Der Heimroboter im Spannungsfeld zwischen Endgerät und OSGI Schnittstelle


Diplomarbeit, 2004
69 Seiten, Note: 1,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung
1.1 Was ist Robotik
1.1.1 Das physische Design
1.1.2 Die Verhaltenssoftware
1.2 Übersicht aktueller Robotikprojekte
1.3 Was ist OSGI

2. Verbindung von Robotik und OSGI
2.1 Anforderungsanalyse
2.2 Darstellung IST - Situation vor der Diplomarbeit
2.3 Konkretisierung SOLL - Situation nach der Diplomarbeit

3. Lösungsvorstellung
3.1 Gesamtübersicht
3.2 Dokumentation wichtiger Klassen
3.3 Begründung der Implementierungsstrategie und Alternativen

4. Qualitativer Performancetest
4.1 Hintergrund und Einleitung
4.2 Erläuterung des Vorgehens
4.3 Resultate der Versuche
4.4 Auswertung und Schlussfolgerungen

5. Ausblick
5.1 Fazit der Diplomarbeit
5.2 Mögliche Weiterentwicklungen der Diplomarbeit

6. Quellen
6.1 Überblick
6.2 Quellenangaben und Inhalte

7. Anhang
7.1 Dokumentierung und Begründung der Arbeitsschritte
7.2 JMF Guide und JavaDoc
7.3 Source Code

Vorwort

Noch vor der eigentlichen Beleuchtung des Themas der Diplomarbeit erachte ich es als außerordentlich wichtig klar zu definieren auf welchem Wissensniveau des Lesers ich ansetzen will. Diese Entscheidung ist deshalb von so großer Bedeutung, weil es wichtig ist zum einen eine wissenschaftlich konsistente und aussagekräftige Arbeit zu erstellen und zum anderen aber auch die Lesergruppe, die den Inhalt versteht und mit den gesammelten Informationen umgehen kann, nicht verschwindend klein werden zu lassen.

Dem entsprechend werde ich besonders in der Einleitung auch auf grundlegende Aspekte meiner Diplomarbeit eingehen und versuchen die Thematik treffend zu beschreiben. Diese Beschreibung ist deshalb relevant, weil ohne das nötige Verständnis und Hintergrundwissen die Ergebnisse der Arbeit nicht vollständig verstanden werden können. Des weiteren ist es wichtig eine gemeinsame Definition und Vorstellung über tragende Begriffe der Diplomarbeit zu finden. Zwei wesentliche Konzepte, die sich bereits im Titel wiederfinden, nämlich Robotik und OSGI, werden dem entsprechend bereits in der Einleitung ausführlich erklärt. Erst auf einer gemeinsamen begrifflichen Basis kann vollständig verstanden werden, was genau die Ziele sind und wie sie erreicht werden können.

Um die Ausgangssituationen und die Arbeitsumgebung zu verstehen ist es deshalb notwendig, nach der Definition der Begrifflichkeiten das Vorgehen genau zu dokumentieren. Nur wer den IST Zustand und die Vorinformationen vollständig erfasst hat kann verstehen, wohin die weitere Arbeit geht. Daher werden im Kapitel zwei genau die Ausgangs- und Zielpunkte definiert und letztlich ein geplantes Vorgehen aufgezeigt.

Die weiteren Kapitel befassen sich mit der eigentlichen Ausführung und der darauf folgenden wissenschaftlichen Evaluation. Durch das bis dahin gesammelte Vorwissen sollte die grobe Struktur der Lösung, sowie die daraus entstehenden Ergebnisse für jeden (auch ohne Vorwissen) nachvollziehbar sein.

Abschließend versuche ich einen Ausblick auf das zu geben, was in der Arbeit bisher nicht realisiert wurde. Dies beinhaltet Ansatzpunkte für mögliche Folgearbeiten, sowie noch offene Fragestellungen.

Ich möchte diese Arbeit zwei wichtigen Personen widmen, die mir immer wieder hilfreich zur Seite standen. Zum einen meinem Kommilitonen Peter Harmjanz, der mir auch in schwierigen Phasen der Erarbeitung mit Rat und Tat zur Seite stand und auf dessen fachliche Kompetenz immer Verlass war. Zum anderen meinem primären Betreuer Dr. Martin Kurze, der mir eine außerordentlich große Hilfe in problematischeren Teilen der Arbeit war. Mein Dank gilt ebenfalls den Korrekturlesern Angela Fritsch, Benjamin Voigt und Benjamin Paxmann sowie meiner geistigen Stütze Katja Schütte.

„Der Heimroboter im Spannungsfeld zwischen Endgerät und OSGI Schnittstelle“

1. Einführung

1.1 Was ist Robotik

Als einer der zentralen Begriffe im Thema der Diplomarbeit steht die Robotik. Was genau ist Robotik und was definiert einen „Heimroboter“ und unterscheidet ihn möglicherweise von anderen Robotern. Diese grundlegende Fragestellung: „Was ist Robotik“ ist von hoher Relevanz und grenzt das Hauptthema der Diplomarbeit ein.

