
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“
V. Und was bringt die Zukunft?
09.11.2012
Sabina Jeschke

… im Dienste demographischer Herausforderungen
50
Inwieweit kann im Bereich des Ambient Assited Living eine erhebliche Steigerung der
Lebensqualität des Menschen erreicht werden? Wie entwickelt sich die allgemeine
Thematik der Exoskelette?
Rex Exoskelett
(Rex Bionics)
HAL Exoskelett
(Cyberdyne)
Service Robot (Toyota)
09.11.2012
Sabina Jeschke

… im Dienste medizinischen Erkenntnisgewinns
51
Inwieweit kann der Einsatz von Nanobots durch Einsatz im menschlichen Körper bei
der Bekämpfung von Krankheiten wie bspw. Demenz oder Krebs helfen?
09.11.2012
Sabina Jeschke

… im Dienste neuer Produkte und Interfaces
52
In welcher Weise verändern modulare, nanotechnologische Systeme und deren
Interaktionfähigkeit mit dem Menschen unser gesamtes Leben? (Programmierbare
Materie, Claytronics Project)
09.11.2012
Sabina Jeschke

… im Dienste einer modernen Produktion: Kooperative Robotik
53
Herausforderung:
• Komplexe Prozesse können nur im Team bewältigt werden
• Mit heterogenen Kompetenzen
Daher: Der intelligente Produktionsroboter
von morgen ist zur Gruppenarbeit fähig!
• er arbeitet mit anderen Robotern zusammen
• er arbeitet in Systemen mit heterogenen Partnern
(anderen Robotern und/oder Softwareagenten)
• er ist in der Lage mit Menschen zu kooperieren
(gleitender Automatisierungsgrad)
Dazu notwendig:
• Kommunikationskonzepte
• Kooperationskonzepte
09.11.2012
Sabina Jeschke

Zitat
54
1. Clark‘sches Gesetz
„Wenn ein angesehener, älterer Wissenschaftler behauptet,
dass etwas möglich ist, hat er höchstwahrscheinlich Recht.
Wenn er behauptet, dass etwas unmöglich ist, hat er
höchstwahrscheinlich Unrecht.“
Arthur C. Clarke (1917-2008)
Science-Fiction – Autor
u.a. „2001: Odyssee im Weltraum“, verfilmt von Stanley Kubrick
09.11.2012
Sabina Jeschke

55
Herzlichen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke
Direktorin des Institutsclusters IMA/ZLW & IfU
Tel.: +49 241 / 80 911 10
sabina.jeschke@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Co-authored by:
Dipl.-Inform. Christian Tummel
Institutscluster IMA/ZLW & IfU
Tel.: +49 241 / 80 911 42
christian.tummel@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Quelle: Pixar
09.11.2012
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Sabina Jeschke

Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke
56
1968 Geboren in Kungälv/Schweden
1991 Geburt Sohn Björn-Marcel
1991 – 1997 Studium der Physik Mathematik und Informatik, TU Berlin
1994 NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA/USA
10/1994 Aufnahme in die Studienstiftung des Deutschen Volkes
1997 Diplom Physik
1997 – 2000 Wissenschaftliche Mitarbeiterin, TU Berlin, Institut für Mathematik
2000 – 2001 Assistant Professor/Lecturer, Georgia Institute of Technology, GA/USA
2001 – 2004 Projektleitung und -management, TU Berlin, Institut für Mathematik
04/2004 Promotion zur Dr. rer. nat., TU Berlin, im Gebiet der Informatik
ab 2004 Aufbau & Leitung des Multimedia-Zentrums für Lehre & Forschung, TU Berlin
2005 – 2007 Juniorprofessorin „Neue Medien in Mathematik & Naturwissenschaften“ &
Direktorin Medienzentrum MuLF, TU Berlin
2007 – 2009 Univ.-Professorin, Institut für IT Service Technologien (IITS) & Direktorin
des Rechenzentrums (RUS), Fakultät Elektrotechnik, Universität Stuttgart
seit 06/2009 Univ.-Professorin, Lehrstuhl Informationsmanagement im Maschinenbau IMA
& Zentrum für Lern- und Wissensmanagement ZLW
& An-Institut für Unternehmenskybernetik IfU der RWTH Aachen
seit 10/2011
seit 03/2011
Prodekanin der Fakultät für Maschinenbau der RWTH Aachen
Vorsitzende des Vorstands des VDI Aachen
09.11.2012
Sabina Jeschke