Roboter - IMA,ZLW & IfU - RWTH Aachen University
Roboter - IMA,ZLW & IfU - RWTH Aachen University
Roboter - IMA,ZLW & IfU - RWTH Aachen University
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To Mars and Beyond<br />
Ein Streifzug durch die moderne Robotik<br />
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke<br />
Wissenschaftsnacht<br />
09. November 2012<br />
Institutscluster <strong>IMA</strong>/<strong>ZLW</strong> & <strong>IfU</strong><br />
der <strong>RWTH</strong> <strong>Aachen</strong> <strong>University</strong><br />
Fakultät für Maschinenwesen<br />
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Inhaltsübersicht<br />
2<br />
I. Aus der Phantasie des Menschen …<br />
II.<br />
III.<br />
IV.<br />
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …<br />
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …<br />
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.<br />
V. Und was bringt die Zukunft?<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Die Kybernetik als „Großvater“ der Robotik<br />
3<br />
1928 – Eric Robot: Erster <strong>Roboter</strong> gebaut in Menschengestalt von Captain<br />
William H. Richards und A. H. Reffell. Zweck war die Ausstellungseröffnung der<br />
Gesellschaft für Modellbauer als Ersatz für den Duke von York. Aluminium.<br />
Funktionen: Aufstehen, Gesten mit den Armen, ferngesteuertes Sprechen.<br />
1932: 2., verbesserte Version<br />
1939 - Elektro: Nächster humanoider <strong>Roboter</strong>. Er konnte laufen,<br />
sprechen (700 Wörter), zählen (mit den Fingern) und rauchen .<br />
Er wurde von Westinghouse/USA zur Weltausstellung in New York<br />
hergestellt und vorgeführt. Aluminium.<br />
1949 Elsie und Elmar („Turtles“): Der Neurophysiologe Dr. W. Grey Walter<br />
erfand den ersten autonomen <strong>Roboter</strong>, der nicht nach vorgegebenen<br />
Verhaltensmustern agiert, sondern auf seine Umgebung reagiert. Ziel war<br />
die Untersuchung simpler Regelkreise, um seine Theorie zu komplexen<br />
Verhaltensweisen aus neuronalen Verbindung zu bestätigen.<br />
Hierbei wurde er durch die junge Wissenschaft der Kybernetik inspiriert.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Die Entwicklung der Kybernetik<br />
4<br />
gr.: κυβερνήτης [kybernētēs] Steuermann(skunst)<br />
Essentials:<br />
• Begründung: 40er Jahren durch Norbert Wiener und andere.<br />
• Idee: Erweiterung der Regelungstechnik auf komplexe Systeme.<br />
• Neu dabei: Keinerlei Voraussetzung an Art der Systeme – es kann sich dabei um Maschinen,<br />
Menschen, Organisationen, ökologische Systeme oder sonstige Konstrukte<br />
mit Informationsrückfluss handeln, auch um Mischformen.<br />
• Systemorientierter Theorieansatz – heute oft auch als „Systemtheorie“ bezeichnet.<br />
v. Neumann<br />
Ashby<br />
Management<br />
Kybernetik<br />
J.W. Forrester<br />
Stafford Beer<br />
H.v.Foerster<br />
Maturana<br />
Varela<br />
’46-‘52 1950er<br />
1960er<br />
1970er<br />
1980er<br />
Macy Konferenzen<br />
(1946-1953)<br />
„Die Übergangszeit“<br />
(1950-1957)<br />
System Dynamics<br />
(1956-…)<br />
Biological Computer<br />
Laboratory<br />
(1958-1975)<br />
Eigenständiges<br />
Theoriegebäude<br />
(80er Jahre)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Macy Konferenzen - Bedeutung für die Kybernetik<br />
5<br />
Die Macy Konferenzen (1946-1953) –<br />
Rückkopplungsschleifen und zirkuläre Kausalität selbstregulierender Systeme<br />
Warren<br />
McCulloch<br />
(Vorsitzender)<br />
Neuropsychologie<br />
Gregory<br />
Bateson<br />
Antropologie<br />
Norbert<br />
Wiener<br />
Mathematik<br />
John von<br />
Neumann<br />
Mathematik<br />
Heinz von<br />
Foerster<br />
Elektrotechnik<br />
Max<br />
Delbrück<br />
Biophysik, Genetik<br />
Claude<br />
Shannon<br />
Inform.theorie<br />
Margaret<br />
Mead<br />
Antropologie<br />
Arturo<br />
Rosenblueth<br />
Physiologie<br />
• 1949 Gedächtnis und Speicher, Neuronale Netze<br />
• 1950 Sprache, Neurophysiologie<br />
• 1951 Kommunikation, Digitale Computer<br />
• 1952 Lernen und Wahrnehmen, Mustererkennung<br />
• 1953 Sprache, Gruppendynamik, - kommunikation<br />