Der Bereich der Robotik ist längst nicht mehr begrenzt auf wenige automatisierte Werksmaschinen. Die moderne Robotik umfasst eine ernorme Menge an verschiedenen Einsatzmöglichkeiten. Roboter finden sich in sehr vielen Bereichen des modernen Lebens wieder. In erster Linie ist Robotik die Wissenschaft der Maschinen; Maschinen, die je nach Situation und Gebrauchszweck zugeschnitten werden und möglichst automatisiert und effektiv spezialisierte Aufgaben erledigen.

Der aller erste und auch gleichermaßen bekannteste Einsatzzweck der Maschinen ist die industrielle Massenproduktion. Hierbei übernehmen Roboter feste, vordefinierte Handlungsabläufe (meist Fließbandarbeiten) und steigern durch enorme Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit die Produktionsrate massiv. Doch dieser Einsatzort ist lediglich einer von vielen. Moderne Roboter finden Einsatzzwecke in fast allen Bereichen, angefangen von medizinischen Chirurgieassistenten bis hin zur Sonde auf dem Mars, selbst im Entertainmentbereich haben Roboter bereits ihren Einzug gefunden1.1. Die Einsatzbereiche der Roboter sind also außerordentlich mannigfaltig geworden, die wichtigste zu klärende Frage bleibt, worin unterscheiden sich die verschiedenen Roboter und wie werden sie auf ihren Einsatz ‚zugeschnitten’?

Roboter unterscheiden sich durch zwei wesentliche Merkmale: zum einen besitzt jeder Roboter eine physische Hülle, also eine Art Form oder Gestalt, die ihn von anderen Robotern unterscheidet. Zum anderen differenziert man Roboter nach der Software, also dem Verhaltensprogramm, welches auf ihnen läuft. Beide Merkmale sind gleich wichtig und sollten deshalb separat betrachtet werden. Die Fähigkeiten und Einsatzzwecke der Roboter setzen sich aus beiden Faktoren gemeinsam zusammen; der effektivste Roboter für ein gegebenes Problemfeld besitzt eine möglichst optimale Hülle (Form und äußere Eigenschaften) und eine möglichst optimale Software (Verhaltensprogramm). Dies für jede denkbare Aufgabenstellung zu erreichen ist das Ziel der Robotik.

1.1.1 Das physische Design

Das physische Design spielt eine wichtigste Rolle in der Robotik. Von ihm hängt zwangsläufig zu einem großen Teil die Effektivität des Roboters ab. Nur ein zweckorientiertes und möglichst optimal gewähltes Design erlaubt es dem Roboter seine Aufgabe best möglich zu erledigen.

Das physische Design lässt sich grob in drei Themengebiete gliedern, die je nach Aufgabenstellung und Einsatzzweck mehr oder weniger ins Gewicht fallen. Die drei Schwerpunkte sind Sensorik, Akustik und Motorik. Einleitend ist bereits anzumerken, dass es nicht das „optimale“ Design für einen Roboter gibt. Physischer Designentwurf ist immer ein schmaler Grad zwischen Kosten und Nutzen. Die verwendete Technik und der Aufbau müssen immer in Relation zum Problem stehen und sind deshalb einzigartig und stark problemabhängig.

Motorik:

Die Motorik beschreibt das Problemfeld des Antriebs eines Roboters. Es stehen dazu mannigfaltige Varianten zur Verfügung, wobei nicht nur auf mechanische, sondern auch auf in der Natur vorkommende Vorbilder zurück gegriffen wird. Das Aufgabenfeld der Motorik beschäftigt sich damit, speziell auf ein Problem abgestimmt eine Bewegung, bzw. Bewegungsfreiheit für den Roboter zu (er-) schaffen, so dass dieser seine Aufgabe möglichst effektiv wahrnehmen kann.

Dabei fallen Einflussfaktoren wie

Bewegungsfähigkeit, Dreh- und Wendefähigkeit, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Robustheit ins Gewicht. Die Lösungen sind daher genauso vielfältig wie die Problemstellungen1.2. Eine klassische Definition des Ziels der Motorik wäre eine Optimierung der Wende- und Bewegungsfähigkeit des Roboters in Bezug auf seine Aufgabenstellung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.1 und 1.2 zeigen einen Schlangenroboter der Fraunhofer Gesellschaft (oben) und einen Prototyp eines Blimps (unten)

Akustik:

Das Aufgabenfeld der Akustik ist deutlich spezialisierter und beschäftigt sich im Kern mit zwei wesentlichen Aspekten: Audioerkennung und Sprachwiedergabe. Zwar gibt es noch andere Aufgabenbereiche, doch die dominierenden Problemfelder sind klar abgesteckt. Audioerkennung in jeder Form dient der Kommunikation und ist getrieben vom Leitgedanken eines autonomen Roboters, der möglichst fehlertolerant und sicher alle akustischen Eingaben verarbeiten kann. Dem zu Grunde liegen in aller erster Linie gute Mikrofone, wobei je nach Aufgabentyp ein Zielmikrofon (also Lasermikrofon) oder Umgebungsmikrofon gewählt wird. Manchmal sogar eine Kombination aus beidem um effektiv arbeiten zu können. Der Stand der Technik macht es von Seiten der Hardware möglich sehr akkurat und genau Geräusche wahrzunehmen, teilweise sogar präzise zu filtern. Die eigentliche Schwierigkeit liegt nach wie vor in der Interpretation des Gesprochenen und deren automatischer Umwandlung in Befehle. Oft müssen Sätze wiederholt oder stärker auf die Befehle betont werden, um den gewünschten Erfolg zu erzielen1.3.

