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UNIVERSITÄT DORTMUND Intelligente Autonome Systeme – von Science Fiction zur Realität Dr. Norbert Jesse Universität Dortmund Fachbereich Informatik eMail: [email protected] 28. April 2006 IWL Logistiktag 1 Gliederung UNIVERSITÄT DORTMUND Träume und Visionen Wo stehen wir heute ? Die Herausforderung Navigation – Autonomie – Intelligenz Humanoide Roboter Roboterfußball als Testfall Kurzes Resümee 28. April 2006 IWL Logistiktag 2 Visionen I 28. April 2006 UNIVERSITÄT DORTMUND IWL Logistiktag 3 Visionen II: I-Robot 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 4 Visionen III 28. April 2006 UNIVERSITÄT DORTMUND IWL Logistiktag 5 Die Vision IV UNIVERSITÄT DORTMUND „Ich glaube, dass Roboter, deren Intelligenz der menschlichen ebenbürtig ist, in fünfzig Jahren eine ganz alltägliche Errungenschaft sein werden.“ - Hans Moravec „And once an intelligent robot exists, it is only a small step to a robot species – to an intelligent robot that can make evolved copies of itself.“ - Bill Joy „Between humans and machines won‘t exist any clearcut distinctions.“ - Ray Kurzweil 28. April 2006 IWL Logistiktag 6 Die Vision V UNIVERSITÄT DORTMUND By mid-21st century, a team of fully autonomous humanoid robot soccer players shall win the soccer game, comply with the official rule of the FIFA, against the winner of the most recent World Cup. The RoboCup Federation, 1998 28. April 2006 IWL Logistiktag 7 Roboter bei der Arbeit UNIVERSITÄT DORTMUND Fertigungslinie in der Automobilindustrie 28. April 2006 IWL Logistiktag 8 Nietroboter für den Airbus UNIVERSITÄT DORTMUND • Steuermodul, um die Nieten der äußeren Hülle zu setzen • Armreichweite 12 m • Kontrolliert von Kameras • Genauigkeit 2/100 mm 28. April 2006 IWL Logistiktag 9 Roboter bei der Arbeit UNIVERSITÄT DORTMUND Verbundproduktion für das Bearbeiten und Pollieren Automatic pallet store Working Cell Pallet transport system 28. April 2006 IWL Logistiktag 10 Roboter bei der Arbeit 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 11 Industrieroboter UNIVERSITÄT DORTMUND Operational stock at year-end 2000 2001 2002 2005 389,442 361,232 352,800 351,600 89,880 97,268 104,700 130,600 198,897 219,333 239,700 321,400 8,900 10,840 13,000 21,000 Subtotal, excl. Japan and Rep. Korea 323,605 354,040 383,000 557,300 Total, incl. all types of industrial robots in Japan and Rep. Of Korea 751,034 756,539 780,600 964,500 Country Japan (all types of industrial robots) United States European Union .... Other countries a/ a/ Estimated by the UNECE and IFR for some or for all the years 28. April 2006 IWL Logistiktag 12 Dienstleistungsroboter UNIVERSITÄT DORTMUND Service robots as low volume specialists: floor cleaning, sewer inspection, entertainment Robots as household appliances for large volume markets: Lawn-mover, Vacuum cleaner and tennis ball collectors Service robot systems based on conventional robot arms: refueling, orthopedic surgery, automated drink terminal 28. April 2006 IWL Logistiktag 13 Dienstleistungsroboter UNIVERSITÄT DORTMUND Stock at end 2002 Types of robots Installations 2002-05 300 2,560 Demolition robots 2,500 1,210 Underwater robots - Inspection; Work class robots 3,300 3,000 Medical robots - Surgical robots; Robots-assisted 1,840 6,050 Surveillance robots; Security robots 70 1,830 Refuelling robots 50 1,120 680 550 1,350 1,000 Total number of units 12,400 25,500 Domestic