Ein Ziel: Begründung einer allgemeiner Wissenschaft<br />
der Funktionsweise des menschlichen Geistes<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Von der Kybernetik zur Künstlichen Intelligenz<br />
6<br />
Kybernetische Modelle:<br />
Sozio-technisches System, d.h.<br />
technisches Systemen mit bestimmten, an<br />
die Natur angelehnten Verhaltensweisen<br />
(vergl. die „turtles“).<br />
Urahnen der ersten <strong>Roboter</strong>.<br />
Autonomes System:<br />
Intelligentes, computergestütztes<br />
System, das selbstständig Aufgaben<br />
erfüllen kann.<br />
Bsp.: fahrerlose Autos, robotische<br />
Gefährten oder intelligente Häuser.<br />
Systeme künstlicher Intelligenz:<br />
KI: Teilgebiet der Informatik, das sich<br />
mit der Automatisierung intelligenten<br />
Verhaltens befasst.<br />
Versuch, eine menschenähnliche<br />
Intelligenz nachzubilden.<br />
Selbstorganisierendes System:<br />
System, das seine grundlegende<br />
Struktur ändert aufgrund von<br />
Erfahrung und Umgebung.<br />
Populärer Begriff in Kybernetik und<br />
Systemtheorie.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mobile <strong>Roboter</strong>, künstliche Lebewesen, Automaten<br />
7<br />
3500 BC<br />
1400 BC 100 AD 1200 1500 1700 1800<br />
Prometheus Hephastus<br />
Hero(n) of Alexandria Al-Jazari Leonardo Jacques Karakuri-Ningyo da Jaquet-Droz<br />
de Vinci Vaucanson<br />
Formte Mechanische Menschen aus Dienerinnen Lehm Automatisiertes aus Gold <strong>Roboter</strong> Flötenspieler, Theater zur Mechanische Ritterroboter<br />
Teeausgabe mechanische Androidenfamilie<br />
Puppen Ente<br />
1900<br />
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds.): Springer Handbook of Robotics. Springer 2008.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
<strong>Roboter</strong> in Literatur und Film<br />
8<br />
1900 1950<br />
2000<br />
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<br />
Der Sandmann Golem Rossum's Metropolis Universal <strong>Roboter</strong>gesetze 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<br />
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds.): Springer Handbook of Robotics. Springer 2008.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Kapitel - Summary<br />
9<br />
• Die Beschäftigung mit / das Interesse für „künstlichen Lebewesen“ ist uralt.<br />
• Wissenschaftsmethodischer „Großvater“ der Robotik ist die Kybernetik.<br />
• Robotik ist seit jeher ein sehr interdisziplinäres Thema.<br />
• Das umfasst insbesondere auch die Kunst.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht<br />
10<br />
I. Aus der Phantasie des Menschen …<br />
II.<br />
III.<br />
IV.<br />
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …<br />
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …<br />
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.<br />
V. Und was bringt die Zukunft?<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Parade Humanoider <strong>Roboter</strong><br />
11<br />
NAO<br />
Aldebaran<br />
(Frankreich)<br />
Geminoid<br />
Univ. Osaka<br />
(Ishiguro)<br />
(Japan)<br />
<strong>Roboter</strong> Girl<br />
AIST<br />
(Japan)<br />
Justin<br />
DLR<br />
(Germany)<br />
Wakamura<br />
Mitsubishi<br />
(Japan)<br />
REEEM<br />
Pal Robotics<br />
(VAE/Spanien)<br />
ARMAR III<br />
KIT (Dillmann)<br />
(Germany)<br />
Qrio<br />
Sony<br />
(Japan)<br />
HOAP 1<br />
Fujitsu<br />
(Japan)<br />
Asimo<br />
Honda<br />
(Japan)<br />
Hubo<br />
KAIST<br />
(Korea)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke<br />
Kismet<br />
MIT (Brooks)<br />
(USA)<br />
Geigenspieler<br />
Toyota<br />
(Japan)<br />
Petman<br />
Boston Dynamics<br />
(USA)<br />
Kojiro<br />
Univ. Tokyo<br />
(Inaba)<br />
(Japan)<br />
LOLA<br />
TUM (Ulbrich)<br />
(Germany)
NAO (Aldebaran S.A., Frankreich)<br />
12<br />
Eckdaten:<br />
• Größe: 57 cm, 25 Freiheitsgrade, Laufzeit 1.5h .<br />
• Gelenke: Hüfte, Knie, Knöchel, Ellenbogen, Schulter, Kopf.<br />
• Sensorik: 2 Kameras, 4 Mikrophone, 1 Ultraschallsensor, 2<br />
Infrarotsender/-empfänger, Trägheitssensor, 17 Tast- und<br />
Drucksensoren …<br />