Der andere Schwerpunkt liegt im Bereich Sprachsynthese in der die Entwicklung in den letzten Jahren sehr stark voran getrieben wurde. Erste sinnvolle und gut klingende Programme existieren bereits, doch das zentrale Problem der richtigen Betonung, ganz abgesehen von umgangssprachlichen Ausdrücken, ist noch lange nicht gelöst.

Für die meisten Roboterprobleme gibt es in diesem Bereich solide und aufgabenangemessene Problemlösungen, so dass Akustik meist nicht mehr die zentrale Rolle beim physischen Entwurf spielt.

Sensorik:

Dieser Bereich befasst sich mit der Wahrnehmungsfähigkeit des Roboters. Es gibt Problemfelder mit nur eingeschränktem sensorischen Aufwand, wie z.B. Fließbandproduktionen, bei denen ein Roboter lediglich begrenzte Arbeitsschritte in einer fest vorgegebenen Umgebung unter fest vorgegebenen Umständen und Arbeitsabläufen abarbeitet. Diese Situationen entsprechen hochgradig spezialisierten Arbeiten und haben als Resultat, dass der Roboter nur Bruchteile der Welt wahrnehmen muss, um Entscheidungen zu fällen. Die andere Extremsituation ist als Android in der Robotik bekannt. Ein vollkommen frei handelnder, möglicherweise sogar lernender Roboter, der eigenständig versucht alle zur Verfügung stehenden Parameter zu analysieren und zu einer Lösung zusammen zu fügen.

Die realen Arbeitsfelder liegen meist irgendwo dazwischen. Generell gilt, je freier der Roboter (inter-)agieren soll, desto mehr sensorische Informationen benötigt er.

Die gängigsten Sensoren beschreiben Teile oder ganze menschliche Sinne, dabei gilt logischer Weise, je mehr Sensoren ein Roboter besitzt, desto akkurater kann er eine Situation einschätzen. Genau an diesem Punkt beginnt die angesprochene Kosten-/ Nutzenfrage. Jeder Sensor kostet Geld und vor allem auch Rechenzeit, womit das Ziel ist, einen Roboter zu erschaffen, der möglichst effektiv arbeitet und dabei möglichst wenig kostet1.4.

Die am häufigsten verwendeten Sensoren sind:

- Infrarotsensoren arbeiten mit Lasertechnik. Sie führen Laserstrahlen entlang der Achse ihrer Linse und fangen die Reflexionen auf. Aus der entstehenden Zwischenzeit wird somit der Abstand zu Objekten berechnet. Somit sind Roboter in der Lage Positionen von

Gegenständen zu lokalisieren. Die IR-Sensoren, die zur Kollisionsberechnung und zum Erkennen von Hindernissen und Entfernungen benutzt werden, sollten möglich umfassend rund um den Roboter angebracht sein, damit dieser ein Bild seiner Umgebung errechnen kann. Es ist ratsam, die Sensoren im unteren Bereich des Roboters anzubringen, weil somit nicht nur im hohen Maße sichergestellt wird, dass auch relativ kleine Objekte nicht überfahren werden, sondern weil bei Drehungen jeder Art ein Schema von Hindernissen erzeugt wird. Nachteil dieser Platzierung der Sensoren sind hervorstehen Kanten oder Objekte die „frei“ in der Luft stehen.

- Bumper Sensoren sind einfache Berührungssensoren, die Berührungen auf dem Sensorfeld melden. Mit diesen Sensoren kann der Roboter überhaupt erst realisieren, dass er gegen einen Widerstand geraten ist.
- Visuelle Sensoren zeichnen die Umgebung auf, zu ihnen gehören beispielsweise Kameras. Je nach Qualität zeichnen sie sich durch eine hohe FPS (frames per second) Rate, eine hohe Lichtempfindlichkeit, eine große Brennweite oder eine hohe Pixelauflösung aus, wobei die empfangenen Bilder je nach Roboter ausgewertet werden. Die Platzierung der Visuellen Sensoren (Kameras) sollte so weit oben wie möglich geschehen. So verschafft sie dem Roboter einen relativ guten Überblick über die Umgebung und erleichtert das Vergleichsverfahren, bei dem der Roboter das aktuelle Bild seiner Umgebung mit der Umwelt vergleicht.

1.1.2 Die Verhaltenssoftware

Verhaltenssoftware sind jene Programme, die das Verhalten und die Reaktionen des Roboters kontrollieren. Diese Software bildet das zweite entscheidende Merkmal eines Roboters. Hierbei gibt es von Anfang an zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze. Zum einen den Ansatz eines „aufgabenorientierten und hochspezialisierten“ Roboters, dessen Software es ihm erlaubt eine ganz spezielle Aufgabe in einem dafür vorbereiteten Feld effektiv und möglichst schnell auszuführen. Bereits existierende Beispiele dafür sind Fließbandroboter, die durch ihre Sensorik nur einen Bruchteil der Welt wahrnehmen und in sehr beschränkten Bereichen einsatzfähig sind1.5, dafür aber die Aufgabestellung für die sie erschaffen wurden gleichermaßen präzise und sehr effektiv ausführen können.

