Embed Size (px)
Citation preview
www.ima-zlw-ifu.rwth-aachen.de
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
2
05.10.2011
Sabina Jeschke
Was ist ein Humanoider Roboter?
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 mensch- lichem Verhalten orientierte/s
Verhalten, Intelligenz, Autonomie.
3
05.10.2011
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht
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
4
05.10.2011
Sabina Jeschke
1900 1700 1500 1200 100 AD 1400 BC
Mobile Roboter, künstliche Lebewesen, Automaten
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds.): Springer Handbook of Robotics. Springer 2008.
3500 BC
Prometheus Formte Menschen aus Lehm
Hephastus Mechanische Dienerinnen aus Gold
Hero(n) of Alexandria Automatisiertes Theater
Al-Jazari Roboter zur Teeausgabe
Leonardo da Vinci Ritterroboter
Jacquet-Droz Androidenfamilie
Karakuri-Ningyo Mechanische Puppen
1800
Jacques de Vaucanson Flötenspieler, mechanische Ente
5
05.10.2011
Sabina Jeschke
Roboter in Literatur und Film
Bruno Siciliano, Oussama Khatib (Eds.): Springer Handbook of Robotics. Springer 2008.
1900 2000
Jüdische Legende Golem
Isaac Asimov Robotergesetze
E.T.A. Hoffmann Der Sandmann
Fritz Langen Metropolis
Robert Wise Der Tag an dem die Erde stillstand
Willson & Maddock Nummer 5 lebt
James Cameron Terminator
Vintar & Goldsman I, Robot
1950
Mangas Science Fiction-Mangas (ab 1960)
Karel Čapek Rossum's Universal Robots
Gene Roddenberry Star Trek
Fred M. Wilcox Alarm im Weltall
George Lucas Star Wars
6
05.10.2011
Sabina Jeschke
Erste Schritte zu humanoiden Robotern
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.
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.
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.
1932: 2., verbesserte Version
7
05.10.2011
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht
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
8
05.10.2011
Sabina Jeschke
Die Entwicklung der Kybernetik
H.v.Foerster
’46-‘52 1970er
Ashby
1950er
Stafford Beer J.W. Forrester
1980er 1960er
Macy Konferenzen (1946-1953)
„Die Übergangszeit“ (1950-1957)
Biological Computer Laboratory (1958-1975)
Eigenständiges Theoriegebäude (80er Jahre)
Management Kybernetik
System Dynamics (1956-…)
Maturana Varela
v. Neumann
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.
9
05.10.2011
Sabina Jeschke
Macy Konferenzen - Bedeutung für die Kybernetik
Die Macy Konferenzen (1946-1953) – Rückkopplungsschleifen und zirkuläre Kausalität selbstregulierender Systeme
Claude Shannon Inform.theorie
Max Delbrück Biophysik, Genetik
Warren McCulloch (Vorsitzender) Neuropsychologie
Gregory Bateson Antropologie
Norbert Wiener Mathematik
John von Neumann Mathematik
Heinz von Foerster Elektrotechnik
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
10
05.10.2011
Sabina Jeschke
Von der Kybernetik zur Künstlichen Intelligenz
Kybernetische Modelle: Sozio-technisches System, d.h. technisches Systemen mit bestimmten, an die Natur angelehnten Verhaltensweisen (vergl. die „turtles“).
Urahnen der ersten Roboter.
Selbstorganisierendes System: System, das seine grundlegende Struktur ändert aufgrund von Erfahrung und Umgebung.
Populärer Begriff in Kybernetik und Systemtheorie.
Systeme künstlicher Intelligenz: KI: Teilgebiet der Informatik, das sich mit der Automatisierung intelligenten Verhaltens befasst.
Versuch, eine menschenähnliche Intelligenz nachzubilden.
Autonomes System: Intelligentes, computergestütztes System, das selbstständig Aufgaben erfüllen kann.
Bsp.: fahrerlose Autos, robotische Gefährten oder intelligente Häuser.
