III. Humanoide Roboter - IMA,ZLW & IfU - RWTH Aachen University

Humanoide Roboter
Synergie der Wissenschaften
Rotary-Club Aachen/Charlemagne,
5. Oktober 2011
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke
Institutscluster IMA/ZLW & IfU
der RWTH Aachen University
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de

Was ist ein Humanoider Roboter?
2
lat.: homo Mensch
gr.: εἶδος [ˈidɔs] Gestalt
„Naive“ Eigenschaften:
• Skelettstruktur entspricht
der eines Menschen,
• zwei Beine zur
Fortbewegung mit
• Kniegelenk, das in
Laufrichtung einknickt,
• aufrechter Gang,
• Kopf,
• Torso,
• Arme.
Weiterführend: an menschlichem
Verhalten orientierte/s
• Verhalten,
• Intelligenz,
• Autonomie.
05.10.2011
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
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I. Aus der Evolution der Robotik
II. Kybernetik – Rückkopplung und Autonomie
III. Humanoide Roboter – zum State of the Art
IV. Mit den Humanoiden zu Künstlicher Intelligenz
05.10.2011
Sabina Jeschke

Mobile Roboter, künstliche Lebewesen, Automaten
4
3500 BC
1400 BC 100 AD 1200 1500 1700 1800
Prometheus Hephastus
Hero(n) of Alexandria Al-Jazari Leonardo Jacques Karakuri-Ningyo da Jacquet-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.
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Sabina Jeschke

Roboter in Literatur und Film
5
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.
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Sabina Jeschke

Erste Schritte zu humanoiden Robotern
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1928 – Eric Robot: Erster Roboter gebaut in Menschengestalt von Captain
William H. Richards und A. H. Reffell. Zweck war die Ausstellungseröffung 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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
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I. Aus der Evolution der Robotik
II. Kybernetik – Rückkopplung und Autonomie
III. Humanoide Roboter – zum State of the Art
IV. Mit den Humanoiden zu Künstlicher Intelligenz
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Sabina Jeschke

Die Entwicklung der Kybernetik
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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)
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Sabina Jeschke

Macy Konferenzen - Bedeutung für die Kybernetik
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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
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Sabina Jeschke

Von der Kybernetik zur Künstlichen Intelligenz
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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.
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Sabina Jeschke

Motiv 1 – Humanoide für den Durchbruch in der KI
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Argumentationslinie:
Konstruktion humanoider Roboter ist Grundlage für die Erschaffung einer menschenähnlichen,
künstlichen Intelligenz:
• KI kann nicht einfach programmiert werden, sondern resultiert aus der Kombination von
Wissensprozesse n 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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

Inhaltsübersicht
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I. Aus der Evolution der Robotik
II. Kybernetik – Rückkopplung und Autonomie
III. Humanoide Roboter – zum State of the Art
IV. Mit den Humanoiden zu Künstlicher Intelligenz
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Sabina Jeschke

Parade Humanoider Roboter
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Roboter
Girl
AIST
(Japan)
Kismet
MIT (Brooks)
(USA)
NAO
Aldebaran
(Frankreich)
Wakamura
Mitsubishi
(Japan)
REEEM
Pal Robotics
(VAE/Spanien)
ARMAR III
KIT (Dillmann)
(Deutschland)
LOLA
TUM (Ulbrich)
(Deutschland)
Qrio
Sony
(Japan)
HOAP 1
Fujitsu
(Japan)
Asimo
Honda
(Japan)
Geigenspieler
Toyota
(Japan)
Petman
Boston Dynamics
(USA)
Kojiro
Univ. Tokyo
(Inaba)
(Japan)
05.10.2011
Sabina Jeschke

NAO (Aldebaran S.A., Frankreich)
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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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

SPECIAL: NAO im Team – der RoboCup
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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,
• ...
05.10.2011
Sabina Jeschke