Das genaue Gegenteil dessen ist der Ansatz des „Androiden“, meist in einer dem menschlichen Abbild nachempfundenen physische Hülle, die eine möglichst allgemeine Software besitzen soll, um damit wenn möglich sogar eigenständig flexibel auf neu auftretende Situationen zu reagieren. Des weiteren ist eines der angestrebten Ziele dieses Forschungsbereichs die Schaffung einer echten KI, also einer künstlichen, lernfähigen, sich selbst weiterentwickelnden Intelligenz. Die Realisierbarkeit dessen ist im Gegensatz zum sehr viel weniger komplex formulierten Ziel einer Aufgabenorientierung ungewiss und bedingt weiterer Grundlagenforschungen.

Da das Thema Robotik noch sehr jung ist, kann keiner als der „richtige“ Ansatz (s.o.) betrachtet werden und dem entsprechend laufen viele Forschungen in einem Bereich zwischen den beiden Extremen ab. Mischformen können existieren, bei denen zwar gewisse Funktionen eines Roboters implementiert werden, andere (möglicherweise komplexere) allerdings erst auf einem abstrakten theoretischen Grad betrachtet werden.

Trotz der unterschiedlichen Ausgangsideen ist das Ziel das gleiche, nur der Rahmen den sich beide Extrema stecken, unterscheidet sich. Während die Entwicklung eines spezialisierten Roboters ein durchaus realisierbares Ziel ist, das mit der entsprechenden (bereits existierenden) Hardware und einer durchaus realistischen (unter dem Aspekt Arbeitsaufwand) Softwarelösung erreichbar ist. Das Ziel hierbei sollte mehr als eine Art Zwischenprodukt betrachtet werden, eine Version (oder Prototyp), die nach der Fertigstellung optimiert werden soll. So werden die Fähigkeiten und Einsatzzwecke zyklisch größer, während jedes Produkt ein weiterer einsetzbarer Meilenstein ist. Weiter unten in aktuellen Projekten werden einige dieser Vorgehensweisen wieder zu finden sein.

Der klare Kontrast hierzu ist die Zielsetzung eines „perfekten“ Roboters, eines Androiden. Dabei geht es weniger um konkrete Zwischenprodukte, die vollständig funktionieren, als vielmehr um eine grundlegende wissenschaftliche Betrachtung der Robotproblematik. Da zur Zeit weder die vorhandene Hardware (Rechenleistung) noch annähernd die vorhandene Software existiert, um einen solchen Androiden mit einer mehr oder weniger vollständigen KI und den sensorischen und motorischen Fähigkeiten zu versehen, beschäftigt sich dieser Forschungsansatz zunehmend stärker mit der theoretischen Lösbarkeit dieses Problems und der Suche nach allgemeinen Lösungsstrategien. Diese sollen als Grundlagenforschung dienen und es ermöglichen mit der richtigen Technologie einen solchen Androiden zu bauen. Darüber hinaus dienen sie als theoretische Grundlage der Robotik und beschäftigen sich nicht zuletzt mit der Lösbarkeit solcher (Teil-)Problemstellungen1.6.

Zusammenfassend bleibt anzumerken, dass die Entwicklung im Robotikbereich in den letzten Jahren, nicht zuletzt durch neue Hardware, rasante Fortschritte macht. Doch an dieser Stelle ist es wichtig eine realistische Einschätzung dessen zu geben, was momentan realisierbar ist. Zu diesem Zweck werden im nächsten Kapitel repräsentativ aktuelle wichtige Robotikprojekte vorgestellt.

1.2 Übersicht über aktuelle Robotikprojekte

Entscheidend für das Verständnis der Thematik ist letztlich auch ein allgemeiner Überblick über die aktuelle (Entwicklungs-)Situation im Bereich der Robotik. Oft liegen die Erwartungen der Kunden und die allgemeine Meinung dessen, was Roboter bereits in der Lage sind zu leisten, weit von dem entfernt, was der Status quo der Entwicklung ist. Um zu verstehen wo Engpässe liegen, ist es nicht nur wichtig verschiedene aktuelle Projekte zu betrachten, vielmehr soll auch aufgezeigt werden an welchen Problemfeldern gearbeitet wird und was aktuell realisierbar ist.

Wie bereits weiter oben angedeutet, ist es schon seit einigen Jahren möglich begrenzte Ausschnitte der realen Welt so aufzubereiten, dass ein Roboter sehr viel effektiver als ein menschlicher Arbeiter feste vorgeschriebene, meist sich immer wiederholende Arbeitsschritte ausführt. Die physische Hülle dieser Roboter beschränkt sich oft nur auf einen Greifarm mit Gelenken, der feste, vordefinierte Punkte abarbeiten soll. Die Sensoren müssen dem zufolge nur sehr begrenzte Wahrnehmungsfähigkeiten aufweisen und die zu erledigende Arbeit besitzt keinen hohen Grad der Komplexität.