robots, e.g. vacuum cleaning; Lawn-mowing 21,500 719,00 155,010 1,202,000 176,500 2,021,000 Cleaning robots - Floor cleaning; Tank cleaning; Window and wall cleaning, cleaning aircraft, boats, etc.) surgery Robots in agriculture and forestry, of which Automated milking systems ... Entertainment/hobby/leisure time robots ... Total number of units 28. April 2006 IWL Logistiktag 14 Paradigmenwechsel UNIVERSITÄT DORTMUND • hohe Präzision • Anpassung an Veränderungen in der Umwelt • repetitive Aufgaben • komplexe Tätigkeitsfolgen • stationär oder mobil entlang von Koordinaten • “freie” Mobilität • „closed world“ • „open world“ (unerwartete Objekte und Ereignisse) • monolithische, straight forward-Programme • „variable“ Programme; Computational Intelligence (Neuronale Netze, Fuzzy Logik, Evolutionäre Alg.), ... • keine bzw. geringe Kooperation • Kooperation mit Menschen und anderen Robotern 28. April 2006 IWL Logistiktag 15 Agenten UNIVERSITÄT DORTMUND Autonomie: … Unabhängigkeit, Veränderungen wahrnehmen, Handeln Zielorientiert: … was wann wo … Zusammenarbeit: … zw. Agenten und mit Auftraggeber Flexibilität: … zwischen Handlungen wählen, Abfolgen planen Self-starting: … Selbstbestimmung über Zeitpunkt der Aktionen Zeitliche Kontinuität: … stets “wachsam” Charakter: … eine Art “Identität” Kommunikation: … auch über verschiedene Plattformen hinweg Adaptivität: … Fähigkeit zu lernen Mobilität: … zwischen Orten “wandern” 28. April 2006 IWL Logistiktag 16 Navigation UNIVERSITÄT DORTMUND Zum “Nest” zurück: Schlussfolgern über räumliche Beziehungen Drei fundamentale Kompetenzen: - Selbst-Lokalisation - Pfadplanung - Map-Building and –interpretation Lokalisation: Kompetenz des Agenten, seine eigene Position innerhalb eines Bezugsrahmens zu bestimmen Pfadplanung: Bestimmung des Weges zwischen der vorhandenen und Zielposition Map: jede 1:1-Abbildung der realen Welt in eine interne Darstellung 28. April 2006 IWL Logistiktag 17 Landmark-basierte Navigation UNIVERSITÄT DORTMUND “Alleinstellungsmerkmale” der Umwelt Nachbarschaftsbeziehungen zwischen bestimmten Landmarks Szenen-Verstehen (Was ist eine “Kirche”?) Voraussetzung z. B.: - Möglichst weite Sichtbarkeit - Erkennbar unter verschiedenen Lichtbedingungen, Betrachtungswinkeln …. - entweder stationär oder bekannte Bewegungsbahn Schlußfolgerung: Multiple Info-quellen => zuverlässigeren und robusteren “Erkenntnissen” 28. April 2006 IWL Logistiktag 18 Sensoren UNIVERSITÄT DORTMUND Messen physikalische Eigenschaften der Umwelt: Temperatur, Helligkeit, Widerstand bei Berührung, Gewicht, Größe, Umfang etc. Sensitivität - Verhältnis zw. Output- und Input-Veränderung Linearität – Maß für Konstanz des I/O-Verhältnisses Messbereich - Unterschied zw. Min und Max Antwortzeit – Zeit zw. Umsetzung des Inputs zum sichtbaren Output Genauigkeit - tatsächliche u. gemessene Werte Wiederholbarkeit – Unterschiede bei wiederholten Messungen Auflösung – kleinste beobachtbare Veränderungen 28. April 2006 IWL Logistiktag 19 Intelligenz UNIVERSITÄT DORTMUND “If we are able to explain and predict its behavior or if there seems to be little underlying plan, we have little temptation to imagine intelligence.” Alan Turing, 1947 oder We consider ourselves intelligent, therefore any machine that does what we do has to be considered “intelligent” too. Intelligenz ist “what humans do, pretty much all the time” – R. Brooks “The question of intelligence is the last great