Asimo (Honda, Japan)
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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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

SPECIAL : Asimo in action
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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
• ...
05.10.2011
Sabina Jeschke

Kismet (MIT Artificial Intelligence Lab (Brooks), USA)
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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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

SPECIAL: Kismets Emotionszustände
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Kismet Entwicklung
• Entwicklung 1990 – 2000.
• Seit 2000 Projekt eingestellt,
Ergebnisse jedoch noch immer relevant.
05.10.2011
Sabina Jeschke

Kojiro (Univ. of Tokyo, JSK Robotics Laboratory (Inaba), Japan)
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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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

SPECIAL : Kojiro in action
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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
05.10.2011
Sabina Jeschke

Motiv 2 – Die „menschenähnliche“ Einsatzbreite
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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. (! ??)
05.10.2011
Sabina Jeschke
ARMAR III
KIT (Dillmann)
(noch nicht humanoider) Rettungsroboter

Inhaltsübersicht
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I. Aus der Evolution der Robotik
II. Kybernetik – Rückkopplung und Autonomie
III. Humanoide Roboter – zum State of the Art
IV. Mit den Humanoiden zu Künstlicher Intelligenz
05.10.2011
Sabina Jeschke

Drei Schwerpunkte der Humanoidenforschung
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(Einzel-)
Fähigkeiten
Aktorik
Physiognomie
Gestalt
Gestik
Motorik
Sensorik/
Kognition
Informationsverarbeitung
Informationsbeschaffung
Lernen
Systemverständnis
Anwendungsszenarien
Mimik
Verhalten
des
Einzelnen
Umweltakzeptanz
Mensch-
Maschine
eines
Teams
05.10.2011
Sabina Jeschke

Die Hardwareseite - wichtige, offene Forschungsfragen
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• 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
05.10.2011
Sabina Jeschke

Ein heikler Ort – das „Uncanny Valley“
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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.
05.10.2011
Sabina Jeschke

„Uncanny valley“ Demos
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C3PO
Star Wars
Girl Roboter
AIST, Tsukuba
Roboter Twin by
Hiroshi Ishiguro
05.10.2011
Sabina Jeschke

Zusammenfassung
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• Die Humanoidenforschung also solche ist verhältnismäßig jung, sie geht jedoch umfassend auf die
„alten“ Motivationen und Konzepte der (interdisziplinären) Kybernetik (1940, Wiener u.a.) zurück.
• Eine zentrale Motivation für die Forschung an Humanoiden ist die Hoffnung, bestimmte Aspekte
der menschlichen Intelligenz besser zu verstehen und damit einen Durchbruch in der KI zu
erreichen, mit dann massiven Auswirkungen auf alle computer-nahen Anwendungen.
• Der State of the Art ... ist ausbaufähig.
• Die fortschreitende Leistungsfähigkeit und weitere Miniaturisierung der Hardware ist eine
wichtige Voraussetzung zum Erfolg.
• Für mobile Roboter bleibt das Thema der Energieeffizienz ihrer Komponenten „heiß“!!
• Das Uncanny Valley stellt die Forschung 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.
• Humanoidenforschung ist ein wichtiges Wissenschaftsgebiet für die Zukunft. Umfassende Erfolge
werden sich jedoch nur durch umfassende Interdisziplinarität und die enge Kooperation vieler
unterschiedlicher Fachdisziplinen realisieren lassen.
05.10.2011
Sabina Jeschke

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Herzlichen Dank für
Ihre Aufmerksamkeit!
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke
Direktorin Institutscluster IMA/ZLW & IfU
Tel.: +49 241-80-91110
sabina.jeschke@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Co-authored by:
Philipp Wolters M.A.
Forschungsgruppenleiter „Technische Kybernetik“
Institutscluster IMA/ZLW & IfU
Tel.: +49 241-80-91178
philipp.wolters@ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
05.10.2011
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
Sabina Jeschke