Die schwierigeren Fälle sind Roboter, die an keine feste Umgebung gebunden sind. Sobald sich der Einsatzrahmen ausdehnt und die Umgebung nicht mehr vollkommen fest vordefiniert ist, haben auch Roboter, die mit vielen Sensoren ausgestattet sind, Probleme sich zu orientieren. Die Fehlerquellen und Unbekannten steigen mit jeder neuen Aufgabe, die ein Roboter ausführen soll und der aktuelle Stand der Technik bietet derzeitig keine befriedigende Navigations- und Reaktionssoftware. Ganz im Gegenteil, trotz aufwändiger Werbefilme und Präsentationen bewegt sich das Navigationsniveau der Roboter auf einer sehr rudimentären Entwicklungsstufe. Nicht alle Systeme verfügen über Farbbilderkennung und auch neuere IR Sensoren bieten keine so hohe Zuverlässigkeit, wie dem Kunden oft vorgetäuscht wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.3 256 Farben Aufnahme der Umgebung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.4 dieselbe Aufnahme in 16 Bit aber Schwarz Weiß

Quelle: Lego Mindstorm Robots - siehe hierzu Quelle[6] Naohiro Mastunami, Kumiko Tanaka-Ishii, Ian Frank, “Lego Mindstorm Cheerleading Robots”, International Workshop on Entertainment Computing, pp 191-199, 2002

Der tatsächliche Entwicklungsstand, ohne Fiktionen bereits fertiger funktionsfähiger Systeme liegt auf einen Basisniveau, bei dem der Roboter in der Lage ist bei guten bis hin zu optimalen Bedingungen bezüglich einfacher Basisaufgaben korrekt zu arbeiten. Zum besseren Verständnis werden nachfolgend vier verschiedene (meist kommerzielle1.7 ) Projekte mit unterschiedlichen Zielen vorgestellt. Sie geben einen sehr guten Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand und die Möglichkeiten der Robotik. a) Aibo

Hierbei handelt es sich um ein Projekt von Sony, das klar in den Bereich der Entertainmentroboter einzuordnen ist. Aibo (Artificial Intelligent roBOt) ist ein elektronisches Haustier, das eine Lernphase durchschreitet. Dabei nimmt der Roboter mit der Zeit gewisse Verhaltensmuster seines Besitzers an (versucht anhand von einfachen Parametern Lernerfolge zu simulieren1.8 ) und reagiert damit individuell auf ihn. Diese Art der Interaktion mit dem Menschen ist ein erster Versuch mit einer einfachen Problemstellung im Sektor Mensch-Roboterinteraktionen Erfahrungen zu sammeln. Das Produkt ist nun schon in der 3. Produkt - Generation und hat mit ca. 45000 verkauften Exemplaren die Nachfrage noch lange nicht gedeckt. Problematisch ist allerdings immer noch der relativ hohe Einzelstückspreis, der viele Interessenten noch immer vom Kauf eines Aibos abhält. Dieser Roboter ist nach wie vor als „1 on 1“, also ein Roboter, der mit einem Menschen interagieren kann, designed und ist nicht fähig sensorisch mit anderen Aibos zu kommunizieren. Die Lernquote ist ebenfalls noch sehr gering (im Vergleich zum Rahmen der Möglichkeiten) und vor allem immer noch auf eine Person beschränkt. Damit wurde auch in diesem Falle die Problemstellung Interaktion auf ein überschaubares Maß reduziert. Die Entwicklung geht aber auch in diesem Falle zu einem Gruppenroboter (also n on 1) hin, der nicht nur interaktiv mit seiner Umgebung kommunizieren kann, sondern auch Kommunikationsmöglichkeiten mit anderen Aibos besitzt. Angedacht wären hierbei Dinge wie eine „Buddy - List“ (Bekanntenliste) für sowohl Menschen als auch andere bekannte Aibos, die wiederum je nach Anwesenheit das Verhalten beeinflusst (z.B. Spielen mit anderen Hunden, spezielle personenbezogene Begrüßung, etc.). In der neusten Version ist eine begrenzte Spracherkennung eingebaut, die den Aibo auf seinen Besitzer noch weiter fixiert. Als rein kommerzielles Projekt nutzt die Forschung hierbei in erster Linie natürlich Sony, aber die grundsätzlichen Erkenntnisse, die an solch einem Beispiel der Mensch-Roboter-Interaktion gewonnen werden sind allgemein von Interesse und helfen das komplexe Thema besser zu verstehen. Der Vollständigkeit halber sind auch Designprobleme anzumerken, die den Aibo sowohl in Motorik als auch stark in Sensorik beeinträchtigen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.5 Aibo Entertainmentroboter b) Asimo

