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1 TastsinnundBildverarbeitung LernenundSelbstorganisation GreifenbeiServicerobotern: mithilfevon FakultatfurElektrotechnikundInformationstechnik DoktorsderIngenieurwissenschaften ErlangungderWurde Dissertation ander eines zur Ruhr-UniversitatBochum StefanZadelRamos geb.zadel,geboreninberlin vorgelegtvon eingereichtimjuni2004, Dipl.-Ing. Fak.f.Elektrotechniku.Informationstechnik,AGIntegrierteInformationssysteme Inst.f.Neuroinformatik,Lehrstuhlf.Systembiophysik Prof.Dr.rer.nat.ChristophvonderMalsburg Prof.Dr.-Ing.YorkTuchelmann mundlicheprufungam Berichter:

2 III Danksagung Skills)\.EinesolchinterdisziplinareArbeitkommtnichtzustandeohneHinweise,AnregungenundEinussevonvielenverschiedenenSeiten;allenPersonen,diemirihreZeiphysikdesInstitutsfurNeuroinformatikderRuhr-UniversitatBochum,zunachstalsSti- geschenkt,ihrwissenundihregedankenmitmirgeteiltundmitmirdiskutierthaben DieGrundlagefurdieseArbeitentstandwahrendmeinerZeitamLehrstuhlfurSystembio- dannalswissenschaftlichermitarbeiterimprojekt"neuros(neuronaleroboter- pendiatimgraduiertenkolleg"kognet(kognition,gehirnundneuronalenetzwerke)\, mitteltunddieaugenfurdieschwachenvielerbisherigeransatzegeonethat.auch reichediskussionen,indenenermirdasdenkeninselbstorganisierendensystemenver- dankeichihmfurdasanregendearbeitsumfeld,dasdiesearbeiterstermoglichthat, diejahrelangeunterstutzungunddiedabeigewahrtefreiheitsowiedietoleranzfurdie Unterschiedezwischenphysikalisch-naturwissenschaftlichemundingenieurwissenschaftlichemDenkenundHerangehen. BesondersdankeichmeinemDoktorvaterProf.ChristophvonderMalsburgfurzahl- odermichsonstwieunterstutzthaben,binichsehrdankbar. giaten.durchdieeinblickeindieneurobiologie,psychologie,medizinundphilosophie InformationstechnikfurdieUbernahmedesKoreferatessowieProf.WernervonSeelen furdieunterstutzungbeidersuchenacheinemkoreferenten. ligtenprofessorendankeichfurdesseneinrichtungundfurdasschaeneinesuberaus interdisziplinarenundanregendenumfeldes.meindankgiltauchdenubrigenkolle- Prof.Klaus-PeterHomannunddenanderenamGraduiertenkollegKOGNETbetei- EbensodankeichProf.YorkTuchelmannvonderFakultatfurElektrotechnikund nachfachliteraturhabeichsehrwichtigeimpulsefurmeinearbeiterhalten.daherdanke ichhierauchnochmalsmeinemfreundaxelpelsterfurdenhinweisaufdieausschreibung deskollegs. underhardbausweinfurdiskussionenuberdieneurobiologieunddiepsychophysikdes sowiedurchzahlreichediskussionenmitdenprofessoren,denkollegiatenunddeneingeladeneninternationalenwissenschaftlernunddurchmancheunterstutzungbeidersuche GreifensundwertvolleLiteraturhinweise,Prof.HelgeRittervonderUniversitatBielefeld furimmerwiederanregendediskussionenuberdieproblemedesgreifensundobjekterkennensbeirobotern,stefanschaalfureinediskussionuberroboterkinematikundfur MaterialausseinerVorlesungzudemThema,Prof.HolgerPreuschoftfureineDiskussion uberdiebiomechanikdesgreifensundfurwertvolleliteraturhinweise,prof.hinrichsen DesweiterendankeichProf.Klaus-PeterHomann,GregorSchoner,DieterKutz fureinediskussionuberdieanatomiederhandunddesarmsundfureinedemonstra-

3 VorabdruckihresWerkes"TheGraspingHand\undKaiWegenervomInstitutfurProzessautomatisierung(IPA)derFraunhofer-GesellschaftinStuttgartfurLiteraturhinweischologischerLiteraturubersGreifen,TheaIberallfuranregendeDiskussionenundeinen IV undkopienzuraktualisierungderbeschreibungdestechnischenstands. tioninderpathologie,clemenstrudewindfurwertvollehinweisezuentwicklungspsy- MaurerfurdasHineindenkeninmeineThematikinzahlreichenDiskussionenuberdas LehrstuhlsfurSystembiophysikfurdiefruchtbareZusammenarbeit,dieguteAtmosphare undzahlreichediskussionen.besondersdankeichefthimiakefaleafurdiehervorragende henundzurstereobildverarbeitung.besondersdankeichlaurenzwiskottundthomas ZusammenarbeitunddasEinbringenihrerObjekterkennungindieSimulation.Wolfgang TheimerundBerndVolpeldankeichfurDiskussionenundfurMaterialzumStereose- EbensodankeichmeinenKollegenvomInstitutfurNeuroinformatikundspezielldes gel,jochentriesch,janc.vorbruggenundrolfwurtzdankeichfurdieintensiveund GreifensaufunseremRoboter. MeinenKollegenMarkBecker,EfthimiaKefalea,EricMael,HartmutNeven,MikePa- fruchtbarezusammenarbeitimprojektneuros,vorallembeiderimplementierungdes generellevorgehentrotzunsererimdetailsounterschiedlichenarbeitsgebiete,thomas dembundesministeriumfurforschungundtechnologie(bmft)furdiefinanzierung Maurerauchfurdas"Sparring\inderPhasedesZusammenschreibensundBewerbens. Arbeitsonichtentstandenware{wohlwissend,dassderDankdemdeutschenStaatund letztendlichseinenburgerngebuhrt,diediesegelderdurchsteuernaufbringen. desgraduiertenkollegskognetbzw.desverbundprojektsneuros,ohnediemeine AndieserStelledankeichauchderDeutschenForschungsgemeinschaft(DFG)und entbehrungsreichenjahrendeszusammenschreibensundkorrigierensparallelzurbewerbungsphaseunddannzumberufunterstutzt,ertragen,abgelenkt,aufgemuntertund EinrichtendeserstenSimulationsrechnersdankeichauchMarcelKunze. verschiedenenarchitekturenundbetriebssystemengelaufenwaren.furdiehilfebeim merkollegenmichaelneeffurdieintensiveunterstutzung,ohnediemeinesimulationen langstnichtsoschnellundreibungslosfunktionierthattenundschongarnichtaufdrei EinganzbesondererDankgehtanallemeineFreunde,diemichvoralleminden NichtzuletztdankeichunseremSystemadministratorundmeinemmehrjahrigenZim- HeidrunVeidtundMardjanehEghbal. Pedack,meinemVaterHelmutZadel,IngridMaier,DaniParthum,RonaldGrasmanund MardjanehEghbal.MeinerFrauLucianedankeichfurdieliebevolleUnterstutzungund furwertvolletippsbeidervorbereitungaufdiedisputation. nichtvergessenhaben.furdie"psychologische\unterstutzungwahrendderarbeitin Bochumbzw.desZusammenschreibensinStuttgartdankeichbesondersElkePedack, FurdiekritischeDurchsichtvonTeilenoderdesganzenManuskriptsdankeichElke dieserarbeitleidernichtmehrerlebendurfte.ihrwidmeichmeinearbeit. keninsbesonderemeinermutter,diemichschonfruhangeleitethat,antwortenaufmeine Fragen,wennsieuberfragtwar,inNachschlagewerkenzusuchen,unddiedenAbschluss dekommendieserarbeit,indemsiemeineneugierimmergefordertundmeineausbildung ermoglichthaben;dafurdankeichihnensehr.indiesenmomentengeltenmeinegedan- MeineElternHelmutundBarbelZadelhabenvielleichtdengrotenAnteilamZustan- Stuttgart,imFebruar2006

4 ABSTRACT V Abstract limitedtotasksthatdemandmostlynavigationalskills,e.g.,asautomaticoorcleaning Sinceacoupleofyearsago,highlyautomatedsystems,knownasservicerobots,have extendedintotheservicessector.whennotremotelycontrolledbyman,theiruseis LearningandSelf-OrganizationUsingTactileSensingandVision GraspinginServiceRobots: machineorasmuseumguide.theystilllacktheabilitytomanipulateobjectsindividually: Theyarenotabletoautonomouslygraspthevarietyofdierent,partlyunpredictable articialandnaturalobjectsinthesurroundingsofman. ofgrasping.ontheotherhand,itallowstodeduceconstructionprinciplesthatreduce cessingforobjectrecognitionandgrasporganization.therefore,uptonowautomated grasping,mostlyusingspecializesgrippers,canonlybemanagedinhighlystructuredenvironmentswherethegraspsituationsarepre-determinedandgraspingcanbeaccomplished withoutvisualfeedback.theobjectiveofthisthesisistoovercomethesedeciencies. Ontheonehand,examiningthebiologyandpsychologyofmanrevealsthecomplexity Butthereisnolackofsuitablehardware:Thedeciencyliesintheinformationpro- thedemandonprecisionandvelocityofinformationprocessing,toidentifyapproaches tosimplifyinformationprocessing,andtondrulesandalgorithmsforhowtopullupa complexself-organizingsystem. position,andagriplibrarytoaccumulategraspingexperience.furthermore,anobject graspobjectsunknowntoit,andtobuildupexperiencelearningfromtherealizedgrasps. Agripperwithtactilesensorsandastereocamerasystemwiththreedegreesoffreedom areused.themaincomponentsofthesystemareaexibleorganizationofbehaviorfor rule-guidedtactilecontrolledgrasping,thevisualxationoftheobjecttodetermineits recognitionsystemisincludedtoclassifyobjectsandtodeterminetheirorientationin Basedonthesendings,agraspingsystemisdesignedthatisabletoautonomously space. isprovedthatthebiologicallymotivatedapproachworksandthatthearchitectureofthe control,stereoimageprocessingandgesturerecognitionareincludedtoallowinteraction ware.inthehardwareimplementation,inadditiontoxation,objectrecognitionandarm withhumans.thus,therealizedservicerobotcaneithergraspobjectsautonomously,or pick-upanobject,selectedbypointingbytheuser,usingagraspindicatedbytheuser withagesture,andputitatadierentplaceasindicatedbypointingbytheuser.hereby Thegraspingsystemandproceduresarerstsimulatedandthenimplementedinhard- underlyinggraspingsystemissoexiblethatadditionalcomponentscanbeintegrated andthesystem'sbehaviorextended.

5 VI KURZFASSUNG Kurzfassung (Eineausfuhrlichere,mehrseitigeZusammenfassungderArbeitndetsichinAnhangDabSeite251.) AlsServiceroboterbezeichnet,sindhochautomatisierteSystemeindenvergangenenJahrenauchindenDienstleistungssektorvorgedrungen.WennsienichtvomMenschenferngesteuertwerden,beschranktsichihrEinsatzjedochaufAufgaben,dievorwiegenddurch Navigationzulosensind{z.B.alsautomatischeBodenreinigeroderalsMuseumsfuhrer. IhnenfehltnochdieFahigkeitzurindividuellenManipulationvonObjekten:Siekonnen dievielfaltverschiedener,zumteilunvorhersehbarerkunstlicherundnaturlicherobjekte mationsverarbeitungfurobjekterkennungundgriorganisation.dementsprechendwird zugegrienwerdenkann.hierabhilfezuschaen,istdasthemadieserarbeit. Greiferbeherrscht,wodieGreifsituationenvorherbestimmtsindundinderRegelblind imumfelddesmenschennichtselbstandiggreifen. dasgreifenbishernurinhochstrukturiertenumgebungenmithilfemeistspezialisierter AngeeigneterHardwaremangeltesjedochnicht:DasDezitbestehtinderInfor- selbstorganisierendensystemserlauben. plexitatdesgreifens.zumanderenlassensichkonstruktionsprinzipienableiten,diedie einfachen,sowieregelnundalgorithmennden,diedashochzieheneineskomplexen AnforderungenandieInformationsverarbeitunghinsichtlichPrazisionundGeschwindigkeitvermindern,Vorgehensweisenidentizieren,diedieInformationsverarbeitungver- BasierendaufdiesenErkenntnissenwirdeinGreifsystemaufgebaut,dasihmunbe- DerBlickindieBiologieunddiePsychologiedesMenschenzeigtzumeinendieKomkannteObjekteselbstandiggreifensowieausdemGreifergebnislernendeinenErfahrungsschatzaufbauenkann.ZumEinsatzkommeneinGreifermitTastsensorikundeinStereokamerasystemmitdreiFreiheitsgraden.WesentlicheKomponentendesSystemssindeine AkkumulierenderGreiferfahrung.AuerdemwirdeineObjekterkennungeingebunden, umobjektezuklassizierenundihreorientierungimraumzubestimmen. exibleverhaltensorganisationzumregelgefuhrten,taktilgesteuertengreifen,dievisuellefixationdesobjektszurbestimmungseinerpositionsowieeinegribibliothekzum realisierteserviceroboterkannentwedervolligautonomnachobjektengreifen,oderdas Objekt,dasdurchZeigendesBenutzersausgewahltwird,miteinemdurchdieZeigegeste bestimmtengriaufnehmenundaneineranderen,vombenutzergezeigtenstellewieder Hardwareimplementiert.BeiderHardware-ImplementierungwirdzusatzlichzurFixation,ObjekterkennungundArmsteuerungeineStereobildverarbeitungsowieeineGestenerkennungeingebunden,umdieInteraktionmitdemMenschenzuermoglichen.Derso DasGreifsystemundseineAblaufewerdenzunachstsimuliertundanschlieendin absetzen.damitwirdnachgewiesen,dassderbiologischmotivierteansatzfunktioniert unddiearchitekturdeszugrundeliegendengreifsystemssoexibelist,dassesdurch weiterekomponentenausgebautundseinverhaltenerweitertwerdenkann.

6 Kurzfassung Inhalt NomenklaturundFormelzeichen Abstract(englisch) 1Einleitung VI XI V 2StanddesGreifensintechnischenSystemen 1.1Serviceroboter::::::::::::::::::::::::::::::::::1 1.2Greifen::::::::::::::::::::::::::::::::::::::5 1.3ZielderArbeit:::::::::::::::::::::::::::::::::6 1.4AnmerkungenzumAufbauderArbeit:::::::::::::::::::: StandderTechnik:::::::::::::::::::::::::::::::9 2.2StandderForschung:::::::::::::::::::::::::::::: Bildverarbeitung:::::::::::::::::::::::::::: Griplanung::::::::::::::::::::::::::::::: AuswertungtaktilerSensoren::::::::::::::::::::: Gristabilisierung::::::::::::::::::::::::::::17 9 3GreifeninbiologischenSystemen{dasVorbild 2.3Bewertung::::::::::::::::::::::::::::::::::::22 3.1AnsatzezumGreifen::::::::::::::::::::::::::::::27 3.2AufbaudesGreifapparats::::::::::::::::::::::::::: Greifsysteme:::::::::::::::::::::::::::::: Greifhand:::::::::::::::::::::::::::::::: Armkinematik:::::::::::::::::::::::::::::: Redundanz:::::::::::::::::::::::::: Singularitaten::::::::::::::::::::::::: AblaufvonGreifvorgangen::::::::::::::::::::::::::: VisuellesSystem:::::::::::::::::::::::::::: Konstruktionsprinzipien:::::::::::::::::::::::: Blickbewegung::::::::::::::::::::::::::::: HinreichenundZugreifen:::::::::::::::::::::::: Gri::::::::::::::::::::::::::::::::::: Fehlertoleranz:::::::::::::::::::::::::43 VII

7 VIII Haltegrie::::::::::::::::::::::::::: Manipuliergrie:::::::::::::::::::::::: CharakteristikavonGrien::::::::::::::::: RandbedingungenfursGreifen:::::::::::::::65 INHALT 3.4InformationsverarbeitungfursGreifen::::::::::::::::::::: Zeitverhalten:::::::::::::::::::::::::::::: Regelung::::::::::::::::::::::::::::::::: Bildverarbeitung:::::::::::::::::::::::::::: Implementierung:::::::::::::::::::::::::::: Um-Greifen:::::::::::::::::::::::::: PrinzipienderInformationsverarbeitung::::::::::::::: GriemitWerkzeugen:::::::::::::::::::: AlgorithmenundReprasentationen::::::::::::::::::79 4EntwurfeinesgrundlegendenGreifsystems 3.5EntwicklungderGreiffahigkeiten:::::::::::::::::::::::85 3.6SchlussfolgerungenfurdieRealisierung:::::::::::::::::::: EigenschaftenbiologischerAlgorithmen:::::::::::79 4.1VomGreifsystemzumManipulationssystem::::::::::::::::: RandbedingungeninbiologischenSystemen::::::::83 4.2AufbauundEigenschaftendesGreifsystems::::::::::::::::: BiologischeBewegungssteuerung::::::::::::::84 4.3EinschrankungenfurdasGrundsystem:::::::::::::::::::: Realisierung::::::::::::::::::::::::::::::::::: AnforderungenandieObjekterkennung:::::::::::::::: Koordinatensysteme::::::::::::::::::::::::::110 5TaktilesFindenvonGrien 4.4.2VerwendeteObjekterkennung::::::::::::::::::::: Schema-Theorie::::::::::::::::::::::::::::::::: BestimmungderGreifparameter:::::::::::::::::::: Navigation:::::::::::::::::::::::::::::::: Objektposition:::::::::::::::::::::::: Objektorientierungund-geometrie::::::::::::: TaktilesZugreifen:::::::::::::::::::::::::::::::: AufbaueinesadaptivenautonomenAgenten::::::::::::: Schema-Aktivierungund-Instanziierung::::::::::::::: SchemabasiertesAgieren:::::::::::::::::::::::: ImplementierungalsschemabasierterAutomat:::::::::::: Motorik::::::::::::::::::::::::::::::::: ReaktorischeSchemata::::::::::::::::::::::::: Sensorik::::::::::::::::::::::::::::::::: Umsetzung::::::::::::::::::::::::::::::: PerzeptuelleSchemata:::::::::::::::::::: AktualeSchemata:::::::::::::::::::::: ReaktorischeSchemata::::::::::::::::::::148

8 INHALT5.2.5DiskussionundAusblick:::::::::::::::::::::::: Ablauf::::::::::::::::::::::::::::: Simulation::::::::::::::::::::::::::150 IX 6LernenvonGrien 6.1Grireprasentation::::::::::::::::::::::::::::::: GreiferubergreifendeCharakteristika::::::::::::::::: BackengreiferspezischeCharakteristika::::::::::::::: MehrngergreiferspezischeCharakteristika::::::::::::: WerkzeugspezischeCharakteristika:::::::::::::::::: ErweiterungenuberdasGrundsystemhinaus::::::::::::: Objektreprasentation:::::::::::::::::::::::::::::: AufbaueinerGribibliothek:::::::::::::::::::::::::: LernenanunbekanntenObjekten::::::::::::::::::: TaktilesFindenvonGrien::::::::::::::::: VerallgemeinernvonGrien::::::::::::::::: Exploration::::::::::::::::::::::::::170 7Greifernavigation 6.3.2LernenanbekanntenObjekten:::::::::::::::::::: ImitationvonGrien::::::::::::::::::::: AufbaueinerGreifernavigation:::::::::::::::::::::::: SonstigeQuellenfurGrie:::::::::::::::::: LernenderVorwartskinematik::::::::::::::::::::::::: Prinzip:::::::::::::::::::::::::::::::::: StatistischeAnpassungvonGrien::::::::::::: Grundidee:::::::::::::::::::::::::::::::: ErzeugenneuerGrie:::::::::::::::::::: Anpassungsprozedur:::::::::::::::::::::::::: SimulationundErgebnisse::::::::::::::::::::::: IntegrationundGreifvorgang 7.3DiskussionundAusblick:::::::::::::::::::::::::::: Simulation:::::::::::::::::::::::::::::::::::: ImplementierunginHardware::::::::::::::::::::::::: VorbereitungenfurdenGreifvorgang::::::::::::::::: AblaufeinesGreifvorgangs::::::::::::::::::::::: Diskussion:::::::::::::::::::::::::::::::: AbschatzungderPrazision::::::::::::::::::::::: VorbereitungenfurdieGreifdemonstration:::::::::::::: AblaufeinerGreifdemonstration:::::::::::::::::::: Diskussion:::::::::::::::::::::::::::::::: AbsetzendesGreifobjekts:::::::::::::::::: AutonomesGreifen::::::::::::::::::::::207

9 X9Ausblick AMathematisches 9.1KurzfristigeWeiterentwicklung::::::::::::::::::::::::: LangfristigeEntwicklung::::::::::::::::::::::::::::214 INHALT A.1Koordinatentransformation:::::::::::::::::::::::::::217 A.2Rektikationsdrehwinkel::::::::::::::::::::::::::::218 A.3StatistischeRekursionsformeln:::::::::::::::::::::::::219 A.3.1Mittelwert::::::::::::::::::::::::::::::::219 A.3.2VarianzundKovarianz:::::::::::::::::::::::::219 A.3.3GleitenderMittelwert::::::::::::::::::::::::::220 BSimulations-Software CNeurobiologiedesGreifens B.1Kollisionserkennung:::::::::::::::::::::::::::::::224 A.3.4GleitendeVarianzundKovarianz:::::::::::::::::::220 DZusammenfassung C.1MotorischesSystem:::::::::::::::::::::::::::::::232 C.2VisuellesSystem:::::::::::::::::::::::::::::::: GLiteratur EGlossar

10 NOMENKLATURUNDFORMELZEICHEN XI NomenklaturundFormelzeichen FetteoderunterstricheneKleinbuchstaben:vektorielleGroen,z.B.x,p,'. KursiveKleinbuchstaben:skalareGroen,z.B.x,n,i. Normalschrift:Maeinheiten,z.B.5cm. Formelzeichen KalligraphischeBuchstaben:RaumeundMengen,z.B.A,Q. GriechischeKleinbuchstaben:skalareGroen,insbesondereWinkel,z.B.,',. FetteGrobuchstaben:tensorielleGroen(Matrizen),z.B.A,J. AArbeitsraumeinerkinematischenKette;aktorischerRaumbeieinem i 1Ai=i 1Ai(#i;i;ai;di),dieTransformationsmatrixnachDenavit-HartenbergdesSegmentsieinerkinematischenKettefurdieTransformation adaptivenautonomenagenten. dcabstanddesfixationspunktsvom"zyklopischenauge\einerstereokamera. KettefurdenAbstandzwischenz-undzi 1-Achse.Sieheauchi 1Ai. baidenavit-hartenberg-parameterdessegmentsieinerkinematischen vonkoordinatensystemidesgelenksinachkoordinatensystemi 1 desgelenksi 1inAbhangigkeitderDenavit-Hartenberg-Parameter didenavit-hartenberg-parameterdessegmentsieinerkinematischen #i,i,ai,di. zi 1-Achse;BewegungsfreiheitsgradfureinprismatischesGelenk.Siehe KettefurdieVerschiebungvonKoordinatensystemi 1zuientlangder BasisbreiteeinerStereokamera,Augenabstand. MMotorischerRaumbeieinemadaptivenautonomenAgenten. JKKovarianzmatrix. kijkomponentenderkovarianzmatrix. IHHindernisbereich(e)imArbeitsraumeinerkinematischenKette. Jacobi-Matrix. auchi 1Ai. n AnzahlvariablejenachKontext. IntermediarerRaumbeieinemadaptivenautonomenAgenten.

11 XII neanzahlderschemataineinemsatzsepradiktiverschematasieeines naanzahlderschemataineinemsatzsaaktorischerschematasiaeines NOMENKLATURUNDFORMELZEICHEN nreanzahlderschemataineinemsatzsrereaktorisch-pradiktiverschematasireeinesadaptivenautonomenagenten. PerzeptuellerRaumbeieinemadaptivenautonomenAgenten. =(px;py;pz),fixationspunktoderobjektpositionin3d-koordinaten QHHindernisbereich(e)imGelenkparameterraumeinerkinematischen Rz(')TransformationsmatrixfurdieRotationumdiez-AchseumWinkel'. QAGelenkparameterarbeitsraum=GultigkeitsbereichimGelenkparame- sqgelenkparameterraumeinerkinematischenkette. SASatzfS1A;:::;SnA SiAAktorischesSchemaeinesadaptivenautonomenAgenten. SESatzfS1E;:::;SnE Kette,"verboteneZonen\. Standardabweichung,SchatzungderQuadratwurzelderVarianz. Agenten,derdieAbbildungA7!Merzeugen. AgaktorischerSchemataSiAeinesadaptivenautonomen PnRAnzahlderSchemataineinemSatzSRreaktorischerSchemataSiReines npanzahlderschemataineinemsatzspperzeptuellerschematasipeines p adaptivenautonomenagenten. SRSatzfS1R;:::;SnR SiPPerzeptuellesSchemaeinesadaptivenautonomenAgenten. SiEPradiktivesSchemaeinesadaptivenautonomenAgenten. SPSatzfS1P;:::;SnP menagenten,derdieabbildungt7!perzeugen. menagenten,derdieabbildungp[i[a7!perzeugen. RgreaktorischerSchemataSiReinesadaptivenautonomenAgenten,derdieAbbildungP[I7!I[Aerzeugen. PgperzeptuellerSchemataSiPeinesadaptivenautono- EgpradiktiverSchemataSiEeinesadaptivenautono- SiREreaktorisch-pradiktivesSchemaeinesadaptivenautonomenAgenten. sx;sypixelauflosungeinerkamerainx-bzw.y-richtung. SiRreaktorischesSchemaeinesadaptivenautonomenAgenten. SRESatzfS1RE;:::;SnRE erzeugen. aptivenautonomenagenten,derdieabbildungp[i7!p[i[a YTXTransformationsmatrixfurdieTransformationvonKoordinatensystem T SensorischerRaumbeieinemadaptivenautonomenAgenten. REgreaktorisch-pradiktiverSchemataSiREeinesad- xwwelt,weltkoordinatensystem. U x-koordinate;variablejenachkontext. UmgebungeinesadaptivenautonomenAgenten. XinKoordinatensystemY;alsIndizesstehenWfurdieWeltkoordinaten,EfurdenEndeektorundJfureinGelenk.

12 NOMENKLATURUNDFORMELZEICHEN x ~xx GleitenderMittelwert. =(xyz einerkinematischenkettemitdenkartesischenkoordinatenx,y,z StatistischerMittelwert,SchatzungdesErwartungswertes. )T,VektorderverallgemeinertenKoordinaten XIII yxfl;xfrx-koordinatedesfixationspunktsinpixeln(inderregeldiebildmitte) yfl;yfry-koordinatedesfixationspunktsinpixeln(inderregeldiebildmitte) xl;xrx-koordinateinpixelnimlinkenbzw.rechtenkamerabild. imlinkenbzw.rechtenkamerabild. y-koordinate. unddeneuler-winkeln,,. yl;yry-koordinateinpixelnimlinkenbzw.rechtenkamerabild. ZAStellungsarbeitsraum=GultigkeitsbereichimStellungsraumeinerki- zidenavit-hartenberg-parameterdessegmentsieinerkinematischen StellungsraumdesEndeektorseinerkinematischenKette. nematischenkette. x;yonungswinkeleinerkamerainx-bzw.y-richtung. PunktimStellungsraumZdesEndeektorseinerkinematischenKette. z-koordinate. KettefurdenDrehwinkelvonKoordinatensystemi 1zuiumdie xi-achse.sieheauchi 1Ai. OrientierungswinkeldesObjektsgemessenalsRotationumseinevertikaleAchse. Rollwinkel,DrehwinkelumdieLangsachse(z.B.einerKamera). Schwenkwinkel(z.B.einerKamera),Azimutwinkel;Gelenkwinkeleiner Vergenzwinkel(z.B.einerStereokamera). # #idenavit-hartenberg-parameterdessegmentsieinerkinematischen Achse;BewegungsfreiheitsgradfureinDrehgelenk.Sieheauchi 1Ai. KettefurdenDrehwinkelvonKoordinatensystemi 1zuiumdiezi 1- Nickwinkel(z.B.einerKamera),Elevationswinkel. ' kinematischenkette. VektorderGelenkwinkeleinerkinematischenKette.

13 Kapitel1 puterunterstutzt;stereotypeundwiederholendearbeitenwerdenbesondersindermas- senfertigungzunehmendvonautomatisiertenmaschinenerledigt. BackengreiferalsEndeektor,derPrototypdesIndustrierobotersschlechthin.Oftsind IndustrieroboterjedochmiteinerspeziellenKinematikundeinemspeziellenEndeektor anderenendeeinendeektor(z.b.eingreifer)angebrachtist.universelleinsetzbar unddaherweitverbreitetistderknickarmrobotermitsechsfreiheitsgradenundeinem andiejeweiligeaufgabeangepasst,sodassesvieleverschiedeneauspragungengibt[81, DasHerzstuckdieserAutomatisierungistderIndustrieroboter,dertypischerweise Einleitung auseinerkinematikmitvierbissechsfreiheitsgraden(sogenanntenachsen)besteht, IndenvergangenendreiJahrzehntenrevolutioniertenElektronikundComputertechnik dieindustrielleproduktion:ganzeproduktionsstraenundfabrikenlaufenheutecom- 138]ḂisherwerdenRoboteramhaugsteneingesetztzumPunkt-undBahnschweien, zumentgratenundlackierensowiezurhandhabunginfertigungsstraen[81].inder Montagejedochsindsienochnichtsehrzahlreichvertreten,weilsiediedortgestellten AnforderungenanSensorik,Geschicklichkeit,FlexibilitatundVielseitigkeitnochnicht erfullen. 1.1Serviceroboter Arterbrachtwerden(nach[332,Seite8]).DaherhatsichfurdieseneueGenerationvon undmehrauerhalbderindustriellenmassenproduktionaus.dieswirdmoglichdurcheine immerleistungsfahigererechner-hardwareund-softwaresowiedurchfortschrittebeider SensorikundAktorik.DieneuenEinsatzgebieteliegenuberwiegendnichtinderdirekten industriellenerzeugungvonsachgutern,sondernimdienstleistungsbereich,indem LeistungenanMenschenundEinrichtungenmitErgebnissenuberwiegendimmaterieller RoboterbreitensichtrotzdervorgenanntenSchwachenindenvergangenenJahrenmehr komplexe,voll-oderteilautomatisiertesysteme,diesichdurchfreieprogrammierbarkeit, Mobilitat,FlexibilitatunddieFahigkeitzurInteraktionmitihrerUmgebungauszeichnen. RoboterndieBezeichnung"Serviceroboter\durchgesetzt.Eshandeltsichbeiihnenum 104,105,333]:FurdieIndustriewerdenexiblereAblaufeunderweiterteFahigkeiten ZahlreicheEinsatzgebietesindfurServiceroboterdenkbar(Bild1.1)[332,330,331, 1

14 2 KAPITEL1.EINLEITUNG Landwirtschaft Gesundheitswesen Einsatzgebiete Gastronomie Haushalt Handel Baugewerbe Industrie Komplexität Raumfahrt Planetenerkundung Büro, Verwaltung Kommunalwesen Unterhaltung, Marketing Versandwesen Bild1.1:TypischepotenzielleEinsatzgebietefurServiceroboter.DieGebietesindangeordnet nachzunehmenderunstrukturiertheitderumgebung,waseineimmergroereflexibilitatund Autonomie,alsoeinehohereKomplexitatderSysteme,erfordert. bisherigerroboterangestrebt.dieswurdedenvermehrteneinsatzinderhandhabung undmontage,aberauchbeimtransportundinderlogistiksowieinderproduktionkleinerserienundkundenspezischerprodukteerlauben.imversand-,speditions-und PostwesenstehenLogistik,TransportundHandhabung{verbundenmitdemKommissionierenundSortierenvonSendungenundPaketen{imVordergrund.ImBaugewerbesindebensoAufgabeninHandhabungundMontage,TransportundLogistikzu losen.indererdnahenraumfahrtwirdandenaufbau,denbetriebundggf.diereparaturvonraumstationengedacht,aberauchandiekontrolleeinerproduktionunddie DurchfuhrungwissenschaftlicherExperimenteinderSchwerelosigkeit.InderunbemanntenRaumfahrtstehtdieErkundungvonerdfernenHimmelskorpernan,beiderdieSignallaufzeitensolangwerden,dasseinekompletteFernsteuerungvonderErdeausnichtmehr praktikabelist(wiebeidenmarsmissionendervergangenenjahre).inverwaltung, Buro,HandelundGastronomiebietetsichderEinsatzinderKundenbetreuung(z.B. zurwegweisung),beidienstbotengangen,inlogistikundtransport,beimverkaufvon WarensowiebeiderBodenreinigungan.ImKommunalwesenndensichalsmogliche EinsatzgebietedieAbfallentsorgungundMullsortierung,dieInspektionundReparatur vonversorgungskanalensowiedasverlegenvonkabeln.imgesundheitswesensindzu nennendasfuhrenvonoperationsinstrumentenbeimikrochirurgischeneingrien,die UnterstutzungvonPegepersonalbeikraftaufwendigenTatigkeiten,dasVerteilenvon Medikamenten,EssenundGetrankensowiedieHilfefurBehinderte.InprivatenHaushaltenwartenAufgabenwieBodenreinigung,RasenmahenundAufraumensowieallgemeineHandreichungen(insbesonderebeiderPegebehinderterundalterMenschen).In derlandwirtschaftwirddassetzenundpegenvonpanzen,dasunkrautjatensowie dieerntevongemuseundobstangestrebt.sehrvielfaltigeanwendungsmoglichkeiten gibtesinunterhaltungundmarketing{vonphantasieweseninderfilmindustrie uberroboterisiertefahrgeschaftebishinzumesseaufmachern. WeiterhinkonnenServiceroboterallgemeininmenschenfeindlichenUmgebungen undbeimumgangmitgefahrstoeneingesetztwerden,z.b.alsoinderchemie-und

15 Nukleartechnik,imStrahlen-undKatastrophenschutz,imKriminalwesensowieunter 1.1.SERVICEROBOTER Wasser,unterTageund{sieheoben{imWeltraum. meinsamkeitenbeidenumgebungsstrukturenunddenaufgaben. TrotzderunterschiedlichenEinsatzgebietekunftigerServicerobotergibtesvieleGe- 3 sindwiedieheuteinderindustrieublichen,speziellfurroboterausgelegtenfertigungszellen.stattdessensinddieumgebungen,indenenservicerobotereingesetztwerden sollen,oftvolligunstrukturiert,bestenfallsteilstrukturiert(bild1.2):eshandelt GemeinsamistdenverschiedenenUmgebungen,dasssienichtsohochstrukturiert sichweitgehendumdiealltaglicheumgebungdesmenschen.alssolchesindsie ganzoderinteilendemeinussdeskonstrukteursentzogen;siekonnennichtwie FertigungszellenvollstandigindieKonstruktionderServicerobotereinbezogenundan derenerfordernisseangepasstwerden.1dieseumgebungenzeichnensichdurcheinhohes MaanUnvorhersehbarkeitundVariabilitataus.IhreStrukturenunddieanzutref- Bild1.2:DieUmgebung,inderzukunftigeServicerobotereingesetztwerden. rechnen,z.b.durchumbaumanahmen,durchverschiebungvonobjektenoderdurch neueobjekteundhindernisse. undstandortesindjedochnichtbekannt.weiterhinistjederzeitmitveranderungenzu fendenobjektesindzwarimgrobenvorhersehbar,dajedeumgebung(z.b.buros,haus- halteoderdielandwirtschaft)durchbestimmteelementeundobjektgruppengepragtist (Raume,Turen,Tische,Stuhle,Wege,Baumeusw.).IhregenauenFormen,Abmessungen seneneinsatzgebietenundtatigkeitenfolgt:derhauptzweckeinesserviceroboters tenundumgebungenunterscheiden,sindimmerwiedergleicheoderahnlichegrund- aufgabenzulosen.dieselassensichdreifeldernzuordnen(bild1.3):dermanipula- tion,dernavigationundderinformationsverarbeitung. 1Esistz.B.kaumvorstellbar,wegeneinesHaushaltsrobotersalleObjektezumGreifenmiteinem DerManipulationfallthierbeidieSchlusselrollezu.Dennausdenzuvorumris- SosehrsichjedochdievielfaltigenTatigkeitenindenverschiedenenEinsatzgebiezustattenoderaufTurengarganzzuverzichten. FlanschzuversehenoderalleTuren{auchSchrankturen{mitEinheitsgrienund-mechanismenaus- strukturiert Industrie Umgebung Büro Haushalt alltägliche Umgebung des Menschen = Umgebung der Serviceroboter unstrukturiert Natur

16 4 KAPITEL1.EINLEITUNG Aufgaben Führen Transport Bodenbearbeitung Navigation Transport Handhabung Montage Demontage Verformung Bearbeitung Werkzeuggebrauch Manipulation Informationsverarbeitung Bild1.3:DieGrundaufgabenderServiceroboterlassensichindreiFeldereinteilen. {wiejedesroboters{ist,mechanischeveranderungeninseinerumgebungherbeizufuhren,d.h.zu"manipulieren\{imgrundeisteinserviceroboternichtsanderes alseinintelligenteswerkzeugzurmanipulation.dazugehorendasbewegen,der TransportunddieHandhabungvonObjekten{oderallgemeinervonMaterie{,dieVerformungundBearbeitungvonObjekten,dieMontageundDemontagesowiederWerkzeuggebrauch. DieNavigationistdabeiunverzichtbar;denneinServiceroboterkannzunachstnurin seinerunmittelbarenumgebung{seinemstationarenarbeitsraum{manipulieren.viele derzuvorumrissenentatigkeitenerfordernaber,dassersichdaruberhinausbewegt{ meistentlangeinesbestimmtenweges,umvoneinemortzueinemanderenzugelangen oderumeineflachezubearbeiten.dieswirddurchdienavigationgeleistet;sieerweitertdenarbeitsraumeinesservicerobotersuberseinestationarengrenzenhinausund erhohtdadurchseinenutzlichkeiterheblich.2 UberdieManipulationunddieNavigationhinaussindweitereAufgabenderallgemeinenInformationsverarbeitungzubewaltigen,dieauchohneMotorikdurchgefuhrt werdenkonnen,z.b.auskunfterteilung(visuelloderdurchsprache),objekt-undgesichtserkennung.dieseaufgabenwerdeninderregelnichtzudenhauptaufgabender Servicerobotergehoren,sindfurderenFunktionaberunerlasslich. ServicerobotersolleninunstrukturiertenUmgebungenimalltaglichenUmfelddes Menschenagieren.AlleindarausergibtsicheineReihevonAnforderungen: ZunachstisteineumfangreicheSensorikerforderlich,umineinerzumindestimDetailunbekanntenUmgebungagieren,VeranderungenwahrnehmenundneueSituationen erkennenzukonnen.unverzichtbarsindsensorenzumerfassendesraumes(z.b.stereokameras,laser-abtasteroderultraschall),zumerkennenvonkollisionen(kontaktsensoren),furdiemanipulationvonobjekten(tastsensoren)sowiefurdiekraftregelung 2ZwarlasstsicheineReihevonAufgabenalleindurcheineNavigationlosen{ggf.mitHilfevon ManipulatorenmitverschwindendemstationaremArbeitsraum{,dochsollendieseindieserArbeitnicht betrachtetwerden.beispielewarendasfuhrenvonblindenoderfremden,dertransportvongegenstandenundpersonen(wobeiauchhierdiemanipulation,z.b.zumonenvonturenoderbedienen vonaufzugenoderschaltampeln,einenutzlichehilfsfunktionseinkann)sowiebestimmteformenderbodenbearbeitung(z.b.aufwischen,rasenmahen,staubsaugen).beiservicerobotern,derenfunktionim WesentlichenaufNavigationberuht,handeltessichmeistumspezialisierteSystemefureinenbestimmtenAnwendungszweck,dieinderRegelmiteinemhochspezialisiertenManipulator(z.B.Wischburste, Mahmesserbzw.Saugduse)ausgestattetsind.

17 werdenodereinerfahrungsschatzaufgebautwird;denkbaristauchaktiveexploration. oder-begrenzung(kraft-odermomentensensoren). eineanpassungandieeinsatzumgebungerfolgenkann,z.b.indemparameteradaptiert 1.2.GREIFEN EbensounverzichtbarsindFlexibilitat,AdaptivitatundLernfahigkeit,damit 5 sehenwerden,damitinformationenausgetauschtundauftrageentgegengenommenwer- denkonnen(sogenanntemensch-roboter-interaktion).dennnichtnurwennlaien einenroboternutzen,sindlernendurchvormachen(imitation)oderlernen(undhandeln)nachsprachlicheranweisungvorteilhaftnentensein.daherwerdenfahigkeitenzurselbstkalibrationhelfen,diekomponenten AuerdemmusseineleistungsfahigeSchnittstellezwischenMenschundRobotervorge- amanfangabzugleichenunddieprazisiontrotzbauteiledrift,verschleiundetwaiger Beschadigungendauerhaftsicherzustellen. 1.2Greifen OensichtlichwerdenServicerobotersehrkomplexeSystemeauszahlreichenKompo- liegtderschwerpunktbeiserviceroboternandersalsbeiindustrieroboternwenigerauf Wieobendargestellt,falltderManipulationbeiRoboterndieSchlusselrollezu.Dabei derformveranderndenbearbeitungalsvielmehraufderhandhabungvonobjekten;das giltauchfurdieindustriellemontage{einzigeausnahmeistdieteilefertigunginkleinserien.voraussetzungfurdiehandhabungistdasaufnehmenundfurdiebearbeitundertenfingern:diesekonnensichbesseraneineobjektformanpassenundlassenweit dasfixieren,inbeidenfallenalsodasgreifeneinesobjekts.indenunstrukturierten mehrgrivariantenzu.entsprechendwurdenindenvergangenenjahrenzahlreichevariantenmehrngrigergreiferentwickelt.vondiesensindfurserviceroboterbesondersdie kunstlicherundnaturlicherobjekte,mitdenenauchmenschentaglichumgehen. MenschenschnellanihreGrenzen.BessergeeignetsindmehrngrigeGreifermitgeglie- ZumGreifendieserObjektewerdenuniverselleinsetzbareGreiferbenotigt.Heutige ParallelbackengreiferzahlenzwarzudieserKategorie,kommenjedochimUmfelddes Umgebungen,indenenServiceroboteragierensollen,treensieaufeinegroeVielfalt menschenahnlichen(anthropomorphen)greiferzubevorzugen,undzwarauszwei Grunden:ZumeinenwurdediemenschlicheHandimLaufederEvolutionfurdenUmgang mitdengenanntenobjektenoptimiert;zumanderensindausgrundenderergonomie undnaturlicherobjekteineinerunstrukturiertenumgebunggeeignetegrie3bereitzustellenunddengreiferuniverselleinzusetzen: vieleobjekteundinsbesonderewerkzeugedermenschlichenhandangepasst. Fureinbekanntes,wiedererkanntesObjektmusseinderSituationundderAufgabe DieeigentlicheHerausforderungbeimGreifenistaber,furdieVielfaltkunstlicher BeruhrungvonGreiferundObjektsowiedieGreiferkonguration(z.B.dieStellungseinerFinger)entstehtundzueinerVerbindungfuhrt,diedasObjektunterdieKontrolledesGreifersbringt.Nicht gemeintisthierdievorrichtunganeinemgegenstand,diedemmenschendasgreifenerleichternoder ermoglichensoll(z.b.dergrieinertasche,einesmessers,einerschubladeodereinertur). 3UntereinemGriisthierdieBeziehungzwischenGreiferundObjektzuverstehen,diedurchdie angemessenergriausgewahltwerden;

18 6voneinemschonbekanntenObjektsoll{nachentsprechenderAnpassung{einGri fureinneues,nochunbekanntesobjektmussuberhauptersteingrigefunden aufeinahnlichesobjektubertragenwerdenkonnen;und werden; KAPITEL1.EINLEITUNG sind.inallenanderenfallenkommenmenschendirektmitihrenhandenodermithilfe FurdieseProblemegibtesnochkeinezufriedenstellendentechnischenLosungen,weshalb heutenurstereotypeundvollkommenplanbaregreifaufgabenmitroboternautomatisiert ferngesteuertersysteme(telerobotik)zumeinsatz. diegefundenengriemussentrotzetwaigerschatzfehlerbeiderbestimmungvon Form,GroeoderPositioneinesObjektszuverlassigerzeugtwerden. 1.3ZielderArbeit GreifenbeiServiceroboternzuerstellenundeinerstes,grundlegendesGreifsystemzuentwickeln,dasdiewesentlichenAnforderungenerfullt.DiesesGrundsystem sollsoausgelegtsein,dassesevolutionarzueinemumfassendengreif-undma- SchwerpunktaufdieAlgorithmenzumFindenundAnpassenvonGrien,dasLernen AlgorithmenzumautomatischenGreifenvonObjektenzuentwickelnundden unddiereprasentationvonobjektenundgriensowieaufdieobjekterkennungunddie Grierzeugungzulegen. AusobenAusgefuhrtemfolgt,dassesnotigist,geeigneteVerfahren,Konzepteund nipulatonssystemerweitertundweiterentwickeltwerdenkann;derwegdorthinsoll aufgezeigtwerden.damitsollerreichtwerden,dassdashierentwickeltegrundsystemein solidesfundamentzurlosungdesvollenproblemsdarstelltundkeinespeziallosung,die DasZieldieserArbeitistdaher,einuniversellverwendbaresKonzeptfurdas sichnichtausbauenlasst.denndiegefahr,einebeschranktespeziallosung("leiterzum Mond\)zuentwickeln,bestehtimmer,wenneinreduziertesProblemgelostwird{wie tragenunddemzufolgeintegriertwerdenmussen.entsprechendlassensichverschiedene Teilproblemeausmachen: einespromotionsprojektsvollstandigbearbeitetwerdenzukonnen. LosungeinesGreif-Problems,sondernvielallgemeinerdieLosungeinesSeh-Tast-Greif- hier,weildasproblemdesgreifensbeiserviceroboternzukomplexist,umimrahmen Problems,wasbedeutet,dassverschiedeneInput-KanalezurLosungdesProblemsbei- BildverarbeitungundObjekterkennung, DiefurServiceroboternotigeRealisierungdesGreifensbedeutetnichtnurdie internereprasentationvonobjektenundgrien, IntegrationderverschiedenenInformationsquellen, "Planung\vonGriundManipulation, Bewegungskoordination, StabilisierungeinesGries, AuswertungderTastsensorikusw.

19 Augebehaltenwerden. DieeinzelnenTeilproblemedurfenjedochnichtisoliertbehandeltwerden.Vielmehrmuss jeweilsdaszieleinesintegriertengesamtsystemsunddessenaufgabe,dasgreifen,im 1.3.ZIELDERARBEIT AusheutigerSichtstelltsichdiederzeitigeSituationsodar,dassdiezurVerfugung7 stehendehardware{mechanik,sensorikwieaktorik{durchausbefriedigendundfur vielegreifaufgabengeeignetist,dassesaberbeiderinformationsverarbeitung,also derauswertungdersensorikundderansteuerungderaktorik,groedezitegibt. grund.dazugehorendiebildverarbeitungunddieumsetzungderdurchsiegewonnenen DateninGrie,dieReprasentationvonObjektenundGrien,dieErzeugungeinesGris, dieauswertungvontastsensordatenundschlielichdiedurchfuhrungdesgreifvorgangs selbst.derschwerpunktliegtaufdemeigentlichengreifen,alsoauf FuranspruchsvolleManipulationsaufgabenwerdendahernochausschlielichMenschen zur(fern-)steuerungderhardwareherangezogen. demfindenvongrienanunbekanntenobjekten, IndieserArbeitstehendeshalbdieAspektederInformationsverarbeitungimVorder- derreprasentationvongrienundobjektensowie ZudemwerdenAnforderungensowohlandieMechanikundSensorikvonRobotergreifernalsauchaneinBildverarbeitungs-undObjekterkennungssysterungsschatzes, demerzeugeneinesgrissowie demlernendurchexploration. demwegvoneinerobjektreprasentationzumgeeignetengri, demlernenvongrienundkennenlernenvonobjektenzumaufbaueineserfah- VorbilddienenundmitderBerucksichtigungvonErkenntnissenausderPhysiologie,der Neurobiologie,derPsychophysikundderEntwicklungspsychologiedesMenschen,aber Greifsystemenotigsind.DemgesamtenSystemsolldasGreifendesMenschenals auchderprimaten,eininterdisziplinareransatzverfolgtwerden. formuliert,undzwarausgehendvonminimalanforderungen,dieheuteschonerfulltwerdenkonnen,bishinzuweiterenanforderungen,diefurexiblereund"intelligentere\ InstitutfurNeuroinformatikzumThemaGreifenbegonnen.Zumeinenerfordertedies sowiedererkenntnisseindeno.g.human-undbiowissenschaftlichendisziplinen.zum einegrundlicheaufarbeitungdeseinschlagigenstandesdertechnikundderforschung anderenbedeutetedieseinenerheblichenaufwandzumaufbaugeeignetertestsysteme. DieentwickeltenVerfahrenwurdendaherzunachstinderSimulationerprobt.Wegen derkomplexenmechanischenverhaltnissebeimkontaktzwischenobjektundgreifer WegbereitendfurnachfolgendeForschungsarbeitenwurdedieseArbeitalsersteam (ReibungundElastizitatsowiedynamischeEekte),dienurmitsehrhohemAufwand simulierbarsind,betrachteichdasnacherfolgtemzugrinotigestabilisierendesgris zumaleshierzuschoneinigearbeitengibt(naheresinabschnitt2.2.4abseite17). wobeidertransportdesgreifersvonseinerstart-oderruhepositionzueinervorbereitungsstellungindernahedesgreifobjektsnurgestreiftwird,dafurarmbewegungenim oderggf.durchzufuhrendesumgreifenundbewegendesobjektsindergreifhandnicht, DerGreifprozesswirdalsobiszurerstenErzeugungeinesGrisuntersucht,

20 8rimentalsystem,daszumAbschlussdieserArbeitzurVerfugungstand,implementiert hindernisfreienraumebenfallsbereitszahlreichebrauchbarelosungsansatzeexistieren (sieheabschnitt4.4.4abseite119). Abschlieendwirdgezeigt,wiederGroteilderentwickeltenKonzepteaufdemExpe- KAPITEL1.EINLEITUNG DieHerausforderungbeieinerinterdisziplinarenArbeitist,dieunterschiedlichenFachbegrieundDenkweisendereinzelnenDisziplinenzuintegrieren.DieseArbeitistaus ingenieurwissenschaftlichersichtgeschrieben,d.h.diemedizinischen,biologischenund undveriziertwerdenkonnten.auerdemwurdedasgreifsystemmitanderenmodulen 1.4AnmerkungenzumAufbauderArbeit integriert,dievonkollegenbeigesteuertwurden,sodassderaufgebauteserviceroboter komplettegreifvorgangemitmensch-roboter-interaktiondurchfuhrenkonnte. psychologischeninhaltesindandieingenieurwissenschaftlichebegrilichkeitundherangehensweiseangepasst.dennochsinddiefachbegrieausdenfremdendisziplinen genannt,alleinschon,umfurdieweitereforschungdenzugangzuroriginalliteratur denfremddisziplinen).auerdemsinddieenglischenubersetzungeninklammernin Schragschrift(slanted)beigestellt,wennsieindenIngenieurwissenschaftennichtgelaug zuerleichtern(diesistauchdergrundfurdiebreitedarstellungdererkenntnisseaus erlautert,ansonstenndensichdieerklarungenimglossar(anhange,seite257). sindundstarkvomdeutschenabweichen.zumteilsinddiespezialbegrieimtextselbst sichtbarmachenundbruckenschaenzudenanderendazurelevantenteilenderarbeit.diesistzumteilderinterdisziplinaritat,zumteilderkomplexitatdesthemas erfassenzukonnenunddeneinzelnenseitenfurdiespatereorientierungeinbesserme- HervorhebungeninFettschriftdienendazu,dieInhalteimUberblickschneller morierbaresindividuelles"gesicht\zugeben. ignorieren. geschuldet,diestattderlinearitateinesmanuskriptseigentlicheinematrixdarstellung erfordernwurden.leserderganzenarbeitsolltendiequerverweise,auerjeneaufbilder, VorallemdasbiologischeKapitelenthaltVertiefungen,diefurdasVerstandnisdieser QuerverweisesollendemLeser,dergezielteinzelneKapitelliest,Zusammenhange Arbeitnichtunbedingtnotwendigsind,dasBildaberabrundenunddeminteressierten LeserdieMoglichkeiteinesgroerenUberblicksundtieferenVerstandnissesgeben.Nicht zuletztwerdendadurchauchweiterebiologisch-psychologischethemenerschlossen.

21 Kapitel2 StanddesGreifensintechnischen Systemen DeshalbunterteiltsichdiesesKapitelindieTeile"StandderTechnik\und"Standder Forschung\. genutztoderproduziertwird,unddem,wasindergrundlagenforschungerarbeitetwird. ten,groeunterschiedezwischendem,wasstanddertechnikistundvonderindustrie BeiderEntwicklungvonGreifsystemengibtes,wieallgemeinindenIngenieurwissenschaf- 2.1StandderTechnik dasbestuckenvonleiterplatten,alserweitertecnc-maschinendasbohrenundfrasen, dasentgratenvongussteilen,indermontagedaszusammenfugenvonteilen,z.b.von cheninpressenoderdasbe-undentladenvonpaletten,daslackierenmitspruhlack, industrie,weitverbreitetenindustrieroboter[81].siewerdeneingesetztfurstereotype, sichoftwiederholendetatigkeiten.darunterfallenu.a.inderfertigungdaspunkt-und BahnschweienanKarosserieteilen,dieHandhabungvonTeilenwiedasEinlegenvonBle- StandderTechniksindheutedieinderMassenproduktion,z.B.inderAutomobil- MotorblockenundGetrieben,undinderQualitatskontrolledieVermessungz.B.von Karosserieteilen. undmeistnureindimensionalesensoren,z.b.winkelgeberindengelenkenzurarmsteuerungoderkraft-undmomentensensorenzurgreiferkontrollebeifugeoperationen. EntsprechendwerdenoftandiejeweiligeAufgabeangepateSpezial-Greiferverwendet, diemeistnureinenfreiheitsgrad(onen{schlieen)undoftkeinesensorikbesitzen[138], soz.b.vakuumgreiferfurgroereglatteblechteile,magnetgreiferfureisenhaltigeteile sowiedenwerkstuckformenangepasstebackengreifer.alsbesondersuniverselleinsetzbaranzusehensinddieweitverbreitetenparallelbackengreifer,dasieambestenfur getaktet,alsostrengdeterminiertsind.dankderhohenprazisionundwiederholgetisch"blind\durchzufuhren.folglichverfugenindustrieroboterauchnuruberwenigtungenstationareingesetztinsogenanntenfertigungszellen.beidiesenhandeltes sichumhochstrukturierteumgebungen,indenenalleablaufeexaktdurchgeplantund nauigkeitderindustrieroboteristesindiesemumfeldmoglich,allebewegungenprak- IndustrieroboterwerdenimVerbundmitanderenFertigungs-undTransporteinrich- 9

22 Dichtungs-oderKleberaupen,zumUberprufenvonMontagevorgangenaufVollstandigkeit oderregelung,sondernmeistzurinspektionoderdetektion,z.b.zumuberprufenvon verschiedeneobjektformenund-groengeeignetsind.anmehrdimensionalensensoren 10 werdenfastausschlielichvideokameraseingesetzt,aberkaumimprozesszursteuerung KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN undkorrektheit,zumerfassenvonproduktkonturenvorbestimmtenmontageschritten (imautomobilbauz.b.vordemeinsetzeneinerwindschutzscheibe)oderzumsortieren KollisionenwerdenmeistnureinigewenigeunddaruberhinauseinfachgestalteteUltraschallsensorenverwendet.DasBe-undEntladendieserFahrzeugegeschiehtzumTeil WegmarkierungenundfesteinprogrammiertenUmgebungskarten;zurVermeidungvon TransportvonTeileninderFertigungundzumBetriebvonvollautomatischenHochregungen. vonvereinzeltenobjekten,unddasimmerunterexaktkontrolliertenbeleuchtungsbedin- automatisch,zumteilwirdesvommenschenunterstutzt. gallagern.diesefahrzeugeorientierensichinallerregelanspeziellfursieangelegten NebendenstationarenIndustrieroboterngibtesauchautomatischeFahrzeugezum StockwerkfurStockwerknachobenschiebenundalsDeckenabschlussaufdemGebaude wennsichaucheinigeerstimprototypenstadiumbenden[332,330,331,104,105,333]1. undklassischenindustrieroboternauf,soz.b.hochhausbausystemezumerrichten derstahlskelettevonhochhausern,diedentransportunddiemontagevonstahltragern, DeckenplattensowieAuen-undZwischenwandenubernehmen,sichinderBauphase ZumStandderTechnikgehorenheuteaberauchschondieerstenServiceroboter, verbleiben,eingetrankemarktmithochregallager,handhabungsroboterundbedienterminal,dervollautomatischgetrankekastenverkaufenundleergutentgegennehmen EineReihevonServiceroboternbauenaufherkommlicherAutomatisierungstechnik miteinemelfachsigenmanipulatorarmmit26mreichweitezumautomatischenwaschen derauenhautvonflugzeugen,einenmosaikleger,derimkernauseinemindustrieroboterbestehtundeinenbildmosaiknacheinerfotograschenvorlageerstellt,einensechsachsigenscherroboter,dervoneinemaufeinemdrehbarenspezialtischaufgespannten kann[196],einhochregallagerahnlichesschuhlagermiteinemportalroboter,dasineinen Verkaufsraumintegriertist[94],automatisierteTankanlagenmitManipulatorarm,die speziellkodierteundmarkiertefahrzeugebetanken,einflugzeugwascheralsfahrzeug roboter,soz.b.vollautomatischestaubsauger,bodenreiniger,fassadenreiniger, RasenmaherundTennisballeinsammler,dieeineFlachesystematischbearbeitenund robotermitdoppelsitzalsendeektorbestehtunddiekundeninsechsfreiheitsgraden herumwirbelt(sieheauch[199]). Schaf80%derWollegewinntodereinVolksfestfahrgeschaft,dasauseinemIndustrie- Hindernisseumfahrenkonnen(sieheauch[207,79]),oderFliesenlegeroboter,dieeine mitfuhrungsschienenversehenefassadeautomatischveriesen,sodassnurimbereich derfuhrungsschienenbefestigungenvonhandnachgeiestwerdenmuss,elektronische BesucherfuhrerfurMuseenundMessenoderahnlicheSystemezurUberwachungund DanebengibtesetlichespeziellaufihrenAnwendungszweckhinentwickelteService- InspektionvonAnlagen,einenGolf-Caddy,derdemSenderseines"Herrchens\auto- angegeben,sinddieimfolgendengenanntensystemeindiesenwerkenzunden. ProduktionstechnikundAutomatisierung(IPA)inStuttgarterscheint2004[329].Wennnichtanders 1EineaktualisierteNeuauflagederServiceroboter-Bucher[332,330,331]desFraunhofer-Institutsfur

23 matischfolgtunddabeihindernisse,wieanderespielerodersandlocher,umfahrtund 2.1.STANDDERTECHNIK Ziellochbereichemeidet,einenelektronischenBlindenhund,dervomBenutzergelenkt wirdoderaufgrundeinereinprogrammiertenkartedurcheingebaudefuhrtunddank SensorenHindernissenausweichenkann,ObstpluckermitverschiedenenGreifkonzepten 11 furdierechtrobustenundfarblichbesondersgutzuerkennendenapfelsinen(sieheauch [260]),RollstuhlemitseitlichangebrachtemManipulatorarm,dervombehindertenBenutzerdurchKopf-,Kinn-,Hand-oderZehenbewegungengesteuertwerdenkann,sowie ferngesteuertegefahrtemitgreifarmfurdenbehinderten-undpegebereich,teilautomatischeunduberkamerasferngesteuerteraupenfahrzeugemitgreifernoderanderen Stromleitungen,diemitzweiManipulatorarmenmitjesiebenAchsen,einemBackengreiferundvierKamerasausgestattetist,sodassdieManipulationvonderKabineaus ferngesteuertwerdenkann,wobeieinarmautomatischdemanderennachgefuhrtwer- EingriebenutzteMikromanipulatorenundEndoskope,dievomChirurgengesteuertwerden,sowiehochspezialisierteSystemefurMarketingoderUnterhaltung(z.B.ein KillerwalodereineAnakondafurKinolme)oderSpielzeuge(sieheauch[104,105]). denkannundnochanderefunktionenrechnerunterstutztsind,oderfurmikroinvasive aufnahmeeinrichtung,dieseitlichammullfahrzeugmontiertistundvomfahrerper tomatisiertsind,teleoperiertebaustellenfahrzeuge(baggerusw.),einemulltonnen- SteuerknuppelandenBehalterherangefuhrtwird,wahrendderHebe-undEntleervorgangdannautomatischerfolgt,eineHebebuhnefurArbeitenanspannungsfuhrendeschutz,beidenenKursstabilisierungundNeigungsausgleichmitHilfeeinesKreiselsau- EinrichtungenzurAufklarung,BrandbekampfungundLebensrettungimKatastrophen- Getrankemarkt,Hochhausbau,Flugzeugwascheretc.)oderderenFunktionimWesentli- eherwiekonventionelleautomatisierungssystemeaufgebautsindundineinerstarkstrukturiertenumgebungmitrelativstereotypenbewegungsmusternagieren(tankanlagenchenaufnavigationberuht{diefurgeschlosseneraumealstechnischbeherrschtangesesiertenendeektorohnenennenswertefreiheitgsradeauskommen(besucherfuhrungssystemeundgolf-caddybzw.reinigungssystemeundrasenmaheretc.).sobaldnichtnuhenwird[207]{undansonstenganzohneendeektorodernurmiteinemhochspeziali- WeitgehendautonomesVerhaltenzeigenheutenurdieServiceroboter,dieentweder unterstutzt(raupenfahrzeuge,hebebuhneetc.).2 genugsind,umineinerunstrukturiertenumgebungzurechtzukommen.siesindangewiesenaufeineweitgehendevorstrukturierungihreraufgabeundumgebung.die AuswahlundErkennungderzubearbeitendenObjektegeschiehtdurchdenMenschen, tionen,sindheutigesystemeaufdiefuhrungdurchdenmenschenangewiesen(rollstuhle, Mulltonnenentleerung,Hebebuhneetc.){einfacheFunktionenwerdenggf.automatisch wennsienichttrivialistoderdurchdatenkodierungenersetztwerdenkann.servicerobo- 2EineSonderstellungnehmenhierdieSpielzeugeein,weilmanvonihnenkeineernsthafteFunktion AndiesenBeispielenistzusehen,dassheutigeServiceroboternochnichtexibel stereotypvorprogrammierbaremanipulationengefordertsind,sondernvisuomotorische KoordinationnotigwirdwiebeimGreifeninnichtvollstandigvorherdenierbarenSitua- erwartet.furdieherstellersindsieeinidealesbetatigungsfeld:diesesystemesindeheralsspin-osaus derentwicklungtechnischeinsatzfahigersystemezubetrachten;dennochkonnensiemitihnendurchdie ProduktionundVermarktungwertvolleErfahrungengewinnenundsicheinenVorsprungbeiderspateren EinfuhrungausgereifterSystemesichern.

24 vonkomplexenwerkzeugen.menschenwerdendabeivorallemgebrauchtwegenihrer dersteuerungdurchdenmenschenabhangigundhabendadurchmehrdencharakter termiteinemexiblen,ggf.mehrachsigenendeektor,auchwennessichdabeinurum 12 einenrelativeinfachenbackengreifermitnureinemfreiheitsgradhandelt,sindheutevon KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN FahigkeitzurvisuomotorischenKoordination,zurObjekterkennungundzurgeeignetenKorrekturundKoordinationvonBewegungen.DasGreifenist,wennesnicht "blind\undstereotyperfolgenkann,bishernichtautomatisierbar. 2.2StandderForschung mendenanderengegenubergestelltwerdenkann,undhabenwiediemenschlichehand biszufunffinger.entsprechenderhohtesichdieanzahlderfreiheitsgradeprofinger BereitsseitMitteder1970erJahreistdieFlexibilisierungdesGreifensGegenstandder vonanfangseinemaufbiszuvier.essindzweistromungenimdesignfestzustellen[28]: Roboterforschung.AnfangsstanddieEntwicklunggeeignetermehrngrigerGreifer einfunktionaleransatz,dernachdereinfachstenstruktursuchtmitmoglichsteinfacher mitgegliedertenfingernimvordergrund.dieerstengreiferhatteninderregeldrei Mechanik,einerMindestanzahlvonAntriebenundwenigSensorikundeheraufdieindustrielleVerwertungziehlt,undeinanthropomorpherAnsatz,derversucht,moglichst dievollekomplexitatdermenschlichenhandzuerfassen.letztererhatindenvergan- identischefinger,dieaufeinerdreieckigenbasisangebrachtwaren.spatereentwurfe weisenalsanthropomorphegreifer3einenfingerauf,derwiedermenschlichedau- Greifernillustrieren(Bild2.1). diedlr-handeiundiigenannt,diebeivierfingern{einemalsdaumen{12freiheitsgradehaben[51,49,50]undschondenentwicklungsfortschrittbeidenanthropomorphen oderwenigerdermenschlichenhandnachempfundensind.daesimschrifttumnichtan [74].Heutesindweltweitmehrals20verschiedeneGreifer-Modellebekannt,diemehr genenjahrendurchdasaufkommenersterhumanoiderroboterneueimpulseerhalten UberblickliefernderLiteraturfehlt[223,28,293,340,319],seienhieralsBeispielelediglich undderkinematikusw.typischerweisekannnurmitobjektenvonbestenfallswenigen dieverbesserungderleistungsfahigkeitderantriebe(bzgl.geschwindigkeitundkraft) KilogrammMasseumgegangenwerden,egalobessichumelektrischeDirekt-oderGe- mechanischenkonstruktion.dabeigaltundgiltesauchheutenocheinereihevon Herausforderungenzumeistern:dieUnterbringungdermechanischenAntriebefurdie vielenfreiheitsgrade,derverschleiderbeweglichenteileunddasentstehendespiel, ZunachstlagderSchwerpunktbeiderEntwicklungdermehrngrigenGreiferaufder chenkontaktpolster(softngers)wurdenerstrelativspaternsthaftinbetrachtgezogen [132]. sindauchdieeigenschaftenderkontaktachen,insbesonderederfingerkuppen.anfangs wurdelediglicheingummiuberzugverwendet.dieschonjahrezuvordiskutiertenweitriebeantriebe,seilzugeoderpneumatischeantriebehandelt{mitdemtechnischenfortschrittsindhierjedochlaufendleistungssteigerungenzuerwarten.wichtigfursgreifen 3AnthropomorpheGreiferwarenvorhernurinderProthetikbekannt[322]. SpaterwurdedasAugenmerkverstarktaufdieSensorikgerichtet[27,240].Ubli-

25 2.2.STANDDERFORSCHUNG 13 Bild2.1:Links:DLR-HandI.Rechts:DLR-HandII.[Quelle:Internet-SeitendesInstitutsfurRobotikundMechatronikdesDeutschenZentrumsfurLuft-undRaumfahrt, AnfangsstandennurTastsensorenzurVerfugung,dieKontaktaufeinerFlachemelden cherweisewerdenheuteanallenangetriebenenachsen(freiheitsgraden)positions-und Momentensensoreneingebaut,umPositions-,Momenten-oderKraftregelungzuerlauben [27,240].AuerdemwerdendieGreifachenderFingermitTastsensorenausgerustet. mechanischenspannungsfeldesaufnehmenkonnenundzusatzlicheineexibleoberache besitzen,sindmittlerweileentwickelt[52]. dienichtnurdienormalkomponente,sondernallesechsunabhangigenkomponentendes eignensichauchfurweichegreifachen[111,186].auchmatrizenmittastsensoren, konnten,ohneinformationuberortodergroederkontaktachegebenzukonnen[22]. AuflosungzurVerfugung[27,210,211,352,167,326,325,215,166,419,400],einpaar HeutestehendruckempndlicheTastsensormatrizeninFolienformmitguterraumlicher istihreansteuerung,alsodiefursgreifennotwendigeinformationsverarbeitungsamt Algorithmen,weitzuruckgeblieben.Diesbetritnichtnurdieneuenmehrngrigen einemfreiheitsgrad.diesistdergrund,weshalbsolchesysteme{wieinabschnitt2.1 festgestellt{vonmenschenferngesteuertwerdenmussen,wennsienichtnurblindste- RoboterhandemitumfangreicherSensorik,sondernaucheinfacheBackengreifermitnur reotypehandlungenausfuhrensollen.diehauptdeziteliegendabeiimbereichdervi- suomotorischenkoordination,hierspeziellder"auge-hand-koordination\,also darin,informationenauskamerabildernzugewinnenundingeeignetebewegungendes ManipulatorarmsunddesGreifersumzusetzen.DaherwirddieserAspektimFolgenden naherbeleuchtet: GemessenanderMechanik{derKinematik,AktorikundSensorik{derRoboterhande DiefursGreifennotwendigeInformationsverarbeitunglasstsichinvierverschiedene

26 Bereicheunterteilen,diedenNotwendigkeitenimAblaufderPhaseneinesGreifvorgangs 14 entsprechen: Bildverarbeitung, KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN del,plan,act)volliggetrenntvoneinanderbearbeitet,obwohldieausdenbereichenher- DieseBereichewerdenoftgemademklassischenSMPA-ModellderRobotik(sense,mo- Gristabilisierung. Griplanung, chewerdenimfolgendendetaillierterbetrachtet. vorgehendenteilsystemezumgreifenengmiteinanderkooperierenmussen.dieseberei- AuswertungtaktilerSensoren, AufdemGebietdermaschinellenBildverarbeitungwirdintensivgeforscht[89,18,418, 2.2.1Bildverarbeitung wenigenobjektklassenzuzuordnen[181,180,182]. 19,220]{sou.a.auchandemInstitut,andemdieseArbeitentstand[224,405,181,221, 2.2.2Griplanung 364,238,180,182,407,204].Nochgelingtesjedochnicht,ausKamerabilderndiegenaue FormeinesdemSystemunbekanntenObjekteszubestimmen.Moglichistesaberz.B., ZielderGriplanungistes,einenGrizunden,derdasObjektfurdiejeweiligeAufgabe unterkontrolliertenbedingungen(beleuchtung,blickwinkel)bekannteobjekteineiner sostabilisiert,dassesdenauftretendenkraftennichtausweichenkann,abertrotzdes Szenewiederzundenundzuidentizieren[408,137,224]odereinzelneObjekteeinervon undrealistischekontaktenochnichtgelost. seinmussen.wegenseinerkomplexitatistdiesesproblemfurallgemeineobjektformen GrisamObjektdiePartienfreibleiben,diefurdieweitereManipulationzuganglich schlagigenarbeitenunterscheidensichinihreneinschrankungenderallgemeingultig- keit:indenmeistenfallenwerdenreibungsbehaftetepunktkontaktebetrachtet(inder tendeskraftschlusses4(forceclosure),dergeschicklich-oderbeweglichkeit(dexte- rity),desgleichgewichts,derstabilitatundderdynamik(u.a.steigkeit,abrollen undgleiten)betrachtet(uberblickin[340,30,272,29,28,252,73,287]).dieein- RegelmitCoulomb-Reibung),dieauchTangentialkrafteubertragenkonnen,seltener Inderklassischen,analytischorientiertenRobotikwirddasGreifenunterdenAspek- Greifkraftenabhangt(sieheauchGlossar). stabilisiert(daswareformschluss,formclosure,sonderndurchdiehaftreibung,dievondenaufgebrachten achigereibungsbehaftetekontakte,diezusatzlichnormalmomenteubertragenkonnen, undheutekaumnochhartereibungslosepunktkontakte,dienurnormalkrafteubertragenkonnen(unddamitformschlussimplizieren).weiterhinwerdenvorgegebene Objektebetrachtet,dieentwederzweidimensionalalskonvexePolygoneoder{selten 4BeiKraftschlusswirddasgegrieneObjektnichtdurchdieFormdesGreifersgegenauereKrafte

27 {alszusammengesetztepolynomialfunktionenbeschriebenwerdenoderdreidimensionalalspolyederoder{selten{alssuper-quadriken.sowirdvondengrundlagen [235,71,259,283,251,165,151,415,416,356,234,214]uberdasFindenvonGrif- 15 feninzweidimensionenmitzweioderdreifingern[96,125,217,2,354]oderindrei 2.2.STANDDERFORSCHUNG [98,38]wirdmitzufalligerzeugtenGripunktenundeinemGriqualitatsmagearbeitet, greifen(demubergangvoneinemgrizueinemanderendurch"laufen\derfingeruber dasgegrieneobjekt,gaiting)[149,409]einefullevonspezialfallenbehandelt,zudenen hiernureinkleinerausschnittvonarbeitenangefuhrtist. DimensionenanPolyedern[157,168,292,179,178,82,424]oderanSuper-Quadriken [409]biszuAbrolleektenangewolbtenFingerspitzen[71,276,259,110]undzumUmden.EineKrafteplanungmitneuronalenNetzen(beivorgegebenemGri)ndetsichin [417].AuffalligwenigeArbeitenbeziehendieGreifergeometrieindieGriplanungmitein [37].MittlerweilegibtesauchArbeiten,diedieKontaktezwischenGreiferundObjektals um"gute\kraftschlussigegriezunden.in[248]werdenobjekte(innichtgenannter Weise)inFormprimitivemitvordeniertenZugreifmoglichkeitenzerlegt,umGriezun- VondieserallgemeinenanalytischenLinieweichennurrelativwenigeArbeitenab:In weicheflachenkontaktebehandelnunddiesteigkeitdesgrisbetrachten(uberblickin [216]).JedochsinddierealenVerhaltnissebeiungleichformigerKraftverteilungaufKontaktachenstatt-punktenmitUbertragungvonTangentialmomentenundverformbaren OberachenmitnichtlinearemReibungsverhaltenbisherzukomplex(sieheauch[132]), umanalytischvollstandigerfasstundmathematischbehandeltwordenzusein[30]. dieobjekteanalytischbeschreibbarvorliegenmussen,z.b.alspolyeder.diesebeschreibungstehtnurdannzurverfugung,wennsieausdencad-datenoderdergraschen SimulationderObjektegewonnenwerdenkann,weildieRekonstruktionrealerObjekte inunkontrollierterumgebungbishernurauerstunzulanglichgelingt.furserviceroboter sinddieseansatzedaherweniggeeignet. DerHauptschwachpunktdieseranalytischenAnsatzezurGriplanungliegtdarin,dass ausundversuchen,gemadervorgehensweisebeiexpertensystemen,darausregelnund StrategienabzuleitenundeineWissensbasisaufzubauen,diedenSystemenfesteinprogrammiertwird[410,353,319,334].DieseSystemekommenjedochnurmiteinersehr begrenztenanzahlvonverschiedenenobjektformenzurecht. AndereAnsatzezurGriplanunggehenvoneinerAnalyseverschiedenerGreifvorgange tationdesobjektsaufzubauen.wirdmitpassivensehsystemen(z.b.videokameras) zugreifen.dieherausforderungisthierbei,einefurdiegreifplanunggeeignetereprasen- gearbeitet,wirddietrennungdesobjektsvomhintergrund(segmentierung,segmentation)meistdurchhelligkeitskontrasteerleichtert.dieeinfacherenansatzearbeitenmit einerkameraundinteressierensichnurfurplanareobjektebzw.dieobjektgeometrie in2d-ansichtenundgrienfurparallelbackengreifer[351,254]bzw.furdreingergreifer[255].etwasanspruchsvollereansatzeverwendenstereokameras:chungundnagatplanunggehensienichtein.in[209]wirdeinobjektauseinemstereobilddreidimensional NurvergleichsweisewenigeArbeitenstellensichdemProblem,unbekannteObjekte [62]gehenvonStereobildernausundrekonstruieren{vonderBildverarbeitungherrecht anspruchsvoll{objektealsgeneralisiertezylinderundzerlegensieinteilobjekte,von denensieauchdiepositionundorientierungimraumbestimmen;aufdieweiteregri- modelliertunddaraneingrifureinendreingergreifergefunden.