• Stimme und Ausdruck: voice synthesizer, 2 Lautsprecher, LED<br />
Leuchten.<br />
• Betrieb: Aldebarans Middleware NAOqi unter Linux, 2 CPUs.<br />
Hauptanwendungen:<br />
• Lehre (Universitäten, Schulen),<br />
• Museen, Ausstellungen,<br />
• Entwicklungsplattform für Humanoidenforschung,<br />
• Standardplattform im RoboCup.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
SPECIAL: NAO im Team – der RoboCup<br />
13<br />
Ausgerechnet Fußball ... ! ??<br />
Fußballspielen stellt <strong>Roboter</strong> vor große sensorische, motorische und kognitive<br />
Herausforderungen:<br />
• Objekterkennung (Ball, Linien, Tor, Spieler, Gegenspieler, ...),<br />
• Regelkenntnis und –anwendung,<br />
• Strategieplanung,<br />
• Koordination des einzelnen Spielers,<br />
• Schnelle Kommunikation und Koordination<br />
im Team,<br />
• Kooperation im Team,<br />
• laufende Interaktion mit einem unvollständig<br />
bekannten und dynamischen Umfeld,<br />
• motorische Fähigkeiten zum<br />
Torschuss aus<br />
verschiedenen Positionen,<br />
• ...<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Asimo (Honda, Japan)<br />
14<br />
Eckdaten:<br />
• Größe: 120 cm, 34 Freiheitsgrade, Laufzeit 40min.<br />
• Gelenke: Hüfte, Knie, Knöchel, Ellenbogen, Handgelenke,<br />
Schulter, Kopf.<br />
• Geschwindigkeit max. gehend: 2,7 km/h, rennend: 6 km/h.<br />
• Sensorik: visuelle Sensoren, Bodenoberflächen-Sensoren,<br />
Ultraschall-Sensoren, IC-Ferninteraktions-Kommunikationskarte,<br />
kinästhetische Kraftsensoren, Audio-Sensoren, ...<br />
• Gesichts- und Gestenerkennung (in eingeschränktem Umfang).<br />
• Betrieb: 4 CPUs.<br />
Hauptanwendungen:<br />
• Erforschung der Mobilität, Schwerpunkt<br />
Gehen (vor- und rückwärts), Rennen,<br />
Treppensteigen etc.,<br />
• Museen, Messen.<br />
• Overall-Goal: Unterstützung<br />
hilfebedürftiger Menschen.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
SPECIAL : Asimo in action<br />
15<br />
Asimo Entwicklung<br />
• Entwicklung seit 1986.<br />
• Erste Prototypen: P1, P2, P3.<br />
• Entwicklung Asimo seit 1999,<br />
erste Vorstellung 2004.<br />
Klar als Forschungsprojekt definiert –<br />
dennoch: Grundlage für andere Technologien<br />
• Kraftfahrzeug-Sicherheit<br />
• Erkennungstechnologien<br />
• Leichtbau<br />
• ...<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Kismet (MIT Artificial Intelligence Lab (Brooks), USA)<br />
16<br />
Eckdaten:<br />
• Motorik: 21 Motoren für das Kopf- und Halssystem, 3<br />
Freiheitsgrade für den Hals, 3 Freiheitsgrade pro Auge, 4 für die<br />
Lippen, 2 pro Ohr, 2 pro Augenbraue, 1 pro Augenlid.<br />
• „Gefühlszustände“: 7 (ruhig, angewidert, verärgert, traurig,<br />
interessiert, glücklich und überrascht).<br />
• Sensorik: Kameras, Mikrophone.<br />
• Stimme und Ausdruck: voice synthesizer, Lautsprecher, mimische<br />
Komponenten.<br />
• Betrieb: Fokus auf real time proccessing, multi-threaded LISP,<br />
unter Unix.<br />
Hauptanwendungen:<br />
• Analyse und Simulation<br />
menschlicher Emotionen,<br />
• Forschung an der<br />
Interaktion von <strong>Roboter</strong>n<br />
mit Menschen.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
SPECIAL: Kismets Emotionszustände<br />
17<br />
Kismet Entwicklung<br />
• Entwicklung 1990 – 2000.<br />
• Seit 2000 Projekt eingestellt,<br />
Ergebnisse jedoch noch immer relevant.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Kojiro (Univ. of Tokyo, JSK Robotics Laboratory (Inaba), Japan)<br />
18<br />
Eckdaten:<br />
• Motorik: aufgebaut auf einer Skelettstruktur, darauf eine<br />
Sehnen-Muskel-Struktur (über 100), 60 Freiheitsgrade.<br />
• Sensoren: insb. Gyroskope (Gleichgewicht) und hochpräzise<br />
Winkelsensoren in den Gelenken.<br />
Hauptanwendungen:<br />
• Analyse des menschlichen<br />
Körperbaus.<br />
• Ziel: „naturgetreuer“<br />
Nachbau des menschlichen<br />
Bewegungsapparates.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
SPECIAL : Kojiro in action<br />
19<br />
Kojiro Entwicklung<br />
• Kotaro: Veröffentlichung v.a. um 2005.<br />
• Kojiro bekannt seit 2010.<br />
• Erste weitgehend vollständige Entwicklung<br />