Eine vollkommen andere Herangehensweise ist bei Projekt Asimo (AdvancedStep in InovativeMobility) von Honda zu erkennen. Dieses Projekt ist kein Entertainment- sondern Arbeitsroboter, der auf möglichst akkurate Arbeitsabläufe spezialisiert ist. Hauptaugenmerk wurde nicht auf besondere zusätzliche Features gelegt, sondern in erster Linie auf saubere Erkennung der Umgebung und gute, flüssige Bewegung. Ziel hierbei ist, einen autonomen Arbeitsroboter zu schaffen, der sich den Bedingungen individuell anpasst. Auch detaillierte Interaktion mit dem Menschen (Spracherkennung, -ausgabe, Emotionserkennung) ist in der Entwicklung. Diese Probleme mit wirklich funktionierenden Ansätzen zu lösen ist allerdings immer noch Vision. Zu groß ist der Programmieraufwand und zu schlecht sind die aktuellen technischen Möglichkeiten, als dass ein komplexes Problem wie Emotionserkennung treffsicher behandelt werden könnte. Bei diesem Projekt sollen in erster Linie Standards geschaffen werden, die es erlauben einen ähnlichen Roboter in realen Tätigkeiten zu beschäftigen. Wenn man hierbei die Entwicklung betrachtet, die sehr gut und anschaulich dokumentiert von Honda vorliegt, so erkennt man, dass es z.B. erst durch ein stark steigendes technisches Niveau in den letzten Jahren möglich geworden ist, die Animation fürs Laufen des Roboters zu berechnen. Die Marktgewinne unterscheiden sich in diesem Sektor, da ein Einzelstück zu teuer ist und somit bleibt es beim Asimo vorerst nur bei einem Forschungsprojekt. Durchschnittlich alle zwei Jahre wird die entsprechend neue Variante des Asimo präsentiert, um damit den rapiden Entwicklungsfortschritt im Bereich Robotik (und natürlich auch Honda) zu dokumentieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.6 Asimo c) Robocup

Bei diesem Projekt handelt es sich um eine nicht kommerzielle Variante der Roboterentwicklung. Vorwiegend Universitäten ‚basteln’ und programmieren hierbei ein eigenes Roboterfußballteam, welches an Turnieren, bis hin zu Weltmeisterschaften teilnehmen kann. Dabei zeigt sich ein vollkommen anderer Ansatz, als bei den anderen beiden Projekten, denn die einzelnen Roboter sind nicht so komplex wie die oberen Beispiele entworfen. Die Hardware soll in erster Linie funktional und zweckorientiert sein (dem entsprechend sind auch keine richtigen Hüllen vorhanden. Vielmehr ist das Problem hierbei, dass ein Team von mehreren Robotern möglichst koordiniert das Spielfeld, den Ball und vor allem die Tore erkennt und je nach Situation taktisch angepasst vorgehen soll. Somit sind die Roboter also einer sich dynamisch verändernden Situation auf dem Spielfeld ausgesetzt, in der sie Situationen richtig erkennen und deuten müssen. Das Spiel findet deshalb auf einem sehr niedrigen Niveau statt, aber gemessen an der Problemstellung, die alles andere als trivial ist, werden hier immer wieder extrem wichtige Erkenntnisse gewonnen, die für alle Arten des Robotereinsatzes von hoher Relevanz sind.

Denn die sensorielle Wahrnehmung betrifft alle Roboter gleichermaßen: Nur ein Roboter, der seine Welt möglichst detailliert und fehlerfrei erkennen kann, kann auch korrekte Schlüsse ziehen und angemessen reagieren. Die steigende Beliebtheit von Robocup und die wachsende Anzahl der Teams zeigen, dass es nicht nur die Idee hinter dem Projekt ist, sondern hier auch viele Forschungsinteressen zusammenlaufen1.9.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.7 Robocup - Beispiel: Match der FU-Fighters in der WM 2002 (Big Size) d) TeleHome

Das Projekt TeleHome der Telekom ist ein weiterer Vertreter von zur kommerziellen Nutzungen vorgesehenen Roboteranwendungen. Hierbei dient der Roboter (bzw. die Roboterplattform) als eine Art Avartar, der durch Kommunikation mit vernetzten Haushaltsgeräten der Familie nützliche Informationen oder Erinnerungsmöglichkeiten bietet. Des weiteren übernimmt der Roboter hier eine Art Zeitplaner Funktion, denn er kann SMS/MMS, Emails, Memos, etc. verwalten. Das Projekt zeichnet sich dadurch aus, dass es auf der einen Seite auf bereits bestehenden Technologien aufsetzt - aber auf der anderen Seite vollkommen neue Maßstäbe im Bereich Kommunikation und Vernetzung setzt.

Die Roboterplattform kann dabei unabhängig gewählt werden - als Demonstrator wurde der ER1 (Evolution Robotics) ausgesucht.

Die Besonderheit, die dieses Projekt von anderen unterscheidet, ist das hohe Maß an Plattformunabhängigkeit und das vollkommen andere Entwicklungsgrad. Im Gegensatz zu anderen Roboterprojekten ist die Plattform hier zwar zur Demonstration fest gewählt, auf der bestehenden Implementierung und den Vorkenntnissen aufsetzend ist die Avartarrolle jedoch prinzipiell mit jeder kommerziell erhältlichen Roboterplattform realisierbar. Das Ziel einen Roboter als Kommunikationsschnittstelle und gleichzeitig Endgerät zu erschaffen ist deshalb bislang einmalig und zeigt eine völlig neue Entwicklung der Robotereinsatzzwecke.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.8 Hier ein ER1 - Roboter bei der Vorstellung des Projekts auf der IFA 2003 in Berlin

1.3 Was ist OSGI

Der zweite wichtige Teil des Titels dieser Arbeit enthält den Begriff ‚OSGI Schnittstelle’. Auch hier ist es notwendig im Vornherein einige Hintergrundinformationen näher zu betrachten, damit die Gesamtthematik klarer wird:

Das Ziel der „OSGI - Allianz“ (www.ogsi.org) ist es eine „open service“ Plattform zum Managen vieler verschiedener Applikationen und Services für alle Typen von Netzwerken zu spezifizieren, kreieren, verbessern und promoten. Die Zielnetzwerke sind zum Beispiel Heimnetzwerke, Fahrzeuge oder industrielle Umgebungen. Die Grundidee ist eine konsistente, netzunabhängige Plattform zu schaffen, auf der je nach Bedarf vom Kunden aufgesetzt werden kann. Ein großer Teil der Erfahrungen und Verbesserungsansätze werden durch ein gemeinsames Forum realisiert, in dem häufig auftretende Probleme thematisiert werden.