28 16 Abtaster(laserrangender,laserscanner),umObjektezudetektierenundzurekonstruieren,beispielsweiseum"glatte\FlachenaufeinemObjektzunden,diemogliche Angrispunkteseinkonnen[414,413]. AndereAnsatzeverwendenaktiveSysteme,z.B.Laser-EntfernungsmesseroderLaser- KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN ten)undtrainierensiemitdembackpropagation-algorithmus5.dietrainingsdatenha- bensieinpsychophysischenexperimentenerhoben.siestellenfest,dassdasimbeispiel gezeigtenetznichtdiedatenausdenexperimentenfehlerfreireproduzierenkannund WeiterhingibteszurGriplanungArbeitenausdemBereichderNeuroinformatik: vermutendaher,dassnochmehreingabeparameternotigsind.esbleibtjedochoen, gabeschichtmitwenigeralszehnknoten,einezwischenschichtmitahnlichwenigenkno- wiedieschonrechtkomplexeneingabeparameter{insbesondereder"schwierigkeitsgrad IberallundMitarbeiter[154]verwendeneinfacheneuronaleNetzwerke(Ein-undAus- deraufgabe\{ineinemtechnischensystemgewonnenwerdenkonnten. furdiebilddatenverwendensiestattderbildervonobjektenderenprojektionenineine Ebene,alsoGrundrissundAufriss.DasSystembeherrschtdanndreiverschiedeneObjektklassen(Zylinder,quadratischePrismenundKugeln)mitzweiverschiedenenGrien Uno,KawatoundMitarbeiter[375,376]trainiereneinneuronalesNetzmitdem Backpropagation-Algorithmusso,dassesdieamEingangangelegtenDatenamAusgang reproduziert.sieverwendengreifdatenundbilddaten:diegreifdatensinddiegelenkwinkeleinergreifendenhand,diesiemiteinemdatenhandschuh(dataglove)gewinnenwendetenlernverfahrenmitmehrparameternundtrainingsbeispielenuberproportional an,sodassessichnichtfurrealistischeanwendungenskalierenlassenwird. (Kraft-undPrazisionsgri6).WegendesverwendetenBackpropagation-Algorithmusist auchdiesesmodellwiedaszuvorbeschriebenenichtzumnachlernenunddamitauchnicht zumlernenauserfahrunggeeignet{undwegendersehreinfachenbildverarbeitungauch nichtfurkomplexeobjekteoderszenen.auerdemwachstderlernaufwandbeimver- aufseinerumrissliniereprasentiertwird.daseinenetzdientzurbestimmungdergreifpunkteinechtzeitundgibtdiekoordinatenderdreigripunkteaus;trainiertwirdes Fingern,dieparallelzueinanderverschobenwerdenkonnen,eineKombinationauszwei tiertebildeinesobjekts,dasdurchdiezweidimensionalenkoordinatenvon48punkten durchdenbackpropagation-algorithmus.dertrainingssatzwirddurchdasanderenetz, verschiedenenneuronalennetzwerken.alseingabefurbeidenetzedientdassegmen- Scherrer[319]verwendetzurBestimmungvonGrienfureinenGreifermitdreistarren einhopeld-tank-netz7,erstellt.seineenergiefunktionwurdeeingestelltdurchkriterien wiekraftegleichgewicht,momentengleichgewicht,einhaltungdergreifergeometrieusw., derengewichtungexperimentellbestimmtwurde.zumjeweiligenobjektkannsoein"op- verfahrenfurneuronalenetzwerke[313,421].mitihmkonnenindersogenanntenlernphasediepa- rameter(gewichte)einesnetzesandiefestvorgegebenentrainingsdatenadaptiertwerden,d.h.der mittlerequadratischefehlerwirdminimiert.zumnachlerneneinesneuentrainingsbeispielsistdieser 5DerBackpropagation-Algorithmus,einGradientenabstiegsverfahren,isteinweitverbreitetesLern- Lernalgorithmusnichtgeeignet,daallebisherigenTrainingsbeispiele"vergessen\werden,wennsienicht mitwiederholtwerden. Fingerkuppengegrien. wirdunditerativeinem(lokalen)energieminimumzustrebt[150,421]. 7EinHopeld-Tank-NetzisteinruckgekoppeltesNetz,dasdurcheineEnergiefunktionbeschrieben 6BeimKraftgriwirddasObjektmitderganzenHandumfat,beimPrazisionsgrinurmitden

29 timaler\griberechnetwerden.furdentrainingssatzwurdenaufdieseweisezuuber 200ObjektformenObjekt-Gri-Paareerstellt.DieKombinationausdenbeidenverschiedenenNetzwerkenwurdedeshalbgewahlt,weildieRechenzeitdesHopeld-Tank-Netzes mit10{20sekundenfurdenechtzeitbetriebzulangsamwar.jedochistfestzuhalten,dass STANDDERFORSCHUNG dieerzeugtengriezwarfurdieentsprechendenzweidimensionalenobjektegeeignetsein mogen,dochistdies,danurmitobjektansichtengearbeitetwird,nichtallgemeinfurdie "greifbarenmerkmale\solleneinfachegeometrischeeinheiten(einfachekonvexepolyeder oderzylinder)sein,indiekomplexereobjektezerlegtwerdenmussen.bisherwurdedas VielzahlvondreidimensionalenObjektengewahrleistet,diesichhintereinerzweidimensionalenAnsichtversteckenkonnen. unterstenschichtzurabbildungvon"greifbarenmerkmalen\auf"aktionsmodelle\neuronalenetzeverwendet,diedurchruckkopplungvombenutzertrainiertwerden.die erwarten[256]. MoussaundKamel[257,258]schlageneinmehrschichtigesSystemvor,dasinder SystemnurinTeilensimuliert;furdieneuestePublikationsinddeutlicheFortschrittezu komplettergreifsystemezunden AuswertungtaktilerSensoren standenunddieforschungsichaufdieentwicklungdieserkonzentrierte(sieheobenauf NachdemlangeZeitkeinegeeignetenhochauosendenTastsensormatrizenzurVerfugung WeitereAnsatzezurGriplanungsindunteninAbschnitt2.2.5beiderBeschreibung Seite13),sindindenvergangenenJahrenvermehrtArbeitenzurAuswertungtaktiler Datenfestzustellen(Uberblickin[27]). trizenaufdieformderkontaktierendenobjekteoderobjektteileschlieenzukonnen entlanggefahrenodereinpunkterasterabgetastetwird,dieobjektformzuerhalten [52,97]oderdurchaktivesTasten,beidemtaktilgeregeltanderObjektoberache [92,206,57,56,54,352].Behandeltwirdabernur,wiedieObjektformenals3D- jekteunterschiedenwerdenkonnen.indenvergangenenjahrensindarbeitenhinzu- gekommen,dienachdemgreifeneinesobjekts(kontaktmitallenfingern)mittels PunktwolkenoderangenahertePolyedergewonnenodereinpaarwenigebekannteOb- Schonlangerwirddarangearbeitet,ausdenKontaktmusternaufdenTastsensorma- TastsinndenGrizuverbessernsuchen[124,64,66,227,65,166,357].Ebensosind -ausfuhrung,genutztwerdenkonnen,konntenkeinearbeitengefundenwerden{dies [27,246,148,398].MitdemThemadesnachstenAbschnittsuberlappendieAnsatze, lisierungzunutzen[66,65,167,349]. wirdu.a.themadieserarbeitsein. vermehrtansatzezumdetektierenvonschlupfundbeginnendemrutschenzunden TastsensorenaufdenGreifachenauchzurRegelungderGreifkrafteundzurGristabi Gristabilisierung BeiderGristabilisierunggehtesdarum,nachErzeugungdesGrisdieKrafteanden ZurFrage,wietaktileInformationenzumGreifen,d.h.zurGrierzeugungoder KontaktenzwischenGreiferundObjektsozuregeln,dassdasObjekteinerseitsnicht

30 beschadigtwird,andererseitsaberauchnichtausdemgrirutscht(zumerkennendes RutschenssiehevorhergehendenAbschnitt);entsprechenddergroenAnzahlinzwischen verfugbarerroboterhandegibteshierzuzahlreichearbeiten,z.b.[183,184,321,86,66, 12,423,75,65,48,167,349,259,276,319,410,228].Hinzukommt,wieeingegrienes KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN Objektbewegtwerdenkann,z.B.durchAbrollenderFingerkuppenaufdemObjekt [133,187,59,58,166,272,28],odereinerreichterGriverandertwerdenkann,z.B.durch Versetzen("Laufen\,gaiting)derFingeraufdemObjekt[289,60,299,290,91,213]. oderseinerannaherungdurchpolyeder),istdieintegrationmitdiesenansatzeninder 2.2.5Greifsysteme DievorangehendenAbschnittehabengezeigt,dassesvieleArbeitenzudenjeweiligen Bildverarbeitungnichtleistenkann(z.B.derKenntnisdervollstandigenObjektgeometrie Teilgebietengibt,kaumabereineIntegrationderverschiedenenGebiete,insbesondereder BildverarbeitungunddesGreifens,vorgenommenwird.DadievorgestelltenAnsatzezur GreifplanungmeistvoneinerReprasentationdesGreifobjektsausgehen,diedieheutige Praxisnichtmoglich.DennochgibteseineReihevonArbeiten,dieaufanderemWegeeine dieentwederinderbildverarbeitung,indergriplanungoderinderausfuhrungnoch sostarkedezitehaben,dasssienuralsteilintegriertesystemezubetrachtensind: Integrationversuchen;diesewerdenimFolgendenvorgestellt.AlserstesfolgenSysteme, mitfunffreiheitsgradenundeinembackengreifereinhierarchischesselbstorganisierendes neuronalesnetzwerk.8zweiimrechtenwinkelzueinanderstehendekamerasbeobachten SpitzedesObjektsliefert9;sieerhaltensovierzweidimensionaleVektoren.DasNetzwerk denarbeitsraumvonschragoben.dieautorensimulierendassystemundnehmen an,dasseinvorgeschaltetesbildverarbeitungssystemvoneinemzylindrischenobjektin beidenkamerabilderndieobjektpositionunddiedierenzkoordinatenvonderbasiszur Ritter,MartinetzundSchulten[302]verwendenzurKontrolleeinesRoboterarmes inderanwendungsphasedergreiferzuerstetwasvordemobjektplaziertunddannin belegtalsdreidimensionalesubergitterdenraum;undseineknotenbestehenselbstaus zweidimensionalenuntergitternfurdieorientierung.dieausgabewertederletzteren KnotensindzumeinendiefunfGelenkwinkelfurdenRoboterarmundzumandereneine 58-JacobimatrixzurlinearenInterpolationzwischendenKnotenstutzstellen.Nachdem einerstereokamera(mitunbeweglicheneinzelkameras)undeinemfunfachsigenroboterarmmitbackengreifer.zurvorverarbeitungderbeidenkamerabilderbenutzensieein kommerziellesbildverarbeitungssystem,daszuerstdenhintergrundabzieht,umdistraktorenzuunterdrucken(dasobjektisthell,wahrenddermitbewegteroboterarmschwarz lackiertist),dannwerdeneinekantenbetonendefilterungundeinetiefpasslterungaus- gefuhrt.kontrolliertwirdderroboterarmvoneinemneuronalensystemauseinerhier- KupersteinundMitarbeiter[201,203,202]habeneinneuronalesSystemaufgebautmit dasnetzsichinderlernphasenacheinpaartausendschrittenkongurierthat,wird einemiterativenprozessaufdasobjektzubewegt,bisesgegrienwerdenkann. umdielangsachsewegenderrotationssymmetriedeszylindersunberucksichtigtbleibt. graden(dreifurdieposition,dreifurdieorientierung)werdenhiernurfunfabgedeckt,dadierotation 8EineUbersichtuberahnlicheAnsatzendetsichin[17]. 9VondenimAllgemeinenzurBeschreibungderLageeinesObjektsimRaumnotigensechsFreiheits-

31 archievonein-undzweidimensionalenkarten.zuerstwerdendiebeidenvorverarbeiteten desobjektsimbildkodieren;ausihnenwerdeneinex-undeiney-disparitatskarte(auch eindimensional)erstellt.auerdemwerdendiebeidenvorverarbeitetenbildermitvier 2.2.STANDDERFORSCHUNG Bilderuberfuhrtinjezweieindimensionale"Karten\(Vektoren),diediex-undy-Position 19 verschiedenorientierungsempndlichenfiltern(fur0,45,90und135)gefaltet.diese gleicheorientierungen)werdenumgesetztinzwolfweitereeindimensionalekarten,die achtbilderundvierdarauserhalteneorientierungsdisparitatsbilder(dierenzbilderfur schiedenepositionenundorientierungenimarbeitsraumbringtunddenfehlerseiner keldesroboterarms{abgebildet.wahrenddertrainingsphasehaltderrobotereinen ZylinderimGreiferundadaptiertdieGewichte,indemerdenZylinderzufalliginver- gewichtetensummenauswertet.inderanwendungsphasekanndassystemdengreifer gewichtetesummierungaufvierwerte{furdievierkontrolliertenderfunfgelenkwindeneeindimensionalekartenmitje640knotendievisuelleszene.diesewerdendurch OrientierungundOrientierungsdisparitatkodieren.Insgesamtkodierenalso18verschie- inderrichtigenorientierungandenorteineslanglichenobjektsbringen(ohneallerdings wirklichzuzugreifen). einemgreiferundeinerkamera,dieimgreifersitzt.diezugreifendenobjekteliegen aufeinerwaagerechtenarbeitsache,unddergreiferistimmersoausgerichtet,dassdie inihmenthaltenekamerasenkrechtaufdieseflacheblickt.furdiebildverarbeitung wirdeinmodellbasierteransatzverwendet,d.h.eswirdvorausgesetzt,dassdaszugreifendeobjektbekanntist.diesermoglicht,ausseinergroeaufdemkamerabildseine EntfernungvomGreiferzubestimmen.DieSteuerungsaufgabebestehtdarin,dieKamera VanderSmagt[377,378,379]hateinSystemaufgebautauseinemRoboterarmmit voneinemneuronalennetzwerkkontrolliertwird.dieseserhaltameingangfunfwerte, namlichzweigelenkwinkeldesroboters,einenzweidimensionalenvektorfurdiepixelpositiondesobjektsimkamerabildunddieflachedesobjektsalsanzahlderpixel,diees gewinnen,weilsichdashelleobjektgutvonderdunklenunterlageabhebt.amausgang unddamitzugleichdengreifereinkurzesstuckknappsenkrechtuberdemobjektzu imbildbelegt.diesedatensindmiteinemeinfachenbildverarbeitungssystemleichtzu positionieren.diesgeschiehtineinemruckgekoppelten,iterativenprozess(servoing),der desbackpropagation-algorithmusverwendet.inderanwendungsphasebewegtsichder GreiferaufeinergekrummtenTrajektoriezumZielpunkthin.DerPositionierungsfehler liefertdasneuronalenetzwerkdreiwerte,diebestimmen,wievielsichdiedreikontrolliertengelenkwinkeldesrobotersandernsollen.zumtrainingdesvorwartsnetzwerkes (feed-forwardnetwork)wirdeinsatzvontrainingsbeispielengeneriertundeinevariante mehralsdreifreiheitsgradekontrollierenkonnenmussen.weiterenachfuhrendesysteme werden.dadurch,dassdassystemaufmodellierte{alsobekannte{objekteundeine GreiferdannnurnochumseineLangsachsepassendrotiertundzumZugreifenabgesenkt waagerechtearbeitsachebeschranktistsowienurdreifreiheitsgradedesroboterarmes kontrollierenkann,eignetessichzwarfuraufgabeninstarkstrukturiertenumgebungen, nichtaberallgemeinfurserviceroboter,diemitunbekanntenobjektenumgehenund liegtindergroenordnungvonwenigenmillimetern.zumgreifendesobjektsmussder sindin[134]diskutiert. Aufsicht-Kameraaufgebaut,derrotationssymmetrischeObjektegreifenkann.Diehellen Kamon,FlashundEdelman[173]habeneinenkonventionellenRobotermitseparater

32 tiert.griewerdendurcheinepixelbasierteregelgefuhrtesuchstrategiemitzufallskom- ponentegefundenundaufdasobjektvonobenmiteinembackengreiferzugegrien. DurchdiegenanntenEinschrankungenistdieAufgabedeutlichvereinfacht. ObjektewerdenvomdunklenHintergrund,aufdemsieliegen,als2D-Ansichtensegmen- 20 KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN gergezeigtwird.dergreiferwirdauchvomsystemerkanntundsodieprazisiondes greiferundseparaterstereokamera,derobjektegreifenkann,aufdiemitdemzeigen- ZugrisdurchNachfuhren(servoing)erhoht.DieEinschrankungaufplanarbegrenzte Objekte,aufeinenBackengreiferundaufausschlielichenZugrivonobenerleichtern dieproblemlosungerheblich,schrankenaberauchdieverwendbarkeitfurserviceroboter drastischein. CipollaundHollinghurst[63]prasentiereneinenkonventionellenRobotermitBacken- greiferaufgebaut.liegendeobjektewerdengegendendunklenhintergrundals2dgenuberliegendenpartienderumrisslinieundgeometrischenrandbedingungenorientierdinatenaufarmkoordinatenwirdvorhergelernt;wegenderbeschrankungaufliegende Ansichtensegmentiert.GriewerdenmittelseinerHeuristikgefunden,diesichange- [254].AufdieObjektewirdnurvonobenzugegrien.DieAbbildungvonRaumkoor- ObjekteaufeinerFlachefesterHohewerdendafurnurvierdersechsFreiheitsgradedes SanzundKollegen[317]habeneinenkonventionellenRobotermitKameraamBackenmeraamBackengreiferdurchKantenextraktionundVerfahrenderKameradieDreidimensionalitateinesObjektsaufeinemHaufenvonObjekten(Kartoeln)einzufangen, einengunstigengrizundenunddasobjektzugreifen. Roboterarmsbenotigt. Taylor,BlakeundCox[360]versuchen,miteinemkonventionellenRobotermitKa- dasgeschirrundbesteckherunternehmenkann.alsmanipulatordienteinroboterarm miteinemgreifer,derdreistarre,parallelverschiebbarefingerhat.dasbildaufnahmesystembestehtausdreikameras:einenimmtvonobeneingrauwertbildauf,zweiandere, ObjektsbiszumGrispannen: IntegrationvonGreifenundBildverarbeitungdenBogenvonderErkennungeines ScherrerundseineKollegen[319]habeneinSystemaufgebaut,dasvoneinemTablett EsgibtnursehrwenigeArbeiten,diezumindestfureineeingeschrankteAufgabedurch undgrifurdasjeweiligeobjektvorgegebensind.unbekannteobjektewerden{wie um90gradversetzte,nehmenvonderseitegegeneinenbeleuchtetenhintergrunddie typischemerkmalewiegeradenpaareoderkreisdurchmesseridentiziert.dergreifprozesswirddurcheinausgeklugelteszustandsdiagrammgefuhrt,wobeianfahrposition obenaufseite16beschrieben{mithilfeeinesneuronalennetzwerksbehandelt.lernen ausdergreiferfahrungmitbisdahinunbekanntenobjektenistnichtmoglich.wegen Silhouettenauf.NachBildungeinesAufmerksamkeitsfensters,Kantendetektion,MerkmalsextraktionundSuchedeshochstenObjektswerdeneingespeicherteObjektedurch deraufnahmedersilhouettengegeneinenbeleuchtetenhintergrundistdiesessystem empndlichgegenhellesumgebungslicht.deshalbundweildiesesbildaufnahmesystem sperrigistunddieobjektevonallenseitenzuganglichseinmussen,istesnichtgeeignet EinheitenwerdenrundumeinenArbeitstischsoaufgebaut,dasssiedieObjekteaufdem furdenmobileneinsatzaufservicerobotern. sammlungvonobjektenaufeinemtischabraumenkann.dreiprojektor-kamera- TrobinaundMitarbeiter[370,371,372]habeneinSystemaufgebaut,daseineAn-

33 TischvonschragobenmitstrukturiertemLichtbeleuchtenunderfassenkonnen.Aufdiese WeisekonnendieObjektefastrundherumgleichzeitigerfasstundeinefastvollstandige 2.2.STANDDERFORSCHUNG 3D-Reprasentationaufgebautwerden.AusdengewonnenenDatenwerdendieerfassten OberacheninebeneTeilstuckezerlegtundzuObjektenzusammengefasst,diesodurch 21 Polyederapproximiertundreprasentiertwerden.FursZugreifenmiteinemBackengreifer derverwendetenreprasentationist,dassmitbeliebigenobjektenumgegangenwerden kann,objektealsonichterstgelerntwerdenmussen.nachteilistjedoch,dasssoaber auchnichtausgreiferfahrunggelerntwerdenkann.einweiterernachteilist,dassein werdendannnurnochgegenuberliegendeflachenstuckeaufdenobjektengesucht.{mit diesemverfahrengelingtes,szenenmitbiszuzwolfobjektenabzuraumen.einvorteil Objektsoweitzuganglichseinmuss,dassrundherumdieKamera-Projektor-Einheiten aufgebautwerdenkonnen.weiteredezitesind,dassstarkesumgebungslicht(z.b.die sichtige,sehrdunkleoderstarkreektierendeobjektenichtbearbeitetwerdenkonnen SonneimFreien)dieErfassungderObjektemitstrukturiertemLichtstort,dassdurch- unddassderaufbaumitdenkamera-projektor-einheitenzusperrigistfurdenmobilen ReprasentationdurcheineZerlegunginellipsoideZylinder,furdieetlicheGrievordeniertsind,vondenensienacheinerStabilitatsanalysediegeeignetstenauswahlen.Das mitadaptiverauflosung("octree\)reprasentieren.zumgreifenapproximierensiediese abervonpolyedrischvorgegebenenobjektenvor,diesieraumlichalsquader-zerlegung SchwierigkeiteninderSehkomponentenichtuberwundenwerdenkonnten,10gehensie BardundKollegen[15]schlageneinSystemauseinemkonventionellemRobotermit Drei-Finger-GreiferundStereokamerazumGreifenunbekannterObjektevor.Dadie Einsatz. ZugreifenistfureinenBackengreifermitvisuellerNachfuhrungundtaktilerRuckkopplung implementiert. tationsindindenvergangenenjahrenweiteregreifsystemebekanntworden: meraamdreingergreifer,derunbekannteobjektegreifenkann.dassystemnimmtein ObjektauszweiverschiedenenBlickwinkelnaufundermitteltausihnendurchkantenbasierteVerarbeitungderKonturenderendreidimensionalenVerlauf.Andiesemplantes NachAbschlussdereigentlichenForschungs-undEntwicklungsarbeitfurdieseDisser- zuzuschrauben.nachteilderverwendetenobjektreprasentationist,dassobjektenicht einenumklammerndendreingergriundgreiftggf.taktilkorrigierendzu.dassystem istauchinderlage,eineflascheaufzuschrauben,einzuschenkenunddieflaschewieder Seitz[339,338]prasentierteinenkonventionellenRobotermitschwenkbarerEinzelka- ohneweitereswiedererkanntwerdenkonnenundsomitkeinlernenauserfahrungmoglich ist.auerdemistnureingritypautomatischplanbar. ist,dassesnurmitmodelliertenobjektenumgehenkann,unddiesauchnochsehrviel BackengreifermontiertenEinzelkameravor,dersichbewegendeObjekteverfolgenund greifenkann.dieobjektesindalspolyedermodelliert;immodellwerdendievisuellen MerkmalemarkiertunddankgutemHell-Dunkel-KontrastinderRealitaterkannt.Das SystemkannamvorgegebenenModellGriendenundvisuellnachgefuhrtdembewegten Objektfolgenundzugreifen,allerdingsnurvonoben.GroerNachteildiesesSystems Janabi-ShariundWilson[158]stelleneinenkonventionellenRobotermiteineram gewiesenwerden. 10DieinAussichtgestellteFortfuhrungderArbeitkonntewederimSchrifttumnochimInternetnach-

34 esdahernichtgeeignet. merasystemundseitlichangebrachtemarmmitbackengreiferzumgreifenihmunbekann- terobjekteaufgebaut.einobjekterkennterdurchdieveranderunginseinemstatischen manuellervorbereitungbedarf.furdeneinsatzmitnichtvorhergesehenenobjektenist 22HauckundKollegen[135,136]habeneinenanthropomorphenRobotermitStereoka- KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN Trajektorienauf.NachteildergewahltenBildverarbeitungundObjektreprasentationist, telsmarkierungenaufdengreiferbackenkorrigiertwerden.diearmbewegungfolgteinem stehendenundliegendenobjektenunterschiedenundihresilhouettesymmetriebasiertin 2Dverarbeitet.BeimZugreifenkonnenKalibrierfehlerdurchvisuelleRuckkopplungmit- biologischmotiviertenregelmodellundweistentsprechendegeschwindigkeitsverlaufeund Sichtbereich,sowirddasObjektauchsegmentiert.ZumFindeneinesGriswirdnach dassobjektenichtinihrer3d-formverarbeitetwerdenkonnen,somitauchkeinegrie bestimmtenobjekttypenzugeordnetunddamitkeineerfahrungswertegelerntwerden konnen. systemundlaser-abtaster(laserscanner)undseitlichangebrachtemarmmitzwein- gergreiferaufgebaut.die3d-informationeinerszeneliefertderlaser-abtaster,indessen DatenebeneFlachenextrahiertwerden.IndiesewirdeingenerischesQuadermodelleingepasst.AufdiegefundenenQuaderwerdendieBilddatenderKamerasprojiziert,so vonobenmitdengreifbackenspitzen("fingerkuppen\).nachteildiesessystemsistdie dassobjekteindividuellunterschiedenwerdenkonnen.gegrienwirdeinquaderdann TaylorundKleeman[359]habeneinenanthropomorphenRobotermitStereokamera- EinschrankungaufQuader.AuerdemwirdderLaser-Abtasterprinzipbedingtbeidurchsichtigen,reektierendenodersehrdunklenObjektensowieinhellerUmgebunganseine Grenzenstoen. FarbeunderkenntdankeinerFarbmarkierungauchdenGreifer.DieRelativpositionen diehorizontaleundvertikaleannaherungnacheinanderausgefuhrtwerden.derzugri aufdasobjekterfolgtausschlielichvonoben;dasobjektwirddanntaktilgeregeltim RobotermiteinemBackengreifermitTastsensormatrizenundseparatemStereokamerakopfzumGreifenunbekannterObjektevor.DasSystemsegmentiertObjektedurchihre LopezCoronadoundKollegen[222]stelleneinSystemauseinemkonventionellem vongreiferundobjektwerdenausgewertetundsodergreiferzumobjektgefuhrt,wobei WiedererkennungoderKlassizierungzulasst,sodassausderGreiferfahrungnichtgelerntwerdenkann.WeiterhinistnureinGrityp{mitZugrivonoben{moglich. Objekterkennung,diekeineErkennungderOrientierungeinesObjektsundauchkeine Greiferzentriert.DieSteuerungundRegelungimSystemerfolgtaufderBasisvonneuronalenKarten;dieserklartauchdieReduktionderFreiheitsgradeindenBewegungen undinderobjekterkennung.eineschwachediesessystemsistdiealleinfarbbasierte eineanalytischeherangehensweise.sieverwendenweitestgehendvorherbestimmteoder vorausberechnetevorgangeundablaufe.ohneeingriundunterstutzungdurchden werdenkann.heutigetechnischesystemecharakterisierensichimwesentlichendurch 2.3Bewertung DiesesKapitelhatgezeigt,dasseszwareineReihevonverschiedenenAnsatzenzurLosung desseh-tast-greif-problemsgibt,jedochdasproblemnochnichtalsgelostbezeichnet

35 delndiemeistenansatzedievierbereichedatenaufnahme,modellbildung,planungund Menschenkommensienochnichtaus:VorallemwennvisuomotorischeKoordination notigist,mussensievonmenschengesteuertwerden. 2.3.BEWERTUNG GemademklassischenSMPA-ModellderRobotik(Sense,Model,Plan,Act)behan- 23 Handelnvolliggetrenntvoneinander,obwohlfureinGreifsystemdiejeweiligenTeilsystemeengmiteinanderkooperierenmussen.DieFolgedavonist,dassdiefurdieIntegrationentscheidendenSchnittstellennichtzusammenpassen.MeistbetritdiesdieDatenaufnahmeunddasHandeln.SogehenvieleAnsatzezurGreifplanungbeispielsweise implizitdavonaus,dasseinegenauebeschreibungdeszugreifendenobjekts,z.b.in ObjekteimProduktionsumfeldzurVerfugung,wosieausdenKonstruktionsdatenabgeleitetwerdenkonnen.IndenanderenUmfeldernjedochkonnendiedortauftretenden,oft sindzusperrigfurdenmobileneinsatzinserviceroboternundauerdemfurszenenmit gegenseitigerverdeckungderobjektenichtgeeignet.dieserfurservicerobotertypischen PlanungindemAusmanotigist.AlternativeAnsatzeausderRobotik,wiez.B.die Subsumptionsarchitektur(subsumptionarchitecture)[44,43,42]oderdieverhaltensbasierteRobotik(behavior-basedrobotics)[268],sindfursGreifennochnichtherangezogen worden. Weiterhinistfraglich,obdieindenmeistenAnsatzenvorgeseheneModellbildungund unbekanntenobjektemitvideokameras,auchbeistrukturiertemlicht,odermitlaseroderultraschall-abtasternnurunvollstandigauseinerrichtungerfasstwerden;konstruktionen,beidenenmehrerediesersensorenrundumeinobjektangeordnetwerden, FormeinesCAD-Modells,zurVerfugungstehtunddiePositionundStellungdesObjekts genaubekanntsind.dieseangabenstehenaberbestenfallsfurunversehrtekunstliche unvollstandigenundungenauendatenlagetragenvieleansatzenichtrechnung. DaherkonnensiedieObjektenurzentralbeimSchwerpunktgreifenundnichtetwaanherausragendenTeilenwiedemHenkeleinerTasse.ImPrinziplieensichdafurzusatzliche FreiheitsgradeindervisuellenReprasentationeinfuhren,dochsteigtbeidenverwendeten neuronalennetzwerkendieanzahldernotwendigenknotenexponentiellmitderzahl derfreiheitsgradean,wodurchsichdielernzeitenextremverlangernundzusatzlichdie DiemitneuronalenNetzwerkenaufgebautenSystemehabengemeinsam,dasssieObjektenurinBezugaufihrePositionundbestenfallsihreOrientierungreprasentieren. Konvergenzverschlechternwurden.DamitsinddieseSystemkonzeptenichtpraktikabel furobjektspezischesgreifensowiefurroboterarmeund-greifermitmehrfreiheitsgraden.auerdemsinddiesesystemeauchnichtinderlage,inderanwendungsphaseaus Greiferfahrungzulernen.Falle,diedurchdieTrainingsbeispieleinderLernphasenicht inserviceroboternnichtakzeptabelsind.konkretsindfolgendepunktezubearbeiten: abgedecktwurden,konnensonichtnachgelerntwerden. InsgesamthabendieexistierendenGreifsystemeEinschrankungen,diefurdenEinsatz heuteunterdenmehrals20bekanntengreifernaucheinigemitvieroderfunffingerngibt. 11Esfalltauf,dassallevorgestelltenArbeitenGreifermitmaximaldreiFingernbetreen,obwohles FlexibilisierungdesGreifens:ZugreifenaufeinObjektausbeliebigenRaumrichtun- LernendurchErfahrung:ObjekteundGriemussensoreprasentiertundabgespei- genermoglichen;mehrereverschiedenegrieproobjekterlauben;mehrngergrei- fermitmehralsdreifingerneinbeziehen11.

36 24VerbesserungderObjekterkennung:UnabhangigkeitvoneinfachenMerkmalenwie chertwerden,dasseinerfahrungsschatzaufgebautwirdundgelerntegriewieder angewandtoderverallgemeinertwerdenkonnen. FarbeoderHelligkeitskontrastmusserreichtwerden;Objektemussenklassiziert KAPITEL2.STANDDESGREIFENSINTECHNISCHENSYSTEMEN SchlieendersensomotorischenSchleife(desPfadesvomHandelnzurerneutenDatenaufnahme):DiesistderSchlusselzumautonomenundselbstorganisierenden, verallgemeinernzukonnen. giezeigenwird. werdenkonnennachobjekttypen,umgrievonanderenobjektenubertragenund d.h.automatischenlernen,wiedasnachstekapiteluberdasgreifeninderbiolo- IntegrationzumGesamtsystem:DieSchnittstellenderSubsystememussenzueinanderpassen,d.h.z.B.dassdieheutigenMoglichkeitenderObjekterkennungbei unvollstandigedatenlagezubeachten. dergriplanungberucksichtigtwerdenmussen;ebensoistdiemeistungenaueoder

37 Kapitel3 GreifeninbiologischenSystemen{ dasvorbild DadasGreifeninderTechniknochnichtumfassendbeherrschtwird,ndensichinlebendenOrganismendieeinzigenheutebekanntenGreifsysteme,dieinderLagesind,beliebig AnalysedieserSystemelieferthilfreicheHinweisefurdieEntwicklungeinestechnischen geformteobjekteinunstrukturierterumgebungzugreifenundzumanipulieren.eine Greifsystems.LosungenausderbelebtenNaturalsVorbilderfurtechnischeEntwicklungenheranzuziehen,istdieVorgehensweisederBionik[262,263]. Vertiefung: dietechnikubertragenwird;diekonstruktionenundverfahrensweisendernatur sentlichdabeiist,dassdiebiologischenprinzipiennichteinfachkopiertwerden{ eineabstraktionerfolgtundanschlieenddaslosungsprinzipausderbiologieauf oftwegentechnischergrenzenauchnichtkopiertwerdenkonnen{,sonderndass aufaufbaut,dassdermenschsichvonaltersherbeivielenerndungenvonder Naturhatinspirierenlassen.InderBionikwerdenbiologischeSystemesystematischstudiert,umLosungenfurtechnischeProblemezunden.We- DieBionikisteineinterdisziplinarewissenschaftlicheMethodik,diedarmechanikbishinzuverfahrenstechnischenLosungenundOptimierungsalgorithmen reicht[262,263]. werdenalsanregung,vorbildundherausforderungfureigenstandigetechnische (Weiter)-Entwicklungengenommen.DieBionikistdasPendantzurtechnischen anwendetundderenergebnissesiefureinetechnischeweiterfuhrungaufbereitet. BaukonstruktionuberallgemeinemechanischeKonstruktionenunddieStromungs- Biologie,diedieMethodenderTechnikzurErklarungbiologischerGegebenheiten DieBioniklasstsichaufvielenGebietenanwenden,wasvonderArchitekturund derlotus-eekt[267,271],dieformderstromungskorper,derwulstbugbeischiffen,diewingletsbeiflugzeugenunddieripletsaufderauenhaut[141,13,20,14] BeispielesinddieFlugtechnik[142,141,140],dieVerrippungvonKonstruktionen, diearmierungbeistahlbeton,flachentragwerke,traglufthallen,verasteltetragestrukturenundrohrenformigefernsehturme[262,142,141,14,275,140],weiterhin diepapierherstellungausholzschli,derklettverschlussunddasecholot[140]sowie sowieoptimierungsverfahrenzurspannungsverminderunginmechanischenstruk- SogibteszahlreicheEntwicklungen,beidenendieNaturalsVorbildgedienthat; 25

38 26logiehabenzueinemModellvonneuronalenNetzwerkengefuhrt[241],dassowohl AusgangspunktfurdieEntwicklungderAutomatentheorie[393,190,249,250]und turen[237,236]oderallgemeinererartwiegenetischealgorithmen,evolutionsstrategienundgenetischeprogrammierung[185,301,300,328].auchdieinformatik hatimpulseausderbiologieerhalten:dieerstenerkenntnisseausderneurobio- KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD stungenbiologischerinformationsverarbeitungssystemetechnischzurealisieren.gearbei- tetwirdunteranderemaufdengebietenderbildverarbeitung,dessprachverstehensund derrobotersteuerung[388].dabeiwerdenerkenntnissederneurobiologie,derpsychologieundderpsychophysikverwertet.dieneuroinformatikwirdauchals"neurobionik\ neuronalennetzwerke[421,5]. InderNeuroinformatikwirdseiteinigenJahrendarangearbeitet,verschiedeneLei- derheutigenrechnermitdervon-neumann-architektur[395]sowiederadaptiven Systemewar[404,403]wieauchderheuteverwendetensogenanntenkunstlichen oder"informationsbionik\bezeichnet[262,39,422]. heraus{beiletztereninteressierenvorallemsaugetiere,insbesonderedermensch{und zieheschlussfolgerungenfurdietechnischeumsetzung. beitein.umdenunterschiedzumklassischen,technisch-analytischenansatzklarzu machen,arbeiteichdiesemkapiteldenunterschiedzwischenheuteeingesetztenindustrieroboternaufdereinenundbiologischenorganismenaufderanderenseite IndieTraditiondesneuroinformatischenundbionischenAnsatzesfugtsichdieseAr- ImHinblickaufdasGreifensinddieUnterschiedeinfolgendenBereichenwichtig: ten.gleichzeitigbestimmtsie,wiekomplexdieinformationsverarbeitungwird,umbe- stimmteeigenschaftenzuerzeugen.sieistdahervonzentralerbedeutung.dieprinzi- DieHardware-ArchitektursetzteinemSystemdieGrenzenseinerHandlungsmoglichkei- AlgorithmenundReprasentationen. PrinzipienderInformationsverarbeitung, Hardware-Architektur, pien,denendieinformationsverarbeitungfolgt,bestimmendencharakterderverwendba- renalgorithmenundreprasentationen.diegliederungdieseskapitelsfolgtimgroben diesenbereichenundbetrachtetfunfverschiedeneaspektedetailliert: AufbaudesGreifapparats:Anatomie,Sensorik,MotorikundEigenschaftenvon AblaufvonGreifvorgangen:ErkenntnisseausderPsychophysikdesGreifens AnsatzezumGreifen:UbersichtuberdieinderTierweltverbreitetenAnsatze Seite27). Hand,ArmundSehsystemdesMenschen(inAbschnitt3.2.1abSeite31). zumgreifenunduberdieevolutiondermenschlichenhand(inabschnitt3.1ab InformationsverarbeitungfursGreifen:Vergleichbiologischerundtechni- sowievorstellungverschiedenergrieunddercharakteristikavongrienundobjekten(inabschnitt3.3abseite51)scherinformationsverarbeitunghinsichtlichhardware-implementierung,zeitverhalten,regelungsprinzipien,bildverarbeitung,verarbeitungsprinzipiensowiealgorithmenundreprasentationen(inabschnitt3.4abseite71).

39 3.1.ANSATZEZUMGREIFEN ArbeitNotwendigen,sondernbieteteinenbreiterenUberblick.Damitsolldasweitver- EntwicklungderGreiffahigkeiten:FortschrittdesGreifensvondenAnfangen DasindiesemKapitelprasentierteMaterialorientiertsichnichtnurandemfurdiese nachdergeburtbiszurvollstandigenbeherrschung(inabschnitt3.5abseite85). 27 undfurnachfolgendearbeitenaufbereitetwerden. streutewissenausdenfuringenieurwissenschaftlerundmathematischorientiertenatur- wissenschaftlerwegenderfachbegrieundderunterschiedlichendenk-undherangehens- weiseschwerzuganglichenbereichenderbiologie,medizinundpsychologieerschlossen 3.1AnsatzezumGreifen WieinKapitel2erwahnt,sindinderTechniknebenspezialisiertenGreifernwieVakuum-oderMagnetgreifernderzeitParallelbackengreiferundZangengreiferamweitesten verbreitet.derenfunktionsprinzipahneltdemdeszweingrigengreifens,wahrendin z.b.zurversorgungdesnachwuchsesoderzurvorratshaltung.auerdemwerdensie derforschunganhandahnlichenmehrngrigengreiferngearbeitetwird. AnsatzezumGreifenentwickelt[343,226].BeivielenTierarten{vondenInsektenbiszu denwirbeltieren{sinddiemundwerkzeugezangenformigausgebildetundwerdenzum (Er-)GreifenderNahrungverwendet,dennVoraussetzungfurdieNahrungsbeschaung und-aufnahmeisthaugdasfassenundfesthaltendernahrungsowiederentransport, oftauchzurhandhabungandererobjekteeingesetzt,z.b.transportierennage-und InderTierwelthabensichimLaufederEvolutionebensoeineReiheverschiedener RaubtieresoihrenNachwuchsoderbeschaensichundverarbeitenAmeisenundVogel soihrnistmaterial.manchetierartenhabenanderekorperteilesoweiterentwickelt, Baumastenfest. dasssienebenihrenursprunglichenfunktionenspeziellegreifwerkzeugewurden:der ElefantkannmitdemzangengreiferahnlichenEndeseinerzumhochbeweglichenRussel ganzenrusselumschlingen.diemeistenneuweltaennutzenihrenschwanznichtnur zurbalance,sondernhaltensichmitseinemzueinemgreifngerentwickeltenendean entwickeltennasekleineobjektebetastenundgreifensowiegroeobjektemitdem ZweigenoderAstenfesthaltenmussen.ZudiesemZweckhabensichbeieinigenTierarten scharfekrallenentwickelt,z.b.beinagetierenwieeichhornchenundmausen,beiden ihrenlebensraumganzoderzumteilaufpanzengefundenhabenundsichanstengeln, dieextremitatenfunfstrahlig.dashatsichvorallembeidentierartenerhalten,die Greifervertreten,zudenensichbeieinerReihevonTierartendieEndendervorderen und/oderhinterenextremitatenentwickelthaben.beimurtypdeswirbeltieresenden UnterdenspeziellenGreifwerkzeugensindjedochamhaugstendiehandahnlichen meistenvogelartenoderunterdenbeuteltierenbeimkoala.beianderenaberbrachtedie EvolutionweicheFinger-undZehenkuppenhervor,diezumTeilmitKrallenoder Nagelnversehensind,z.B.beidenAenundHalbaensowiebeieinigenFroscharten.Bei manchendiesertierartenhabensichopponierbare1daumenoderfingerentwickelt: BeidenmeistenVogelartenisteineZehedenanderendreiopponiert;beidenKoalasund denchamaleonssindzweifingerbzw.zehendenanderendreiopponiert[323,127];bei 1opponieren=gegenuberstellen.

40 28 dengreif-odermakifroschen(phyllomedusen)undbeidenmeistenaen-undhalbaffenartenistdererstefinger,der"daumen\,bzw.dieerstezeheopponierbar[127].ohne ZweifelisteinopponierbarerDaumensehrnutzlichzumFesthaltenanZweigenundAsten, weilereinenzangenahnlichengriermoglicht. KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD habensichdieextremitatenderaenundhalbaenmitihrengelenkigenfingernund dienen,z.b.fruchte,samen,eier,kaferundandereinsektenundkleintiere.diese muss,wahrenddieanderehandnachdernahrung"angelt\.wohlfurdiesesituation zumfesthalten,sondernauchzumgreifenvonobjekten,dieihnenalsnahrung sitzenoftanoderaufdunnenzweigen,diedaskorpergewichtnichttragenkonnen,so dasssicheinehand(oderdiefueoderderschwanz)andickerenzweigenfesthalten AenundHalbaenbenutzenihreHande,teilweiseauchdieFue,abernichtnur Zehen,denweichenKuppen,denNageln,demGriprolunddemopponierbarenDaumen bzw.zehentwickelt. Vertiefung: ponierbarkeitauchdavonab,wieguterdiekuppenderanderenfingeroderandere Greifachenerreichenkann.ZwischendenverschiedenenAenartenvariierendie relativenlangenderfingerundderengelenkigkeitsehrstark,weilihrehandenicht derregelrelativlangundihrespitzenkonnenkaumvomdaumenerreichtwerden (beibonobo,weihand-undsilbergibbon,orang-utanetc.:zumgreifenkleiner nurzumgreifenvonobjektendienen,sondernauchzurfortbewegung[61,232]: BeibaumbewohnendenAenarten,diesichhangelndfortbewegen,sinddieFingerin WienutzlichderDaumenzumGreifenvonObjektenist,hangtnebenderOp- ObjektewirddanneineSeitenachedesZeigengersstattseinerSpitzebenutzt). BeibodenbewohnendenArtendagegensinddieFingereherkurzundgedrungen, lichenanforderungennachgroerkraftentfaltungfurschwereobjekteundge- schicktermanipulationbeikleinenobjektengerechtwerden:groekraftewerden erzeugtdurchparalleleneinsatzundsynchronesbewegenallerfingermithilfegroer Muskeln,dieimUnterarmangelegtsindundmittelslangerSehnendieFingerbewegen. HoheBeweglichkeitwirderreichtdurchGliederungderHandinFingerundderFinger insegmentesowiedurchmuskelninderhandache.diegliederungreduziertzudem diequerkrafteindenknochenundermoglichtsoeinehoherefeingliedrigkeit[untenin seinsollen,werdendiehandenichtmehrzurfortbewegungbenotigt:siestehenallein zumgreifenzurverfugung.dennochmussdiemenschlichehanddengegensatz- NurbeimMenschen,dessenVorfahrenausdenBaumenaufdenBodenherabgestiegen konnenbesservomdaumenerreichtwerden(schimpanse,gorilla,dschelada,etc.). dasiezurfortbewegungaucheinenteildeskorpergewichtsaufnehmenmussen;sie EichhornchenundMause.WeitverbreitetistbeidiesenTierartendasbeidhandigeGreifen,wieesz.B.Eichhornchenanwenden,umeineNusszuhalten,diesieaufnagen.Dipulierenwichtig,dassdieeinzelnenFingerunabhangigvoneinanderbewegtwerdenkonnen.BeidenmeistenTierartenistdiesnichtderFall.SiekonnenihreFinger nurgleichzeitigonenundschlieenundsinddamitnurzurelativeinfachengrien fahig;beispielesinddievogel,z.b.greifvogelundpapageien,oderdienagetiere,z.b. Abschnitt3.2.1]. NebenderOpponierbarkeitdesDaumensistfurgeschicktesGreifenundMani-

41 FahigkeitzumeinhandigenGreifenhatsich,voneinzelnenAusnahmenabgesehen2,nur beugerinzumindestteilweiseanatomischgetrenntemuskelnaufgeteilt,sodasseinzelne 3.1.ANSATZEZUMGREIFEN inderordnungderaenundhalbaenentwickelt;gleichzeitighabensichdiefinger- Fingerunabhangigvondenanderenbewegtwerdenkonnenundz.B.einPrazisionsgri 29 mitdaumenundzeigengererzeugtwerdenkann.dieauftrennungdermuskelnistbei unsmenschenamweitestenfortgeschritten[320,265,226]. wurfzumgreifensind,lasstsichausderentwicklungsgeschichtedesmenschenundder Aen[232]nichtbeantworten.DennschonvorderEntwicklungderGreiffahigkeitwar nichtvorteilhaftwaren.undoensichtlichhatsichdabeieinopponierbarerdaumenals vorteilhafterwiesen,undzwarumsomehr,jemehrdiehandevonderfortbewegung diefunfstrahligkeitimurtypdeswirbeltieresvorgegeben.eslasstsichjedochvermuten,dasswenigeralsfunffingerunterdenfurprimatengeltendenrandbedingungen DieFrage,obfunfFingermiteinemopponierbarenDaumenderoptimaleEnt- Daumenerhaltenhaben.Zuuberlegenist,obeinzweiteropponierbarerFinger,z.B.der kleinefinger,nichtnochmehrflexibilitatbringenwurde.dennschonheutesinddie ponierbarezeheentwickelthaben,diebefreitenhandejedochnochbesseropponierbare entlastetundzumgreifenfreiwurden.dennbeidenaenhatsichdieopponierbare groezeheerhalten,wahrendsichbeimmenschenzwardiefuezulauuenohneop- MittelngerzudessenVerstarkunggenutztwird(d.h.mitdemMittelngerzusammen ofteinenvirtuellenfingerbildet3). beiden"ecknger\(kleinerfingerundzeigenger)beweglicheralsdiebeidenmittleren. Merkmalenentwickelthat,dieMenschenmitAenundteilweiseHalbaengemeinhaben[232]: Bemerkenswertist,dasssichdieFahigkeitzumGreifengleichzeitigmitfolgenden AnatomiederFingermitFingernageln,weichenFingerkuppen,Gripro- OrientierungderAugennachvorneunddamitgutesraumlichesSehen(StereosehenmitTiefenwahrnehmung); lundspeziellenschweidrusenaufdengreifachen(sieheunteninabschnitt EinneuerEntwurffureineHandkonntezweiDaumenhabenunddazwischendreiFinger,wobeiderRingngersobeweglichseinsolltewieheutederZeigenger;dennder RingngeristheuteinderBeweglichkeitsoeingeschrankt,dassermeistparallelzum EntlastungundteilweiseBefreiungderArmevomKorpergewichtundvonderFortbewegungdurchAufrichtendesKorpers,insbesonderebeimMenschendurchden ArmemithohemAktionsradiusdurchVerschiebungandieSeiten(Auftauchendes 3.2.1); Schlusselbeins),hohereBeweglichkeitindenSchultergelenkenundMoglichkeitzur DrehungimUnterarmdurchbeweglicheElleundSpeiche(PronationundSupination); dieermitdemschnabelaufknackt 2Z.B.kanneinPapageimiteinemFuaufeinemAstsitzendmitdemanderenFueineErdnuhalten, 3ZumBegridesvirtuellenFingerssieheinKapitel abSeite62. WeiterentwicklungundVergroerungdesGrohirns. aufrechtengang;

42 verbundenmitderentwicklungdersprachfahigkeit{diegrundlagefurdominanzdes 30 DieBefreiungundWeiterentwicklungderHandesowiedieVergroerungdesGrohirns, diebeimmenschenbesondersausgepragtist,habensichwahrscheinlichgegenseitigbedingtundbegunstigt.inderdarausentstandenenhohenmanipulationsfahigkeitwird{ KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD Menschengesehen.Daherliegtesnahe,sichbeimEntwurfeinestechnischenGreifsystemsamGreifapparatvonPrimatenundbesondersdesMenschenzuorientieren,zumal furserviceroboterimumfelddesmenschen. Literaturan:[232,226,103,266,265]. DerGreifapparatimengerenSinneumfasstdieGreifhandunddenArm;diesesinddie 3.2AufbaudesGreifapparats ausfuhrendenorgane.andervorbereitungunddurchfuhrungeinesgreifvorgangssind ZurVertiefungindieEvolutiondesGreifensundderHandbietetsichfolgende orientiertenvorgangsinddaherallebeteiligtensystemkomponentenzubetrachten{der GreifapparatimweiterenSinne.OrientiertamMenschensinddiesdiefolgendenKomponenten,dieauchfureinleistungsfahigesServiceroboter-Greifsystembenotigtwerden: aberauchandereorganemageblichbeteiligt,sodassdervorgangohnederenbeitrag nichtnachvollzogenwerdenkann.fureinetechnischerealisierungdesgreifensalszweck- einegreifhand(technisch:greifer)alszentralekomponente,diedieschnittstelle zumobjektdarstellt{vonihrhangtab,wiegutundsichereinobjektgegrien einbeweglicherunterbau(z.b.diebeineodereinefahrbareplattform),um einarm,umdiegreifhandzumobjektzubringen(greifernavigation); einkopf(technisch:kamerakopf),umdieaugenbzw.kameras(oderandere (Aufmerksamkeitssteuerung); Sensoren)aufdenaktuellinteressierendenAusschnittderUmgebungzurichten werdenkann; eineumfangreichesensorik,uminformationenuberdieumgebungunddeneigenen Zustandzuerhalten:Augenbzw.KamerasoderLaser-ScanneroderAhnlichesfur Objektezuerreichen,dieauerhalbderReichweitedesArmesliegen(Roboternavigation); InformationsausgabeeinheitenzurRuckinformationdesAuftraggebers{zusammenmitgeeigneterSensorikkanneineinteraktiveSchnittstelleaufgebautwerden; Kopfes,zusatzlichDrehmomentsensorenindenArmgelenken,Tastsensoreninder Greifhand,SensorenambeweglichenUnterbauzurKollisionserkennungundggf. denraumlichenuberblick,winkelsensorenindengelenkendesarmesunddes einleistungsfahigesinformationsverarbeitungssystem,umdiedatenausder akustischesensoren(ohrenbzw.mikrofone)fursprachlicheanweisungen; soeinengutenuberblickuberdieumgebungunddenarbeitsraumderhande.die BeimMenschenistdieoptischeSensorikamoberenEndedesKorpersplaziert;sieliefert einedauerhafteenergieversorgung,umautonomarbeitenzukonnen. SensorikzuverarbeitenunddasVerhaltenzuerzeugen;

43 Armesindseitlichangebracht,sodasssiedieSichtaufdiemanipuliertenObjektenicht demboden,manipulationendurchfuhrensollen. orientieren,zumalsieimumfelddesmenschen,alsoz.b.auftischen,inregalenundauf verdecken.andiesemaufbauundseinenabmaensolltensichgreiffahigeserviceroboter 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 31 undnichtalleverbleibendenfreiheitsgradekonnenaktivdurchmuskelnbewegtwerden. schieden:handwurzelknochen,mittelhandknochenundfingerknochen.nachderanzahl derknochenundgelenkekonntediemenschlichehandeinigefreiheitsgrademehrhaben. TatsachlichaberschrankenBindegewebeundBanderdieBeweglichkeitderGelenkeein 3.2.1Greifhand ImSkelettdermenschlichenHand(Bild3.1)werdendreiArtenvonKnochenunter- gedrehtemhandrucken(proniertestellung;nach[358]). Bild3.1:SkelettdermenschlichenHand.DargestelltisteinrechterArmmitnachoben ReihenbildenuntereinandereinGelenkundeinweiteresmitdenKopfendenvonElle (Ulna)undSpeiche(Radius).BeidezusammenergebendasHandgelenk;Bewegungen teilensichzuetwagleichenteilenaufbeideteilgelenkeauf[358].dashandgelenkhatzwei Freiheitsgrade:Eslasstsichaufundab(dorsalebzw.volareFlexion)sowieinseitlicher Richtungbewegen(ulnarebzw.radialeFlexion).DieDrehungumdieLangsachsedes Unterarms(Pronationbzw.Supination)geschiehtnichtimHandgelenkwiebeivielen DieachtHandwurzelknochen(Carpalia)sitzenanderBasisderHand.Ihrezwei undheutigenroboternsieheauchunteninabschnitt abseite42). gangigenroboterhandgelenken,sondernimunterarmdurchverdrehenunduberkreuzen vonelleundspeichegegeneinander(siehebild3.1,zudenunterschiedenzwischenmensch geneinanderverschieben,umsichz.b.anverschiedeneobjektformenanzupassen.sie konnenaktivnurinquerrichtungzueinerrinnegeformtwerden(einfreiheitsgrad). lia)anundbildendenhandteller.diemittelhandknochendervierfingersinddurch BindegewebeundBanderrelativfestmiteinanderverbunden,konnensichaberleichtge- GroeBeweglichkeithatnurderMittelhandknochendesDaumens,derineinemSattelgelenkaufeinemHandwurzelknochenaufsitztunddemDaumendieFahigkeitzurOppositiongibt.DiesesGelenkbietetzweiFreiheitsgrade:HeranziehenundAbspreizen AndieHandwurzelknochenschlieensichdiefunfMittelhandknochen(Metacarpa- Finger V. IV. III. II. Daumen I. Fingerknochen Handwurzelknochen Elle Speiche Mittelhandknochen

44 ordnen(opposition). DaumenauszweienaufgebautistunddieanderenFingerausjedrei.DieGelenkezu 32 (Adduktionbzw.Abduktion)sowieDen-anderen-Fingern-Gegenuberstellenund-Neben- DieFingerknochen(Phalangen)schlielichbildendieeigentlichenFinger,wobeider KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD denfingerknochenhabenjeeinenfreiheitsgrad. (Segmentierung)hatfolgendeVorteile: denmittelhandknochenhabenjezweifreiheitsgrade(lateralundvolar/dorsal),wobeidie seitlichebewegungbeimdaumennurpassivmoglichist.diescharniergelenkezwischen DieGliederungderHandinFinger(Mehrngrigkeit)undderFingerinSegmente EinObjekt,dasmitdenFingerkuppengegrienwird,kanngeschicktmanipuliert DieHandunddieFingerkonnensichexibelanverschiedeneObjektgroenund-formenanpassen.WirdeinObjektmitderganzenHandgegrien,konnensosichere, werden,indemdiefeinpositionierungundfeinmanipulationdurchfingerbewegungengeschieht(vgl.bilder3.15,3.19und3.20aufdenseiten61,66bzw.67),wahrend diegrobpositionierungdurcharmbewegungenerfolgt.weildiefingerkleinersind, formschlussigegrieerzeugtwerden(vgl.bilder3.13und3.14aufdenseiten59 bzw.60). DurchUmgreifenkannderGrianeinemObjektgeandertwerden,ohneesabzusetzen. MitdenFingernkonnenkleinereKrafteundMomentedetektiertwerdenalsmitdem MitdenFingernkonnendankihrerkleinerenMassebeigeringeremEnergieaufwand konnensiebeigleicherrelativerprazisioneinehohereabsoluteprazisionerreichen. schnellerebewegungenausgefuhrtwerdenalsmitdemarm. WegenderSegmentierungistesnotig,diesichergebendenGelenkebewegenundstabilisierenzukonnen.DiesgeschiehtdurchSehnen,diegleichzeitigdieQuerkraftein Beschleunigungen. Arm,dennwegenihreskleinerenEigengewichtssindauereKrafteundMomentein RelationzuHaltekraftund-momentzurUberwindungderGewichtskraftgroerund wegenihrerkleinereneigentragheitbewirkenauerekrafteundmomentehohere tererz.b.konnensichmitihremganzenkorpergewichtaneinenfingerhangen, denknochenreduzieren4unddadurch{zusammenmitderverlagerungderfingermuskelnindenunterarm{ligranerefingererlauben,wasdiemanipulierfahigkeit erhohtundtrotzdemeinestarkekraftentfaltungzulasst[298,297].trainierteklet- inderindustriealsuniversalgreifereingesetztwird,geradezuarmlichaus(bild3.2). ImVergleichdazunehmensichdieGreifmoglichkeiteneinesBackengreifers,wieerheute Querkrafte(dieHebelwirkungwirdanjedemGelenkaufgehoben),waszueinerdeutlichgeringerenBiegebelastungderKnochenvorallemanderBasisderFingerfuhrt.DieDruckbelastungindenKnochen Kilogrammstand. 4DieSehnennehmenandenGelenkendieBiegemomenteauf.Dadurchverschwindendortdie dagegenhaltenheutigemehrngrigeroboterhandenurbelastungenvonwenigen Querkraftedagegenkaum. erhohtsichdadurchzwar,dochistdiesewenigerkritisch,weilknochendruckkraftenbesserwiderstehenalszug-oderquerkraften.auchgelenkekonnenambestendruckkrafteubertragen,zug-und

45 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 33 meter),dersichmitgutemwilleninanalogiezudenhaltegrienunddenmanipuliergrien beimmenscheninzweiunterteilenlasst(vgl.bilder3.13,3.14und3.15aufdenseiten59,60 bzw.61). Bild3.2:EinBackengreiferbietetimGrundenureinenGrityp(mitderGreiftiefealsPara- sitzenunduberlangesehnenmitdenhand-undfingerknochenverbundensind,andererseitsdurchmuskelninderhandache.andersalsdiegelenkmotorenbeirobotern wirkendiemeistenmuskelnnichtnuraufeingelenk,sondernaufmehreregelenkegleichzeitig.dashatzurfolge,dasseineganzegruppevonmuskelnaktivwerdenmuss,wenn DieHandundihreFingerwerdeneinerseitsdurchMuskelnbewegt,dieimUnterarm nureingelenkbewegtwerdensoll.auerdemwirkenmanchemuskelnnichtnuraufeinen Finger,sondernaufmehreregleichzeitig.Diese"Unspezitat\konntedenVorteilhaben, dassfureinehaugebewegungoderbewegungskomponenteimwesentlichennurein werdenmussen.dieswurdebeikleinkindoderjungtierdieanfanglichekontrolleunddas Lernenerleichtern,weilschonohneaufwendigeKoordinationerfolgreicheBewegungenerzeugtwerdenkonnten.DadurchwurdederfursLernennotwendigeErfolgsichergestellt, abseite85).genausolasstsichfurdieneuronenimruckenmarkargumentieren,die undesmusstenurnochgelerntwerden,diedurcheinenmuskelerzeugtegrundbewegungdurchgezieltesansteuernanderermuskelnzumodizieren(mehrinabschnitt3.5 oftmehreremuskelnanmehrerengelenkengleichzeitigansteuernundschondadurch koordiniertebewegungenerzeugen(mehrinanhangc.1abseite232). ist.diesemuskelnwerdenbeieinerbewegungoftgleichzeitigerregt,wasalssynergie zu,dassoftmehralseinmuskelpaarfureinenbewegungsfreiheitsgradzustandig bezeichnetwird.diegrundefurdieseredundanzimbiologischenorganismussindunklar.grundedafurkonntensein,dassmehreremuskelnkrafteinetwasunterschiedlichen RichtungenaufnehmenundsoeinGelenkbesserentlastenundstabilisierenkonnen,dass MuskelnnichtimmeruberdenganzenWinkelbereicheinesGelenkseektivsindunddie- WenigerfurdieHand,aberfurdenArmunddenBewegungsapparatallgemeintrit Muskelaktiviertzuwerdenbraucht,stattdassmehrereMuskelnmiteinanderkoordiniert serdeshalbaufmehreremuskelnaufgeteiltwirdsowiedasseinmuskeldiehauptarbeit leistetunddieanderenmodizierendefunktionhaben. bestimmtekonstruktionenauchhistorischbegrundetseinkonnten. AllerdingssinddieTierartenundderMenschdurchEvolutionentstanden,sodass derensehnenandenfingerendsegmentenansetzenunddiejeweilsaufdenganzenfingerundaufdashandgelenkstreckendwirken.einerdiesermuskelnist Vertiefung: DasStreckendervierFingergeschiehtdurchnurdreiUnterarmmuskeln,

46 34durchvieruntereinanderquerverbundeneSehnenmitallenvierFingerendsegmen- tenverbunden,wodurchdiesermuskelalleindieeinzelnenfingernichtunabhangig aufdenzeigenger,derandereaufdenkleinenfinger.derdaumenhatzwei KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD voneinanderbewegenkann.einerderbeidenanderenmuskelnwirktindividuell Streckmuskeln,vondeneneineramGrundsegmentundderandereamEndsegment Muskelbauchgibt,wodurchsichdieserrelativunabhangigvondenanderenFingern bewegenlasst.diesermuskelbeugtinallenfingergelenkenundimhandgelenk.ein viersehnenandenendsegmentenan,wobeiesfurdenzeigengerofteineneigenen muskeln.andersalsbeimstreckenisthieranjedemfingersegmenteinsehnenan- satzzundenundnichtnurandenendsegmenten.einunterarmmuskelsetztmit ansetzt.einammittelhandknochendesdaumensansetzendermuskelistfurseine weitererunterarmmuskelsetztmitviersehnenandenmittelsegmentenan.seine Abduktionzustandig. SehnenentspringenverschiedenstarkgetrenntenMuskelkopfen,wodurchsichdie DasBeugendervierFingergeschiehtdurchmehrereUnterarm-undHand- wirkenvierweiteremuskeln,diediebesonderheithaben,dasssienichtunbeweglichanknochenverankertsind,sondernandensehnenentspringen,diebeugend einzelnenfingerrelativgutindividuellbewegenlassen.derdaumenbesitzteinen eigenenunterarmmuskel,deranseinemendsegmentansetztundinallenseinen Gelenkenbeugendwirkt.DesWeiterensetzenandenGrundgelenkendervier FingersiebenkurzeHandmuskelnan,dieseitlichbewegendundbeugendwirken aufdiegrundgelenke,streckenddagegenaufdiemittel-undendgelenke.ahnlich Ab-undAdduktion,Opposition)unddeskleinenFingers(Beugen,Abduktion, Opposition)gibtesweiterevierbzw.dreiMuskelninderHandache. zudenfingerendsegmentenziehen.furdiebewegungendesdaumens(beugen, schaftendermuskelnentstehtsoeinsystem,daspassivdaselastischeverhalteneiner MuskelnwirkenuberihreSehnendirektaufdieGelenke.ZusammenmitdenEigenagonisten)gibt. dierenziertererfolgenkannalsdasstrecken(wasbeimgreifenaucherforderlich ist)unddasseszufastkeinemderfingermuskelneinendirektengegenspieler(ant- Esfalltauf,dassesmehrMuskelnzumBeugenderFingergibt,sodassdieses FederaufweistunddessenSteigkeitdurchdasErregungsniveauderMuskelneingestellt wird[anhangc.1abseite232].nurdurchausnutzendieserpassivenmechanischen EigenschaftenkanninTierentrotzderlangsamenInformationsverarbeitungeinesofort wirksameelastizitaterzieltwerden.wichtigistdieseelastizitat,umabweichungenoder jektorieninderpraxisnurmiteinergewissentoleranzvorherbestimmtwerdenkonnen undbeimkontaktmithartenobjektenkleineabweichungenschonzerstorerischhohe nurdurcheinegrobevorgabedertrajektorieundfolgenderturbewegungmithilfe AnpassungenanStorungenoderauereKraftezuermoglichen,weilPositionenundTra- derelastizitatund{beigroerenabweichungen{eineruberlagertenkraftregelungoder -begrenzungerfolgen. Zwangskrafteerzeugenkonnen.EinBeispielistdasOneneinerTur:DieTrajektoriedes durchgetriebeaufdiegelenkewirken.hochuntersetztegetriebeentkoppelndurch TurgrisistdurchdieMechanikderTurvorgegeben,undAbweichungenvondieserTrajektorieerzeugenwegenderSteigkeitderTurhoheZwangskrafte;dieseAufgabekann HeuteeingesetzteRoboterwerdenzumeistdurchElektromotorenangetrieben,die

47 ihreinnerereibungdiemotorenzueinemgroengradvonauerenstorungen.dafur DrehmomentsensorenimAbtriebderGetriebeoderDrucksensorenaufdenGreifachen IndustrierobotereinehohePrazisionwichtigistunddeshalbdiePositiondesEndeektors genaugeregeltwerdenmuss,istdieskeinnachteil.elastizitatkannhierbeiabernurdurch 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 35 inverbindungmitschnellenregelschleifenerreichtwerden,weildieinnerereibungkeine direkteruckkopplungzulasst.beiservicerobotern{wiebeitieren{istdieprazision jedochsekundar;siewirdhochstensinderendstellungerforderlich,mussdannaberdurch Regelungerreichtwerdenstattdurch"blinde\Steuerungwieindenvorherbestimmten z.b.mitelektromotoren,zuempfehlen,mitdenendaselastischeverhaltenmiteiner UmgebungenderIndustrieroboter.DahersindfurServicerobotereherDirektantriebe, haben.nimmtmanan,dasssichallefingersegmenteauerdenfingerspitzenvonringundmittelngerunabhangigvoneinanderbewegenlassen,zahltman20freiheitsgrade teilweisemiteinandergekoppeltsindundmehreremuskelnstarkuberlappendefunktion auchanalternativenwiehydraulischenoderpneumatischenantriebenundantrieben mitgedachtnismetallengearbeitet(zurpneumatikz.b.[139]). einfacherenregelungalsbeigetriebeantriebenerreichbarist.inderforschungwird (bei27muskelnund25freiheitsgradenimskelett).hinzukommenneunfreiheitsgradefurdenarm(funffurdieschulter{translationauf/abundvor/zurucksowiedregrenzen,weildiemeistenmuskelnaufmehreregelenkegleichzeitigwirken,ihresehnen DieFreiheitsgradedermenschlichenHandlassensichschwervoneinanderab- einemfeststehendenobjekt). natensystemfurvisuellereprasentation)oderbiszudenfuen(kinematischekettezu dashandgelenk),ergibtalsoinsgesamt29freiheitsgrade.nochmehrfreiheitsgrade ergebensich,wenndiekinematischeketteverlangertwirdbiszudenaugen(koordi- Drehungen{,einerfurdenEllbogen,einerfurdieDrehungimUnterarmundzweifur polsternunterlegt.dadurchentstehteineweiche,viskoelastischeoberache,die miteinerdickenhautuberzogen,diemitbindegewebsfasernamskelettverankertist, umsiegegenverrutschenzusichern.diehautistmiteinerfettschichtundmitfett- sichbeimgreifenandieobjektformanpasstundsozuachigenkontaktenfuhrt.die FingerspitzensindauenmitleichtgewolbtenFingernagelnausgestattet,diedieauf derinnenseiteliegendengreifpolster(fingerkuppen)abstutzen.wahrendsichuber DiegesamteHandinnenachedesMenschenistalsGreifacheanzusehen.Sieist Kanten,hatFormschlusszurFolge,waseinWegrutschendesObjekteserschwertund tragenwird.dieanpassungandieobjektform,vorallembeimgreifenaufeckenoder Punktkontakte,diesichimAllgemeinenbeihartenOberachenergeben5,nurNormal- geringereandruckkraftezulasst.verformbaregreifachenerlaubenzudemeinegroere schwingterunweigerlichnachunten,wennandengreifkontaktenkeindrehmomentuberodertangentialkrafteubertragenlassen,konnenbeiflachenkontaktenauchdrehmomenteubertragenwerden.dieskanndiestabilitateinesgrieserheblicherhohen: ToleranzbeimZugreifen.ZumBeispielpassensichdieFingerkuppenderForman,wenn einwurfeldiagonalanseinenkantengegrienwird,undverhinderndadurch,dassder Wennz.B.einlanglicherGegenstandmitzweiFingernaneinemEndegegrienwird, moglich. 5Linien-odergarFlachenkontaktesindnurinAusnahmefallenbeiFormahnlichkeitbzw.-gleichheit