terrestrial frontier of science.” – Jeff Hawkins 28. April 2006 IWL Logistiktag 20 Intelligenz UNIVERSITÄT DORTMUND Offensichtlich leichte Aufgaben im Zentrum menschlicher Intelligenz Fokus auf den Prozess von Adaptation und Lernen in der realen Welt – “biologische” Typen von Intelligenz (Bienen, Ameisen, …) „Embodiment“: Verstehen simpler Bauprinzipien und Materialien: Masse, Steifheit, Elastizität, Viskosität …(dynamic walker, Muskeln) Intelligenz entsteht durch die Interaktion des Agenten mit der realen Welt 28. April 2006 IWL Logistiktag 21 Funktionaler Ansatz Sensoren UNIVERSITÄT DORTMUND Wahrnehmung Modellbildung Planung Aufgaben-Ausführung Motorsteuerung 28. April 2006 IWL Logistiktag Aktuatoren 22 Verhaltensbasierter A. UNIVERSITÄT DORTMUND Schlußfolgere ü. Verh. von O. Plane Handlungen Identifiziere Objekte Sensoren Beobachte Veränderungen Aktuatoren Bilde Umgebungspläne Erkunde Wandere umher Vermeide Objekte 28. April 2006 IWL Logistiktag 23 Humanoide Roboter 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 24 Control System UNIVERSITÄT DORTMUND PWM High level control IR sensor motor PWM Camera motor DSP SPI Digital compass A/D Serial port IR sensor Video-camera Walking control A/D Tilt sensor DSP PWM A/D Force sensors DC servo motors for legs and arms 28. April 2006 IWL Logistiktag 25 ATR‘s Robovie-III UNIVERSITÄT DORTMUND Ziel: Fahren auf unebenem Grund (erster zweirädriger humanoider Roboter) und Kommunikation Mensch Roboter multimodale Kommunikation (Sprachverarbeitung, Skin Sensor) 100 Verhaltensweisen, zeigt Reaktion behält die Balance auch bei Widerstand (invertiertes Pendel) Finger-Pointing Funktion 28. April 2006 IWL Logistiktag 26 Fujitsu‘s HOAP-1 UNIVERSITÄT DORTMUND Ziel: Testbed für die Forschung zur Mensch-RoboterKommunikation Humanoid for Open Architecture Platform (HOAP) 48 cm / 6 kg / 45 T€ zur Entwicklung von Algorithmen zur Bewegungskontrolle Lernen mittels dynamisch rekonfigurierbarem neuronalen Netz (auch Struktur …) RT-Linux / USB-Schnittstellen 28. April 2006 IWL Logistiktag 27 Honda‘s ASIMO UNIVERSITÄT DORTMUND Ziel: Entwicklung von Interaktion und Sensomotorik 1,20 m / 43 kg natürliche, fließende Bewegungsabläufe versteht 100 Wörter und spricht Sätze erkennt bis zu 25 Gesichter und 12 verschiedene Gesten 50 Zurufe, Grüße und Fragen Betriebssystem VxWorks – bewährt in Industrierobotern 28. April 2006 IWL Logistiktag 28 Sony‘s QUIRO UNIVERSITÄT DORTMUND Ziel: Sony’s technologische Führerschaft demonstrieren 58 cm high / 7 kg 1.000 versch. Bewerbungen, Tanzen, Balance, Fußball Sprachverarbeitung >20.000 Worte, 200 programmierte Phrasen Langzeit Gedächtnis, nachhaltigere Kommunikation mit Menschen 2 CCD Farbkameras für Bildverarbeitung (Gesichtererkennung) Open-R Architectur (AIBO) 28. April 2006 IWL Logistiktag 29 Cog Project – MIT AI UNIVERSITÄT DORTMUND “Humanoid intelligence requires • • • • humanoid interactions with the world” Ziel: Entwicklung von Intelligenz durch Lernfähigkeit Beweglichkeit in Rumpf, Kopf und Armen, bislang nicht in Beinen und Rückgrat Visuelle Wahrnehmung ist erreicht, auditive und taktile angestrebt Funktion: Einheitliche HardwarePlattform, die die verschiedenen Bereiche der AI integriert 28. April 2006 IWL Logistiktag 30 Kismet – MIT AI Lab UNIVERSITÄT DORTMUND “Humanoid intelligence requires humanoid interactions with the world” • Ziel: Entwicklung von Intelligenz durch Lernfähigkeit • Beweglichkeit in