Für alle Mitglieder dient die „OSGI - Allianz“ als Fokussierungspunkt für Service Provider in verschiedensten Problembereichen, die durch die Grundplattform alle einem gewählten Standard folgen. Als nicht kommerzielle Organisation stellt die OSGI - Allianz allen Mitgliedern Spezifikationen, Referenzimplementierungen und Test Suites zur Verfügung.

Die OSGI - Allianz:

Die OSGI - Allianz wurde im März 1999 gegründet. Ihr Hauptziel ist es, ein Forum für die Entwicklung von offenen Spezifikationen für multiple Dienste in verschiedenen Netzen zu etablieren (z.B. WAN, LAN oder wireless). Ursprünglich wurde die OSGI - Allianz von 15 Firmen gegründet, momentan sind mehr als 40 Firmen registrierte Mitglieder. Im Mai 1999 erklärte sich die OSGI - Allianz zu einer nicht profitorientierten (non-profit) Organisation, welche ihre Arbeit durch Mitglieder finanziert. Die eigentlich konstante Entwicklung, sowie Arbeit an allgemeinen Problemlösungen der OSGI - Plattform wird von sechs verschiedenen Expertengruppen durchgeführt.

Die Frage nach der Notwendigkeit von OSGI kann sinnvoll beantwortet werden, wenn man den aktuellen Markt im Heim-, Fahrzeug- und Mobiltechnikbereich genauer betrachtet. Gerade in den letzten 5-10 Jahren unterlagen diese Märkte einer enormen Wandlung und viele neue elektronische Geräte erweiterten diese Bereiche stark (z.B. Lichtschalter mit Netzwerksteuerung, ...).

Wegen der hohen Anzahl an neuen Geräten wurde niemals ein übergreifender Standard geschaffen und so fällt es im Nachhinein um so schwerer Anwendungen, die bereichsübergreifend arbeiten, korrekt und effektiv zu implementieren.

Beispielskizze:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb 1.9 Beispielskizze interdisziplinärer Kommunikation und der Notwendigkeit verschiedene bestehende Netze zu koppeln.

Ausbau der Netzmärkte:

Forrester Research, eines der führenden Marktforschungsinstitute der USA, prognostiziert Folgendes: Die im Elektronikbereich am stärksten anwachsenden Märkte der nächsten 2-3 Jahre werden „residential networks“, Heimnetzwerke, Entertainment und „wireless networks“ sein. Diese Trends werden von anderen führenden Forschungsinstitutionen bestätigt. Forrester rechnet damit, dass der Gesamtwert der Verbindungsnetze US - weit von 2,4 Mrd. $ (Jahr 2000) auf 14,8 Mrd. $ (Jahr 2005) steigen wird. Ebenso wird der Markt von Heimnetzwerken und „residential networks“ von 800 Millionen $ (Jahr 2000) auf 5,7 Mrd. $ (Jahr 2004) ansteigen (Quelle Evolution Robotics - http://www.evolution.com/). Diese Zahlen verdeutlichen, dass nicht nur die Expansion gerade begonnen hat, sondern auch, dass eine große Menge an Potential in diesen wachsenden Märkten vorhanden ist1.10.

Um also die Vernetzung effektiv und sinnvoll nutzen zu können ist es notwendig einen Standard einzuführen, auf dessen Grundlage verschiedene Geräte aus verschiedenen Teilnetzen untereinander kooperieren können.

Vorhandene Standards:

Es wäre falsch zu behaupten, dass es in keinem der Märkte bereits Standards gäbe. Diese sind vorhanden und branchenintern bereits teilweise schon sehr alt und effektiv. Wenn von fehlenden Standards die Rede ist, dann meint dies den Umstand, dass markt- und netzübergreifend keine standardisierten Kommunikationsmethoden existieren. Genau an diesem Punkt setzt eine interdisziplinäre Kommunikation an (also z.B. zwischen Laptop und Standheizung im Auto).

Man spricht bei einer solchen Kooperation von der Nutzung eines „Service Gateways“. Die allgemeine Kooperation muss Regeln besitzen, denn sie muss korrekt (also möglichst fehlerfrei) und effektiv ablaufen. Jedes Gerät kann nur für Dienste benutzt werden, die es auch anbietet - u.a. dafür muss die Plattform (also OSGI) sorgen.

Die erste bekannte Idee einer solchen Kooperation geht auf den „intelligenten“ Kühlschrank zurück, der eigenständig online Bestellungen aufgeben kann, wenn ein vordefinierter Status eintritt.