48 36 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD WurfelfalltausdemGri,sobalddurchdasangreifendeDrehmomentdieReibunganden Kontaktstellenuberwundenwird.InderMittemitweichenGreifachen:DieFormanpassung erschwertes,denwurfelausdemgrizudrehen.rechts:mitweichengreifachenkannder Bild3.3:GreifeneinesWurfelsmiteinemBackengreifer.LinksmithartenGreifachen:Der WurfelsogarineineetwasgedrehtePositiongebrachtwerden,wasmithartenGreifachen umoglichware. desgrisdeutlicherhoht. Normalkrafte,dieandenFlankenderKantenangreifen.DadurchwirddieStabilitat semfall,dassdiegegenkraftezumdrehmomentnichtnurwiebeihartengreifachen durchtangentialehaftreibungskrafteaufgebrachtwerdenkonnen,sondernauchdurch WurfelebensoleichtausdemGrigedrehtwerdenkann,wieesbeieinemBackengreifermithartenOberachenderFallist(Bild3.3).DieFormanpassungbewirktindie- mitdererforderlichgeringentoleranzgetroenwerden.dietoleranzistdurchdiegroerenkontaktachenderweichenfingerkuppenerheblichgroer,sodassandiealgorithmenundandiehardwarenichtsohoheprazisionsanforderungenzustellensind.das ermoglicht,ungenauereunddafurschnellerealgorithmenzuverwendenoderregelungsvorgangefruherabzubrechen. BeihartenGreifachenmussendieFingergenauplaziertwerden,damitdieGripunkte GleichzeitigerlaubenweicheFingerkuppeneinegeringerePrazisionbeimZugreifen: objekteingeleitetwerdenundsoinihmwenigerspannungenerzeugen;gleichzeitigwird dasobjektnichtnurdurchreibungskrafte,sondernauchdurchformschlussgehalten, weshalbgeringerenormalkraftenotwendigsind.diesistvorteilhaftbeiempndlichen Objekten,z.B.rohenEiern. EinweitererEektist,dassdieGreifkrafteaufeinergroerenFlacheindasGreif- stulpesichfingerhuteuberdiefingerspitzenundversuche,gewohnlichegegenstandezu Selbstexperimenterfahrenwerden[vorgeschlagenvonHelgeRitter,Bielefeld]:Man greifen.manbemerkt,dasszumeinenwegendergeringerenreibungfesterzugegrien werdenmuss.zumanderenmussendiefingerpraziserplaziertwerden:eskommen jetztnurnochpunkt-oderlinien-,aberkeineflachenkontaktemehrzustande.deshalb konnennurnochschlechtdrehmomenteubertragenwerden,sodassdieobjektenahan WiestarkdiebeschriebenenEektedasGreifenvereinfachen,kannineinemeinfachen diegegenuberliegendenpunktegenaugetroenwerden,damitdasobjektnichtausdem Grirutscht.NichtparalleleFlachen(z.B.beieinemKegel)konnenwegendergeringen ihremschwerpunktgegrienwerdenmussen,damitsienachdemzugreifennichtkippen. WeiterhinkonnensichdieGreifachennichtmehrandieObjektformanpassen.InsbesonderebeigewolbtenOberachen(z.B.beiKugelnundZylindern)mussendemnach

49 GreifhandemitweichenGreifoberachenzufordernstattderheuteublichenharten. Reibungkaumnochgegrienwerden. 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS AusdiesenErkenntnissenheraussindfurgreiffahigeServiceroboteraufjedenFall Vertiefung: 37 standhaltenkonnen,ohnedassdieobjektebisaufdieunterlagedurchstoenund Eindrucktiefemussensieaberfesterwerden,damitsieauchgroenNormalkraften dortggf.beschadigtwerden.tangentialzuroberachesolltendieweichenfingerkuppenabermoglichststarrsein,damitdasgreifobjektdurchauerekrafte vorteilhaft,wennsieanisotropemechanischeeigenschaftenhatten:normal siesichschnellandieformdesgreifobjektsanpassenkonnen.abeinergewissen zuroberachesolltensieschonbeikleinenkraftensehrnachgiebigsein,damit FurdenEinsatzderweichenFingerkuppenbeiServiceroboterwareessicher nerelastischenunterlageaufgebrachtwird.gegentangentialeverformungkonnte dieblasedurcheinevernetztestruktur,evtl.gekoppeltmiteinerunterteilungihres InnenraumsinkleineKammern,versteiftwerden.BeidieserKonstruktionwurde nichtmitdengreifpolsternhin-undherbewegtwerdenkann.diekonstruktion konntesoaussehen,dasseinemitgelodereinerflussigkeitgefullteblaseuberei- dieblasedieformanpassungbeikleinennormalkraftenleistenunddieelastische konnen(vgl.bild3.18,p1{3,seite65). Griache"verhakt\.DieserEektwirdbeimMenschendurchdieHautleisten UnterlagediehohenNormalkrafteaufnehmen. informeinesviertelellipsoids,damitauchkleineobjekteaufgenommenwerden zusatzlicheinemikroskopischeanpassungandieunebenheitendesobjektsstatt,so dassauchdorteineartformschlussentstehtundsichdiegreifachequasimitder verstarkt,diedergreifhauteinwellenartigesprolgeben(dieseswirdimfingerabdrucksichtbar).auerdemsitzenaufdenerhebungenderhautleistenzahlreiche NebendermakroskopischenFormanpassungndetbeiweichenGreifachen DieKuppensolltenvorne,ahnlichwiebeimMenschen,rundzulaufen,etwa taktacheerhoht. keitslmsorgen.dadurchwirddiehaftreibungsogro,dassselbstkegelformige Objektenochgutgegrienwerdenkonnen,wasmitglattenodertrockenenGreifpolsternnichtmoglichware(Bild3.4).DieWirkungdesadhasivenFeuchtigkeitslms PorenvonSchweidrusen,diefureinenadhasiven,reibungssteigerndenFeuchtig- wirddurchdiedankmikro-wiemakroskopischerformanpassungvergroertenkon- GrenzevonderHaftreibungzurGleitreibungderUbergangnichtschlagartigerfolgt,sonderndasszunachsteinzelneHautleistenihrenHaltverlierenundeinStuck wirdvontastrezeptorenweitergemeldet,sodassaufdiesegrenzsituationreagiert werdenkann.auerdemsteigertdaswellenartigeprolanunebenheitendiemechanischenspannungenimdarunterliegendengewebe,sodassdieempndlichkeit dertastrezeptorenerhohtwird[146]. DaswellenartigeProlderHautleistengewahrleistetzudem,dassander weitnachgeben[146].diesesruckenodervibrieren(microslips,"mikrorutschen\) VerformungoderDehnungderHaut,habenunterschiedlicheAntwortcharakteristiken{ mitvierverschiedenenartenvontastsensoren(biologisch:-rezeptoren)besetzt{etwa 17000proHand.SiesitzenunterschiedlichtiefinderHaut,reagierenunterschiedlichauf NebenSchmerz-,Warme-undFeuchtigkeitssensorenistdieHautdesMenschendicht

50 38 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD dicht{amdichtestenaufdenfingerkuppen.dertastsinndesmenschenistsoempndlich,dassaufeinerebenenflacheeineinzigererhohterpunktmit3mhoheoderein FeuchtigkeitslmsorgendenSchweidrusenistdieHaftreibungdafurgrogenug. transientodertransient-proportional{undunterschiedlichgroerezeptivefelder.deren kleinstensind3{8mm2grounduberspannen4{10hautleisten;siesitzenunterschiedlich Bild3.4:GreifeneinesKegels:DankderprolbildendenHautleistenundderfureinenstandigen Musteraus0,3mhohenPunktengespurtwerdenkann[146]. OberacheneinesServiceroboter-Greifersbenotigt,danursieunmittelbareundzuverlassigeInformationenuberdasZustandekommendesGreifkontaktesundseineQualitat geben.beruhrungsfreiesensorsystemewievideokamerasoderlaserentfernungsmesser gentechnischenstandauchkauminansatzenliefern(sieheauchabschnitt ab Seite117). oderahnlicheskonnendieseinformationenprinzipiellnichtvollstandigundbeimheuti- TastsensorenwerdenunbedingtandenGreifachenundauchandenanderen nurdortinformationenuberdiegriqualitatgewonnenwerdenmussen(ggf.auchnoch aufdenauenseiten,wennobjektemitonungendurchauseinanderdruckenderfinger gegrienwerdensollen,wiez.b.beieinertassemitgrin3inbild3.20aufseite67). ZurBestimmungderGriqualitatmussenFlachenkontaktevonPunkt-oderLinienkontakten(beiBeruhrungmiteinerEckebzw.Kante)unterschiedenwerdenkonnen.Im AllgemeinenwirdeinPunktkontaktbiszu22Taxel6,einLinienkontaktinderBreite EinehoheAuflosungderTastsensorenwirdnuraufdenGreifachenbenotigt,weil biszu2taxeluberdecken.dieauflosungmussalsosohochsein,dasseinflachenkontaktmitdenkleinstenzugreifendenobjektendavonzuunterscheidenist,alsomindestens 33Taxeluberdeckt.DieseAbschatzunggiltabernurfurharteGreifachen[vgl.Abschnitt5.2.3abSeite139].BeiweichenGreifbelagenkommteswegenderAnpassung KantenvonKontaktenmitFlachendannnurdurchdieunterschiedlichenSpannungenim Greifbelagunterschiedenwerden:AneinerEckeoderKantewerdenbesondershoheTangentialspannungenerzeugt,diedurchgeeigneteSensorendetektiertwerdenmussen.Die ProblemebeiderVerwendungvonTastsensorenmitweichenGreifbelagensindallerdings andieobjektformimmerzuflachenkontakten.dortkonnenkontaktemiteckenoder nichtzuverwechselnmittexelfurtexturelement(textureelement). nochbeiweitemnichtgelost.eineweitereschwierigkeitist,dassdietastsensorenauf 6Tastpunkt(tactileelement){neueWortschopfunganalogzuPixelfurBildpunkt(pictureelement),

51 sichihreempndlichkeitundauflosungwegenderdruckverteilungstarkverringern)und oderinundnichtunterdenelastischenbelagenangebrachtwerdenmussen(sonstwurde deshalbselbsthochelastischseinmussen.diebisherverfugbarentastsensorensindaber starrundunelastisch;anelastischentastsensorenwirdjedochgeforscht[abschnitt2.2ab 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 39 Systemen. undarmndensichinderliteratur[169,225,4,291,212,170,297,358,392,322]. Seite12]. indengelenken,sehnenundmuskeln(sieheanhangc.1abseite232).dieseentsprecheninetwadenwinkelgebern,drehmomentsensorenbzw.strommessernintechnischen WeitereDetailsuberAnatomie,funktionelleAnatomieundBiomechanikvonHand ZusatzlichzudenRezeptoreninderHautgibtesbeiMenschundTierRezeptoren GelenkparameterraumQ,aufgespanntdurchdieverschiedenenGelenkwinkel.DerStellungsraumistfurdenallgemeinenFalldesdreidimensionalenRaumessechsdimensional Beziehung (dreifreiheitsgradefurdiepositiondesendeektorsunddreifurseineorientierung).in derpraxishatjedergelenkparametereinengultigkeits-oderarbeitsbereich,derdurchaus vondenanderengelenkparameternabhangenkann.insgesamtergibtdiesimgelenkpa- ZK!Q (3.1) DieKinematikKeinesArmes(oderallgemeinereinerkinematischenKette)erzeugteine zwischendemstellungsraumzdergreifhand(allgemeinereinesendeektors)unddem 3.2.2Armkinematik durchdiekinematikaufdenstellungsarbeitsraumzaalsgultigkeitsbereichimstellungsraumzabgebildetwird(undumgekehrt).ublicherweisewirdalsarbeitsraumrameterraumqeinengultigkeitsbereichodergelenkparameterarbeitsraumqa,der derbereichimdreidimensionalenraumverstanden,dessenpositionenderendeektor dergelenkparameterindenstellungsraumwirdalsvorwartskinematikkv(forward kinematics,directkinematics)bezeichnet,dieumkehrung diesmoglichist. uberhaupterreichenkann,unabhangigdavon,inwelcherorientierungdesendeektors DieAbbildung QKv ZKi 7!Z 7!Q (3.3) (3.2) vomstellungsraumaufdiegelenkparameteralsinversekinematikki(inversekinematics,armsolution).dievorwartskinematikisteindeutig;dieinversekinematikist inderregelmehrdeutigundhateinediskreteoderkontinuierlichelosungsmenge.fur einenspeziellenpunktzimstellungsraumzistdielosungder(inversen)kinematikder LosungsraumL,einTeil-oderUnterraumvonQ,furdengilt: zk!l: (3.4)

52 40 OensichtlichwerdenmindestenssechsFreiheitsgrade,z.B.sechseinachsigeGelenke,in entierungswinkelunabhangigvoneinandereinstellenzukonnen.ausdiesemgrundhaben diekinematikenheutigeruniversal-industrieroboterinderregelgenaudieminimalerforderlichensechsfreiheitsgrade(bild3.5)[109].dielosungsmengebestehtdannaus einemarmbenotigt,ummitdemendeektordiedreiraumkoordinatenunddiedreiori- KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD einemodermehrerendiskretenlosungspunkten(derlosungsraumistnulldimensional), wennzimarbeitsraumliegt. Bild3.5:TypischeKinematikeinesIndustrieroboters(hiereinPUMA-RobotermitderBelgrad- USC-Hand). BeineunddesOberkorpersundbeiManipuliergriendiederFinger.DamithatdiekinematischeKettevomObjektuberBoden,KorperundArmbisindieFingerspitzemituber 20Freiheitsgraden7einedeutlicheRedundanzgegenuberdenmindestenssechsnotigen Freiheitsgraden.Die"uberschussigen\FreiheitsgrademachenausdembeiRoboternmit Redundanz DermenschlicheArmhatsiebenFreiheitsgrade(dreiinderSchulter,einenimEllbogen,einenimUnterarmundzweiimHandgelenk).HinzukommendieFreiheitsgradedebelsaule!),siebenimArmunddreiimFinger.HinzukommenmindestensdreiFreiheitsgrade,wenn Achse{ohneHinlegenoderBenutzenvonSteighilfenwieStuhloderLeiter). sechsfreiheitsgradeneindeutigbestimmten(odermitwenigendiskretenlosungsmoglichkeitenversehenen)problemderinversenkinematikeinunterbestimmtesproblemmit einestandortveranderungzugelassenwird(zweidimensionaletranslationplusrotationumdievertikale 7Mindestabschatzung:siebenFreiheitsgradeinBeinundFu,mehralsdreiimOberkorper(Wir-

53 umdasgleichgewichtzuhalten[174]). doch,dassdermenschdiezusatzlichenfreiheitsgrade,vorallemdesoberkorpers,nutzt, einemhochdimensionalenkontinuierlichenlosungsraum.zuberucksichtigenistdabeije- 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS DerNachteilderhoherenKomplexitatdermenschlichenKinematikhatjedochals 41 keinegultigelosungmehrmoglich;dielosungensinddanndurchhindernisseblockiert. VorteileinegroereFlexibilitatzurFolge:EinArmmitnursechsFreiheitsgradenund nureineroderwenigendiskretenlosungenkannmithoherwahrscheinlichkeitnichtmehr (vgl.auch[145]).hindernisbereichehimarbeitsraumkonnenmithilfederkinematik QH.WenndiewenigenLosungenfurdieinverseKinematikindiesenZonenliegen,ist eingesetztwerden,wennseinarbeitsraumanichtfreiist,sondernhindernisseenthalt indengelenkparameterraumqabgebildetwerdenunderzeugendort"verbotenezonen\ stehtdanneinmehrdimensionalerkontinuierlicherlosungsraumzurverfugung;jemehr DimensionenderLosungsraumhat,destokleineristdieWahrscheinlichkeit,dassdurch Zonenliegen,dieTrajektoriendorthinaberdurchdieseZonenfuhren,esalsokeinekollisionsfreihenTrajektorienmehrzudenLosungengibt;dieWegezudenLosungensinddann Auerdemkannesvorkommen,dassdieLosungenselbstzwarnichtindenverbotenen durchhindernisseblockiert.dieseproblemekonnendurchzusatzlichefreiheitsgrade, wiesiedermenschlichearmundseinoberkorperbieten,zumteilgelostwerden.es diezugreifrichtung),durchdiediezugreiftrajektoriefuhrenmuss.diegroeder"verbo- HindernisseLosungenoderTrajektorienvollstandigblockiertwerden. tenenzone\istabhangigvomhub,derfurdiezugreiftrajektorienotigist.derhubwie- derumistandielangederfingerundihrenonungswinkelgebunden.istdiebaulange dergreifhandgro,sokanndiesdenbereichdesarbeitsraums,indemgrieaufein ObjektausallenRichtungenmoglichsind,sogarverschwindenlassen,wiesichinSimula- weitauseinanderliegendestellungengebrachtwerdenmuss.dankdersehrkurzenbauformdesmenschlichenhandgelenksunddersichweitonendenfingerkanneinobjekt ineinemgroenbereichdesarbeitsraumessowohlvonvornalsauchvonhintengegrien aufkleinemraum.auerdemlassensichwegendergeringentragheitderfingerleicht werden. beimmenschenbietetzusatzlichdenvorteil,mehrere,verschiedengroearbeitsraume derhandeignetsichgutzummanipulierenvonkleinenobjektenundzurmanipulation schnellebewegungenerzeugen[vgl.vorteiledermehrngrigkeitundsegmentierungin Abschnitt3.2.1aufabSeite32].DassdieFingerabernichtnurineinemkleinenRaum- hierarchischverkoppelnzukonnen:derrelativkleinearbeitsraumderfingeran EinekinematischeKettemitvielenzusatzlichen"redundanten\Freiheitsgradenwie GrisaneinemObjektauseinerbestimmtenRichtungzugegrienwerdenmuss.AuerdemstelltdasObjektselbstingewisserWeiseeinHindernisdar,daHandundArmmit ihmwahrenddeszugreifensnichtkollidierendurfen.dieszusammengenommenerzeugt EineweitereEinschrankungdesLosungsraumsruhrtdaher,dasszumErzeugendes umdasobjektherumeine"verbotenezone\miteinertrichterformigenaussparung(fur tionenmitderbelgrad-usc-handunddempuma-roboterherausgestellthat(vgl.bild 3.5).DerGrundliegtdarin,dassderEndeektorfurdieverschiedenenRichtungeninsehr undfingeranihreneinsatzortbringt.dereinsatzbereichderhandwiederumwirddadurchvergroert,dassdurchdiebeineunddenoberkorperderarbeitsraumdesarmebereicheingesetztwerdenkonnen,bewirktdergroerearbeitsraumdesarmes,derhand

54 42 verlagertwerdenkann,z.b.beimbuckenzumbodenoderbeimstreckenzurdecke.der ArbeitsraumderBeineunddesOberkorperswiederumkanndurchStandortverlagerung verschobenwerden(navigation).mitdieserhierarchischenanordnungderarbeitsraume istzugleicheinezerlegunggegeben(faktorisierung),mitderdasproblemderinversen Kinematikgelostwerdenkann["AlternativerAnsatz\inAbschnitt7.3abSeite187].8 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD raumbeizugleichgroerkraftentfaltungsowieeineschnelleundgleichzeitigprazisema- nipulationzufordern.diebeschriebeneunterteilungderkinematischenketteineine halbistsieauchfurgreiffahigeserviceroboternotig.beiheutigenforschungssystemen HierarchievonTeilkettenmitverschiedengroenArbeitsraumenstellteinenguten Kompromissdar,umdiesesicheigentlichwidersprechendenForderungenzuerfullen.Des- istsiedurchbeweglichefinger(vorallembeidendlr-handen),verschiedeneroboterarme,einenabklappbarenoberkorper(serviceroboterhermes)undverschiedene NavigationsplattformeninmehrerenSystemeninAnsatzenrealisiert,abernochnichtin einemsystemintegriertundadaquatgenutzt[abschnitt2.2abseite12]. Beinemiteingesetzt.WegendergroerenbewegtenMassenlaufenletztereBewegungen naturgemalangsamerab. ellensystem:schnelleblickrichtungsanderungenkleineramplitudewerdenausschlielich mitdenaugenausgefuhrt.beigroerenamplitudenwirdderkopfmiteinbezogen(vgl. Abschnitt3.3.1aufSeite51),undbeisehrgroenAmplitudenwerdenOberkorperund BeimMenschenundbeiTierengibtesdieHierarchiederArbeitsraumeauchbeimvisu- GenerellistfureinuniverselleinsetzbaresManipulationssystemeingroerArbeits Singularitaten densingularitatenkannderendeektorinbestimmtenraumrichtungenimprinzipnur DurchdieAnordnungderGelenkeeinesArmswirdseineKinematikfestgelegt.Diese bestimmtauch,inwelchengelenkstellungensogenanntesingularitatenauftreten.in durchunendlichschnellegelenkbewegungenmitendlichergeschwindigkeitbewegtwerden,d.h.dieentsprechendenableitungenindermanipulator-jacobi-matrixverschwinden [109].DasistbeimMenschenz.B.derFallfurdieBewegungderHandinRichtungzum Korper,wennderArmganzgestrecktist.DieseSingularitatliegtjedochamRanddes ArbeitsraumsundspieltdaherkeinegroeRolle.StorendersindSingularitatenmitten auseinerfolgevondreigelenken;daserstebewirkteinedrehungumdielangsachsedes Unterarms,daszweite,einScharniergelenk,eineDrehungumeinedazusenkrechteAchse imarbeitsraum(vgl.auch[145]).einesolchewirddurcheinetypischekonstruktionder HandgelenkevielerheutigerIndustrierobotererzeugt(Bild3.6):DasHandgelenkbesteht schieden.ersterebestimmendiepositiondesendeektors,letztereseineorientierung(vgl.bild3.5). unddasdrittewiederumeinedrehungumdielangsachsederhand.istdasmittleregelenkingestreckterstellung,dannhabendasersteunddrittegelenkdiegleichewirkung; DiesstellteineahnlicheZerlegungdarwiedieinverschiedeneArbeitsraume;diegegenseitigeBeeinussungistauchgegeben. derteilzwischendemerstenunddemdrittengelenkkanndannfreibewegtwerden, ohnedassdieseinebewegungamendeektorerzeugt.solldashandgelenknunineine Richtungabgeknicktwerden,dienichtderaktuellenStellungdesmittlerenGelenkesent- 8BeiIndustrieroboternwerdendieBewegungsachsennach"Hauptachsen\und"Nebenachsen\unter-

55 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 43 Bild3.6:TypischeKonstruktioneinesRoboterhandgelenks(hieramBeispieleinesPUMA- Roboters). spricht,dannmussdieseerstindierichtigerichtunggedrehtwerden.diesesingularitat istbeimmenschlichenhandgelenkdurcheineanderekinematikvermieden.9weiterhin falltauf,dassdiearbeitsbereichedergelenkesobegrenztsind,dassdiesingularitaten derkinematikdesmenschlichenarmesjeweilsandengrenzenderarbeitsbereicheder GelenkeunddamitamRanddesArbeitsraumsliegen:DermenschlicheArmistsokonstruiert,dassmittenimArbeitsraumkeineSingularitatenauftreten.Einealgorithmische SonderbehandlungsolcherFalleistdahernichtnotig.AuchfurServiceroboteristdies zurvereinfachungderarmsteuerungzuempfehlen Fehlertoleranz NichtzuletztistderKorperdesMenschenundderTierefehlertolerant,d.h.robust gegenkleineundmittlerekollisionen.allekomponenten,injungenjahrenauchdie Knochen,besitzeneinhohesMaanFlexibilitatunddamitanFehlertoleranz.Haut, FettpolsterundMuskelnfangenauereStoeabundschutzenzugleichdiemanipulierten 3.2.3VisuellesSystem UmsichinseinerUmgebungzuorientierenundGreifobjektezunden,ist{obMensch ObjektevorBeschadigung. oderserviceroboter{einesensoriknotig,dieineinemgroenraumbereichdatenmit einerhohenauflosungliefert.beimenschundaeistdiesdasvisuellesystem.es bestehtausdenaugenalseingangssystem,indemauchdieerstenverarbeitungsstufen liegen,demkopf,derdieaugenbeherbergtundimgroenbewegt,sowieverschiedenen ZentrenimGehirn,dieanderweiterenInformationsverarbeitungbeteiligtsind[Anhang C.2abSeite244]. 9MittlerweilegibtesaucheineRoboterhandgelenkskonstruktion,diedieseSingularitatvermeidet[53].

56 44 deskleinstenzumanipulierendenobjektsunddermaximalenentfernung,inderdieses nocherkanntwerdensoll.umahnlichefahigkeiten,wiedermenschsiebesitzt,zuerreichen,wirdhierfureinenserviceroboteralsanspruchsvollsteaufgabedaseinfadelneines DiefurdasSystemmindestensnotigeAuflosungergibtsichausdenDimensionen KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD FadensindasOhreinerNahnadelangenommen.DazusollteeineAuflosungvonetwa 0,1mm(Fadendicke)in500mmEntfernungzurVerfugungstehen,waseinerAuflosung von4000(bogensekunden)entspricht.ummitdieserauflosungdengesamtenraumwinkel (Vollkugel)abzudecken,warenetwa314MillionenSensorennotig.DiesisttechnischwedermachbarnochwegendersichergebendenDatenutsinnvollund{wieeinBlickindie Biologiezeigt{auchnichtnotig:ImmenschlichenAugehatnurderzentraleBereich,die Fovea(Sehgrube),ubereinenWinkelvonwenigenGradeinesehrhoheAuflosung.Inder Auflosung20{2400.InderPeripherieistsiedeutlichniedriger,weildieRezeptorennicht Foveola,demZentrumderFoveamitetwa200(Bogenminuten)Durchmesser,betragtdie siegenutzt,umeinenuberblickuberdieumgebungzuerhaltenunddieaufmerksamkeit nurgroeredurchmesserhaben,sondernzusatzlichzurelativgroenrezeptivenfeldern aufveranderungenoderherausragendemerkmalezulenken.dazusinddieaugenindrei Nervenfasernreduziert,diedasAugeverlassen.ImErgebnishatdiePeripherieeinesogeringeeektiveAuflosung,dasssiesichkaumzurObjekterkennungeignet.Vielmehrwird dieinformationausdenuber200millionenrezeptoreneinesauges,dieeinenonungswinkelvonhorizontaletwa180undvertikaluber90abdecken,aufetwaeinemillion zusammengefasstsind[174,123].dadurchunddurchdieerstenverarbeitungsstufenwird eingesetzt;erbietetfreiheitsgradezumschwenken,neigenundrollen.dasbedeutet, FreiheitsgradenbeweglichaufgehangtundwerdenmitihrenFoveasaufdeninteressierendenPunktausgerichtet[174].DieserVorgangheitFixation;dieBewegungderAugen dassauchhiereinehierarchievonarbeitsraumenverschiedenergroerealisiertist(vgl. Abschnitt abSeite40). derumgebung.beiblickbewegungenmiteinergroerenamplitudewirdderkopfmit folgtdabeieinerkoordiniertenschwenk-,nick-undvergenzbewegung10(pan,tilt bzw.vergence)sowieeinerrollbewegung11(roll).unbewusstundschnellhintereinanderausgefuhrteblickbewegungen(sakkaden)dienenzurabtastungvonobjektenunkenundneigen;einigeaucheinenweiterenfurdievergenz.dievergenzbewegungwird Vorteile: eigentlicherstnotig,wennkamerasmitnichtkonstanterauflosung,d.h.einerfovea, verwendetwerden;ihrergebnis,diefixation,empehltsichjedochwegenfolgender HeutigeStereokamerakopfebieteninallerRegeldiebeidenFreiheitsgradezumSchwen- DieObjekterkennungunddieBestimmungderObjektorientierungwerdendeutlich einfacher,weildievonderbildpositionabhangigenverzerrungenentfallen:das 10"Schielende\Bewegung. ObjektistvondenEinzelkamerasgleichweitenfernt,wodurchdieObjektabbilder 11DrehungumdieoptischeAchse. NichtlinearitatenderKameraoptik(z.B.Kissen-undTrapezverzerrung)sindinder gleichgrowerden,dieperspektivischenverzerrungenundverkippungenwerden Trapezoid,eineKugelalsEllipseabgebildet),etwaigeandereVerzeichnungendurch MitteebenfallsschwacheralsinderPeripherie. reduziert(vgl.bild3.7obenundunten{einrechteckwirdinderperipherieals

57 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 45 Bild3.7:BilderauseinerStereokamera(SimulationdesamInstitutentwickeltenServiceroboters,vgl.Abschnitt8.1abSeite189).DargestelltisteinQuader,deraufeinemTischsteht. DieBildersinduberKreuzangeordnet,d.h.daslinkeKamerabildistrechtsgezeigtundumgekehrt(weildieBasisbreitedersimuliertenStereokamerajedochwesentlichgroeristalsder AugenabstanddesMenschen,lassensichdieBildernichtstereoskopischfusionieren).Oben: FixationderTischmitte.Unten:FixationdesObjekts.Manbeachte,dassdieperspektivische Verzerrung(hierdieVerkippungdesObjekts)durchdieFixationreduziertwird. DieBestimmungderObjektpositionwirdeinfacher,weildieAbhangigkeitvon DieStereobildverarbeitungwirdeinfacher,weildiehorizontaleundvorallemdiever- derbildpositionentfalltundnurdieeinstellungderparameterdeskamerakopfes berucksichtigtwerdenmuss. jeweiterdasobjektamranddesblickfeldesliegtundjenaheresanderkameraist. DieaufgefuhrtenEektesindumsogroer,jegroerdieBasisbreitederStereokameraist, zureinstellungderrollwinkeldereinzelkameras,zurverfugungsteht:inbild3.7unten DieBildverarbeitungwirdnochmehrerleichtert,wennnocheinweitererFreiheitsgrad, diestereobildverarbeitung. tikaledisparitatderobjektabbilderreduziert(bild3.7oben)undderstereouber- lappungsbereichmaximiertwird;eserfolgtquasieinearbeitspunkteinstellungfur (Seite45)falltauf,dassdieObjektabbildertrotzFixationeineunterschiedlicheNeigung habenundetwasnachaueninderbildebenegedrehterscheinen.diesereektruhrtvon

58 46 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD Bild3.8:WieBild3.7(Seite45),abermitRektikation,d.h.mitkorrigierenderDrehungum diebildmittelpunkteahnlichwiebeimmenschen. derkinematikdesverwendetenkamerakopfesher,beidemdieebene,inderdievergenz stattndet,mitgeneigtwird(vgl.bild4.4,seite104),d.h.diekamerasbewegensich ineinemkoordinatensystemnachhelmholtz[362].diesekinematikentsprichtderdes menschlichensehsystems,nurdassbeimmenschendieaugennochzusatzlichumihre Sehachsekippenkonnen,wodurchdieseunterschiedlicheNeigungkompensiertwerden AnhangA.2abSeite218]. kann,wieinbild3.8dargestellt.12inderstereobildverarbeitungheitdiesekompensationauchrektikation[95][zurberechnungsiehegleichung4.5aufseite118und groendisparitatenzunden,istrechentechnischsehraufwendig.diesmagdergrundsein,warumbeim ist,wiedervergleichvonbild3.8obenmitbild3.7oben(seite45)zeigt.diekorrespondenzenbei menschlichenaugeeinerseitsdurchdiepupillenonungundandererseitsindernetzhaut selbstdurchlokaleeinstellungdesarbeitspunktessowiedurchverwendungvonzwei verschiedenenrezeptortypen.derbeitragderpupillespieltdabei,andersalsdieblende 12AllerdingswirddadurchindiesemFalldievertikaleDisparitatgroer,wenndasObjektnichtxiert DieHell-Dunkel-AdaptionubereinenLichtstarkebereichvon1:106geschiehtim Menschennurineinemzentralen,perspektivischwenigverzerrtenBereichvonwenigenGraddasBildmit vollerauflosungweiterverarbeitetwird,wahrendinderperipheriezahlreichesinneszellenzugroeren rezeptivenfeldernmit3{5graddurchmesserzusammengefasstwerdenunddadurchdieauflosungdort deutlichgeringerist[174].diesezusammenhangesindeineweiteremotivationfurdiefixation.

59 beikameras,einegeringerolle;sieschatnureinenfaktorvon1:16,bietetabereine hochist;erstbeidunkelheitonetsiesichweiter.diebeidenrezeptortypen,diesehr schnelleanpassung.meististdiepupillerelativweitgeschlossen,damitnurderwenig verzerrendezentralebereichderlinsedurchleuchtetwirdunddietiefenscharfemoglichst 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 47 lichtempndlichenstabchen(vorwiegendinderperipherie)unddiewenigerempndlichen (imzentrumkonzentrierten)zapfchen,sindjeweilsfureinehelligkeitsanpassunguber etwadreigroenordnungenzustandig. NurimZentrumderNetzhautbleibtdieAuflosungderRezeptorenerhalten.Deshalb InformationsmengewirddurchdieerstenVorverarbeitungsstufeninderNetzhaut,inder mengefasstsind,soreduziert,dassetwaeinemillionnervenfaserndasaugeverlassen. voralleminderperipherievielerezeptorenzurelativgroenrezeptivenfeldernzusam- Empndlichkeitimroten,grunenundblauenSpektralbereichgibt. DasAugeenthaltetwa10MillionenZapfchenund200MillionenStabchen.Diese DasFarbensehenerfolgtdurchdieZapfchen,vondeneneswelchemitmaximaler istessehrschwierig,dieeektivezahlderbildpunkteabzuschatzen.mitheutigenkamerasystemenwirddieleistungderbiologischenvorbilderjedochamweitestgehenden vonallenfursgreifenwichtigensensorsystemenerreicht;inzwischengiltdiesauchfurdie Dynamikbzgl.derLichtintensitat[337]. AugevonMenschundTier:UltraschalldurchdringtdurchsichtigeKorper,z.B.ausGlas, Abtaster,UltraschalloderstrukturiertesLichtverwendetwerden.Dieseaktiven VerfahrenhabengegenuberdenpassivenVideokamerasjedochdenNachteil,dassInterferenzenmoglichsind,wennmehrereServiceroboteramgleichenOrtgleichzeitigdas gleicheverfahrenanwenden.einweiterernachteildieserverfahrenist,dasssieprinzipiell nichtdiegleichewahrnehmungliefernkonnen,wiediepassiveaufnahmedeslichtsim StattVideokameraseinzusetzen,konnenaberauchandereVerfahrenwieLasernichtundkannschallschluckendeMaterialien,z.B.Schaumsto,nichtdetektieren;Laser- AbtasterundstrukturiertesLichtversagenbeischwarzenoderdurchsichtigenObjekten undggf.auchinhellenumgebungen.ihrvorteilist,dasssietiefeninformationrelativ nisse.besondereproblemebereitenz.b.sichveranderndelichtverhaltnisse,sowohlwas direktundzuverlassigliefernkonnen,weshalbsieindertechnikauchhaugeingesetzt diebeleuchtungsintensitatund-richtungalsauchdiefarbtemperaturangeht.auchistdie liefertkeinefurdenallgemeineneinsatzvonserviceroboternzufriedenstellendeergebglichenmitdenleistungenvonmenschundtier,nochimmerindenanfangenund eineaufwendige(undnochnichtvolliggeloste)stereobildverarbeitungermitteltwerden. werden.videokamerasdagegenliefernkeinedirektetiefeninformation;diesemussdurch Erkennungvonallgemeinen3D-Objektennichtmoglich.StichwortewieSegmentierung vonobjekten(segmentation,trennungvonobjektundhintergrund),formbestimmung DieBildverarbeitungistinsgesamttechnischnochnichtausgereift.Siesteckt,ver- ServiceroboterdieDingeprinzipiellahnlichwahrnehmenwiederMensch.DerUmgang demsehsystemdesmenschenamnachstenkommen.daherwerdendamitausgestattete vonvideokamerasundbildverarbeitunggegenuberdenanderenverfahrenist,dasssie dergrundlagenforschungbenennen,verdeutlichendieproblematik.dergroevorteil ausschattierung(shapefromshading),bindungsproblem(bindingproblem,zuordnung vonerkanntenmerkmalenzuobjekten),extraktionvontiefeausstereobildern,farbkonstanz,schattenwurf,klassizierungvonbewegungenetc.,dieallesamtthemenbereiche

60 stimmungperfektbeherrschtwurde,waresiefurdasgreifennurvonbeschranktem 48 mitihnensowieihreprogrammierungwirdfurdenanwender{insbesonderefurlaien{ intuitiverunddamiteinfachersein. Dennoch:SelbstwenndieBildverarbeitungzurObjekterkennungoderFormbe- KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD Nutzen.DashatzweiGrunde(zurVeranschaulichungsieheBild3.9): Bild3.9:VeranschaulichungderprinzipiellenProblemebeiderNutzungderBildverarbeitung fursgreifen:diedunkelschattiertenbereichesindfurbeidekamerasunsichtbar.dieform desobjektsistaufseinerabgewandtenseitedaherunbekannt.diehellschattiertenbereichewerdenjeweilsvonnureinerkameragesehen.daherkanndietiefedortnichtdurch Stereodisparitatbestimmtwerden. Ansichtenproblem:DasBildverarbeitungssystemsiehtimmernurdiederKamerazugewandteSeiteeinesObjekts,alsopraktischnureineAnsicht(derUnterschied zwischenlinkemundrechtembildbeieinerstereokameraistfurdiesenfallvernachlassigbar);dieabgewandteseitebleibtunsichtbar(durchsichtigeobjekteausgenommen).daherkannsichdasobjektinnerhalbdesnichteinsehbarenkegelformigengebietesbeliebigfortsetzen;dievollstandigeformeinesobjektsistdurchbildverarbeitungallein(ohnedrehendesobjektsoderohneherumbewegenumdas Verdeckungsproblem:InderEndphasedesZugreifensverdeckenTeiledesGreifers punktedurchvisuelleruckkopplungalleinnichtprazisegefundenundauchkol- lisionennichtdirekterkannt(nurdurchbewegungendesobjektserschlossen) werdenkonnen.zusatzlichwirddiesesproblemdadurchverscharft,dassdie TeiledesObjekts,unddieRuckseiteistohnehinverdeckt,sodassdieGri- Objekt)nichtbestimmbar. DasAnsichtenproblemlasstsich,fallsderPlatzdafurvorhandenist,dadurchlosen,dass zwischenkollisionundpassenentscheiden(sieheabschatzunginabschnitt TiefenauflosungheutigerBildverarbeitungssystemeaustechnischenwiealgorithmischenGrundenzugeringistfurdiekleinenTiefenunterschiede,diebeimZugreifeblemlieesichimPrinzipaufahnlicheWeiselosen,solangederGreifernochnichtzu diekameraumdasobjektherumbewegtwird.dieverschiedenenansichtenmussten dannzueinervollstandigenformreprasentationintegriertwerden.dasverdeckungspro- aufseite116sowie[362,384]). Stereokamera verdeckt Objekt Greifer? kein Stereo nicht sichtbar kein Stereo

61 nahamobjektist,dochmusstedanndiekameraaufeinemeigenenarmmontiertsein, damitsievomgreiferunabhangigseinkonnte.daswurdeinderendphaseaberstandig KamerabewegungenunddamitvielZeiterfordern,wasfurdenRegelfallnichtakzeptabel ist.eindurchausgebrauchlicheransatzist[377,378,143],dievideokameras(oderanderedistanzsensoren)alternativzurunterbringungimkamerakopfdirektamgreifer gegrienesobjektverdecktwerden,nichtmehrfurandereaufgaben,z.b.dienavigation, zurverfugungstehen.daheristeinemontageamgreiferbestenfallsalserganzungzur GreiferkanndasZugreifenalgorithmischvereinfachtwerden,weildieselokalenSensoren MontageaufdemKamerakopfsinnvoll:DurchKamerasoderandereDistanzsensorenim einehoheredetailauflosungbieten,bilderausderzugreifrichtungundperspektivedes GreifersliefernunddamitdieTransformationenzwischenKamerakopfundGreiferentfallen;esbestehtaucheinestarkereAnalogiezwischender"Navigation\einesGreifersmit amgreiferangebrachtenkamerasunddernavigationeinesrobotersmitfestmontierten Kameras.InderBiologiesindzusatzlicheDistanzsensorenindenGreifernunbekannt. AllerdingsmussendieAugenvonTieren,diehauptsachlichihreMauleroderSchnabel zurmanipulationeinsetzen,als"amgreiferangebracht\betrachtetwerden.{indieser ArbeitverzichteichaufdieseArtzusatzlicherSensoren. reicht,umobjekterobustgreifenoderanunbekanntenobjektengriendenzukonnen. Diesgiltinsbesonderedann,wenn{wieheutemangelsBeherrschungderObjekterkennungnochderFall{ObjektezwardurchMustervergleichwiedererkanntwerdenkonnen, aberkeinedetailliertereformbeschreibunggeliefertwird,alseinobjekteinerformklasse zuzuordnen.indiesemfallistesvolligunmoglich,mitdervonderbildverarbeitung erzeugtenvisuellenreprasentationaneinembekanntenobjektneuegrieoderaneinem DievorstehendenBetrachtungenzeigen,dassdieBildverarbeitungalleinnichtaus- 3.2.AUFBAUDESGREIFAPPARATS 49 anzubringen.diesfuhrtaberzudemnachteil,dassdiesekameras,wennsiedurchein Objektsgewonnen,beimZugreifenKollisionenerkanntunddieGripunktedurchihren Tasteindruckgefundenwerden.AufdieseWeisekonnenauchSchatzfehlerundUngenauigkeitenbeidervisuellenBestimmungderObjektpositionundandererGreifparameter denkontaktstellen.mitihrkonnensoauchinformationenuberdieabgewandteseitedes blem.dennnursieliefertinformationenunmittelbarvonunduberdasgeschehenan einetastsensorikzuverwenden,sielostauchdasansichten-unddasverdeckungspro- unbekanntenobjektuberhaupteinengrizunden.dieeinzigeabhilfeist,zusatzlich abseite121].diesekonnendannzusammenmitderobjektreprasentationabgespeichert werden,umsiespaterwiederreproduzierenundanwendenzukonnen[abschnitt6ab Seite155].WennmitHilfederTastsensorikersteinGrigefundenwurdeunddamit dasobjektunterkontrollegebrachtwurde,kannesgedrehtwerden,umverschiedene ausgeglichen,alsorobustheiterreichtwerden. erhalten.fruhestensdann(wenndiebildverarbeitungdazuinderlageist)istdiegesamte AnsichtenaufzunehmenundeinevollstandigevisuelleReprasentationdesObjektszu SchlielichkonnendankderTastsensorikneueGriegefundenwerden[Abschnitt5 FormdesObjektsvisuellerfassbar.

62 auszeichnendurchelastizitat,redundanz,fehlertoleranz,einereichesensoriksowieeine Konstruktionsprinzipien AusdemdargestelltenVergleichzwischenBiologieundTechnikkristallisiertsichheraus, dasssichbiologischegreifapparateimunterschiedzuheutigentechnischensystemen KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD Hinsichtgenutzt).FurdieHardware-Architekturlasstsichdarausschlussfolgernddas Leitprinziperkennen: vernetztenutzenstruktur(d.h.einebestimmteeigenschaftwirdinderregelinmehrerlei UmdiesesZielezuerreichen,sindzusammenfassendfolgendeGrundprinzipienidenti- zierbar: VereinfachedenInputindasSystem(z.B.durchFixationdesObjektsdurch moglichdurchdenmechanischenaufbau. VereinfachedieSteuerungundInformationsverarbeitungsoweitwie NutzepassivephysikalischeEigenschaften(z.B.elastischeDirektantriebefur VereinfachedenOutputausdemSystem(z.B.durchweicheFingerkuppenund Objekt). Augen-undKopfbewegung). BaueeineHierarchievonArbeitsraumenaufmitunterschiedlicherGroeund LegeunvermeidbareSingularitatenandenRanddesArbeitsbereiches. verformbarefingerfurgroeretoleranzbeiderplazierungderfingeraufdem BildedieGrundfunktioneninderKonstruktionab(z.B.durchAktoren,die schnellereaktionundzumfolgengefuhrterbewegungen). VerwendeRedundanz,umdenLosungsraumzuvergroernundLosungskontinua entsprechendunterschiedlicherprazisionundkraft(z.b.finger,armundbeine). IntegriereFehlertoleranz(z.B.durchAbpolsterung,elastischeAntriebe,Redundanzundggf.Selbstreparatur). gleichzeitigaufmehreregelenkewirkenundsodiezuerstbenotigtenreexartigen Bewegungenrealisieren). stattisolierterdiskreterlosungspunktezuerhalten. Systemensind: VerwendeParallelisierung(Mehrngrigkeit)undModularisierung(GliederunginSegmente),umeinenbreitenEinsatzbereichsicherzustellen. WeitereUnterschiedebiologischerGreifapparateimVergleichzuheutigentechnischen DieReproduktiongeschiehtnichtdurchKopiereneinerBlaupause,sondern BeiderSensorikliegteinereicheAusstattungvorstattminimalistischerpunktuellerVerwendung. durcheinenregelgefuhrten,anpassungsfahigen,selbstorganisierendenwachstumsprozess.

63 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN 51 Bild3.10:Greifvorgang:ZuerstwirddasObjektxiert;dannfangtdieHandan,sichzu bewegen;diehandwirdvorgeformt;undschlielichdasobjektberuhrtundgegrien. 3.3AblaufvonGreifvorgangen derblickaufdaszugreifendeobjektgelenktwird,dasobjektwirdxiert.dabei werdendieobjekteigenschaftenaufgenommen,dieineineartvorplanungeinieen,die daszieldesgreifensberucksichtigenmuss.dannfolgtdieannaherungansobjektmit einerarmbewegung(hinreichen),ggf.kombiniertmiteinerbewegungdeskorpers:die EinGreifvorgang(Bild3.10)lauftbeiMenschundAeinderRegelsoab,dasszuerst dengrizustabilisieren{dergriisterzeugt.wennnotig,erfolgtanschlieend,wie z.b.beimaufnehmeneinesstiftesvoneinemtisch,einumgreifen,dasdenendgultigen HandbewegtsichaufdasObjektzu,drehtsichentsprechendderOrientierungdes Griherbeifuhrt.DieTrennungvomObjekterfolgtinumgekehrterReihenfolge. landendiefingeraufdemobjekt,stellendenkontaktherundbauendiekrafteauf,um Objektsundonetsichdabei.DieFingernehmeneineStellungein,diedenspateren Grivorbereitet{dieserVorgangheitVorformen(preshaping).DemEndezuwirddie einemservicerobotersehrahnlichablaufenmussen{ggf.untervereinfachungeinzelner Bewegungdeutlichlangsamer,unddieFingerschlieensichlangsamwieder.Schlielich mituntersuchungenamnervensystem),teilweiseaberauchinderverhaltensbiologie (Ethologie).DerenErkenntnissewerdenindennachstenAbschnittennaherbeleuchtet. derpsychologie,untersucht,beitierenmeistdurchdieneurobiologie(inverbindung Schritte. AufdiesergrobenEbenewirdeinGreifvorgangwegenseinerinnerenLogikauchbei 3.3.1Blickbewegung DieAblaufeimDetailwerdenbeimMenschendurchdiePsychophysik,einTeilgebiet EinOrganismusndetsichinseinernormalenUmweltvoneinerganzenReihegreifbarer Objekteumgeben.DaauchmehrereObjektegleichzeitigwahrgenommen,abermitzwei

64 52 HandennurzweiObjektegleichzeitiggegrienwerdenkonnenundmiteinemKopfund zweiaugen,dieein"stereoauge\bilden,zueinerzeitnureinobjektscharfundmit hoherauflosunggesehenwerdenkann(fallsnichtzufalligzweiobjektedichtbeieinander sind),musszuersteinobjektausgewahltwerden.inderpsychologieheitdas,dass KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD dieaufmerksamkeitaufeinobjektgelenktwird.diesgeschiehtnormalerweise dadurch,dassderblickaufdasobjektgerichtet,dasobjektxiertwird(fixation). DamitwirddasObjektinbeidenAugenscharfundmithochsterAuflosunginderFovea (Sehgrube)abgebildetundsoseineLageundEigenschaftenmitdergrotmoglichenGenauigkeiterfasst,wieschoninAbschnitt3.2.3aufSeite44diskutiert.(WenndasObjekt nichtxiert,sonderninderperipherieabgebildetwird,istderfolgendegreifvorgangnicht nurlangsamer,sondernauchdiegriformungunvollstandig[163,341].) einplotzlichauftauchendeszielblickenundzeigensollten[162],ergabsichfurden kade).dieneueblickpositionistinwenigerals100mserreichtundwirddannge- Vertiefung: VerlaufdesOrientierungsvorgangs(Bild3.11),dasssichdieAugennachdem ErscheinendesZielsnacheinerLatenzvonetwa200mssprunghaftbewegen(Sak- InVersuchen,indenenVersuchspersonensoschnellundgenauwiemoglichauf Blickposition Bild3.11:ZeitverhaltenbeieinemZeigevorgang,beidemAugen-,Kopf-undHandbewegung Augenposition soschnellundgenauwiemoglichausgefuhrtwerdensollten;zumzeitpunkt0erscheintdas Zielobjekt(nach[162]). Kopfposition dieerstesakkadedasobjektnichtgenaugenuggetroenhat.diekopfbewegung hateinelatenzvonetwa250{300ms,setztalsokurznachderaugenbewegung voll,dagroeblickrichtungsanderungennichtmehrmitdenaugenalleingeschat halten{eventuellwirdderblicknocheinmalkorrigiert(korrektursakkade),wenn ein,undzwarumsoeher,jegroerdieblickwinkelanderungist(diesistauchsinn- werdenkonnen).weildieblickbewegungeineuberlagerungvonaugen-und Dauer Zeit/ms

65 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN zuschlieen,dassdiehandbewegungnichtderblickbewegungnachfolgt,sondern beideunabhangigvoneinanderausgelostwerden[296,162].trotzdembeeinusst dielatenzenvonhand-undblickbewegungnurwenigkorreliertsind.darausist Kopfbewegungist,drehensichdieAugenimKopfzuruck,wahrenddieBlickpositionkonstantbleibt).DieHandbewegunghateineLatenzvonetwa400ms,wobei53 dieblickbewegung,derenendgultigepositiondieobjektpositionkodiert,denablaufunddierichtungderhandbewegung.dieszeigtesichbeiexperimenten,bei 3.3.2HinreichenundZugreifen starkabhangigvondenrandbedingungenderbewegung(erforderlichegenauigkeit, bewegungdauertbeidieserartvonversuchenetwa500ms,dochistdieserwert Amplitude,ZeigenoderGreifen),wieAbschnitt3.3.2zeigenwird. denendasobjektwahrenddererstensakkadegeringfugigbewegtwurde(wasden Versuchspersoneninteressanterweisenichteinmalbewusstwird)[295].DieHand- BeieinemGreifvorgangwirdmitHinreichen(reaching)diePhasebezeichnet,diedie HandvonihremAusgangspunktindieNahedesObjektsbringt;diesePhasewirdauch alstransportphasebezeichnet.siegehtinszugreifen(grasping)uber,daszumgri fuhrt. furmenschundaetypischengeschwindigkeitsverlaufzeigtbild3.12. DasHinreichenbestehtauseinerBeschleunigungs-undeinerAbbremsphase.Einen schwindigkeituberderzeitabbewegungsanfang.diebewegungsamplitudebetrugjeweils Bild3.12:GeschwindigkeitsverlaufbeimZeigenundGreifen.AufgetragenistdieHandge- (Umgezeichnetnach[231]). 12cmvorihremKorper;undihrerechteHandruhte40cmrechtsnebendemObjektaufdem Tisch.DasObjektwareineScheibemit1cmDickeundmit2cmoder4cmDurchmesser. daszielobjektgreifen.dieversuchspersonensaenaneinemtisch;dasobjektbefandsich 40cm.DieVersuchspersonensolltenmitderrechtenHandsoschnellundprazisewiemoglich mitdemzeigengeraufeinzielobjektzeigen(beruhren)bzw.mitzeigengerunddaumen ihrerformimwesentlichengleichaus.darausentwickeltesichdievorstellung,dassdie HandbewegungindieserPhase{wiebeimAbschusseinerKanone{vorBeginnfestgelegt Regelunghandelt;daherwurdedieseBewegungauchals"ballistisch\bezeichnet[162]. unddannnurnochausgefuhrtwird,essichalsowederumeinesteuerungnochumeine DieBeschleunigungsphasesiehtbeiverschiedenenZeige-undGreifvorgangenin v/cm/s Zeigen Greifen 4 cm Ø 2 cm Ø cm Ø 2 cm Ø t/ms

66 54Vertiefung: KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD kognitivenprozesseindenreaktionszeitexperimenten(siehedazuauchanhangc abseite227):wennzubeginneinesgreifvorgangsdieobjektpositionverandert wird,dannandertsichdierichtungderhandbewegungschonnach100ms[284]. dievisuelleunddiemotorischeverarbeitungjeetwa250msbeanspruchensollen, diereaktionszeitinsgesamtalso500msbetragensoll.wiemanheutewei,lassen diesichzumteiloenbaraufandereneuronaleverarbeitungswegestutztalsdie sichdieseergebnisseabernichtaufdiekontrollederhandbewegungubertragen, UnterstutztwurdedieseAnsichtdurchReaktionszeitexperimente,nachdenen EsergibtsichheutedasBild,dassdieHandzwardemObjektnachgefuhrtwird,ein ist[361],obwohlaltereuntersuchungenbelegen,dassauchdasperipheresehen einenbeitragzurprazisionbeimgreifenliefert[295]. gesehenwerden[286].neuereuntersuchungenzeigen,dassdassehenderhandin dererstenhalfteeinergreifbewegungfurdieprazisionderbewegungentbehrlich Dabeigenugtes,wennnurdasObjekt,nichtaberauchdieHandoderderArm phaseeinevielhoherevariabilitat(vgl.bild3.12),dievonverschiedenenfaktoren AuswertenderDierenzzwischenHandundObjektjedochnochnichtinderBeschleunigungsphasestattndet,dieHandanfangsalsogesteuertwird. abhangt.inderabbremsphasenahertsichdiehanddemzielobjekt,undeswirddanndie DierenzzwischenHandundZielobjektausgewertet,umdieHandprazisezumObjekt zufuhren.dieserregelungsvorgangkannnurbeigeringerannaherungsgeschwindigkeitgutfunktionieren,dadielatenzoderzykluszeitdesvisuomotorischensystemsetwa 200msbetragt{siesetztsichzusammenausderVerarbeitungszeitdesvisuellenund DieAbbremsphasebesitztimVergleichzurrelativstereotypenBeschleunigungs- undderansprechzeitdermuskeln.dasstatsachlicheineregelungstattndet,zeigtsich daran,dasseinerseitsdieprazisiongroerwird,wenndiehandgesehenoderdasobjekt dabeigarxiertwerdenkann[295,361],undandererseitsdieprazisionnachlasst,wenn diebewegungschnellerdurchgefuhrtwerdenmuss[310,162]. desmotorischensystems,derlaufzeitdernervenimpulsezudenmuskeln(50{80ms) riger:nachdemfittsschengesetzist(beizeigebewegungen)diegesamtebewegungszeit tlogawmitderbewegungsamplitudeaundderobjektgroew[310,100],d.h.der Objekte(hoherePrazision)istdieAbbremsphaselangerunddieEndgeschwindigkeitniedgeschwindigkeitvorBeruhrungdesObjektsnochrechthoch(sieheBild3.12);furkleinere VorgangdauertbeikleinerenObjektenlanger,wasanderlangerenAbbremsphasemit geringererendgeschwindigkeitliegt. BeieinemZeigevorgang(pointing)istdieAbbremsphasesehrkurzunddieEnd- Endgeschwindigkeitbedeutendniedriger,dadasObjektnichtnurgetroenwerdenmuss, sonderndiefingeranbestimmtenstellenaufdemobjektplaziertwerdenmussen.die AbbremsphasedauertbeikleinenGreifobjekteneherlanger,dochistdiesauchvomObjekttypabhangig(vgl.[231,399]). BeieinemGreifvorgangdagegenistdieAbbremsphasedeutlichlangerunddie phaseundwerdenineinefurdenbeabsichtigtengrigeeignetevorbereitendestellung statt(vgl.bild3.10aufseite51):diefingeronensichwahrendderbeschleunigungs- gebracht.dasmaximumdergreifweite(maximumgripaperture)wirdwahrendder BeimGreifenndetparallelzumHandtransporteineGrivorformung(preshaping)

67 vonderprazision,mitderdergreifvorgangdurchgefuhrtwerdenkannodermuss:bei DiemaximaleGreifweiteistzumeinenabhangigvonderObjektgroe,zumanderenauch schlieensichdiefingerinvorbereitungaufdengriwieder,bissiedasobjektberuhren. Abbremsphasenachetwa60{80%dergesamtenBewegungszeiterreicht[399].Danach 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN 55 nemdurchschnittlichschnellengreifvorganguntervisuellerkontrolleistsieetwa2cm groerenobjektenistdiemaximalegreifweitegroeralsbeikleinerenobjekten;beieischwindigkeiterhohtoderdiesichtverschlechtertoderbeseitigtwird,wennalsoderentsprechendezeigevorganginderprazisionnachlasst(vgl.oben)[25,399,161].darausist zuschlieen,dassdiegreifweiteautomatischsoandierandbedingungendesgreifvorgangsangepasstwird,dasssichdasobjekttrotzmoglicherabweichungbeimhinreichen amendezwischendenfingernbendetundnichtetwaverfehltoderangestoenwird. zugeordneten"empndlichkeit\,einereherabstraktenundkognitivengroe,beeinusst: SodauertdieAbbremsphasebeimGreifeneinerGluhbirnebedeutendlangeralsbeiei- groeralsdiegriweiteamobjekt{diesedierenzwirdjedochgroer,wenndiegenemtennisball{dieendgeschwindigkeitistbeimgreifendergluhbirneniedrigerund dieabbremsphasedemzufolgelanger[399]. WeiterhinwirddieAbbremsphaseauchnochvonanderenFaktorenwiedereinemObjekt eineorganischeeinheitbildet.tatsachlichscheintdergreifvorgangbeiprimatenjedoch plazieren,warezuerwarten,dasseingreifvorganginseinerorganisationundausfuhrung UmsetzungeininteressanterAnsatz. einengutenkompromissdar,umdiesicheigentlichwidersprechendenanforderungennachprazisionundschnelligkeitzuerfullen;diesistdaherauchfurdietechnische AusdemZieleinesGreifvorgangs,dieFingerfureinenGrigeeignetaufdemObjektzu DieKombinationderschnellenSteuerungmitderlangsamenRegelungstellt TransportderHandzumObjektunddieAnpassungderFingerandieObjektform[159, 160,8].Eswurdenachgewiesen,dassdiesebeidenauchalsvisuomotorischeKanale bezeichnetenprozesseweitgehendgetrennteninputundoutputhaben[399,159]:input furdentransportderhandsindvorallemdieextrinsischenobjektparameter unterteiltzuseininzweigetrennte,aberengmiteinanderkoordinierteprozesse:den furdiegriformungdagegendiedistalearmmuskulatur(fingermuskelnimunterarm dieintrinsischenobjektparameter(objektgroeund-form).denoutputerhaltenfur dentransportderhanddieschulter-unddieproximalearmmuskulatur(imoberarm), undinderhand). (Objektpositionund-orientierungimRaum),furdieGriformungdagegenvorallem BesonderswichtigistdieKoordinationbeikomplexenGrien,z.B.beimGreifeneiner mussdasschlieenderfingerengmitdemhandtransportkoordiniertwerden,wennmit ErreichenderEndpositionderHandauchdieFingerinihrerEndpositionseinsollen. Tasse,wennsichdieFingerindenHenkelhineinkrummen;HandtransportundFingerbewegungmussendannubereinengewissenAbschnittderBewegungengkoordiniertsein. zugegrienundwodiehandrelativzumobjektpositioniertwerdenmuss.zumanderen sein,dazumeinendergewahltegribestimmt,auswelcherrichtungaufdasobjekt VolligunabhangigvoneinanderkonnendiesebeidenparallelenProzesseabernicht DieseKoordinationderFingerbewegungmitdemHandtransportwirdallerdingserstim LaufederGreiferfahrungerworben;amAnfanglaufendiebeidenProzessereexgesteuert nacheinanderab(sieheunteninabschnitt3.5abseite85).

68 56wurdeinPerturbationsexperimentenuntersucht,beidenenwahrenddesGreif- vorgangsdieobjektpositionoder-groeplotzlichgeandertoderderarmmechanisch KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD gestortwird[130].dabeizeigtsich,dassbeieineranderungderobjektposition Vertiefung: wahrenddesgreifvorgangsdiehandtrajektorieschonnachetwa100msindieneue Richtungabbiegt,inderHandonungabererstetwa100msspatereineReaktionfestzustellenist.DasBesonderedabeiist,dasssichdieHandkurzzeitigwieder schliet(wenndasobjektgesprungenist[284])oderdasmaximumderhandonung WiedieKoordinationzwischenHandtransportundFingerformungaussieht, Greifvorgangsverandertwird,zeigtsichinderHandonungnachetwa175{300ms einereaktion,undimhandtransportisteineverlangerungderabbremsphasezu 75mskannessichabernichtumeinemechanischeKopplung(durchgelenkubergreifendeMuskeln)handeln.WennumgekehrtdieGroedesObjekteswahrendeines schlietsichineinigenfallendiehandwiederetwas,alsobdiehandonungfest andenhandtransportgekoppeltist[131]{wegenderverzogerungszeitvonetwa wennderhandtransportmechanischgestortwird(z.b.durchziehenamoberarm), acheristalssonst(wennsichdasobjektkontinuierlichbewegthat[130]).auch tengrienhandelteessichnurumeinfachegrie(kraft-oderprazisionsgri, siehenachstenabschnitt)aneinfachenobjekten(zylindern).untersuchungenzu komplexerengrien,dienichtnurfurdenendpunkteinekoordinationerfordern, sondernubereinenganzenabschnittderbewegung(wiez.b.beimgreifeneiner TasseamHenkel),konnteninderLiteraturnichtgefundenwerden. sehen,dieabernichtnaherspeziziertist[130,285,55].beidenhieruntersuch- ausuben,dassdiesesnichtausdemgrirutscht. dasstabilisierendesgris.hierbeimussendiefingereinensolchendruckaufdasobjekt deszugreifens:dasaufbringendergreifkraftezumanhebenodermanipulierenund NachdemdieFingerdenKontaktzumObjekthergestellthaben,folgtdieletztePhase Vertiefung: gedrucktwerdenunddanndasobjektangehobenwird,sonderndassnormal-und ansteigenundmiteinandersokoordiniertsind,dasseingleitennichtauftritt[106].13 Esistsogarso,dasswahrenddesAnhebens,furdaswegenderBeschleunigungdes chenderhohtwird[121,120].allerdingsentwickeltsichdiesekoordinationerstim LaufederGreiferfahrung(sieheAbschnitt3.5abSeite85).DieZeitzwischendem Tangentialkrafte(bezogenaufdieOberachedesObjekts)vonAnfanganstetig ObjektseinehohereTangentialkraftbenotigtwird,auchdieNormalkraftentspre- InExperimentenhatsichgezeigt,dassnichtzuerstdieFingerzusammen- erstenkontaktmitdemobjektunddemanhebenistabhangigvomgewichteines ObjektsundvonderBeschaenheitseinerOberache.BeischwererenoderrutschigerenObjektenistdieseZeitlanger,daeinehohereNormalkraftaufgebautwerden Vorgehensweise. 13DerVorteildesgleichzeitigenKraftaufbausistdieZeitersparnisgegenuberdersequenziellen muss[399].dereektbeihoheremgewichtwirdaberkleiner,wenndasschwerere Objektgleichzeitiggroerist,dabeigroerenObjektendieKrafteschnelleraufgebautwerden[121,120].AlsowirdbeimGreifenauchdieKrafterzeugungvisuell unterstutztundnichtnurdurchdentastsinnkontrolliert.