eines „anthropomimetic musculoskeletal humanoids“.<br />
• Gruppe um Masayuki Inaba, Professor an der Tokyo <strong>University</strong>.<br />
Vorgänger:<br />
Kotaro<br />
Kojiro im Detail<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Drei Schwerpunkte der Humanoidenforschung<br />
20<br />
(Einzel-)<br />
Fähigkeiten<br />
Aktorik<br />
Physiognomie<br />
Gestalt<br />
Gestik<br />
Motorik<br />
Sensorik/<br />
Kognition<br />
Informationsverarbeitung<br />
Informationsbeschaffung<br />
Lernen<br />
Systemverständnis<br />
Anwendungsszenarien<br />
Mimik<br />
Verhalten<br />
des<br />
Einzelnen<br />
Umweltakzeptanz<br />
Mensch-<br />
Maschine<br />
eines<br />
Teams<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Die Hardwareseite - wichtige, offene Forschungsfragen<br />
21<br />
• Einerseits: Fortschritt in anderen Bereichen, insb. der Industrierobotik,<br />
der Chipherstellung für Microcontroller etc.<br />
• Andererseits: Mobile Robotik stellt neue Anforderungen an die<br />
verfügbare Hardware<br />
Exemplarisch:<br />
• Sensorik:<br />
• Erweiterung des Sinnesspektrums (Bsp. künstliche Haut)<br />
• Aktoren:<br />
• Weitere Miniaturisierung für detailgetreuen Muskelnachbau<br />
(z.B. über Kopplung mit Nanotechnologie)<br />
• Datentransport:<br />
• Bsp. Multi-Electrode-Arrays zur Kopplung von Nervenzellen mit<br />
elektronischen Schaltungen<br />
• Rechenleistung:<br />
• Weitere Steigerung zur Verarbeitung multipler Sensordaten<br />
• Overall, für alle Komponenten:<br />
• Energieeffizienz (incl. Leichtbau...)<br />
ICub, IIT Genua,<br />
mit stellenweise<br />
künstlicher Haut<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Motiv 1 – Humanoide für den Durchbruch in der KI<br />
22<br />
Argumentationslinie:<br />
Konstruktion humanoider <strong>Roboter</strong> ist Grundlage für die Erschaffung einer menschenähnlichen,<br />
künstlichen Intelligenz:<br />
• KI kann nicht „einfach so“ programmiert werden, sondern resultiert aus der Kombination von<br />
Wissensprozessen und körperlichbehaftenen Erfahrungen.<br />
• Hintergrund: Beobachtungen aus der Lernpsychologie, Lernen geschieht durch Erfahrungen.<br />
‣ Konsequenz 1: KI braucht einen körperbehaftenen Agenten (<strong>Roboter</strong>).<br />
• Intelligenzbegriff ist nicht „objektiv“, sondern vom Menschen definiert.<br />
• Erfahrungswelten sehr unterschiedlich gebauter Wesen<br />
unterscheiden sich wesentlich.<br />
‣ Konsequenz 2: KI braucht einen möglichst menschenähnlichen<br />
körperbehaftenen Agenten (Humanoide <strong>Roboter</strong>)<br />
‣ Embodiment-Theorie (deutsch: Verkörperung, Inkarnation):<br />
These aus der neueren Kognitionswissenschaft, nach der Intelligenz<br />
einen Körper benötigt, also eine physikalische Interaktion voraussetzt.<br />
Diese Auffassung ist der klassischen Interpretation der „Intelligenz als<br />
Computation“ diametral entgegengesetzt und wird als grundlegende<br />
Wende in der Kognitionswissenschaft angesehen.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Motiv 2 – Die „menschenähnliche“ Einsatzbreite<br />
23<br />
Argumentationslinie:<br />
• Industrieroboter haben die Produktion massiv gewandelt - dabei schwierige, sicherheitskritische<br />
oder einfach monotone, „langweilige“ Aufgaben übernommen.<br />
• Ziel der mobilen Robotik: multifunktionale Helfer für Assistenz im häuslichen/beruflichen Umfeld.<br />
• Besondere Bedeutung künftig: Bereich des Ambient Assisted Living – <strong>Roboter</strong> bieten Senioren die<br />
Chance für ein lang selbstbestimmtes Leben.<br />
• Lebensraum des Menschen (Gebäude, Verkehrsmittel, Werkzeuge oder Geräte)<br />
orientiert sich an der menschlichen Physiologie.<br />
‣ Humanoide eignen sich für denselben Lebensraum, dieselben Tätigkeiten.<br />
‣ Sogar gleichartige Vorgehensweisen denkbar (entscheidend für die Akzeptanz –<br />
Technik, die zwar geschickt aber nicht nachvollziehbar agiert, erweckt Ängste).<br />
• Humanoide Körperform ermöglicht eine intuitive Mensch-<strong>Roboter</strong>-Interaktion<br />
(Blickrichtung, Mimik, Gestik, Körpersprache, Sprache).<br />
