Intuitive Roboterkommandierung basierend auf Verbalisierten Physikalischen Effekten

Titelangaben

Spangenberg, Michael:
Intuitive Roboterkommandierung basierend auf Verbalisierten Physikalischen Effekten.
Bayreuth , 2017 . - II, 159 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung im Bereich der Robotik stellt die Entwicklung von Robotersystemen dar, deren Fähigkeiten in verschiedenen Bereichen stetig komplexer werden und als Fernziel denen des Menschen entsprechen sollen. Betrachtet man beispielsweise die bisherigen Unterschiede im Bereich der Kommunikation, so bevorzugt der Mensch die Kommunikation über Symbole wie Worte oder Gesten, das Robotersystem bevorzugt hingegen die Kommunikation über subsymbolische Information wie Gelenkwinkelstellungen, Kräfte oder Motorströme. Da im Allgemeinen keine direkte Zuordnung zwischen der symbolischen und subsymbolischen Information möglich ist, muss eine Zwischenrepräsentation gefunden werden, welche die Zusammenhänge der beiden Repräsentationen beschreiben kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst analysiert, in welcher Form eine solche Zwischenrepräsentation umgesetzt werden kann. Darauf aufbauend wird untersucht, in welcher Form sich die zur Kommunikation zur Verfügung stehenden Symbole (Worte) unter Zuhilfenahme der gewählten Zwischenrepräsentation beschreiben und systematisch in einem Robotersystem hinterlegen lassen. Abschließend wird untersucht, in welcher Form unter Nutzung der vorgeschlagenen Konzepte ein intuitiv zu verwendendes Gesamtsystem umgesetzt werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird als Zwischenrepräsentation die Verwendung von physikalischen Vorgängen und Eigenschaften vorgeschlagen. Diese werden zur Beschreibung von ausführbaren Aktionen und deren symbolischen Parameter verwendet. Zur Aktionsbeschreibung wird das Konzept der Prinzipiellen Physikalischen Effekte vorgestellt. Dieses beschreibt die Zusammenhänge der gewählten Zwischenrepräsentation und der subsymbolischen Aktionsrepräsentation des Robotersystems. Konkret werden die Zusammenhänge zwischen einem physikalischen Vorgang, einer physikalischen Gesetzmäßigkeit und einer sensorbasierten Roboterbewegung definiert. Zur Beschreibung der Zusammenhänge der Zwischenrepräsentation und der symbolischen Repräsentation des Menschen, wird das Konzept der Prinzipiellen Physikalischen Effekte zu Verbalisierten Physikalischen Effekte erweitert. Diese beschreiben die Zusammenhänge zwischen der symbolischen Repräsentation in Form einer verbalen Beschreibung (z.B. schieben, drehen), einem Prinzipiellen Physikalischen Effekt sowie den symbolischen Parameter einer verbal instruierten Anweisung (z.B. Nominal- oder Präpositionalphrasen). Die symbolischen Parameter (bestehend aus Symbolen unterschiedlicher Typen wie z.B. Adjektive oder Nomen) werden ebenfalls anhand physikalischer Eigenschaften repräsentiert. Basierend auf einer Kategorisierung der Symbole wird dargestellt, in welcher Form diese beschrieben und als Teil einer Wissensbasis im Robotersystem hinterlegt werden können. Neben dem Hinterlegen von Symbolinformation wird weiterhin untersucht, in wie weit basierend auf der vorgeschlagenen Symbolbeschreibung ein intuitiv zu verwendendes Gesamtsystem umgesetzt werden kann. Hierzu werden weitere Komponenten dargestellt, welche die Verarbeitung einer symbolischen Anweisung bis hin zur subsymbolischen und parametrisierten Roboteraktion beschreiben. Abschließend werden die vorgestellten Konzepte im Rahmen eines prototypischen Gesamtsystems umgesetzt und anhand geeigneter Methoden evaluiert.

Abstract in weiterer Sprache

One long term goal in current robotics research is the development of robot systems, which have approximately the same cognitive, communicational, and handling abilities like humans. To achieve this goal, a variety of problems have to be solved by the researchers, for instance in the domain of communication. Here, it is necessary to bridge between different types of communication. On the one side there is the human, who typically prefers a symbolic communication using symbols like gestures or words. On the other side there is the robot system, which typically prefers a subsymbolic communication with subsymbolic information like joint positions, forces, or motor currents. In general, there is no direct mapping from symbolic to subsymbolic information. Therefore, a transformation is needed, which is able to combine the two types of representations. Therefore, one objective of this work is the analysis of the requirements for such a transformation layer and the proposal of concepts for combining symbolic and subsymbolic representations. Based on this concepts, we describe how to ground symbols to a robot system. At last, we analyze how a robot system can utilize the proposed concepts in order to provide an intuitive, symbolic user interface. Within this work, we propose the usage of physics, respectively physical effects and quantities, in order to bridge between symbolic and subsymbolic information. These effects and quantities are used for the description of executable actions, respectively for symbolic parameters of executable actions. For the description of executable actions we introduce the concept of Principal Physical Effects. This concept describes the relations between the transformation layer and the subsymbolic action representation suitable for a robot system. More specific, this concept is used to describe the relations between a physical process, a physical law, and a subsymbolic action representation based on sensor-based robot motions. To describe the relations between a symbolic representation and the transformation layer, we enhance the concept of Principal Physical Effects to Verbalized Physical Effects. This allows a mapping of the symbolic description of a verbalized instruction (e.g. shove, rotate), the symbolic parameter of a verbalized instruction (for instance nominal or prepositional phrases) to a corresponding Principal Physical Effect. To use symbolic parameters combined with an action representation based on Principal Physical Effects, these symbols have to be described in terms of physics. Therefore, we propose the usage of a physical dictionary, which stores the symbol information in context of physical properties. Besides the grounding of symbol information, we analyze how a robot system can utilize the proposed symbol description in order to provide an intuitive, symbolic user interface. Therefore, we describe additional components, which illustrate the transformation of a symbolic instruction towards a parameterized, subsymbolic robot motion. At last, we evaluate the concepts using a prototype system.