69 lungganzwesentlichzurprazisioneinesgreifvorgangesbeitragt.soechtingundflan- ders[346,345]habenbeiblinddurchgefuhrtenzeigebewegungenerheblicheabweichungen (imbereichvonmehrerenzentimetern)vondervorgegebenenzielpositiongemessen. ZumAbschlussseihervorgehoben,dassdievisuelleKontrolleundRuckkopp ABLAUFVONGREIFVORGANGEN Vertiefung: gleichanschlieenddurcheinezeigebewegungbeiausgeschaltetemlichtanfahren sollten.dieswurdeanvielenpositionenineinemgroenraumbereichwiederholt.dabeistelltendieautorenfest,dassdieabweichungenimnahbereich(um (um70cm)abergroeabweichungenvonuberzehnzentimeternauftraten.ahn- 40cm)nurwenigeZentimeterbetrugen(ahnlichwiein[296]),dassimFernbereich ZielpositionbeiLichtdurchgefuhrtwurde.Geringerwarensiedagegen,wenndie DenVersuchspersonenwurdevisuelleinePositionimRaumvorgegeben,diesie lichgrowarendieabweichungen,wenndiezeigebewegungnachdemzeigender dassdieabweichungenaufdieumsetzungdervisuellenreprasentationdesziels aktivebewegungzudempunktreproduziertwurde.darausschlossendieautoren, indiegelenkwinkelvonschulterundellbogen,alsoaufdierealisierungderinversenarmkinematikzuruckzufuhrensindundnichtetwaaufeinefehlerbehaftete demeigenenfinger!).geringwarendieabweichungen,wenneinepassiveodergar Zeigebewegungen(beiLicht)miteinem1mlangenZeigestockdurchgefuhrtwurden,sodassdieBewegunghauptsachlichausdemHandgelenkstattausderSchulter unddemellbogenerfolgte(d.h.dieprazisionmitdemzeigestockwarhoheralsmit getestetenkoordinatensystemewarenkopfzentriertekugelkoordinaten,kartesische vomradiusundvonderjeweiligenkoordinateselbstubrigbleibt(dieanderen KoordinatenundZylinderkoordinaten).AuerdemstelltendieAutorenfest,dass meistenkoezientendergemischtenterme,sodasslediglicheineabhangigkeit WahrnehmungdesZiels.Gleichzeitigstelltensiefest,dasssichdieAbweichungen ameinfachstenineinemschulterzentriertenkugelkoordinatensystemdarstellenlassen:beidenzurapproximationverwendetenpolynomenverschwindendanndie dieabweichendenpositionensichsehrgutdurchlinearebeziehungenbeschreiben lassen.sieschlieendaraus,dassdermenschzureinstellungseinergelenkwinkel(schulterundellbogen)stattderkorrekten,starknichtlinearenbeziehungeine linearenaherungverwendet,dieaufschulterzentriertenkugelkoordinatenbasiert. Oenbleibtdabeijedoch,wiedievisuelleReprasentation,dieohneZweifelineinemaugen-oderkopfzentrierten(Kugel?-)Koordinatensystemgewonnenwird,in dasschulterzentriertekugelkoordinatensystemtransformiertwird,wozuaucheine 406,225,23,280,310,383,116]. Gris)undManipulationvonObjekten,sindinderPsychologiebishernochnichtso eingehenduntersuchtworden,dasssichfundierteallgemeineaussagenmachenlassen. KomplexereAspektedesGreifens,wiemehrngrigeGrie,Umgreifen(Anderneines ZurweiterenVertiefungdesBeschriebenenistfolgendeLiteraturzuempfehlen:[315, starknichtlineareoperationerforderlichist Gri DankderFeingliedrigkeitundGelenkigkeitseinerHandeundArmeundderLeistungsfahigkeitseinesGehirnskannderMenscheineVielzahlvonverschiedenenGrien

70 58 erzeugenundmitihneneinevielzahlvonverschiedenenobjektenhandhaben.dasspektrumgehtvombeidhandigengreifensehrgroerundschwererobjekte,teilweisemit UnterstutzungandererKorperpartien(z.B.beimUnter-den-Arm-Klemmeneinesgroen Kartons),uberdaseinhandigeGreifenetwahandgroerObjektebishinzumFassenkleinsterObjektemitdenFingernageln(z.B.zumHerauszieheneinesSplitters).DurchdehabenundManipulierenvonObjektenerschlossen. KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD GebrauchspeziellerWerkzeuge,wiePinzette,Zange,Essstabchen,Bagger,KranundferngesteuerteManipulatoren("Telerobotik\),werdenzusatzlicheMoglichkeitenzumHand- Knotens,sieheBild3.21aufSeite67).ImWeiterenwerdeichmichjedochaufeinhandige sind,dasssiebeidhandigesgreifenundmanipulierenerfordern(z.b.dasknupfeneines sind,umsichermiteinerhandgegrienzuwerden.mageblichsindhierdierelative KraftentfaltungderHand.14DanebengibtesaberauchSituationen,diesokomplex GroevonHandundObjektsowiedasGewichtdesObjektsinRelationzurmaximalen BeidhandigeGriewerdenvorallemeingesetztfurObjekte,diezugrooderzuschwer ZuerstlasstsicheineEinteilungderGrieineinhandigeundbeidhandigebilden. Griekonzentrieren. sind(vgl.inbild3.14der"schlusselhaltegri\d4oderdergrizumloseneinesflaschendeckels,e2).daherfuhreichhiereineeinteilunginhaltegrie(holdgrips)und Manipuliergrie(manipulationgrips)ein. wennsiederkraftentfaltungunddemgebrauchnacheherdenkraftgrienzuzurechnen grie(precisiongrips)vorgenommen,dievondenmeistenautorenubernommenwird. PrazisionsgriennurdieFingerkuppenzumEinsatzkommen.NachdieserEinteilungfallenpraktischalleGriefurkleineObjekteunterdieKategoriederPrazisionsgrie,auch BeiKraftgriensolldanachderHandtelleralsGreifacheeingesetztwerden,wahrendbei Napier[264]hateineweitereEinteilunginKraftgrie(powergrips)undPrazisions Haltegrie DerHaltegriwirddannverwendet,wenneinObjektsicherxiertodergefuhrtwerdenmuss(z.B.inBild3.19aufSeite66derGriK3zumGravieren,inBild3.20auf DazuwerdenmoglichstalleFingerparalleleingesetzt,diestarkenFingermuskelnimUnterarmbenutzt,kurzeHebelverwendetundmoglichstgroeKontaktachenerzeugt;die Fingersindmoglichstgekrummt,undgenugendgroeObjektewerdengegendenHandtelleroderHandballengepresst.DieBewegungdesObjektserfolgtausdemArmmit mitbild3.15griei3undi4).beimhaltegriwirddasobjektinderhandxiert. danneingesetzt,wennsogroekrafteerzeugtwerdenmussen,dassdieentsprechenden Seite67dieGrieinderzweitenZeilezumHalteneinerTasse).Haltegriewerdenauch HilfederkraftigenArmmuskeln;dieFingerwerdendabeikaumbewegt:DerHaltegriist Manipuliergrienichtmehrgeeignetsind(z.B.inBild3.14dieGrieC2undE2,vgl. "statisch\. sonderheitensindzubeobachten:beigria4,verwendetz.b.zumkornenoderzum Objekteunterschiedlichgreifenundhandhaben,sodasseinKindnichtimmerdenGrieinesErwachsenen nachahmenkann(dieimitationwirdalswichtigequelledeslernensangesehen). 14KinderundErwachsenemussenschonalleinwegenderUnterschiedebeidiesenRelationenviele EineAuswahlvonHaltegrienzeigendieBilder3.13und3.14.FolgendeBe-

71 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN haltenanzylindrischenobjekten(z.b.stange,ast);a2:variantefurdunnereprismatische Bild3.13:Haltegrie(Auswahl),TeilI.A1:HaltenschwererprismatischerObjekte,Fest- A EinfuhreneinesBolzensineinLoch,hatderDaumenzugleichhaltendeundsensorische niedrigekrafte.b4:haltenleichterwerkzeuge.{weitereerlauterungensiehetext. messergri\furhohekrafte.b2:"schraubendrehergri\.b3:"teppichmessergri\fur Objekte(z.B.schwererHammer);A3:z.B.mittelschwererHammer(Bewegungausdem Handgelenk).A4:Kornen,EinfuhreneinesBolzensineinLoch.B1:Feilenund"Teppich- B undfuhrendefunktion.der"schraubendrehergri\b2zeichnetsichgegenuberdenanderengriendadurchaus,dassdieerforderlichedrehbewegungstattdurchkinematisch sehrkompliziertekoordinationmehrerermuskelnundgelenkeeinfachdurcheinedrehungimunterarmerzeugtwerdenkann;zusatzlichkanndurchdenhandballendruckin Funktion.BeiGriB1,derz.B.zumArbeitenmiteinerFeiledient,istderWinkel zwischenzylinderachseundunterarmacheralsina2odera3unddamitkinematisch bessergeeignet,umeinefeilehorizontalzufuhren;derdaumenhatdabeistabilisierende AnziehenoderLoseneinerSchraube)festgeschlossensind,odereinManipuliergri,wenn axialerrichtungausgeubtwerden.diesergriisteinhaltegri,wenndiefinger(zum diefingerlockergehaltenwerdenunddiedrehbewegungdurchdaumenundzeigengererzeugtwird.ahnlichverhaltessichmitderunterarmdrehungbeidengrienc2 Orangebzw.Zitrone),C4(ReibeneinerOrange),E2undE3(Schraubeneineskleinen bzw.groenverschlusses)sowied4(schlussel)habengemein,dassbestimmteobjektpar- (Gluhbirne),C3undD3(AuspresseneinerOrangebzw.Zitrone)sowieD4(Schlussel), tienzuganglichseinmussen.diesebeispielezeigen,dassdieadaptioneinesgriesan diespeziellekraftsituation,diespeziellensensorischenanforderungen,diebeabsichtigtebewegungunddiezuganglichkeitvonobjektpartienfurdenmenschen wichtigeaspektebeiderauswahleinesgriessindunddassmanchegriejenachfingerkraftenmanipuliergrioderhaltegriseinkonnen. B3dientderDaumenbzw.ZeigengerzumFuhrenwieAndruckenundhatsensorische wenndashandgelenkgeeignetangewinkeltwird.beiden"teppichmessergrien\b1und Funktion.DieGrieA4(Kornen),B3(Teppichmesser),C3undD3(Auspresseneiner DieobigenBilderstellennureineAuswahldergangigstenHaltegriedar.Beider

72 60 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD C henoderlosschraubenz.b.einergluhbirne(vgl.b2undi3).c3:auspressenz.b.einer Bild3.14:Haltegrie(Auswahl),TeilII.C1,D1:UmschlieendesFesthaltenkompakter Objekte;D2:VariantefuracherundeScheiben(mitangelegtemDaumen).C2:Festdre- D OrangeaufeinerKegelreibe;D3:gleicherZweckfureinkleineresObjekt,z.B.eineZitrone. C4:Halten,wenneineSeitezuganglichseinmuss(z.B.zumReiben);E3:Variantefureine Scheibe(z.B.zumFestdrehenoderLosendesSchraubverschlusseseinesMarmeladenglases); E2:gleicherZweckfureinekleineScheibe(z.B.denSchraubverschlusseinerFlasche-vgl. einesschlussels(beiaen,derendaumenzukurzist,umihnindirekteoppositionzurzeigengerkuppezubringen:prazisionsgrizumaufnehmenkleinerobjekte).e4:"hakengri\ (z.b.zumtragenvontaschen).{weitereerlauterungensiehetext. BeobachtungvonMenschenlassensichnochweitmehrGrienden,vorallemfurspezielle Anwendungsfalle,wieansatzweiseindenBildern3.19und3.20aufSeiten66bzw.67fur Stiftebzw.Tassengezeigt Manipuliergrie D3).E1:HalteneineskleinerenObjektszumWerfen(vgl.D3).D4:(kraftvolles)Drehen E oderwenneinobjektschnellbewegtwerdensoll(wiegrii2inbild3.15zumabschraubeneinesflaschendeckels)unddafurnichtsogroekraftenotigsind,diedann undfuhrungeinesobjektsgeht(wiegrik2inbild3.19aufseite66zumschreiben) Fingernageln)gegrienundkannso,ohnedassderArmbewegtwird,alleindurchdie Fingerbewegtwerden,indemdieFingerkuppenaufdemObjektabrollen.DieManipulationsfahigkeitistvielhoheralsbeimHaltegri,diemoglicheKraftentfaltungaber deutlichgeringer.manipuliergriewerdeneingesetzt,wennesumprazisepositionierung BeimManipuliergriwirddasObjektmitdenFingerkuppen(imExtremfallmitden

73 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN F G Bild3.15:Manipuliergrie(Auswahl).F1:ManipulationgroerprismatischerObjekte;F2{ F4:VariantenfurkleinereObjekte(miteingeklapptenFingern).G1:VariantevonF1fur H furschlankereobjekte.i3:g1zumschraubeneinergluhbirne(vgl.c2).i2,i4:g1bzw. klapptefingerfurgroere"bodenfreiheit\).h1,h2:analogazug1,g2furprismatische logischefortsetzungistwiederf4);g4:variantezuf4furnochkleinereobjekte(ausge- Objekte(imVergleichzuF1{F3mitseitlichersensorischerFuhrung).H3:ManipulationacherGegenstande(vgl.D4);H4:VariantefuracheObjekte(wenngeradenochinReichweite oderumsobjektherumnichtgenugendraumfurgrif4oderh3).i1:variantevonf1 kompakte,kugelformigeobjekte;g2,g3:variantenfurkleinereobjekte(analogzuf2,f3; I Verschlusses{vgl.E3bzw.E2).{WeitereErlauterungensieheText. G3angewandtaufgroebzw.kleineScheibe(z.B.zumSchraubeneinesgroenbzw.kleinen jekte,diezukleinsindfurdieentsprechendenhaltegrie(z.b.diegrief4undg4in sindhierfestzustellen:beigrienf1undi1werdendievierfingervomzeigengerbis docheinenhaltegrierfordernwurden.manipuliergriewerdenaucheingesetztfurob- Bild3.15).BeimManipuliergrierfolgtdieBewegungdesObjektszumGroteilausden "dynamisch\. Fingern,wodurchsichdieKontaktachenverschiebenkonnen:DerManipuliergriist EineAuswahlvonManipuliergrienzeigtBild3.15.FolgendeBesonderheiten

74 virtuellenfingerumdasobjektgekrummtdenkenoderring-undmittelngerzueinem unddienichtbenotigtenfingereingeklappt.beigrig1kannmansichdeneinen zumkleinenfingerparalleleingesetztwieeineinziger"virtueller\finger(sieheauchseite 62);beidenGrienF2bisF4istdervirtuelleFingerjeweilsumeinenFingerreduziert KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD virtuellenfingerzusammenfassen.beigrig4wirddasobjektnichtmitdenmitten derfingerkuppengegrien,wiebeidenanderengrien,sondernweitervorne,weildas Objektsokleinist,dassesvoneinerUnterlagenichtandersaufzunehmenware;Daumen undzeigengerkrummensichdazu,wahrendsiesonstannaherndgestrecktsind. dadankdervielseitigkeitdermenschlichenhandnochweitmehrmanipuliergriemoglich sind;einpaarweiterezeigendiebilder3.19und3.21aufseite66bzw.67. AuchdieseGrizusammenstellungkannkeinenAnspruchaufVollstandigkeiterheben, Vertiefung: terhandeneinetaxonomiederbeidermetallbearbeitungvonmenschenbenutzten prothesenfurdieverletztendeserstenweltkriegssiebenverschiedenegrundgrie torenversucht.schlesinger[322]unterschiedzumzweckderauslegungvonhand- (inbild3.13griea1,a2,inbild3.14gried4unde4,inbild3.15grief1und G1undinBild3.19GriK2).DanachfolgtenetlicheweitereEinteilungsversuche (Ubersichtin[225]).Diewohlbisherumfangreichstemitetwa20Grienwurde voncutkoskyerstellt[71,72],deralsvoruntersuchungzurauslegungvonrobo- EinefeinereEinteilunginverschiedeneGritypenwurdevonverschiedenenAu- lassen.trotzdervielenhieraufgefuhrtengriewirdnichtdiegesamtedermenschlichenhandmoglichevielfaltabgedeckt;dieinderrealitatverwendetengriesind deshalbhabeichdietaxonomiehieraufuber50verschiedenegriewesentlicherweitert.neuisthierbeidieeinteilunginhalte-undmanipuliergriestattinkraftundprazisionsgrie;dieweitereunterteilunginzirkulareundprismatischegribendrehergrib2unddergria4zumkornen,beideinbild3.13aufseite59); entfallt,dasichvielederhierprasentiertengrienichtindiesesschemaeinfugen selbstfurdiemetallbearbeitungnichtvollstandigheraus(esfehlenz.b.derschrau- Grieerstellte.BeigenauererBetrachtungstelltsichdieseTaxonomieaberals chengrienistdiegrenzeieend,oderessindbeidekomponentenvorhanden, wiez.b.beimhalteneineswerkzeugsmitring-undkleinemfingerwiemiteinem Kraftgri,mitZeigengerundDaumenabermitdenFingerkuppenwiemiteinem Manipuliergri(wiez.B.beimSchraubendrehergriB2inBild3.13aufSeite59 einesgrieszudenkraft-oderprazisionsgriennichtimmermoglich:beimanskyhinwiesundwaserdurchbeispielebelegte[71].weiterhinistdiezuordnung oderbeigrio3inbild3.21aufseite67).zusatzlichkonnensensorischeanforderungendengriverwaschen,wiez.b.derdaumenbeigrib1oderderzeigenger jedochoftabwandlungenderhierprasentiertengrie,woraufauchschoncutko- UmGriefurverschiedengroeObjektezueinemGritypzusammenfassenzukonnen,ist CharakteristikavonGrien daskonzeptdesvirtuellenfingers(virtualnger)geeignet[11]:wennzweiodermehr beigrib3inbild3.13aufseite59{beiletzteremverandertdersensorischgebrauchtezeigengerdengriderart,dassdaumenundmittelngersichzueinem FingerbeieinemGridiegleicheFunktionhaben,werdensieeinfachzueinemvirtuellen Manipuliergriverandern,wahrendkleinerundRingngerbeimHaltegribleiben.

75 Fingerzusammengefasst.Beispieledafursind:dieGrieF1bisF3inBild3.15aufSeite61 mitjeweilszweivirtuellenfingernfurwurfelverschiedenergroe;ahnlichdiegrieg1 bisg3furkugelnverschiedenergroe,wennmaneinenentsprechendderoberache 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN gerundetenvirtuellenfingerannimmt;dergrih1(wurfel)mitviervirtuellenfingern; 63 Aufnehmen,Uberreichenbzw.HalteneinesstiftahnlichenObjekts;undschlielichdie GrieM2bisM4inBild3.20aufSeite67mitjedreivirtuellenFingernzumFassen verschiedengroerhenkel.einvirtuellerfingerwirddabeiauseinemfingerundseinem Nachbarnaufgebaut;beiBedarfwerdenweitereFingerhinzugenommen. Objekteigentlichnichtgegrien,sondernnureinseitigberuhrt{z.B.gegeneinfestes diegriej1,k1undk3inbild3.19aufseite66mitjezweivirtuellenfingernzum Hindernis(UnterlageoderWand)gedrucktoderlediglichverschobenodergestoen{wird, nochalsgriezubehandeln:dashindernisbzw.diemassentragheitoderreibungskraft konnenalsvirtuellerfingerbetrachtetwerden. DasKonzeptdesvirtuellenFingerseignetsichauch,umSonderfalle,indenendas Handtelleropposition,(c)seitlicheOpposition.(d)eineOpposition,dienichtinihrSchema Bild3.16:DiedreigrundlegendenOppositionennachIberall:(a)Fingerkuppenopposition,(b) passt.weitereerlauterungensiehetext. desoppositionsraumes(oppositionspace)[153,152]einsehrnutzlicherundanschaulicherdenkansatz.eineoppositionistdiegedachteverbindungsliniezwischenzweibei einemgrieinandergegenuberliegendenkontaktachen(bild3.16){verallgemeinert konnteaucheintripelodern-tupelvonkontaktachenalsoppositionbetrachtetwerden.einobjekthatbestimmteflachen,diesichalsgrikontaktacheneignenund,auf charakteristischeweisezueinanderangeordnet,oppositionenbilden.einengrizundenbedeutetdann,indiesemoppositionsraumeinoppositionsmusterzuentdecken,das durchdiehandgebildetwerdenkann.alledieseaufdiehandabbildbarenmusterbilden danndiegesamtmengederfurdiesesobjektmoglichengrie.dernachteildiesesan- FurdieAnalysewiezurErzeugungvonGrienistdasKonzeptderOppositionund fach.aberwoher"wissen\wirdas?habenwireslernenmussen?wiehabenwiresgelernt?istes WirddieRuckseitedurchextrapolierendeGedachtnisprozesseerganzt?15Beimheutigen verfugbarseinmuss.dassehsystemdesmenschenliefertaberbestenfallseinetiefenkarte dervorderenobjektansicht.dieruckseite,aufdieoftgegrienwird,bleibtunsichtbar. StanddespsychologischenWissensmussdieAntwortdaraufleideroenbleiben. satzesistjedoch,dassdafurdiekomplettedreidimensionalereprasentationdesobjektes Erfahrungswissen? 15Unserscheintoensichtlich,wiedieRuckseitez.B.einesBallesaussieht{wir"wissen\esein- a b c d

76 64kuppenopposition(padopposition)furPrazisionsgrie(Bild3.16a),beiderdieOp- positionnahezuparallelzumhandtellerseinsoll;diehandtelleropposition(palm opposition)furkraftgrie(bild3.16b),beiderdieoppositionnahezusenkrecht Vertiefung: KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD zwischendemprazisions-unddemkraftgri("zwittergri\,bild3.16c),beider zumhandtellerist;unddieseitlicheopposition(sideopposition)fureineartgri dieoppositionquerzumhandtellerliegt.nichtindiesesschemapassenjedochdie ManipuliergrieH3undH4ausBild3.15(ahnlichcbzw.dinBild3.16):Beide IberallunterscheidetdreigrundlegendeArtenvonOppositionen:dieFingertionsart,ahnlichBild3.16c,jedochein"Zwittergri\. sindnachklassischereinteilungohnezweifelprazisionsgrie,nachobigemschema jedochein"zwittergri\bzw.einkraftgri(oppositionsenkrechtzumhandteller).ebensowenigpasstder"zigarettenhaltegri\(grik4inbild3.19)indieses Schema:NachklassischerEinteilungistereinPrazisionsgri,nachseinerOpposi- dengrienindenvorangegangenenbildern{sindinbild3.17gezeigt.daruberhinaus Fingern(z.B.inBild3.19beim"Zigarrettenhaltegri\K4undinBild3.20beidenTassengrienM2bisM4),denFingernageldesZeigengersodersogardieaueren(dorsalen) FlachenderFinger,wennsiesichgegendieInnenacheeinesObjektspressenlassen(wie z.b.beidertasseinbild3.20beigrin3). Vertiefung: Greifachebetrachtetwerden,dabeiverschiedenenGrienverschiedeneTeilachen benutztdermenschineinzelfallenaberpraktischalleflachen,diesich"bequem\inoppositionzueineranderenflachebringenlassen,alsosamtlicheseitenachenzwischenden DiebeimGreifenamhaugstenbenutztenGreifachenderHand{abgeleitetaus Bild3.17:DieamhaugstenbenutztenGreifachendermenschlichenHand. DieGreifacheaufderFinger-undDaumenkuppekannnichtalseineeinheitliche

77 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN Bild3.18:ZumGreifen,insbesonderezumAufnehmeneinesObjektesvoneinerFlache,werden verschiedenepartienderfingerkuppebenutzt.p1{3:jekleinerdasobjektwird,umsomehr verschiebensichdiegreifacheninrichtungderfingerspitzen.q1:benutzungvonfingerspitzegegendaumenkuppezumfesthaltenz.b.eineshaares.q2:gegeneinanderpressender Fingernagelz.B.zumGreifeneinesSplitters. Greifachenunterteiltwerden:eineKontaktacheaufderinneren(volaren)Seite derfinger,eineaufderflankeundeineaufderfingerspitze.hinzukommen verwendetwerden,wiebild3.18veranschaulicht.siemussdaherinmindestensdrei P Q ZumBeispielsindzumAufnehmeneinesObjektesDaumenundZeigengerumso derlagedieserzentrenalsfunktionvongri-oderobjektparameternistmoglich. PunktealsZentrenderKontaktachendeniertwerden.AucheineBeschreibung diefingernagelspitzenunddieseitlichenkontaktachen.alternativkanndiefingerkuppealskontinuumbetrachtetundfurdieverschiedenengrieverschiedene derdasobjektliegt.beiganzkleinenobjektenschlielichkonnennurnochdie gekrummter,jekleinerdasobjektist(vgl.bild3.18),undumsomehrverschieben sichdiezentrenderbeidengreifachenweiterinrichtungderdaumen-undfingerspitze,weildiegreifachenumsonaherandieoberacheruckenmussen,auf BeiderWahlzwischeneinemHaltegriundeinemManipuliergriieendieAnforderungenderGreifaufgabebezuglichdesKraftaufwandesundderManipulierbarkeitein; Fingernagelbenutztwerden{wiez.B.zumHerauszieheneinesSplittersausder RandbedingungenfursGreifen dieswurdeobendemonstriert.ambeispieldesschraubendrehergrisunddesgries Haut. zumauspresseneinerorange(grieb2bzw.c3inbild3.13bzw.3.14,seite59bzw.60) zeigtesich,dassauchdiekinematikderbeabsichtigtenbewegungfurdiewahldesgries ZweckeinerHandlungganzentscheidendenEinussaufdieWahleinesGrieshat. wichtigist.hiersolljetztanhandweitererbeispieledargestelltwerden,dassebensoder oderjenachdem,umwelchesspezischeobjektessichhandelt,verschiedengegrien Bild3.19zeigt,wieeinObjektmitdergleichenzylindrischenFormjenachKontext

78 66 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD AufnehmendesliegendenObjektsbeiunterschiedlicherPrazisionsanforderung.J3:AufnehmendesstehendenObjekts(z.B.StiftausStehsammler).J4:Aufnehmendesliegenden ManipuliergrimitBewegungausdenFingern,beigroeralsHaltegriausdemArm).K3: Bild3.19:GreifeneinesstiftahnlichenObjekts.J1,J2:Haltegribzw.Manipuliergrizum Objektszwischenseinesgleichen.K1:Uberreichen.K2:Schreiben(beikleinerSchriftals HaltensenkrechtzurUnterlage(z.B.alsReinadelzumRitzen).K4:HalteneinerZigarette. gegrienwerdenkann.16welchergrigewahltwird,hangthierzumeinenvomzweck stemanderformorientiertgriegenerierenkann,wahrendeinweiteres,moglicherweise wird.oensichtlichkanndiemenschlichehanddiesegrie,dieteilweisespezischfur derjeweiligenhandlungab,zumanderenauchvonverschiedenenrandbedingungen,z.b. bestimmtelanglicheobjektesind,erzeugen,obwohlessichhierjedesmalumdieselbe Form,einenlanglichenZylinder,handelt.Dasheit,dassdaszugrundeliegendeGreifsy- obeinetassegefulltoderheiist. ubergeordnetesteilsystemdieauswahldesspezischengrisbeeinusst. NochdeutlicherwirddiesinBild3.20,daszeigt,aufwievielfaltigeWeiseeineTasse Vertiefung: ligenwerkzeugebzw.zurerfullungderjeweiligenaufgabeangewandtwerden,zeigt beidermanipulationnichtnuraufdiebewegungderfinger(onenundschlieen) an,sondernauchaufdieinnerenkrafte,diediefingerausuben:durcheineverdrehungerzeugensieeineverkantung,sodassdieschneidkantenderschereaneinander Bild3.21:Der"Scherengri\O1wirdnurzumSchneidenverwendet,nichtaberzur sonstigenmanipulationeinerschere(transportetc.).beidiesemgrikommtes gedrucktwerden.der"essstabchengri\o2istnurinderasiatischenkulturweit Weitere,sehrspezielleGrie,dienurzurganzspezischenBenutzungderjewei- beidengrienm1bism4nichtunbedingtumdengleichengrityp(vgl.dagegendievereinfachte Darstellungin[11]):BeiM1undM2greifendieFingersehrweitumdenHenkelherum,sodassdie TasseschonalleindurchdieseFingersichergegrienwird.AndersistdiesbeiM3undM4,beidenen diefingerimhenkelalleindietassenichthaltenkonnen,sonderndieunterstutzungdesdaumensund stabilzuwerden.grin1isteinealternativezum3oderm4,wennderhenkelzuengwird. desunterenfingersbrauchen,diegegendiefingerimhenkelverspanntwerdenkonnen,umbesonders 16AndersalsobenbeiderVorstellungdesKonzeptsdesvirtuellenFingersdargestellt,handeltessich J K

79 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN L M HaltenleererTasse.L2,M1{M4,N1:OnungzuganglichzumTrinken,L2nurbeikalter Tasse(AnzahlderFingerimvirtuellenFingerbeiM1{M4abhangigvonGroedesHenkels). N2:"Gluhwein-Weihnachtsmarkt-Variante\zumAufwarmenderHande.N3:Haltenzum einernichtsohohenpositionheraus,z.b.imsitzen.l4:variantedes"hakengris\zum Bild3.20:GreifeneinerTasse.L1{L3:TransportuberkurzeDistanz:L1:Aufnehmenvon Bemalen.N4:GreifenderSeitenwand(meistmehrererTassengleichzeitig).{Weitere oben(tassezwischenanderenoderdeutlichtieferalsschulter);l2:uberreichen,abstellen ErlauterungensieheText. inhohemregal;l3:aufnehmen(tasseahnlichhochwieschulter).wirdeherbenutztaus N nipuliergri(furdasobere)miteinander.auchgrio3zumknotenknupfenist haltenlediglichdieseilenden,wahrendmittelnger,zeigengerunddaumensie verbreitet.erkombinierteinenhaltegri(furdasunterestabchen)undeinenma- einekombinationvonhalte-undmanipuliergri:kleinerfingerundringnger Bild3.21:Spezialgrie(Auswahl).O1:SchneidenmiteinerSchere.O2:Essenmit Essstabchen.O3:KnupfeneinesKnotens.WeitereErlauterungensieheText O

80 68bewegen. KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD furdiewahleinesgriesnichtnurdieobjektformundderverfolgtezweckeinegroe DiedargestelltenGribeispiele,insbesonderediederTasse,veranschaulichen,dass Zugeletc. speziellandiehandangepasstenwerkzeugeundmanipulationshilfennden,dieder MenschimLaufederZeiterfundenhat,z.B.Zange,Flaschenoner,Dosenoner, NochmehrSpezialgrielassensichvorallembeimGebrauchdervielen,oft anderenbestimmtist,sogreifen,dassmandieinnenachenichtberuhrt.obendreinwird maninvornehmenkreiseneinweinglasnichtamkelch,sondernamstielgreifen.allein Rollespielen,sondernauchErfahrungundallgemeinesWeltwissenmiteinieen:So wirdman,ausselbstschutznachfruherererfahrung,einedampfende,alsoheietasse amhenkelgreifen.undausgrundenderhygienewirdmaneinetasse,diefurjemand daserkennenderverschiedenensituationenundrandbedingungenstellteinebeachtliche Systemsein,sondernmussaufvielfaltigeWeisemitdenfurdieanderenAspektezustandigenSystemenverknupftsein.VonServiceroboterndererstenGenerationkanndeshalb sicherkeindemmenschenvergleichbaresgreifverhaltenerwartetwerden. kognitiveleistungdar,dererwirerwachseneunserstimumgangmitkindernwieder bewusstwerden.dasmenschliche"greifsystem\kanndaherkeineinfachstrukturiertes vongrienoderzuderenklassizierungdieinbild3.23dargestelltengriparameter zubetrachtensind. Reihe"Greifparameter\ausverschiedenenBereicheneinieen,dieinBild3.22dargestelltsind. Imalltaglichen,zumTeilunstrukturiertenLebensumfelddesMenschen,indemauch AusdemVergleichdergegebenenGribeispieleergibtsich,dasszurUnterscheidung ImErgebnisistfestzuhalten,dassbeimMenschenbeiderWahleinesGrieseine undmitwelchgroemspektrumverschiedenerkunstlicherundnaturlicherobjekteer heutigeindustrierobotermitbackengreifernnichtinfrage,wieschoninabschnitt3.2.1 dieservicerobotereingesetztwerdensollen,ndensichobjekte,dieindeninbild3.24 einevielfaltvoneigenschaftendermenschbeimumgangmitobjektenberucksichtigt beimgreifenundmanipulierenvonobjektenumgehenkann. mitbild3.2aufseite33diskutiert.siewerdenabersofortrelevant,sobaldeinmehrngrigergreiferzurverfugungsteht(vgl.abschnitt2.2abseite12).dieindiesemunterkapitel dargestellenparameterzurgriauswahlwerdenserviceroboterindennachstenjahren jedochnichtannaherndinvollemumfangberucksichtigenkonnen;zunachstwerdennur dievergleichsweiseeinfachzubestimmendenobjektabhangigenparameter,undvondiesen DieindiesemunddenvorhergehendenUnterkapitelndargestelltenGriekommenfur aufgefuhrtenobjekteigenschaftenunterschiedenwerden.diesmachtdeutlich,welch zuerstdieform,diegroeunddieerreichbarkeit,einerollespielen(vgl.abschnitt4.3 liegendeoderstehendeobjektdirektmitdemzielgrigegrienwird.oftsinddieob- abseite108) Um-Greifen VielederbereitsgezeigtenGriekonnennichteinfachhergestelltwerden,indemdas

81 3.3.ABLAUFVONGREIFVORGANGEN 69 - zu greifende Objektpartien - freizuhaltende Objektpartien - Endstellung - Kinematik (durchzuführende Bewegung und Manipulation) - Präzisionsanforderung - Dynamik (Krafterfordernis) - sensorische Anforderungen - Form - Größe - Oberfläche (Struktur, Textur,...) - Reibung - Material - Stabilität - Temperatur Zweck Ziel - Oberflächeneigenschaften (trocken/feucht, Handschuhe) - Verletzungen/Schmerzen - Ermüdung Zustand aufgabenspezifische Parameter Objekt- Arm/Hand eigen- schaften kontextspezifische objekt- Griff Kognition intrinsische - Weltwissen - Masseverteilung - Erfahrung Um-Greifen17denbeabsichtigtenGrizuerzeugen.FolgendeVariantendesUmgreifens Bild3.22:Parameter,diebeimMenschenindieWahleinesGrieseinieen(zudenObjekteigenschaftensieheauchBild3.24). jektoberachen,aufdiegegrienwerdensoll,nichtfreizuganglich.dereinzigeausweg istindiesemfall,dasobjekterstmiteinemanderengriaufzunehmenunddanndurch Umgebung - Sozialverhalten - Erreichbarkeit - Anweisungen (Objektposition, -orientierung) langerbetonungaufderzweitensilbe:"umgrei 17MitkurzerBetonungaufdererstenSilbe:"u.mgreifen\=denGriandern.ImKontrastdazumit - Bewegung des Objekts fen\=beimgreifenmitdenfingereinschlieen,die objektextrinsische - Hindernisse - zugängliche Objektpartien - Medium (Luft/Wasser) Bild3.23:ParameterzurUnterscheidungundKlassizierungvonGrien. - Zuordnung Greif- Griffflächen - aktive Kontaktflächen - Position und Orientierung (Greifflächen): der Hand relativ zum Objekt. Stellung zueinander Relation (Oppositionen, Gelenke). Kräfte (Normalkräfte, Scherkräfte) - aktive Kontaktflächen - Steifigkeit der Finger (Griffflächen) - virtuelle Finger Hand Griff Objekt

82 70 KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD Objekt Farbe Textur Material Struktur Rauigkeit Nachgiebigkeit Feuchtigkeit Temperatur Adhäsion Chemie Oberfläche Geometrie Variabilität starr gegliedert flexibel elastisch plastisch körnig flüssig gasförmig Form ruhend passiv bewegt angetrieben Bewegungszustand Größe Masse Masseverteilung Dichte Gewicht vorherbestimmt Objektklasse bekannt unbekannt Vorhersehbarkeit Stabilität Bild3.24:Objekteigenschaften,nachdenenderMenschbeimGreifenundManipulierenunterscheidet. gibtes: 1.AbsetzenundWiederaufnehmendesObjekts:Bedingungistdabei,dasseine Positiongefundenwird,inderdasObjektmitdemerstenGriabgesetztundmit demzweitenwiederaufgenommenwerdenkann(oderdiessoofthintereinandergeschaltetwerdenkann,dassimletztenschrittderzielgrierreichtwird). 2.Um-GreifenamObjekt:ZweiVariantensindmoglich: StatischesUm-Greifen:DabeiwirddasObjektimmervonmindestenszwei Fingerngehalten,wahrenddieweiterenFingerneueGripositionensuchen. VoraussetzungdafuristeinGreifermitmindestensdreiFingernmitjemehr alseinemfreiheitsgrad. DynamischesUm-Greifen:HierwirdderGrikurzzeitiggelockertoderdas Objektsogarganzlosgelassen;eskannsichdadurchbewegen.DieBewegung kannpassivdurchdiegewichtskraftoderaktivdurchdiefingerbewirktwerden.beispielehierfur:objektaufdenfingernineineneuepositionrollen lassen;zweifingerhaltendasobjektlocker,eindritterdrehtes(z.b.beim AufnehmeneinesliegendenStiftszurSchreibhaltung);dieTragheitausnutzend dasobjektkurzloslassen,umschnellumzugreifen(besondersfurdieschwerelosigkeiteinerraumstationundunterwassergeeignet{entsprichtdannin etwademabsetzenundwiederaufnehmen);sowiedasobjekthochwerfenund neugreifen("jonglieren\).18 FingerumdasGreifobjektlegen. 18DiebeidenletztenVariantenerfordernkeinebeweglichenFingerundkonnendaherprinzipiellauch miteinembackengreiferdurchgefuhrtwerden.

83 ist.daeszudiesembereichnochkeineeingehendenpsychophysischenuntersuchungen sokommteszueinersequenzvonkurzzeitigenzwischengrien,bisderzielgrierreicht VorallemdasUmgreifenamObjekterfordertofteinekomplizierteBewegungundKoordinationderFinger,umdasObjektinderHandzudrehenohneesdabeizuverlieren; 3.4.INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN 71 seidaheraufgefordert,andieserstelleeigeneeinfacheexperimentedurchzufuhren.dazu J4zumAufnehmeneineszylindrischenObjekts,z.B.einesStifts,zuundzwischenden AnwendungsgrienK1bisK GriemitWerkzeugen gibt,stehennureigenebeobachtungenunddieintrospektion19zurverfugung.derleser AuerzumdirektenGreifenundManipulierenvonObjektenbenutztderMenschseine eignensichinsbesonderedieubergangevondeninbild3.19gezeigtengrienj1bis HandauchzumGreifenoderzurBedienungvonWerkzeugen,dieihrerseitszumGreifen odermanipulierendienen.dergebrauchvonwerkzeugen(undihreherstellung)ist einederganzwesentlicheneigenschaftendesmenschen,dieihnvomrestdertierwelt abhebenundletztlichzuseinerheutigenvormachtstellunggefuhrthaben.diegreifwerkzeugehabeninderregeldenzweck,denkraft-und/oderdimensionsbereichderhand 3.21aufSeite67),elektronischbetatigteMikromanipulatoren,KranundBaggersowie ferngesteuerterobotergreifer.dasmenschlichegreifsystemistoensichtlichsoexibel, dassesauchfurdiesewerkzeugegeeignetegrieandenobjektenndenundnachkurzer den.typischegreifwerkzeugesindzange,pinzette,essstabchen(vgl.grio2inbild nachobenoderuntenzuerweiternoderdendirektenkontaktmitdemobjektzuvermei- 3.4InformationsverarbeitungfursGreifen Wiewirgesehenhaben,istdasGreifeneinkomplexesOrganisationsproblem,dasnichtnur diemotorikbetrit,sondernauchdiesensorik{dentastsinnunddassehen,ggf.auch Ubungszeitauchbedienenundhandhabenkann. wesentlichekomponenteistjedochdasgehirn,dasinverschiedenearealegegliedertist. DasvisuelleSystembelegtdenhinterenTeildesGrohirns,dieSensorikundMotorikden integrierenundmiteinanderzukoordinieren,bedarfeseinerleistungsfahigeninformationsverarbeitung.beimenschundtierwirddiesevomzentralennervensystemubernommen;seineunterstenstufen(reexeundahnliches)bendensichimruckenmark,seine dashoren{sowiediekognitioneinbezieht;sogardergleichgewichtssinnistbeteiligt.um oberenteil,dieobjekterkennungsitztandenseiten,unddiekognitionistimvorderen dieindersensorikanfallendendatenzuverarbeitenunddieverschiedenenaspektezu gerauflosung,umdieaktivitateinzelnerneuronenaufzuzeichnen,wahrenddiedirekte bildgebendenverfahrenwiepositronenemmissionstomograe,rontgentomograe,elektroenzephalograeundinfrarotspektrograearbeitenzeitlichwieraumlichmitzugerin- Bereichlokalisiert.WahrendeinesGreifvorgangswerdendaherfastimganzenGehirn identizieren,istdaher{bei1010{1011neuronenimgrohirn{auerordentlichkompliziert.auerdemstehennursehrbegrenzteanalysemoglichkeitenzurverfugung:die Arealeaktiviert.DenBeitrageinzelnerAreale,NeuronengruppenodergarNeuronenzu 19ZudenGrenzenderIntrospektiongeradebeimGreifensieheinAbschnitt3.4.3aufSeite73.

84 72 AbleitunganNeuronennurfurwenigeDutzendNeuronengleichzeitiggelingt.DieNeurobiologiekanndahereinerseitsnursehrglobaleAussagenderArtmachen,welcheAreale beiwelchentatigkeitenbenutztwerden,undandererseitsnursehrdetaillierteaussagen uberdenmolekularenaufbauderneuronen,ihrverhaltenbeidersignalubertragungund KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD diekorrelationihrersignalemitbestimmtenereignissen. (bisetwazehnneuronen)istschontechnischverwendbareswissenvorhanden:damit lassensichz.b.diesignalverlaufeinnerhalbeinesneuronsrechtgutsimulieren[342,192]. FurServiceroboteristdieserDetaillierungsgradjedochvielzuhoch,weileineSimulationaufNeuronenebenevielzukomplexware.Vielmehrwurdeinteressieren,welche ReprasentationenimKleinenwieimGroenundvorallemwelcheAlgorithmenverwendetwerden,vonwelchenParameternsieabhangen,welchefunktionaleEinheitenoder AufdenEbenenderMolekularstrukturen,derZellenundkleinsterNeuronenverbande notigendichteundtiefeliegendemnachnochnichtgenugenderkenntnissevor.daher vonihmverarbeitetenereigniskorreliertsind.ineinerfureinetechnischeumsetzung Modulesichidentizierenlassen,obundwiesiefurverschiedeneSituationenmoduliert verzichteichandieserstelleaufeineausfuhrlichebeschreibung;eineneinstiegindie plexensystemsignaleauftreten,diemitseineminputoderseinemoutputodereinem technischersichtjedochinteressiertdielageundverteilungderbeteiligtengehirnareale kaum,wahrendaussystemtheoretischersichtselbstverstandlichist,dassineinemkom- oderkonguriertwerdenundwiesiesichzueinemgesamtsystemzusammenfugen.aus ichnureinpaargenerelleerkenntnissewidergeben,diefureinetechnischerealisierung interessantseinkonnen Zeitverhalten NeurobiologiedesGreifenssowieeinenUberblickuberdasmotorischeunddasvisuelle DieersteAnderungderHandtrajektorienacheinerVerschiebungdesObjektsistbeieiner SystemndetderinteressierteLeserinAnhangCabSeite227.AndieserStellemochte Hinreich-Bewegungnachetwa100msnachzuweisen.IndieserZeiterfolgtdievisuelle Verarbeitung,dieUmsetzungineinegeeigneteReaktionsowiedieAnregungderMuskeln. Berucksichtigtman,dassdieSignallaufzeitindenNervenfasernallein10{20msbetragt, anjedersynapse(schaltstellezwischendenneuronen)ca.5msverlorengehenunddie MuskelnaucheinegewisseZeitbrauchen,bissiereagieren,dannistdaseineerstaunlich 3.4.2Regelung kurzezeit.diesbedeutetzumeinen,dassnuretwa10{20synapsendurchlaufenwerden UmeineBewegungzuregeln,haltdasmotorischeSystemeineReihevonhierarchischund dainsokurzerzeitkeinplanungsvorgangstattndenkann. konnenunddasskeinesfallseiniterativervorgangodereinrelaxationsvorgangstattnden parallelangeordnetenregelkreisenbereit,diemitverschiedenem,z.b.taktilem,somato- kann.weiterhinmussdierichtungderreaktionvorgegebenodervorherangelegtsein, sensorischen(ausdengelenkenundmuskeln)odervisuelleminputarbeitenundverschie- deneantwortzeitenhaben.dieauswirkungenderhierarchischenanordnungsiehtman z.b.daran,dassaufeinestorungeinerarmbeugungdurcheineplotzlichaufgebrachte

85 LasteineAntwortindreiPhasenerfolgt:Zuerstkommtnachetwa10mseinekurze etwa200msfolgtdanneineweitere,langerandauerndeantwortdeskortex,dieeine 3.4.INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN impulsartigereaktionubereinenreexbogenimruckenmark.eineahnlichaussehende Antwortfolgtnachetwa50msubereineschnelleRuckkopplungsschleifeimKortex.Nach 73 ImvisuellenSystemspaltetsichdieInformationsverarbeitunginzweiPfadeauf,den 3.4.3Bildverarbeitung erstenbeiden"automatischen\antwortendienendemnachdazu,dieluckebiszurangemessenenreaktionzuuberbruckenunddieauswirkungenzubegrenzen. "Neuprogrammierung\derBewegungunterBerucksichtigungderStorungvornimmt.Die Lasionenimdorsalen"Manipulationspfad",dieObjektezwardetailliertbeschreiben,aber Pfadschonrechtguterforschtist,weimanuberdendorsalenPfadnochvielweniger. DieAufspaltunginzweiPfadejedochistklinischnachgewiesen:EsgibtPatientenmit wirdinihm{soweitbekannt{inbezugzumkorperreprasentiert.wahrendderventrale beitungimdorsalenpfadlauftunbewusstabundmundetindiemotorik;dasobjekt sikationvonobjekten;erarbeitetmitobjektzentriertenreprasentationen.dieverar- ventralenunddendorsalenpfad.derventralepfadmundetindieerkennungundklasnungspfad",dienichtinderlagesind,objektezubeschreibenoderwiederzuerkennen, nichtgreifenkonnen.umgekehrtgibtespatientenmitlasionenimventralen"erken- nichtbeschreibenkonnen,unddenken,dasssiesiedeshalbauchnichtgreifenkonnen, sieaberdennochgreifenundhandhabenkonnen,z.b.einekarteentsprechendderorientierungeinesschlitzesdrehenundsieeinfuhrenkonnen.zwischendenbeidenpfaden wahrendpatientenmitlasionenimdorsalenpfadihrenmangelnichtdirektspurenund ist.somerkenpatientenmitlasionenimventralenpfaddirekt,dasssiedieobjekte bestehenquerverbindungen,dieauchnotigsind,umz.b.einbestimmtesobjektfureine Manipulationauswahlenzukonnen.Interessantist,dassnurdasErgebnisdesventralen PfadesderSpracheunddemBewusstseinunddamitauchderIntrospektionzuganglich nurindirektbeobachtenkonnen.zubeachtenistalso,dassunsdieintrospektionnicht wievonauenbeobachtenkonnen Implementierung IndenvergangenenJahrenwurdeninderForschungAlternativenzurklassischensymbolischenVerarbeitungderkunstlichenIntelligenzundzumklassischenSMPA-Ansatz weiterhilft,wennwirwissenwollen,wiewirgreifen,sonderndasswirdievorgangenur logischmotivierteralgorithmen,undaufderanderenseitevonderbiologieinspirierte RoboterarchitekturenmitSchlagwortenwieSubsumptionsarchitektur(subsumptionarchitecture),verhaltensbasierteRobotik(behavior-basedrobotics)usw.[44,43,42,268] (vgl.auchabschnitt2.3abseite22). [421,108,314,5])sinddemAufbaudernaturlichenneuronalenNetzwerke(NNN)im Gehirnnachempfunden.SiesollendiewesentlichenEigenschaftenderNNNeinfangen, derrobotik(sense,model,plan,act)entwickelt.zudiesenalternativengehorenauf dereinenseiteverschiedeneartenkunstlicherneuronalernetzwerkeundandererbio- DiekunstlichenneuronalenNetzwerke(KNN,articialneuralnetworks,ANN

86 74 wielernfahigkeitundtrainierbarkeit,vorallemfurzusammenhange,dieanalytisch schnelleberechnung; nichtfassbarsind; KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD assoziativesverhalten; gutesinterpolationsverhalten; verteiltereprasentationenunddahertoleranzgegenausfallvoneinzelnenelementen; MoglichkeitderExtrapolation; tischenalgorithmenverwendet,umderenlosungenzuverbessern.siewerdenzudem teninderinformationsverarbeitung.alsersatzfurdiebisherindertechnikdominierende wegengeringerergeschwindigkeit,speicherkapazitatundprazisionnichtleistungsfahig MitdiesenEigenschafteneronenkunstlicheneuronaleNetzwerkeneueMoglichkei- symbolischeverarbeitungeignensiesichjedochnochnicht,weilsieimdirektenvergleich genugsind.siewerdendeshalboftalserganzungzusymbolbasiertenoderanaly- mussen,wasnebenerfahrungumfangreicheexperimenteunddahervielzeiterfordert [89,244,18,294]. unddienotigevorverarbeitungoftspeziellfurdiejeweiligeaufgabeentwickeltwerden sehrhoch,daesnochkein"baukastensystem\furknngibt,sondernderenstruktur nemknngelerntwerdenkann.derentwicklungsaufwandfurknnistderzeitjedoch eingesetzt,wennmitanalytischenverfahrenkeinelosunggefunden,sondernnurmitei- PotenzialzurweiterenVerbesserungderKNNbesteht(zurUnterscheidungwirdim FolgendenbeiKNNvonKnotengesprochen,beiNNNvonNeuronen): Vertiefung: 1.TechnischeingesetzteKNNarbeitenublicherweisemiteinerkontinuierlichen DieUnterschiedezwischenNNNundKNNsindnochbetrachtlich,sodassviel Groe(einerFliekommazahl),diederPulsratebeiNeuronenentsprechensoll. DakeineImpulsewiedieAktionspotenzialeindenNNNverwendetwerden, 2.KNNbestehenausbiszumehrerenHundertKnoten.Dieselbstineinem NetzwerkemitbiszueinigenzehnKnoteneingesetzt[6].20 vonneuronennachbilden,werdenzurerforschungvoneigenschaftenkleiner zuerforschen,werdeninderforschungansatzemitoszillierendenknoten lassensichzeitdierenzenzwischenimpulsenundsynchronitatvonimpulsen nichtausnutzen.umdennutzenvonsynchronitatundphasendierenzen nichtmitvergleichbarenleistungenzurechnen. wirddamitbeiweitemnichterreicht.demzufolgeistbeiknnheutenoch einzigenhirnarealumeinigegroenordnungenhohereanzahlvonneuronen untersucht[396].elektronischemodelle,diedieelektrischeneigenschaften Impulsenwurdeweggemittelt). stantenimsystembedeutendgroerseinmusstenalsdieimpulsabstande(unddiezeitdierenzzwischen gegebenenaquidistantenimpulsen;unddieublicherweisebeiphase-locked-loop-schaltkreisen(pll, [26])verwendeteNaherung,mitderPulsratezuarbeiten,istnichtanwendbar,weildafurdieZeitkon- dargestelltwerdensollen:diesonstfurabtastsystemeverwendetez-transformationbasiertaufhiernicht 20Oenist,wiedieaquidistantenImpulseoderAktionspotenzialeinhandhabbarerWeisemathematisch

87 3.4.INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN 3.ImVergleichzudenbiszu10000EingangssynapseneinesNeuronshabendie NeuronenmehrereSynapsennochmalszuUntereinheiten(Kompartimenten) KnotenmitoftnichteinmalzehnbishundertEingangeneinesehrvielgeringere Komplexitat.AuerdemwerdenalleEingangegleichbehandelt,wahrendin zusammengefasstsind InKNNwerdendieLaufzeitenaufdenDendritenundAxonenvernachlassigt. DieLaufzeitenaufdenDendritenwerdeninNNNz.B.vonbewegungsrichtungssensitivenZellenausgenutzt,dieschonindenerstenVerarbeitungsstufen 6.BeidenmeistenKNN-ModellensindTrainings-undAnwendungsphasestrikt 5.MitKNNistesbishernichtgelungen,AssoziativspeichermitgroerKapazitatherzustellen.DiegeringenKnotenzahlenbegrenzenstarkdieZahlder Muster,dieabgespeichertwerdenkonnen,ohnedassInterferenzenauftreten. DiemultipleAssoziativitatderNNNwirdebensonichterreicht. inderretinazundensind[174]. voneinandergetrennt.nachabschlussdestrainingsmiteinemspeziellensatz 7.DiemeistenheutigenKNN-ModellesindfurdieAbbildungeinesMusters beispieleauchwiederholtwerdenmussten."lernenaufanhieb\(one-shot nurinansatzengeklartist,wiedaslerneninnnnfunktioniert.imgehirn sindeinereihevonarealenanverschiedenenartendeslernensbeteiligt,was dieerforschungerschwert. vonbeispielenistkeingezieltesnachlernenmoglich,daalleanderentrainings- learning)istbeidenmeistenknnnichtmoglich.dasliegtauchdaran,dass BisechteAlternativenzurVerfugungstehen,scheintesamzielfuhrendsten,inder Ansatzenmoglichunddeshalbtechnischnochnichteinsetzbar.WiedieVerarbeitungvonSequenzeninNNNgeschieht,istGegenstandderForschung;ein theoretischeransatzgehtvonmusternaussynchronfeuerndenneuronenaus, diejeweilsdieneuronendesnachstenmustersanregen,sodasseinesequenz oderkettevonmusternentsteht(synrechain)[1,3]. aufeinanderesgedacht.dieverarbeitungvonmustersequenzenistnurin 3.4.5PrinzipienderInformationsverarbeitung dafurdenschwerpunktaufalgorithmenundreprasentationenzulegen.dieentwicklungvonspezialhardwareerscheintmirsinnvoll,wennsichalgorithmenwie ForschungundEntwicklungvonServiceroboternaufherkommlicheRechnersysteme zusetzenundvonihrerstetigwachsendenleistungsfahigkeitzuprotierenund SehrgroeUnterschiedezwischentechnischenundbiologischenSystemengibtesauchin derarchitekturihrerinformationsverarbeitung. IntechnischenSystemenwerdenpraktischausschlielichRechnermitderArchitek- ReprasentationenstabilisierthabenundderEinsatzingroerStuckzahlbevorsteht. turnachvonneumann[395]eingesetzt.diesezeichnensichausdurcheinezentralere- cheneinheit,durchzentraledaten-undprogrammspeicher,durcheinenzentralenadress- unddatenbusunddurcheinenzentralenarbeitstaktsowiedurchdigitale,strengdeter- ministischedatenverarbeitung.bestenfallswerdenmehrerevondiesenrechnernparallel eingesetzt.

88 sinduberdasgesamtegehirnverteiltgespeichert.diedatendeslangzeitgedachtnissessteckenindenubertragungseigenschaftenderverbindungsstellenzwischendenneuronen,densynapsen.daskurzzeitgedachtniswirdwahrscheinlichdurchdielangsanenzentralenadress-unddatenbusbestimmterbreite,sonderneinevielzahlvon Punkt-zu-Punkt-Verbindungen,dielokalseinkonnenoderubergroereEntfernungenalsmassivparalleleBundelverschiedeneArealeverbinden.EineUnterscheidungin Daten-undAdressleitungenwirdheutenichtgemacht{vorstellbaristdiesaber:Nah daeskeinespezielleregiongibt,beiderenausfallsamtlichefunktioneninmitleidenschaftgezogenwurden.auchgibteskeinenzentralenarbeitstakt.demzufolgekann esauchkeinenzentralen"programmspeicher\geben.einzelnefunktionensind amzellkorpereinesneuronssitzendehemmendesynapsenkonnteneinedasneuronausschaltendefunktionhaben,dieeinerselektionoderadressierunggleichkame und[394]).Sicherist,dasseskeinenzentralenDatenspeichergibt:DieDaten BeiTierenscheintdieArchitekturvolliganderszusein(sieheauchAnhangCabSeite KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD undsinnesmodalitatenwerdenuberzentralekerngebietehergestellt[174].esgibtkei- abklingendeerregungoderaktivitatvonneuronenoderdurchruckkopplungsschleifen realisiert.nurverknupfungenundassoziationenzwischenverschiedenengedachtnis- nichterzeugtwerden,sodassesnacheinerdiusenmodularisierungaussieht.dennoch aberdurchausanbestimmtehirnarealegebunden,wiedurchlasionenundtomograsche Verfahrenfestgestelltwurde[174].GanzspezischeAusfallekonnendurchLasionenaber DieInformationsverarbeitungimGehirnisthochgradigparallel,undsieistverteilt, konnteabereinescharfemodularisierungvorliegen,nurdassdieeinzelnenmodulenicht angenommen(dasverhalteneinzelnerneuronenistnurimstatistischenmittelmitauerenereignissenkorreliert).neuronenwerdenwahrscheinlichdurchgemeinsameeingange miteinanderverwobensind,obwohlsieansonstenunabhangigvoneinanderarbeiten.eine sicheinzelnefunktionensogareinzelnenneuronenzuordnen.beisaugetierenwirddiese sehrgutuntersuchtevisuellesysteman[174].beiinsektenundniederentierenlassen Eins-zu-Eins-ZuordnungheuteaberausgeschlossenundehereineverteilteReprasentation solchebisindiemikroskopischeebenemodularisiertearchitekturdeutetsichfurdas ortlichscharfvoneinandergetrennt,sonderndiejeweiligenverarbeitungsstrangeraumlich zeitweisesynchronisiertundkodierendadurch,dasssiemerkmalederselbenentitatbeschreiben. zentraleverhaltenskontrolleistdaslimbischesystem,dasdieemotionenerzeugtund richtungaufbestimmteausschnittederumwelt,diealsaufmerksamkeitssteuerung zentralerfolgenoderuberallemoduleverteilt.einemoglicheinstanzfureinesolche anzunehmen.sieisterforderlich,daeinorganismusinsgesamtnureinverhalten(oder bezeichnetwird.dieerforderlicheabstimmungdereinzelnenmoduledesgehirnskann wenigesichnichtstorende)zurgleichenzeitdurchfuhrenkann.dieserforderteineaus- TrotzderModularisierungisteineArtzentralerKontrolleundKoordination GehirnzwaraufModuleverteilt,aberdochzentralkoordiniert.Alternativkonntendie ZeitnurjeweilseinesaktivseinundeineAktionsteuernkann. technischeninrechnernist,dasseinzelneneuronenimvergleichzutransistorenund VerbindungenzuvielenHirnarealenhat.InsofernwaredieInformationsverarbeitungim betreendenmodulemiteinanderkonkurrieren,abersoverschaltetsein,dasszurgleichen EinweitererUnterschiedderbiologischenInformationsverarbeitungimVergleichzur

89 Gatternsehrlangsamsind.SiehabenZeitkonstantenimBereichvoneinerodermehrerenMillisekunden.MitdenVerarbeitungszeitenvoninsgesamthundertMillisekundenbis zueinersekundeergibtsichdaraus,dassdielogischeverarbeitungstiefesehrgering seinmussundnurindergroenordnungvoneinigenzehnbishundertschrittenhinterein INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN TausendProgrammschrittedurchlaufen.SignaleaufdenLeitungenwerdendurchdigitale Impulse(stereotypeAktionspotenziale)ubertragen,dochsindderenAbstandenichtquantisiert,sondernkontinuierlich-analog.InformationuberdieSignalintensitatstecktinder Pulsrate(Pulsratenkodierung).Dadiesejedochtypischerweisezwischen50und200s 1 anderliegenkann{beirechnernwerdenselbstfureinfachefunktionenschnellmehrere jedemschrittdieermittlungderpulsrateabzuwarten.stattdessenmussaufdaserste EintreeneinesImpulsesreagiertwerden.DieIntensitateinesSignalskanndannnurbei parallelenleitungendurchdiesynchronitatmehrererimpulseberucksichtigtwerden. GesamtverarbeitungszeitvonhundertoderwenigenHundertMillisekundenunmoglich,in DurchdiehoheRezeptorendichteimOrganismusistdieseParallelitatoftgegeben.Neben derweiterleitungdurchimpulsegibtesimzentralennervensystembeilokalenverbindungen(durchsogenannteinterneurone)auchdieanalogeubertragungvonsignalen.die unddieimpulsabstandedamitzwischen5und20msliegen,istesbeieinerminimalen wird,liegtderfehlerbeieinerpulsratevon200s 1bei1/20oder5%.Wirdaufmehreren parallelenleitungengleichzeitiggemessen,reduziertsichderfehlerentsprechend,z.b. WennaufnureinerLeitungdiePulsratebestimmtundz.B.nur100mslanggemessen bei50leitungenund200s 1auf10 3.WirddagegenderAbstandzwischenaufeinander folgendenimpulsengemessen,derbei200s 1bei5msliegt,undalsmaximaleAuflosung InformationsverarbeitungistbeiTierenalsogemischtdigitalundanalog. deroptimistischewertvon5sgenommen,21dannliegtderfehlerauchbei10 3.Dieser GleichzeitigbestimmtdiePulsratenkodierungdiemoglichePrazisionimSystem. GehirnisteinehoherePrazisionzurVermeidungeinerzustarkenAkkumulationbeider FortpanzungvonQuantisierungsfehlernaberauchnichterforderlich[394]. 9-stelligenZahlen.WegendergeringenlogischenTiefederInformationsverarbeitungim FehleristbedeutendgroeralsinRechnernz.B.die10 9beiRechenoperationenmit nuraufdermittelungoderdersynchronitatvonsignalenvielerparallelerneuronen beruhen.diegrundefurdasrauschensindunbekannt.einnutzenkonntesein,dass dieverarbeitungimgehirnnichtalsstrengdeterministischangesehenwerden;siekann mitihmderarbeitspunktunddamitdieempndlichkeitderneuroneneingestelltwerden kann:siekonntendurchdasrauschenknappunterihreraktivierungsschwellegehalten zufalligeraktionspotenzialezubeobachten("spontaneaktivitat\[174]).daherkann BeiSignalableitungenimGehirnistweiterhinofteinHintergrundrauscheninForm sieheinabschnitt5.1.2abseite127). Variabilitat,diebeiGreifbewegungenfestgestelltwird[67](zuderenmoglichenNutzen dasrauschensorgtfureinegewissezufallskomponente,dieursacheistfurdiehohe werden,sodassdanneinkleineszusatzlichessignalfurihreaktivierungausreicht.oder erreichtdermenscheinezeitlicheauflosungimmikrosekundenbereich.diemaximalezeitdierenzzwischendenohrenistdortmitetwa900saberbedeutendgeringeralsdiemindestens5mslangezeit zwischenzweiaufeinanderfolgendenimpulsen. 21BeimRichtungshoren,dasaufderLaufzeitdierenzderSchallsignalezwischenbeidenOhrenbasiert, EineweitereEigenschaftbiologischerSystemeistderenRobustheitgegenAusfall

90 nach.diesgiltallerdingsnichtfurinsektenundniederetiere,beidenenmanchefunktionenvoneinzelnenneuronenabhangen. 78 einzelnerneuronen.dieverarbeitungsleistungfalltdannnichtwiemeistbeitechnischensystemenganzaus,sondernlasstwiebeikunstlichenneuronalennetzengraduell KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD bau,dereinehoherepackungsdichteundeinenhoherenvernetzungsgraderlaubt,alsbei denzweidimensionalaufgebautentechnischensystemen. tigentechnischensystemenist,dassinderbiologiediesteuerungundinformations- verarbeitungmoglichstentlastetwird,wahrenddertrendindertechnikdahingeht, EineauereEigenschaftderbiologischenSystemeistihrdreidimensionalerAuf- InderBiologieistdieMechaniksoaufgebaut,dasssiedurchihreKonstruktiondieSteue- moglichstvielindieimmerpreiswerterwerdendeinformationsverarbeitungzuverlagern. rungvereinfacht;passivephysikalischeeigenschaftenwerdengenutzt,umaktiveregelun- genzuvereinfachenoderuberussigzumachenoderdietoleranzenzuvergroern.auch EinweitererwesentlicherUnterschiedzwischendenbiologischenVorbildernundheu- indersteuerungundinformationsverarbeitungsetztsichdiesevorgehensweisefort:die unterstenverarbeitungsebenensindsoverschaltet,dasssiediezumschutzdeskorpers oderzumuberlebennotwendigengrundfunktionenrealisieren.dieinformationsverarbeitungistinderbiologiestarkhierarchischaufgebautundnichtnurstarkdezentralisiert, sondernauchverteilt.dierechenleistungistindertechnikmeistbisandiegrenzeausgereizt,wahrendsieinderbiologiegrozugigbemessenistundkaumvollausgeschopft wird. stemefast"blind\.dennochfutdieinformationsverarbeitungintechnischensystemen aufdervollstandigkeitderrelevantendaten,odereswirdversucht,diesez.b.mitmodellenherzustellen.eswirdvonbekanntenszenarienundoftvoneinerstatischenumwelnug,vollstandigedatenzuerhalten,unddieumweltistzudemofthochdynamischund liefertunbekannteszenarien.entsprechendherrschtbeitechnischensystemendiealgorithmischesteuerungvor,dieoftmitlokalenreglernkombiniertwird,umdynamische Steuerung,diedieDynamikeinbezieht;beilangsamenVorgangenndetderUbergangzu einerregelungstatt,dieglobalwirktundaufdaszielbezogenist.diebewegungsablaufe geplant;beiderdurchfuhrungwerdendannnurnochabweichungenausgeregelt.tiere Eekteauszugleichen.DagegenbedientsichdieBiologieeinerdirekterensensorischen sindindertechnikoft{wiedietrajektorieeinesraumfahrzeugs{imdetailvoraus- kommenzwarauchnichtumeinegrobeplanungherum,diedetailseinertrajektorie rischenschleifekonnensiedurchexploration,durchinteraktionmitderumgebung, werdenjedocherst{wiebeieinemanalogrechner{inderausfuhrungfestgelegt;daher kannexibelaufstorungenreagiertwerden. TierendieBasisfurihrUberleben.DurchAusnutzendergeschlossenensensomoto- durchbeobachtenderwirkungenihreraktionenautonomerfahrungenmitundubersich undihreumweltsammelnundihrverhaltenimmerweiteroptimieren.sokonnensiesich auchineinerneuenumgebungzurechtndenundautonominihragieren.vorallemvon dieserleistungistdietechnikweitentfernt. LernenndetintechnischenSystemenfastnichtstatt,dagegenistesbeihoheren ausgegangen.inderbiologiedagegensindpraktischnie,oderzumindestnichtschnellge- ImVergleichzuTierenmitihrerreichenundvielfaltigenSensoriksindtechnischeSy- PrinzipielllassensichdieEigenheitenderbiologischenInformationsverarbeitung,so-

91 jedochdanachzudierenzieren,wasfurdierealisierungtatsachlichnotwendigistund wasinderbiologienurausevolutionsbiologischengrundenineinerbestimmtenweise FurdietechnischeRealisierungeinerbestimmtenFunktionalitat,z.B.desGreifens,ist weitsiedetailliertgenugbekanntsind,aufvon-neumann-rechnersystemennachbilden. 3.4.INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN 79 geschieht.aufgrundderbeschranktenkenntnissesowohluberdiebiologiealsauchuber diefunktionenfalltdiesedierenzierungheutenaturgemaschwer. selbstsein. technischensystemensetztzumeinendierandbedingungenfurdieeingesetztenalgorithmenundreprasentationen,zumanderenkannsieaberauchbestandteilderalgorithmen DieArchitekturder"Hardware\undderInformationsverarbeitungbeibiologischenund 3.4.6AlgorithmenundReprasentationen tekturundalgorithmenimlaufederevolutiongleichzeitigmiteinanderundinstandiger InteraktionmitderUmweltentwickelthaben.DahergibtesbeidenAlgorithmenebenso muss.diesgiltinbesonderemmaefurdiebiologischensysteme,beidenensicharchiander;siesindaneinanderangepasst.komplexesystemekonnennurverstandenoder nebenderarchitekturunddenalgorithmenauchdieumgebung,indereinsystemagieren entwickeltwerden,wenndasganzeimaugebehaltenwird;dazugehortimzweifelsfall BeikomplexenSystemengreifenArchitekturundAlgorithmenHandinHandinein- BishersindtechnischeSystemevorwiegendfurhochstrukturierteUmgebungen wiebeiderarchitekturgroeunterschiedezwischendenbiologischenorganismenund dentechnischensystemen,diebishernurfursehreingeschrankteumgebungenentwickelt wordensindundbeidenenhauguniversalrechnereingesetztwerden EigenschaftenbiologischerAlgorithmen entwickeltworden,diegrotenteilsstatischsindundexaktimvorausbeschriebenwerden konnen.insolchenumgebungenwerdenkaumsensorengebraucht,undeskannmitstarren,vorprogrammiertenlosungengearbeitetwerden.zumfindeneinerlosungwerden SystemundUmgebungmoglichstexaktundvollstandiganalytischmodelliertundmit diesenmodellennacheineranalytischbeschreibbarenlosunggesucht.deshalbistauch diearchitekturdersystemeanalytischbeschreibbargestaltet.furdiearbeitsweiseder Systemebedeutetdas,dasssiezyklischundsequenzielldieSchrittederWahrnehmung, Modellierung,PlanungundAusfuhrungdurchlaufen(diesistderklassischeSMPA-Ansatz derrobotik:sense,model,plan,act;vgl.auchabschnitt2.3abseite22).dieseranplexitatgutzurecht;siehabengeeignetealgorithmenentwickelt. bishergescheitert.imgegensatzdazukommenbiologischesystememitdieserkom- unstrukturierterumgebungenistderklassischeansatzderkunstlichenintelligenz auenoderkombinatorischervielfaltnichtmehrvorhersagbarist.andieserkomplexitat linearitatennichtmehranalytischbeschreibbar,wegenluckenhafterdatennichtmehr vollstandigbekanntundwegenchaotischenverhaltensoderunbekanntereingrievon satzstotdortanseinegrenzen,wodieumgebungsokomplexist,dasssiewegennicht- menausdurch BiologischeAlgorithmenzeichnensichgegenuberklassischentechnischenAlgorith-

92 80sehrschnelleundguteNaherungslosungen:DieLosungenbiologischerAl- gorithmensindseltenexakteoderoptimalelosungen.diesistbeidenkomple- xenundoftnp-vollstandigenproblemeninderzurverfugungstehendenzeitauch nichtmoglich;denntierestehenwegenderkonkurrenzuntereinanderunterstarkemzeitdruck(z.b.beidernahrungssuche,insbesondereaberbeimauftauchen vonastzuastineinemwindbewegtembaumwipfel).gleichzeitigstehentiere einesfressfeindesisteineschnellereaktionerforderlich,ebensobeimschwingen KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD undamendevisuellgeregeltengreifvorgang(vgl.abschnitt3.3.2abseite53). OrganisationdesmotorischenSysteme(vgl.zudenhierarchischenRegelkreisenin AbschnittC.1aufSeite242),aberauchindeminderAnfangsphasegesteuerten stehenderzeit{weiterprazisiertwird.dieszeigtsichauchinderhierarchischen einegrobenaherungslosungbereitgestelltwird,diedann-jenachzuverfugung gutsein.einehaugverwendetelosungfurdiesesdilemmaist,dasssehrschnell auchunterhohemleistungsdruck,d.h.dienaherungmussauchnochmoglichst geringelogischeverarbeitungstiefe:verarbeitungsprozessezurobjekterken- Parallelitat:EssindsovieleNeuronenvorhanden,dassalleRezeptorsignaleparallelunddamitbesondersschnellverarbeitetwerdenkonnen.SequenzielleProzessnungundBewegungsorganisationlaufeninGehirneninnerhalbvonwenigenHundertMillisekundenabundkonnendahernurauseinigenzehnbishundertaufeinanderfolgendenVerarbeitungsschrittenbestehen.BeikurzenVerarbeitungszeitenvon vonblickbewegungenabgetastet),beimkognitivendenkenundbeiderorganisationdesverhaltens(weilderkorpernureineoderwenigeaktionengleichzeitig ausfuhrenkann). gibtesaberbeidervisuellendatenaufnahme(eineszenewirddurcheinesequenz AdaptivitatundLernfahigkeit:MitAdaptivitatsollhierdieAnpassungder wenigeralsetwa500msisteinvorwartsgerichteterprozessohneruckkopplungen anzunehmen,beidemdieaktivierungderneuronenwieeinewellevomeingang konnenauszeitgrundenerstbeilangsamerenprozessenwiebeischwierigenobjekterkennungsaufgabenoderbeimlerneneinerollespielen. zumausgangdurchdasgehirnlauft.iterativeverfahrenoderrelaxationsvorgange ParametervonAlgorithmenanneueSituationenmitdemVerlustderaltenParameterwertegemeintsein.Wachstums-undAbbauprozesseerforderninderBiologiheit,sondernauchdurchMuskelauf-und-abbauverandertsichdieKinematikund diedynamikdeskorpers.einefolgedieseradaptivitatscheintzusein,dassdie wieturnen,tennisspielen,eiskunstlaufundtanzen,beidenenesbesondersauf einestandige(langsame)anpassung.nichtnurdurchdaswachstuminderkind- diekoordinationvonbewegungankommt).dagegenwirdeineschnelleanpassung HochleistungenstandignotigeTrainingbeimMusizierenaberauchinSportarten vonparameternbeimmenschenz.b.durchdieveranderungderkinematikund Langzeitstabilitatnichtsehrhochistundz.B.zurErhaltungderPrazisionvonBewegungsablaufenofttrainiertwerdenmuss(Beispieledafursinddasbesondersfur DynamikbeiderBenutzungvonverschiedenenWerkzeugenoderbeimAnlegenvon Kleidunggefordert.BeidieserschnellenAnpassungmussessichabernichtunbedingtumeineAdaptivitatderParameterimobigenSinnhandeln.Stattdessen

93 3.4.INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN kannessichumlernenhandeln.darunteristhierzuverstehen,dasseinneuer ParametersatzohneVerlustdesaltengelerntwird,oderdassdieAbhangigkeitder ParametervoneinemodermehrerenubergeordnetenParameterngelerntwird. EinIndizdafur,obAdaptionoderLernenvorliegt,ist,wieschnelldieRuckan- 81 FehleroderAbweichungendeckendieNotwendigkeiteinerVeranderunginFormvon passungerfolgt.beideranpassungdertransformationzwischenvisuellerreprasen- tationundkorperkoordinatenanssehenz.b.miteinerneuenbrillehandeltessich ist,denfehlerzuerkennen.dieskannerreichtwerdendurchvorgabeeinererwartungfurdasendeeineraktionoderdeneintritteinesbestimmtenereignisses(z.b. dasseinobjektsichnachdemzugreifenmitderhandmitbewegtoderdasseinbestimmteskontaktmusteraufdenfingernbeiberuhrungeinesobjektsentsteht{ EinewichtigeQuellefurLernenundAdaptionistdieKorrekturvonFehlern. oensichtlichumadaption,beideranpassungderkinematikunddynamikanverschiedenewerkzeugeeherumlernen;mischformensinddenkbar. LernenoderAdaptionauf.EineersteVoraussetzungzumLernenoderAdaptieren gesteuertesgreifen)oderdurchanwendeneines(langsamen)iterativenverfahrens aufeinensystematischenprozesszumfindeneinereinfachenlosung(z.b.reex- zurfehlerminimierung(z.b.dieminimierungdesabstandsdurchvisuomotorische chesausprobieren(suchendestastenimfalledesgreifens),durchzuruckgreifen RuckkopplungbeimAnnahernaneinObjekt). sieheauchkapitel5.1abseite122).eineweiterevoraussetzungist,denfehleroder dieabweichungdannauchbehebenzukonnen.dieskanngeschehendurcheinfa- Selbstorganisation:GehirnundNervensystemvonSaugetierensindsokomplex, dassihrgenomdieinformationsmengezuihrerdetailliertenbeschreibungnicht fassenkann.daherkonnennurgrobestruktureninverbindungmitregelnvorgegebensein,diediefeinstrukturineinemselbstorganisationsprozessentwickelngorithmenzurinformationsverarbeitungzutrennen,dasieaufeinerbedeutend inabschnitt3.5aufseite92).indiesenphasenwerdenauchsignaleausder Umwelteinbezogen,sodasszusatzlichdieSelbstorganisationzurAnpassungan dendieentwickeltenstrukturen"eingefroren\,dochbleibteinegewisseplastizitat erhalten.diesestrukturierungsalgorithmensindjedochvondeneigentlichenal- DiesgeschiehtinbestimmtenPhasenderfruhkindlichenEntwicklung(sieheauch langsamerenzeitschieneablaufen.selbstorganisationndetabernichtnuraufder EbenederStrukturierungderInformationsverarbeitungs-Hardwarestatt,sondern dieumweltgenutztwird.nachabschlussdiesersogenanntenpragephasenwer- auchbeiderorganisationvonwissen.beimlernenwerdenneueerfahrungen organischmitdemvorhandenenwissenverbundenundmitderzeitvielfaltigassoziativverknupfte"bibliotheken\aufgebaut.diesgeschiehtimsystemselbstandig, entwickelnundein(implizites)modellvonderweltaufzubauen. ohneeingrivonauen,alsoselbstorganisiert.selbstorganisationbedeutetindiesemsinneauchautonomie. exartigvorgegebenenanfangslosungennachundnachkomplexerelosungenzu SelbstorganisationundLernenerlaubenesTieren,ausgehendvoneinfachen,re-

