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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-45434
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4543/


Hierarchical Memory Organization of Multimodal Robot Skills for Plan-based Robot Control

Hierarchische Gedächtnis Organisation von multimodalen Roboter Skills für planbasierte Steurung

Weser, Martin

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SWD-Schlagwörter: Autonomer Roboter , Artificial Intelligence: AI
Freie Schlagwörter (Deutsch): Roboter Gedächtnis , autonomer Roboter , multimodale Roboter Skills
Freie Schlagwörter (Englisch): robot memory , hierarchical skill library , AI , autonomous robot
Basisklassifikation: 54.72 , 54.25 , 54.00
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Zhang, Jianwei (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.11.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 07.04.2010
Kurzfassung auf Englisch: Today, autonomous service robots are still far from being part of our everyday life. This is hard to understand if one considers the remarkable success of robots in automation industries. In controlled environments the robots’ speed, accuracy and reliability by far exceed human capabilities. So the question arises: Why can robots not perform simple tasks in natural human environments? One reason for this inability is the lack of versatility of robot behaviors. Many engineers focus on increasing the performance of specific robot tasks and build robot hardware for certain applications to perceive and manipulate the environment more and more skillfully. In contrast, only few researchers investigate the versatility of robot hardware and software for different tasks.
Another reason for the limited success of service robots is their lack of cognitive competence and flexibility. The ability to reason about tasks and problems is a key property for the application of robots in environments that cannot be preconceived completely by the developers. However, artificial intelligence (AI) techniques, that have remarkable success in several areas, are rarely applied to embodied robots, which may be down to the different representational formats of robotics and AI. Embodied robots inherently deal with continuous data while AI traditionally employs symbolic world representations.
The core work of this thesis concerns the integration of different results from robotics and AI research into one coherent system that marks the state of the art of autonomous intelligent service robots.
Integration takes place along two dimensions: First, several robot sensor and actuator modalities are integrated at robot skill level. While most sensors are developed with particular regard to certain applications and thus show different properties in the workspace, accuracy and measured physical modality, they can complement one another and provide a useful coherent picture of the robot’s environment if combined properly. As a result of this thesis, it will be shown that robot perception can particularly gain from multi-sensor integration if sensors are actively focused on objects of interest.
Second, representation and planning techniques from the area of AI will be integrated with the developed multi-modal robot skills to establish a complete robot system from low-level perception and action to abstract reasoning and planning. Specifically, basic robot skills will be organized hierarchically into more abstract robot tasks which can be used on the planning level to decompose complex instructions into executable parts.
Basic robot skills constitute the interface between planning and execution layer. The abstraction level of these skills determines the complexity of the two layers. Although every layered robot architecture has to deal with the question of which task should be achieved at the skill level and which task requires deliberative planning, it has not been addressed explicitly in the literature. In this thesis, properties of basic robot skills are discussed in detail, which leads to a number of arguments that constitute a guideline for the design of such basic skills in the context of layered robot architectures.
The integration of multiple sensor and actuator modalities with state of the art AI planning techniques provides the necessary means for reliable robot behavior in complex situations. It will be shown that the proposed architecture leads to extended autonomy and makes abstract robot tasks possible.
The TAMS service robot is used to demonstrate the system integration and to validate the results of this thesis. It consists of a mobile platform, a robot arm equipped with a three-finger hand and a rich sensor system. This setup enables the robot to perceive its environment and to perform everyday tasks autonomously. Endowing the robot with planning capabilities and integrating results from previous investigations is part of this work.
Kurzfassung auf Deutsch: Betrachtet man den großen Erfolg von Robotern in industriellen Umgebungen, so scheint es schwer verständlich, dass mobile Service Roboter noch nicht zu unserem alltäglichen Umfeld gehÖren. Tatsächlich sind Roboter noch weit davon entfernt, in natürlichen Umgebungen selbstständig operieren zu können. In kontrollierten Umgebungen hingegen übersteigt die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Robotern menschliche Möglichkeiten bei weitem. Es stellt sich die Frage: Weshalb können Roboter nicht einfache Aufgaben in natürlichen Umgebungen ausführen? Eine Grund hierfür ist mangelnde Flexibilität heutiger Roboter.
Während viele Wissenschaftler an einer verbesserten Umsetzung spezieller Roboteraufgaben arbeiten und Hard- und Software im Hinblick auf bestimmte Anwendungen entwickelt werden, ist die Vielseitigkeit künstlicher Systeme meist von geringem Interesse. Ein weiterer Grund für den ausbleibenden Erfolg von Service-Robotern ist der Mangel an kognitiven Fähigkeiten. Die Fähigkeit, komplexe Aufgaben und Probleme zielorientiert zu bearbeiten, ist eine wesentliche Voraussetzung für die Verwendung von Robotern in Umgebungen, die durch den Entwickler nicht vollständig vorhergesehen werden können. Obwohl Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) auf verschiedensten Gebieten bemerkenswerte Erfolge erzielen, werden sie bis heute selten in realen Robotern eingesetzt.
Zentraler Bestandteil der vorliegenden Dissertation ist die Integration unterschiedlicher Ergebnisse aus der Robotik und der KI in ein kohärentes System, welches vielseitig einsetzbar ist und den aktuellen Stand der Technik in der autonomen Servicerobotik widerspiegelt.
Unterschiedliche Sensoren und Aktuatoren und deren Ansteuerung werden zu elementaren Roboterfähigkeiten zusammengefasst, so dass eine sinnvolle Ergänzung der unterschiedlichen Eigenschaften in Genauigkeit, Arbeitsraum oder gemessener physikalischer Eigenschaft erziehlt wird. Um ein vollständiges Robotersystem zu realisieren, werden weiterhin Repräsentations- und Planungsmethoden aus dem Gebiet der KI in das bestehende System integriert. Hierfür werden die elementaren Roboterfähigkeiten hierarchisch zu abstrakteren Aufgaben organisiert, welche auf Planungsebene genutzt werden, um komplexe Anweisungen in ausführbare Teilaufgaben zu zerlegen.
Wie in dieser Dissertation gezeigt wird, können Ergebnisse der Perzeption insbesondere durch aktives Fokussieren der Sensoren auf relevante Objekte verbessert werden. Sowohl auf Planungs- als auch auf Ausführungsebene werden nicht nur Sensoren verwendet, um Aktionen zu leiten und zu überwachen, sondern Aktionen werden eingesetzt, um Ergebnisse der Perzeption zu verbessern. Diese Umkehr des Abhängigkeitsverhältnisses von Perzeption und Aktion wurde in diesem Umfang bisher nicht gezeigt.
Die Integration verschiedener Sensor- und Aktuatormodalitäten mit Planungsmethoden der KI liefert grundlegende Bausteine für zuverlässiges Verhalten von Robotern in komplexen Situationen.
Der TAMS Serviceroboter wird als experimentelle Plattform genutzt, um die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen Systems zu demonstrieren und die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu validieren. Die mobile Plattform, welche mit einem Roboterarm, einer Roboterhand und einem umfassenden Sensorensystem ausgestattet ist, bietet die nötigen Vorraussetzungen für autonome Bearbeitung alltäglicher Aufgaben. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die für diese Arbeit entwickelte Architektur die Autonomie des Roboters erhöht und die Bearbeitung von abstrakten Aufgaben ermöglicht. Den Roboter um die Fähigkeit des Planens zu erweitern und dabei die Ergebnisse früherer Arbeiten zu ergänzen ist Bestandteil dieser Arbeit.

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