SpIRo Sprachbasierte Instruktion kraftbasierter Roboterbewegungen

Titelangaben

Wölfel, Kim:
SpIRo Sprachbasierte Instruktion kraftbasierter Roboterbewegungen.
Bayreuth , 2021 . - 3, 123 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005667

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Abstract

Eine intuitive Robotersteuerung zu entwickeln, ist seit langem Gegenstand der Forschung. Ansätze basierend auf graphischen Oberflächen, Sprachsteuerung, Gestenerkennung oder einer Kombination dieser Ansätze wurden für verschiedene Anwendungsfälle getestet. Eine rudimentäre Sprachsteuerung von mobilen Robotern ist mittlerweile sogar schon im Haushalt möglich. Neben dem häuslichen Gebrauch sollen Roboterarme jedoch in Zukunft auch in kleinen und mittleren Unternehmen eingesetzt werden und dort im besten Fall von Nichtexperten im Bereich der Robotik bedienbar sein.

Ein Grund dafür, dass eine Sprachsteuerung von Roboterarmen noch nicht weit verbreitet ist, stellt, neben den hohen Kosten der Roboterarme, die Schwierigkeit der Abbildung von natürlichsprachlichen Instruktionen in für das Robotersystem verständliche Instruktionen dar. Gerade bei kraftbasierten Bewegungen ist eine Vereinfachung der Instruktionen notwendig, da man von einem Nutzer nicht erwarten kann, dass alle für die Bewegung notwendigen Parameter explizit spezifiziert werden. Um dem zu entgehen, werden in dieser Arbeit eine Reihe an Verfahren vorgestellt, welche eine intuitive sprachbasierte Instruktion von kraftbasierten Roboterbewegungen erlaubt.

In dieser Arbeit wird zunächst ein Ansatz erweitert, welcher eine Abbildung von Instruktionen auf Roboterbewegung basierend auf physikalischen Gesetzen und Eigenschaften erlaubt, indem Kombinationen dieser Bewegungen ermöglicht werden. Um den Nutzern die Last abzunehmen numerische Kraftwerte angeben zu müssen, wird ein Modell vorgestellt, welches eine Abbildung von unscharfen Parametern auf scharfe Kraftparameter erlaubt. Die Notwendigkeit eines solchen Modells wurde dabei mit Hilfe einer speziellen Nutzerstudie dargelegt, welche ebenfalls Bestandteil dieser Ausarbeitung ist. Da Menschen dazu neigen, offensichtliche Parameter in Instruktionen wegzulassen, wird ein System vorgestellt, welches eine Validierung solcher Instruktionen mittels sogenannter Affordanzen ermöglicht. Da selbst syntaktisch und semantisch korrekte Instruktionen zu fehlerhaften Ausführungen führen können, weil sich beispielsweise der Nutzer nicht vollkommen über die Fähigkeiten des Robterarms im Klaren ist, wird zudem ein Ansatz vorgestellt, welcher die Bewegungen zunächst in einer physikbasierten Simulation ausführt und auf eventuelle Abweichungen überprüft.

Das Gesamtsystem wird zuletzt mit Hilfe eines Prototyps evaluiert, welcher die oben genannten Ansätze umsetzt. Abschließend erfolgt eine Zusammenfassung der Arbeit, sowie ein Ausblick auf mögliche Erweiterungen.

Abstract in weiterer Sprache

A longterm goal in robotics research is the generation of an intuitive robot control. Approaches based on graphical user interfaces, speech control, gesture control or a combination of these have been evaluated for a variety of applications. Meanwhile, a basic speech control of mobile robots is already possible in households. Besides the domestic use, it is also planned to introduce robots in small and medium-sized enterprises, where even non-experts should be able to operate them.

One of the reasons for not commonly using speech control of robot arms is, besides the high costs, the challenge of transforming natural language user input into instructions that are comprehensible for robot systems. Especially in the case of force-based motions a simplification of instructions is necessary, since it should not be required of a user to state all essential motion parameters. To avoid this, several approaches are presented in this work, which allow an intuitive speech-based instruction of force-based robot motions.

Initially, an approach is extended which allows the transformation of instructions into robot motions based on the laws of physics as well as physical parameters by facilitating a combination of these motions. To relieve users from specifying crisp force parameters, a model is introduced, which allows a mapping of uncertain parameters to crisp force parameters. The necessity of such a model is shown by a specific user study in this work. Since people tend to omit blatant parameters in instructions, a system for validating such instructions by means of so called affordances is introduced. Even syntactically and semantically correct instructions might lead to invalid executions, because users might lack profound knowledge of e.g. the robot capabilities. Thus, an approach is introduced to execute motions in a physics-based simulation and to check the results for possible deviations.

Last but not least the overall system is being evaluated by means of a prototype, which implements the afore-mentioned approaches. Eventually this work is summed up and an overview of possible future work is presented.