94 82Flexibilitat:DieUmweltvonTierenistauerstvariabelundvielfaltig,sodass einzelnekonstellationenpraktischeinzigartigsindundhochstwahrscheinlichnicht CharakteristikaeinerKonstellationerkennenkonnenundexibelfureinengroen wiederauftretenwerden.biologischealgorithmenmussendaherdierelevanten KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD Anwendungsbereichmodizierbarsein.DierelevantenCharakteristikakonnenzum TeilvonAnfanganvorgegebensein(z.B.beimGreifendieBeruhrungeinesObjekts durchauslosendesgreifreexesoderbeimsehendaszusammenfassenvongleichartigbewegtenpunktenzueinemobjekt)oderstatistischdurchkorrelationengelernt Robustheit:DurchdiehoheVariabilitatderUmweltvonTierenkommteshaug rungvonbestimmtenparameternmodizierbarsein.dieseparameterwerdenvon denrelevantencharakteristikaabhangen;dieabhangigkeitkannzusammenmitden zuunvorhersehbarenstorungen.dagegensindbiologischealgorithmenrobust,weil werden.umdieflexibilitatzuerreichen,mussendiealgorithmendurchverande- sieinderregelnichtnuraufeinemmerkmal,sondernaufmehrerenredundanten Charakteristikastatistischgelerntwerden. Merkmalenzugleichaufbauen.BeimGreifengeschiehtz.B.dieBestimmungder ObjektpositionnichtnurdurchStereosehen,sondernauchdurchBewegungsparallaxeunddurchAusnutzungderPerspektiveundistsomitauchmitnureinemAuge moglich(wennauchnichtsogenau).dieredundanzbeiderverarbeitungvon AbstrakteReprasentationen:BeimMenschenkonnenAktionen,dienormalerweisemitbestimmtenKorperteilenverbundensind,auchaufandereKorperteile beieinzelnenmerkmalen,gegenausfallvonmerkmalenundverlustvonneuronen Merkmalen,diesichauchinderParallelitatundRedundanzvonneuronalenVerarbeitungswegenwiederndet,fuhrtzuRobustheitgegenRauschenundStorungen oderaufwerkzeugeubertragenwerden.sokannnichtnurmitderrechtenhand undzubehandeln. geschriebenwerden,sondernauchmitderlinkenhandoderdenfuen.eskann underlaubt,storungenundverarbeitungsfehlerdurchwidersprucheaufzudecken einertafel(ausdemarmheraus).dercharakterderschriftbleibtdabeierhalten, obwohlsieanfangs"krakeliger\aussieht.einemoglicheerklarungist,dasseseine kleinaufeinemblattpapier(ausderhandheraus)geschriebenwerdenodergroauf Korperteilegebundenist,undAlgorithmen,diedieseReprasentationauffastbeliebigeKorperbewegungenumsetzenkonnen.UmdieseUmsetzungaberglattund zugigdurchfuhrenzukonnen,bedarfeszusatzlicherubung,beiderandiejeweiligenkorperteilegebundenealgorithmenoderreprasentationentrainiertwerden. Dassdieserforderlichist,kannmitderDynamikundKinematikzusammenhangen, diefurdieverschiedenenkorperteilesehrunterschiedlichsind.wegendertotzeiten ubergeordneteabstraktereprasentationderschriftgibt,dienichtanbestimmte fortgeschritten,bisdiekorrekturwegendertotzeitenwirksamwerdenkann.daeinekontinuierliche RegelungunweigerlichzuInstabilitatfuhrenwurde,kanndieseKorrekturnurausjeweilskurzzeitigen 22WenneineAbweichungvondervorgesehenenTrajektorieauftritt,istdieBewegungschoneinStuck den.normalschnellebewegungenkonnennurabschnittsweisekorrigiertwerden22 durchdiesignalubertragungimkorperunddieverarbeitungimgehirnkonnennur sehrlangsamebewegungenineinergeschlossenenregelschleifedurchgefuhrtwer-

95 3.4.INFORMATIONSVERARBEITUNGFURSGREIFEN ReprasentationfurdieTrajektorie,eventuellmiteinerVorgabevonerwunschten gelerntundtrainiertwerden.23 undmussenimwesentlichengesteuertwerden.diesesteuerungmussdurchubung BeimMenschenscheintesalsofurBewegungeneineubergeordneteabstrakte 83 schekinematikunddynamik. ParalleldazugibtesfurdiejeweiligenKorperteilespezielleReprasentationenfur dieumsetzungderbewegungmiteinervorgabedersteuersignalefurdiespezi- EektenderBewegung(z.B."BallubersNetz\beimTennisaufschlag),zugeben. schereprasentationenoderalgorithmenfurdiejeweiligeumsetzungverantwortlich inobjektzentrierterformdarstellen,wahrendfurdieeinzelnenwerkzeugespezi- sind.miteinersolchenubergeordnetenabstraktenreprasentationlasstsichauch beliebigfurgreifwerkzeugevonderpinzettebiszumbaggerskaliertundangepasst werdenkonnen.eineubergeordnetereprasentationkonnteeinengriabstrakt ten,daspezischegrienichtnurfurdiehandeerzeugtwerden,sondernauch FurdasGreifenlasstsichdieseAufteilungderReprasentationenauchvermuneteabstrakteReprasentationvonGrieneignetsichauch,umServiceroboterndas ImitierenvonmenschlichenGrienzuerlauben,obwohlihreKinematikwesentlich passunganihrekinematikundihrkraftpotenzialerforderlichist.eineubergeord- obwohlihrehandeundarmekleinerundschwachersindunddahermeisteinean- andersist.dassimitationinsoperfekterweiseundinsbesonderederwerkzeuggebrauchpraktischnurbeimmenschenundkaumbeitierenzundenist,deutet allerdingsdaraufhin,dassessichumsehranspruchsvollefunktionenhandelt. diegreifweitegroereingestellt,wennschnelleroderwennblindzugegrienwird wirdantizipiertundindertoleranzbeiderausfuhrungberucksichtigt{z.b.wird erklaren,warumkinderaktionenundgrievonerwachsenenimitierenkonnen, BerucksichtigungderToleranz:DiebeieinemVorgangzuerwartendePrazision biologischen"hardware\angepasstsein.eineharterandbedingungsinddierelativlangentotzeiten,diedurchdieimvergleichzurtechniksehrlangsamesignalubertragung RandbedingungeninbiologischenSystemen DesweiterenmussendiebiologischenAlgorithmenanbestimmteRandbedingungender (vgl.abschnitt3.3.2abseite53). dessenmussbeisehrschnellenbewegungenaufeinesteuerungzuruckgegrienwer- vonwenigenhertz.furschnellebewegungenverbietetsichdahereineregelung.statt- einerbewegungundetwa500msodermehrbeidervorbereitungvonbewegungen.dadurchliegtdiestabilitatsgrenzebeiregelungsprozessenbeieinergrenzfrequenz unddurchdieverarbeitungszeitenimgehirnentstehen.dietotzeitenliegenbeimmenschenimmotorischensystemzwischenetwa100msbeirichtungskorrekturenwahrend Zeitpunkten. WiederholungndetsoeineAnnaherungandiegewunschteTrajektoriestatt. EingrienindasSystembestehen,diefruhestensnacheinerbestimmtenTotzeitwiederholtwerdendurfen, z.b.durchvorgabeeinerneuenrichtungoderanderungvonsystemparameternzubestimmtendiskreten werden,umdiesteuersignalefurdienachstebewegungentsprechendzumodizieren.durchmehrfache 23DabeikonnenAbweichungenvondervorgesehenenTrajektoriewahrendeinerBewegungbenutzt

96 auchwahrendderbewegungdurchgefuhrtwerden,wennderfehlerzudiskretenzeitpunktenbestimmtwird(abtastenundhalten,sampleandhold),dieweiteralseinezykluszeit auseinanderliegen[307].dannhatsicheinekorrekturvollausgewirkt,bisderfehlerdas KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD 84 den.beibewegungen,dielangerdauernalseinezykluszeit(totzeit),konnenkorrekturen mitunvollstandigenundungenauendatenauskommenmussen,wahrendinder SchnelligkeitderSteuerungverknupftwerden(sieheauchKapitel7abSeite179). duziertwird(undzwarsoweit,dassdiefrequenzbandbreitederbewegungennichtdie Grenzfrequenzuberschreitet).AufdieseWeisekanndiePrazisionderRegelungmitder nachstemalbestimmtwird,unddiestabilitatistgewahrleistet.inderendphase,wie TechnikbishermeistvollstandigesWissenuberundeinegenaueBeschreibungderUmgebungvorausgesetztwird(oftz.B.einCAD-Modell).VollstandigesWissenundgenaue Beschreibungliegeninnicht-kunstlicherUmgebungpraktischnievor:ZumBeispielist beimsehendieruckseiteeinesobjektesnichtdirektsichtbar(vgl.bild3.9aufseite48 inabschnitt3.2.3.daheristbeimgreifeneinesunbekanntenobjektesdessenruckseite, EineweitereRandbedingungbiologischerAlgorithmenist,dasssiepraktischimmer beimgreifen,kannaucheineregelungeingesetztwerden,wenndiegeschwindigkeitre BiologischeBewegungssteuerung gegrienoderaufderruckseitedertastsinneingesetztwird. wennsienichtvorherinspiziertwurde,unbekannt.auerdemistdiereprasentationdes ObjektswegenAbtastungoderuberlagertemRauschenoderandererUrsachennieprazise. BewegungsbeginndieTrajektorienkinematischinPosition,GeschwindigkeitundBe- WahrendbeiheutigenIndustrieroboternBewegungenmeistsoerzeugtwerden,dassvor BeidesmussbeimZugreifenberucksichtigtwerden,z.B.indemdasObjektandenSeiten benenwerteeingestelltwerden,gibtesbeitierenausheutigersichtkeinedetaillierte einesobjektsdergridadurchbeeinusst,obdasobjektgleichzeitigauchumgedreht schleunigungvorausgeplantunddurchregelungindeneinzelnengelenkendiesevorgege- kinematischevorausplanung.zwarwirdeinebestimmtezeitzurvorbereitungeiner Bewegunggebraucht,undesndetaucheine"Planung\statt(z.B.wirdbeimVersetzen werdensoll).diebewegungsparameterwerdenaberwohlnichtexplizitvorherbestimmt, kannabernichtverzichtetwerden,umz.b.hindernissezuvermeidenoderdiezielpositionzuerreichen.diesevia-punktekonnendannbeiderbewegungbeobachtetunsiert(start,zielundvia-punktefungierenalsrandbedingungen).diebeiderbewegung DierenzialgleichungsindaufdereinenSeitediephysikalischenZustandsgroenfurden BewegungsapparatundaufderanderenSeitedieZustandsgroenderbeteiligtenneurona- ausdenabweichungenkorrekturenfurdiesteuersignaleabgeleitetwerden.nachdieser ModuleneinenAnalogrechnerdar,dereinebestimmteDierenzialgleichungreali- DieKinematikderTrajektorieentwickeltsichdannwahrendderBewegungausderPhysik desbewegungsapparatesimzusammenspielmitderdynamikderbeteiligtenneuronalen Module.DemnachndetdiePlanungbeimTiernichtaufderEbenederKinematikstatt, sondernaufderebenederfurdiemuskeln(oderdasruckenmark)benotigtensteuersignale.aufeinergrobenvorgabevon"meilensteinen\beiderbewegung(via-punkten) sondernimplizitdurchdieamanfangindenneuronenaufgebauteaktivitatfestgelegt. erzeugtetrajektorieistdielosungderdierenzialgleichung.zustandsvariabledieser VorstellungstelltdasgesamtemotorischeSystemmitSkelett,Muskelnundneuronalen

97 lenmodule.abhangigkeitenzwischendenzustandsvariablenwerdeneinerseitsdurchdie PhysikundandererseitsdurchdieneuronalenVerbindungenundUbertragungseigenschaftenbestimmt.LetzterekonnenimneuronalenSystemmoduliertwerdenunderlauben dadurch,dietrajektoriezumodizieren.einefolgedesbiologischenalgorithmusist, 3.5.ENTWICKLUNGDERGREIFFAHIGKEITEN 85 sein. abermeistnichterforderlich;siewirdinderregelauchbeiserviceroboternnichtnotig einerbewegungdieprazisionverbessertwerden.inderbiologieisteinehoheprazision Nurdurcheine(langsame)RegelungmitvisuellerRuckkopplungkanninderEndphase dassdiewiederholgenauigkeitmitetwa1cmweitgeringeristalsbeiindustrierobotern. ObwohlMenschundTierimLaufederEvolutionkonstruktivstarkanihrjeweiligesUmfeldangepasstwurden,geschehengroeTeilederAnpassungimIndividuum,vorallem beiderkongurationderinformationsverarbeitung,durchwachstums-undausleseprozesseinderinteraktionmitderumwelt.indertechnikjedocherfolgtdieanpassung Lage.DieseFahigkeitentwickeltsicherstimLaufedeserstenLebensjahres,unddie anderenprimatenundbeiaenlauftdieentwicklungahnlich,aberdeutlichschneller bisinsdetailundfastvollstandigdurchdiekonstrukteure;abschlieendwirdhochstens einekalibrationdurchgefuhrt.hierweistdiebiologiedenweg,wiedieanpassungbei komplexensystemengemeistertwerdenkann. EntwicklungwirderstinderPubertatganzabgeschlossen[344,355,106].Auchbei ab[78]. nochnichtvollfunktionsfahig[174].essindimzentralennervensystem(gehirnund WennKinderaufdieWeltkommen,sindsienochnichtzugezieltemGreifeninder 3.5EntwicklungderGreiffahigkeiten Ruckenmark)vielmehrNeuronenangelegt,alsgebrauchtwerden.IndenerstenTagen ronen,dieeineungeeigneteverschaltunghaben,aussortiertwerden.ebensosindbeider GeburtzahlreicheVernetzungenundVerbindungenvorhanden,dieindenerstenWochen undwochennachdergeburtndeteinmassivesneuronensterbenstatt,beidemdieneu- undmonatenabgebautwerden.zumbeispielprojizierendieneuronendernetzhautbei BeieinemNeugeborenenist{allgemeinbeiallenSaugetieren{dasNervensystem dergeburtingehirnregionen,zudenenspaterkeineverbindungenmehrbestehen[355]. DieseAusleseprozessewurdennachgewieseninderOrganisationderVerbindungenzwischenMuskelundRuckenmark,imgutuntersuchtenvisuellenSystemundauchinanderen BereichendesNervensystems[174]. keine"blaupause\desnervensystemsenthalten.stattdessenenthaltesnurdieinformation,dienotigist,umdiegrobstrukturaufzubauen.diefeinstrukturentstehtdann desnervensystemseinszueinsidentizierenundbestimmtenfunktionenzuweisenlassen, istdiesbeisaugetierennichtmoglich.dieskannschonalleindeshalbnichtmoglichsein, diekapazitatdesgenomssprengenwurde.deswegenkanndasgenombeimsaugetier weileinsaugetiergehirnsovieleneuronenundverbindungenenthalt,dassdiemenge aninformation,dienotigware,umdenaufbaudesgehirnsbisinsdetailzukodieren, Wahrendz.B.inInsektensichzwischenIndividueneinzelneNeuronenganzerBereiche durchselbstorganisationsprozesse,derenregelnebenfallsdurchdasgenomvorgegeben sind.dieseselbstorganisationsprozesseschaltenineinerartwettbewerbuberzahlige

98 denorganismus,sichanseineindividuelleumweltanzupassen(dermenschz.b.andie PhonemeseinerMuttersprache[198]).InderStrukturdesNervensystemssinddurch dasgenomauchschonbestimmteverhaltensweisen(reexe,triebe,instinkte)vorgegeben,diedemorganismusalsleitliniendienen,uminderumweltzuuberlebenundsich zurechtzunden. WochenundMonatennocheinigeSelbstorganisationsprozesseablaufen[355,174]:Ste- wahregroevonobjektenkannbeurteiltwerden("groenkonstanz\);blickbewegungenndenstatt.vomfunftentagankonnenauchhandbewegungeninrichtungeines Objektsfestgestelltwerden[355]. SchonbeiNeugeborenenistdasvisuelleSystemfunktionsfahig,obwohlindenersten 86 undungeeigneteverbindungenundneuronenausundbietenzugleichdiechancefur KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD reosehenistangeboren,undraumlichetiefekannschongrobwahrgenommenwerden;die stereotypundwerdenweitgehenddurchreexebestimmt[344].auchdie"greifbewegungen\sindnochsehrstereotypundalsvorstufezumgreifen(pre-reaching)zuwerten[355,389]:wenndiearmegestrecktwerden,sinddiehandeetwagleichhauggeonet odergeschlossen.diesebewegungenndenauchstatt,wennkeingreifbaresobjektvorhandenist,sindaberetwashauger,wenneinobjektingreifentfernungist;objekte,die zugrooderzuweitentferntsind,losendieseneektnichtaus.dasschlieenderhand IndenerstenzweiMonatensinddieKorperbewegungendesKindesabernochsehr ohneobjektkonnenvielleichtauchdenrhythmischenbewegungenzugeschriebenwerden, diekinderindenerstenmonatenmitallengliedmaenunddemrumpfausfuhren[363]. Vorgang,sondernbestenfallsumeinevisuellausgelosteReaktion.Die"Greifbewegungen\ dieservorstufezumgreifenhandeltessich,sowirdvermutet,nichtumeinenwillkurlichen wirddasobjektverfehlt,aberetwasoftergetroen,wennesgleichzeitigxiertwird.bei geschiehtindiesemalterreektorisch,d.h.erst,wenndiehandinnenachedasobjekt DieseBewegungentreteninderEntwicklungverstarktauf,kurzbevormitdenjeweiligen beruhrt(greifreex);undeswerdenimmerallefingergleichzeitiggeschlossen.haug sen.erstabdemdrittenmonatandertsichdieswieder.dannwerdenbeivorhandenem fallig[390]:diehandesindbeiderarmstreckungdannuberwiegendzurfaustgeschlos- ObjektdeutlichmehrGreifvorgangeprobiertalsohne;undeswerdendieHandeauch GliedmaendieerstenwillkurlichenBewegungengemachtwerden. vor[355].wahrenddererstendreimonateentwickelnsichdieaugenbewegungenundihre vielofterdabeigeonet,wenndasobjektgleichzeitigxiertwird,alsdiesvorherder Fallwar.InderUbergangsphaseimdrittenMonatherrschtvisuomotorischeAktivitat GegenEndedeszweitenMonatsandertsichdasMusterder"Greifbewegungen\auf- Monat,unddannmachtdieGreiffahigkeitdesKindesauchraschgroeFortschritte.Die KoordinationmitKopfbewegungen,sodassdanndieSakkaden,dieAugenfolgebewegung dannein.sieerfolgtso,dasszuerstdiediehandschlieendenmuskelnangeschlossenwerdenunddanachdieonenden.durchdiezunehmendeubernahmederkontrolledurch IndenerstenbeidenMonatenistpraktischkeinemitdemObjektoderdem"Grei- unddiebinokularekonvergenzschonezientfunktionieren. fen\korreliertebewegungderfingernachweisbar.diespassierterstnachdemdritten Erklarungist,dassbiszumzweitenMonatdiedistalenMuskeln(hierdieFingermuskeln) nochnichtvomgehirnkontrolliertwerdenkonnen.imdrittenmonatsetztdiesekontrolle dasgehirnwerdenauerdemnachundnachdiekindspezischenreexe,z.b.auchder

99 Greifreex,unterdruckt. bildetsichsukzessivedasfurerwachsenetypischegreifverhaltenaus[390].indieserzeit richtendiekinderfastimmerihreaufmerksamkeitaufdiegreifhandlungundxieren 3.5.ENTWICKLUNGDERGREIFFAHIGKEITEN IndernunfolgendenZeitvomviertenMonatbiszumAnfangdeszweitenLebensjahres 87 daszugreifendeobjekt[78]. inetwawiefolgt: IndieserZeiterweitertsichauchdasGrirepertoire[191,350];dieEntwicklungist 4.{5.Monat:GreifennurmitderganzenHandundPressendesObjektsmitdenFingerngegendenHandteller.DerDaumenwirdnichtkontrolliertundmalmiteingeklemmtbeimGreifen,malnicht(GriR1inBild3.25). Bild3.25:ErsteGrieeinesKleinkindes(nachgestellt). 1 8.Monat:Greifenz.B.eineskleinenObjektsaufeinemTischmitseitlichemDaumen 7.Monat:DerDaumenwirdinOppositionzudenFingerngebracht,dasObjektaber 6.Monat:DerDaumenwirdmitzumGreifenbenutztundseitlichandasObjektangelegt(GriR2inBild3.25). nochmitderganzenhandgegrien. 9.Monat:ZumerstenMalwirdnurmitdenFingerkuppengegrien(GriF1in Hand.DierestlichenFingerhabendabeinochetwadiegleicheStellungwieder Zeigenger. Bild3.15aufSeite61).Beidemfurden8.MonatbeschriebenenGrisinddie ZeigengerspitzeundmitaufdemTischaufliegendemDaumenundaufliegender undzeigengerahnlichgrid4inbild3.14(aufseite60),nurmehrmitder 10.Monat:DieFingerwerdennichtmehrnuralleparallelbenutztundzumerstenMal 11.{12.Monat:DerPinzettengriwirdmitfreischwebenderHandausgefuhrt. FingernununabhangigvomZeigengerundwerdenweitereingerollt. DieseSequenzsiehtnacheinemreinenLernprozessaus,dochistbemerkenswert,dassin derzeit,inderdererstepinzettengribenutztwird,diepyramidenbahn,einenervenbahn derpinzettengriangewandt(grif4inbild3.15aufseite61),zunachstaber nochmitaufliegenderhandundaufliegendemunterarm. R 2

100 HandinHandmitderEntwicklungdesNervensystems,oderwaredasGehirnschonvorher 88 direktvommotorischenkortexinsruckenmark,erstvollstandigmyelinisiert(isoliert) wird.dadurcherhaltdasgrohirnerstzudieserzeitdievollstandigekontrolleuberdie Fingerundkannsienunaucheinzelnansteuern.{GehtderLernvorgangbeimGreifen KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD zumehrinderlage,nuristderkorpernochnichtsoweit?diesefrageistheutenoch abhangigvonderobjektgroe(abernichtproportionalzurobjektgroe:diedierenz sichauchdaszeitlichemusterdeserwachsenengreifverhaltens.beierwachsenen(vgl. MaximumgeonetunddannvorErreichendesObjektswiedergeschlossenwird.DabeisinddiemaximaleHandonungunddieOnungbeiKontaktmitdemObjektlinear Abschnitt3.3.2abSeite53)istesso,dassbeieinemGreifvorgangdieHandbiszueinem nichtabschlieendzubeantworten. derhandonungistkleineralsdiedierenzderobjektgroe)[391].derzeitpunktder InderZeitvomviertenMonatbiszumAnfangdeszweitenLebensjahresentwickelt maximalenonungliegtauerdembeikleinenobjektenfruheralsbeigroeren.wesentlichecharakteristikadeserwachsenengreifenssindalsodieantizipationderobjektgroe unddeskontaktzeitpunktesmitdemobjekt.beikleinkinderndagegenistdasverhalten anders[391]undderverlaufderentwicklungso: 1.{2.Monat:DasSchlieenderHanderfolgtreektorischbeiKontaktmitdemObjekt, 5.Monat:DieGreifhandrichtetsichentsprechendderOrientierungdesObjektsaus. unddiehandonungistunabhangigvonderobjektgroe. 5.{6.Monat:BeimGreifeneinesstationarenObjektswirdderZeitpunktdesKontakts Nachfruheren,heuteumstrittenenUntersuchungensolldasSchlieenderHandweiterhinreektorischerfolgen.Beim"Fangen\vonbewegtenObjektenabersinddiaktionszeitvon60ms).NurbeiwenigenGrienkonnennochzweigetrenntePhasetaktzeitpunkt(meistabervorAblaufderbeiErwachsenenminimalentaktilenRe- mitdemobjektantizipiert;dasschlieenderhandbeginntungefahrzumkon- Kindermeisterfolgreich,d.h.siekonnendenOrtunddenZeitpunktdesKontaktes festgestelltwerden,d.h.nurnochseltenwirddaszugreifenerstdurchdenkontakt mitdemobjektantizipieren[355,391].24 9.Monat:DieHandbeginntsichimMittelkurzvordemKontaktzuschlieen.Die 13.Monat:DieHandbeginntsichfruherzuschlieen,derZeitpunktistabernoch ausgelost.esbestehtkeinunterschiedbeiverschiedenenobjektgroen. HandonungvorKontaktistabhangigvonderObjektgroe,diemaximaleHandonungabernicht. 24MenschundAestammenvonVorfahrenab,dievermutlichaufBaumengelebthaben(sieheAbschnitt3.1)undsichwahrscheinlichahnlichwieheutigeAenhangelndfortbewegthaben.Einprazises unabhangigvonderobjektgroe.diemaximalehandonungunddiehandonung vorkontaktzeigeninetwaschondiegleicheabhangigkeitvonderobjektgroewie beierwachsenen. fenenballesdurfteahnlichsein;dortistdaszeitfensterzumschlieenderhandnur14mslang[391]). DeshalbistdiesvielleichtauchheutenochsofruhimMenschenangelegt. TimingbeimFassenderAsteistdabeiuberlebenswichtig(dasTimingbeimFangeneinesleichtgewor-

101 AberauchdannsindnochdeutlicheUnterschiedezuErwachsenennachzuweisen,wenn diegreifkraftebetrachtetwerden[106]:wenneinobjektangehobenwird,mussbeim keitdesschliezeitpunktesderhandvonderobjektgroemusssichnochentwickeln. DieEntwicklungdesGreifensistdannabernochnichtabgeschlossen.DieAbhangig- 3.5.ENTWICKLUNGDERGREIFFAHIGKEITEN 89 ZugreifeneinesohoheGreifkrafterzeugtwerden,dassdasObjektbeimHochhebennicht BeiErwachsenenscheintessichdagegenumeinenSteuerungsprozesszuhandeln,der sehrunterschiedlichaus,sodassdereindruckeinesruckgekoppeltenvorgangsentsteht. unddanndasobjektanheben.beierwachsenenistdiesanders:mitdemansteigender GreifkraftwirdgleichzeitigdieHebekraftaufgebaut.DasVerhaltnisderbeidenKraftverlaufezueinanderistvonGreifvorgangzuGreifvorgangsehrahnlich.Anderssiehtesbei Kleinkindernaus:BeiihnensehendieKurvensehrerratischundvonVersuchzuVersuch ausdemgrirutscht.robotermachendiesinderregelso,dasssieerstvollzugreifen aufgrunddererfahrungmitdenfestgestelltenobjektparametern"programmiert\wird. SelbstbeiZwolfjahrigenistnocheinUnterschiedzuErwachsenenfestzustellen.Eswird vermutet,dassdieseunterschiedeerstinderpubertataufhoren,wenndiemyelinisierung desfrontalhirnsendgultigabgeschlossenunddasgehirnvollentwickeltist. LebensjahresweitgehenddievisuomotorischeKoordinationzwischenAugeund Hand,wasdasGreifenbetrit.DiedafurgrundlegendenErkenntnisseundInterpretationenvonPiaget[288],dieerdurchBeobachtunganseineneigenenKindernunternicht IntelligenzundinderRobotiknden[88]),wurdeninzwischendurchneuereExperimente kontrolliertenbedingungengewann(unddieheutegroebeachtunginderkunstlichen mitmodernen,verfeinertenmessmethodenzumgroteilwiderlegtundrevidiert[78,355]: AuerdementwickeltsichinderZeitvomviertenMonatbiszumAnfangdesersten 5.Monat:IndiesemAlterschaenesKindermeistnicht,einkleineresObjektzugreifen,dasaufeinemgroerenliegt.Stattdessengreifensieoftdasgroere.Piagets Interpretationwar,dassdieKinderkognitivdieseObjektenochnichtalszweiObjektewahrnehmen,sondernalseineinziges.NeuereExperimente[78]belegenaberausragt,konnensiedaskleineObjektgreifen.AusdemgleichenGrundgelingt Anlaufmachen.WenndaskleineObjektaberetwasuberdasgroenachvornhin- eskinderndiesenaltersauchnicht,einkleinesobjekt,z.b.einenlegostein,aus beimannahernimmerzuerstberuhren.dannwirdentwederdergreifreexaktiviert,oderdievermeidungsreaktionlasstsiezuruckschreckenundeinenneuen dasskindersehrwohldiesebeidenobjektewahrnehmen,beimzugreifenaberdaran einemtransparentenplexiglaskasten(onung12cmbreitund5cmhoch)herauszuholen,dervorihnenstehtundnachvorneoenist[78].dadieonungrelativ scheitern,dassihrezielgenauigkeitnochsogeringist,dasssiedasgroereobjekt dasssiescheitern.wenndasobjektaberetwasausdemkastenherausragt,sindsie praktischimmererfolgreich,esseidenn,siestoenesversehentlichindenkasten KinderdenKastenentwedermitderHandinnenache,wasdenGreifreexauslost, odermitderhandauenache,wasdievermeidungsreaktionauslost.dengreifre- exoderdievermeidungsreaktionkonnensiejedochnochnichtunterdrucken,so kleinistunddasgreifenindiesemalternochnichtprazisegenug,beruhrendie 7.Monat:ObigeersteAufgabekannnunimmererfolgreichbewaltigtwerden.Das hinein.

102 90Greifenistzumeinennunprazisergeworden,zumanderenkonnenderGreifreex unddievermeidungsreaktionunterdrucktwerden.beiderzweitenaufgabemit demtransparenten(!)kastengelingtdiesnur,wennsiedasobjektdirektdurchdie Onungsehen.WenneszuweithintenindemKastenist,sehensieesnurdurchdie KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD geschlosseneoberseiteundversuchendanndirektaufdasobjektzuzugreifen,was naturlichnichtgelingt.wennderkastenzurseiteoenist,versuchendiekinder auchimmer,direktvonvornaufdasobjektzuzugreifen,scheiternabernaturlich 8.Monat:GegrienwirdimmernochausderRichtung,ausdergeblicktwird.Aberdie wiederandemkasten.nurwenndasobjektanderseiteetwasherausragt,haben andern. sieerfolg,esseidenn,siestoenesversehentlichindenkastenhinein,sodasses derrichtungzu,ausdersieblicken.sichtlinieundhinreichliniekonnensienicht voneinandertrennen.siemachenaberauchkeinenversuch,ihreblickpositionzu KinderandernihreBlickposition,indemsiesichhinunterbeugen,vonvorninden KastenhineinschauenunddanndasObjektherausholen.SieandernihreBlickpositionabernurbeinachvorngeonetemKasten. wennderkastennachvorngeonetist:diekinderbeugensichzuersthinunter, dannnichtmehrdirektzuganglichist.kinderindiesemaltergreifenalsoimmeraus 9.Monat:SichtlinieundHinreichliniekonnenerstmalsgetrenntwerden,allerdingsnur, sehenvonvornhinein,richtensichwiederaufundgreifendannerstzu.diekinder mussenalsoerstausderrichtunggeblickthaben,ausdersiegreifenmochten.bei 10.Monat:VonvornekonnendieKindernungleicherfolgreichzugreifen,ohnedass hineinundgreifendannmitderkontralateralenhandzu(weilsiesichmitdem seitlichgeonetemkastenlehnensichdiekinderzurseite,schauenvonderseite ipsilateralenarmabstutzen,umnichtumzufallen,oderweilsieaufdiesemarm liegen{derbenutztegrisiehtdahermerkwurdigverbogenundungeschicktaus). IndiesemAlterkonnenKinderalsobeimGreifenvonvorndieSichtlinievonder Hinreichlinietrennen,beimGreifenvonderSeiteabernochnicht. siesichersthinunterlehnenundindieonunghineinschauenmussen.wennder KastenzurSeiteoenist,lehnensiesichhinunter,schauenhinein,richtensich wiederaufundgreifendannvonderseitezu.nunistdietrennungvonsichtlinie DiehiergeschilderteEntwicklungzeichnetsichdadurchaus,dassnebendempraziser 12.Monat:NunkonnendieKinderauchvonderSeitezugreifen,ohneerstausdieser vollstandig,dietransformationdervisuellerfasstensituationindieentsprechende Richtunggeschautzuhaben.DieTrennungvonSichtlinieundHinreichlinieistnun motorischehandlunggelingt. undhinreichlinieauchbeimgreifenvonderseitemoglich. werdendenzugreifendergreifreexunddievermeidungsreaktionunterdrucktwerden sowiediezugreifrichtungvonderblickrichtunggetrenntwird.daspraziserwerdende Fahigkeit,dieHandtrajektoriewahrendderBewegungzukorrigieren[355]. Zugreifenistzumeinensicherdaraufzuruckzufuhren,dassaufgrundderGreiferfahrung dietransformationenvomvisuelleninsmotorischesystemgenauerwerden.zumanderenentwickeltsicherstinderzeitzwischendemfunftemunddemsiebtenmonatdie

103 wicklungdessupplementarenmotorischenareals(sieheanhangc.1abseite232)zuge- schrieben[78]:beipatientenmitlasionenindiesemhirnarealtretenzumteilwieder dergreifreexunddievermeidungsreaktionauf;auchdurchexperimenteanaenwurde 3.5.ENTWICKLUNGDERGREIFFAHIGKEITEN DieUnterdruckungdesGreifreexesundderVermeidungsreaktionwerdenderEnt- 91 wicklungverstanden,sonderndurcheinenreifungsprozesserklart,durchdendieun- terdruckungdertendenz,inblickrichtungzuzugreifen,moglichwird[78].erwachsene EbensowirddieTrennungvonSichtlinieundHinreichlinienichtalskognitiveEnt- DassupplementaremotorischeArealistaberauchwichtigfurdieAusfuhrungvonBe- zunden(etwaabdemachtenmonatmoglich). wegungssequenzen,umz.b.umeinhindernisherumzugreifenodereinverstecktesobjekt dieserzusammenhangnachgewiesen. AenmitLasionenimdorsolateralenprafrontalenKortex,einerRegion,dievordem auslosen[355].sieerwartenamortdesobjektseineberuhrung,dasiebeivirtuellen ObjektensehruberraschtundirritiertsindwegendesfehlendenKontakts[355]. nungabschatzen,dazuweitentfernteoderzugroeobjektewenigerarmstreckungen supplementarenmotorischenarealliegt,habenschwierigkeiten,dasdirektezugreifenin Blickrichtungzuunterdrucken. (preshaping),dieabhangigistvorallemvonderobjektgroe,aberauchvonderobjektform(vgl.abschnitt3.3.2abseite53).zunachstspieltdertastsinnnocheinegroerolle beidererzeugungdesgris,aberabdemachtenmonatbenotigensienurnochvisuelle vonachenbildernunterscheiden[355].siekonnenauchobjektgroeundentfer- AbeinemAltervonvierMonatenzeigenKinderbeimGreifeneineGrivorformung KleinkinderimAltervonzweiMonatenkonnenschondreidimensionaleObjekte ImfunftenMonatgreifenKinderimmererstdasnahereObjekt,wennzweiodermehr Information,umihreHandeentsprechendderObjektgroeund-formvorzuformen. erstistdievisuellekontrollederhandtrajektoriewahrendderbewegungmoglich. ObjektevorihnenhorizontalaufeinerFlachestehen,auchwenndasbevorzugteObjekt OrientierungeinesStabes,obwohlsiebeimKontaktnochetlicheweitereKorrekturen derstabgedrehtwird.diesekorrekturgeschiehterstabdemsiebtenmonat;dann machen[355].siereagierenabernochnichtdarauf,wennnachbeginnderbewegung ImfunftenMonatdrehenKinderbeimGreifenihreHandeschonentsprechendder dasweiterentfernteist:dasnaherescheintein"hindernis\darzustellen,aufdassichdas Greifenrichtet,obwohldieAugendasanderexieren.DieErklarungkonntesein,dass AnhangC.2abSeite244). diekommunikationzwischendemventralenpfad(objekterkennung)unddemdorsalen Pfad(visuomotorischeKontrolle)desvisuellenSystemsnochnichtvollentwickeltist(vgl. AusprobierennocheineweitereQuellezurVerfugung:dieImitationvonGrien,diedie Elternanwenden.InderLiteraturuberdasGreifenbeiKleinkindernspieltdieserAspekt demderaen.zubedenkenistauch,dasskinderbedeutendkleinereundschwachere HandehabenalsErwachsene,sodasssiedievorgemachtenGrieschonausdiesemGrund allerdingskeinerolle.essiehtehersoaus,alsobdieverschiedenengrie"automatisch\ auftauchen.dasrepertoireistbeikleinkindernauchnochsehrkleinunddecktsichmit ZumLernenvonGrienstehtdemKindnebendemeigenen"Entdecken\durch kaumamgleichenobjektnachmachenkonnen.inderspaterenentwicklung,wenndie ObjekterkennungunddasDenkenweiterentwickeltsind,wirddieImitationaberohne

104 92 ZweifeleinewichtigeRollespielen(z.B.beiderHandhabungvonEsswerkzeugen). Faktenauchaus{,dassdasGreifenunddieanderenmotorischenundsonstigenFahigkeiten(Gehen,Sprechen,Denkenusw.),nachundnachgelerntwerden[288].Dassdies NachtraditionellerVorstellungistesso{undsosiehtesnachdenbisherprasentierten KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD FahigkeitzumLaufenangeboren.Diesistnotig,weildasKalbwegenderFressfeinde stehtdasgnukalbauf,stakstundgaloppiertauchsehrbaldherum;beimgnuistdie sonstnichtuberlebenkonnte.aufderfluchthaltsichdasneugeborenekalb,dasfastso schnellgaloppierenkannwiedasmuttertier,engandessenseite(vielleichtkannesindem sondern"nestuchter\sindwiedasgnu[93]:schonwenigeminutennachdergeburt fruhenentwicklungsstadiumnochnichtselbstandigdiefluchtrichtungbestimmenund nichtunbedingtderfallseinmuss,zeigentiere,dienichtwiedieprimaten"nesthocker\, beimmenschenfurdaslernenderverschiedenenfahigkeitenvielleichtnichtunbedingt Hindernissenausweichen).DiesesBeispielzeigt,dassdielangeZeitderUnselbstandigkeit ist,nurvielschnellerablauft[78].rhesusaenkonnenabeinemaltervon11=2monaten einfreistehendesobjektgreifen(wiekinderimaltervonviermonaten).siekonnenaber unddesgreifensbeiaen[78]. LernprozesseunabdingbarsindfurdieEntwicklungdesGehirns,z.B.furdieEntwicklung derraumlichenwahrnehmung[174],dervisuomotorischenkoordinationbeikatzen[355] notwendigist.andererseitsistbelegt,dassdieinteraktionmitderumweltunddamit soforteinobjektaufeinemanderengroerengreifenundeinobjektauseinemkasten holen,waskindererstimsiebtenmonatkonnen.danachistdieentwicklungbeiden AengenausowiebeiKindern,nurdasssieimviertenMonatschonsoweitsindwieein einjahrigeskind.aenmussenamanfangalsonichtdiegleicheentwicklungdurchlaufen Bemerkenswertist,dassdieGreifentwicklungbeiAenderdesMenschensehrahnlich wieeinkind,sondernscheineneinenteilzuuberspringen.diesdeutetdaraufhin,dass essichnichtumeinekognitiveentwicklunghandelt,sonderneherumeinenwachstumsoderreifungsprozessdesnervensystems. etablieren.piagetgingauerdemvoneiner"pionierfunktion\destastsinnsunddes motorischensystemsaus.nachheutigemwissensstandistdasvisuellesystemjedoch NachPiagetstehenamAnfangnurganzeinfacheSchematawiederSaugreex,ausdenen sichdurchruckkopplungmitderumweltsukzessivekompliziertereschemataaufbauen, diesichspatergegenseitigassimilieren,umz.b.dievisuomotorischekoordinationzu erscheinenalsvonpiagetgedacht,dereinenreinkognitivenlernprozesspostulierte[288]. DasheutigeWissenlasstdieEntwicklungdesKindesineinemganzanderenLicht schonbeidergeburtrelativweitentwickelt,vorallemimvergleichzummotorischen System.AuerdemistdasAuftauchenneuerVerhaltensschematavonderReifungdes Nervensystemsabhangig;zurUnterdruckungkindlicherReexeistdieFunktionsfahigkeitbestimmterHirnarealeVoraussetzung.Dasbedeutetnaturlichnicht,dasswahrend derkindlichenentwicklungkeinelernprozesseablaufenundkeinekognitiveentwicklungstattndet.aberdieseentwicklungscheintziemlichengdurchdenreifungsprozess desgehirnsvorgegeben,alsogenetischprogrammiertzusein.einewichtigerollespielt dabeidasfrontalhirn:ihmwerdennebendervorbereitungvonbewegungenundbewegungssequenzenundderplanungvonverhaltenauchdiehoherenkognitivenfunktionen zugeschrieben.inubereinstimmungdamitwerdendiereifungsprozesseimfrontalhirn nachweislicherstinderpubertatabgeschlossen[78].

105 standfolgendermaenabzulaufen:beidergeburtsindmehrnervenzellenundauchmehr Nervenfasernvorhanden,alsspatergebrauchtwerden.DielebenswichtigenTeiledesNervensystemswieStammhirnetc.sindschonvollentwickelt.WelcheNeuronenundwelche 3.5.ENTWICKLUNGDERGREIFFAHIGKEITEN ZusammenfassendscheintdieEntwicklungdesKindesnachheutigemWissens- 93 VerbindungenindenanderenTeilenimEinzelnengebrauchtwerden,istnichtprogrammiertundwegenderbegrenztenKapazitatdesGenomsauchnichtprogrammierbar.Statt dessenwerdenineinemselbstorganisationsprozessdieneuronenundverbindungenausgesondert,dienichtgebrauchtwerden(modelledazugibtesschoninderneuroinformatik[386,387,385]).dieserprozesslauftnichtimganzengehirngleichzeitigab,sondern geschiehtsukzessive,beginnendbeidenarealen,dienaheranderperipherieliegen. ReexeundderReifungsprozessdesGehirnsgeeigneteRandbedingungen.DieReexe sorgendafur,dasszumeinendasuberlebendesorganismusgesichertwird,zumanderendemgehirnersteerfahrungenimumgangmitderumweltvermitteltwerden.der Greifreexz.B.erlaubt,ersteGreiferfahrungzusammeln,ohnedassdasGehirnschon erkennt,woeinobjektgenauistundwanndiehandgeschlossenwerdenmussoderum wasfureinobjektessichuberhaupthandelt.diewahrscheinlichkeitfurerfolgreicheersteerfahrungenwirderhohtdurchschonentwickelte(undsichnochweiterentwickelnde) funktionsfahigeteiledesnervensystems.25 DamitdieserSelbstorganisationsprozessingeordnetenBahnenablaufenkann,setzen gungenundberuhrungenuberdiesomatosensorischenarealeindenmotorischenkortex erstdasnochnichtvollausgereiftevisuellesystemorganisiert(furdasstereosehenistdies nachgewiesen[174]).durchdieindiesenmonatenzahlreichdurchgefuhrtenrhythmischen Bewegungen[363]werdenverschiedeneBereichedesmotorischenSystemsorganisiert:Im RuckenmarkundindenMuskelnwerdenNeuronenundVerbindungenausgesondert,die uberschussigangelegtsind[174];durchdieruckkopplungvondenaktiverzeugtenbewe- DieEntwicklungscheintalsosoabzulaufen,dasssichindenerstenLebensmonatenzutenderGliedmaenkannihreKinematikgelerntwerden(diewiedieDynamikwegendes Wachstumsstandigangepasstwerdenmuss);ebensokonnenihreEndpunkte,dieFue unddiehande,festgestelltundbeikontaktmiteinemobjektdasausseheneinessolchen Vorgangsgelerntwerden.DieseLernprozessemusstendieGrundlagedafurbilden,dass dieerstenvisuellen,somatosensorischenundmotorischenarealenachdenerstenlebensmonatensoweitorganisiertsind,dasssiedieerstengreifbewegungensteuernkonnen. GliedmaenkennengelerntunddasKleinhirngrobkonguriertwerden;durchBeobach- werdendiesebereichekonguriert;gleichzeitigkannausderbewegungdiedynamikder auchihreeinzelnengelenkekonnennichtindividuellbewegtwerden,sonderneswird diehandnureinenfreiheitsgradhat.erstimlaufedeserstenlebensjahreswirddie immerdieganzehandgeonetodergeschlossen,alsoallefingerparallel,sodass KopplungderFingeraufgehobenundkonnenzunachstderDaumenundderZeigenger,spaterauchdieanderenFingerindividuellzumGreifenbenutztwerden.Auchdie BewegungendesArmessindanfangsengeschrankt,indem{daswirdalsSynergie(synergy)bezeichnet{mehrereGelenkegleichzeitigdurchMuskelnbewegtwerden,dieuber mehreregelenkelaufen,oderdurchneuronen,diemehreremuskelnparallelansteuern AnfangssinddieBewegungsmoglichkeitennochsehreingeschrankt:DieFingerund EntwicklungvongeschlossenenRegelkreisenzurBewegungskontrolleundzurGrikorrekturanzuwenden. 25EineinAnsatzenahnlicheSichtweisevertrittGrupenin[126],versuchtsieaberlediglichfurdie

106 94 [310,122].SomusseineBewegung,z.B.eineArmstreckung,nichtdurchkoordinierteAktivierungmehrererMuskelngleichzeitigerzeugtwerden,sondernnurdurchAktivierung einesmuskelsodereinerneuronengruppe.diesekopplungenbleibenteilweiseeinleben langerhalten,werdenspateraberdurchindividuelleansteuerunganderermuskelnoder KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD AlsHeuristikzumFindenvonGrienundalsStartzumLernenausErfahrungdienen Neuronenerganzt,umdieBewegungeninimmermehrDetailsmodizierenzukonnen. stenlebensjahresmehrundmehrunterdruckt,wahrenddieneugierzumzugreifennoch demneugeborenendergreifreex,derdiehandbeiberuhrunginderhandinnenache langererhaltenbleibt. schliet,unddievermeidungsreaktion,dieeinzuruckzuckenderhandbewirkt,wenn diefingerspitzenoder-auenseitenaneinhindernisstoen.gleichzeitighabenneugeborenedieangeborenetendenz,allesinreichweitebendlichegreifenzuwollen(neugier). DiesestereotypereektorischeBewegungssteuerungwirdnacheinpaarMonatenvonder SteuerungdurchsGrohirnabgelostsowiediegreifspezischenReexeimLaufedeser- grundlegendenbeziehungenzwischenvisuellemundmotorischemsystemundzwischen optischererscheinung,taktilemeindruckundgreifeneinesobjektsgelernt.nachund dennochkleinensuchraumenzunden.mitdiesererstenerfahrungwurdenz.b.die diedimensionalitatdessuchraumeszunachstdurcheinfrierenundkoppelnvonfreiheitsgradendrastischzureduzierenundmithilfevonreexenundinstinktivenverhaltensweisenunddurchprobierenersteerfahrungenzusammelnundgrobelosungenin UnterderAnnahme,dassdieseHypothesezutrit,waredabeidasGrundprinzip, nachwurdenimmermehrfreiheitsgradehinzugenommenunddiekomplexitatdessystemserhoht,indemreexeundinstinkteunterdruckt,diekontrollevonmuskelnund GelenkenindividualisiertundimmermehrschonvorstrukturierteGehirnarealeaktiviert ihreantwortenmodizieren,wahrendsietrainiertwerden,undsichsoschichtumschicht werden.dasgehirnwurdesichsovonderperipherieausgehendimmerweiterkongurieren.diehinzukommendenhoherenarealewurdendieniedrigerenarealehemmenoder derhierarchieentwickeln.dasgesamtsystemwurdeausgehendvonwenigenfreiheitsgradenundeinemkleinensuchraummiteinereinfachzundenden,grobenanfangslosung sukzessivezumehrundmehrfreiheitsgradenausgebautwerden.diemitdemeinfacheren wurdenachundnacheineimmerkomplexerestrukturbekommen.diesessukzessivevor- ausgehirnundkorpertrotzseinervielenfreiheitsgradein{jenachtierart{wenigen MonatenoderJahrenkongurierenkann. schlossenensensomotorischenschleifekanndasgehirndurchdiesensorischeruckkopp- lung(sehenundtastsinn)diewirkungenseinermotorischenaktionen(augen-,kopf-, ArmbewegungenundGreifen)beobachtenunddamitdiePhysikdeseigenenKorpersund seinerumgebungkennenlernen. SystemgefundenenLosungendientenalsAusgangspunktzumAusdierenzierenundzum gehenkameeinerfaktorisierungdeshochdimensionalenproblemsmitjeweiligervorgabe vonanfangslosungengleichundwurdeerklaren,warumsichdieseshochkomplexesystem FindenweitererLosungenindemdannhoherdimensionalenSuchraum.DerLosungsraum WesentlichfurdiesenProzessistdieengeInteraktionmitderUmwelt:Inderge-

107 istnochzuluckenhaft,ummehralshinweiseundideenfurdiekonstruktiontechnischer 3.6SchlussfolgerungenfurdieRealisierung DasheutigeWissenuberdiebiologischenOrganismenundihreInformationsverarbeitung 3.6.SCHLUSSFOLGERUNGENFURDIEREALISIERUNG 95 lassensichz.b.diesignalverlaufeinnerhalbeinesneuronsrechtgutsimulieren[342,192]. AufderEbenedesVerhaltensundderVerarbeitungvonInformationsinhaltensowieder (kleineralszehnneuronen)istschontechnischverwendbareswissenvorhanden.damit SteuerungvonBewegungenistaucheinigesanWissenvorhanden,wobeiesleideroft eherqualitativernaturistundnurseltendieaustechnischersichtinteressantenfragen Systemeliefernzukonnen. beantwortet;betrachtungenzudenzugrundeliegendenalgorithmen,reprasentationen AufdenEbenenderMolekularstrukturen,derZellenundkleinsterNeuronenverbande undsystemarchitekturenwerdenauerstseltenangestellt.weiterhinistzubedenken, dassbeipsychologischenundbiologischenexperimentenmitmenschenundvorallemmit Aussagengewonnenwerdenuberdielangegeubte,"halbautomatische\Ausfuhrung,nicht VerhalteninneuauftretendenSituationen. TiereninderVersuchsaufgabehochtrainierteIndividuenverwendetwerden(Aenwerden oftmehreremonatetrainiert,bevormitdenmessungenbegonnenwird).sokonnennur zenkettevommolekuloderneuronbiszumverhaltennotig,wieesdervergleichmit aberuberdasindertechnikvoralleminteressierendeexibleundkognitivreektierte derpsychologischensichtaufsymbolischerebeneherrschteinegroekluft,dienoch heutigenrechnernveranschaulichensoll: beneebenederkristallverbandeundhalbleiterschichten.mitderneuronalenebene uberbrucktwerdenmuss.zurtechnischenverwertbarkeitistaberdiekenntnisdergan- ZwischenderneurobiologischenSichtaufmolekularerundneuronalerEbeneund vergleichbaristdieebenedertransistorenunddiskretenbauelemente.daruberfolgt ModulewieRegister,Speicherbanke,Rechenwerkeusw.{abhiersinddieentsprechenden dieebenedergatter,dievergleichbaristmitkleinenneuronenverbanden.dannfolgen StrukturenaufderbiologischenSeitenichtbekannt.DaruberfolgendieProzessorarchitektur,dieRechnerarchitektur,danndieSoftware-EbenenvondenMikroprogrammenuber VergleichbarmitdermolekularenEbeneistdiedurchdieFestkorperphysikbeschrie- diemaschinenprogramme,diebetriebssysteme,hoherenprogrammiersprachenundfensteroberachenbiszudenanwendungsprogrammenundihrersymbolischenundverbalen Beschreibung.AufdieserEbenegibtesinderPsychologiewiedereineEntsprechung, namlichdiemessungenausderpsychophysikundderverbalenbeschreibungausder Verhaltensbiologie(Ethologie)undderPsychologie.DazwischengibtesmitderTopologiedesNervensystemsundGehirnsnocheineAnalogiezumLayoutvonRechnern,das jedochnichtsuberdasfunktionierendersystemeansichaussagt.ansonstenherrscht nischensubstrat,d.h.zurkonstruktion"intelligenter\roboter. beschreibensein. desverhaltens.zumverstandnisderbiologischensystemeimsinneeinertechnischen Nachvollziehbarkeit26werdeninZukunftnocheinigeZwischenebenenzundenundzu aufderbiologisch-ethologisch-psychologischenseitenocheinegroewissenskluftzwischendermikroskopischenebenederneuronenverbandeunddermakroskopischenebene 26NichtgemeintalsNachbau,sondernalsNachahmungderInformationsverarbeitungaufeinemtech-

108 96 neering\nichtzudenken.dennochkonnendieerkenntnisseausbiologieundpsychologie alsideenzumfindentechnischerlosungenaufgenommenwerden.diesistdergrundgedankeundansatzderbionik,dendiesearbeitverfolgt. FureinetechnischeRealisierungistalsonachheutigemStandanein"ReverseEngi- KAPITEL3.GREIFENINBIOLOGISCHENSYSTEMEN{DASVORBILD

109 Kapitel4 Entwurfeinesgrundlegenden ("Grundsystem\)zuentwickeln,dassichalsVorstufefurdieEntwicklungeinesumfassendenGreif-undManipulationssystemseignet,musseinessichergestelltwerden:Diefur dasgrundsystementwickeltenfunktionenundalgorithmenmussenspaterwiederver- AusgangspunktundKerneinesvollausgebautenSystemsfungierenkann.Hierzuwerden wendet,erweitertoderweiterentwickeltwerdenkonnen,undesmussenschnittstellen zuranbindunghinzukommenderfunktionenmoglichsein,damitdasgrundsystemals imfolgendenderablaufeinesmanipulationsvorgangssowiedieanforderungenanein ManipulationssystemfurServiceroboternaheruntersucht.AuerdemsindfurdieReali- 4.1VomGreifsystemzumManipulationssystem sierungdesgrundsystemseinschrankungennotig,umdenumfangbewaltigenzukonnen Greifsystems UmdasinderEinleitunggesetzteZielzuerreichen,eingrundlegendesGreifsystem terzuentwickeln,greifeichaufdieeinleitungzuruck,inderdiefurservicerobotervorge- seheneneinsatzgebiete,umgebungen,aufgabenundanforderungenvorgestelltwurden (sieheabschnitt1.1abseite1).darausergebensichdieinbild4.1dargestellten,zulosendengrundprobleme.nurganzwenigederaufgelistetenpunktebetreenausschlielich diemanipulationundnichtauchdasgreifen.welchepunktediessind,lasstsichher- UmdenWegzumFernzielaufzuzeigen,einManipulationssystemfurServiceroboauskristallisieren,indemeinManipulationsvorgangnaherbetrachtetwird.Aufgrund derbisherigenerkenntnisselassensichfolgendephasenbeieinemmanipulationsvorgang voneinanderabgrenzen: unddiegrenzendesheutetechnischmachbarennichtzuweitzuuberschreiten. IneinemdynamischenSystemkanneine"Planung\{alsVorbereitungaufeinenVorgang{aberauchso 1DasWort"planen\impliziertimmenschlichenDenkeneinensymbolischenoderdeduktivenVorgang. 1.VorbereitungdesVorgangs:Aufgabefeststellen,Objektauswahlen,Greifparameterbestimmen,Griauswahlen(Randbedingungenverwenden,umMengemoglicherGrieeinzuschranken),Handlungsparameterbestimmenundggf.Ablaufgrob planen(z.b.zugreifstellungalsdurchgangs-odervia-punktfestlegen).1 97

110 98 KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS eigener Zustand Gelenkwinkel, -momente Temperatur Energiereserven Tastsinn Raumwahrnehmung Stereosehen, Ultraschall Hören Grundprobleme Benutzeridentifizierung (Gesichtserkennung) Gestenerkennung Bewegungserkennung Spracherkennung Sprachausgabe Mensch-Roboter- Interaktion sensorische Wahrnehmung Zugreifen Umgreifen Kinematik Dynamik Trajektorie Hindernisse Koordination Kraftkontrolle Teilekontakt Zwangskräfte Verkantung Objektvielfalt Präzision Manipulation Orientierung Trajektorie Hindernisse Präzision Navigation Kinematik Dynamik Transformationen Selbstkalibration Datenflut Echtzeit Informationsverarbeitung Aufgabenplanung Aufmerksamkeitssteuerung Verhaltensorganisation Statistik Exploration Imitation Flexibilität Adaptivität Lernen Bild4.1:BeiderEntwicklungvonServiceroboternsindinverschiedenenBereicheneineVielzahl vongrundproblemenzulosen. 2.HinfahrenzumObjekt(BewegungdesganzenRoboters,Roboternavigation):Das ObjektkommtindenstationarenArbeitsraumdesRoboters,derausgewahlteGri kannerreichtwerden. 3.HinreichenzumObjekt(Armbewegung,Greifernavigation,ersteFingerbewegung):DerGreiferfahrtindie"Zugreifstellung\furdenausgewahltenGri,d.h. dasobjektkommtindenarbeitsraumdesgreifers,dergreiferwirdgeonetund diefingervorgeformt(gri-vorformung,preshaping). 4.Zugreifen,Grierzeugen(Fingerbewegung,Greiferbewegung,kleineArmbewegung):DerGreiferwirdaufdasObjektzubewegtunddieFingerdamitkoordiniert geformtundgeschlossen,bisdieausgewahltengreiferpartienmitdenausgewahlten ObjektpartienKontakthabenundderGrierzeugtist. aussehen,dassineinemdierentialgleichungssystemrandbedingungeneingestelltoderaufeinerpotenzialachetalerundhugelerzeugtwerden(z.b.als"verbotenezonen\furhindernissebeidernavigation). DieskommtderbiologischenUmsetzungvermutlichnaher.

111 4.1.VOMGREIFSYSTEMZUMMANIPULATIONSSYSTEM 5.Aufnehmen/FixierendesObjekts:mitKraftregelungGrisostabilisieren,dass lichesgleitenreagieren(wahrendderganzengriphase);beimauffangenggf.mit- ziehenmitdemobjekt,umdiebremskraftenichtzugrowerdenzulassen. dasobjektnichtherausrutscht,stabilitatsgrenzedesobjektsbeachten,aufplotz MANIPULIERENdesObjekts:JenachAufgabekonnenfolgendePunktevorkommen(auchmehrfachundinbeliebigerReihenfolge): Bewegen:UmsetzenoderTransportierendesObjektsaneinenanderenOrt oderbewegenentlangeinervorgegebenentrajektorie(alsspezialfallauch a)handhaben: b)montage:dasobjektananderenobjektenausrichten,bewegungenmitih- Umgreifen:AnderndesGris,umbestimmteObjektpartienfreizulegen nematikoderdynamikderweiterenmanipulation. oderzugreifenodereinengriherzustellen,dergunstigeristfurdieki- Bedeutungerhaltenwiez.B.beimTransporteinervollenTasse. BeschleunigenzumWerfen)durchNavigationmitdemGreiferund/oder nenkoordinieren(moglicherweisebeidhandig)undinkontaktmitihnenbrin- gen.entscheidendsindhier:verkantung,reibung,gegenkrafte,passformund demganzenroboter.kinematikunddynamikkonnenhiereinebesondere c)umformen:krafteaufdasobjektausuben,umseineformzuandern,moglicherweiseauch,indemesinkontaktmitentsprechendenwerkzeugengebracht Gristabilisierung. jektzumanipulieren.ggf.mitdiesemwerkzeugeinenkomplettenmanipula- tikunddynamikderbewegung,dieandruckkrafte,dietrajektoriesowiedie d)werkzeuggebrauch:benutzendesobjektsalswerkzeug,umeinanderesob- undrelativzuihnenbewegtwird.entscheidendsindauchhierdiekinema- 9.WegfahrenvomObjekt(inversesHinfahren). 8.ZuruckziehenvomObjekt(inversesHinreichen). 7.LoslassendesObjekts,Grilosen(inversesAufnehmen/Fixieren,inversesZugreifen). undhandhaben). tionsvorgangdurchfuhren(z.b.einkleinesobjektmiteinerpinzettegreifen 10.AuswertendesVorgangsunddarauslernen:JedeAktionsolltedazugenutztwerden,umausihrzulernen.DazuistsieaufihrenErfolghinzuuberprufensowie deranderenseitebestehtdarin,dassbeiersterenbestehendeparametersatzelediglichverandertwerden, beiletzteremjedochparallelzubestehendenauchneueinhalteangelegtwerdenkonnen(vgl.inabschnitt unerwarteteabweichungenoderandereauffalligkeitenwahrendihresverlaufsauszuwerten.daslernengeschiehtdanndurchselbstkalibrationundadaptionsowie durchaufbauenvonerfahrung2undndetaufverschiedenenebenenvonderka aufSeite80. 2DerUnterschiedzwischenAdaptionundKalibrationaufdereinenundAufbauenvonErfahrungauf librationvongrundfunktionenbiszumanlegenneuerobjektreprasentationenund

112 100Verhaltensweisenstatt.Essolltenicht{wieindieserListeimpliziert{ganzam Endestattnden,sondernparallelzujederAktion,wasbedeutet,dassjedeFunktionmiteinerentsprechendenAuswerte-undLernfunktionzuankierenist,die KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS imhintergrundaktivist.eineauswertungkannz.b.infolgendenphasenneue Informationenliefern: beidernavigation:kennenlernenneueroderanpassenunddetaillierenbekannterumgebungen; GrenzendesArbeitsraumes; beimhinreichen:anpassenderinversenkinematikundkennenlernender beimzugreifen:lernenneuergrieoderkennenlernendervarianzbekannter DieeinzelnenPhasenwerdenrealiternichtstrengsequenziellgetrenntvoneinanderablaufen,wiedieshierdurchdieAuflistungsuggeriertwird,sondernwerdensichuberlappen beimmanipulieren:kennenlernenvonneuenobjekten,vonneuenansichtenoderneuenvertreternbekannterobjekte;kennenlernenderdynamikin Grie; AbhangigkeitvonObjektgewichtundMasseverteilung; naherhingefahrenwerdenmuss).furdiebiologieistzuvermuten,dassderbeitrageines neuronalensubstratszueinerbewegungsphasenachauenhinzwarabgeschlossenist,es (z.b.dassdashinreichenschonwahrenddeshinfahrensbeginntunddaszugreifennoch zumindestwahrenddesvorgangsaberimhintergrundaktivbleibtundbeianderungen inderendphasedeshinfahrenseinsetzt).diesstelltzwareinezeitlicheoptimierung wiedereinensichtbarenbeitragliefert(ahnlicheinemdierentialgleichungssystem,das dar,hataberhauptsachlichdenvorteil,dasseinespaterephasenochaufdievorhergehendezuruckwirkenkann,wenneineunvorhergesehenekorrekturnotigist(z.b.weil eineschatzungzugrobwarodereinobjektsichnochbeimhinreichenbewegt,sodass zunachstrelaxiertist,durcheineparameteranderungabererneutangestoenwird). bzw.10)betreennurdiemanipulation,nichtaberzugleichauchdasgreifen.werden ausobigemablaufdiesereinmanipulationsspezischenanteileentfernt,bleibteinreiner onsspezischenanteileindenphasendervorbereitungundderauswertung(phasen1 Greifvorgangubrig,beidemdasObjektgegrienund{nacheinemminimalenAnheben, umdengristabilisierenundverizierenzukonnen{andergleichenstellewiederlosgelassenwird.vondenpunkteninbild4.1entfallennursehrwenige,namlichlediglich LediglichdiePhasedereigentlichenManipulation(Phase6)sowiediemanipulati- sowiez.t."bewegungserkennung\beidermensch-roboter-interaktion.dasbedeutet, dassdasgreifeneinesobjektsnichtnurvoraussetzungfurseinemanipulationist,wiein dereinleitungdargestellt(vgl.abschnitt1.2abseite5),sonderndasseinemanipulationimmerineinengreifvorgangeingebettetist. "Umgreifen\,"Zwangskrafte\,"Verkantung\undz.T."Dynamik\beiderManipulation zurkoordinierungdieserfahigkeitenwirddassystemzur(einfachen)handhabung vorgangdurchfuhrenkann:zunachstistfestzustellen,dassdiesemgreifsystemmitden FahigkeitenzurNavigationundArmsteuerunggleichzeitigdieVoraussetzungenzumUmsetztenoderzumTransporteinesObjektsgegebensind.DurchErganzeneinerFunktion Angenommen,dasseinSystemzurVerfugungsteht,daseinensolchenreinenGreif-

113 4.2.AUFBAUUNDEIGENSCHAFTENDESGREIFSYSTEMS vonobjektenunddamitzur(einfachstenformder)manipulationfahig.einsolches GreifsystemstelltalsoauchschoneineinfachesManipulationssystemdar. zudemzeitpunkt,zudemdergrierzeugtunddasobjektaufgenommenist,dergreif- UmmitdiesemSystemeineweitergehendeManipulationdurchfuhrenzukonnen,muss 101 vorgangunterbrochenunddiemanipulationausgefuhrtwerden.nachbeendendermani- pulationkanndasgreifsystemdengreifvorgangmitdemlosendesgrisfortsetzen.um dasgreifsystemzummanipulationssystemauszubauen,mussenalsolediglichfunktionenzurdurchfuhrungweiterermanipulationenhinzugefugtwerden,dieauchindie VorbereitungunddieAuswertungeinzubeziehensindoderauchdorteventuellErganzungenerfordern. erforderlichsind.ausdersichtdesgreifenssinddieszumeinenrandbedingungen,die diemengederaneinemobjektmoglichengrieeinschrankenundsomitindervorbereitungsphasezuberucksichtigensind;zumanderensinddiekraftanforderungenbeim Schnittstellebereitgestelltwerden,diedieGriauswahlbeeinussenlasst,entwederin AufnehmendesGriszuberucksichtigen.InderPhasederVorbereitungmussalsoeine FormeinerAuswahlvonGrienauseinerangebotenenMengeoderalsEinspeisungvon Randbedingungen. 4.2AufbauundEigenschaftendesGreifsystems AuchfurdenAufbaudesGreifsystemsbildendieinderEinleitung(vgl.Abschnitt1.1 abseite1)geschilderten,furservicerobotervorgeseheneneinsatzgebiete,umgebungen, AufgabenundAnforderungendieGrundlage.DetailliertereAnforderungenndensichin Greifapparatbzw.denGriunddemUnterabschnitt (abSeite65)uberdieParameterzumGreifenunddieObjektvielfalt.Ausdiesenergebensichaufbauendaufden GrundproblemenbeiServicerobotern(Bild4.1aufSeite98)diefureinengreiffahigenServiceroboterbenotigtenGrundfunktionenoderGrundfertigkeiten(basicskills),diesichin verschiedenegruppeneinteilenlassen(bild4.2).esistnichtsinnvoll,allediesefunktionendemgreifsystemzuzuordnen,weilvielederfunktionenoderfunktionsgruppennicht Kapitel3,insbesondereindenAbschnitten3.2und3.3(abSeite30bzw.51)uberden dasgreifsystemgeeigneteschnittstellenanbietenkonnen.imhinblickaufsgreifen wird(z.b.umeinebestimmtekinematikzuermoglichen)oderdassbesonderegreifkrafte erforderteinemanipulation,dassentwederbestimmteobjektpartiengegrienoderfreigelassenwerden,dassmitbestimmtenpartiendesgreifersgegrienodernichtgegrien DamitdieseManipulationsfunktionennachtraglicheingebundenwerdenkonnen,muss spezischfursgreifensind,sondernauchfurandereverhaltensweisengebrauchtwerden konnen.auerdemgibtesfunktionen,diealgorithmischengverwandtsindoderaufdie runginsubsystemenden,wiesiebild4.3zeigt.daseigentlichegreifsystemumfasst jetztnurnochdiegreifspezischenfunktionen.zudenanderensubsystemenbenotigtes bidirektionaleschnittstellen,umdatenaustauschenundaktionenanstoenzukonnen. EinwillkommenerNebeneektist,dassdieseStruktureinfachererweiterbaristalseinmonolithischesGebilde.AuerdemeignetsichdieseStrukturnichtnurfurServiceroboter, diealsintelligentemanipulationswerkzeugeagierensollen,sondernauchfurandereaufgabenbereiche,beidenendiemanipulationeinehilfsfunktiondarstellt(wiebeimfuhren gleichendatenoderressourcenzuruckgreifenmussen.eslasstsichsoeinestrukturie-

114 102 KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS Hand verfolgen Stereosehen Tastsinn Geste erkennen Fixation taktiles Zugreifen Griff imitieren Objekt lokalisieren Greifparameter best. Verhalten imitieren Objekt erkennen Griff finden Benutzer identifizieren Form bestimmen Griff repräsentieren (Gesicht erkennen,...) Greifer erkennen Griff lernen Sprache verstehen Hindernisse erkennen Griff reproduzieren Gesten erzeugen Bewegung verfolgen Griff auswerten Daten ausgeben räumliche geregeltes Zugreifen (Sprache, Gesten) Wahrnehmung Griff stabilisieren Greifkräfte regeln Umgreifen Feinpositionierung Mensch-Roboter- Interaktion Grund- Greifen sensorische Vorverarbeitung ( skills) GreiferdieseebensowiederMenschdurchKombinationundKoordinationfureinegroeVielfalt Verhaltenskoordination Redundanz Navigation verschiedeneraufgabeneinsetzenkann. darauf,dasseinserviceroboter,dereinenbestimmtensatzangrundfunktionenbesitzt, Bild4.2:GrundfunktioneneinesServicerobotersmitGreifsystem. Roboter- Trajektorie inverse Kinematik ebensoausdenobenzitiertenabschnittendieserarbeit.welchekomponentenbenotigt Selbstkalibration Navigation Erreichbarkeit werden,zeigtnocheinmalbild4.4.mehrkomponentensindauchzurspaterenerweiterungdesgreifsystemszueinemmanipulationssystemnichterforderlich;imeinzelnen FurdieHardwareeinesgreiffahigenServicerobotersergebensichdieAnforderungen vonpersonen,onenvonturenoderbedienenvonschaltern).dieseuniversalitatberuht Kinematik Orientierung Hindernisse Dynamik Trajektorie Dynamik Transformationen Hindernisse konnenzwarscharfereanforderungennotigwerden,dochistdieerweiterungimwesentlicheneinesachedersoftwareundalgorithmen.diehardwarespieltbeiservicerobotern DieseGrenzenkonnenauchdurchdieleistungsfahigsteInformationsverarbeitungnicht einegroerolle,dennsiesetztdieprinzipiellengrenzenfurihreeinsatzmoglichkeiten. menfurdielosungeinerbestimmtenaufgabewerden;durchgeschickteauslegungkonnen vieleproblemevereinfachtunddadurchschnellereundrobusterealgorithmeneingesetzt werden{beispieledazuausderbiologiendensichinkapitel3(abseite25). uberschrittenwerden.gleichzeitigbeeinusstdiehardware,wiekomplexdiealgorith- zurverfugungsteht,musseinparallelbackengreifermitseinemstarkeingeschrankten diesenisteinemehrngrigegreifhandmitgegliedertenfingernundopponierbaremdaumen,ausgestattetmitweichengreifbelagen,zufordern.bisdiesegreifhandallgemein EinbegrenzenderFaktoristheutenochderGreifer(vgl.Kapitel2abSeite9).Fur

115 4.2.AUFBAUUNDEIGENSCHAFTENDESGREIFSYSTEMS 103 Serviceroboter Flexibilität Adaptivität Lernen Selbstkalibration sonstige Informationsverarbeitung Greifen Manipulation Mensch-Roboter- Interaktion Bild4.3:StruktureinesServicerobotersmitGreifsystem.DerUbersichtlichkeithalbersind räumliche Roboternavigation Wahrnehmung nurdieverbindungenfursgreifsystemvollstandigeingetragen. sensorische aktorische sindunverzichtbar,danursiedirekteinformationenuberdengreifkontaktliefernund Grirepertoiregenugen(vgl.Bild3.2aufSeite33).TastsensorenaufdenGreifachen Vorverarbeitung Endverarbeitung soheutigegrenzenderbildverarbeitungundobjekterkennungausgleichenkonnen(siehe Abschnitt3.2.1Seite37sowieAbschnitt3.2.3Seite48undBild3.9).AlsFernsensorik Sensorik Aktorik setzeicheinenstereokamerakopfmitdreifreiheitsgradenvoraus,dermitvideokameras bestucktist. Hardware denanforderungenderservicerobotik,heutesehrgroedezitegibtundauchnochin vongrienhangenganzentscheidendvondenfahigkeitenderfernsensorik(hierals Bildverarbeitung)undspeziellderObjekterkennungab.Weileshierbei,gemessenan DieMoglichkeitendesGreifsystemsimUmgangmitObjektenundbeiderAnwendung 4.2.1AnforderungenandieObjekterkennung Greifernavigation Verhaltensorganisation

116 104 KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS Sensorik Kamerakopf 3 Freiheitsgrade Stereosehen Arm redundante Winkel Freiheitsgrade Drehmoment Greifer mehrfingrig Bild4.4:Hardware-KomponenteneinesServiceroboters(gezeigtistdieSimulationdesam weiche Greifbeläge Tastsinn InstitutentwickeltenServiceroboters{sieheKapitel8abSeite189). gegliederte Finger Informationsverarbeitung Zukunftgebenwird,sindGrenzengesetzt,dieEinschrankungenundKompromissenotig leistungsfähig machen{deshalbhiereinedetaillierteproblembeschreibung: Energieversorgung Kontaktschalter dauerhaft voreinemreichtexturiertenhintergrundunterbeliebigenlichtverhaltnisseneinobjekt rameterbestimmen(ohnedieorientierung,sieheunten).dieherausforderungisthierbei, DieFernsensorikmusszunachstObjektesuchensowieihreobjektextrinsischenPa- Plattform zunden.alleintextur-oderkantenbasiertistdiesheutenochnichtmoglich,undauch fahrbar vicerobotik{erstindenanfangen.deshalbisteinebeschrankungaufhomogonebe- leuchtungundwenigstrukturiertehintergrundenotig. mitkenntnisdesobjektszubestimmenist.gemadereinleitung(vglabschnitt1.2ab diedabeinutzlichestereobildverarbeitungzurauswertungdertiefenstruktursteckt{ Seite5)mussdieObjekterkennungmitdreiverschiedenenFallenumgehenkonnen:ein gemessenandenleistungenderbiologischenvorbilderunddenanforderungenderser- bekanntesobjektwiedererkennen,einobjektalseinembekanntenalsahnlicherkennen, jektintrinsischenparameter,zudenenhierauchdieorientierungzuzahlenist,dasienur einobjektalsunbekannterkennen.zumeinenmussdieobjekterkennungalsodiewiedererkennungleistenundeinmafurdieahnlichkeitliefern,umdieeinteilungin DieObjekterkennungbautaufderFernsensorikaufundbestimmtdieobkannten(oderstarkveranderlichen)ObjektsdasObjektsinnvollgreifenzukonnen,eine Formbeschreibunggeliefertwerden,diedasFindenvonGrienerlaubt. diedreigenanntenkategorienzuerlauben.zumandernmuss,umimfalleinesunbe-

117 jektsoderobjekttypseinenschlussel,mitdemdasgreifsystemseinegrireprasentatio- nenverknupfenkann.eswirdkeinerleiexplizitegeometrischeinformationgeliefert;diese jektsoderobjekttypserkannt.dieobjekterkennungliefertzuridentizierungdesob- 4.2.AUFBAUUNDEIGENSCHAFTENDESGREIFSYSTEMS BeiderWiedererkennungwirdlediglichdasAuftreteneinesabgespeichertenOb- 105 stecktimplizitimschlusselindenmitihmverknupfteninformationen.essindfolgende Herausforderungenzumeistern: Ansichtenintegration:DieimAllgemeinensehrunterschiedlichenAnsichteneinesObjektsmussenzueinerObjektreprasentationintegriertwerden,umeinObjektaus verschiedenenblickrichtungenwiedererkennenzukonnen. mussdiewiedererkannteansichtinbezugzueinerkanonischenansicht(d.h.zu Orientierungsbezug:UmdieRaumorientierungeinesObjektsbestimmenzukonnen, Formerkennung:FurdasGreifenistdieObjektformrelevant,dieTexturjedochsekundar.HeutigeBildverarbeitungssystemearbeitenaberhauptsachlichmitder einemobjektzentriertenkoordinatensystem)gesetztwerden.3 istabereineverarbeitungvontexturunabhangiger3d-informationnotig,z.b.von mitunterschiedlichertexturaberalsverschiedenansehen.fureingreifsystem dasssieidentischeobjektegutwiedererkennenkonnen,formgleicheoder-ahnliche TexturodermitFarb-undKontrastkantenundmeistinMonostattStereo,so NurbeiErfullungallerdieserdreiAnforderungenkanndasGreifsystemdieGrie,diees fureineansichteinesobjektsgelernthat,aufalleanderenansichtendesobjektsundauf FahigkeitendesGreifsystemshinzunehmen: alleformgleichenobjekteubertragen.verwendbaristjedochaucheineobjekterkennung, dienichtalledieseanforderungenerfullt;essinddannentsprechendeabstrichebeiden Disparitat(wiein[362,384]). 1.WiedererkennennureinzelnerAnsichten:KanndieObjekterkennungnurein- 2.AnsichtsbasiertesWiedererkennenvonObjekten:KanndieObjekterkennungverschiedeneAnsichteneinesObjektszwarintegrierenunddieOrientierung garandereobjekteistausgeschlossen. angeben,stutztsichaberaufpixelbasiertemerkmale,dannkanndasgreifsystem diegrie,dieesfureineansichteinesobjektsgelernthat,zwarauchbeiande- inderansicht,mitderesgelernthat.eineubertragungaufandereansichtenoder renansichtendesgleichenobjektsanwenden,nichtaberaufandereformgleiche zelneansichtendurchpixelbasiertenmerkmalsvergleich(z.b.farbe,textur,farb- oderkontrastkanten)wiedererkennen,dannkanndasgreifsystemnurgenaudie individuellenobjektegreifen,furdieesschoneinengrigelernthat,unddasnur dieorientierungumdievertikaleachsenochmachbar,furdengesamtenraumwinkelwirdabersowohl daswiebeidemvonmirverwendetenobjekterkennungssystem(sieheabschnitt4.4.2abseite113)fur Objekttypserkannt,sonderneineBeschreibungderFormineinemFormatgeliefert,von 3GeschiehtdiesdurchAbspeichernderAnsichtenundderzugehorigenOrientierungswinkel,dannist BeiderFormbeschreibungwirdnichtdasAuftreteneinesbestimmtenObjektsoder Objekteubertragen. dasdatenvolumenwieauchderzeitaufwandfurdenzurerkennungnotigenvergleichprohibitivhoch.