11
05.10.2011
Sabina Jeschke
Motiv 1 – Humanoide für den Durchbruch in der KI
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 menschen- ähnlichen 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.
12
05.10.2011
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht
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
13
05.10.2011
Sabina Jeschke
Parade Humanoider Roboter
LOLA TUM (Ulbrich) (Deutschland)
REEEM Pal Robotics (VAE/Spanien)
Asimo Honda (Japan)
NAO Aldebaran (Frankreich)
Geigenspieler Toyota (Japan)
Petman Boston Dynamics (USA)
HOAP 1 Fujitsu (Japan)
Qrio Sony
(Japan)
Wakamura Mitsubishi
(Japan)
ARMAR III KIT (Dillmann) (Deutschland)
Kismet MIT (Brooks) (USA)
Kojiro Univ. Tokyo
(Inaba) (Japan)
Roboter Girl
AIST (Japan)
14
05.10.2011
Sabina Jeschke
NAO (Aldebaran S.A., Frankreich)
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.
15
05.10.2011
Sabina Jeschke
SPECIAL: NAO im Team – der RoboCup
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,
...
16
05.10.2011
Sabina Jeschke
Asimo (Honda, Japan)
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.
17
05.10.2011
Sabina Jeschke
SPECIAL : Asimo in action
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 ...
18
05.10.2011
Sabina Jeschke
Kismet (MIT Artificial Intelligence Lab (Brooks), USA)
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.
19
05.10.2011
Sabina Jeschke
SPECIAL: Kismets Emotionszustände
Kismet Entwicklung Entwicklung 1990 – 2000. Seit 2000 Projekt eingestellt,
Ergebnisse jedoch noch immer relevant.
20
05.10.2011
Sabina Jeschke
Kojiro (Univ. of Tokyo, JSK Robotics Laboratory (Inaba), Japan)
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.
21
05.10.2011
Sabina Jeschke
SPECIAL : Kojiro in action
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
22
05.10.2011
Sabina Jeschke
Motiv 2 – Die „menschenähnliche“ Einsatzbreite
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. (! ??)
ARMAR III KIT (Dillmann)
(noch nicht humanoider) Rettungsroboter
23
05.10.2011
Sabina Jeschke
Inhaltsübersicht
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
24
05.10.2011
Sabina Jeschke
Verhalten
Gestalt
Motorik
Drei Schwerpunkte der Humanoidenforschung
Sensorik/ Kognition
Physiognomie
System- verständnis
des Einzelnen
eines Teams
Aktorik
Mimik
Gestik
(Einzel-) Fähigkeiten
Anwendungs- szenarien
Umwelt- akzeptanz Mensch-
Maschine
Informations- verarbeitung
Lernen
Informations- beschaffung
25
05.10.2011
Sabina Jeschke
Die Hardwareseite - wichtige, offene Forschungsfragen
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
26
05.10.2011
Sabina Jeschke
Ein heikler Ort – das „Uncanny Valley“
Uncanny Valley (engl. „unheimliches Tal“): Empirisch messbarer, paradox erscheinender Effekt in
der Akzeptanz künstlicher Figuren auf die Zuschauer. Akzeptanz steigt nicht linear mit der Menschen-
ähnlichkeit, sondern hat „mittendrin“ einen starken Einbruch.
Erstmals beschrieben 1970 im Journal “Energy” durch den Robotikforscher Masahiro Mori (Japan).
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.
A: Annahme B: Realität
27
05.10.2011
Sabina Jeschke
„Uncanny valley“ Demos
Girl Roboter AIST, Tsukuba
C3PO Star Wars
Roboter Twin by Hiroshi Ishiguro
28
05.10.2011
Sabina Jeschke
Zusammenfassung
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.
29
05.10.2011
Sabina Jeschke
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Sabina Jeschke Direktorin Institutscluster IMA/ZLW & IfU Tel.: +49 241-80-91110 [email protected]
www.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 [email protected]
