Eine modulare Kontrollarchitektur für den Hol- und Bringdienst von Roboterassistenten

Abstract

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.

Robot assistants are expected to be clever helpers for humans characterized by their advanced level of interaction and their ability to cope with both natural environments at homes and at shop floors. The ability to adapt their behavior to changing situations is given by their internal control architecture, which is characterized by modularization, e.g. the identification of functional roles, and by the structured interaction between these modules.

Common ground of all service fields for robot assistants is their need to be mobile, to do something physical at changing locations, to gather information from its environment and to communicate and interact with humans. The robot assistant must act in a goal-oriented and reliable way in human environments. As a representative service, the fetch-and-carry duty has been analyzed, and requirements for the design of a modular control architecture and its subsystems have been identified within the scope of this doctoral thesis: the control architecture has to support a robot control as an interface to the sensors and actuators, it needs an explicit representation of the world, it needs a decision making device for the goal-oriented behavior and it needs an execution module to control the functional interaction between these subsystems that adapt the behavior of the robot assistant to changing situations.

A multi-layer architecture forms the main structure of the control architecture. Multi-layer architectures are able to connect fast closed-loop algorithms of robot controls with slow cognitive processes of planning systems by an execution module. Additional modules are a symbolic planning system, a knowledge base, a man-machine-interface and a robot control.

The abilities of the robot assistant are provided by the robot control and handed to the execution module as so called actions. These are closed-loop controllers for specific functions with interfaces to the hardware of the robot assistant. Furthermore, the actions contain open-loop controllers e.g. an interpreter of trajectories for the manipulator.

The execution module activates the actions, monitors their execution, detects exceptional situations and takes care of error recovery. The robot control returns state information and error messages for monitoring. Additionally, it returns preprocessed sensory data for decision making of the execution module.

Within the scope of this doctoral thesis, a new execution module was built using a scripting language. The new execution module supports easy, intuitive definition of actions, execution of discrete or continuous actions as well as execution of sequential or concurrent actions and their synchronization. Actions can create and call other actions hierarchically and any number of arguments can be transferred. Every action observes its effect. If an exception occurs, another action is started to recover. If the running action cannot recover the exception, a message is hierarchically sent to the upper action, until one can recover the exception. At last, the message is given to the control panel of the human to help the robot assistant.

In order to act goal-directed, the execution module of the robot assistant sends a request to a symbolic planning system to generate a list of actions for reaching the goal of a given task. This list is executed step by step. The request contains the symbolic description of the task and of the domain. The domain description is dynamically computed with facts of a knowledge base. The symbolic description is based on a newly developed ontology for fetch-and-carry duties. Every action enters its effect to the knowledge base to keep it up to date.

The developed control architecture has been implemented and evaluated with Care-O-bot II, a robot assistant for home care. Care-O-bot II is equipped with a sensor head, manipulator, active walking aid, and a hand-held control panel. The manipulation of different household objects has been implemented successfully. This includes grasping or placing objects from/to fixed locations as well as the direct passing of objects to/from the human.

The experiments with Care-O-bot® II have proven that the modular control architecture fulfills the identified requirements. The robot assistant’s behavior is goal-directed and reliable. Some of the modules of the control architecture, especially the execution module, were transferred to other service-robots for an exhibition. This attests their universal character.

The current control architecture requires the manual programming of the knowledge base. Ongoing research concentrates on algorithms for improved scene analysis to automatically generate and maintain the facts by autonomous exploration by the robot assistant. The abilities of the robot assistant will be improved and new capabilities added to the repertoire of actions