Volume 49, Issue 4

In this paper we present our research aiming at creating a cognitive humanoid. We describe our understanding of the core elements of a processing architecture for such kind of an artifact. After these conceptual considerations we present our research results in the areas of task and body oriented motion control as well as visually and behaviorally oriented learning. Zusammenfassung In diesem Beitrag präsentieren wir unsere Forschungsaktivitäten aus dem Bereich der kognitiven Robotik. Zunächst werden einige grundlegende Konzepte bezüglich der relevanten Elemente und deren Zusammenwirken in einer Architektur erörtert. Danach präsentieren wir konkrete Forschungsergebnisse aus dem Bereich der aufgabenund körperorientierten Bewegungskontrolle sowie aus dem Bereich des visuellen und verhaltensorientierten Lernens.

Humanoid robots are perfectly suited for service applications, since their human-like shape allows them to easily access environments designed for humans. This paper presents the performance enhanced humanoid robot LOLA. The goal of the project is to realize fast, human-like and vision-guided walking. LOLA's hardware is characterized by lightweight construction, modular, multi-sensory joint design with brushless motors and an electronics architecture using decentralized joint controllers. Real-time walking control is realized by a hierarchical trajectory generation and control system. Hardware and control are designed using a comprehensive multibody model of the robot. LOLA is equipped with a novel multi-focal vision system with four cameras and 6 degrees-of-freedom. Multifocal situation-specific gaze control provides high perception quality, flexible reaction, and accurate localization and navigation in large and weakly structured environments. Zusammenfassung Humanoide Roboter sind für Service-Anwendungen perfekt geeignet. Ihre menschenähnliche Form ermöglicht optimales Handeln in für den Menschen spezialisierten Umgebungen. Dieser Artikel präsentiert den leistungsgesteigerten humanoiden Roboter LOLA. Ziel des Projektes ist die Realisierung schnellen, menschenähnlichen und sichtgesteuerten Gehens. LOLAs Hardware zeichnet sich aus durch Leichtbau, modulares und multisensorisches Gelenkdesign mit bürstenlosen Antrieben und eine Architektur mit dezentralen Gelenkreglern. Ein hierarchisches Trajektorienplanungs- und Regelungssystem kontrolliert die Ausführung der Gangbewegung. Hardware- und Regelungsdesign basieren auf einem detailierten Mehrkörpermodell des Roboters. LOLA ist mit einem neuartigen multifokalen Sichtsystem mit vier Kameras und sechs Freiheitsgraden ausgestattet. Eine multifokale situative Blickrichtungssteuerung ermöglicht eine hohe Wahrnehmungsqualität, flexible Reaktion und genaue Lokalisation und Navigation in weiträumigen und schwach strukturierten Umgebungen.

One precondition for bringing humanoid robots to market is, that they can be adapted to new domains and tasks flexibly. Furthermore it is important that non-experts are able to adapt the robots internal knowledge to their environment.This article introduces two approaches concerningknowledge acquisition and knowledge transfer between humans and robots that are currently researched within the German humanoid project. The programming by demonstrationparadigm can help to enhance the robots task knowledge. Interactive object modeling enables even laymen to extend the robots world knowledge. The target system is the humanoid robot ARMAR-III (AnthRopomorphic Multi-Arm-Robot).

Models of the environment are needed for a wide range of robotic applications, from search and rescue to automated vacuum cleaning. Learning maps has therefore been a major research focus in the robotics community over the last decades. In general, one distinguishes between metric and topological maps. Metric maps model the environment based on grids or geometric representations whereas topological maps model the structure of the environment using a graph. The contribution of this paper is an approach that learns a metric as well as a topological map based on laser range data obtained with a mobile robot. Our approach consists of two steps. First, the robot solves the simultaneous localization and mapping problem using an efficient probabilistic filtering technique. In a second step, it acquires semantic information about the environment using machine learning techniques. This semantic information allows the robot to distinguish between different types of places like, e. g., corridors or rooms. This enables the robot to construct annotated metric as well as topological maps of the environment. All techniques have been implemented and thoroughly tested using real mobile robot in a variety of environments. Zusammenfassung Umgebungsmodelle sind die Grundlage für viele Applikationen innerhalb der mobilen Robotik wie beispielsweise Rettungsaufgaben oder autonomes Staubsaugen. Techniken zum Bauen von Karten mit mobilen Robotern werden daher seit vielen Jahren intensiv untersucht. Meist unterscheidet man hier zwischen metrischen und topologischen Karten. Metrische Modelle verwenden geometrische Darstellungen, wohingegen topologische Karten typischerweise durch Graphen repräsentiert werden. Der Beitrag dieser Arbeit besteht in einem Verfahren zum Erstellen von metrischen wie auch topologischen Karten, basierend auf Daten, die mittels Abstandssensoren aufgenommen wurden. Unser Ansatz basiert auf zwei Schritten. Zuerst wird das so genannte simultane Lokalisierungs- und Kartenbauproblem mit Hilfe wahrscheinlichkeitstheoretischer Filtertechniken gelöst. Im zweiten Schritt schätzt unser Verfahren semantische Informationen über Orte in der Umgebung. Diese Technik erlaubt es einem Roboter beispielsweise zu entscheiden, ob dieser sich gerade in einem Raum, einem Türrahmen oder in einem Korridor befindet. Dadurch kann der Roboter die metrische Karte annotieren und somit die Topologie schätzen. Um Klassifikationsfehler zu minimieren, verwenden wir eine probabilistische Relaxationsmethode. Das hier vorgestellte Verfahren wurde implementiert und mit Hilfe echter mobiler Roboter intensiv getestet und evaluiert.