118 106 demdasgreifsystemgrieableitenodermitdemesgrieverknupfenkann.folgende Moglichkeitengibtes: Skalierung:DieAusdehnungeinesObjektswirdinRelationzueinembekanntenObjekt ausgedruckt,z.b.alsrelativegroe(trivialformderformbeschreibung). KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS ZerlegunginbekannteObjekte:DieserAnsatzeignetsichjedochnurfurgegliederte, Teilobjektendeniertsein,nichtaberzweiodermehrereuberspannenkonnen. nichtaberfurbeliebigverformbareobjekte(wieeinengummischlauchoderein zerlegteobjektelassensichnicht"alsganzes\greifen,dagrienurandeneinzelnen StuckSto),weildiesesichnichtaufdenierteTeilobjektezuruckfuhrenlassen.So Mensch Bild4.5:HierarchischeGrob-zu-fein-ReprasentationeinesMenschenbeiderObjekterkennung (nach[230]). Arm Unterarm ZerlegunginFormprimitive:NachBiederman[31]lauftdieObjekterkennungbeim Hand MenschenubereinAlphabetvonparametriertenFormprimitiven("Geonen\, ineinerstraenszenenuralszylinderreprasentiertwerden,eineinzelnermensch aberausmehrerenzylindern{eineidee,diesichschonbeimarr[230]ndet,siehe Bild4.5):IndergrobenAuflosunglasstsichdasObjekt"alsGanzes\greifen,in denhoherenauflosungsstufendannnurjeweilseinformprimitiv,wenndiegrie Objektreprasentationenaufgebautwerden.DabeiwirdeinObjektjenachKontextinmehrerenHierarchiestufenverschiedenhochaufgelost(z.B.sollenMenschen "geons\{z.b.zylinder,kegel,quader{auchgebogen{etc.),ausdenendie AuchdieseReprasentationeignetsichnurfurgegliederte,abernichtfurbeliebig GreifenfurdieBildverarbeitungundFormbeschreibungzustandigist;furdiesen PfadwurdeereineandereReprasentationerwarten[personlicheKommunikation]{ eingehendeuntersuchungenundaussagekraftigeergebnissedazustehennochaus. andieformprimitiveassoziiertwerden.biedermanmochteseinetheorieallerdings nurfurdiekognitiveobjekterkennungverstandenwissen,dieimgehirnaufdem ventralenpfadberuht,undausdrucklichnichtauchfurdendorsalenpfad,derbeim

119 4.2.AUFBAUUNDEIGENSCHAFTENDESGREIFSYSTEMS zufordernist,dasskleineanderungenamobjektauchnurzukleinenanderungen derformprimitive)fuhrenkann,fureinebrauchbarereprasentationabergenerell verformbareobjekte,weildiezerlegunginformprimitivebeikleinenformanderungenschonzusprunghaftenanderungeninderreprasentation(z.b.inderzahl 107 Oberachenzerlegung:DieOberachedesObjektskanndurchkleineFlachenelemente zufullenist(vgl.mitdemsystemvontrobinainabschnitt2.2.5abseite20).weil eineassoziierungvongriendirektaneinzelneflachenstuckeunsinnigist,muss andessenreprasentationfuhren,damitahnlichkeitenadaquatabgebildetwerden. nocheineweitereverarbeitungsstufeangeschlossenwerden,umzugrienzukommen.diesekannsoaussehen,dassnachoppositionengesuchtwird(siehedazu konnen.naturgemakanndieoberachenichtkomplettauseineransichtrekonstruiertwerden,weshalbz.b.dieverdeckteruckseitedurcheineheuristikauf- approximiertwerden,diezugroerenebenenstuckenzusammengefasstwerden inabschnitt abseite63).mitdiesenkonnendiegriedannentwederalgorithmischbestimmtoderassoziativverbundenwerden.dergroevorteildieses FurinnitesimalverformbareObjekte(ausexiblen,elastischenoderplastischenMaterialien,z.B.Sto,Gummi,Knete)zeichnetsichheutenochkeinefursGreifengeeignete Volumenzerlegung:DieObjektformkanndurchkleineVolumenelemente(voxel),z.B. AllerdingsfuhrenauchbeiderOberachenzerlegungkleineFormanderungenzu Ansatzesist,dassauchbeliebigverformbareObjektebeherrschtwerdenkonnen. Reprasentationab,diefurkleineFormanderungenkeinesprunghaftenAnderungenaufweist.AuchausderBiologieundderPsychologiegibtesnochkeineAnhaltspunktedafur, Wurfel,approximiertwerden{ansonstenanalogzumOberachenzerlegung. sprunghaftenanderungeninderreprasentation. FormbestimmungnotigeAuflosungimMillimeterbereichvonheutigenStereobildverarbeitungssystemenund-algorithmennochnichterreicht[384,362];esgibtabergeeignete AnsatzemitstrukturiertemLicht,mitUltraschallundmitLaserentfernungsmessern(siehe Abschnitt2.2abSeite12). wiediesesproblemvondernaturgelostwurde.weiterhinwirddiezumgreifenbeider alleleerenrotentassenab!\oder"holemirdenordnermitdenrechnungen!\).eswird alsowiebeimmenschenmitdemventralenbzw.demdorsalenpfadeinedissoziation bestimmteauftrageerfulltwerdenkonnen(z.b."holemirmeinetasse!\oder"raume desobjekterkennungssystemsineinenklassenspezischenteil("seinetasse\,"tasse\, ist,istfureinenserviceroboterinletzterkonsequenzdochdiefahigkeitnotig,einzelne individuelleobjekteunterscheidenodernachklassenkategorisierenzukonnen,damit ObwohlfurdasGreifenselbstnichterforderlich,weilesnuranderFormorientiert eineneueobjektreprasentationvollautomatischerstellenkann,damitderserviceroboterseinegri-undobjektbibliothekselbstandigaufbauenundseineumgebungautonom explorierenkann. "rot\,"leer\,"ordner\,"aufschrift'rechnungen`\)undeinenformspezischenteil(tassenform:wievielefingerpassenindenhenkel?wiegroistderdurchmesser?ordnerform:wiedickistderordner?hatereinlochimrucken?)notigsein. Daruberhinausistzufordern,dassdasObjekterkennungssystemfureinneuesObjekt

120 EinschrankungenfurdasGrundsystem WieschonbeidenAnforderungenandieObjekterkennungangeklungen,setztdasheute technischmachbaredenfahigkeiteneinesgreifsystemsgrenzen.auerdemmussder AufwandfurdieRealisierungeineserstenSystems,desGrundsystems,bewaltigbargehaltenwerden.DeshalbsindfurdasGrundsystemEinschrankungennotig.DieFahigkeiten desgrundsystemssollensichauffolgendefallebeschranken: StarreObjekte:HeuteverfugbareObjekterkennungssystemekonnenkeineFormbe- StabileObjekte:DieGreifhandsollbeimZugreifensostarkgeschlossenwerdenkonnen, schreibungliefern,d.h.esmussgenugen,dassnurderobjekttypbestimmtwerden kann.veranderlicheobjekteverbietensichdaher. KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS UnbewegteObjekte:DieserspartdieErkennungundPradiktionvonBewegungstrajektorien(u.a.auchFlugbahnen),wasnichtnuralgorithmisch,sondernauchwegen dernotigenechtzeitfahigkeiteinesehrhoheanforderungandiebildverarbeitung erganztwerden,wiedortfurdiemanipulationsfunktionengezeigt. ware. dasseinrutschendesobjektsausgeschlossenwerdenkann.diesberucksichtigt dieindereinleitunggemachteeinschrankung,dassdasstabilisierendesgris nichtbetrachtetwird(vgl.abschnitt1.3abseite6).immanipulationsablaufaus Abschnitt4.1abSeite97entfalltdadurchdiePhasedesAufnehmens/Fixierensdes Objekts(Phase5).DiefurdiesePhasenotigenFunktionenkonnenspaterebenso "Leichte\Objekte:D.h.diedynamischenKrafte,diebeiBewegungenauftreten,sollen AuswahlvonGreifparametern:Nurobjektextrinsischeund-intrinsischeParameter werdenkann.dasistdannderfall,wenndieobjekterelativzumgreiferundzum wenndieobjektelangsambewegtwerden(quasistationarergrenzfall)oderwenn dieantriebegutvondenangreifendenkraftenentkoppeltsind(wasbeidenheute Roboterarmsehrleichtsind(wasbeiheutigenRoboterninderRegelderFallist), vernachlassigbarsein,damitdiemassenverteilungindenobjektenvernachlassigt sindvonkomplexenfaktorenbestimmt,diedemkognitivenbereichzuzuordnen Ermudung).DieParameterderanderenbeidenGruppen(Zweck/Ziel,Kognition) levant(oberacheneigenschaften)oder(noch)nichtrelevant(beschadigungen, ZustandvonArm/GreifersindfurServiceroboterimNormalbetriebkaumre- sollenbetrachtetwerden(vgl.bild3.22aufseite69).dieparameterdergruppe ublichen,hochuntersetztengetriebeantriebengewahrleistetist). mitgegebenwerden.eingeschranktwerdensollenauchdieumgebungsparameter(extrinsischeparameter)aufobjektpositionund-orientierung.die BestimmungderzuganglichenObjektpartienistvorallemAufgabederObjekterkennung,diedazuVerdeckungendurchdieraumlicheNaheandererObjekteerkennerameterselbstandigbestimmensoll;siemussenihmmitderAufgabendenition sind.furdienaherezukunftistnichtabsehbar,wieeinserviceroboterdiesepa- musste(washeutenochnichtrealisiertist).gleichesgiltfurdieerkennungvonhindernissen,dereneinusswegenderbehinderungdesarmesundderplattformnoch mithilfedergreifernavigationundroboternavigationabzuklarenist.dieobjekteigenschaften(intrinsischeparameter)sollenaufdiegeometrie(formund

121 4.3.EINSCHRANKUNGENFURDASGRUNDSYSTEM ZweingrigerGreifer:InderIndustriedientderzweingrigeParallelbackengreiferals Groe)eingeschranktwerden.AufdieParameterMaterial(chemischeAggressivitat)undTemperaturkannamAnfangverzichtetwerden.Ebensokannanfangs aufdenmultiplenparameteroberacheverzichtetwerden. 109 dasgrundsystemistdiesakzeptabel,dennauchkindernutzenihremehrngrigkeit nichtaus:siekonnenihrefingerindenerstenmonatennichtindividuellsteuern undgreifenauchspaternochmitnurzweivirtuellenfingern,bissiezuechtem genahertwerden.aufdienotigenmodikationenunderweiterungsmoglichkeiten mehrngrigemgreifengelangen(vgl.abschnitt3.5abseite85).furdenanfang undfurdaslernenkannalsoaucheinmehrngrigergreiferalsbackengreiferan- Universalgreifer;nureinsolcherstandimExperimentalsystemzurVerfugung.Fur NurtaktileRegelung:DiefurdievisuellruckgekoppelteRegelunginderEndphase KeinUmgreifenamObjekt:MiteinemzweingrigenBackengreiferistUmgreifenam vorgangbehandelbar. ObjektnurdurchAbsetzenundWiederaufnehmenmoglich;diesistalsneuerGreif- furechtesmehrngrigesgreifenwirdspaterbeiderbehandlungdeslernensund deszugreifenszustellendenanforderungenandietrennscharfevongreifhandund dergrireprasentationeingegangen(sieheabschnitt6.1.3abseite160). ObjektmitgleichzeitigerpraziserSchatzungihrerOrientierungundPositionubersteigtdieMoglichkeitenheutigerBildverarbeitung.DaaufeineRuckkopplungin derendphaseabernichtverzichtetwerdenkann,greifeichauftastsensorenzuruck. werdenkann,wieinabschnitt4.1(abseite97)furdieerganzungdermanipulationsfunktionenangedeutet,namlichdassdiefurdiejeweiligengreifparameterhinzukommenden jedochlassensiesichgutsimulieren. dasssieausdermengedermoglichengriebestimmtegrieverbieten,neuehinzufugen konnensienicht.fureinespatereerweiterungbedeutetdies,dassgenausoverfahren AufdasGreifenkonnensichdiehierausgeschlossenenGreifparameternursoauswirken, DiesesindzwarindernotigenAuflosungauchnochnichtohneWeiteresverfugbar, ModuleuberSchnittstellendieGriauswahldurchRandbedingungenoderdurchaktive werdenanschlieendbeidergriauswahlberucksichtigt. aufgefuhrt.hierausergibtsich,dassdasgrundsystem Auswahlbeeinussen.4FurdasGrundsystembedeutetdas,dassessoarbeitenkann,dass eszunachstallegrieermittelt,dieaneinemobjektmoglichsind.diegreifparameter gleichenanforderungenwieweiterobenfurdasgreifsystemunddasmanipulationssystem auserfahrunglernen, unbekannteobjektegreifenundkennenlernensowie mitdervariabilitatnaturlicherundkunstlicher(starrer)objektezurechtkommen, AbgesehenvondenangegebenenEinschrankungengeltenfurdasGrundsystemdie organisationsprozessmiteinervoneinfachnachkomplexfortschreitendenstrukturkonguriert,wieich ihninabschnitt3.5abseite92skizzierthabe. 4DiesesVorgehenistauchgeeignetfureinkomplexesSystem,dassichdurcheinenLern-undSelbst- gelerntegriespaterwiederanwenden

122 110 unddasfindenundlernenneuergrie.durchdiegeschlossenesensomotorische SchleifeergebensichahnlichbiologischenSystemenbesondereMoglichkeitenhierzu,wie inabschnitt3.4.5aufseite78angerissenwurde. konnensoll.denschwerpunktlegtdiesearbeitaufdaslernenausdererfahrung KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS sierungklarsein,welchefunktionenumgesetztundinwelcherreihenfolgesieaktiviert werdenmussen,umeinengreifvorgangzuerzeugen. 4.4Realisierung NachdemdieAnforderungenandasGrundsystemformuliertsind,mussfurdieReali- undbestimmtdessenorientierung.ausdemgrispeicherwerdenuberdieformmoglichegrieabgerufenundentsprechenddergroe,orientierungundpositiondesobjekts esbekannt,liefertdieobjekterkennungeineinformationuberdessenformundgroe nipulationsablaufsinabschnitt4.1(abseite97).nurdievorbereitungsphasemuss weiterdetailliertwerden:zuerstmusseinmoglichesobjektgefundenwerden(objektlokalisation);damitwirdseinepositionbestimmt;dannwirdversucht,eszuerkennen.ist DieFunktionsreihenfolgeergibtsichimWesentlichendurchdieDarstellungdesMa- Manipulationbeschrieben. inabschnitt4.2(abseite101)dargestellt.dienachberucksichtigungdereinschrankungennochfurdasgrundsystemzurealisierendenelementarfunktionenzeigtbild4.6. SielassensichindreiKategorieneinteilen:dieBasisfunktionen,dieeinzelneTeilaufgabenubernehmen,dieSchnittstellenfunktionen,dieandereSubsystemeaktivieren, umdatenabzufragenoderaktionendurchzufuhren,undschlielichdieschemafunktio- DiefureinenServicerobotermitGreifsystemnotigenGrundfunktionenwurdenbereits gelegt.istdasobjektunbekannt,kannnureinezuprobierendegririchtungundmit ihrdiezugreifstellungfestgelegtwerden.dannkanndervorgangstarten,wiefurdie undfurdenubergangvondersteuerungzurtaktilenregelungdie"zugreifstellung\fest- angepasstundtransformiert.eingriwirdausgewahltundalszielfurdashingreifen nen,dieanderefunktionenaktivierenundkoordinieren,umkomplexereablaufedurch- zufuhren. Realisierungbetrachtet,wahrenddienachstenKapiteldenkomplexerenSachverhalten gewidmetsind,bisinkapitel8(abseite189)dieintegrationzumgesamtsystemfolgt Koordinatensysteme DiesensorischenEingangeundaktorischenAusgangesindbeiServicerobotern,bedingt IndennunfolgendenAbschnittenwerdenweitere,kurzerabzuhandelndeAspekteder zwischenderkameraunddemgreifer,namlichdiedesarmesunddeskamerakopfes, berucksichtigtwerden.imgrundekanndiekinematischekettezwischenkameraund GreiferalseinSystembetrachtetundgeschlossengesteuertwerden.Gunstigeristes dergreiferinbezugaufdasobjektzubewegenist. durchihrekinematik,aufverschiedenekoordinatensystemebezogen.soentstehenz.b. diebildereinerkameraausderperspektivedeskamerakoordinatensystems,wahrend UmdenGreifermitdenKameradatensteuernzukonnen,mussendieFreiheitsgrade

123 Basisfunktionen 4.4.REALISIERUNG 111 Bild4.6:DieElementarfunktionen,diefurdasGrundsystemeinesgreiffahigenServiceroboters zurealisierensind. jedoch,dieseskomplexesteuerungsproblemzufaktorisieren,indemdielangekettein zweikurzereaufgetrenntwird,undzwarindiedesarmesunddiedeskamerakopfes. DadurchergebensichzweiSteuerungsprobleme,dieeinfacherzuhandhabensind,nicht ordinatensystemzusatzlichzudenkamera-unddenobjektkoordinaten.dievorteile nur,weilsiejeweilswenigerfreiheitsgradehaben,sondernauch,weildiebeidenmitihnen verbundenenprozessefurdiesteuerungdesgreiferszumobjektunddieausrichtungder KameraaufdasObjektunabhangigvoneinanderablaufenkonnen. licheskoordinatensystemeingefuhrt.inobigembeispielistdiesdaskorperzentrierteko- derauftrennunggeltenallgemeinfurallekinematischenkettenbeiserviceroboternund auchbeibiologischenorganismen.inwieferneineauftrennungsinnvollist{imextremfall kannfurjedesgelenkeinkoordinatensystemeingefuhrtwerden{,hangtvomjeweiligen Fallab. DurchdasAufschneideneinerkinematischenKettewirdanderTrennstelleeinzusatz- gebenkonnten.esgibtaberhinweisedarauf,dassobjekteineinemobjektzentriertenkoordinatensystemreprasentiert[163],armbewegungenineinenschulterzentrierten Kugelkoordinatensystemgeplantwerden[346,345,348]undbeiderArmsteuerungeine FaktorisierungbisaufGelenkebenestattndet[281](vgl.auchKapitel7abSeite179). voninformationineinembestimmtenkoordinatensystemdarstellen,aberdiedatensind nochnichtsodetailliert,dasssiefureinetechnischelosungmehralsnuranhaltspunkte InderBiologiesindzahlreicheKartenbekannt[174],diejeweilseineReprasentation KopfzentrierteKoordinaten:BeiderStereo-AuswertungwirdnichtnurdieTiefensystemerelevant(Bild4.7): KamerazentrierteKoordinaten:SiebildendenBezugsrahmenfurdieAuswertung IndieserArbeitwieauchfurServiceroboterallgemeinsindfolgendeKoordinaten- vonbilderneinerkamera. informationgewonnen,sonderndiereprasentationgleichzeitigindieseskoordina- tensystemtransformiert,damitsieunabhangigistvonderausrichtungdereinzel- kameras.indiesemkoordinatensystemliegtdannauchdieschatzungderposition desobjektssowieseinerorientierungvor. Objekt lokalisieren Objektposition bestimmen Objekt erkennen Erreichbarkeit beurteilen Greifer bewegen Tastsensoren abfragen Elementarfunktionen Schemafunktionen Schnittstellenfunktionen Griffe abrufen Griff auswählen Griff anpassen Zugreifstellung bestimmen Tastsensoren auswerten Korrekturbewegung ausführen Griffrepräsentation bestimmen Griffe vergleichen Griff lernen Griffparameter bestimmen Griffe bewerten Taktil gesteuert zugreifen Griff taktil finden Objekt explorieren Griff auswerten Griff lösen

124 112 KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS kamerazentriert kopfzentriert gelenkzentriert körperzentriert greiferzentriert objektzentriert ObjektzentrierteKoordinaten:ObjektintrinsischeEigenschaftenundauchGrie GreiferzentrierteKoordinaten:EinGrialsBeziehungzwischenGreiferundObjekt werdenineinemobjektzentriertenkoordinatensystemreprasentiert,weilsiesounabhangigwerdenvonauerenparametern,insbesonderevonderblickrichtung. Bild4.7:DieverschiedenenKoordinatensystemebeieinemServiceroboter. bestimmtdiepositiondesobjektsineinemgreiferzentriertenkoordinatensystem. Weltkoordinaten KorperzentrierteKoordinaten:DerKorperzeichnetsichdadurchaus,dassinihm GelenkzentrierteKoordinaten:FurdasLernenderKinematikwirdaufgelenkzentrierteKoordinatenzuruckgegrien,umdieBeitrageeinzelnerGelenkebestimmen dieverschiedenenkinematischenketten(kamerakopf,arme,ggf.beine)verankert sind.eristdaherpradestiniertzumbezugsystemfurdiekinematischekontrolle. Weltkoordinaten:UmfurdieOrientierungbeiderNavigationeineUmgebungskarte IneinkorperzentriertesKoordinatensystemwerdendaherdieDatenfurdieGreifersteuerungwieauchfurdieNavigationdesgesamtenRoboterstransformiert. aufzubauen,eignetsicheinortsfestesweltkoordinatensystembesseralseinkorperzentrierteskoordinatensystem,weildannbeieinerbewegungnurdiereprasentationdesserviceroboters,nichtaberdiederganzenumgebungverschobenwerden muss. zukonnen(siehekapitel7abseite179).

125 tationenundtranslationendiekartesischenkoordinateninderdarstellungalshomogene 4.4.REALISIERUNG ArtenvonnormalenKoordinaten,z.B.kartesischeKoordinaten,Zylinderkoordinatenund Kugelkoordinaten.InderRobotikhabensichwegendereinfachenDarstellbarkeitvonRo- ZurmathematischenBeschreibungderKoordinatensystemeeignensichverschiedene 113 TransformationdiesogenanntenDenavit-Hartenberg-Parameterverwendet[109,Kapitel 2](manbeachte,dassdieNotationin[70]davonetwasabweicht). Koordinatendurchgesetzt[109,70].MiteinerhomogenenTransformationsmatrixkonnen einerotationundeinetransformationineinemschrittdurchgefuhrtwerden;naheres sieheanhanga.1abseite217.imallgemeinenwerdenauerdemzurbeschreibungder KolleginEfthimiaKefaleaentwickeltwurde[181,180,182].EsbasiertaufeinerdieKantenbetonendenVorverarbeitungmitsog.Mallat-Filtern.AnmarkantenPunkteneiner 4.4.2VerwendeteObjekterkennung ZurObjekterkennungwirdindieserArbeiteinVerfahrenverwendet,dasvonmeiner ObjektansichtwerdeninverschiedenenOrientierungenundAuflosungsstufenMerkmale extrahiert,dieindenknoteneinesgraphenreprasentiertwerden.furdiewiedererkennungeinerobjektansichtwerdendiekostenfurdieanpassungdergelerntengraphenadenunabhangigvoneinanderverarbeitet.dasergebniseinesobjekterkennungsvorgangs dasaktuellebildbewertet;derlinkeundrechtekanaldereingesetztenstereokamerawer- veranschaulichtbild4.8.dasobjekterkennungssystemkennteinereiheverschiedener dieineinerobjektgaleriegespeichertsindundvorhergelerntwurden.alsergebnisliefertes{furdenlinkenundrechtenkanalgetrennt{denerkanntenobjekttypund-subtyp Objekte(Wurfel,QuaderundZylinderverschiedenerGroesowieSpielzeugfahrzeuge), (z.b."auto2\),diegeschatzteorientierungdesobjekts,diex-undy-koordinatendes linkenunterenunddesrechtenobereneckpunktssowiedeszentrumsdesdemgraphen Bild4.8:VeranschaulichungdesErgebnisseseinesObjekterkennungsvorgangs. gesamtenraumwinkelab,sondernnurdiedrehungumdievertikaleachsedesobjekts, dieinschrittenvonneungradaufgelostwird. nungssystemeinmalalleansichtendesobjektsgesehenhaben.umdenbezugzwischen denansichtenherstellenzukonnen,mussendieseindenierterweisegezeigtwerden. umschriebenenrechtecks(boundingbox).dieorientierungserkennungdecktnichtden UmdieReprasentationfureinneuesObjektaufzubauen,mussdiesesObjekterken-

126 114 DazuwirddasObjektaufeinenDrehtellergestelltundinSchrittenvonneunGradgedreht.DiezuerstgeseheneAnsichtwirddiejenige,aufdiesichdieanderenAnsichten beziehen;sieerhaltdenorientierungswinkelnull. DaeineneueReprasentationnochnichtvollautomatischerstelltwerdenkann,sondern KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS ObjekterkennungvorhergetrenntvonderAnwendungaufgebautwerden.NeueObjekte diemanuelleanpassungeinesparameterserfordert,mussdieobjektbibliothekfurdiese konnenmitdiesemobjekterkennungssystemdahernichtautonomexploriertundgelernt werden BestimmungderGreifparameter BildverarbeitungssystemmitStereokameraahnlichdemmenschlichenSehsystemgewahlt, FurdasGrundsystemgiltdieEinschrankungaufdieobjektextrinsischenund-intrinsischenGreifparameterObjektpositionund-orientierungbzw.FormundGroe(vgl. Abschnitt4.3abSeite108).DadieseParameterzurVorbereitungeinesGrisgebraucht bietensichverschiedeneverfahrenan,dieinabschnitt3.2.3(abseite47)diskutiertsind. AusdendortaufgefuhrtenGrundenhabeichfurdasGreifsystemeinesServicerobotersein Objektposition dasimfolgendenzugrundegelegtwird. werden,wirdeinesensorikbenotigt,diesieausderdistanzbestimmenkann.dazu jektpositionauchbeiunbekanntenobjektenbenotigt. DieObjektpositionistderwichtigsteParameterzumGreifen,daohnesiederGreifer nichteinmalindienahedesobjektsgebrachtwerdenkann.demzufolgewirddieobtendichte,disparitat5etc.)vonihrerumgebungabhebt,odereskanngleichalsein werdenalseinestruktur,diesichdurchihremerkmale(grauwert,farbe,textur,kandenzuihrerbestimmungmittelsbildverarbeitungmindestenszweibilder(jezweidimensional)benotigt,wiesiez.b.voneinerstereokamerageliefertwerden(bild3.7oben). derobjektabbilderzubestimmen(objektlokalisation).dasobjektkannlokalisiert DieObjektpositionhatimdreidimensionalenRaumdreiFreiheitsgrade.Deshalbwer- bestimmtesobjekterkanntwerden(vgl.kapitel8abseite189).mitbekanntergeometriederstereokamerakanndie3d-positiondesobjektsausden2d-positionenbestimmt werden.nebenden2d-positionenieenindiesebestimmungdiebasisbreitebder DasObjektmusszunachstinbeidenBildernlokalisiertwerden,umdie2D-Positionen Stereokamera("Augenabstand\)sowiederSchwenkwinkel',derNickwinkel#undder strukturderaufgenommenenszeneinverbindungmitderunterschiedlichenperspektiveruhrt.dank Vergenzwinkelein(Bild4.9).Gunstigeristesaber,wenndasObjektxiertwird. derindenletztenjahrengemachtenfortschritteinderstereobildverarbeitungisteinaufdisparitat DennzumeinensinddieverschiedenenWinkelnichtdirektmessbar,sondernhangenje beruhendessystemheutedurchausschonmachbar[362,384]. nachmechanischerkonstruktionnichtlinearvondenentsprechendenstellgroenab;zum anderenistfureineprazisebestimmungderobjektpositiondieverzeichnungderkameras(kissenverzerrung,trapezverzerrungetc.)zuberucksichtigen,wasinderpraxisnicht 5DieDisparitatzweierBilder,z.B.einerStereokamera,istderenVerschiedenheit,dievonderTiefen-

127 4.4.REALISIERUNG 115 Seitenriss Aufriss Tisch Kamera h Objekt Tisch Fixationspunkt p Objekt Fixationspunkt p y or y y ol r y y y l fl zyklopisches x r y r y d c x Auge terenvorteilenderfixationsieheabschnitt3.2.3abseite44).wenndasobjektxiert Bild4.9:Stereokamera:Anwendung,GeometrieundBezeichnungen.Oben:Seitenrissund l 0 x r x x xl 0 xfl xol ist,washierpostuliertwird,kanndieobjektpositionalspositiondesfixationspunkts AufrisseinertypischenAnwendungssituation.Untenlinks:SchnittdurchdievondenKameras rechte ausdenanderstereokameraeingestelltenwinkelnbestimmtwerden,z.b.durchtriangulation.furdiepositiondesfixationspunktsp=(px;py;pz)indenkoordinatendes b indenkamerabildern. ohnekalibrierung,ggf.durcheineselbstkalibration(vgl.[277,278,279]),geht(zuwei- unddemfixationspunktaufgespanntenebene.untenrechts:bezeichnungderkoordinaten l linke Kamerabilder Kamerakopfesgilt: Kamerageometrie mitdemabstanddcdesfixationspunktsvom"zyklopischenauge\derstereokamera: px=dccos#cos' py=dccos#sin' pz=dcsin# dc=b2cot2 (4.1) abbildergeeignetebewegungenderstereokamerabestimmtwerden.genaugenommen DieFixationkanndurchgefuhrtwerden,indemausden2D-PositionenderObjekt- (4.2) d l d r

128 116 hangendiesebewegungenvondenselbenparameternabwieobenfurdiebestimmung der3d-positiongeschildert.wegenderobenangefuhrtenverzerrungengibteshierden unddeshalbaucheineandere2d-position(z.b.alsflachenschwerpunkt)liefernwerden, Eekt,dasssichdieObjektabbilderverandern,wennsieinderMitteabgebildetwerden KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS weshalbiterationnotigwird.daheristeineexaktelosungnichtsinnvoll,sonderneine NaherungslosungfurdieWinkelanderungenausreichend: '=arctan xl+xr #=arctan yl+yr sytany 2! DabeisindxlundxrdieDierenzinPixelnzwischenderx-Koordinatederaktuellen 2D-PositiondesObjektabbildesundderfurdieFixationgewunschten{dieBildmitte {furdielinkebzw.dierechtekamera;ylundyrsinddasgleicheanalogfurdie =arctan xl xr sxtanx 2 (4.3) EbensokanndurcheinsichselbstkalibrierendesSystemdasTriangulierengelerntsowie librierendesadaptivesneuronalessystemgelerntwerden,dasdieangesprochenenver- zerrungenberucksichtigtundzuschnellererkonvergenzfuhrt[277,278,279,302]. [277,278,279].DieFixationkannauchmitVerfahrenzurVergenzbewegungerreicht werden,dieaufderdisparitatbasieren[362]. AlternativzuranalytischenLosungkanndieFixationauchdurcheinsichselbstka- eineablage(oset)derbildmittendurch"schielen\derkamerasausgeglichenwerden y-koordinate.dieparameterxundysinddieonungswinkel,sxundsydiepixel- AuflosungenderKamerasinx-bzw.y-Richtung. dieanforderungenansgreifenzuerfullen.umdiefahigkeitendesmenschenzuerreichen(vgl.abschnitt3.2.3abseite43),isteineauflosungvon4000(winkelsekunden) ForderungkannjedochfurdenAnfangabgeschwachtwerden,daServiceroboterinder RegelObjekteimZentimeterbereichmanipulierenwerden.DanachsolltedieAuflosung inublichersehentfernungimmillimeterbereichliegen,alsoz.b.5mmin5mentfernung DiebeiderBestimmungderObjektpositionerreichtePrazisionmussgenugen,um propixelnotig(entsprechend0,1mmgroein500mmabstand).diesesehrscharfe entsprechendca.0;057oder3;40(winkelminuten)propixel.diesbetritdieauflosung inderebene,diesenkrechtzurblickrichtungist. diebasisbreitederstereokameraeingeht;sieiststetsniedrigeralsdieauflosunginder Bildebene.AlsNaherungslosungfurhoheAuflosung,d.h.kleineQuantisierungswinkel 'propixel,ergibtsichfurdietiefenquantisierung: DieAuflosunginderTiefe(inBlickrichtung)berechnetsichanders,dainsie mitdc,wieoben,alsabstanddesfixationspunkts(objekts)vomzyklopischenaugeder Stereokamera.BeimMenschenliegtdieserWertfurobigesBeispieldesFadeneinfadelns (bei500mmblickentfernungundtypischen65mmaugenabstand)rechnerischbei0,9mm b!21a' (4.4)

129 4.4.REALISIERUNG dernnaherherangehen,z.b.auf250mm,woderwertauf0,12mmsinkt{zumvergleich: dieauflosunginderbildebeneliegtindiesenfallenbei0,06mmbzw.0,03mm)6. (deshalbwirdwohlniemandindieserentfernungeinenfadenineinenadeleinfadeln,son- Erganzendseiangemerkt,dassbeiderAuflosunginderTiefewieauchquerzurBlick- 117 richtungdieangegebenengrenzenuberschrittenwerdenkonnen,wennbeiderbildverar- beitungsubpixelgenauigkeiterreichtwerdenkann{z.b.durchmittelungubermehrere BildpunktebeieinemausgedehntenObjektoderdurchVerwendungvonPhaseninformationenbeimMustervergleich[239].BeimMenschenwirddiePrazisiondurchdiesen biszehnerhoht[402,401,397]. manauchnurmiteinerkameraauskommen,wenneineraumkoordinate,z.b.die Tischhohe,bekanntist.WeilindiesemFalldieHohederKamerauberdemTischin diegleichungeneingehtwiediehalbebasisbreite,istdieauflosungindertiefeinder Nonius-Sehscharfe(verniervision,hyperacuity)genanntenEektumdenFaktorfunf Regelhoher.DergroeNachteilistaber,dassObjektedannnuraufdiesereinenfesten Hohepraziselokalisiertundgegrienwerdenkonnen,wasfurServiceroboterinakzeptabel ist.insituationen,indenendiefernsensorikuberfordertistoderausanderengrunden AlternativzurBestimmungderObjektpositiondurchStereobildverarbeitungkann raumdesarmesersetzendurcheinetastendeschwenkbewegung,aufeinemtischz.b. einewischbewegungknappuberderoberache.voraussetzungdafurist,dassarm undgreifermechanischsoaufgebautsind,dasssiedurcheinekollisionmiteinemggf. keinergebnisliefernkann(videokamerasz.b.imdunkeln),lasstsiesichimarbeits- schwerenobjektodereinemfestenhindernisnichtbeschadigtwerdenkonnen.weiterhinmussendieoberachenvonarmundgreifermittastsensorenbelegtsein,damit einekollisiondetektiertundgroblokalisiertwerdenkann.alternativkonnenprinzipiell zwardiedrehmomenteindengelenkenbeobachtetwerden,umkollisionenzudetektieren;jenachmassenverhaltnisvonarm,greiferundobjektkonnendieverursachten untergehen Objektorientierungund-geometrie DieOrientierungeinesObjektsimRaumisteigentlicheinobjektextrinsischerGreifparameter(vgl.Bild3.22aufSeite69).AndersalsdieObjektpositionkannsieabernur Drehmomentschwankungenabersokleinsein,dasssieimAntriebs-undGetrieberauschen mitbezugzumobjektselbstbestimmtwerden,alsonurmithilfeobjektintrinsischerparameter,diez.b.speziellebezugspunkteodereinobjektzentrierteskoordinatensystem festlegenkonnen.daheristdieobjektorientierungbeiderbestimmungdergreifpara- wahrenddierelativeauflosungmit0,4mmauf100cmsehrgutist(sieheauchuntendieanmerkung zufuhren.dieobjektorientierunghatdreifreiheitsgrade(z.b.schwenk-,neige-und meterdenintrinsischenparameternzuzuschlagenunddurchdieobjekterkennungdurch- zurnonius-sehscharfe)[personlichekommunikationmitchristianwehrhahn,tubingen]. 10(Winkelminute).InderTiefeistdieabsoluteAuflosungbeimMenschenrelativschlecht,namlichetwa 7cmauf100cm(vergleichedazuauchdieAbweichungenbeimZeigeninAbschnitt3.3.2aufSeite57), Rollwinkel). 6InExperimentenergibtsichbeimMenscheneineeektiveAuflosungdesZapfchenrastersvonetwa

130 118 reprasentiertwerdenmuss. weildannjedeformnureinmalundnichtwiederholtfurverschiedenegroenstufen BeiderGroeisteswichtig,dassdiefursGreifenrelevanterealeGroedesObjekts(relativzumGreifer)bestimmtwirdundnichtnurdiescheinbare,diesichausdem AbbilddesObjektsinderKameraableitet(inderWahrnehmungspsychologiewirddies alsgroenkonstanz,sizeconstancy,bezeichnet[308]).dadiescheinbaregroewegenderoptischenzentralprojektionumgekehrtproportionalzumabstanddesobjekts vonderkamera(undproportionalzurrealengroe)ist,kanndierealegroeausder scheinbareneinfachgewonnenwerden,indemdiesedurchdenabstanddividiertundmit einemfesten,einmalzubestimmendenfaktormultipliziertwird.esempehltsichdaher,diescheinbaregroeimmergleichmitdemabstandzunormieren.denabstand erhaltmanbeiderbestimmungderpositiondesobjektsdurchtriangulierennachder Fixation(ineinemselbstorganisierendenRoboterkanndernichtlineareZusammenhang zwischenvergenzwinkel,abstandundscheinbarergroeaberauchgelerntwerden,indemeinobjektaufgenommenwirdunddieseparameterinverschiedenenentfernungen ausgewertetwerden).diegroekannauchfureinunbekanntesobjektbestimmtwerden, einskalierungsfaktorfurdiegrundformdesobjektssein. wennesz.b.alsellipsoidangenahertundreprasentiertwird.ansonstenwirddiegroe DieObjektgeometriewirdzweckmaigerweiseaufgespalteninFormundGroe, KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS dasgreifsystemdannauchnurzubekanntenobjekteneineauswahlvongrienbereitstellenkann,unbekannteobjekteabererstkennenlernen{z.b.explorieren{muss. Fallist,sonderndurchMustervergleichnureineZuordnungzuverschiedenenObjekttypen,alsonureineObjektwiedererkennung,moglichist,mussakzeptiertwerden,dasbeitungeineBeschreibungderFormliefert,mitderenHilfeauchfurunbekannteObjekte Griegefundenwerdenkonnen(vgl.Abschnitt4.2.1abSeite103).Solangediesnichtder BeiderBestimmungderFormeinesObjektsistwunschenswert,dassdieBildverar- furdielinke(+)bzw.dierechtekamera( ).DieserWinkelbetragtbeidemamInstitutentwickeltenServiceroboter"Gripsee\(sieheKapitel8abSeite189)indertypischen Greifsituation(wieinBild3.8,Seite46,dargestellt)etwa7.Umzuvermeiden,dassfur dieeinstellungdieseswinkelsnocheinweitererfreiheitsgradindenstereokamerakopf =arcsinsin#sin2 dereinzelkameras,istabhangigvomnickwinkel#undvomvergenzwinkel:7 Rotationswinkel(Rektikation,vgl.Abschnitt3.2.3abSeite46),hierderRollwinkel DerzurKompensierungdertrotzFixationvorhandenenObjektverkippungnotwendige eingebautwerdenmuss,kanndiedrehunginsoftwareimplementiertundbeimauslesendeskamerachipsausgefuhrtwerden;gleichzeitigkanndabeiggf.einosetdurch (4.5) hangnichtalsgleichungvorzugeben,sondernineinemselbstkalibrationsprozessz.b. "Schielen\derKamerasausgeglichenwerden.Esistauchmoglich,obigenZusammen- voneinemneuronalennetzlernenzulassen[277,278,279]{wasdenvorteilhat,dass AbweichungenvondieserGleichung(z.B.durchToleranzenderWinkelmesserundder Kinematik)mitgelerntwerdenkonnen.DieKompensationinSoftwareauszufuhrenund 7HerleitungsieheAnhangA.2abSeite218.

131 esreduziertdamitdiekosten. 4.4.REALISIERUNG undvermeidetbeiindustriellerherstellungdaspersonalintensivekalibrierenvonhand; Hardware-ToleranzenalgorithmischzukompensierensowiedieKalibrationselbstorganisierenddurchzufuhren,entscharftauerdemdiePrazisionsanforderungenandieHardware Navigation gebenerorientierungzubewegenoderzubeurteilen,obsieerreichtwerdenkann.diese AufgabelasstsichaufteilenundzweiSystemenubertragen:derGreifernavigationfur DieAufgabederNavigationistes,denGreiferineinevorgegebenePositionmitvorge- undwirbelsaule);sieistdievorherrschendenavigationimnahbereich.dazuistdie diebewegungdesgreifersrelativzumroboterundderroboternavigationfurdie gleichbarerfreiheitsgrade(beimmenschenwarendasdiegelenkeinbeinen,hufte RedundanzdersichergebendenkinematischenKettezubeherrschen,sindBewegungstrajektorienzuerzeugenundHindernissezuberucksichtigen.BeiBewegungenistdie DynamikzubeherrschenundsindKraftezukontrollieren.ZurBeurteilungderEr- DieGreifernavigationbetritdieBewegungenderArmgelenkeundsonstigerver- BewegungdesganzenRobotersinseinerUmgebung. reichbarkeitistdieinversekinematikzumeistern.vieledieserproblemewerden [202,302,303,46,311,381,312,17]erforscht.DieVorwartskinematikunddieinverse seitjahreninderrobotik[109,70,147,253,259,205]undinderneuroinformatik KinematikbeisechsachsigenRoboterarmenwerdenbeherrschtundweltweitbeiIndustrieroboterneingesetzt[109,70,81].NochGegenstandderForschungistdieKontrollevon redundantenroboterarmenunddiebeherrschungderdynamik[316].beiderberucksichtigungvonhindernissenbestehtebensonochgroerforschungsbedarf,ebensobeider dafurnotigenbildverarbeitung. mitvorgegebenerorientierungzubringen,wirdaberausreichendbeherrscht[109,70,147, 253,259,202,302,46,16].Daherwirdhiernichtnaherdaraufeingegangen.Jedochstellt zurgreifernavigationundeinenalgorithmusfurdieselbstkalibrationeinerredundanten Kapitel7(abSeite179)denRahmenfureinlernfahiges,selbstorganisierendesSystem Armkinematikvor. DasNavigationsgrundproblembeimGreifen,denGreiferaneinevorgegebenePosition tionfurdenfernbereich.wichtigsindhierdieorientierungimraum,dasaufbauen vonorientierungskarten,dasplanenundabfahrenvontrajektoriensowiedievermeidungvonhindernissen.auchindiesembereichgibtesunterdemstichwortderautonomenroboterzahlreicheforschungsarbeiten[76,373,36,324].daesfurdasgreifen unbedeutendist,obdiebewegungdesgreifersaufdiegreifernavigationoderdieroboternavigationzuruckgeht,kanndieroboternavigationalsteileinerverallgemeinerten DieRoboternavigationbetritdieFortbewegungdesRoboters;sieistdieNaviga- Robotersbetrachtetwerden.DaherwirddieRoboternavigationindieserArbeitnicht GreifernavigationverstandenunddasGreifenunabhangigvonderBewegungdesganzen weiterberucksichtigt.

132 120 KAPITEL4.ENTWURFEINESGRUNDLEGENDENGREIFSYSTEMS

133 Kapitel5 bekanntenobjekten,wieindereinleitungdargelegtundbeimentwurfdesgreifsystems (inkapitel4abseite97)naherausgefuhrt. ServiceroboterbrauchendieFahigkeitzumLernenvonGrienanunbekanntenwiean TaktilesFindenvonGrien Verfugungsteht.DadieVorprogrammierungpraktischausscheidet,weilsienurfurvorhersehbareObjektegeeignetist,unddieImitationsichzwarzuranwenderfreundlichen Programmierungeignet,aberausscheidet,weileinServiceroboterauchautonomarbeiten konnensoll,musserselbstandiggriendenkonnen.hierfurwirdindiesemkapiteleine Losungvorgestellt. VoraussetzungfursLerneneinesneuenGrisist,dassuberhaupteinsolcherzur LosungenineinemhochdimensionalenSuchraumgefundenwerdenmussen,dervon denfreiheitsgradendesobjekts,desgreifersundseinerstellungzumobjektsowiedem Armaufgespanntwird. borene,wennsiedieerstenschrittezumgreifenunternehmenundesineinemselbst- organisationsprozesszumeisternlernen.dahersollhierdieentwicklungdesgreifensim DieHerausforderungbeimFindenvonGrienaneinemObjektist,dassdie erstenlebensjahreineskindesalsvorbildfureinetechnischelosungdienen. reduziertwirddurcheinfrierenundkoppelnvonfreiheitsgradensowiedurchvorgeben indembeineugeborenendiedimensionalitatdessuchraumeszunachstdrastisch VordemgleichenProblem,nurmitnochvielmehrFreiheitsgraden,stehenNeuge- einfacherheuristikenzumfindenvongrienunderzeugenerstergreiferfahrung. Voraussetzungenmitbringt: ZurtechnischenUmsetzungdiesesAnsatzeswirdeinSystembenotigt,dasfolgende DieNaturlostdasgeschilderteProblem,wieinAbschnitt3.5(abSeite85)gezeigt, eineexibleverhaltensorganisation,umdiereektorischengrundbewegungsmusterzuerzeugenunddassukzessivelernenzuorganisieren.dieserfalltindem HierfurkommtnureineTastsensorikamGreiferinFrage(vgl.Abschnitt4.4.3ab Seite114undAbschnitt abSeite117). SelbstorganisationsprozessdietragendeRollezu. einereduzierbareanzahlvonfreiheitsgraden,umdiedimensionalitatdes einesensorikalsruckkopplung,umdiesensomotorischeschleifezuschlieen. SuchraumesamAnfangeinzuschranken. 121

134 sein,unddiesesollenmodizierbarsein,umsieandieumweltanzupassen.essollenauch holendensituationenanwendenkonnensoll.einsatzvongrundmusternmussdenierbar 122 lungsmusternbereithalten,dieesexibelaufdieverschiedenen,sichnieidentischwieder- EinSystemzurVerhaltensorganisationmusseinenSatzvonparametriertenHand- KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN neuemusterselbstandighinzugelerntwerdenkonnen. nochzuschlagen.einversuch,dieseluckevonderabstraktenebeneherzufullen,istdie worden.diebruckezwischendermikroskopischenunddermakroskopischenebeneist zurreprasentationderimverhaltenerkennbarenparametersindnochkaumergrundet Abschnitt3.4abSeite71undAnhangCabSeite227):DietechnischrelevantenFragen zurerzeugungdesverhaltensimgehirndurchinteraktionzwischendenneuronensowie antierenzuorientieren,dochistdaswissendaruberheutenochzudunndafur(vgl. Esliegtnahe,sichbeiderRealisierungeinessolchenSystemsamMenschenoder Schema-Theorie,dieichdeshalbalsAusgangspunktfurdieRealisierunggewahlthabe. 5.1Schema-Theorie DerBegridesSchemasbildetinPiagetsArbeitenausden1930erJahren(z.B.[288]) einesderzentralenkonzepte.hauptsachlichuberihnzogenschemataunddiedamit aufgebautenlernmechanismenetwaabden1980erjahrenauchindiekunstlicheintelligenz(z.b.in[88],sieheauch[69])undindieneuroinformatik[113,69]ein;dieideen vorallemimzusammenhangmitderbewegungskoordination[122,280,327].vonarbibwurdederbegridesschemasaufgegrien[7],zurschema-theorieweiterentwickelt [9]und,zusammenmitCorbachoundvonderMalsburg[personlicheKommunikation], Schema-TheoriestutztsichaufletztereArbeiten;eigeneErweiterungensindgleichmit zumschemabasiertenlernenausgebaut[69,68].dienunfolgendebeschreibungder DiegenaueVerwendungdesBegrisSchemaschwanktbeidenverschiedenenAu- sindaberschonvorherbeianderenautorenzunden[7].piagetstheorienmussenheute allerdingsteilsalsuberholtgeltenundwurdenineinigenpunktenrevidiertoderkorrigiert (vgl.abschnitt3.5abseite85). toren.gemeintistmeisteinverhaltensmusterimkontexteinerbestimmtensituation, handeltwird AufbaueinesadaptivenautonomenAgenten lensowiereaktorisch-pradiktivenschemata,diezufallskomponentebeiderinstanziierung sowiediedarstellungalsadaptiverautonomeragent,alsdenhiereinserviceroboterbe- eingeochten.neusindhierimwesentlichendieeinfuhrungvonsensorischenundaktua- EinadaptiverautonomerAgent(Bild5.1)bendesichineinerUmgebungU(environment).ZurInteraktionmitderUmgebungbrauchtereineSensorikoderPerzeptorik sowie"sensorisch\und"perzeptorisch\analogesachverhalte;umverwechslungenmit"perzeption\und "perzeptuell\zuvermeiden(sieheunten),werdeichimfolgendendieseskapitelsnurnoch"sensorisch\ etc.verwenden.dasgleichegiltfur"aktorik\und"motorik\,"aktor\und(ungebrauchlich)"motor\ undeineaktorikodermotorik.1diephysikdersensorikdesagentenerzeugeeine sowie"aktorisch\und"motorisch\;hierwerdeichimfolgendennurnoch"motorisch\etc.verwenden. 1InderTechnikbzw.derBiologiebezeichnen"Sensor\und"Perzeptor\,"Sensorik\und"Perzeptorik\

135 5.1.SCHEMA-THEORIE 123 Verhalten Sensorik Perzeption Aktion Prädiktion Motorik Speicher I (-1) P T I A M P* Vgl. Speicher P* (-1) Adaption U Umgebung Adaptiver autonomer Agent Interner Raum Aktualer Raum Motorischer Raum Perzptueller Raum Sensorischer Raum Perzeptuelle Schemata Reaktorische Schemata Prädiktive Schemata Aktuale Schemata Motorische Schemata Sensorische Schemata U Bild5.1:AufbaueinesadaptivenautonomenAgenten. AbbildungU7!TausderUmgebungUinseinenvonderSensorikaufgespanntensensorischenRaumT,diePhysikderMotorikeineAbbildungM7!UausseinemmotorischenRaumMzuruckindieUmgebungU.DiediesensorischeAbbildungU7!T vermittelndensensorenkonnendurcheinensatzst=fs1t;:::;snt TgsensorischerSchemataSiT:Ui7!Tibeschriebenwerden.DabeiseihierallgemeinmiteinemIndex,z.B. iinxi,einteil-oderunterraumeinesraumes,z.b.x,gekennzeichnet.dasbedeutet, dassdieabbildungst:u7!tdurchdieschematasitineinensatznebeneinander bestehenderabbildungenui7!tizerlegtwird.dabeiwirdderursprungsraumuder AbbildungparzelliertinTeilraumeUi,diesichuntereinanderuberlappendurfen;2ebenso wirdderbildraumtparzelliert.derteilursprungsraumeinesschemas,hierui,wird auchalsaktivierungsraumbezeichnet.diehiereingefuhrtenbezeichnungenwerden imfolgendenanalogauchfurdieanderenbeschriebenenschematabenutzt. DiegesamteAbbildungwirdalsoauseinzelnenAbbildungenindenTeilbereichenzusammengesetzt.DieKomplexitatdereinzelnenAbbildungenistdadurchgeringeralsdie 2DieIdeederParzellierungentsprichtderVektorquantisierung,derZerlegungdesEingangsraumes z.b.indiesogenanntenvoronoi-gebietederselbstorganisierendenkarten[302];dieuberlappungder ParzellenentsprichtderverteiltenReprasentationbeineuronalenNetzen[314].

136 124 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN dergesamtenabbildung,wasggf.daslernenderabbildungvereinfacht.eskannsogar diekomplexitatdesproblemsinsgesamtreduziertwerden,indemdieteilbereicheauf UnterraumedesUrsprungsraumesbeschranktundnichtalleDimensionendesUrsprungsraumeserfasstwerdenoderdieTeilbereicheaufAusschnittebeschranktundnichtdie ganzenwertebereicheallerdimensionenerfasstwerden.beidersensorikistdiesimmerderfall,dainderrealitatnieallephysikalischengroenderumgebunguberden gesamtenwertebereichinmaximalerauflosungerfasstwerdenkonnen;diedimensionalitatistregelmaigdurcheinebegrenzteraumlicheundzeitlicheauflosungdersensorik beschrankt. AnalogzuobenkonnendiediemotorischeAbbildungM7!Uvermittelnden"Motoren\durcheinenSatzSM=fS1M;:::;SnM MgmotorischerSchemataSiM:Mi7!Ui beschriebenwerden.dievondersensorikinderabbildungu7!tausgewerteteteilraumvonudarfnaturlichnichtvondemvondermotorikinderabbildungm7!u beeinusstenunterraumvonudisjunktsein,damitdiesensorikdiedurchdiemotorikbewirktenveranderungendetektierenkannundsomitdiesensomotorischeschleife geschlossenwird. ZwischendemsensorischenunddemmotorischenRaumndeimAgentendieAbbildungS7!Mstatt.DiesegescheheinmehrerenAbschnittenoderHierarchiestufen: DiePerzeption(Wahrnehmung,perception)desAgentenreduzieredieDimensionalitatseinessensorischenRaumesTweiterdurcheineAbbildungT7!PinseinenperzeptuellenRaumP.DieseAbbildungwerdevermitteltdurcheinenSatzSP=fS1P;:::;SnP Pg perzeptuellerschematasip:ti7!pi. DieAktiondesAgentenbildeseinenRaumvonAktionenoderaktualenRaumA durcheineabbildunga7!maufseineninderregelhoherdimensionalenaktorischen/motorischenraummab.dieseabbildungwerdevermitteltdurcheinensatz SA=fS1A;:::;SnA AgvonAktionenoderaktualerSchemataSiA:Ai7!Mi. DieVerhaltenskoordinationgescheheimAgentendurchdieAbbildungP7!A vomperzeptuellenraumpaufdenaktualenrauma.damitderagentnichtnurzu einfachemreaktivemverhalten,sondernauchzukomplexeremverhalteninderlage ist,dasvorherigezustandeeinbezieht,ist{wiebeiendlichenautomaten[128]{ein "Gedachtnis\inFormeineszusatzlichenZustandsspeichersnotig,derhieralsinterner(Zustands-)RaumIbezeichnetwerdensoll.3DievorherigeAbbildungP7!Awirddamit zurabbildungp[i7!i[aerweitert.siewirddurcheinensatzsr=fs1r;:::;snr Rg reaktorischerschematasir:pi[ii7!ij[aivermittelt(dasjinijdeutetan,dass derbildbereichijiniundderdenitionsbereichiiiniverschiedenseinkonnen). DieArbeitsweisedesAgentensehesoaus,dassdieandenSensoren/Perzeptoren anliegendensignaledurchpassendesensorischeschematavorverarbeitetundindenperzeptuellenraumabgebildetwerden.diezumzustanddesperzeptuellenunddesinternen RaumespassendenSchematawerdenaktiviertunddadurcheineAbbildungaufdenaktualenRaum(undzuruckindeninternen)erzeugt.DurchAktivierungderpassenden motorischenschematawerdendieentsprechendenbewegungenausgefuhrt.aufdiese 3Corbacho[68]bezeichnetdiesenRaumalsintermediar(intermediate).DiehiergewahlteneueBezeichnunghebthervor,dassdieReprasentationindiesemRaumdeninnerenZustanddesAgentenwiderspiegelt,wahrenddieReprasentationenindenanderenRaumen{uberdieSensorikundggf.deninneren Zustand{vonauendurchdieaktuelleSituationbestimmtsind.

137 5.1.SCHEMA-THEORIE WeisekannderAgentzwarschonagieren,abererkannnochnichtausdenErgebnissen seineraktionenlernen. learning,lernenmitlehrer[421,314]),dieintechnischensystemenundneuronalennetzenamhaugstenverwendeteformdeslernens,zunachstnichtanwendbar,sondernnur unbeaufsichtigteslernen(unsupervisedlearning,lernenohnelehrer)wiezumerstellen selbstorganisierenderkarten[302].durcheinenkunstgri{unddasisteinwesentliches ElementderSchema-Theorie{isteinebesondereFormdesLernensmoglich,beiderder AgentausderBeobachtungderFolgenseinerAktionenderenWirkungenkennenlernt: DieseWirkungenlassensichalsErwartungenoderPradiktionenmitdenentsprechendenSchemataverknupfen,sodassderAgenterkennenkann,wenneinSchemaineiner (gegenuberfruheretwasanderen)situationnichtdaserwarteteergebnisbringt.erkann gewunschteergebniserzeugt.einepradiktiongibtabernichtnureineerwartungvor, dannvermeiden,dasverwendeteschemafalschlicherweisederneuensituationanzupassen,sondernkanndafureinneuesschemaetablierenodereinanderessuchen,dasdas BeieinemautonomenAgentenistdassogenanntebeaufsichtigteLernen(supervised 125 piertwird,vonseinerhistorie,dieiminternenraumzwischengespeichertist,undvonder sondernkannauchalszielfunktionbetrachtetwerden.damitlassensichabweichungenoderfehlerzwischendemaktuellenergebnisunddemerwunschtenerkennenund sodochdasbeaufsichtigtelernenzuranpassungderschemataverwenden,denndessen geplantenaktion;vorhergesagtwerdeeinzukunftigerzustandderumgebung,derdann wiederperzipiertwird.daheristdiepradiktioneineabbildungp[i[a7!paus denperzeptuellenraump.siewerdedurcheinensatzse=fs1e;:::;sne Charakteristikumist,dassdieAbweichungvoneinerZielfunktionvorgegebenwird. SchemataSiE:Pi[Ii[Ai7!Pjvermittelt.DerSatzpradiktiverSchematastellteine demperzeptuellenraump,deminternenraumiunddemaktualenraumazuruckin EinePradiktionseiabhangigvommomentanenZustandderUmgebung,derperzi- ModellierungderUmgebungdesAgentendar,dienaturlichbeschranktistaufdenfurihn erfahrbarenausschnitt,derdurchseinemotorikundsensorikabgestecktist. hinentwickelt.beispielsweisekonnenperzeptuelleschematadamitzurreprasentation haltenkonnen.diesedientdazu,demschemaeinevorgabezumachen,aufdieessich ZusatzlichsolljedesSchemaSiX:Y7!Z4eineZielfunktionziX:Yi7!Zier- Egpradiktiver vorgegebenermerkmalegezwungenwerden,uminderanfangsphasediekonguration dessystemszuermoglichen.5oderalszieleinespradiktivenschemasfursgreifenwird vorgegeben,dassandentastsensorenaufdergreiferinnenseitebeinichtganzgeschlossenemgreiferkontaktgemeldetwird(wasdaserfolgreichegreifeneinesobjektsimpliziert undeinubergeordneteszielfestschreibt). konnenauchregelnfureinenselbstorganisationsprozessvorgegebenwerden,durchdensichdiegewunschtenreprasentationendannentwickeln[386,387,385]{diesisthochstwahrscheinlichderansatz,dessen 4X2fP;A;R;Eg,Y;Zentsprechend:alsoalleSchemataallervorherbeschriebenenmodizierbaren 5DieseVorgabeistvergleichbarmiteinergenetischenFestlegung.AlternativzurdirektenVorgabe DaeinePradiktionnurbeieiner(vomAgenteninduzierten)Veranderungrelevant sichdienaturbedient.dasproblemdabeiist,dieentsprechendenregelnzunden,dennbeieinem Typen. insdetaildirekterfolgen.indenheutenochvergleichsweiseeinfachenunduberschaubarentechnischen hochkomplexensystemkonnendievorgabenschonalleinwegenderdannnotigendatenmengenichtbis SystemenfuhrtdiedirekteVorgabejedochinderRegelschnellerzumZiel.