• Ähnliche Körperform erleichtert das „Imitationslernen“<br />
(Nachahmung, Play-Back-Verfahren).<br />
‣ Hohe Akzeptanz durch intuitive Interaktion.<br />
‣ Erweiterung des Tätigkeitsspektrums durch Nicht-Techniker.<br />
‣ Ähnlichkeit von Humanoiden als Vertrauenssignal. (! ??)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke<br />
ARMAR III<br />
KIT (Dillmann)<br />
(noch nicht humanoider) Rettungsroboter
Ein heikler Ort – das „Uncanny Valley“<br />
24<br />
Uncanny Valley (engl. „unheimliches Tal“):<br />
• Empirisch messbarer, paradox erscheinender Effekt in<br />
der Akzeptanz künstlicher Figuren auf die Zuschauer.<br />
• Akzeptanz steigt nicht linear mit der Menschenähnlichkeit,<br />
sondern hat „mittendrin“ einen starken<br />
Einbruch.<br />
• Erstmals beschrieben 1970 im Journal “Energy” durch<br />
den Robotikforscher Masahiro Mori (Japan).<br />
A: Annahme<br />
B: Realität<br />
Erklärungsansatz (medientheoretisch):<br />
Menschenunähnliche <strong>Roboter</strong> werden vom Beobachter als eigengesetzlich eingestuft. –<br />
Vorhandene menschliche Eigenschaften werden ihnen zugute geschrieben.<br />
JEDOCH: Menschenähnliche <strong>Roboter</strong> hingegen werden als Menschen eingeordnet. –<br />
Mängel in nonverbalem Verhalten werden ihnen übel genommen.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
„Uncanny valley“ Demos<br />
25<br />
C3PO<br />
Star Wars<br />
Girl <strong>Roboter</strong><br />
AIST, Tsukuba<br />
<strong>Roboter</strong> Twin by<br />
Hiroshi Ishiguro<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Kapitel - Summary<br />
26<br />
• Die Humanoidenforschung wird stark von Japan (und zunehmend Korea) getrieben.<br />
In Europa spielen Deutschland, Frankreich und Spanien eine wichtige Rolle.<br />
Außerdem ist die USA sehr aktiv in diesem Bereich.<br />
• Langsam aber sicher entstehen erschwingliche Hardware-Plattformen,<br />
die Zugang für eine breite Gruppe von Wissenschaftlern erlauben.<br />
• Humanoidenforschung stellt eine wichtige Grundlage für eine „starke künstliche<br />
Intelligenz“ dar.<br />
• Humanoide sind attraktiv wegen der „menschenähnlichen“ Einsatzbreite.<br />
• Das Uncanny Valley stellt die Humanoidenforschung vor<br />
ein besonderes Problem („Henne-Ei“):<br />
Nur in der Interaktion mit Menschen können sich<br />
Humanoide stetig verbessern.<br />
Umgekehrt sinkt jedoch zunächst die Akzeptanz<br />
bei weiteren Fortschritten.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht<br />
27<br />
I. Aus der Phantasie des Menschen …<br />
II.<br />
III.<br />
IV.<br />
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …<br />
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …<br />
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.<br />
V. Und was bringt die Zukunft?<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Auszüge aus einer sich entwickelnden Servicerobotik<br />
28<br />
Charakteristikum der Servicerobotik:<br />
• Komplexität steigt aufgrund der notwendigen<br />
„Alltagstauglichkeit“ erheblich:<br />
• Umgebung ist variantenreicher<br />
• „User“ ist kein Spezialist<br />
Schneeräumen<br />
Musizieren<br />
Kochen<br />
Staubsaugen<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
(Teil-)autonome Trucks - Projekt KONVOI (I)<br />
29<br />
Berufskolleg<br />
Simmerath/Stolberg<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
(Teil-)autonome Trucks - Projekt KONVOI (II)<br />
30<br />
Teilautonome Systeme zur Assistenz des Fahrers<br />
• Steigerung der Verkehrssicherheit<br />
• Effizientere Nutzung der Infrastruktur<br />
• Optimierung des Verkehrsflusses<br />
• Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs<br />
• …<br />
KONVOI (konzeptuelle Animation)<br />
KONVOI (Realverkehr)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Autonome Autos – The Google Driverless Car (I)<br />
31<br />
Von Fahrer-Assistenz …<br />
• Kollisionsvermeidung<br />
• Automatisierte regelkonforme Wegfindung<br />
• Einhaltung von Verkehrsregeln<br />
• Berechenbarkeit durch andere Verkehrsteilnehmer<br />
• Turbulenztauglichkeit<br />
• …<br />
Google Driverless Car<br />
Rotating<br />
Sensors<br />