Technische Realisierung:

Nachdem die Grundidee hinter einem netzübergreifenden Standard und der Kooperation verschiedener Geräte erklärt ist, interessiert nun die eigentliche technische Realisierung.

Das technische Ziel der OSGI - Allianz sind zyklische große Releases, bei denen in der Zwischenzeit (zwischen zwei großen Releases) lediglich geringe Modifikationen am eigentlichen Release vorgenommen werden. Vorschläge und Anregungen, die tiefgreifende Veränderungen an der OSGI - Spezifikation zur Folge hätten werden entsprechend im nächsten großen Release eingebracht.

Die erste OSGI - Spezifikation hieß Service Gateway 1.0 (Mai 2000) und gab ein generelles Grundgerüst an, auf welchem bis heute aufgebaut wird. Die Spezifikation besteht aus einer Java API und einem vordefinierten (noch nicht instanzierten) Serviceinterface, welches als absolute Programmiergrundlage dient. Durch die Wahl von bewusst abstrakten Klassen wurde auf der einen Seite gesichert, dass die große Bandbreite an Einsatzzwecken, die als Grundidee hinter allem stand, auch wirklich realisiert werden kann. Auf der anderen Seite bildet ein derartig abstraktes Grundgerüst durch die Beziehungen der Klassen untereinander einen Standard, auf dessen Grundlage verschiedene Interfaces implementiert werden können (die aber alle die Vorraussetzungen der Standards erfüllen).

Die so entstandene Java API erweitert die bestehende Grundklassensammlung von Java also und ermöglicht so die Instanzierung einer elektronischen Umgebung, die verschiedenste Dienstleistungen als sogenannte Bundles verwaltet. Ein Bundle bietet damit durch seine Schnittstellen Dienstleistungen für andere an (z.B. die elektronische Standheizung im PKW). Diese Dienste werden vom instanzierten OSGI Service Gateway verwaltet, um Mehrfachoder Falschnutzung auszuschließen.

[...]


1.1 Hiermit ist nicht zuletzt der AIBO von SONY gemeint, eine von verschiedenen rein multimedialen Entertainmentrobotern. In diesem Falle in der Form eines Hundes.

1.2 Siehe hierzu Quelle [4] - Keiko Motoyama, Hidenori, Kawamura, Masahito, Yamamoto, “Development of autonomus blimp robot with intelligent control”, IWEC-2002, pp 183 -190, 2002

1.3 Siehe hierzu auch Abschnitt 1.1.2 Verhaltenssoftware der Roboter. Hier wird die Komplexität und der Unterschied zwischen vollkommen autonomen Maschinen und interagierenden Androiden dargestellt.

1.4 Siehe hierzu Quelle [6] - Naohiro Mastunami, Kumiko Tanaka-Ishii, Ian Frank, “Lego Mindstorm Cheerleading Robots”, International Workshop on Entertainment Computing, pp 191 -199, 2002

1.5 Siehe hierzu Kapitel 1.1.1 Das physische Design, bei dem Spezialroboter und Fließbandroboter vorgestellt werden.

1.6 Für weitere Informationen zum Ansatz der allgemeinen Androidenforschung siehe http://citeseer.nj.nec.com/529639.html

1.7 Robocup ist ein nicht kommerzielles Projekt verschiedener Universitäten - es bildet unter den Beispielen deshalb die Ausnahme.

1.8 Ein offensichtlich immer noch in der Planung befindliches Softwareprojekt, was auf Basis von Lob und Häufigkeit gestellter Befehle analysiert, wie der Roboter sich in der Zukunft verhalten sollte. Leider bieten die Parameter lediglich begrenzten Spielraum, so dass diese Charakterentwicklung nicht über kleine Charakteränderungen hinausgeht. Dazu kommen Schwierigkeiten in der Kommunikation, denn das angebrachte Mikrofon hat außerordentlich große Schwierigkeiten gerade bei stärkerer Geräuschkulisse Befehle in irgend einer Form zu realisieren.

1.9 Als ergänzende Informationen stehen in diesem Fall zum einen Quelle [6] - - Naohiro Mastunami, Kumiko Tanaka-Ishii, Ian Frank, “Lego Mindstorm Cheerleading Robots”, International Workshop on Entertainment Computing, pp 191 -199, 2002, als auch die direkte Webpage von Robocup ()http://www.robocup.com) zur Verfügung.

1.10 Für nähere Informationen zu den Netzmärkten vergleiche hierfür http://www.osgi.org.

Ende der Leseprobe aus 69 Seiten

Details

Titel
Der Heimroboter im Spannungsfeld zwischen Endgerät und OSGI Schnittstelle
Hochschule
Freie Universität Berlin
Note
1,0
Autor
Jahr
2004
Seiten
69
Katalognummer
V142186
ISBN (eBook)
9783640507856
ISBN (Buch)
9783640508075
Dateigröße
1558 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Robotik, Heimroboter, OSGI, Telematik, Interaktion, Schnittstellenprogrammierung, Java, Telekom, T-Home
Arbeit zitieren
Dr. Tobias Fritsch (Autor), 2004, Der Heimroboter im Spannungsfeld zwischen Endgerät und OSGI Schnittstelle, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/142186

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