138 reaktorisch-pradiktivenschemataskre:pi[ii7!pj[ij[ai(gleicheindizes i;j;kbeidenraumendeutenhierdiegleichenteilraumean).dersichergebendesatz reaktorisch-pradiktiverschematasre=fs1re;:::;snre ist,istessinnvoll,diereaktorischenschematasir:pi[ii7!ij[aijeweilsmit denentsprechendenpradiktivenschematasje:pi[ii[ai7!pjzuverknupfenzu 126 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN Raum,Pfurdenperzeptuellen,Ifurdeninternen,AfurdenaktualenundMfurden UmgebungdesAgenteninVerbindungmitseinemAktionsspektrumdarunderzeugtdie Zusammenfassung.EinadaptiverautonomerAgent(Bild5.1)seidurcheinSechstupel AbbildungP[I7!P[I[A.ImFolgendengeheichdavonaus,dassdiereaktorischen SchematamitihrenentsprechendenpradiktivenSchematazusammengefasstsind. ft;p;i;a;m;sgcharakterisiert;dabeistehttfurdensensorischen/perzeptorsichen REgstellteineModellierungder motorischenraumsowies=fsp;sa;sregfureinensatzschematamit ST:U7!TalsSatzsensorischerSchemataS1T;:::;SnT SP:T7!PalsSatzperzeptuellerSchemataS1P;:::;SnP T, DabeiseiendersensorischeunddermotorischeRaumwiediesensorischenundmotorischenSchematadurchdieSensorikbzw.dieMotorikdesAgentenfestgelegt.Dieubrigen RaumewieSchematasollenmodizierbarsein. M, SA:A7!MalsSatzaktualerSchemataS1A;:::;SnA SM:M7!UalsSatzmotorischerSchemataS1M;:::;SnM SRE:P[I7!P[I[AalsSatzreaktorisch-pradiktiverSchemata S1RE;:::;SnRE RE. A, P, 5.1.2Schema-Aktivierungund-Instanziierung Aktivierung.BevoreinSchemaverwendetwerdenkann,musseszuerstausgewahlt{ aktiviert{werden.wiedieszugeschehenhat,lasstsichauseinergenauerenbetrachtungdernatureinesschemasableiten:einsatzschematavermittelteineabbildung einesraumes,desursprungsraumes,aufeinenanderen,denbildraum(bild5.2).dabei 1 S x Bild5.2:EinSatzSchematabildetdenUrsprungsraum(links)aufdenBildraum(rechts)ab, siehetext. 2 S x n S x

139 welchenteilraumdesursprungsraumesdaseingangssignal(reprasentiertalsvektoraus deneingangsparametern)fallt,d.h.zuwelchenschematadereingangsvektorambesten 5.1.SCHEMA-THEORIE wirdderursprungsraumdurchdieschematainteilraumeparzelliert(diesichdurchaus uberlappenkonnen).zuraktivierungeinesschemasmusszuerstbestimmtwerden,in 127 passt.dadieteilraumeinderregelnichtdurchihregrenzenreprasentiertwerden, sonderndurcheinenvektor(odereinegruppevonvektoren),geschiehtdiesdurcheinen VergleichdieserVektorenmitdemEingangsvektor(imAllgemeinenwerdendieseVektorennureinenTeildesEingangsvektorsindenVergleicheinbeziehen,d.h.eswirdein gewichtetervergleichstattnden{z.b.wirdinderregelbeiauswertungderoptischen undaktiviert,daszudemambestenpassendenteilraumgehort,d.h.eswirddasambestenzuraktuellensituationpassendeschemaaktiviert.wennmehrereschemataahnlich gutzumaktuelleneingangsvektorpassen,konnensieauchgleichzeitigaktiviertwerden iktfreibleibtdies,wenndiebeteiligtenschematanichtmiteinander"konkurrieren\,d.h. wennihreursprungsraumesichseparierenlassen{z.b.beizweiperzeptuellenschemata, dietastsensorenaufgetrenntenkorperregionenauswertenoderdiezuverschiedenensinnesmodalitatengehoren.) undsichinihrenwirkungen(d.h.inihrerabbildungindenbildraum)uberlagern.(kon- vonihmvermittelteabbildungdurchgefuhrtwerden.hiersollabernocheinschritt,die Instanziierung,eingeschobenwerden;derGrunddafurliegtimLernen: AnpassungeinerSchwellewiebeiCorbacho[69],nurbinarentschiedenwerdenkann(Erfolg/nichtErfolg):IndiesemFallwirdeinSchemaseineSchwellesolangeanheben,bisder Instanziierung.NachderAktivierungeinesSchemaskonnteeigentlichgleichdie SensorikdieTastsensorikausgeblendetwerden).EswirddanndasSchemaausgewahlt genwiedersinkt.solangekeinfehlerauftritt,kommtdieanpassungbeieinemsolchen "deterministischen\schemazumstillstand. Erfolgeintritt,unddiesenWertbeibehalten,auchwennernurknappuberderSchwelle liegtoderdieschwelleaufgrundveranderterrandbedingungenoderandereranpassun- Nehmenwiran,dass{wiehaug{uberdenErfolgeinesSchemas,z.B.beider schenuberlagertwerden.sowirduberdiezeiteinewolkevonpunktenerzeugt,die nehmen,aberdas"indeterministische\schemakanndurchauswertungdererfolgreichen WerteseineAbstimmungverschieben,undzwarentwederweiterwegvonderSchwelle, dieumgebungdesabgespeichertenwertesabtastet.dabeisindzwarfehlerinkaufzu wennesnachdemerstenerfolgnurknappdarubergelandetist,oderesfolgteinerabsinkendenschwellenach.durcheinfachestatistikkannzudemdieindenwertenmogliche IndieserSituationkanndasLernenfortgesetztwerden,indemdieWertemitRau- VarianzherausgefundenunddamitdasuberlagerteRauschenmitdieserVarianzerzeugt VerfahrenzurOptimierungderParameterwerteundToleranzeninelektronischenSchaltungenundChip- plette,nocherfolgbringendeumgebung,dassogenanntegultigkeitsgebiet,ausgetastet undbestimmt.6 rameterwertenuberlagert,dieseineabbildungbestimmen.dieanpassungdesschemas werden.dadurchwirddieabtastendewolkeinihrergroemoduliertunddiekom- Layouts[420,194,200].ImGehirngibteseinstandigesHintergrundrauschen,wasaufeinahnliches Verfahrenhindeutenkonnte(vgl.mitAbschnitt3.4.5aufSeite77). 6DieseGrundideeliegtderEntwurfszentrierungzugrunde,eineminderElektrotechnikgebrauchlichen BeiderInstanziierungeinesSchemaswirddiesesRauschenallenabgespeichertenPa-

140 geschiehtdurchdiefehlerauswertungunddieskizziertestatistischeanalyse. 128 voziertenabweichungenimmerwiederzufehlernkommt,derenkorrekturzeitkostet. ImNormalfallwirddiesdadurchaufgewogen,dasssichdasSystemstandiginAnpassung DereinzigeNachteildiesesindeterministischenVerfahrensist,dassesdurchdiepro- KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN denenveranderungenimsensorischenraumdiskretauftretenodersichamuberschreiteneinerschwellefestmachenlassen.wenigergeeignetistsiefurzeitkontinuierliche konnendiezufalligenfehlervermiedenwerden,indemdasuberlagerterauscheninseiner Varianzstarkvermindertoderganzunterdrucktwird("Konzentration\). bendetunddasmodellseinerumgebungstandigverbessert.inkritischensituationen sichdieschema-theoriesehrgutfureinediskreteereignissteuerungbeiprozessen,bei einerkontinuierlicharbeitendenfunktionseinheitverallgemeinertwerden,wasaberdem jetzigenkonzeptderabbildungzuwiderliefe.ebensomusstedievertraglichkeitmit Prozesse,diez.B.einestetigeRegelungerfordernkonnen.DazumussteeinSchemazu WegenderdiskretablaufendenAktivierungundInstanziierungvonSchemataeignet matadurchableitenvoneinemelternschemaoderdurchkombinationgeschieht,wird anderenansatzenzurverhaltensorganisation,z.b.derkontrolltheorie(control-system theory,perceptioncontroltheory[306,40]),erreichtwerden. durchanpassenderaktiviertenschemata(sieheoben)oderdurcherzeugenneuersche- hiernichtweitervertieft,weilessichbeimtaktilenzugreifenalsunnotigherausgestellt hat(vgl.abschnitt abseite150).zumteiltauchendiesebegrieaberinden AbschnittenzurImplementierungauf,weildasLernenbeiderUmsetzungvorbereitet wurde. DasschemabasierteLernen,dasdurchAuswertenderPradiktionengesteuertwirdund 5.1.3SchemabasiertesAgieren vermitteln.dieseschematasindvorprogrammiert;sieentsprechendeninderbiologie bekanntenreexenundangeboreneninstinktivenverhaltensweisen. gesetztwirdunddorteinebestimmtesituationvorndet.seinesensoriktastetdieumgebungab,diesensorischeneingangssignaleaktivierendiepassendensensorischenschemata GanzzuAnfangistderautonomeAgentmiteinemSatzUrsprungsschemataausgestattet, dieihmeinerstesagierenerlaubenundihmersteerfahrungenmitseinerumgebung unddiesewiederumdiepassendenperzeptuellenschemata.dieslauftab,wieobenbei deraktivierungundinstanziierunginabschnitt5.1.2(abseite126)beschrieben.nachdemdieperzeptionbeendetist,werdendiepassendenreaktorisch-pradiktivenschemata aktiviert,unddurchdieaktivierungderpassendenaktualenundmotorischenschemata Das"Leben\desautonomenAgentenbeginntdamit,dasserinseineneueUmgebung werdendieentsprechendenaktioneninderumgebungdurchgefuhrt.dadurchandern sichdersensorischeinputwieauchdieperzeption.einerseitswirddieseperzeptionmit Piaget[288]auchzirkulareReaktiongenannt). derpradiktionverglichenundggf.dasschemabasiertelernendurchgefuhrt.andererseits unddernachstezyklusvonaktionundperzeptionbeginnt(action-perception-cycle,von wirddurchdieneueperzeptioneinneuersatzreaktorisch-perzeptiverschemataaktiviert, denentwederineinemstabilengrenzzyklussperiodischimmerwiederdiegleichesequenz Eskannpassieren,dassderAgentineine"Sackgasse\(deadlock)gerat.Dannwer-

141 5.1.SCHEMA-THEORIE erfolgloserschemataaktiviert(beispiel:beimzugreifenstotdielinkegreifbackeansobjekt;dergreiferwirdnachlinksbewegtundgreifterneutzu;dannstotdierechtebacke ansobjekt;dergreiferwirdwiedernachrechtsbewegt;dannstotwiederdielinkebacke anusw.),odereswerdenineiner"chaotischen\folgenurerfolgloseschemataaktiviert 129 (auchanzusehenalsgrenzfalleinesgrenzzyklusmitunendlicherperiode). Sackgasse,wenndasObjektzugroistfurdenGreifer.WenndasObjektdannnichtwie auswahleinezufallskomponenteerhaltunddamitirgendwanndocheinelosunggefunden oderdervorgangzufalligabgebrochenwird.beimzugreifengeratderagentdannineine detektierenunddervorgangabzubrechenoderdurchimplizitemanahmenabzufangen. Rauschenverstarktwird,sodassdieVarianzindenAktionensteigtundauchdieSchema- Letzterekonnensoaussehen,dassmitwachsenderDauereinesVorgangsdasuberlagerte AlsAbhilfeistdieserFallentwederalsOszillationoderlangeerfolgloseSequenzzu einquaderindereinenrichtungzwarzugroist,inderanderenrichtungaberklein genug(vgl.bild5.6aufseite138),hilftnureinabbruch. dasseinobjektgegrienwordenist,bedeutet,dassdieaufdieseszielgerichtetehandlung gestopptwerdenmuss.dieswirderreicht,indemdaspradiktiveschema,dasdasubergeordnetezieldeniert,aktiviertunderfulltwird(vgl.inabschnitt5.1.1aufseite125). werdenkann.diesgeschiehtdurchdieaktivierungeinespradiktivenschemas,dasdas entsprechendeneueubergeordnetezieldeniert. UbergeordnetesZielerreicht.DasEintreteneines"ubergeordnetenZieles\,z.B. DerAgentgeratdannineinenZustand,indemeraufdasnachsteZielausgerichtet gie;unddieschema-theoriewurdeentwickelt,umdiedortgemachtenbeobachtungenzu 5.1.4ImplementierungalsschemabasierterAutomat DerBegridesSchemashatseinenUrsprunginderNeurobiologieundinderPsycholo- erklarensowiediedortgewonnenenkenntnisseindertechnikeinzusetzen[7].vondaher sindneuronalenetzealsdas"naturliche\substratanzusehen,umdieschema-theoriezu implementieren.dabeiwurdendieverschiedenenraumedurchdiezustandederentsprechendenneuronengruppenaufgespannt;einereprasentationwareausgedrucktdurchdas Raumen{hierzwischenverschiedenenNeuronengruppen{wurdevermitteltdurchdie AktivitatsmusterderNeuronen;undeinSchema,dieAbbildungzwischenverschiedenen VerbindungsstrukturzwischendenNeuronen. mabasiertelernenanzurmodellierungdesverhaltensvonfroschlurchen(anuren,anur- ans)inderspeziellensituation,dasssieaufdemwegzuihrerbeuteeinebarriereaus Impulszuunterdrucken,dieBeuteaufdirektemWegzuerreichen,unddurcheinenUmwegzuersetzen.7Diezweidimensionale"Welt\dieserFrosche(Hupfennichterlaubt) durchdiestabehindurchzwardirektsehenkann,dochlernenmuss,seinennaturlichen Corbacho[69]istdiesenWeggegangen.ErwendetdieSchema-Theorieunddassche- Stabenumgehenmussen.DasInteressierendedaranist,dassderFroschlurchdieBeute dasiezuengfursiestehen(vielleichtsindsievonnaturausangrashalmeangepasst,diesiezurseite druckenkonnen?).nachzweibisdreifehlversuchenhabendiefroschlurchegelernt,gleichdenumweg fangsindirekterliniezurbeuteaufeineluckezwischendenstabenzubewegenundgegendiesestoen, umdiestabeeinzuschlagen. 7BiologischeVerhaltensexperimenteergaben,dassFroschlurche,dieserSituationausgesetzt,sichan-

142 einensektorausder"welt\herausschneidet;underbehandeltnurdieobenbeschriebene Algorithmenverwendetersimulierteein-undzweidimensionaleneuronaleFelder;dasvisuelleSystemeinesFroschssimulierterdurcheine"Retina\,dieohneProjektioneinfach modelliertcorbachomiteinem punkte-gitter;furseinereprasentationenund 130 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN Situation. eintechnischessystemwieeinenserviceroboter,derinderrealenweltfunktionieren soll,nichtverwendbar:einservicerobotermussineinerdreidimensionalenweltagieren, zummond\entpuppenkann(vgl.indereinleitungabschnitt1.3abseite6,siehez.b. sodasssicheinzweidimensionaleransatzverbietet,weildiesersichschnellals"leiter auch[245]).auerdemwirdfureinenservicerobotereinevielhohereauflosungals150 diskretewerteineinerdimensionbenotigt(vgl.dazudieabschatzungfurdasvisuelle EinderartstarkvereinfachtesModellmitkunstlichenneuronalenNetzwerkenistfur AlgorithmenunddienotigenRessourcensteigenuberproportionalanundsprengendie verwendetenneuronalenfelderwurdeneinewesentlichhohereanzahlvonneuronenerfordernbeieinerdeutlichhoherenkomplexitatdesgesamtsystems(wobeidasproblemder ServicerobotermehrSituationenalsnureinenSpezialfallbeherrschenkonnen.InderRe- GrenzendestechnischMachbaren.DiestritauchaufdasSystemvonCorbachozu:Die gelscheitertdieverallgemeinerungvonlosungenfurzustarkvereinfachteproblemeauf realeproblemeamsogenanntenskalierungsproblem:dierechenzeitderverwendeten SysteminAbschnitten3.2.3und abSeiten43bzw.114).Weiterhinmussein friedenstellendgelostist).hinzukommt,dassdieheutigenkunstlichenneuronalennetze dieeigenschaftenihrernaturlichenvorbilderbeiweitemnochnichterreichenunddass esnochkeinen"baukasten\auskunstlichenneuronalennetzengibtmitleistungsfahigen KomponentenwiezurassoziativenDatenspeicherung,exiblenReprasentation,Regelung, SkalierbarkeitderAlgorithmenbeikunstlichenneuronalenNetzenheutenochnichtzu- Steuerung,zeitlichenKoordinationundKorrelationetc.;diesemussenerstnochentwickelt werden(vgl.abschnitt3.4.5abseite75).aufgrundderkomplexitatunddesumfangs deraufgabenkanndiesandieserstellenichtgeleistetwerden. tenmakroskopischenmitdersymbolikschlagensoll:derschemabasierteautomat. Schema-Theorie{aufeinerEbeneuberdenneuronalenNetzen,aberunterdersymbolischenBeschreibungangesiedeltistundeineersteBruckeuberdieLuckezwischender DaherwurdehierzurImplementierungeinandererAnsatzentwickelt,der{wiedie detailliertenmikroskopischenbeschreibungmitdenneuronalennetzenundderabstrak- dieobersteunddieunterstezeile).8 reell.diegesamtheitdieservektorenbeschreibtdenzustanddesautomaten(inbild5.3 PunkteindenverschiedenenRaumenbeimschemabasiertenAutomatenalsVektoren entsprechenderdimensiondargestellt.derenkomponentensindabernichtbinar,sondern ReprasentationderRaume.InAnalogiezuendlichenAutomaten[250,128]werden UmgebungfestgelegtwirdunddieAktionsichubereinSchemaausdeminternenZustandundder Perzeptionergibt{vgl.Abschnitt5.1abSeite122. zwischenseinenraumen.beimschemabasiertenautomatenheitdies,dassseinaktuellerzustanddurchanwendungeinesschemasindenfolgezustanduberfuhrtwird.die GrundstrukturseinerSchematazeigtBild5.3amBeispieleinesreaktorisch-pradiktiven 8DabeiistnurderinterneZustandfreibestimmbar,dadiePerzeptionuberdieSensorikvonder GrundstrukturderSchemata.DieSchematadesAgentenvermittelnAbbildungen

143 5.1.SCHEMA-THEORIE 131 aktueller Zustand Aktivierung intern Vergleich Perzeption Schema Vergleichszustand * * Gewichte Parameter Elternschema matenundseineeinbettungineinenzustandsubergang. Mittelwert Zielzustand intern Prädiktion Aktion Varianz * = komponentenweise Multiplikation * (1- v i ) * v i * w i * (1- w i ) Anzahl vieleinfacheraus,dasienureineabbildungdessensorischenindenperzeptuellenbzw. Schemas.DieperzeptuellenundaktualenSchematasindanalogaufgebaut,nursehensie Bild5.3:Grundstrukturdesreaktorisch-pradiktivenSchemasfurdenschemabasiertenAuto- Gewichte v w Signifikanz desaktualenindenmotorischenraumerzeugenmussen.siekonnenggf.auchanders realisiertwerden. Instanziierung instanz. intern Prädiktion Aktion instanziierte Par. Ausführung DieGewichtesinddabeiindividuelldenverschiedenenSchematazugeordnet.EineVergleichsgutewirdfestgestellt9undmitihrdieRangfolgederSchematabestimmt.DaschendemaktuellenZustanddesAutomatenundderVergleichszustandeallerSchemata. Aktivierung.DieAktivierunggeschiehtdurcheinengewichtetenVergleichzwi- Folgezustand intern Perzeption aktiviert. SchemamitderhochstenGute{dasambestenzuraktuellenSituationpassende{wird durchgewichteteuberlagerungdesinternenzielzustandsdesschemasmitdemaktuelleninternenzustand.analogwirddiepradiktion,diezielperzeption,bestimmt.die Aktionwirddirektvorgegeben.10DieParameterfurdieAktionwerdeninstanziiert.Es sindfurjedenzuinstanziierendenparameterjefunfeinzelparametervorgesehen:die 9UblicherweisewirdzumVergleichdereuklidischeAbstandherangezogen,waszueinerUnterteilung Instanziierung.BeiderInstanziierungwirdderinterneFolgezustandbestimmt werden. deszustandsraumesindiesogenanntenvoronoi-gebietefuhrt[302].statteinerkomponentenweisen Gewichtung,diederMultiplikationmiteinerDiagonalmatrixunddamiteinerStreckungderHauptachsen entspricht,istaucheineverallgemeinerungaufgewichtsmatrizenmoglich. abhangigkeitderraumevoneinandernichtvorsieht(aberauchnichtverbietet),konnenauchalledrei TeiledesZielzustandesmitdeminternenZustandundderPerzeptiondesaktuellenZustandsverknupft 10FureinegroereFlexibilitatundhohereUbereinstimmungmitderSchema-Theorie,diedieUn-

144 132 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN Signikanzentscheidet,obzurInstanziierungdieEinzelparameterdiesesSchemasoder desvermerkten(ggf.parameterindividuellen)elternschemasverwendetwerden.mittelwertundvarianzwerdengenommen,umdenmitrauschenuberlagertenparameter zuerzeugen;dabeikannauchnocheinglobaler,dievarianzbeeinussenderparameter berucksichtigtwerden.dieanzahlzahltdiedurchgefuhrtenanpassungenundwirdfur diestatistikbeimlernenundzurbestimmungdersignikanzbenotigt(sieheuntenbei deranpassung). Anwendung.ZurAnwendungdesSchemaswirddieAktionmitdeninstanziiertenParameternvondenentsprechendenaktualenundmotorischenSchemataausgefuhrt, wodurchsichdurchruckkopplunguberdieumgebungunduberdiesensorischenund perzeptuellenschematadieneueperzeption{diedesfolgezustandes{ergibt.nunkann diepradiktionmitdereingetretenenperzeptionverglichenunddasergebnisbewertet werden. Bewertung.BeiderBewertungdesVergleichsergebnisseszwischenPradiktionund Perzeptionmussfestgestelltwerden,obdasSchemazumErfolggefuhrthat(vgl.dazu inabschnitt5.1.2aufseite128).wenndanachdasaktivierteschemaangepasstwerden soll,werdenmittelwert,varianzundsignikanzangepasst. Anpassung.DieAnpassungderParametersollstatistischerfolgen;dieEinzelparameterMittelwertundVarianzcharakterisierendiestatistischeVerteilungdesParameters.DaausSpeicherplatzgrundennichtdiegesamteFolgegespeichertwerdenkann,muss dafuraufrekursionsformelnzuruckgegrienwerden.dieexaktenstatistischenformeln sind(herleitungsieheanhang,abschnitta.3abseite219): xneu=xalt+xneu xalt n; (5.1) s2neu=s2alt+(n 2)x2alt+x2neu nx2neu s2alt n 1 : (5.2) FallseinParametermehrdimensionalist,z.B.einVektor,danniststattderVarianz entsprechenddiekovarianzmatrixzuverwenden(sieheanhang,abschnitta.3.2ab Seite219).WenneinegleichgewichteteMittelunguberdiegesamteZeitnichtsinnvollist {z.b.wennsichdieparameteraufgrundeineswachstums-oderverschleiprozessesmit derzeitandern,sodassdiefruherenwertenichtmehrreprasentativsind{,konnenstatt derhierangegebenenformelndieentsprechendenfurdengleitendenmittelwertunddie gleitendevarianzverwendetwerden(sieheanhang,abschnitta.3.3abseite220bzw. AbschnittA.3.4abSeite220). NachderAnpassungvonMittelwertundVarianzwirddieSignikanzneubestimmt. DazuwerdendieerfolgreicheninstanziiertenParameterimSchemaundseinemElternschemajealsStichprobeausderVerteilungangesehen,dieeinerfolgreichesAnwenden desschemasbzw.seineselternschemasgewahrleistet.zurbestimmungdersignikanz istdiefragezubeantworten,obdieseverteilungengleichsindodernicht,d.h.obdiebeidenstichprobenauseinerverteilungstammenkonnenodernicht.furdieentscheidung wird"diebeidenstichprobenstammenauseinerverteilung.\alsprimarehypothese odernullhypotheseformuliert,und"diebeidenstichprobenstammenausverschiedenen Verteilungen.\alsGegenhypotheseoderAlternative.DiebeidenStichprobenwerden hierdurchdiejeweiligeneinzelparametermittelwertundvarianzsowiedurchdieanzahlderelementeinderstichprobecharakterisiert.dieentscheidungmussalsogefallt

145 5.1.SCHEMA-THEORIE werdendurchvergleichdermittelwerteunddervarianzenmiteinanderunterberucksichtigungderunsicherheitderschatzungen,dievondenumfangenderstichproben(den VerfahrenausderStatistikverwiesen[195,99]. "Anzahlen\)abhangt.ZurweiterenBehandlungdieserFrageseiaufdieentsprechenden 133 nichtbinar,sondernreellsind.dadurchgibteskeinediskretenzustande,sonderneinen kontinuierlichenzustandsraum;diebeschreibungdurcheinenzustandsgraphenistnicht VergleichmitendlichenAutomaten DurchseinenAufbauistderschemabasierteAutomatdemendlichenAutomatensehr ahnlich[128,129].derhauptunterschiedist,dassdiekomponentenderzustandsvektoren bestimmtundzusatzlichbeiderinstanziierungmitrauschenuberlagert,wodurcher moglich. indeterministischwird. ndetstattdurchvergleichundschemaaktivierungsowieeinezusatzlicheverknupfung, dieaktionimreaktorisch-pradiktivenschema{wirdauchdurchdieschemaaktivierung einfachausdemaktuellenzustandunddeminputergeben;dennderzustandsubergang einegewichtungmitdemschemaspezischenzielzustand.deroutput{diesbetritnur EinweitererUnterschiedist,dassdieZustandsubergangeundderOutputsichnicht stimmterzustandsubergangzugeordnet.beimschemabasiertenautomatengeschiehtdies auchmitunvorhergesehenenzustandenumgegangenwerden{unddassdiezuordnung nochbesitztderschemabasierteautomatwiederendlicheautomateineendlichezahl implizitdurchdenvergleichbeiderschemaaktivierung.dieshatdenvorteil,dassnicht furallemoglichenkombinationenzustandsubergangedeniertwerdenmussen{sokann durchverschiebendervergleichsvektorenoder-gewichteverandertwerdenkann.den- BeimendlichenAutomatenwirdeinerZustands-Input-Kombinationexpliziteinbe- unterscheidbarerzustande,weilseineansichkontinuierlichenzustandsraumebeider SchemaaktivierunginAktivierungsgebieteparzelliertunddiskretisiertwerden.DerUnterschiedistjedoch,dassdieParzellierungexibeldurchSchemaadaptionoderBildung neuerschemataveranderbarist. neuronalimplementierbar:11dieabbildungdesaktuellenzustandesaufdenfolgezustand durchgewichtetesummationistdieinkunstlichenneuronalennetzenamhaugsteneingesetzteoperation[314,421].dieaktivierungeinesschemasdurchgewichtetenvergleich entsprichtdervorgehensweiseinselbstorganisierendenkarten[193,302].dieabspeicherungderparameterunddiemodellierungihrerverteilungen{bishergeschehendurch MittelwertundVarianzbeiangenommenerNormalverteilung{erfolgtambestendurch TrotzihrerNahezudenendlichenAutomatensindschemabasierteAutomatenauch Rollemehrspielt{siehe[241,249,250]. sichdamitdurchzufalligeauswahleinesneuronsundseinernachbarnrealisieren(damit warenauchnicht-normalverteilungenapproximierbar). einwachsendesneuronalesnetz[107],dassichinseinertopologieundauflosungandie zumodellierendeverteilunganpasst;dieinstanziierungmituberlagertemrauschenlasst 11AuchendlicheAutomatensindimGrundeneuronalimplementierbar,obwohldiesinderPraxiskeine

146 5.2TaktilesZugreifen ziellinihrerimplementierungalsschemabasierterautomat,zurlosungdesselbstandigen IndiesemUnterkapitelwird,wieeingangsdesKapitelsskizziert,dieSchema-Theorie,spe- 134 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN perzeptiven,desinternenunddesaktualenraumessowiedieauslegungderursprungsschemata. isteinerderzubehandelndenaspektedieanforderungenandietastsensorik.weitere AspektebetreendieReduktionderDimensionalitatindenGreiferbewegungenundin FindeneinesGrisaneinemunbekanntenObjektangewandt. derauswertungdertastsensorenzurvereinfachungdesproblemssowiediestrukturdes ZunachstwirddieImplementierungdestaktilenZugreifensfureinenParallelbackengreifermithartenGreifachen,denheutigenStandardgreiferderRobotik,vorgestellt. DieImplementierungfureinenMehrngergreifermitgegliedertenFingernundweichen Greifpolsternfolgtdanach. WeildafurderTastsinnunbedingterforderlichist(vgl.Abschnitt4.4.3abSeite114), diebewegungenaussechselementarbewegungenineinemgreiferzentriertenkoordinatensystemzusammengesetztwerden(bild5.4),diedietranslationenentlangder benotigt.diekomplexitatdessechsdimensionalenraumesdergreiferbewegungen(drei FreiheitsgradefurdieTranslation,dreifurdieRotation)lasstsichreduzieren,indem FurdastaktileZugreifenwerdenbeiderMotorikausschlielichGreiferbewegungen 5.2.1Motorik KoordinatenachsenunddieRotationenumdieKoordinatenachsendarstellen. Bild5.4:LageundAchsbezeichungendesgreiferzentriertenKoordinatensystems(inUbereinstimmungmitderSimulations-Software). imdreidimensionalenraumzusammengesetztwerden.indemdieuberlagerung(amanrungderelementarbewegungenkannmiteinerzahlfestgelegtwerden,welchebewegung ausgefuhrtwird.jedeelementarbewegungwirddurchzweiparameter,diebewegungsamplitudeunddierichtung,bestimmt.zudiesenbewegungenhinzukommtdasonegefuhrtwerden,werdendiesechsdimensionenaufeinereduziert;dennnachnumerie- DurchUberlagerungkonnenausdiesenElementarbewegungenbeliebigeBewegungen fang)nichtzugelassenwird,sonderndiebewegungennursequenziellhintereinanderaus- undschlieendesgreifers. vorn z rechts y links oben x

147 GemaderGreifentwicklungeinesKleinkindesmussendiedenangeborenenReexenund VerhaltensweisenentsprechendenSchematavorgegebenwerden. 5.2.TAKTILESZUGREIFEN 5.2.2ReaktorischeSchemata NebenderAusrichtungaufeinObjektwirdzunachsteineBewegungaufdasObjekt 135 zubenotigt("neugier-schema\): "SolangekeinKontaktdaist,bewegedenGreifervorwarts(d.h.aufdasObjekt tioneninabhangigkeitdeskontaktorteszuunterscheiden:dievermeidungsreaktionbei wenndergreifernachvornbewegtwird. DiePradiktiondiesesSchemasist,dasseinKontaktamGreifer,entwederandenSpitzen dergreifbacken("fingerspitzen\)oderandergreifergrundache("handteller\)auftritt, SobaldderKontaktmitdemObjektzustandekommt,sindzweiverschiedeneReak- zu).\ derandergleichenstelleamobjekterfolgteunddassystemineineoszillationgeriete. Umdaszuvermeiden,mussderAufbauderOszillationgestortwerden,z.B.indemmit nicht,weilanschlieendgleichwiederdasneugier-schemaaktivwurde,derkontaktwie- derruckwartsbewegunggleichzeitigeineseitwartsbewegungverbundenwird.sinnvollerweisegehtdieseitwartsbewegunginrichtungdergreifbacke,anderderkontakterfolgte, weildadurchdiewahrscheinlichkeitsteigt,dassbeiderfolgendenvorwartsbewegungdas ObjektzwischendieGreifbackengerat.BenotigtwerdenalsodieSchemata: KontaktandenFingerspitzenundderGreifreeximHandteller.DieVermeidungsreaktionmusszunachsteineRuckwartsbewegungbeinhalten.Diesealleingenugtjedoch (undspaterdasobjektzwischendiegreifbackengerat). DiePradiktiondieserSchemataist,dassanschlieendkeinKontaktmehrgemeldetwird "WenndielinkeGreifbackenspitzeKontaktmeldet,bewegedenGreiferruckwarts "WenndierechteGreifbackenspitzeKontaktmeldet,bewegedenGreiferruckwarts undnachrechts.\ dergreifergrundache(am"handteller\)erfolgt.dasentsprechendeschemalautet: DerGreifreexbeinhaltet,dassderGreifergeschlossenwird,sobaldeinKontaktan "BeiKontaktanderGreifergrundacheschlieedenGreifer.\ undnachlinks.\ BeimSchlieendesGreiferswirdderKontaktimAllgemeinenaneinerderbeidenGreifbackenzuersterfolgen.InderSimulationschlieendanachbeideGreifbackenweiter symmetrisch,bisbeidekontakthaben,aberso,dassdiezuerstberuhrteimraumstehenbleibt,d.h.dergreifereineausgleichbewegungausfuhrt.inderrealitatmussten ReaktionskraftmiteinerKraftmessdosezwischenArmundGreiferfestgestelltwerden. AlternativkonnendieGreifbackenohneAusgleichbewegungsymmetrischschlieen,wo- SimulationnurunterderstarkidealisierendenAnnahmehomogenerReibungmitvertretbaremAufwandrealisierbar). dazuentwederdietastsensorenschonleichteberuhrungendetektierenkonnenoderdie durchdasobjektverschobenundggf.auchgedrehtwurde(dochistdieserfallinder

148 136 backenkontakt,wirdimallgemeinenjedochdabeiverkantetsein,z.b.nuranzweidia- gonalgegenuberliegendenkantenberuhrtwerden,sichalsonochnichtineinemstabilen Gribenden(Bild5.5linksundMitte).OderdasObjektwirdnurmitdengleichseitigen NachderAnwendungdesGreifreex-SchemashatdasObjektzwarmitbeidenGreif- KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN RandernderGreifbackenberuhrt(Bild5.5rechts). Bild5.5:Links:BeispielfureineVerkantunglangsderGreifbackennachdemerstenKontakt beimschlieendesgreifers(blickvonobenaufdengreifer).weiteresschlieenbewirktam ObjektundamGreiferdieangedeutetenDrehmomente.Mitte:EineVerkantungquerzuden Greifbacken(BlickvonvornaufdieGreifbacken){charakteristischisthier,dasseinPaarder diagonalgegenuberliegendenkantenkontakthat.rechts:beruhrungnurandengleichseitig vorgangkanndannbeendetwerden.daszugehorigeschema"zielerreichung\lautet: gegenuberliegendenkantendergreifbacken. Grihandeltodernicht(wiedasbeurteiltwird,folgtweiteruntenbeiderTastsensorik inabschnitt5.2.3abseite139).miteinemstabilengriistdaszielerreicht;dergreif- "BeieinemstabilenGribeendedenVorgang.\ ZumeinenwirdeinKriteriumgebraucht,umzuerkennen,obessichumeinenstabilen schiedenemoglichkeitengibt: 1.DerGreiferschlietweiterundweichtdabeidendurchdieVerkantungerzeugten 2.DasKontaktmusteraufdenGreifbackenwirdausgewertetundderGreiferentsprechendgedreht. ZumanderenmussmitderVerkantungssituationumgegangenwerden,wofuresver- KraftenundDrehmomentenaus.12 losung\ist: InderSimulationistVariante2verwirklicht{furVariante3gilthieranalogdasGleiche wiezuvorbeimschlieendesgreifers.dasentsprechendeschema"verkantungsauf- 3.DerGreiferschlietweiterunddrehtdasObjektdabeiindenGri. montiertwird. 12Diesekonnenz.B.mitzuvorerwahnterKraftmessdoseerfasstwerden,diezwischenArmundGreifer "BeieinerVerkantunggleiteindiestabileLage.\

149 5.2.TAKTILESZUGREIFEN BeigeeigneterGeometriederGreifbackenunddesGreiferskonnendieVerkantungenz.B. inlangsrichtungundinquerrichtungdergreifbackenunabhangigvoneinanderausgewertetundbehobenwerden.naheresdazufolgtuntenbeiderumsetzung(sieheabschnitt5.2.4abseite143). UbrigbleibtnunnochderFallderseitlichenBeruhrung(Bild5.5rechts).Dieser 137 FallistahnlichdemderBeruhrungandenGreifbackenspitzenundkanndurcheineder VermeidungsreaktionahnlichenReaktionaufgelostwerden,indemalsReaktionaufdie seitlicheberuhrungdergreifergeonetundeinekorrekturbewegungzurberuhrtenseite hinausgefuhrtwird("kantenreaktion\): Diskussion "BeigleichseitigemKontaktandenoberenRandernderGreifbackenonedenGreifer,zieheihnetwaszuruckundverschiebeihnnachoben.\ Simulationenhabengezeigt,dassdievorgestelltenSchemataimmerzueinemerfolgreichen "BeigleichseitigemKontaktandenunterenRandernderGreifbackenoneden Grifuhren,wenndaszugreifendeObjektinjederOrientierungzwischendieGreifbacken passt(sieheauchunteninabschnitt abseite150).wenndasobjektaberin Greifer,zieheihnetwaszuruckundverschiebeihnnachunten.\ ungunstigenrichtungzugegrienwird,kannespassieren,dassdergreifvorgangnicht einerorientierungnichtzwischendiegreifbackenpasstundaufdasobjektauseiner erfolgreichabgeschlossenwerdenkann,sondernineineroszillationendet.wegendes dassstattderseitwartsbewegungeinedrehbewegungstattndet,etwainfolgenderform: Rauschens,dasbeiderInstanziierungderParameteruberlagertwird,istdieseOszillation zwarnichtregelmaig,aberdennochendlos.bild5.6veranschaulichtdiesambeispiel einesquaders,dessendiagonalelangeristalsderabstanddergeonetengreifbacken. "WenndierechteGreifbackenspitzeKontaktmeldet,bewegedenGreiferruckwarts AlsAbhilfeerscheintmoglich,dasSchemafurdieVermeidungsreaktionsoabzuandern, DieseFormulierunghataufdieFunktionsweisebeiObjekten,dieinjederOrientierung zwischendiegreifbackenpassen,keineneinuss.siehatzusatzlichdenvorteil,dass damitdieangegebenenschemataeinheitlichderregelfolgen: "WenndielinkeGreifbackenspitzeKontaktmeldet,bewegedenGreiferruckwarts unddreheihnetwasnachlinks.\ unddreheihnetwasnachrechts.\ "Weiche(beimtaktilenZugreifen)amGreiferauftretendenReaktionsmomentenaus,Reaktionskraftengeheentgegen.\ fuhrenwiederholtevermeidungsreaktionenzueinerseitwartsbewegung. lichendazu,dassdergreifersichoszillierendhin-undherdreht.durchdiemitrauschen UnddasProblemmitdemteilweisezugroenObjektwirdgelost:Zwarbewirkteine einzelnevermeidungsreaktionnunkeineseitwartsbewegungmehrundfuhrtimwesent- uberlagerteinstanziierungderparameterfurdenruckwegunddendrehwinkeljedoch

150 138 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN Seitwartsbewegung,sodassderGreiferseitwartshin-undherwandertundmalmitdereinen, len,wennesgelingt,dengreifer{ggf.nachwiederholtenversuchenmitvermeidungsreaktion {z.b.indiegestricheltestellungzuverlagern. Bild5.6:FindeneinesGrisaneinemObjekt,dessenDiagonalenichtzwischendieGreifbackenpasst:WirdanfanglichausderdargestelltenungunstigenRichtungzugegrien,stot einegreifbackenspitzeamobjektan,undesfolgtzwangslaugdievermeidungsreaktionmit malmitderanderengreifbackenspitzeansobjektstot.dergreiferfolgkannsichnureinstel- Streckenichtsehrgro,derEektgenugtaber,umdenGreifer{inobigemBeispiel {irgendwannumdieeckeherumundausderungunstigenzugreifrichtungheraus Vertiefung: wandernzulassen.dannkanndasobjektgegrienwerden.dieservorgangkann unterstutztwerden,indemdasrauschenverstarktwird. WegenihrerZufalligkeitunddernichtdeniertenRichtungistdiezuruckgelegte aberparallelzudereigentlichenvermeidungsreaktiondeniertundsoabgestimmt werden,dasssieanfangsnichtaktiviertwerden,sondernerst,wenndieublichevermeidungsreaktionwiederholterfolgloswarundsiezunehmendunterdrucktwird. "WenndielinkeGreifbackenspitzeKontaktmeldet,bewegedenGreifer "WenndierechteGreifbackenspitzeKontaktmeldet,bewegedenGreifer ruckwarts,dreheihnetwasnachlinksundbewegeihnnachrechts.\ fektenfuhren(langsamekonvergenzdurchoszillierendesdrehendesgreifers,hau- geszugreifenvonderseitestattvonvorn).diemodiziertenschematakonnten entgegengesetztseinmuss,wurdediesbeikleinenobjektenzuunerwunschtenefgungjedochgenauderfureingenugendkleinesobjekteigentlichgewolltenrichtung mitindieschematadervermeidungsreaktioneinzubauen.dadieseseitwartsbewe- FureinenschnellenVerlaufwareeszwargunstiger,dieSeitwartsbewegunggleich DieSchematafurdiemodizierteVermeidungsreaktion"inzweiterReihe\lauten: ruckwarts,dreheihnetwasnachrechtsundbewegeihnnachlinks.\

151 reaktorischenschematazuliefern.darauslassensichdieanforderungenandietastsensorikhinsichtlichort,empndlichkeitundauflosungableiten: TAKTILESZUGREIFEN 5.2.3Sensorik DieTastsensorikhatdieAufgabe,beimZugreifendieSignalefurdieUmschaltungder FurdieVermeidungsreaktionwerdenandenvorderenFlachenderGreifbacken,den FurdenGreifreexwirdeinTastsensoraufdem"Handteller\benotigt.Aucher Greifbackenspitzen,Tastsensorenbenotigt.SiebrauchennurKontaktzudetektieren brauchtnurbinarkontaktzusignalisieren,ohnedessenstarkeoderdengenauen (binar),ohnediestarkeoderdengenauenortzuliefern. ZurErkennungvonVerkantungenundzurBeurteilungderStabilitateinesGries FursSchlieendesGreiferswerdenaufdenInnenachenderGreifbackenTastsensorenbenotigt,dieauchwiedernurKontaktdetektierenmussen. Ortzubestimmen. deninnenachendergreifbackeneinetastsensormatrixvorgesehenwerdenmuss. jedochwirdzusatzlichinformationuberdenortderkontaktebenotigt,sodassauf stabilitatnotigsind. backenhangtvonderkleinstengroederzumanipulierendenobjekteundvonden Anforderungenab,diezurErkennungvonVerkantungenundzurBeurteilungderGri- DieerforderlicheAuflosungderTastsensormatrixaufdenInnenachenderGreif- Tastsensoren Greifbacken Bild5.7:NotwendigeAuflosungderTastsensorenzumErkennenvonVerkantung.a{c:Blick vonvornaufdiegreifbackenspitzen:damitfallavonfallbunterschiedenwerdenkann,ist Objekt a b c backenkantevoneinemkontaktaufdergreifbackeninnenacheunterschiedenwerden sichdarausdieindgezeigtetastsensormatrix(blickaufeinegreifbackeninnenache). mindestenseineunterteilunginzweibereichenotig.damitfallbvonfallcunterschieden werdenkann,mussdieunterteilungaufmindestensdreibereicheverfeinertwerden.inlangsrichtunggiltahnliches,dochkanndortfallanichtauftreten.alsmindestunterteilungergibt UmVerkantungenzuerkennen,mussderKontaktdesGreifobjektsaneinerGreif- d

152 Seitenansicht konnen.dazuwirdmindestenseineunterteilungindreizonen,jeweilsinlangs-und 140 QuerrichtungderGreifbacken,benotigt,wiemansichanHandeinfacherBeispieleuberlegenkann(Bild5.7).Daruberhinausmusserkanntwerdenkonnen,obdasGreifobjekt diegreifbackenurmiteinerkanteodereckeberuhrtodereinenflachenkontaktbildet. KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN UmdieStabilitateinesGriesbeurteilenzukonnen(furdasErfolgskriterium)mussfur genzuerfullen,genugtdiegrobeauflosungvonebennichtmehr,sonderneswirdauch immittenbereichdergreifbackeninnenacheneinefeinereunterteilungnotig(bild5.8). denbackengreiferunterschiedenwerdenkonnen,obdiekontaktzonenmitdemgreifobjektaufbeidengreifbackensichuberlappendgegenuberliegenodernicht(naheresdazu weiteruntenbeiderumsetzunginabschnitt5.2.4abseite143).umdieseanforderun- Objekt Tastsensorebacken Greif- Bild5.8:NotwendigeAuflosungderTastsensorenzurUnterscheidungvonEcken-,KantenundFlachenkontaktensowiezurBeurteilungderGristabilitat.BlickvonobenaufdenGreifer:DamitFalla(verkantet)vonFallb(stabil)unterschiedenwerdenkann,isteinefeinere Unterteilungalsvorhernotig,ebensozurUnterscheidungvonFallbundc(nichtverkantet, a b c aberinstabil).inquerrichtunggiltdasgleiche.alsnotigeunterteilungergibtsichdarausdie Aufsicht 5 d dietastsensorenubertragenbedeutetdies,dassnurdruckverlauferekonstruiertwerden dieunterteilungderoberacheindiskretetastelemente("taxel\vontactileelement) eineabtastungderdruckverteilungerfolgt;esgiltalsodasabtasttheorem[374].auf indgezeigtetastsensormatrix(blickaufeinegreifbackeninnenache). ZurBestimmungdernotigenAuflosungistzunachstwichtigfestzustellen,dassdurch 10 konnen,beidenendiehochstevorkommenderaumfrequenzineinerwellenlangemindestenszweimalabgetastetwird.umfehlerbeiderrekonstruktionzuvermeiden,istrizenberucksichtigtwerden,z.b.indemaufdermatrixeineweicheschichtaufgebracht wird,diepunktuellekontakteaufeinegewisseflachemiteinerannaherndgauformigen esdahereigentlicherforderlich,vorderabtastungeinebandbegrenzung(tiefpasslterung)vorzunehmen.diesmussbeidermechanischenkonstruktiondertastsensorma-

153 5.2.TAKTILESZUGREIFEN 141 kontakte.mitte:kantenkontakte.rechts:flachenkontakt. Druckverteilung(dieseentsprichtderImpulsantwortdesTiefpasses)ubertragt.13Dabei Bild5.9:Kontaktmuster,diedurchdieraumlicheDiskretisierungentstehen.Links:Punkt- Auflosungsohochsein,dassdieKontaktachemitdemkleinstenzumanipulierenden heutigennormaldruck-tastsensormatritzenmitihrerrechtgrobenauflosungdiebandbegrenzungnichterfolgtundsiezudemoftbinararbeiten,mussendiedarausfolgenden ObjektinjederRichtungmehralszweiTastsensorenerfasst.FureinenWurfelvonz.B. FlachenkontaktvoneinemPunkt-oderLinienkontaktunterscheidenzukonnen,mussdie xelnebeneinander,undflachenkontaktegroerezusammenhangendegebiete.umeinen 1cmKantenlangeistalsoeineAuflosungvongroerals2cm 1notig.FurdieSimulation Quantisierungseekteberucksichtigtwerden(Bild5.9):Punktkontakte(Ecken)erregen1 wurdefureinegreifbackemit2cmbreiteund10cmlangeeineauflosungvon5sensoren bis4taxel,linienkontakte(kanten)einzusammenhangendesbandvonbiszudreitabackeninnenachennicht,weildamitdieverschiedenenkontaktartennichtvoneinander inquerrichtungund10sensoreninlangsrichtunggewahlt(siehebild5.8d).daskleinste unterschiedenwerdenkonnen.14 ObjektmussimDurchmesseralsogroerals2cmsein.EinesolcheAuflosunglasstsich auchheuteschondurcheinematrixrealisieren,dieauseinzelsensorenzusammengesetzt sonderndenschwerpunktdeskontaktmusters.einesolchefoliegenugtfurdiegreif- wird.aufdemmarktgibtesheutesensorfolien,diezwareineauflosungimmillimeterbereichhaben,aufgrundihrerkonstruktionjedochnichteinkontaktmusterliefern, Reibungskoezientenvon0,2,danngenugteineKraftvonetwa0;28mN=1;6mN, einemobjektbemerktwird,bevoresweggeschobenwird.dieschwellewirdbestimmtvon demgewichtundderreibungbeieinemobjekt.solldasleichtestezumanipulierende ObjektbeispielsweiseeinHolzwurfelseinmiteinerKantenlangevon1cmbeieinem umeszuverschieben.damitdasobjektbeidererstenberuhrungnichtverschobenwird, mussendietastsensorenabernocheinigesempndlicherseinalsdieseschwelle,damit DieEmpndlichkeitderTastsensorenmusssohochsein,dassdieBeruhrungmit Reaktionnotigwird,zumanderenweicheGreifpolsterodereinwenigsteiferAntrieb vondererstendetektionbeimaufbauderkontaktkraftbiszurschwellegenugendzeit bleibt,umdiebewegungdesgreiferszustoppen.dieszeigt,dasszumeineneineschnelle Hautoberachesitzen. dieserarteingesetzt[218]. 13BeimMenschenkonntediesdadurcherfulltsein,dassdieTastsensoreneinStuckunterhalbder 14BeispielsweisewirdbeidermehrngrigenDLR-HandIjeFingerkuppeundFingersegmenteineFolie

154 durchihrenachgiebigkeitdieanforderungenentscharfenkonnen.dieschnellereaktion 142 erfordertzumindesteinesehrgeringeverarbeitungstiefe.dieswirddadurchbegunstigt, dasstastsensorenunmittelbardieinformationuberdenorteineskontaktesliefern,ohne dasseineaufwendigevorverarbeitungnotigwarewiebeispielsweisebeieinemsystemmit KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN KameraoderUltraschall.DaherkanneineschnelleReaktionggf.durcheinelokaleoder einedirekteruckkopplungsschleifezudenaktoren/motorenrealisiertwerden(ahnlich kommenzudenreibungskraftennochdietragheitskraftefurdiebeschleunigungdesobjektshinzu.wiehochdiesekraftewerden,istjedochschwerabzuschatzen,weilbeileich- wiebeimmenscheneinreexbogenuberdasruckenmark). tenobjektendienachgiebigkeitdergreifachenmageblicheneinusshat,beischwere- renobjektenauchnochdiesteifheitdergelenkeundderkonstruktionvongreiferund Arm. Wirdhingegenzugelassen,dassdasObjektbeiderKollisionverschobenwerdendarf, schiebungdesobjektsdurchdastaktilezugreifenzurechnenist.daswirdzumbeispiel beimlernendergriezuberucksichtigensein,weildadurcheinvorheraufgenommenesbilddesobjektsnichtsgenauesuberdessenlageundinsbesondereorientierung erstelltenvisuellenreprasentationistdannnichtohneweiteresmoglich. WennnurdieDetektioneinesKontaktesnotigist,kanndiesimPrinzipauchdurch DieseAbschatzungzeigt,dassbesondersbeikleinenObjektenjederzeitmiteinerVer- nachdemzugriaussagenkann.einassoziierendesgefundenengrismitdervorher BeobachtungderentsprechendenDrehmomentkomponenteimzugehorigenGelenkgeschehen.JenachdenauftretendenKontaktkraftenunddemMassenverhaltniszwischen ObjektundGreifbackeoderGreiferkonnendieDrehmomentschwankungenabersoklein bleiben,dasssieimrauschendesantriebsunddesgetriebesuntergehen. beschleunigen. Tastsensorenanzubringen.Diesekonnengenutztwerden,umKollisionenmitHindernissen,mitanderenObjektenodermitderUnterlage,aufderdasGreifobjektsteht,zu erkennen.zunachstwerdenachigeeinzelsensorenzurdetektionohnelokalisierungdes dankderdannmoglichenlokalisierungdieorientierungerleichternunddaszugreifen KontaktsaufdiesenOberachengenugen;einehohere,abernochgrobeAuflosungkann Sinnvollistes,auchandenubrigenFlachendesGreifers,insbesonderederGreifbacken, furtastsensoren,dienurdienormalkomponentedesdrucksaufnehmen.wennweiche anderensinddanntastsensoreneinzusetzen,dieauchdietangentialspannungaufnehmenkonnen.denndasicheckenundkantentiefinweichegreifpolstereindrucken, tretenanihnenimmerflachenkontakteauf.gleichzeitigtretendortdurchdiedehnung dennerbesitztverschiedentlichspezialisiertetastsensortypen(sieheabschnitt3.2.1ab despolstermaterialshohetangentialspannungenauf.darankonnenpunkt-undlinienkontaktesehrleichtundpraktischohnevorverarbeitungvon"echten\flachenkontakten GreifachennichtnurzurobenbeschriebenenBandbegrenzungbeiderAbtastungvorgesehensind,erfordertdasandereKonzeptefurdieTastsensoren:Zumeinenwerden dietastsensorenindiegreifpolstereingelagertwerdenmussen,weildiebandbegrenzung beidickenpolsternsonstzustarkwareunddieauflosungbeeintrachtigtwurde.zum DiehierangestelltenBetrachtungengeltenimWesentlichenfurharteGreifachenund unterschiedenwerden.wahrscheinlichwirddiesereektauchbeimmenschengenutzt,

155 5.2.TAKTILESZUGREIFEN Seite31und[146,174]). henanforderungenzustellen;denneswirdnurdieungefahrelagedesobjektsbenotigt, umdengreiferamanfangaufdasobjektauszurichtenunddamiteinenerstenkontakt AndieFernsensoriksindzumFindeneinesGrismittelstaktilenZugreifenskeineho- 143 vordemobjektplazieren Umsetzung DannkanndieArmsteuerungdenGreiferaufdasObjektausrichtenundihneinStuck zuermoglichen.dasobjektistlediglichsoweitzusegmentieren,dassseineungefahre AufdiesensorischenSchemata,diedieAbbildungvonderphysikalischenUmgebung PositionimRaumbestimmtwerdenkann(weitersieheAbschnitt abSeite114). dungvontastsensorenundderencharakterisierungiststandderforschungbzw.stand Seite139)gewahltenTastsensoren,diedensensorischenRaumaufspannen.DieVerwen- indensensorischenraumdesschemabasiertenautomatenvermitteln,isthiernichtmehr nahereinzugehen:siesindimwesentlichenfestgelegtdurchdieinabschnitt5.2.3(ab mata,diedieabbildungvommotorischenraumdesschemabasiertenautomatenin dertechnik;tastsensorenfurnormaldrucksindammarkterhaltlich.diefernsensorik, durchdieantriebeindengelenkendesarmesunddesgreifers.furdieumsetzung seinephysikalischeumgebungvermitteln.dermotorischeraumwirdhieraufgespannt indiesemfalldiebildverarbeitung,ndethierkeineberucksichtigung,weilsienurzur vonbewegungskommandosinphysikalischebewegungensindgeeigneteantriebskonzepte einmaligenausrichtungdesgreifersaufdasgreifobjektdient,aberkeinendirekteninput ammarktverfugbar;siewerdenbereitsinzahlreichenindustrieroboternundanderen furdastaktilezugreifenunddenschemabasiertenautomatenliefert. Automatisierungssystemeneingesetzt. AhnlicheswiefurdiesensorischenSchematagiltauchfurdiemotorischenSche- GriundschlielichdiereaktorischenSchemata,wiesieinAbschnitt5.2.2(abSeite135) dergriqualitat,dieaktualenschematamitderumsetzungdesgleitensineinenstabilen vorgestelltwurden PerzeptuelleSchemata ImFolgendenzubehandelnsindaberdieperzeptuellenSchematamitderErkennung DieperzeptuellenSchemata,diedieAbbildungvomsensorischenRaumindenperzeptuellenRaumdesschemabasiertenAutomatenvornehmen,ergebensichhierausder unddaumenentstehendurcheineoder-verknupfungvontaxelndertastsensormatrix BeschreibungdesperzeptuellenRaumes.DerperzeptuelleRaumhatdieinTabelle5.1 sendietaxeldergesamteninnenachedesfingersbzw.desdaumenszusammen.die aufgefuhrten21dimensionen(dierechtegreifbackeistdabeialsfingerbezeichnet,die Seite139)angegebenenTastsensoren.NurdieSchematafurdieKontakteinnenanFinger derjeweiligeninnenache.dieschematafur"kontaktamfinger/daumeninnen\fas- linkealsdaumen). DieKontaktschemataentsprechenfastalleeinszueinsdeninAbschnitt5.2.3(ab

156 Tabelle5.1:Die21DimensionendesperzeptuellenRaumesdesschemabasiertenAutomaten furstaktilezugreifen. 144 Dimension 1 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN 234 Kontaktam"Handteller\(Greifergrundache) KontaktamFingeranderAuenseite Perzeption anderoberseite anderunterseite innenanderspitze 14 KontaktamDaumenanderAuenseite innenindermitte 15 innenanderoberkante 16 innenanderunterkante anderoberseite 19 anderunterseite innenanderspitze innenindermitte innenanderoberkante (Seite139)gezeigtenUnterteilungenbilden.DievolleAuflosungderTaxelwirdnur SchematafurdieanderenInnenkontaktefassendieTaxelzusammen,diedieinBild Greiferonung(0=geschlossen,1=vollgeonet) Kontaktqualitat(0=keinGri,1=stabilerGri) innenanderunterkante kontaktiertentaxelandeninnenachenvondaumenundfinger.beieinemparallel- Gri\(siehenachstenAbschnitt). backengreiferisteinenotwendigebedingungfurdiestabilitateinesgris,dassdasge- grieneobjektdenandenkontaktacheneingeleitetennormalkraftennichtausweichen kann.dasistdannderfall,wenndieaufdaumenundzeigengerkontaktiertenflachen benotigtfurdasschema"kontaktqualitat\undfurdieaktion"gleiteineinenstabilen einanderuberlappen,wiebild5.10zeigt.zubeachtenist,dassbeieinerdiskretisierung wiebeieinertastsensormatrixnurvoneineruberlappungsachegesprochenwerdendarf, DasSchema"Kontaktqualitat\istrealisiertdurcheineBewertungdesMustersder wennderuberlappgroerals2taxelist.einsonderfalltrittauf,wennkontaktierende FlachenundUberlappungsgebietparalleleKantenoderPunktesind;Griemitdiesen EigenschaftensindauchaufMomentebezogennurkraftschlussigundbeihartenGreif- achennurbedingtstabil,z.b.wieeinwurfel,derdiagonaluberzweikantenbzw.uber zweieckengegrienwird(furweichegreifachenvgl.bild3.3aufseite36). teriumsjeweilsunabhangigvoneinanderinquer-undinlangsrichtungdergreifbacken. AlsstabilwirdeinGribetrachtet,wenndieKontaktbereicheinbeidenRichtungenuber- RealisiertistdieBewertungderKontaktqualitatdurchAbprufendesUberlappungskri-

157 aktuelle Kontaktflächen 5.2.TAKTILESZUGREIFEN 145 Andruckkrafte(Normalkrafte)verhindern.DasObjektkanndannnurnochdurcheinetranslatorischwirkendeKraft(z.B.dieGewichtskraft)ausdemGrigezogenwerden{auchdieslasst Bild5.10:GristabilitatbeieinemParallelbackengreifer.Links:Sobaldsichdiekontaktier- sichdurchgenugendhohenormalkrafteunterbinden.dienotwendigebedingungfurdiegristabilitatistalsoerfullt,hinreichendebedingungsindgenugendhohenormalkrafte.(bezogetenflachenandengegenuberliegendenbackenuberlappen,kannsichdasgegrieneobjekt nichtmehrausdemgridrehen:dazumusstederabstandderbackenmindestensaufdie LangedergestricheltenDiagonalenverlangertwerden{dieslasstsichdurchgenugendhohe Rechts:WirdeinObjektvoneinerBackeanmehrerenPunktenoderFlachenkontaktiert, dannistalskontaktierteflachedaseinfachzusammenhangendegebietzunehmen,dasvon einerkonvexenhulleminimalenumfangsumgebenist,weilsichdasobjektnurausdemgri aufmomenteistein"uberlappender\griformschlussig,bezogenaufkraftekraftschlussig). drehenkann,wennesuberdieverbindungslinienzwischendenkontaktachenkippt. implizitdurcheinumschreibendesrechteck(boundingbox)ersetztwird.derunterschiedkommtdannzumtragen,wennz.b.einekantestarkgeneigtverlauftgegendie Quer-oderLangsrichtung.WegendergewahltengrobenAuflosungvon2,5cm 1bzw. lappen.dieselosungistzwarkeineexakteumsetzung,weildieminimalekonvexehulle 1cm 1undderQuantisierungsunscharfevon0;5Taxelentsprechend0;2cmbzw. 0;5cmtrittderEektinderwichtigerenQuerrichtunguberdievolleBreitegerechnetabererstbeiWinkelnuber30Gradauf,inderLangsrichtung,abhangigvonder Kantenlange,moglicherweiseschonbeikleinerenWinkeln.InderSimulation(sieheAbschnitt abSeite150)wurdederGreifernurunterachenWinkelnandasObjekt herangefahren,sodassdiesereektkeinerollespielte.demnachweisdesfunktionierensdestaktilenzugreifensmitdemhierfurentwickeltenschemabasiertenautomatentut abereinfacher,schnellerumsetzbarundwenigerrechenintensiv. diesenaherungslosungalsokeinenabbruch.sieistdankderfaktorisierungalgorithmisch sichnichtbewegte)odergarverschwande(dasobjektherunterele),waredergristabil. AusderErfahrungmitsolchenFallenkonntedieVorhersagederStabilitatgelerntwerden wieeineinseitigerkontaktals"keingri\bewertet. einfachausprobiert:wenndaskontaktmustersichdannnichtveranderte(dasobjekt umdiephysikzuersetzen.inderrealitatwurdedergridurchanhebendesgreifers EineVerkantung(beidseitigerKontakt,aberinstabil)wirdvondiesemSchemagenauso (vorzugsweisemit"klassischen\kunstlichenneuronalennetzen,sieheabschnitt3.4.4ab Seite73),sodassmitderZeitderGrivordemAusprobierenkorrigiertwerdenkonnte. DasSchema"Kontaktqualitat\wirdindieserFormnurinderSimulationgebraucht, Objekt Greifbacken effektive kontaktierte Fläche

158 Tabelle5.2:Die11DimensionendesaktualenRaumesdesschemabasiertenAutomatenfurs AktualeSchemata 146 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN taktilezugreifen. Dimension Greiferbewegenvorwarts/ruckwarts Greiferdrehennachrechts/links Greiferrotierennachrechts/linksumseineLangsachsenachrechts/links nachoben/unten Aktion Greiferonen Greiferschlieen GleiteineinenstabilenGri Dimensionen.ZurUmsetzungistdieAufgabezulosen,mitderKinematikdesverwendetenRoboterarmesundGreiferszielgerichteteBewegungentlanggeraderTrajektorien Stopp(Vorgangabbrechen) DieaktualenSchemata,diedieAbbildungvomaktualenRaumdesschemabasierten AutomateninseinenmotorischenRaumvermitteln,lassensichableitenausderBeschreibungdesaktualenRaumes.DeraktualeRaumhatdieinTabelle5.2angegebenen11 Bewegungeinstellen(Zielisterreicht) eingesetzt. zuerzeugen.inderhierbenotigtenformistdiesstanddertechnik:dieentsprechendenalgorithmensindbeschrieben[109,70]undwerdeninheutigenindustrierobotern Parameternbeschriebenwird.EineVerwendungvonzweiParameternproBewegungsdimensionistnichtzwingenderforderlich;eskonnteauchnurjeeinParameterverwendet werden,dermitseinemvorzeichendiebewegungsrichtungangibtundmitseinembetrag DieBewegungendesGreifersimRaum,dieersten6Dimensionen,werdenvonje zweiparameternbestimmt:einerfurdiebewegungsrichtung(z.b.nachrechtsfur>0, nachlinksfur<0)undeinerfurdiebewegungsamplitude.furdieanderen5aktionen sindkeineparameternotig,sodasseineaktionimaktualenraumvoninsgesamt12 diebewegungsamplitude.auchdasonenundschlieendesgreiferskonnteineiner DimensionzusammengefasstundmiteinemParameterversehenwerden.Dannhatteder aktualeraumnurnoch10dimensionen,undeswarennurnoch7parameternotig.hier sindrichtungundamplitudeabergetrennt,umdaslernenundoptimierendurchdie Trennungzuvereinfachen;ausheutigerSichterscheintdiesnichtmehrnotig. backeninnenkontaktiertwerden,abernochkeinstabilergrifestgestelltwird(siehe BewegungsrichtungeineKollisionauftritt.DieAktionwirddannalsregularbeendet Seite135)beschrieben,symmetrischgeschlossenundmittigzumObjektverschoben. betrachtet. DieAktion"GleiteineinenstabilenGri\wirdaufgerufen,wennbeideGreif- BeiderAusfuhrungderBewegungsaktionenwirddieBewegunggestoppt,sobaldin BeiderAktion"Greiferschlieen\wirdderGreifer,wieinAbschnitt5.2.2(ab

159 Greifbacken 5.2.TAKTILESZUGREIFEN 147 Bild5.11:AuflosungeinerVerkantung.Links:ZweiDrehrichtungensindmoglich,umeine Verkantungaufzulosen.Rechts:DerDrehwinkel,wieweitderGreiferzurAuflosungder Verkantunggedrehtwerdenmuss,istausdemKontaktmusternichtzuentnehmen.Nur dermaximaledrehwinkelistdurchdiehiergestricheltekurzesteverbindungzwischenden vorliegen.umdieseaufzulosen,mussdergreiferumdasobjektherumgedrehtwerden(bild5.11links):beieinerdrehrichtungmusstedergreiferweitergeonetwerden, diegreifbackenzusammengedrucktwerden,kanndergreiferweitergeschlossenwerden. beideranderen,diesich{beivernachlassigterreibung{automatischeinstellt,wenn Letzteresollhierangestrebtwerden.Umsiezuerreichen,wirdderGreifergeonet,dann etwasentgegenderrichtunggedreht,indiesichdasobjektdrehenwurde(sodasssich diegleicherelativdrehungzwischenbeidenergibt)undschlielichwiederbiszumkontaktgeschlossen.daausdemkontaktmusternichtentnommenwerdenkann,wieweit gedrehtwerdenmuss(bild5.11rechts),mussdieservorgangiterativfortgesetztwerden obenbeimperzeptuellenschema"kontaktqualitat\):dannkannnureine"verkantung\ kontaktiertenflachenbegrenzt. GreifbackendieVerkantunganalysiertunddieKorrekturdurchgefuhrtwird.DieBestimmungderDrehachseerubrigtsichdabei;gedrehtwirdinLangs-bzw.Querrichtungdeumkehr).DieDrehachseaberlasstsichausdemKontaktmusterentnehmen:Sieliegt parallelzudengreifachenundsenkrechtaufderkurzestenverbindungsliniezwischen denkontaktiertenbereichenderbeidengreifbackenundgehtdurchdenmittelpunkt dieserverbindungslinie. (z.b.ahnlichwiebeiderbinarensuchemithalbierterschrittweitenachjederrichtungsellenschema"kontaktqualitat\beschrieben,spieltaberausdengleichengrundenwie obenauchhierkeinerolle. Greifbacken.DieseNaherungslosunghatdiegleicheSchwachewieobenbeimperzeptu- Wurdeandersherumgedrehtalshiervorgeschlagen,kamemanz.B.aneinemQuader Realisiertistdies,indemunabhangigvoneinanderinQuer-undinLangsrichtungder Bild3.3aufSeite36). litat\indieserformnurindersimulationgebraucht,umdiephysikzuersetzen.wie voneinerverkantungzueinemgridiagonaluberzweikantenoderzweiecken(vgl. schoninabschnitt5.2.2(seite135)bemerkt,wurdediesinderrealitatsogeschehen,dass beimschlieendesgreifersentwederdasobjektsichautomatischindengridrehenoder denvomobjektaufdengreiferausgeubtenmomentengefolgtwurde(ausdererfahrung mitletzteremlieesichdasableitenderbewegungausdemkontaktmusterlernen,vor- DieAktion"GleiteineinenstabilenGri\wirdwiezuvordasSchema"Kontaktqua- (2) (1) Objekt

160 Seite73). zugsweiseauchmit"klassischen\kunstlichenneuronalennetzen{sieheabschnitt3.4.4, (Vorgangabbrechen)\dienendemAbschlussdestaktilenGreifvorgangs.Siefuhren 148DiebeidenAktionen"Bewegungeinstellen(Zielisterreicht)\und"Stopp KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN dennochleergebliebenist.15 dastaktilezugreifenzuruckgegebenwirdandieaufrufendeinstanzzusammenmitder zukeinerbewegung,sondernnurdazu,dassimprogrammdiekontrollevommodulfur ReaktorischeSchemata deneaktionen:dieerstestehtfurdieerzeugungeinesstabilengris,diezweitefureinen erfolglosenvorgang,z.b.wennzwarkontaktam"handteller\besteht,dergreiferaber Information,obderVorgangerfolgreichwarodernicht.Dahergibtesauchzweiverschie- werdensoll,undzuderaktion,dieesanstoensoll,zusammenmitdenparametern,die musseinreaktorischesschemaangabenenthaltenzuderperzeption,aufdieesangewandt dieaktionspezizieren.eininternerzustandisthierfurdastaktilezugreifennichtnotig {esisteingedachtnisloserprozess,dersichdeszustandesseinerumgebungals"gedachtnis\bedient.dieangabenzurperzeptionbestehenhierentsprechendden21dimensionen desperzeptivenraumesaus21eintragenmitje4wertenfurdievergleichsperzeption GemaAbschnitt5.1.4(abSeite130)undinsbesonderegemaBild5.3(aufSeite131) tionbestehenentsprechendden11dimensionendesaktualenraumesaus11eintragen zujeeinemwert.dieangabenzudenparameternbestehenentsprechendden12notigen mitdergewichtungundfurdiepradiktionmitdergewichtung.dieangabenzurak- sowieeinurschema,dasalsvorlagefurimrahmendeslernensneuerzeugteschemata Parameternaus12Eintragenmitje5WertenfurdenMittelwert,dieVarianz,dasElternschema,dieinstanziierteAnzahlunddieSignikanz.EinreaktorischesSchemawird dienensollundaufdassichallevordeniertenschemataalselternschemabeziehen.insgesamtsindalso10reaktorischeschematavordeniert.dadieauflistungallerschemata somitdurchinsgesamt155wertecharakterisiert. torischenschematazurealisieren.hinzukommteinschema,dasdenimvorhergehenden AbschnittbesprochenenFalldesKontaktesamHandtellerbeileeremGreiferabfangt, zuvielplatzbeanspruchenwurde,beschrankeichmichhieraufeinbeispiel:tabelle5.3 FurdastaktileZugreifensinddieinAbschnitt5.2.2(abSeite135)vorgestellten8reak- zeigtdasschemafurdievermeidungsreaktionbeikontaktanderfingerspitze;zusehen ist,dassdiestruktursehrregelmaigundubersichtlichist.dieanderenschematasind ahnlicheinfachaufgebaut.dadieseschematadieursprungsschematasind,mitdenender schemabasierteautomatgestartetwird,sindsieabsichtlichsehreinfachgehalten.komplexerestrukturensolltensichdurchdaslernenentwickeln,wassichjedochalsunnotig herausstellte(vgl.abschnitt5.2.5,seite151). telleraberhoherauflosen,umdenkontaktzulokalisieren{wasunterstreicht,dassesbeieinemser- vicerobotersinnvollist,dietastsensorikmiteinerhoherenauflosungauszulegen,alseszunachstnotig erscheint.nurdannkonnenunvorhergesehenesituationensensorischunterschiedenwerden,sodassdie ChanceaufsLerneneinerangemessenenReaktionbesteht. ler,derbreiterist,dasobjektberuhrt.einealternativeware,einevermeidungsreaktiondurchzufuhren miteinerkorrigierendenauf-oderabwartsbewegungdesgreifers.dazumusstediesensorikamhand- 15Daskannz.B.passieren,wenndieGreifbackenknappubereinObjektgefahrensindundderHandtel-

161 gerspitze.rstehtfurdierichtung,afurdieamplitude(maeinmm). 5.2.TAKTILESZUGREIFEN Tabelle5.3:DasreaktorischeSchemafurdieVermeidungsreaktionbeiKontaktanderFin- Dimension Perzeption 149 Vergleichsperzeption Vergleichsperzeption Pradiktionsgewicht Vergleichsgewicht Pradiktion Pradiktionsgewicht Vergleichsgewicht Pradiktion Dimension zuaktionnr.1 Dimension Wert Parameter 2Aktion Elternschema Signikanz Mittelwert Varianz Anzahl RARARARARARA andenerstenphaseneinesmanipulationsvorgangs,wieinabschnitt4.1(seite97)vorgestellt: Ablauf DerAblauffurdasFindeneinesGriesmitHilfedestaktilenZugreifensorientiertsich 2.FixationdesObjektsgemaAbschnitt (Seite114). 3.BestimmungderObjektpositiongemaAbschnitt (Seite114).Eine 1.AuswahleinesObjekts:DieBildverarbeitungbestimmtfureinpotenzielles GreifobjektdieungefahrePositionseinerAbbilderimStereobild. 4.AusrichtendesGreifersaufdasObjektundFahrenineinePositioneinStuck zulassig. hoheprazisionisthierbeinichterforderlich,toleranzenimzentimeterbereichsind (z.b.einegreifbackenlange)vordemobjekt.

162 SimulationStereokamerakopf 1505.FindeneinesGris:DerschemabasierteAutomatfurdastaktileZugreifenwird fundenistoderdervorgangabgebrochenwird. gestartet;ergibtdiekommandosfurdiesteuerungdesgreifers,biseingrige- KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN Bild5.12:AufbauderSzenezurErprobungdestaktilenZugreifensinderSimulation.(Um einenstereoeindruckderszenezuerhalten,lasstsichdiesedarstellunguberkreuzfusionieren, Greifer Greifobjekt einemtischbendetsicheinunbekanntesobjekt,dasgegrienwerdensoll.vordem d.h.daslinkebildistfurdasrechteaugeundumgekehrt.) TischbendetsichderServiceroboter{hierdasimRahmendesBMBF-Verbundprojekts nemmoglicheneinsatzortzukunftigerserviceroboter;denaufbauzeigtbild5.12:auf DieErprobungdestaktilenZugreifensmitdementwickeltenschemabasiertenAutomaten erfolgteindersimulation(zursimulations-softwaremiteingebauterkollisionserkennung sieheanhangbabseite223).hierzudienteeineszeneauseinerburoumgebung,ei- Tischplatte NEUROSamInstitutentwickelteModell(vgl.Abschnitt8.2,Seite194){,sodassdas ObjektvomGreiferguterreichtwerdenkann.FurdieBildverarbeitungstehteinStereokamerakopfzurVerfugung.16DerGreiferisteinParallelbackengreifer,andemdieim vorhergehendenabschnittangefuhrtentastsensorensimuliertwerden.derarmdesroboterswurdeindersimulationnichtangesteuert.stattdessenwurdenurdergreifer"frei diefarbealssegmentierungsmerkmalgewahlt:dasobjektwirdinroterfarbedargestellt unddertischalshintergrundinblau.diepositionenderobjektabbilderindenbeiden weilauchsieschonfurdiefixationeinengenugendgroenbildausschnittzeigen,wiebild3.8(seite46) zeigt. schwebend\imraumbewegt(zurbewegungdesarmessieheabschnitt4.4.4,seite119). 16VerwendetwurdehierdasinnereKamerapaar,die"Foveakameras\(vgl.Abschnitt8.2,Seite194), DieBildverarbeitungistfurdieSimulationsoeinfachwiemoglichgestaltetunddaher

163 5.2.TAKTILESZUGREIFEN Kamerabildernwerdenbestimmt,indemdieFlachenschwerpunktederrotenBildpunkte ermitteltwerden.diesedienenalsinputfurdiefixation. erkennung(furdiesimuliertetastsensorik)wegenihrerkonvexitatundderrelativgerin- genzahlandreiecken,diezuihrerapproximationundgraschendarstellung[269,273] benotigtwerden,einfachzuprogrammierensind.dieobjektewarennursogro,dasssie immerzwischendiegreifbackenpassten(max.86mm). innerhalbeinesrechteckigenbereichsindermittedestischsplaziertwird.derobjekt- danachausderperspektivederfoveakameraszeigtbild3.8aufseite46,allerdingsnicht infalschfarben).dannwirddieraumpositiondesobjektesdurchtriangulierenaus typwirdmiteinemzufallsgeneratorbestimmt,unddiemaewerdeninnerhalbgewisser Grenzenzufalligfestgelegt.DannwirddasObjektxiert,wieobenundimvorherigen Abschnittbeschrieben;diesgeschiehtin3{4Iterationsschritten(denZustanddavorund EinSimulationsdurchlaufwirdgestartet,indemeinObjektaneinerzufalligenPosition AlsGreifobjektedientenWurfel,ZylinderundQuader,diehinsichtlichderKollisions- 151 dendurchdiefixationeingestelltenwinkelndesstereokamerakopfesbestimmt(siehe ist.dannwirdderschemabasierteautomatfurdastaktilezugreifengestartet(bild5.13). wirddergreiferaufdasobjektausgerichtet:erwirdzurgeschatztenobjektpositionhin gedrehtundaufderverbindungslinievonseinerruhepositionamabgewinkeltenarmzur geschatztenobjektpositionhinverschoben,bisereinegreifbackenlangedavonentfernt Abschnitt abSeite114).UmdastaktileZugreifentestenzukonnenundinder RealitatauftretendeSchatzfehlernachzubilden,wirddiesePositionzufalligumbiszu biszumehrerenvermeidungsreaktionenmitzufalligemseitlichemkorrekturschritt,anschlieendemgreifreexundauflosungderverkantungwirdindenallermeistenfallen eingultigergrigefunden.dieeinzigenausnahmensind,wenndieobjektpositionso EinBeispielfureinenerfolgreichenGreifvorgangillustriertBild5.13. verkehrtist,dassdergreiferganzamobjektvorbeizieltodersohochist,dassdergreifreexam"handteller\ausgelostwird,aberdiegreifbackenuberdemobjektschlieen. IneinemProzessausVorwartsbewegung,jenachSchatzfehlerbeiderObjektposition mehrerezentimeterverschoben.17mitdieserungefahren"geschatzten\objektposition 5.2.5DiskussionundAusblick DieImplementierungdestaktilenZugreifensnachdemVorbilddesGreifensvonKleinkindernzeigtdieMachtigkeitdesvonderNaturgewahltenAnsatzes:DieSchematafubasiertenAutomatenfurdieVerhaltensorganisationunterBeweis.Entscheidendfurdas Neugier,furdieVermeidungsreaktionundfurdenGreifreexsowiedieReduktionder FreiheitsgradevereinfachendasProblemdesFindensvonGriensostark,dassaufdasin derschema-theorieangelegteoptimierenvonparameternundlernenneuerschemata verzichtetwerdenkonnte.gleichzeitigstelltdasbeispieldietauglichkeitdesschema- Mittelpunktesgegrienwird. FunktionierendiesesbiologischorientiertenAnsatzesistjedochdasSchlieendersensomotorischenSchleife,dasinderInteraktionmitderUmgebungeinexplorativesAgieren moglichmacht.wesentlichistauerdemdasuberlagerterauschenbeiderinstanziierung 17InBild5.13istdieserSchatzfehlerdaranzuerkennen,dassdasObjektdeutlichunterhalbseines

164 152 KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN (a) Heranfahren... (b) seitlicher Kontakt: (c) in die Mitte genommen... Vermeidungsreaktion... schiedenerwerteermoglicht.gleichzeitigwerdensodauerhafteoszillationenweitgehend vermieden{beidigitalensystemenundbeihoherwiederholgenauigkeitkonnenoszillationenauchinderrealitatzumproblemwerden,vorallemaberbeisimulationen.in derschemata,dasmitseinerzufallskomponentedemsystemein"ausprobieren\ver- diesemfallmusstenwegendesuberlagertenrauschensjedochkeinebesonderenvorkehrungengetroenwerden,umdiskretisierungs-oderquantisierungseektezuvermeiden. Zugreifenan,dieBewegungsamplitudenindenverschiedenenreaktorischenSchemata MochtemandasschemabasierteLernenerforschen,dannbietetsichbeimtaktilen Bild5.13:SimulationdestaktilenZugreifens. (d) verkantet gegriffen... (e) korrigiert: erfolgreich gegriffen! zuoptimieren(vorallemdieseitwartsbewegungbeidervermeidungsreaktion)oderdas SystemeineadaquateVermeidungsreaktionlernenzulassen(d.h.z.B.nurmiteinem SchemamitderRuckwartsbewegungzustartenunddieseitlichenBewegungenentdecken undinneuenschemataentstehenzulassen)odereinelosungfurdenfall,dassder "Handteller\zwarKontakthat,derGreiferaberdennochleerbleibt(vgl.inAbschnitt ,Seite148)odergardieUrsprungsschematalernenzulassen,indemnurmitdem SchemafurdieZielvorgabegestartetwird(dasentsprachezwarderEntwicklungder SchemataimLaufederEvolution,lieeaberdieEntwicklungderSchemataaneinemgut zuuberblickendenbeispielstudieren). stabilitatangepasstwerden.obwohldasgreifenvereinfachtunddiewahrscheinlichkeit fureinenstabilengrierhohtwird,wirddiebeurteilungdeutlichkomplizierter,weildie VerformungderGreifpolsterunddieReibungandenFlachenkontaktenberucksichtigt UmweicheGreifpolsterzuverwenden,musslediglichdieBeurteilungderGri-

165 3.3,Seite36,undAbschnitt5.2.3,Seite142). sen,aberauchdasschlieendesgreifers.wiebeidenweichengreifpolsternwirdauch 5.2.TAKTILESZUGREIFEN werdenmuss,sodasssichstatteinersimulationeinrealessystemempehlt(vgl.bild FurgegliederteFingeristebenfallsdieBeurteilungderGristabilitatanzupas- 153 hiertrotzdervereinfachungdesgreifensdiestabilitatsbeurteilungkomplizierter,weil nichtmehrunbedingterforderlich.weitereanderungenkonnensichauseinerveranderten bisdasnachfolgendefingersegmentjeweilskontaktmeldet.einekorrigierendeseitliche Bewegung,wiesievorherzumsymmetrischenSchlieenderBackennotigwar,istdann Greiferssollte,umeineoptimaleAnpassungderFingerandieObjektformzuerreichen, soerfolgen,dassdiegelenkevomfingergrundgelenkhernacheinandergebeugtwerden, werdenmussen.daherempehltsichauchhiereinrealessystem.dasschlieendes diestellungderfingersegmenteundinderregelmehrerekontaktstellenberucksichtigt Greifergeometrieergeben(siehedazuuntenbeimMehrngergreifer). bildetdieweichengreifpolsternach. erexistiertnurindersimulation.dasgeringfugigeeindringenderfingerindiegreifobjekte Bild5.14:BeispielefurGriemiteinemsimuliertenanthropomorphenMehrngergreifer.Der GreiferistdirektdermenschlichenHandnachempfunden,hataberviergleichgroeFinger; renfingern,dieparallelgeschaltetalseinvirtuellerfingerfungieren,aufderhohedes virtuellerfingerverwendetwerdenkonnen:bild5.14).derdaumensolltedenande- Daumenopponiertwerdenkann,wahrenddieanderennebeneinandergestelltundalsein eingangsdeskapitelsbeschrieben,amanfangalsbackengreiferbetriebenwird(einen setzt,diestrahlenformigvomhandtellerausgehen,vondeneneinfingerdenanderenals sehrstarkdermenschlichenhandahnelndengreifermitgegliedertenfingernvorausge- FureinenMehrngergreiferwerdenrelativwenigAnderungennotig,wenner,wie Mittelngersopponiertsein(sowiebeiGriF1inBild3.15aufSeite61).Nachdem ZugreifenkonnendarausdieGrieA1und(mitEinschrankungen)A2inBild3.13auf werden.18 gesamtehandinnenacheinbewegungsrichtungzeigt.dievermeidungsreaktionistdann Seite59,C1undD1inBild3.14aufSeite60sowieL2inBild3.20aufSeite67erzeugt DadurchergebensichdietypischenerstenKleinkindgrie,wiesieinBild3.25aufSeite87gezeigtsind. landet.gegrienwirddasobjektdanndadurch,dassdiefingeresgegendenhandtellerdrucken. wahrenddieanderenfingerzueinemvirtuellenfingerparallelgeschaltetbleiben.dasobjektwirddann nichtmehrangenahertwiemiteinembackengreifer,sondernso,dassder"handrucken\nachobenzeigt, diefingerdachartignachvorngestrecktsindundder"handteller\vonschragobenaufdemobjekt 18EineAlternativeware,dassderDaumen{wiebeiKleinkindern{amAnfangnichtverwendetwird, BeiderAnnaherungansObjektsolltendieFingersoweitgespreiztsein,dassdie

166 sozumodizieren,dasssieeinsetzt,wennderdaumenoderdiefingerberuhrtwerden (auchinnen!).diekorrekturmussdannsoerfolgen,dassderkontaktbeimnachsten 154 einegezieltekorrekturdurchgefuhrtwerden(richtungundamplitudeinabhangigkeit MalamHandtellererfolgt.DaderKontaktaufdenFingernlokalisiertwerdenkann,kann KAPITEL5.TAKTILESFINDENVONGRIFFEN deskontaktorteslernbar{technischentsprichtdiesinetwademlernenderfixation [302,278,279,277]).DerGreifreexsolltenachwievorausgelostwerden,wennder Handtellerberuhrtwird.BeimSchlieendesGreiferswerdendieFingergekrummt,wie obenfurdiegegliedertenfingerbeschrieben.wenndasobjektnichtgroeristalsder Greifer,wirddererzeugteGrimitgroerWahrscheinlichkeitstabilsein{vorallemwenn weichegreifpolsterverwendetwerden{,weilsichdiefingerumdasobjektlegenund eseinschlieen,sodasssicheineverkantungkaumeinstellenwirdunddamitdasschema "GleiteinstabilenGri\wahrscheinlichwirdentfallenkonnen.FurdieBeurteilungder GristabilitatgiltdasGleichewieobenfurdiegegliedertenFingerundggf.weichen Greifpolster,nurdassesnochmehrKontaktstellengebenwird.