Video Camera<br />
Radar Sensors<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Autonome Autos – The Google Driverless Car (II)<br />
32<br />
… zur vollständigen Autonomie:<br />
• Auto ohne Fahrer<br />
• Besondere Herausforderung: für Blinde<br />
• Auto: Toyota Prius<br />
• Erster offizieller Testfahrer: Steve Mahan<br />
• Erste offizielle Straßenzulassung eines<br />
fahrerlosen Autos Nevada USA 2012<br />
Testfahrt! Und alles läuft...<br />
Technisches<br />
Innenleben...<br />
Entwickler-<br />
Interface oder<br />
„Was sieht das<br />
Ding eigentlich?“<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Lernen von der Natur – Stichwort BIONIK<br />
33<br />
Bionische Bewegungsnachahmung:<br />
• Adaption aero- und hydrodynamischer<br />
Eigenschaften<br />
• Steigerung der Energie-Effizienz<br />
• Steigerung der Beweglichkeit<br />
• Verwendung neuer Materialien zur<br />
Nachahmung von Strömungseffekten<br />
• …<br />
Aqua Jelly (Festo)<br />
SmartBird (Festo)<br />
Aqua Ray (Festo)<br />
Air Penguin (Festo)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Lernen von der Natur – Gehen, Laufen, Rennen<br />
34<br />
„Cheetah läuft schneller als Usain Bolt“ (Boston Dynamics) – September 2012<br />
Big Dog & Alpha Dog (Boston Dynamics) tragen schwere Lasten<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Lernen von der Natur - Fliegen<br />
35<br />
Kooperative / heterogene Schwärme<br />
• Gemeinschaftliches Lösen komplexer<br />
Aufgaben im Schwarm durch verteilte<br />
künstliche Intelligenzen<br />
• Kombinierung individueller Fähigkeiten<br />
durch kooperierende heterogene Systeme<br />
• …<br />
Formation Flight – GRASP Lab<br />
Swarmanoid Project<br />
MARHES Laboratory<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Kapitel - Summary<br />
36<br />
• Die Servicerobotik – Robotik für den Alltag und den „Jedermann“ - wird vor allem durch<br />
„mobile“ <strong>Roboter</strong> getrieben.<br />
• Die Realisierung autonomer „Transportsysteme“ (Fahr- und Flugzeuge) ist ein zentrales<br />
Thema. – Das hängt stark mit den Aspekten „Energie“ einerseits und „Sicherheit“<br />
andererseits zusammen.<br />
• Großen Einfluß insbesondere auf die mobile <strong>Roboter</strong> hat die Natur – Stichwort „Bionik“.<br />
• Partizipation und demographischer Wandel sind zentrale Treiber der Servicerobotik.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht<br />
37<br />
I. Aus der Phantasie des Menschen …<br />
II.<br />
III.<br />
IV.<br />
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …<br />
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …<br />
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“.<br />
V. Und was bringt die Zukunft?<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Einsatz von Robotik im Weltraum<br />
38<br />
ROTEX – GSA (EU)<br />
ETS-VII / JAXA (Japan)<br />
Robonaut 1- NASA<br />
DART - NASA<br />
Canadarm 2 - NASA<br />
Robonaut 2 on ISS - NASA<br />
1993 1996 1997 2001 2003<br />
2011<br />
Heute<br />
Quellen: (Yoshida 2009), (M. A. Diftler et al. 2012), (Bluethmann et al. 2003)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Einsatz von Robotik im Weltraum<br />
39<br />
Robonaut 1 & 2<br />
• Übernahme von Wartungs- bzw.<br />
Inspektionsaufgaben<br />
• Einsatz innerhalb und außerhalb von<br />
Raumstationen<br />
Herausforderungen<br />
• Robotik in der Schwerelosigkeit<br />
• Einsatz bei höherer Strahlungsbelastung<br />
• Kooperation und Kollaboration mit dem<br />
Menschen<br />
• Maximale Präzision<br />
1993 1996 1997 2001 2003<br />
2011<br />
Heute<br />
Source : (Bridgwater et al. 2011), (Fong et al. 2006)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mondrover: Ein Überblick<br />
40<br />
Lunochod 1<br />
UDSSR<br />
Lunar Roving Vehicles<br />
NASA – Apollo 15,16,17<br />
Lunochod 2<br />
UDSSR<br />
1970 1971<br />
1972 1973<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: Ein Überblick<br />
41<br />
Sojourner<br />
NASA<br />
Curiosity<br />
NASA<br />
Spirit & Opportunity<br />
NASA<br />
ExoMars Mission<br />
ESA<br />
1997 2004<br />
2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: Pathfinder (I)<br />