Rumpf, Kopf und Armen, bislang nicht in Beinen und Rückgrat • Visuelle Wahrnehmung ist erreicht, auditive und taktile angestrebt • Funktion: Einheitliche HardwarePlattform, die die verschiedenen Bereiche der AI integriert 28. April 2006 IWL Logistiktag 31 Edutainment Robotics UNIVERSITÄT DORTMUND „We are creating a new industry out of electronic dogs and cats, and toys that can serve both as a technology playground and, potentially, as a platform for consumer electronics. Entertainment Robots offer a proving ground where engineers in software, computers, sensors, communication – all things electrical and mechanical – can test, develop and apply their latest technology!“ - Toshi Doi, Vice President Sony Corp. 28. April 2006 IWL Logistiktag 32 NEC PaPeRo UNIVERSITÄT DORTMUND Ziel: Entwicklung von Interaktion und Sensomotorik 385 mm / 5 kg natürliche, fließende Bewegungsabläufe versteht 100 Wörter und spricht Sätze erkennt bis zu 25 Gesichter und 12 verschiedene Gesten 50 Zurufe, Grüße und Fragen Betriebssystem VxWorks – bewährt in Industrierobotern 28. April 2006 IWL Logistiktag 33 ZMP‘s PINO UNIVERSITÄT DORTMUND Ziel: Roboter für das eigene Heim • Emotionen: singt, spricht • Charakter: Freundlich, scheu oder widerborstig • Basis für die Entwicklung von „Produkten“ • Stabil mit einem Fuß auf dem Boden • 70 cm hoch, 26 Motoren • Lernfähigkeit mit Genetischen Algorithmen • 65,000 $ 28. April 2006 IWL Logistiktag 34 Faszination Fußball UNIVERSITÄT DORTMUND Fitness Finesse Team Geist Genialer Geistesblitz Taktische Disziplin Kreative Flexibilität www.fira.net - www.robocup.org 28. April 2006 IWL Logistiktag 35 Intelligente Software für ... UNIVERSITÄT DORTMUND selbständige Entscheidungen, auch bei unscharfen oder unvollständigen Infos (Kontrollautonomie) effiziente Kommunikation (Kommunikationskompetenz) Teamfähigkeit (Kooperation) geplantes Verhalten über längere Zeit (Planungskompetenz) schnelle Reaktion auf unerwartete Veränderungen der Umwelt (Adaptionsfähigkeit) lernen aus Erfahrungen und Anpassungsfähigkeit (Lern- und Generalisierungsfähigkeit) 28. April 2006 IWL Logistiktag 36 Overall System UNIVERSITÄT DORTMUND Hardware Komponenten: Kamera – Host – Kommunikation – Roboter Software Module: Bildverarbeitung – Strategie – Robotersteuerung 28. April 2006 IWL Logistiktag 37 Einige HW-Daten Texas Instruments TMS320F240 DSP 16 bit architecture, 20 MIPS 16 kWord flash memory 32 kWord data + 32 kWord code RAM 2 PWM output channels for DC motors 16 A/D conversion channels 1 serial port (for Radiometrix radio module) JTAG interface (debugging, flashing) Analog Devices Acceleration Sensor: ADXL202 (x: 2 g, y: 2 g) 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 38 Bildverarbeitung Camera frame Pixelclassif. UNIVERSITÄT DORTMUND • Discard irrelevant Pixel • Color Classification Pixel Set Blobfinder • Combination of equal colored pixels to common area: “blob“ Blob Set Patchfinder • Combination of blobs to robot patches Patch Set Tracking • Assign patches to robots • Plausibility check Robot Set Position data 28. April 2006 Calculations • Calculation of robot positions • Fisheye-/Parallax-Correction IWL Logistiktag 39 BV- Probleme UNIVERSITÄT DORTMUND Mehr oder weniger absichtlich komplexe Designs gegnerischer Patches 28. April 2006 IWL Logistiktag 40 Pixel + Blobs finden 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 41 BV-Probleme UNIVERSITÄT DORTMUND Dummy1 28. April 2006 