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Museumsroboter
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Haben Sie jemals von einem Roboter gehört, der mit Kindern Ball spielt? Die am Fraunhofer IPA entwickelen Unterhaltungsroboter machen dies und andere aufregende Visionen wahr. Seit dem 17. März 2000 stellen drei mobile Roboter die Hauptattraktion im Museum für Kommunikation Berlin dar. Außer dem Ballspielen begrüßen die Roboter die Besucher des Museums und führen historische Führungen durch.
Technische FähigkeitenHardwareDie Unterhaltungsroboter wurden basierend auf der erfolgreichen Hardwareplattform und Steuerungssoftware von Care-O-bot aufgebaut. Die mobilen Plattformen sind mit zwei motorisierten Rädern (Differentialantrieb) inklusive Radencodern ausgestattet. Sie können sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1,2 m/s bewegen. Vier Stützräder werden verwendet, um ein Umfallen der Plattformen zu vermeiden. Ein Kreiselkompass ist in die Plattformen integriert, um deren Orientierung messen zu können. Ein zweidimensionaler Laserscanner an der Vorderseite jedes Roboters dient zur Lokalisierung, Navigation und Hindernisumfahrung. Neben dem Laserscanner verfügt jeder Roboter über einen Schaumstoffbumper rings um die Basis des Roboters. Wird ein Kontakt mit diesem Bumper erkannt, hält der Roboter sofort an. Um den Bereich oberhalb des Laserscanners abzusichern, werden die Signale von sechs im Bumper integrierten, nach oben gerichteten Infrarotsensoren ausgewertet. Zum Boden hin gerichtete Magnetsensoren werden - zusätzlich zu einer softwaregesteuerten Absicherung - verwendet, um sicherzustellen, dass keiner der Roboter den vorgeschriebenen Aktionsraum im Lichthof des Museums verlässt. Eine Aktivierung dieser Sensoren führt - ähnlich wie die Betätigung eines der beiden Notausknöpfe, die an jedem Roboter angebracht sind - zu einem sofortigen Stop des Fahrzeugs. Die Roboter wurden für den täglichen und ununterbrochenen Einsatz im Museum konstruiert. Acht 12V-Batterien erlauben eine durchgängige Betriebszeit von über zehn Stunden. Autonome Navigation"Wo bin ich?" Dies ist eine wichtige Frage für mobile Roboter. Die Unterhaltungsroboter haben die Fähigkeit komplett autonomer Navigation. Sie verwenden ihren Laserscanner, um ihre Position zu bestimmen und umfahren Hindernisse, die sich ihnen in den Weg stellen. Damit können sie sicher alleine umherfahren und können sogar Menschen, die sich ihnen in den Weg stellen, bitten, zur Seite zu gehen. BenutzerinterfaceDie Roboter verfügen über Komponenten zur Selbstdiagnose sowie zum automatischen Starten und Herunterfahren und können damit einfach auch durch untrainiertes Personal bedient werden. Nach dem Anschalten führen die Roboter eine automatische Diagnose aller Sensoren, Motoren und ihrer korrekten Lokalisierung durch. Der aktuelle Status der Roboter wird durch Sprachausgaben dokumentiert. Zum Beispiel wird nach erfolgreicher Beendigung der Selbstdiagnose die Meldung "Selbstdiagnose erfolgreich abgeschlossen. Startknopf - starten des Betriebs, Stopknopf - Joysticksteuerung" ausgegeben. Der Start- und Stopknopf des Bedienjoysticks ist alles, was benötigt wird, um die Roboter während ihres normalen täglichen Betriebs zu bedienen. Wenn der Stopknopf zweimal hintereinander gedrückt wird, fährt der entsprechende Roboter automatisch an seine Ruheposition und schaltet sich ab. Fernsteuerung und FerndiagnoseAußer dem Joystick-Betrieb können die Roboter auch über einen stationären PC angesteuert werden. Der PC kommuniziert mit den Robotern über Funk-Ethernet und zeigt die aktuellen Position sowie den Status der Roboter an. über diese Funkverbindung und eine Internetverbindung ist eine detaillierte Ferndiagnose der Roboter möglich. Dies ermöglicht zum Beispiel die kundenspezifische Parametrierung des Roboterverhaltens. Die Kommunikation der Roboter untereinander ist ebenfalls über Funk-Ethernet realisiert, dies ermöglich die Integration kooperativen Verhaltens - wie auch im Museum.
