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Eine modulare Kontrollarchitektur für den Hol- und Bringdienst von Roboterassistenten
(2005) Hans, Matthias; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Seit Anfang der 90er Jahre wird der Einsatz der Serviceroboter als intelligente Diener des Menschen (so genannte Roboterassistenten) als interessanter Zukunftsmarkt propagiert. Für Hersteller und Anwender werden derartige Roboterassistenten genau dann interessant, wenn diese ein großes Spektrum variierender Tätigkeitsfelder abdecken können. Dafür müssen die Roboterassistenten über eine modulare Kontrollarchitektur verfügen, die eine Adaption an verschiedene Tätigkeitsfelder ermöglicht. Bisherige Roboterassistenten existieren nur als frühe Prototypen in wenigen Forschungslabors. Sie sind in der Regel Spezialisten für eine bestimmte Anwendung. Entsprechend sind die Kontrollarchitekturen für diese Roboterassistenten sehr speziell. In der Forschung haben sich zwar ein paar grundlegende Prinzipien für Kontrollarchitekturen von mobilen Agenten im Allgemeinen etabliert, diese finden aber in Roboterassistenten kaum Anwendung. Parallel existieren aus dem Forschungsbereich der Künstlichen Intelligenz leistungsfähige Planungssysteme. In der vorliegenden Arbeit wird exemplarisch der Hol- und Bringdienst systematisch analysiert und es werden Anforderungen für eine konsequente Modularisierung der Verhaltenskontrolle sowohl des Verhaltens selbst als auch der Teilsysteme der Kontrollarchitektur abgeleitet. Kern der Arbeit ist die Konzeption und Entwicklung eines neuen Ausführungsmoduls, das die weiteren Teilsysteme Mensch-Maschine-Schnittstelle, Wissensbasis, Planungssystem und Robotersteuerung miteinander verbindet und eine robuste Verhaltenskontrolle ermöglicht. Dazu wird das Verhalten aus einzelnen, modularen, so genannten Aktionen zusammengesetzt, deren Kombination einerseits abstrakt geplant wird und die sich andererseits während der Ausführung an die aktuelle Situation in der Umgebung des Roboterassistenten anpassen. Störsituationen in der Ausführung werden erkannt und mit der Initiierung spezieller, ggf. interaktiver Aktionen behandelt. Für die symbolische Beschreibung der Aktionen und der Umwelt wurde eine geeignete Ontologie neu entwickelt und in einer Wissensbasis umgesetzt. Zum Nachweis der Anwendbarkeit der modularen Kontrollarchitektur wurde diese auf dem Roboterassistenten Care-O-bot II des Fraunhofer IPA implementiert. Das Ausführungsmodul wurde in einer modernen Skriptsprache programmiert. In einer beispielhaften Wohnungsumgebung hat der Roboterassistent die Robustheit seines Verhaltens gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen und gegenüber Störungen bewiesen. Die Modularisierung gestattet eine einfache Erweiterung der Fähigkeiten durch Hinzufügen einzelner Aktionen ohne Neuprogrammierung.