Integrating Qualitative Reasoning and Human-Robot Interaction for Domestic Service Robots

Schiffer, Stefan; Lakemeyer, Gerhard; Bennewitz, Maren

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-006607

Integrating Qualitative Reasoning and Human-Robot Interaction for Domestic Service Robots = Integration von qualitativem Schließen und Mensch-Roboter-Interaktion für Serviceroboter in Haushaltsumgebungen

Schiffer, Stefan^RWTH*

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Schiffer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVIII, 224 S. : Ill., graph. Darst.

RWTH Aachen University, Diss., 2014

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lakemeyer, Gerhard (Thesis advisor) ; Bennewitz, Maren (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-006607
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/462448/files/462448.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/462448/files/462448.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Serviceroboter (frei) ; Haushaltsroboter (frei) ; Qualitatives Schließen (frei) ; Mensch-Roboter Interaktion (frei) ; RoboCup@Home (frei) ; Service Robots (frei) ; Human-Robot Interaction (frei) ; Qualitative Reasoning (frei) ; Domestic Service Robots (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Innerhalb des letzten Jahrzehnts ist das Interesse an Servicerobotern für Haushaltsumgebungenstetig gestiegen. Einige der Herausforderungen für solche Roboter, insbesonderebei der Bewältigung von komplexen Aufgaben, bestehen in der Deliberation,der robusten Ausführung von Aktionen und der flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion.Ungeachtet der Fortschritte auf den Gebieten des qualitativen Schließens und in derMensch-Roboter-Interaktion ist die geeignete Integration dieser beiden Aspekte einenoch offene Fragestellung.Aufbauend auf einem existierenden Robotersystem liefert diese Dissertation eine Reihevon Beiträgen zur Integration von qualitativen Repräsentationen, high-level Reasoningund Mensch-Roboter-Interaktion für einen intelligenten Haushaltsroboter. Wir beginnenmit einer Vorstellung der Haushaltsrobotik und von Teilen der Methodologie von ROBOCUP@HOME, an der wir mitgewirkt haben. Bevor wir uns den eigentlichen Beiträgendieser Arbeit widmen können, müssen wir zunächst das Robotersystem mit einigenBasisfertigkeiten ausstatten, die jeder Serviceroboter mitbringen muss, der in menschlichenUmgebungen arbeiten soll. Als Bindeglied zwischen sensorischer Wahrnehmungund symbolischem Schließen stellen wir eine Methode zur semantischen Kartografievor, die die zentrale Verwaltung von Informationen über die Umgebung des Robotersermöglicht. Dank eines neuartigen hierarchischen Verfahrens zur Objekterkennung sindwir in der Lage sogar zuvor unbekannte Objekte zu erkennen.Dann widmen wir uns den Hauptbeiträgen dieser Dissertation. Zuerst erweitern wirunseren Roboter mit wichtigen Fähigkeiten zur Mensch-Roboter-Interaktion, indem wirKomponenten zur Sprach-, Gesichts- und Gestenerkennung sowie zur Sprachsyntheseund zur Darstellung eines künstlichen Gesichts integrieren. Auf die Spracherkennungfolgt eine einfache Form des Sprachverstehens, welche eine begrenzte Fehlerkorrekturerlaubt. Dann erweitern wir unser high-level Kontrollsystem um Möglichkeiten für qualitativeRepräsentationen und zur qualitativen Kontrolle. Nachdem wir diese beidenAspekte zunächst generisch behandeln, stellen wir eine spezielle Erweiterung zur Repräsentationvon und zum Schließen mit qualitativen räumlichen Informationen vor.Schließlich erhöhen wir die Robustheit unseres Systems gegenüber internen Fehlerndurch die Einführung einer Selbstwartungsfunktion. Diese versetzt den Roboter in dieLage, gewisse Fehler selbständig zu beheben.

The last decade has seen an increasing interest in domestic service robots. Particularchallenges for such robots especially when performing complex tasks are deliberation,robust execution of actions, and flexible human-robot interaction. Despite progress inqualitative reasoning and human-robot interaction their integration is an open issue.In this thesis, we build on an existing cognitive mobile robot platform and make aseries of contributions to integrate qualitative representations, high-level reasoningand human-robot interaction for an intelligent domestic service robot. We start byintroducing the domestic service robotics domain and parts of the ROBOCUP@HOMEmethodology that we contributed to. Before we can actually turn to our main focus, weequip the system with a set of basic capabilities that are required for a service robotin human environments. As a bridge between perception and symbolic reasoning weprovide a semantic mapping scheme that allows to centrally manage information aboutthe environment. With a novel hierarchical object recognition method we are furtherable to classify even yet unseen objects.Then we move on to the main contributions of this thesis. First, we extend the robot withimportant modes for human-robot interaction by adding components for speech, face,and gesture recognition as well as for speech synthesis and a virtual facial display. Forthe speech input we proceed with a simple form of natural language understanding thatallows a limited form of error recovery. Second, we introduce qualitative representationsand control to our high-level control system. After integrating a general account forqualitative information based on fuzzy sets into our high-level language we also addmeans to specify and use fuzzy controllers for behaviour specification. Then we focuson spatial data and provide a formalization that allows for representing and reasoningwith qualitative positional information in our high-level language. Lastly, we increasethe robustness of the robot against internal errors and add to the flexibility in dealingwith possibly faulty external input. We integrate a basic form of self-maintenance thatallows the robot to recover from internal errors by itself.

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