Förderprojekte

Förderbeginn 01.01.2018

Shared Control fuer die Interaktion in Mensch-Roboter-Teams

Prof. Dr. Sandra Hirche
Technische Universität München
Lehrstuhl für Informationstechnische Regelung

Prof. Dr. Oussama Khatib
Stanford University
Artificial Intelligence Laboratory

Durch die Weiterentwicklung autonomer Fähigkeiten haben Roboter das Potenzial, Kooperationspartner von Menschen zu werden. Jedoch ist der Mensch dem Roboter immer noch weit ueberlegen, wenn es um logisches Denken und Planung in unbekannten Umgebungen geht. Roboter wiederum übertreffen den Menschen in der Präzision und Stärke. Durch geeignete Kombination der Stärken beider wird die Leistungsfähigkeit bei gemeinsamen Aufgaben gesteigert. Aus regelungstechnischer Sicht ergibt sich damit die Frage nach einer geeigneten "control sharing" Strategie. Wir haben kürzlich eine neuartige Regelung für "control sharing" vorgeschlagen, welche auf geeigneter Entkopplung der Regelungsaufgabe in Unteraufgaben beruht. Ziel dieses Projektes ist einer Erweiterung der vorgeschlagenen Strategie und eine experimentelle Validierung in einem semi-autonomoen Teleoperationsszenario.

Abschlussbericht
Durch die Weiterentwicklung autonomer Fähigkeiten haben Roboter das Potenzial, Kooperationspartner von Menschen zu werden. Jedoch ist der Mensch dem Roboter immer noch weit überlegen, wenn es um logisches Denken und Planung in unbekannten Umgebungen geht. Roboter wiederum übertreffen den Menschen in Präzision und Stärke. Durch geeignete Kombination der Stärken beider wird die Leistungsfähigkeit bei kooperativen Aufgaben gesteigert. Aus regelungstechnischer Sicht ergibt sich damit die Frage nach einer geeigneten "control sharing" Strategie, d.h. wie die Fähigkeiten von Menschen und Robotern zur Entscheidungsfindung und Aufgabenausführung kombiniert werden können. Wir haben kürzlich eine neuartige Regelung für "control sharing" vorgeschlagen, die sogennante „subtask-based shared control“ [1], welche eine kollaborative Aufgabe in mehrere elementare Teilaufgaben entkoppelt. Die Teilaufgaben, die Planungs- und Anpassungsfähigkeiten erfordern, werden dem Menschen zugewiesen, während die Teilaufgaben, die Präzision und Wiederholbarkeit erfordern, der Autonomie des Robotersystems zugewiesen werden.

Im Rahmen dieses Projekts haben wir den an der TUM entwickelten „subtask-based shared control“ Ansatz erfolgreich mit dem von Prof. Oussama Khatib vorgeschlagenen „operational-space control“ Ansatz kombiniert [2]. Der kombinierte Ansatz wurde mithilfe des am Stanford entwickelten Open- Source Framework für Simulation und Steuerung, manip-sai2 [3], implementiert. Die experimentelle Evaluierung erfolgt auf einem Dual-Manipulator-Simulationssystem für eine kooperative Manipulationsaufgabe mit Human-in-the-Loop über ein kinästhetisches haptisches Gerät, Omega.7 von Force Dimension. Während der menschlicher Bediener die gewünschte Trajektorie befehlt, um das vom Robotersystem manipulierte Objekt auf ein Ziel zu übertragen, hält das Robotersystem den Griff des Objekts autonom aufrecht und übt eine ausreichende Kraft aus.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der kombinierte Ansatz für komplexe Aufgaben, Robotersysteme mit relativ viele Freiheitsgraden und haptische Eingabegeräte mit geringer Kraftkapazität sehr vorteilhaft ist. Wenn der vorgeschlagene Ansatz nicht verwendet wird, wirkt die Kopplung zwischen Teilaufgaben als Störung durch das haptische Interface. Dies kann zu einer schlechten Leistung oder sogar zum Ausfall des Systems führen. Die vorläufigen Ergebnisse sind in einem Workshop Paper veröffentlicht [4]. Der Zeitschriftenaufsatz in Zusammenarbeit mit Prof. Oussama Khatib ist in Vorbereitung und die Einreichung ist für die erste Hälfte des Jahres 2020 geplant.

[1] Music, Selma, et al. "Human–Robot Team Interaction Through Wearable Haptics for Cooperative Manipulation." IEEE transactions on haptics 12.3 (2019): 350-362.
[2] Khatib, Oussama, et al. "Whole-body dynamic behavior and control of human-like robots." International Journal of Humanoid Robotics 1.01 (2004): 29-43.
[3] Khatib, Oussama, et al. "Human-centered robotics and interactive haptic simulation." The International Journal of Robotics Research 23.2 (2004): 167-178.
[4] Music, Selma and Khatib, Oussama and Hirche, Sandra. "Shared Control for robot-team teleoperation." 2018 IEEE/ RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Workshop on "Haptic-enabled shared control of robotic systems: a compromise between teleoperation and autonomy"