IWL Logistiktag 42 BV-Probleme UNIVERSITÄT DORTMUND Dummy2 Dummy1 28. April 2006 IWL Logistiktag 43 BV-Probleme Problems UNIVERSITÄT DORTMUND Verdeckung von Objekten Parallaxen Effekt Bildebene Roboterebene - echter Robotermittelpunkt Spielfeldebene projizierter und errechneter Mittelpunkt Roboter Spielfeld Fehler 28. April 2006 IWL Logistiktag 44 Tracking + Verschmelzung 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 45 N-Kamera-Ansatz 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 46 Lokale BV UNIVERSITÄT DORTMUND Agilent ADCM-1650 CMOS: 352 x 244 pixel Bis 15 Frames/Sek. 50 MHz Dual-port-framebuffer als Schnittstelle zw. DSP und Kamera 28. April 2006 IWL Logistiktag 47 Simulator 28. April 2006 UNIVERSITÄT DORTMUND IWL Logistiktag 48 Strategie UNIVERSITÄT DORTMUND Drei-Schichten-Konzept Entscheidungen Top-Down Taktik Rollen Neue Taktik-Komponenten können leicht hinzugefügt werden 28. April 2006 IWL Logistiktag Aktionen 49 Strategie Taktikebene actual situation Tactic 1 UNIVERSITÄT DORTMUND Tactic 2 ... Tactic n 7 Taktiken, 9 Standardsituationen Jedes Taktikmodul berechnet Erfolgswahrscheinlichkeit für jede aktuelle Spielsituation Faktoren für die Berechnung sind z. B.: Position und Aktivität des Balles, Richtung und Geschwindigkeit der eigenen Roboter, des Gegners, ... Der Maximizer wählt Taktik mit der größten Erfolgswahrscheinlichkeit Maximizer 28. April 2006 IWL Logistiktag 50 Strategie Rollenebene actual situation Tactic 1 Tactic 2 ... Robot 1 Role 2 ... Action 1 Action 2 ... 28. April 2006 Jede Roboter hat alle Rollen zur Verfügung, führt aber nur die ihm zugewiesene Rolle aus Jeder Rolle stehen bestimmte Handlungen zur Verfügung (insgesamt 14 Handlungen) Gewählte Rolle wählt autonom eine geeignete Handlung aus (Kriterien z. B. „Ball an Bande ?“, „Schussfeld frei ?“ Tactic n Maximizer Role 1 UNIVERSITÄT DORTMUND Robot n (analog) ... IWL Logistiktag 51 Strategie UNIVERSITÄT DORTMUND actual situation Tactic 1 Tactic 2 ... Tactic n Maximizer Robot 1 Role 1 Role 2 ... Action 1 Action 2 ... Robot n (analog) Handlungsebene Die ausgewählten Aktionen werden ausgeführt Umsetzung der Aktionen in konkrete Befehle (Solldaten) zur Robotersteuerung ... desired situation 28. April 2006 IWL Logistiktag 52 UNIVERSITÄT DORTMUND 28. April 2006 IWL Logistiktag 53 Pfadplanung UNIVERSITÄT DORTMUND Pfad wird so berechnet, dass das Ball zu gewünschte Richtung gekickt wird. 28. April 2006 IWL Logistiktag 54 Pfadplanung UNIVERSITÄT DORTMUND Prinzip: 28. April 2006 IWL Logistiktag 55 Der „Versenker“ ● UNIVERSITÄT DORTMUND Phase 1: ● ● ● ● Phase 2: ● ● ● Schnittpunktberechnung Auf den optimalen Zeitpunkt zum Versenken warten Phase 3: ● ● ● ● 28. April 2006 Positionierung Ausrichtung Freier Schusskanal Losfahren Geschwindigkeit regulieren Beschleunigen bei Ballkontakt Abbremsen vor Bande IWL Logistiktag 56 FIRA WM 2006 28. April 2006 IWL Logistiktag UNIVERSITÄT DORTMUND 57 Kurzes Resumée UNIVERSITÄT DORTMUND Beträchtliche Fortschritte in der Technologie Fortschritte in der Entwicklung intelligenter Software Aber: noch weit von dem entfernt, was für Menschen selbstverständliche Alltagstätigkeiten sind Nicht robust, nicht sicher im Alltag Weit von der Komplexität menschlicher Akteure entfernt Die Zukunft hat begonnen, aber sie kommt mit behutsamen Schritten ! 28. April 2006 IWL Logistiktag 58 UNIVERSITÄT DORTMUND Danke für Ihre Aufmerksamkeit ! 28. April 2006 IWL Logistiktag 59