42<br />
Mars Exploration Rover (Spirit and Opportunity)<br />
Pathfinder Mission (NASA)<br />
• Erstellung von 3D-Karten durch den Einsatz zweier<br />
Stereo Cameras<br />
• Autonome Navigation durch Positionsbestimmung<br />
durch Visual Odometry Techniken<br />
• Bestimmung der Zusammensetzung von Gestein<br />
mittels eines Alpha Particle X-Ray Spectrometers<br />
• Solarpaneele, bedecken die gesamte Oberseite der<br />
Rover mit einer Fläche von 1,3m²<br />
1997 2004 2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: Pathfinder (II)<br />
43<br />
Mars Exploration Rover (Spirit and Opportunity)<br />
Pathfinder Mission (NASA)<br />
Panorama des Endeavour Kraters und von Cape York am Ort Greeley Haven (Anfang 2012)<br />
1997<br />
2004 2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: Mars Science Laboratory (I)<br />
44<br />
Curiosity Rover<br />
Mars Science Laboratory (NASA)<br />
• Erforschung des Mars hinsichtlich der Eignung als<br />
Biosphäre (Quantitative Messungen von Wasserstoff,<br />
Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Kohlenstoff und<br />
Sauerstoff)<br />
• Untersuchung der mineralogischen und chemischen<br />
Zusammensetzung der Marsoberfläche<br />
• Demonstration der Langstrecken-Fortbewegung auf<br />
dem Mars (5-20km)<br />
1997 2004 2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: Mars Science Laboratory (II)<br />
45<br />
Curiosity Rover – Landung August 2012<br />
Mars Science Laboratory (NASA)<br />
Erstes 360° Farbpanorama der Curiosity<br />
1997<br />
2004 2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: ExoMars<br />
46<br />
ExoMars Rover (ESA)<br />
• Ursprünglich geplante Landung im Jahr 2013<br />
• Aus Kostengründen Einstieg der NASA<br />
• Aufgrund explodierender Kosten stieg die NASA<br />
wieder aus<br />
• Enge Kooperation mit Roskosmos (russische<br />
Raumfahrbehörde) soll den Start doch noch<br />
ermöglichen<br />
• Voraussichtlich geplante Landung auf dem<br />
Mars im Jahr 2018<br />
• Voraussichtlich deutlich kleiner als der Curiosity<br />
Rover der NASA<br />
1997 2004 2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Mars-Missionen: Vergleich der Rover<br />
47<br />
Spirit & Opportunity<br />
Masse (in kg) 174 kg<br />
Größe (in m) 1,6x2,3x1,5<br />
Instrumente 5<br />
kWh/Sol 0,3-0,9<br />
Curiosity<br />
Masse (in kg) 900 kg<br />
Größe (in m) 3,1x2,7x2,1<br />
Instrumente 10<br />
kWh/Sol 2,9<br />
Sojourner<br />
Masse (in kg) 10,6 kg<br />
Größe (in m) 0,7x0,5x0,3<br />
Instrumente 4<br />
kWh/Sol max. 0,1<br />
?<br />
1997<br />
2004 2012 Heute<br />
2018<br />
Quellen: (Brian Wilcox et al. 2006), (Yoshida 2009), (Jet Propulsion Laboratory 2011), (ESA 2011)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Kapitel - Summary<br />
48<br />
• Robotik ist in der Weltraumerkundung ein zentrales Thema –<br />
Stichwort „Sicherheit bei gleichzeitigem Erkenntnisgewinn“.<br />
• Die Astro-Robotik hat für das Thema „autonome Fahrzeuge“ entscheidende Impulse<br />
geliefert und profitiert umgekehrt von der Weiterentwicklung in diesem Gebiet.<br />
• Humanoide spielen auch im Weltraum eine Rolle – wieder: wegen der gleichen „Physis“.<br />
• Die Astro-Robotik stellt eines der anspruchsvollsten Gebiete der Robotik dar –<br />
erstens wegen der „Zero Tolerance“,<br />
zweitens wegen der notwendigen „Vollautonomie“.<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht<br />
49<br />
I. Aus der Phantasie des Menschen …<br />
II.<br />
III.<br />
IV.<br />
… zu Humanoiden als Abbild Unseresgleichen …<br />
… um unsere Fähigkeiten und Möglichkeiten zu erweitern …<br />
… und um dorthin zu gelangen, „wo noch kein Mensch zuvor gewesen ist“<br />
V. Und was bringt die Zukunft?<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
… im Dienste demographischer Herausforderungen<br />
50<br />
Inwieweit kann im Bereich des Ambient Assited Living eine erhebliche Steigerung der<br />
Lebensqualität des Menschen erreicht werden? Wie entwickelt sich die allgemeine<br />
Thematik der Exoskelette?<br />
Rex Exoskelett<br />
(Rex Bionics)<br />
HAL Exoskelett<br />