Charakter der RoboterDie drei Roboter unterscheiden sich gemäß dem künstlerischen Konzept durch ihr Auftreten (Fahrgeschwindigkeit, Stimme etc.), ihre äußere Gestalt sowie durch die Art der Information, die sie dem Besucher geben.
Der "Animative" (KOMM-REIN) geht in Wahrnehmung seiner Gastgeberrolle offensiv auf die Besucher zu, begrüßt diese freundlich und gibt Tipps zum Besuch des Hauses. Dieser Roboter ist ein kommunikativer, animierender Typ. Er bewegt sich weich, aber zielorientiert. Zur Unterstützung der Kommunikation können Kopfbewegungen) ausgeführt werden. Die zu begrüßenden Besucher werden mit Hilfe des Laserscanners anhand ihrer Beine erkannt. Dabei werden Kriterien wie Durchmesser, Form und Abstand herangezogen, um mittels Fuzzy-Logik zu entscheiden, bei welchen Umgebungsobjekten es sich um Beinpaare und damit um Personen handelt. Bei der Begrüßung kann zwischen Einzelpersonen und Personengruppen unterschieden werden. Weitere Features, wie z.B. die zeitweise Fokussierung auf einzelne Besucher, die Speicherung der Positionen von bereits begrüßten Personen und eine Strategie zum Auffinden neuer Personen ermöglichen korrekte Umgangsformen des Roboters.
Die eher nachdenkliche "Belehrende" (ALSO-GUT) hat viele Kontraste zu dem primär auf das Wohl der Besucher bezogenen "Animativen". Sie bewegt sich sehr geradlinig auf exakten Bahnen. Dabei übermittelt sie Informationen zur Geschichte des Hauses, sowohl verbal als auch visuell. Letzteres über einen in ihrem "Kopf" integrierten LCD-Bildschirm. Die Vorträge werden außerdem durch Bewegungen des Kopfes (Nicken, Anschauen von Ausstellungsstücken) untermalt. Die Programmierung dieses Roboters erfolgt in der am Fraunhofer IPA entwickelten Sprache "Mobile Vehicle Command Language" (MVCL). Sie ermöglicht das Schreiben komplexer Operationsprogramme, bestehend aus Bewegungs- und Applikationskommandos. Bewegungskommandos beschreiben Fahrbewegungen des Roboters, Applikationskommandos können verschiedener Art sein. Die Ausgabe von Multimediadateien verschiedenen Typs sowie die Ansteuerung von Kopfachsen ist bereits implementiert. Für die Implementierung komplexen Verhaltens können mehrere Applikationskommandos mit einem Bewegungskommando kombiniert werden
Der "Spielende" (MACH-WAS) vertritt unter den anderen Robotern im Lichthof das spielerisch-interaktive Element. Selbstbezogen rennt er seinem Ball nach, nur in Spezialfällen muss er Kontakt mit seiner Umwelt aufnehmen. Hier agiert er nach dem Reiz-Reaktions-Schema: er jammert, wenn er traurig ist - er schimpft, wenn er wütend ist. Der Roboter bewegt sich schnell und zielgerichtet aber mit absichtlich unruhigen Bewegungsabläufen. MACH-WAS erkennt den Ball - ähnlich wie der Animative die Besucher - geometrisch mit Hilfe des Laserscanners. Die Messpunkte des Scanners werden in Gruppen aufgeteilt, von denen jede ein Umgebungsobjekt bzw. einen sichtbaren Ausschnitt davon repräsentiert. In jede Punktgruppe wird nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein Kreis mit dem zu erwartenden Radius optimal eingepasst. Unterschreitet der mittlere quadratische Abstand einer Punktgruppe zu dem eingepassten Kreis einen gewissen Toleranzwert, wird davon ausgegangen, dass es sich dabei um den Ball handelt. Liegt der Ball außerhalb seines Sichtbereichs, wechselt der Spielende in einen Suchmodus. Im Gegensatz zum Animativen sind die dabei generierten Bewegungen sehr unruhig und unterstreichen damit den kindlichen Charakter.
DownloadBilderBildmotive dürfen nur für redaktionelle Zwecke genutzt werden. Die Verwendung ist honorarfrei bei Quellenangabe und übersendung von zwei kostenlosen Belegexemplaren an das Fraunhofer IPA in Stuttgart. Grafische Veränderungen - außer zum Freistellen des Hauptmotivs - sind nicht gestattet. Copyright für alle Bilder der Museumsroboter: Museum für Kommunikation Berlin.
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