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Anwendung Robotik: Humanoide Robotik in Freiberg

Bisher wurden Roboter hauptsächlich in der Industrie für die Konstruktion von Autos und anderen technischen Produkten verwendet. Derartige Industrieroboter verfügen zwar über eine hohe Präzision, setzen jedoch eine strukturierte Umgebung voraus, wie sie in z.B. Fabrikhallen auffindbar ist. Die Reaktion auf unbekannte Situationen oder die Interaktion mit einem menschlichen Gegenüber sind daher nicht möglich. Es ist jedoch vorauszusehen, dass Roboter zunehmend auch im häuslichen Gebrauch Anwendung finden.

Das Institut für Informatik der TU Bergakademie Freiberg beschäftigt sich mit algorithmischen und mathematischen Methoden, welche die Autonomie von Robotern verbessern und die sichere und gewinnbringende Interaktion mit dem Menschen erlauben. Hierzu werden insbesondere neue Verfahren des maschinellen Lernens entwickelt, mithilfe derer Roboter lernen können, sich an die Bedürfnisse ihrer Umwelt anzupassen. Weiterhin werden verschiedene Ansätze zur Teleoperation von Robotern über das Internet untersucht. Ein Alleinstellungsmerkmal der freiberger Robotik im Vergleich zu anderen internationalen Forschungsgruppen auf diesem Gebiet ist die nahtlose Integration der folgenden Gebiete: Virtueller Realität, Rechnernetze und Künstliche Intelligenz.

Durch den interdisziplinären Ansatz können innovative Lösungen auf bekannte Probleme der Robotik gefunden werden. Weiterhin ist das Institut sowohl deutschland als auch weltweit mit anderen führenden Forschungsgruppen vernetzt. So besteht eine Forschungskooperation mit dem Intelligent Robotics Lab der Universität Osaka in Japan. Aufgrund dieser Kooperation besteht die Möglichkeit fortschrittlichste androiden Robotern mit zu entwickeln und zu erforschen.

Physical Interaction Learning

Das Physical Interaction Learning Verfahren ist ein am Institut entwickeltes Verfahren zur Verbesserung der MenschMaschine Interaktion. Mithilfe des Verfahrens kann ein androider Roboter seine Bewegungen an einen menschlichen Partner anpassen und so besser mit diesem Zusammenarbeiten. Der Mensch kann dabei stets die Qualität der Zusammenarbeit einschätzen und somit dem Roboter einen Anhaltspunkt darüber geben ob die bisherigen Bewegungen weiter angepasst werden müssen. Das Verfahren wurde in verschiedenen Szenarien evaluiert, welche beispielhaft die körperliche Zusammenarbeit zwischen Menschen und Androiden darstellen. In einem ersten Szenario soll der menschliche Interaktionspartner einem Roboter beim Aufstehen helfen. Um diese gemeinsame Aufgabe erfolgreich zu lösen, muss der Roboter den Zeitablauf seiner Bewegungen an den Menschen anlehnen. In einem weiteren Szenario soll der menschliche Partner dem Roboter beim Gehen assistieren. In beiden Fällen wurde ein moderner androider Roboter namens CB^2 als Plattform verwendet.



Kinesthetic Bootstrapping

Die Programmierung von neuen Verhalten für Roboter ist ein aufwändiger Prozess, welcher zudem ausreichendes Fachwissen in verschiedensten Bereichen voraussetzt. Das Kinesthetic Bootstrapping Verfahren versucht diesen Prozess zu umgehen, indem neue Bewegungen durch Imitation gelernt werden. Der Benutzer zeigt dem Roboter die gewünschte Bewegung, indem er die Gelenke desselbigen bewegt. Die Bewegung wird dabei aufgezeichnet und mithilfe mathematischer Modelle verarbeitet. Ein direktes Abspielen der aufgezeichneten Bewegung führt in den meisten Fällen jedoch zu instabilen Bewegungen: der Roboter fällt hin. Um ein sinnvolles Abspielen zu ermöglichen, wird die Bewegung daher erst in einem Simulator weiter verfeinert und optimiert. Der Simulator ist basiert auf Techniken der virtuellen Realität und erlaubt es viele verschiedene Varianten der Bewegung abzuspielen und zu evaluieren. Ist eine stabile Lösung im Simulator gefunden worden, so kann diese wieder auf den echten Roboter übertragen und abgespielt werden. Das Kinesthetic Bootstrapping Verfahren ermöglicht es daher auch unerfahrenen Benutzern ohne Vorkenntnissen in Programmierung einem Roboter neue Bewegungen beizubringen.



Roboterfußball

In dem Projekt sollen Roboter entwickelt werden, die über das Internet gesteuert werden. Die Roboter treten gegeneinander auf einem Fußballfeld an und bestreiten ein Match. Die Anwender bekommen mithilfe der InternetVideotechnologien des Institutes Bilder über die aktuelle Situation auf dem Fußballfeld: sie sehen, wo die Roboterspieler stehen, wo der Ball liegt und natürlich wo das Tor ist. Dann können die InternetCoaches ihren Robotern Bewegungsbefehle geben auf den Ball zu zulaufen, sich zwischen Ball und Tor stellen oder mit dem Roboterbein zutreten, um den Ball zu schießen. Dieses spielerische Szenario erlaubt es, komplexe wissenschaftliche Fragestellungen (Laufen, Taktik, Zusammenwirken im Team, ) in einer motivierenden Domäne zu untersuchen. Insbesondere können dabei die verschiedenen Strategien und Verhaltensweisen der menschlichen Benutzer im Internet analysiert und untersucht werden. Verfahren des maschinellen Lernens sollen in diesem Zusammenhang angewandt werden, damit unsere Roboter von den Menschen im Internet lernen. Weiterhin können die am Institut entwickelten Videostreamingverfahren getestet und verbessert werden.

Die optimale Steuerung der Roboter ist ein weiteres Problem, das erforscht werden muss. Hierzu entwickeln wir u.a. dreidimensionale virtuelle Umgebungen, welche die Roboter und deren Spielfeld realitätsnah simulieren. Ein Vorteil der virtuellen Realität ist, dass die jeweiligen Spielsituationen exakt reproduzierbar sind, was eine Grundlage für viele maschinelle Lernverfahren darstellt. Auf diese Weise können die Roboter ihr Verhalten durch wiederholtes, u.U. stundenlanges Ausprobieren optimieren.

Mithilfe von Roboterfußball können Studenten dafür gewonnen werden, anspruchsvolle wissenschaftliche Fragestellungen selbständig und mit Motivation anzugehen und eigene innovative Lösungen zu finden. So entwickelten die Freiberger Studenten Erik Berger, David Vogt und Henry Lehmann eine neuartige Steuerung für die Roboter, indem Sie das Eingabegerät der Nintendo Wii Spielekonsole verwendet haben. Die sogenannten WiiSticks erlauben es, kabellos mithilfe der Bluetooth Technologie Befehle an einen Rechner zu schicken. Der Rechner schickt dann die Bewegungsbefehle an die Roboter, der solche HighLevelBefehle in viele kleine Motorbewegungen umsetzt. Dadurch können die Roboter ähnlich wie die Charaktere in einem Videospiel ferngesteuert werden.


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