(Cyberdyne)<br />
Service Robot (Toyota)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
… im Dienste medizinischen Erkenntnisgewinns<br />
51<br />
Inwieweit kann der Einsatz von Nanobots durch Einsatz im menschlichen Körper bei<br />
der Bekämpfung von Krankheiten wie bspw. Demenz oder Krebs helfen?<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
… im Dienste neuer Produkte und Interfaces<br />
52<br />
In welcher Weise verändern modulare, nanotechnologische Systeme und deren<br />
Interaktionfähigkeit mit dem Menschen unser gesamtes Leben? (Programmierbare<br />
Materie, Claytronics Project)<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
… im Dienste einer modernen Produktion: Kooperative Robotik<br />
53<br />
Herausforderung:<br />
• Komplexe Prozesse können nur im Team bewältigt werden<br />
• Mit heterogenen Kompetenzen<br />
Daher: Der intelligente Produktionsroboter<br />
von morgen ist zur Gruppenarbeit fähig!<br />
• er arbeitet mit anderen <strong>Roboter</strong>n zusammen<br />
• er arbeitet in Systemen mit heterogenen Partnern<br />
(anderen <strong>Roboter</strong>n und/oder Softwareagenten)<br />
• er ist in der Lage mit Menschen zu kooperieren<br />
(gleitender Automatisierungsgrad)<br />
Dazu notwendig:<br />
• Kommunikationskonzepte<br />
• Kooperationskonzepte<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
Zitat<br />
54<br />
1. Clark‘sches Gesetz<br />
„Wenn ein angesehener, älterer Wissenschaftler behauptet,<br />
dass etwas möglich ist, hat er höchstwahrscheinlich Recht.<br />
Wenn er behauptet, dass etwas unmöglich ist, hat er<br />
höchstwahrscheinlich Unrecht.“<br />
Arthur C. Clarke (1917-2008)<br />
Science-Fiction – Autor<br />
u.a. „2001: Odyssee im Weltraum“, verfilmt von Stanley Kubrick<br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke
55<br />
Herzlichen Dank für<br />
Ihre Aufmerksamkeit!<br />
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke<br />
Direktorin des Institutsclusters <strong>IMA</strong>/<strong>ZLW</strong> & <strong>IfU</strong><br />
Tel.: +49 241 / 80 911 10<br />
sabina.jeschke@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de<br />
Co-authored by:<br />
Dipl.-Inform. Christian Tummel<br />
Institutscluster <strong>IMA</strong>/<strong>ZLW</strong> & <strong>IfU</strong><br />
Tel.: +49 241 / 80 911 42<br />
christian.tummel@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de<br />
Quelle: Pixar<br />
09.11.2012<br />
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de<br />
Sabina Jeschke
Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke<br />
56<br />
1968 Geboren in Kungälv/Schweden<br />
1991 Geburt Sohn Björn-Marcel<br />
1991 – 1997 Studium der Physik Mathematik und Informatik, TU Berlin<br />
1994 NASA Ames Research Center, Moffett Field, CA/USA<br />
10/1994 Aufnahme in die Studienstiftung des Deutschen Volkes<br />
1997 Diplom Physik<br />
1997 – 2000 Wissenschaftliche Mitarbeiterin, TU Berlin, Institut für Mathematik<br />
2000 – 2001 Assistant Professor/Lecturer, Georgia Institute of Technology, GA/USA<br />
2001 – 2004 Projektleitung und -management, TU Berlin, Institut für Mathematik<br />
04/2004 Promotion zur Dr. rer. nat., TU Berlin, im Gebiet der Informatik<br />
ab 2004 Aufbau & Leitung des Multimedia-Zentrums für Lehre & Forschung, TU Berlin<br />
2005 – 2007 Juniorprofessorin „Neue Medien in Mathematik & Naturwissenschaften“ &<br />
Direktorin Medienzentrum MuLF, TU Berlin<br />
2007 – 2009 Univ.-Professorin, Institut für IT Service Technologien (IITS) & Direktorin<br />
des Rechenzentrums (RUS), Fakultät Elektrotechnik, Universität Stuttgart<br />
seit 06/2009 Univ.-Professorin, Lehrstuhl Informationsmanagement im Maschinenbau <strong>IMA</strong><br />
& Zentrum für Lern- und Wissensmanagement <strong>ZLW</strong><br />
& An-Institut für Unternehmenskybernetik <strong>IfU</strong> der <strong>RWTH</strong> <strong>Aachen</strong><br />
seit 10/2011<br />
seit 03/2011<br />
Prodekanin der Fakultät für Maschinenbau der <strong>RWTH</strong> <strong>Aachen</strong><br />
Vorsitzende des Vorstands des VDI <strong>Aachen</strong><br />
09.11.2012<br />
Sabina Jeschke