Assistant systems, both mobile or stationary, support the worker in his production process, e. g., when welding in small lot sizes. For programming these tasks no viable solution exists, the methods of industrial robotics cannot be transferred. The concept of programming by demonstration is an approach that is followed with the programming environment InTeach. The fast and intuitive programming possible with this environment is presented with respect to two assistant systems.

Quite often robotics – particularly service-robotics – is compared with genetic- and bio-technology research concerning the impact on the new century. Japan and Korea are aiming towards capturing the billion dollar markets at an early stage. In vision is a new generation of robots incorporating lightweight, energy-optimised arms and dexterous multi-fingered hands that do not overload a small carrier vehicle or a walking mechanism. The requirements on space technology with respect to high mechatronic integration, extreme lightweight construction and minimal energy consumption help to fill this technology gap. The recent developments of DLR's Institute of Robotics and Mechatronics and the perspective of their applications for terrestrial service and surgery robots are key topics of this paper.

Unanticipated changes to complex software systems can introduce anomalies such as duplicated code, suboptimal inheritance relationships and a proliferation of run-time downcasts. Refactoring to eliminate these anomalies may not be an option, at least in certain stages of software evolution. A class extension is a method that is defined in a module, but whose class is defined elsewhere. Class extensions offer a convenient way to incrementally modify existing classes when subclassing is inappropriate. Unfortunately existing approaches suffer from various limitations. Either class extensions have a global impact, with possibly negative effects for unexpected clients, or they have a purely local impact, with negative results for collaborating clients. Furthermore, conflicting class extensions are either disallowed, or resolved by linearization, with subsequent negative effects. To solve these problems we present classboxes, a module system for object-oriented languages that provides for behavior refinement (i. e. method addition and replacement). Moreover, the changes made by a classbox are only visible to that classbox (or classboxes that import it), a feature we call local rebinding. We present an experimental validation in which we apply the classbox model to both dynamically and statically typed programming languages. We used classboxes to refactor part of the Java Swing library, and we show two extensions built on top of classboxes which are (i) runtime adaptation with dynamically classboxes and (ii) expressing crosscutting changes. Zusammenfassung Unerwartete Veränderungen in komplexen Systemen führen zu Anomalien wie z. B. dupliziertem Code, suboptimalen Vererbungsbeziehungen und die Zunahme von Runtime Downcasts. Refactoring bietet nicht immer eine Lösung, zumindest nicht in allen Stufen der Software Evolution. Eine Klassenerweiterung ist eine Methode, die in einem Modul deklariert, aber deren Klasse an anderer Stelle definiert ist. Klassenerweiterungen sind eine elegante Möglichkeit, um bestehende Klassen inkrementell zu verändern, wenn Vererbung nicht anwendbar ist. Existierende Ansätze zeigen einige Nachteile auf. So können z. B. Klassenerweiterungen globale Einflüsse mit negativen Folgen für die Benutzer dieser Klasse haben. Als Lösungsansatz stellen wir “classboxes” vor, ein Modulsystem für Objekt-orientierte Sprachen, das Verhaltensverfeinerungen anbietet, d. h. Redefinition und Zusatz von Methoden. Die Veränderungen einer Classbox sind nur für diese oder andere Classboxes, die diese importieren, sichtbar. Dieses bezeichnen wir als so genanntes Local Rebinding. Wir präsentieren eine experimentelle Bewertung, in der wir das Classbox Prinzip auf statisch und dynamisch typisierte Programmiersprachen anwenden. Teile der Java Swing Bibliothek wurden mit diesem Prinzip refaktorisiert. Zusätzlich stellen wir zwei Erweiterungen vor, die auf dem Classbox Prinzip aufbauen, die Adaption einer Anwendung mit dynamischen Classboxen und die Definition von Crosscutting Ausdrücken.