167 Kapitel6 LernenvonGrien schebeziehungzwischengreiferundobjektabgespeichertwird.dazuisteinegeeignete genugtabernochnichtfureingreifsystem.einservicerobotermussdenerzeugtengri auchabspeichern{lernen{konnen,umihnspaterineinerahnlichensituationwieder anwendenzukonnen.mitdemfindeneinesgrisistnurderersteschrittdahingetan. DerzweiteSchrittist,dassderGrigelernt,d.h.diefurdieseGreifsituationspezi- DasvorangegangeneKapitelhatgezeigt,wieeinGrimittelstaktilenZugreifensunter ReprasentationderGreiferstellungundderBeziehungzwischenGreiferundObjekterforderlich.UndzurspaterenWiederanwendungdesGrisistesnotig,dieSituationodesentation,sinddieSchwerpunktediesesKapitels.EinweiteresThemaistderAufbau zumindestdasobjektoderdenobjekttypwiedererkennenzukonnen,wozueineobjektreprasentationnotigist.diesebeiden,diegrireprasentationunddieobjektrepra- einergribibliothek. 6.1Grireprasentation EinGrialsBeziehungzwischeneinemObjektundeinemGreifer,einerHandoder einemgreifwerkzeugwirdcharakterisiertdurch dasobjekt:dieunterschiedlicheneigenschaften,insbesonderedieunterschiedliche dengreiferundseinepositur:unterschiedlichegreifer{z.b.einparallel- GeometrieverschiedenerObjekte(vgl.Bild3.24,Seite70),erzwingenunterschiedlicheGrie.DahermussenverschiedeneObjekteoderObjekttypenunterschieden werdenkonnen. backengreiferwiebeieinemindustrieroboterundeindreiklauengreiferwiebeiei- nemkranfurdieverladungvonmetallschrott{konnenunterschiedlichegrie erzeugen.auerdemkanneingreifermitmehralseinemfreiheitsgrad{z.b. einmehrngergreifer{amgleichenobjektverschiedenepositureneinnehmen,die charakteristischegrieerzeugen(beispielezeigenbild3.19,seite66,sowiedervergleichzwischengrienamgleichenobjektinbild3.14,seite60,undbild3.15, bedientwird,selbstalsgreiferfungieren(z.b.einezangeodereinepinzette);oder Seite61).ZusatzlichkanneinGreifwerkzeug,dasvoneinemGreifergehaltenund KontrolleeinesschemabasiertenAutomatengefundenundhergestelltwerdenkann.Das 155

168 156dieRelationzwischenGreiferundObjekt:AuchbeigleichemObjektund diegreiferaneinemserviceroboterkonnenausgetauschtwerden.allediesefalle gleichemgreiferingleicherpositurkonnenverschiedenegrieerzeugtwerden(beispielesindgriej2bisj4inbild3.19,seite66,sowiegriel2,l3undn1 mussenunterschiedenwerdenkonnen. KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN scheidungodereinordnungderverschiedenengriekanninhierarchischerweisein obigerreihenfolgegeschehen. scheneinerobjektreprasentationundeinergreiferreprasentationbilden.dieunter- DieGrireprasentationmussalledieseCharakteristikaenthaltenunddieBruckezwi- inbild3.20,seite67,weiterebeispielezeigtbild8.3,seite200).derunterschied liegtdannnurinderrelationzwischengreiferundobjekt;auchdiesefallemussen Umzugewahrleisten,dassdiefurdasGrundsystemgeschaeneGrireprasentationals unterschiedenwerdenkonnen. GrundlagefureineReprasentationfureinweiterauszubauendesGreifsystemdienenkann, wirdinderweiterenbeschreibungeineunterteilungineinenallgemeinen,greiferubergreifendenteilundineinengreiferspezischenteilvorgenommen.daruberhinauswerden MoglichkeitenzurErweiterungdesGrundsystemsvorgestellt GreiferubergreifendeCharakteristika UnabhangigvomGreiferistallenGriengemeinsam,dasssie,wieimvorhergehendenAbschnittfestgestellt,voneinembestimmtenObjekttypabhangen.DiezurUnterscheidung derverschiedenenobjekttypennotigeobjektreprasentationistalsoeingreiferuber- Seite164)getrenntbehandelt. Objektbeschreibenmussen.HiererhebtsichdieFrage,inwelchemKoordinatensystem diesebeschreibungamzweckmaigstenist.zurbeantwortungwirddasobjektbetrachtet,dadiesesimzentrumdesgrisstehtgreifendeselement.dadieobjektreprasentationauerdemzurvisuellen(oderfernsensorischen)wiedererkennungvonobjektenbenotigtwird,wirdsieinabschnitt6.2(ameterneinesobjektsab(vgl.bild3.22,seite69),weilz.b.vonderpositiondesobjekts imraumodervonhindernisseninseinerumgebungabhangt,obdiegripositionvom DieAnwendbarkeiteinesGrieshangtzwarentscheidendvondenextrinsischenPara- EbensoistallenGriengemeinsam,dasssiedieRelationzwischenGreiferund andernfallswaredieplanungdesgreifvorgangsstarkeingeschrankt,weilbestimmtegrie vonvornhereinunterdrucktwerdenmussen{z.b.konntenichtgeplantwerden,denserviceroboteraneinenfurdaszugreifengunstigerenortzufahrenoderdashinderniserst GreifererreichtundderGrierzeugtwerdenkannodernicht.Dennochistessinnvoll, GriezunachstohneBerucksichtigungderextrinsischenParameterzubetrachten.Denn chen,obdergreiferinderendstellungmiteinemhinderniskollidiert,oberdiesestellung zubeseitigen.auerdembedeutetdieberucksichtigungderextrinsischenobjektparameternichtsanderes,alsdassdievomgrivorgegebenestellungdesgreifersamobjekt dahingehendbewertetwerdenmuss,obsieerreichtwerdenkann.dafuristzuuntersu- istdiegeometriedesgreifersmageblich,furzweiteresdiebeweglichkeitdesarmesund uberhaupterreichenundoberdorthinohnekollisionbewegtwerdenkann.furersteres

169 ieenstattdessenindiegreifplanungein.darausfolgt,dasseineobjektzentrierte DeshalbenthaltdieGrireprasentationkeineobjektextrinsischenParameter;sie 6.1.GRIFFREPRASENTATION derplattformundfurletzteresbeidezusammen{allesbedingungen,dienichtgrispezischsindundderenuberprufungdaherunabhangigvomgrirealisiertwerdenkann. 157 sindunerheblichundggf.konventionssache,solangesiebeieinemobjekttypgleichbleibenundreproduzierbarsind(z.b.beiderobjekterkennung);zwischenverschiedenen KonkretlasstsichdieObjektzentriertheitrealisieren,indemineinemObjekttypein- Koordinatensystemreprasentiertwerden.DieLagedesUrsprungsunddieAusrichtung sowiedertypdeskoordinatensystems(kartesische,kugel-oderzylinderkoordinaten) heitlichfurallegreiferundgrieeinobjektzentrierteskoordinatensystemfestge- legtwirdunddieobjektabhangigenparameterdergrie{soweitmoglich{indiesem ReprasentationfureinenGriamzweckmaigstenist. KugelodereinemZylinderergeben,sinddannjedochunerheblich.Unsicherheitendurch Verdeckung{wiez.B.dassderHenkeleinerTassenichtgesehenwerdenkann{konnen oderentsprechendesagieren(tastenoderdrehendesobjektsmiteinemanderengri) beimzugreifenausgeglichenwerden. zuunsicherheitenindergribestimmungfuhrenundmussendurchgroeretoleranzen ist.unsicherheiteninderausrichtungkonnensichbeisymmetrienwiez.b.beieiner Objekttypendurfensiesichunterscheiden,obwohldasfurdiePraxisnichtzuempfehlen beschreiben,indeminobjektkoordinatenundingreiferkoordinatenjeeingri-bzw. plexe,greiferspezischeanpassungendesgreifersandasobjektjedochnichtabbilden (z.b.dieverformungderfingerbeimmehrngergreifer).intuitiveristdierelationzu RelationzwischendemobjektzentriertenKoordinatensystemundeinemeinzufuhrenden greiferzentriertenkoordinatensystembeschreiben.mathematischbetrachtetistdieserelationeinedurchmatritzenbeschreibbarekoordinatentransformation.diesekannkom- DieRelationzwischenGreiferundObjektlasstsichinersterNaherungalseine Greifmittelpunkt,eineGri-bzw.GreifachseundeineOppositionsrichtungdeniertwerden,diefurdenGriinDeckunggebrachtwerdenmussen(fureinBeispielsieheBild6.1, Seite159).DerGrimittelpunktistdabeiz.B.derSchwerpunktderkontaktierten beieinemzweingergridierichtungvonderdaumenkuppezurzeigengerkuppean, FlachenamObjektbzw.amGreifer.DieGriachsedeniertdieRichtung,inderder Greifersteht,wennerdenGrimittelpunkterreichthat.DieOppositionsrichtunggibt beieinemmehrngergriz.b.denmittelwertderrichtungenderverbindungslinienvon ParameterabhangendeveranderlicheTransformationsmatrix;derParameteristdieZeit greiftrajektorie,diedenverlaufderrelationzwischendemobjekt-unddemgreifer- koordinatensystemangibt.mathematischausgedrucktwirddiesdurcheinevoneinem denkontaktachenvomdaumenzudenkontaktachenaufdenanderenfingern. oderderabstandzwischenobjektundgreiferoderahnliches.imeinfachstenfallfuhrt derwegdesgreifersbeimzugreifen,alsodieveranderungderrelationzwischen ObjektundGreifer.BeschreibenlasstsichdieseinersterNaherungdurcheineZu- FurdieErzeugungeinesGriesistnichtnurdieEndstellungwichtig,sondernauch (greiferspezischen)positurdesgreifersbeschriebenwerden{wiez.b.diezunehmende KrummungderFingerbeimGreifeneinerTasseamHenkel. dietrajektorieentlangeinergeradenlinie,diefestgelegtwerdenkanndurchdiezugreifrichtung.furkomplexegreifvorgangemusszusatzlichdieveranderungder

170 betrachtlichvoneinanderunterscheiden{z.b.wenneinetassevonobenunterrelativ zumhenkelsehrverschiedenenwinkelngegrienwirdwiemitgril1,l3odern3in 158 seinunddaherinstanziierungeneinesgritypsdarstellen,obwohlsichihreparameter EinweiteresElementistdieVariabilitat:ZweiGriekonnenqualitativgleich KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN Bild3.20,Seite67.ImParameterraumeinesGriesergibtdieseinGebiet,dasParametervariationsgebiet,indemdieParametervariiertwerdenkonnen,ohnedasssichein qualitativanderergriergibt{diegrenzenzwischengebietenverschiedenergritypen entsprichtz.b.nichtannaherndderzuerwartendenverteilungbeidenobigenangefuhrten konnenunscharfsein. Tassengrien:DortwirdderParameterfurdieHohebesserdurcheineGleichverteilung Verteilungistjedoch,dassihreFormmiteinemdeutlichenMaximuminderMitte,stark abfallendenflankenundachenauslaufernandenseitenfestvorgegebenist.dieseform denunddann{wiebeidenschemata{durchmittelwertundvarianzbzw.kovarianz- matrixbeschriebenwerden(vgl.abschnitt5.1.4abseite130).einnachteildergau- DasParametervariationsgebietkanndurcheineGauscheVerteilungangenahertwer- wahrendindembereichdazwischendiegriepraktischgleichgutsindunddamitgleich abgebildet,daunterhalbundoberhalbdertassekeingultigergrimehrmoglichist, wahrscheinlichseinsollten.auchfurdendrehwinkelgibteseinenweitengultigkeitsbereich,indemdiegriealsgleichwertigangesehenwerdenmussen.einweiterernachteil derdimensionen{nureineplanareellipseodereinellipsoidseinkann.dasaufeinezylindrischeoberacheprojiziertevariationsgebietkonntedamitzwarinzylinderkoordinaten dergau-verteilungist,dassdasvariationsgebietimparameterraum{jenachanzahl nurgeringeabweichungenzulassen;diesefallesindjedochrechtselten,wiesichdurch BetrachtungderGribeispieleindenBildern3.13(aufSeite59),3.14(aufSeite60),3.15 (aufseite61),3.19(aufseite66)und3.20(aufseite67)leichtfeststellenlasst. VariationistdahereinVerfahrenvorzuziehen,dassichanbeliebigeVerteilungenanpassen kann{beispielsweisewachsendeneuronalegase,wieauchschonfurschematadiskutiert (sieheinabschnitt5.1.4abseite133).diegauverteilungeignetsichnurfurgrie,die angenahertwerden,keinesfallsaberinkartesischenkoordinaten.zurreprasentationder GrobbeschreibungeinesGrisaufderEbenederSchwerpunktederbeteiligtenKorper {desgreifersunddesgreifobjekts{undihrerrelationzueinander.einedetailliertere BeschreibungkannnurunterBerucksichtigungderEigenheitendesverwendetenGreifers undggf.desgegrienenobjektserfolgenundbleibtdamitdergreiferspezischengrireprasentationbzw.derobjektreprasentationvorbehalten. InderSummebietendiehieraufgefuhrtengreiferubergreifendenCharakteristikaeine ReprasentationfurdenMehrngergreifer;danachfolgtdieBetrachtungfurdieVerwendungvonWerkzeugen BackengreiferspezischeCharakteristika IndenfolgendenAbschnittenwirdzunachstdiegreiferspezischeGrireprasentation furdenbackengreiferbehandelt.dannfolgendieerweiterungen,dieuberdieanforderungendesgrundsystemshinausgehen.denanfangmachtdabeidiegreiferspezische BeieinemParallelbackengreiferkommenzudengreiferubergreifendenParameternhinzu: diegriweite,diebestimmt,wieweitdiebeidenbackengeonetsind,sowie

171 6.1.GRIFFREPRASENTATION 159 diegreiftiefe,dieangibt,wieweitdiegreifbackenvonihrerspitzehermitdem ObjektinBeruhrungsind;siedientzurUnterscheidungvon"Halte-\und"Manipuliergri\(vergleicheBild3.2,Seite33). DieParameterinihrerGesamtheitzeigtBild6.1. Zugreifrichtung Greifachse Oppositionsrichtung Greifweite Greiftiefe Greifmittelpunkt Griffachse Griffmittelpunkt Oppositionsrichtung Griffweite Greiftiefe Zugriffrichtung Griffachse Griffmittelpunkt Oppositionsrichtung Griffweite Grifftiefe Zugreifen Griff Bild6.1:DieGriparameterfurGriemiteinemParallelbackengreifer.LinkssinddieVerhaltnissewahrenddesZugreifensgezeigt.RechtsistderZugrierfolgt,d.h.dieParameter Grimittelpunkt,GriachseundOppositionsrichtungbezogenaufdasObjektundaufden GreifersindbereitsinDeckunggebracht. BeieinemBackengreifer,dessenBackennichtparallelonen,istdieGriweitedurch einenanderengeeignetenparameter,z.b.denonungswinkel,zuersetzen. SollderGreiferauchverwendetwerden,umObjektinnenraumedurchOnender Backenzugreifen(wiez.B.beiGriN3inBild3.20,Seite67),musszumeinenzumindestdurcheinenParameterunterschiedenwerden,obschlieendoderonendzuzugreifen ist(wasdieangabeeinerzugreiftrajektorieersetzt),zumanderenwirdfurkontrolliertes ZugreifendieAngabebenotigt,umwievieldieauereGriweitegroeristalsdieinnere (dieserparameterkannaberauchschnelldurchausprobierengelerntwerden). StattderhierangegebenenskalarenGroen{wieGriweiteoderGreiftiefe{kann generellaucheinebeliebigeanderegroeverwendetwerden,dieausderangegebenen durcheinestrengmonotonefunktionzuerhaltenist;dieserzusammenhangkannggf. auchdurchexplorationunderfahrunggelerntwerden(vergleicheabschnitt ab Seite177). Umsetzung AlsobjektzentriertesKoordinatensystemwirdeinkartesischesKoordinatensystem verwendet,dasseinenursprungz.b.imobjektmittelpunkthat.alleaufdasobjekt bezogenenparameterwerdenindiesemkoordinatensystemreprasentiert:dergrimittelpunkt,diegriachseunddieoppositionsrichtung.vereinfachendistdiezugreifrichtungsofestgelegt,dasssiemitdergriachsezusammenfalltunddieangabeletzterer deshalbentfallenkann.furdasgreiferzentriertekoordinatensystemndetaucheinkartesischeskoordinatensystemanwendung.dievierparametergreifmittelpunkt,greifachse,

172 geben):dergreifmittelpunktliegtvornindermittezwischendengreifbackeneinen ZentimetervonderSpitzeentfernt;dieGreifachseliegtinRichtungderGreifbackenin 160 OppositionsrichtungundZugreifrichtungsindfestdeniert,sodassderengreiferzentrierte Angabeentfallenkann(inBild6.1sindsiederUbersichtlichkeithalberdennochange- KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN dermittezwischenbeidenundfalltwiedermitderzugreifrichtungzusammen;unddie OppositionsrichtunggehtvonderlinkenGreifbackenspitze("Daumen\)zurrechten("Zeigenger\)(daderBackengreiferachsensymmetrischist,kannsieinderAnwendungauch umgedrehtwerden,wasesmanchmalermoglicht,einengrizuerzeugen,wennerinder anderenausrichtungarmkinematischnichterreichtwerdenkann).alsparameterbleiben dannnurnochdiegriweiteunddiegreiftiefe.furdasgrundsystemwurdezunachst aufdasgreifenmitdenauenseitendergreifbackenverzichtet. konnengriereprasentiertunderzeugtwerden,wiesieauchbeimkindzuerstauftreten: xitatsstufenunddetaillierungsgradenausfuhren,dieverschiedenenkomplexitatsstufen beidengrienentsprechen MehrngergreiferspezischeCharakteristika HaltegriemitKontaktamHandteller,diez.B.durchreektorischgesteuertesZugreifen erzeugtundbeidenenallefingergleichzeitigeingesetztwerden(wiez.b.griec1,d1 DieGrireprasentationfureinenMehrngergreiferlasstsichinverschiedenenKomple- undd2inbild3.14,seite60),sowie{eingeschrankt{manipuliergrieuntereinsatz allerfinger(wiez.b.grief1,g1,i2undi3inbild3.15,seite61).diesegriehabengemeinsam,dassallefingersynchronbewegtundausihrer"naturlichen\stellung IndererstenStufegenugendiegreiferubergreifendenParameter.Damit geschlossenwerden,bissiekontakthaben.beimmehrngrigengreiferverlierengririchtungundoppositionsrichtungoftihreeigentlichebedeutungundkonnenanhand desgrisnichtimmereindeutigdeniertwerden.siedienenaberdazu,diepositiondes GreifersrelativzumObjekteindeutigfestzulegen. InderzweitenStufekommtdieKongurationderFingerhinzu,d.h. welchestellungundbiegungdiefingerinderausgangs-undinderendpositionhaben{z.b.geradeodergebogen(vergleichebesondersdiegrieg4,h3und H4inBild3.15,Seite61,K2undK4inBild3.19,Seite66,sowieP1bisQ2in verwendetwerden(vgl.inabschnitt aufseite62){anwendbarbeiden GrienF1{F4inBild3.15,Seite61,sowieM1{M4inBild3.20,Seite67; inderbeschreibungetwaszureduzieren,kanndaskonzeptdesvirtuellenfingers ausgeklappt(wieingrif4bzw.g4inbild3.15,seite61).umdiekomplexitat welchefingerbeimgreifvorgangbenutztwerden; welchefingerstillgelegtsindundwiesiestillgelegtsind{z.b.eingerolltoder Bild3.18,Seite65);dadurchistauchgegeben,welcheBewegungdieFingervon derausgangs-odervorbereitungsstellungindieendstellungdurchfuhrenmussen{ ngersdarzustelleningrih1bzw.h2inbild3.15,seite61.bedenkenswertist, wichtigz.b.,umdiebewegungdeszeigengersunddeskleinenfingersoderring- obdiereprasentationingelenkwinkelnerfolgtoderinabstandenvonopponiertengreifachen(verallgemeinertengreifweiten),inonungswinkelnodereektiven

173 6.1.GRIFFREPRASENTATION ggf.auch,wieundvonwelchenobjektparameterndiegelenkwinkeloderanderen darausergeben,wodiefingeroberachenmitdemobjektkontakthabensollen (vergleichegriep1{p3inbild3.18,seite65).reprasentiertwerdenmussdabei FingerlangenfurdieBiegungoderanderem;alternativkannsichdieBiegungauch 161 BeimZugreifenwerdendieFingerwiezuvorgeschlossen,bissieKontakthaben. ErganzendzudenGriendererstenStufesindnunallenichtallzukompliziertenGrie moglich,dienureinenteilderfingerbenutzenoderspeziellepositurenbenotigen. ZusatzlichzudenschongenanntenGriensinddiesz.B.A3{B4inBild3.13,Seite59, C2{C4undD3{E4inBild3.14,Seite60,F2,F3,G2,G3undI4inBild3.15,Seite61, Parameterabhangen. konnendiekontaktzonenamgreifermithilfeeinerzielvorgabe(z.b.ausfruherergreiferfahrung)verschobenundeingridamitprazisekorrigiertwerden,umtoleranzenbeim Zugreifenauszugleichen.DiesistbesonderswichtigbeiManipuliergrien,beidenennur diefingerspitzeneingesetztwerden{wiez.b.beigrii2undi4inbild3.15,seite61, tiefebeimparallelbackengreifer.aufgrunddertasteindruckeodergreifkontaktmuster sowien2undn4inbild3.20,seite67. beidenstiftgrieninbild3.19,seite66,sowiebeidenfingerkuppengrieninbild3.18, InderdrittenStufewerdendieTasteindruckeerganzt;sieentsprechenderGreifdruckenunterschiedenwerden.DieZielvorgabefureinenTasteindruckkannbeimersten Zugrigelerntwerden;siekannzusatzlichauchgrobvorgegebenwerden. Seite65.DaruberhinauskonnenverschiedeneObjekteauchanunterschiedlichenTastein- L4{M4inBild3.20,Seite67). beimzugreifenhinzu.diesebeschreibungistnotigfurdieerzeugungvonkomplexengriffenwiedemgreifeneinertasseamhenkel,beidemdiefingerzumrichtigenzeitpunkt {oderimrichtigenabstandzurtasse{indenhenkeleingreifenmussen(siehegrie fer)zudenkorrespondierendenkontaktiertengriachen(amobjekt)erganzt.diese InderfunftenStufewirddiegenaueZuordnungvondenGreifachen(amGrei- InderviertenStufekommtdieBeschreibungderTrajektorienderFingergelenke kannerforderlichwerdenbeibesonderskomplexengrien,wiesiez.b.notigsindzum zuschalten. BedienenvonkindersicherenVerschlussen,vonTastaturen,insbesonderevonFolientastaturen,anRechnernoderanZugangssystemensowiezumSpielenvonMusikinstrumenten WerkzeugspezischeCharakteristika beieinemneuen,noch"unerfahrenen\systemdiegrireprasentationennichtgleichin vollerkomplexitataufzubauen,sonderndieverschiedenenstufennachundnachhinzu- InAnalogiezurEntwicklungvonKindernundzurSchematheoriewirdessinnvollsein, EinGreifwerkzeug,wieeinePinzetteodereineZange,mussvorseinerBenutzungzunachst einemgreifwerkzeugmussdaherreprasentiertwerden,welchergrioderwelchegrie furseinengebrauchgewahltwerdenmussen.daruberhinausmussreprasentiertwerden, werden,nurdasszuseinerverwendungeinbestimmtergrigewahltwerdenmuss.bei aufgenommenundgegrienwerden.dabeikanneswiejedesanderegreifobjektbehandelt

174 162 welchebewegungendesgreifersnotigsind,umdenoderdiefreiheitsgradedesgreifwerkzeugszubedienen. GriespeziellfurdasjeweiligeWerkzeugabgespeichert.FallsAhnlichkeitenzwischen IstdasWerkzeugaufgenommen,wirdeswieeinGreiferbehandelt,d.h.eswerden KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN einerzangeunddemzweingergri),kannversuchtwerden,diedafurgefundenengrie implizitbeidergrireprasentationfurdenparallelbackengreifermitderoppositionsrichtungderfallist(sieheobenabschnitt6.1.2abseite158).beispielefurdasgreifenvon WerkzeugengebenGrieO1undO2inBild3.21(Seite67). demwerkzeugundeinemschonbekanntengreifervorhandensind(z.b.wiezwischen 6.1.5ErweiterungenuberdasGrundsystemhinaus aufdaswerkzeugzuubertragen.dafuristeinereprasentationhilfreich,diemitvirtuellenfingernodermitoppositionenundopponiertengreifachenarbeitet,wiediesz.b. DieserAufbauerschwerteineVerallgemeinerungeinesGriesvoneinemGreiferauf einenanderen.dieslasstsicherleichterndurcheineebene,diezwischendenobjekten DerbisherigeAufbauderGrireprasentationsiehtnachderhochstenEbenederUnterscheidungnachObjektengleicheineUnterscheidungnachverschiedenenGreifernvor. unddengreiferneingefugtwirdundaufderdiegrieineinergreiferunabhangigenweise reprasentiertwerden.unabhangigvondergroeeinesobjektskanneingribeschriebenwerdenmitvirtuellenfingern(sieheinabschnitt aufseite62),virtuellen GreifachenundmitOppositionen(sieheinAbschnitt aufSeite63).BeispielesindGriemitzweivirtuellenFingernentsprechendzweiGreifachenundeiner OppositionodereinGrimitdreivirtuellenFingernmitjeeinerGreifacheundeiner auchmehralseineabbildungexistieren{oderauchgarkeine(wiebeieinemparallelbackengreifer,furdeneindreingergriunmoglichist).eingrianeinemwurfelwie F1inBild3.15(aufSeite61)wurdez.B.alsvirtuellerZweingergrireprasentiert.Er konnte{eineentsprechendeabbildungvorausgesetzt{beieinemwurfelgeeignetergroe ubertragenwerdenauf ZurAnwendungeinesGriesmiteinembestimmtenGreifermusseineAbbildungdes Dreieropposition(wieinGriI4inBild3.15,Seite61). virtuellengriesaufdengreiferstattnden.dabeikannfureinengreiferdurchaus einenbeidhandigengri,beidemjederarmdiefunktioneinesvirtuellenfingers einengri,beidemderwurfelunterdenarmgeklemmtundgegendenkorper gepresstwird,wobeiderkorperdiefunktionderzweitenvirtuellengreifache dengrir1inbild3.25(aufseite87),beidemderhandtellerdiefunktionder diegrief2bisf4inbild3.15(aufseite61),wobeieinvirtuellerfingeraufeine einenparallelbackengreifer,ahnlichwieinbild3.2rechts(seite33)gezeigt; verschiedeneanzahlvonfingernabgebildetwird; zweitenvirtuellengreifacheubernimmt; ubernimmt; eingreifwerkzeugwieeinerohrzangeodereinepinzette.

175 6.1.GRIFFREPRASENTATION sentationvongrien,indeminbestimmterrelationzueinanderstehendeflachenelemente miteinemgriverknupftwerden(vgl.inabschnitt abseite63).aufdiese WeisekonnenGrieschnellverallgemeinertwerden,undessindauchGriemoglich,die DasKonzeptderOppositionenbieteteineallgemeinere,objektunabhangigeRepra- 163 identiziertwerdenkonnen.dazugibtesheutenochkeinezufriedenstellendenlosungen mehrereobjektegleichzeitigfassen{einbeispielistgrin4inbild3.20(seite67):da (vontrobinaundmitarbeitern{vergleicheinabschnitt2.2.5aufseite20{gibteszwar Grireprasentationnichtabgespeichertwerden.SinnvollerscheintdahereineErganzung derobjektbezogenenreprasentationdurcheineoppositionsbezogene,sodassmitbeiden parallelgearbeitetwerdenkann.voraussetzungfurdieverwendungderoppositionenist allerdings,dassdurchdiefernsensorikdiepotenziellenoppositionenaneinemobjekt dergriuberzweiobjektegeht,konnteerineinemsystemmitnurobjektbezogener Oppositionenist,dassdieRuckseitedesObjektsnichtohneExplorationerfasstwerden kann.alslosungdafurwareeinansatzmoglich,deraufgrundvongreiferfahrungdie unsichtbareruckseitedesobjektsextrapoliert,wasnaturgemabeibekanntenobjekten amzuverlassigstenfunktionierenwird. Serviceroboterabernichtpraktikabelist).DasHauptproblembeimFindendermoglichen einenansatz,dermiteinerzerlegungderobjektoberacheinsegmentearbeitet,fur verallgemeinertwerdenkonnenwie: gen,dieichbeidenmehrngergreiferspezischencharakteristikaaufgefuhrthabe (sieheabschnitt6.1.3abseite160)unddieaufgreifermitmehralseinemfreiheitsgrad PositurdesGreifers: ZudenErweiterungenuberdasGrundsystemhinausgehorenauchdieErweiterun- {benutztefingeroderfreiheitsgrade, {stillgelegtefingeroderfreiheitsgradeundartderstilllegung, InletzterKonsequenzbedeutetdies,dasseinevollstandigeReprasentationdesGreifersbenotigtwirdunddassdieGrireprasentationeineRelationdarstellenmusszwischen Greifkontaktmuster(aufdemGreifer); TrajektorienderFreiheitsgradebeimZugreifen; ZuordnungvonGreifachen(aufdemGreifer)zuGriachen(aufdemObjekt). {StellungundBiegungderFingerinderAusgangs-undinderEndposition; (geb.meyering)[247,87]benutztprototypischehandposituren,umausihnendurch sichdieserelationherstellenlasst).zurreprasentationeinesgreifers,spezielleines Mehrngergreifers,sindschonverschiedeneAnsatzegemachtworden:KangundIkeuchi[176]benutzenfurdasGreifkontaktmusterein"Kontaktnetz\(contactweb);Drees einergreiferreprasentationundeinerobjektreprasentation(undauchangebenmuss,wie habeneintopologischesmodellentwickeltzurreprasentationvonhandposituren.aus undkontaktmusterzueinemgeplantenzukommen. derreprasentationdesgreifersmusssichschlielichauchentnehmenlassen,welchefreiheitsgradedesgreiferswiebewegtwerdenmussen,umz.b.einenkontaktpunktzuverschiebenodermehrdruckauszuubenoder{allgemein{voneinemaktuellentasteindruck UberlagerungeinKontinuumvonPositurenzuerzeugen;NguyenundStephanou[270]

176 Objektreprasentation BeiderObjektreprasentationsindverschiedeneAspektezuunterscheiden: aktuellefernsensorischeobjektreprasentation:dasfernsensorische(z.b.vi- KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN dieubrigenobjektextrinsischenparameterausbild3.22(seite69),dievondem suelle)systemliefertzueinemdetektiertenobjekteineaktuelleobjektreprasen- imvorhergehendenabschnittbeschriebenenzusatzlichensystemausgewertetwerden.ausderobjektintrinsischenreprasentationwirdimgrundsystemmithilfschnitt4.4.3(abseite114)beschriebenefixationerfolgteineauftrennungineine bestimmt(vgl.abschnitt abseite114),ineinemerweitertensystemauch extrinsischenreprasentationwirdbeimgrundsystemnurdiepositiondesobjekts tation,diedieobjektex-und-intrinsischenparameterabdeckt.durchdieinab- derobjekterkennungdieorientierungdesobjektssowieseineformundgeometrie objektextrinsischeundineineobjektintrinsischereprasentation.ausderobjekt- ReprasentationfurdieObjekterkennung:ZumWiedererkennenvonObjek- bestimmt(vgl.abschnitt abseite117). ObjektreprasentationfursGreifen:HatdieObjekterkennungeinObjektverarbeitet,gibtsieandasGreifsystemeineObjektreprasentationweiter,diediegreif- FormbeschreibunginAbschnitt4.2.1abSeite103). fernsensorischeobjekterkennungeinespeziellaufsiezugeschnitteneobjektreprasentation(vergleichedazuauchdieausfuhrungenzurwiedererkennungundzutenoderzumerkennenvonahnlichenobjektendurchvergleichmitderaktuellenobjektintrinsischenreprasentationoderzumlernenvonobjektenbenotigtdirelevantenparameterenthalt.diesereprasentationbildetdiebasisfurdasgreifsystem;ansiewerdendiereprasentationenderzumjeweiligenobjektgehorenden DieGesamtheitdieserReprasentationen,inklusivederangehangtenGrireprasentationen, bildetdieobjektreprasentationfureinobjekt.dieaktuellefernsensorischeobjektreprasentationunddiereprasentationfurdieobjekterkennungwerdenhierjedochnichtnaher Grieangehangt. sonstigeobjektreprasentationen:fureinerweitertessystemistaucheine behandelt,dasievonderverwendetenfernsensorikunddermethodezurobjekterkennungabhangen;diesesollennichtthemadieserarbeitsein.dahersindinabschnitt4.2.1 ReprasentationzurtaktilenObjekterkennungoderfurweitereAspektedenkbar. (abseite103)furdieobjekterkennunglediglichanforderungenformuliert,diesieerfullen muss,umfureingreifsystemgeeignetzusein. Relevanzsind. sensorischenobjekterkennungunddemgreifsystem.deshalbmusssieandenoutput abseite103).einallgemeineransatzistdaherinderpraxisnichtmoglich;dennoch lassensichfragenbeantworten,dieuberdenspezialfallhinausgehenundvonallgemeiner derobjekterkennungangepasstsein(dieanpassungansgreifsystemgeschiehtdadurch, dassdieobjekterkennungdieanforderungenfursgreifenerfullt,sieheabschnitt4.2.1 DieObjektreprasentationfursGreifenbildetdieSchnittstellezwischenderfern-

177 beitet: beschrieben.vomgreifsystemwirddasergebnisderobjekterkennungweiterverar- 6.2.OBJEKTREPRASENTATION DiefurbeideKanalegetrenntgeschatzteOrientierungwirdunterBerucksichtigungdesVergenzwinkelsgemittelt. DieindieserArbeitverwendeteObjekterkennungistinAbschnitt4.4.2(abSeite113) 165 Zusatzlichwerden BeiinbeidenKanalenunterschiedlicherkanntemObjektwirdbeimObjekttyp Diex-undy-GroedesGraphenwird{getrenntfurdiebeidenKanale{durch diekoordinatendesfixationspunktsbestimmtundalsschatzungderpositiondes und-subtypkonsistenzhergestellt. DivisiondurchdieSichtentfernungnormiert. umdielangenparameterdergelerntengrie(griweite,grimittelpunktu.a.)andie GroedesaktuellenObjektsanpassenzukonnen:DieGroedesaktuellenObjektswird verglichenmitdemabgespeichertenobjekt,furdasdiegriegelerntwurden,unddie Langenparameterwerdenentsprechendskaliert.DadieGroedesUmrisseseinesObjektsunddamitauchdesGraphenstarkabhangigistvonderRichtung,ausderdatationuberdenOrientierungswinkelaufgelostabgespeichert.DieAuflosungbetragtneun Grad;WertefurZwischenwinkelwerdenlinearinterpoliertabgespeichertundausgelesen; zusatzlichndetbeimabspeicherneinestatistischemittelungderwertestatt(wiefurdie AnpassungderParametermittelwertedesschemabasiertenAutomateninAbschnitt5.1.4 abseite130beschrieben). Objektgesehenwird(vgl.Bild6.2),wirddieGroedesGrapheninderObjektreprasen- DienormierteObjektgroe(hierdienormierteGroedesGraphen)wirdgebraucht, Objektsgenommen. Bild6.2:DieUmrisseunddamitauchdievonderObjekterkennunggeliefertenGraphengroen schwankensehrstarkmitderansichtdesobjekts(links:wurfel,rechts:quader). jektszubestimmen.dadiefixationaufderbestimmungderpositionderobjektabbil- der(z.b.ihrerflachenschwerpunkte,vgl.abschnitt abseite114)indenbeiden KanalenderStereokameraberuht,kannsicheineAbweichungzumwahrenObjektmittelpunktergeben.WenndieseAbweichungkonstantware,konntesieunberucksichtigt DieKoordinatendesFixationspunktswerdengebraucht,umdiePositiondesOb-

178 166 KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN x, y, z, r in mm (Zylinder, Würfel, Quader) Bild6.3:AbweichungdesFixationspunktsvomObjektschwerpunktinAbhangigkeitdesOrientierungswinkelsdesObjekts.AufgenommenwurdendieseKurveninderSimulationmiteinem 10 Zylinder(Wertenurbei0unddannaufnullabsinkend),einemWurfel(Kurvenbis90und 5 0 menwerdenkann(unddieabweichungbeiderangabedergrimittelpunktekompensiert dannaufnullabsinkend)undeinemquader(kurvenbis180).dasobjektbefandsichauf werdenkonnte).tatsachlichaberistdieseabweichungoderdieserschatzfehlerabhangig abseite189).diefixationwurdedurchgefuhrtaufgrundderdurchfalschfarbenbestimmten FlachenschwerpunktederObjektabbilderinbeidenKanalenderFovea-Stereokamera. bleiben,dajederbeliebigepunktimobjektkoordinatensystemalsbezugspunktgenom- demtischvordemroboterintypischergreifhoheundgreifentfernung(vgl.abschnitt8.1 Winkel Grad vomorientierungswinkeldesobjekts,wiediesimulationmitverschiedenenobjektenin Bild6.3nachweist.DerHubderAbweichungbetragtinderVertikalenundinderTiefe biszu5mm,wasvorallemwegenderschongeringenauflosungindertiefekritischist ohnejedemoglichkeitzurkorrekturvonabweichungenstattndenmuss. keinetastsensorenimgreiferzurverfugungstehenunddaszugreifendamit"blind\und Orientierungswinkelsgelerntwerden.WiedienormierteGroewerdendiex-,y-und (vergleichedazudieabschatzunginabschnitt aufseite116),insbesonderewenn wieinderinabschnitt8.2(abseite194)vorgestelltenhardware-implementierungnoch beimabspeichernndetwiedereinestatistischemittelungstatt.daslernenderabweichungenistinabschnitt8.2(abseite194)beschrieben. z-koordinatenderabweichungineinemfeldanstutzstellenimabstandvonneungrad abgelegt.zwischenwertewerdenmittelslinearerinterpolationausgelesenundgespeichert; UmdiesenSchatzfehlerzukompensieren,mussdieAbweichunginAbhangigkeitdes

179 6.3.AUFBAUEINERGRIFFBIBLIOTHEK 167 ZusammenfassendenthaltdieObjektreprasentationfursGreifenalso: Bild6.4:AnkopplungderGrireprasentationenderfureinObjektmoglichenGrieanseine Objektreprasentation,hieraneinemWurfelveranschaulicht. denobjekttypund-subtyp,diedieobjektformkodieren; einfeldmitdernormiertengroedesobjektgrapheninx-undy-richtungin einfeldmitderabweichungdesfixationspunktsvombezugspunktdesobjektsinabhangigkeitdesorientierungswinkels. AbhangigkeitdesOrientierungswinkels; graphenorientiertenreprasentationfurdievisuelleobjekterkennungunddergeometrischenreprasentationfurdiegrierzeugung.dieseschnittstelleruhrtdaher,dassdie beidenreprasentationeninsoftware-technischgetrenntenmodulenrealisiertsindund vonverschiedenenpersonenprogrammiertwurden.durchdiesebruckewerdendiebeidenreprasentationenabersozusammengebunden,dassimergebniseineintegrierte Objektreprasentationentsteht,dieSensorik(visuelleErkennung)undMotorik(Gri- ObjektmoglichenGrieangekoppelt.AlsBeispieldafurzeigtBild6.4eineVeranschaulichungfureinenWurfel. AndieseObjektreprasentationwerdendieReprasentationenfurdieverschiedenen,furein DerObjekttypund-subtypbildendieBruckeuberdieSchnittstellezwischender Gribibliothekzusammenzufassen:InihrwerdenfurdieverschiedenenObjektederenObjektreprasentationenfursGreifenmitdenReprasentationendermitihnenverknupften Griezusammengefasst;siebildetdenErfahrungsschatzdesGreifsystems.DerAufbau einergribibliothekbirgtfolgendevorteile: UmGriereproduzierenzukonnen,mussensiegelerntwerden.Esistsinnvoll,sieineiner erzeugung)umfasst. 6.3AufbaueinerGribibliothek

180 168SchnelleReproduktion:EinmalerzeugteGriekonnenbeidernachstenAnwen- dungreproduziertwerden,undeswirdzeitgespartgegenuberdererstenerzeugung, weilnichtmehrdergesamtevorgangdestaktilenzugreifensdurchlaufenwerden muss,sondernmithilfedertastsensoriknurnochkleinefehlerkorrigiertwerden KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN VergleichendesLernen:BeimehrfacherWiederholungeinesGrieskanndessen mussen. Verallgemeinerung:AneinemObjektgefundeneGriekonnenaufahnlicheObjekteubertragenoderanihnenausprobiertwerden. Varianzstatistischerfasstundgelerntwerden.DieVarianzkanngenutztwerden zurbeurteilung,obzweigriealsgleichanzusehensind.auchdieabhangigkeit einesgriesodervongriparameternvonverschiedenenobjektparametern(z.b. dergroe)kannsogelerntwerden. Detaillierung:MiteinemeinfachenGreiferoderbeieingefrorenenFreiheitsgraden Planen:DankderUbersichtuberdieaneinemObjektmoglichenGriekannvor undwiederserviceroboterzubewegenist,umdasobjektzuerreichen. demzugreifenentschiedenundgeplantwerden,obundwieeinobjekt,dasggf.von anderenobjektenoderhindernissenumgebenist,gegrienwerdenkann,oderob istoderschonallgemeineoderaufdenvorgeseheneneinsatzfallabgestimmteobjekteund EinfabrikneuerServiceroboterkannmiteinerGribibliothekgestartetwerden,dieleer Grieenthalt.DasAusbauenderGribibliothekgeschiehtfolgendermaen: gefundenegriekonnenalsausgangspunktzurerzeugungkomplexerergriedie- WannimmerderServiceroboteraufeinneuesObjekttrit,dasgegrienwerdensolloderkann,wirdmitseinerObjektreprasentationeinneuerEintraginder Gribibliothekangelegt. nen,wenneinkomplexerergreifer(z.b.einmehrngergreiferstatteinembacken- greifer)gewahltoderfreiheitsgrade"aufgetaut\werden. WannimmereinneuerGrierzeugtwird(zurErzeugungneuerGriesieheunten WannimmeraneinembekanntenObjekteinbekannterGrierzeugtwird,wird WennaneinemvermeintlichbekanntenObjekteinbekannterGrireproduziertwerdensollte,abereinsignikantanderer,neuerGrierzeugtwird,mussentschieden indenabschnitten6.3.1und6.3.2),wirdseinereprasentationzudemjeweiligen ObjektinderGribibliothekabgespeichert. dasobenangerissenevergleichendelernendurchgefuhrt. UmeinenUberlaufdesSpeichersfurdieGribibliothekzuvermeiden,konnenlange nichtoderseltenbenutzteobjekteodergriegeloscht("vergessen\)werden. keitderabgespeichertenundderaktuellenobjekt-undgrireprasentationen. neuesobjekt.dieentscheidungmussabhangiggemachtwerdenvonderahnlich- werden,obessichtatsachlichnurumeinenneuengrihandeltodergarumein MitHilfederGribibliothekistfureinenServiceroboterdieMoglichkeitgeschaen,sein GreifverhaltenstandigseinerUmgebungundsichggf.anderndenAnforderungenanzupassen("lebenslangesLernen\).EbensokannderServiceroboterselbstandig,ohneauere

181 6.3.AUFBAUEINERGRIFFBIBLIOTHEK AnleitungoderUberwachung,ObjektekennenlernenundGrieentdecken(sieheuntenin Abschnitt zumLernenvonGriendurchExploration).SokanneinServiceroboter vorauslieferungandenkundenoderauchdurchdenkundenselbstinderentsprechendenumgebungfurseinenspezielleneinsatzfalltrainiertundspatersogarumtrainiert 169 werden. grationdieserbeidenineinergribibliothekisteinevoraussetzungfurdaslernenvon gungistabhangigvonderjeweiligenobjekterkennungundnichtthemadieserarbeit (vgl.abschnitt4.4.2abseite113). Grien,dasSpeichern,abgedeckt.Oenistnoch,wiedieseReprasentationenerzeugt DieObjektreprasentationwirdvomObjekterkennungssystemgeliefert;ihreErzeu- MitderBeschreibungderGrireprasentation,derObjektreprasentationundderInteformiertwerden;genausowirdmitGriachse,Gririchtung,Griweiteetc.verfahren. FindeneinesneuenGrisgibteseineReihevonWegen,dieindenfolgendenAbschnitten (undfurdaserweitertesystemauchausdemgreifvorgang)entnommenwerden:dasmotorischesystemmussfurdengrimittelpunktdiepositiondesgreifersliefernunddiesein RelationzumObjektausgedruckt,alsoindasobjektzentrierteKoordinatensystemtrans- GritiefeoderKontaktmusterergebensichdurchAuswertungderTastsensoren.Zum FurdieGrireprasentationkonnendieParameterausderEndstellungdesGris vorgestelltwerden. sentationaufbauenundeinenodermehreregrienden. gleichzeitigihregribibliothekaufbauen,d.h.zueinemneuenobjektdieobjektrepra- denspatereneinsatzabspeichern,alsodieobjekteinihreobjektgalerieaufnehmenund ihnenunbekannteobjektetreen.andiesenobjektenmussensiegriendenundfur 6.3.1LernenanunbekanntenObjekten VorallemamAnfangeinesEinsatzesineinemneuenUmfeldwerdenServiceroboterauf TaktilesFindenvonGrien dasseinmenschdasgreifeneinesobjektsvormachtunddergriimitiertwird. furdasobjektaufzubauenundweiteregriezunden.eineweiteremoglichkeitist, unterkontrollezubringen.dienachstenschrittesinddann,einevisuellereprasentation DiewesentlicheHerausforderungdabeiist,einenerstenGrizunden,umdasObjekt Abschnitt5.2(abSeite134)beschriebenetaktileZugreifen.Esisteinsetzbarohnejede vorherigegreiferfahrung,ohnejedevorkenntnisuberdasgreifobjektundeignetsich deshalbfurdasselbstandigeoperiereneinesserviceroboters. DiewichtigsteundgrundlegendsteMethodezumFindeneinesneuenGriesistdasin unddurchdieobjektlokalisierungdiepositionneubestimmenzulassen.dabeisollteauch dieansichtdesobjektsaufgenommenundeinereprasentationfurdieseobjektansicht erstelltwerden.diesealserstevoneinemobjektgeseheneansichtwirdalsdieansicht genommen,aufdiederorientierungswinkelbezogenwird,d.h.sieerhaltperdenition werdenkann,empehltessich,dengrizulosen,dengreifervomobjektwegzufahren PrinzipzurVerfugung.DadasObjektaberbeimZugreifenverschobenundverdreht IstderersteGrianeinemneuenObjektgefunden,stehtseineReprasentationim

182 170 denorientierungswinkelnull.dieschwierigkeithierbeiist,dasobjektvomhintergrund zutrennen(zusegmentieren),damitdieobjektreprasentationnurdasobjektundnicht auchteiledeshintergrundsenthalt.esgibtaberschonansatze,mitdenendaserreicht werdenkann{sieheunteninabschnitt (aufseite171).nachdemdasobjektmit KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN demerstengriunterkontrollegebrachtwordenist,konnenleichtdiereprasentation furdasgesamteobjekterstelltsowienochmehrgriefurdenaufbaudergribibliothek VerallgemeinernvonGrien denfolgendenabschnittenvorgestelltwerden. gefundenwerden(sieheuntenbeiderexploration). rollezu.esistjedochaucheinwesentlicherbestandteilderweiterenmethoden,diein MittelpunktdesObjektsgezieltwird.DemtaktilenZugreifenfallthierbeidieSchlussel- DasCharakteristikumdestaktilenFindenseinesGrisist,dassbeimZugreifenaufden EinengutenAusgangspunktzumFindeneinesneuenGriesbietetdasZuruckgreifen NachdemErzeugendesGriswirdweiterverfahrenwiebeimtaktilenFindenvonGrien aufeinengrieinesanderen,ahnlichenobjekts(oderggf.einesanderengreifers).von diesemgriwerdendiezugreifrichtung,diegriachse,dieoppositionsrichtungundder GrimittelpunktubernommenundderneueGridannmittelstaktilenZugreifenserzeugt. (sieheoben).derunterschiedbeidiesermethodeist,dassnichtwiebeimreintaktilen imrandbereicheinesobjektsgefundenwerden.voraussetzungzuranwendungdieser FindenaufdenMittelpunktdesObjektszugegrienwird,sonderndassvonbekannten ObjektenAnhaltspunktefurmoglicheGrieabgeleitetwerden.SokonnenauchGrie Methodeistallerdings,dassdieObjekterkennungeinAhnlichkeitsmazumVergleichvon Objektenliefernkann. denzuvormit"eingefrorenen\freiheitsgradengelerntengrienabgeleitetwerden. torikmiteinersensorikkomplementiertwird,diedieauswirkungenderaktorikaufdie Exploration WirdbeieinemServiceroboterdiesensomotorischeSchleifegeschlossen,indemdieAk- Beikomplexen,z.B.mehrngrigen,GreifernkonnenmitdieserMethodeGrieaus esdurchvariationseineraktionenautonomeinmodellseinerumgebungaufstellenund seinverhaltenoptimieren.eskanngezieltaktioneneinleitenunderfahrungensammeln,ohneaufinformationenvonauenangewiesenzusein.dasschemabasierteagieren unddastaktilezugreifensindansatzeindieserrichtung.aberdaskonzeptlasstsich nochweiterfuhren:eineinmalgegrienesobjektkannzumeinenimhinblickaufseine Umgebungverfolgenkann,erhaltdasGreifsystemeineLernmoglichkeitneuerQualitat: visuellereprasentationundzumandereninhinblickaufmoglichegrieexploriertwer- IndemdasSystemdieWirkungenseinerAktionenaufdieUmgebungbeobachtet,kann dasobjektunterdiekontrolledesserviceroboters.dasobjektkannnungezieltgedreht VisuelleExploration.MitdemerstenGri,deraneinemObjekterzeugtwird,kommt den.dieseimfolgenden"visuelleexploration\bzw."explorationvongrien\genann- tenverhaltensweisenerlaubeneseinemserviceroboter,sichautonomseineobjekt-und Gribibliothekaufzubauen,zuerweiternundzuverfeinern.

183 6.3.AUFBAUEINERGRIFFBIBLIOTHEK werden,umdievollstandigevisuelleobjektreprasentationzuerhalten.wennwieinder zustellen,eszuxierenunddannschrittweisezudrehen.beijedemschrittwirdder Demonstration(vgl.Abschnitt8.2abSeite194)dasObjektnuruberdenAzimutwinkelreprasentiertwerdensoll,genugtes,diesesaneinePositioninmittlererEntfernung 171 gestelltoderumgedrehtwerden.dieersteobjektansichtwirddabeiimmeralsdiejenige hinzugefugt.sollderkompletteraumwinkelaufgenommenwerden,dannkanndieser VorganginverschiedenenEntfernungenwiederholtunddasObjektggf.auchaufdieSeite genommen,aufdiediedrehwinkelderanderenstellungenbezogenwerden. GreifergeonetundkurzvomObjektweggefahren,dieObjektansichtaufgenommen,die visuellereprasentation(z.b.derobjektgraph)erzeugtundzuderobjektreprasentation verdecktwirdunddieobjektreprasentationdaherdortzunachstunvollstandigbleibtund gedrehtwerden.dieschwierigkeitdaranistaber,dassdasobjektvomgreiferzumteil spaterbeieinemanderengrierganztwerdenmuss. IneinerkomplexerenVersionkanndasObjektimGreifergehaltenunddabeibeliebig fenangesprochen,istdiehauptschwierigkeitbeidiesemverfahrenjedoch,dasobjekt vomhintergrundzutrennen(segmentierung),damitdieobjektreprasentationnurdas ObjektundnichtauchTeiledesHintergrundesenthalt.AberauchhierhilftdieExploration:EinsehrzuverlassigesVerfahrenzurSegmentierungist,dasObjektinverschiedenen UmgebungenodervorverschiedenenHintergrundenzuprasentieren[408,197].Diedazu sobalderaufeinneuesobjekttrit.wieschonobenbeimtaktilenfindenvongrif- fertiggestelltwerdenmuss,sondernsukzessivevomservicerobotererweitertwerdenkann, jektgalerieautonomerstellenkannunddasssienichtschonvorbeginnseineseinsatzes DasBestechendeandervisuellenExplorationist,dassderServiceroboterdieOb- auchdafursorgen,dassdasobjektimmermitdergleichenseitezurkamerazeigt.vergleichbardamitistdiemethode,diebewegungeinesobjektsdadurchauszunutzen,dass notigenortsverlagerungendesobjektskannderserviceroboterselbstdurchfuhrenund diebewegungsvektorenallerzumobjektgehorendenbildpunkteeinanderahnlichsind wegungzuerzeugen,unddasobjektdazuimallgemeinengegrienwird,entstehtdie Herausforderung,dasObjektvomGreiferzuunterscheiden,weilderGreiferdasgegriene undsichvomhintergrundstarkabheben(kriteriumdes"gemeinsamenschicksals\).da dasobjektinderregelunterderkontrolledesservicerobotersseinmuss,umdiebekeit,farbe(z.b.beidergestenerkennung[366,365,364])undanderenoberacheneigenschaften(z.b.glanzundtransparenz)[396].jedesmerkmalfursichgenommenfuhrt jedochimallgemeinennichtzueinerkorrektensegmentation.dasergebniskannaber durchkombinationvonmerkmalenzuverlassigergemachtwerden. werdenkonnen,sindtiefensprunge[384],sprungeoderkantenindertextur,inhellig- Orientierungenvorhergelerntwordensein,z.B.durchdieselbeMethode{einProblem, dasin[197]umgangenwurde,indemdasobjektaufeinentragermontiertundnurdieser hereinvonderauswertungausgeschlossenwurden.weiteremerkmale,dieausgewertet gegrienwurdesowiezusatzlichdiebildpartienmitdemtragerundgreifervonvorn Objektpartiellverdeckt.DazumussdieReprasentationdesGreifersfurallemoglichen nichtnurfurvisuellereprasentationen,sondernfurjedeartvonfernsensorik(vgl.abschnitt3.2.3aufseite47). NaturlicheignetsichdieArtderErstellungeinerObjektgaleriedurchExploration

184 FindenvonGrienistdasobenbesprochendetaktileFindenvonGrien.Damitwird abernuraufdenmittelpunktdesobjektszugegrien,sodassnureingrigefunden 172 ExplorationvonGrien.EineeinfacheFormderExplorationeinesObjektszum wird;auchwenndaszugreifenbeimgedrehtenobjektwiederholtwird,werden{jenach KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN mussesjedochsein,moglichstalleaneinemobjektmoglichengrie(oderzumindesteine Grozahldavon)zunden.DazumusseineausgefeiltereMethodeverwendetwerden. Objekt{nureinpaarGriedesmeistgleichenGritypsgefunden.ZielderExploration che("bruteforce\).aufdiegrisucheangewandtbedeutetdas,dassallemoglichen Grien.JedochwerdenmitdieserMethodequalitativneueGrieaneinemneuenObjekt wenn,dannnurzufalliggefunden.auerdemistdiesemethodenuraufobjekteanwendbar,dieschonbekanntenobjektenahnlichsind.sieistdamitnichtallgemeinfurneue EinebeisolchenSuchproblemenoftbenutzteMethodeistdiedervollstandigenSu- EinSchrittindieseRichtungistdieobenbeschriebeneVerallgemeinerungvon Objekteverwendbar. Grieausprobiertwerdenmussen.DazumussbeiderGriachsedergesamteRaumwinkelabgedecktwerden,furjedeGriachseeindasObjektabdeckendesRastervonGrimittelpunkten,furdieOppositionsrichtungderVollwinkelvon360Gradunddiesauch einesraumesvonetwa505050mm3undeinenbackengreiferbedeutetdiesfurdie GriachsebeieinerRasterungvonz.B.10furdenAzimut-unddenElevationswinkel indersumme3617+2=614stellungen.furdiegrimittelpunktesollteeinraster nochbeiverschiedenengriweitenundggf.fingerstellungen.fureinobjektinnerhalb Griweitesollten3Werte,20mm,40mmundvollgeonet,genugen.Insgesamtwaren damit =397872stellungenauszuprobieren.unterderannahme,dassein Greifvorgang{z.B.inderSimulation{nuretwaeineSekundedauert,wurdedasschon genugen.beideroppositionsrichtungsollteeinerasterungvon22;5beieineruberdeckungvon180(symmetriedesbackengreifers),also8stellungen,ausreichen.beider baldfunftagedauern.beiderfureinenheutigenserviceroboterrealistischengroenordnungvoneinerminutefureinengreifvorgangwurdeesfast280tageoderuberneun von202020mm2,alsoinsgesamt333=27punkte(allepunkteimobjekt), furdiegriachsezuinsgesamt =73872auszuprobierendenstellungen fuhren,dieindersimulationetwa21stundenundinderrealitatgut51tagebeanspruchenwurden,unddamitauchkeinedurchgreifendeverbesserungdarstellen.dieser Monatedauern,bisalleStellungendurchprobiertwaren.AucheinegrobereRasterung von22;5beimazimut-undelevationswinkelwurdemit167+2=114stellungen Ansatzistdemnachvolligimpraktikabel;eineandereLosungmussgefundenwerden,bei arbeitung(oderfernsensorischeverarbeitung)sowieandievisuelle(bzw.fernsensorische) ObjektreprasentationzusatzlicheForderungenzustellensind. facheformprimitivean.eskanndannversuchtwerden,mitgrien,diefurdieteilob- jektebekanntsind,dasobjektzugreifen.odereskanndastaktilefindenvongrien uberdasobjektgewonnenundausgewertetwerden.dasbedeutet,dassandiebildver- ZunachstbietetsichdieZerlegungeinesObjektesinbekannteObjekteoderinein- UmeineEinschrankungdesSuchraumeszuerreichen,mussenmehrInformationen derdersuchraumdeutlicheingeschranktist. aufdieteilobjekteangewandtwerden,indemaufderenmittelpunkteausverschiedenen

185 6.3.AUFBAUEINERGRIFFBIBLIOTHEK 173 Richtungenzugegrienwird.VoraussetzunghierfuristeineBildverarbeitung,dieeine Formzerlegungleistenkann(vgl.Abschnitt4.2.1abSeite103).Diesestehtheutenoch nichtinderbenotigtenqualitatzurverfugung. EineweitereMoglichkeitist,StrukturmerkmaleimObjektzusuchenundandiesen einengrizundenversuchen.sochemerkmale,dieauferhabenestrukturenamobjekthinweisenkonnen,sindscharfekontrast-,farb-odertexturkanten.voraussichtlich ambesteneignetsichjedocheinetiefenkarte,weilmitihrhervorspringendestrukturen amzuverlassigstenidentiziertwerdenkonnen.dieauflosungundqualitatderheute verfugbarenverfahrenhierzumussjedochnochverbessertwerden,umfursgreifengeeignetzusein[384,362,418]. NocheingangbarerWegist,ahnlichwieindeninAbschnittC.2(abSeite244)beschriebenenundinBildC.6(aufSeite247)dargestelltenGreifexperimentenvomUmriss einesobjektsauszugehen.dieergebnissedieserexperimentedeutendaraufhin,dass esbeimenschenundprimatenfiltergebenkonnte,dieaufoppositioneninbestimmten OrientierungenundGroenansprechen.Nimmtmanan,dassdurchdieSegmentierung diepixeldesobjektseinheitlicheinenwerterhaltenunddieumgebungeinenanderen,z.b."wei\und"schwarz\,danneignetsichfolgendesfilter,umoppositionenals AnsatzstellenfursGreifenzunden: f(x;y)=1 p2e y2 228><>:cosx furjxj2 sin2x fur2<jxj 0 sonst (6.1) DiesesFilterbestehtinx-RichtungauseinerCosinus-HalbwelleinderMitteundausje einerhalbsobreiten(negativen)sinus-halbwellelinksundrechtsdavon;querdazuin y-richtungfalltesvondermittenachauenwieeinegau-glockeab.durchdiewellenlangeunddiegroekannesaufverschiedenegriweitenbzw.breitenabgestimmt werden.inbekannterweise(siehe[155])kannesanverschiedenepositionenimbildverschobenundinverschiedeneorientierungengedrehtwerden.dasintegraluberdieses Filteristnull,sodassesbeiFaltungmiteinerhomogenenFlachekeineAntwortbringt. AmstarkstenantwortetesbeieinemRechteckderWeite,dasquerzuseinerx-Richtung liegt.amstarkstennegativantwortetesbeieineminversenrechteckderweiteund zeigtdamitan,dasseinlochvorliegt,dassvoninnengegrienwerdenkann. UmdasFilteranzuwenden,mussdievomObjektbedeckteFlachemiteinemGitter vonfilternverschiedenerorientierungenundweitenbelegtwerden.diegitterweite,die StaelungderWeitenundderOrientierungensowiedieBreitederFiltermussenaufeinandersoabgestimmtsein,dasssichdieAntwortbereichederFilterleichtuberlappen. AngewandtaufdiesegmentierteAnsichteinesObjektbendensichdortlokaleBetragsmaxima,woeinZugreifeninderOrientierungundWeitedesentsprechendenFiltersmoglich seinkonnte.beidiesermethodewirdahnlichwiebeidervollstandigensucheeinegroe AnzahlvonFilternbenotigt,jedochlassensichdieFilterantwortenschnellundggf.auch parallelberechnen.daszeitaufwendigezugreifenmussdannnurnochandenstellender lokalenbetragsmaximaausprobiertwerden.dasganzeobjektkannabgedecktwerden, indemesvonansichtzuansichtwiebeidervisuellenexplorationgedrehtwird(siehe oben).gegenuberdervollstandigensucheistdersuchraumbeidiesermethodeerheblich eingeschrankt,indemdaszugreifennuranaussichtsreichenobjektpartienversuchtwird,

186 174 andenenmithilfedertaktilenruckkopplungvielleichteingrigefundenwerdenkann. VorstellbaristaucheineKombinationvonzweiodermehrFilternzuOppositionsmustern, diegrienmitdreiodermehrfingernentsprechen. UmdenUmrisszuerhalten,mussdasObjektsegmentiertwerden.Dadiesheutenur KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN ineinfachkonstruiertenfallenmoglichist(z.b.diesegmentierungdurchfalschfarben tionabernichtsogutfunktioniert,dassdamitderumrisszuverlassiggewonnenwerden kann(vgl.abschnitt aufseite171),wurdedieserweguberdieuntersuchungder Tauglichkeitdero.g.FilteransimuliertenUmrissbildernhinausnichtweiterverfolgt. beimsimuliertentaktilenzugreifeninabschnitt abseite150),inrealensitua- Zuerganzenbleibt,dassdieseUntersuchungenauchgezeigthaben,dassdieinvielenBereichenderBildverarbeitungbewahrtenGabor-WaveletsindiesemAnwendungsfallkeine befriedigendenergebnisseliefern,weilsieimraumbereichnichtfokalgenugsind. gesuchtwerdenkannmitfiltern,dieeineverallgemeinerungaufdreidimensionender sowiedieintegrationzueinerobjektreprasentation.derersteschrittkonntedaserstellen einervolumetrischenreprasentationsein("voxel\stattpixel),indernachoppositionen FormundOberachezuexplorieren.DieMoglichkeitendermenschlichenHandsind dengrenzendersensorik.weiterehurdensinddieinterpretationdergewonnenendaten aufgezeigt[208,189,188],jedochscheitertdieumsetzungindietechnikheutenochan EinheutenochkaummoglicherAnsatzistderdesBetastenseinesObjekts,umseine imverlaufderexplorationgefunden. GriendirektaufeinunbekanntesObjektangewandtwerden;derersteGriwirddann umeszumanipulieren,konnendiehiervorgestelltenmethodenzurexplorationvon obenaufdenumrissvonobjektenangewandtenfilterdarstellen. sondernaufkleinerepartienimobjektzugegrienwird,mussderalgorithmusfurdas taktilezugreifen(vgl.abschnitt5.2abseite134)modiziertwerden:dieberuhrung BeidenMethoden,beidenennichtdasganzeObjektzwischendieGreifbackengerat, AndersalsbeidervisuellenExploration,dieeinenerstenGriamObjekterfordert, dengreifbackenverlasst. Greifbackenspitzevermiedenwird,aberdieObjektpartienochnichtdenRaumzwischen werden,umzuerproben,obdieobjektpartiegegrienwerdenkann.dazudarfdergreifernursehrwenigzuruckgesetztwerden,namlichgeradesoweit,dassdiekollisionandeansetzenfuhren(vermeidungsreaktion),sondernesmusszuerstdergreifergeschlossen andergreifbackenspitzedarfdannnichtmehrzueinemlangenzuruckfahrenundneu- Robotikwirdsie,als"ProgrammierendurchVormachen\(robotprogrammingbydemonstration,RPD)bezeichnet,furzukunftigeRobotikanwendungenalswichtigesProgrammierparadigmaangesehenunderforscht[80,318]:"DieIntegrationvonmenschlichen VorfuhrungenvonHandhabungenindasSystem-undAnwendungswisseneinesRobotersisteinzentralesAnliegenvonRPD.DerAufbauvonProgrammiersystemenaufder BasisvonRPDistsehraufwendig.SounterscheidetmanmehrerekooperierendeSy- NichtnurfurMenschenistdieImitationeinewichtigeQuelledesLernens,auchinder ImitationvonGrien stemkomponenten,dieausgehendvondenausdervorfuhrunggewonnenendatendiese

187 6.3.AUFBAUEINERGRIFFBIBLIOTHEK zunachstanalysieren,interpretierenunddanacheinemlernvorgangunterwerfen,ausdem wiederumeinanwendungsprogrammsynthetisiertwird.\(zitiertaus[80],seite396). heuteverfugbarenvisuellensystemenkanneinobjektidentiziertsowieseinepositionundorientierungbestimmtwerden([180],sieheauchkapitel8abseite189,ggf. FurdieImitationvonGrienistdieLosungdiesesProblemsgreifbar:Mitden 175 schrankungaufeinfachezweingergriewareesdamitmoglich,diezugreifrichtungsowie diepositionundorientierungdermenschlichenhandrelativzueinemobjektzubestimmenundbeieinemvorgefuhrtengridarausdieparameterfurdiegrireprasentationfur einenbackengreiferzuermitteln(vgl.abschnitt6.1.2abseite158).zumbeispielkonnte ([364,366,365,87,247],sieheauchAbschnitt8.2abSeite194).ZumindestbeiBe- auch[137])bzw.diepositionderhandundihregesteoderpositurbestimmtwerden einezueinemzweingergriwief1oderf3(gezeigtinbild3.15,seite61)geonete HandinverschiedenenPositionenundOrientierungenrelativzurKameraals"Gesten\ aufgenommenundihrezugreiftrajektorieundihrestellungrelativzumobjektkurzvor demzugreifendannvomvorhandenenhandverfolgungs-undgestenerkennungssystem einfachemehrngrigegriemoglichscheint(ggf.mussdiehandfurdieposituranalyse ermitteltwerden.dervorgefuhrtegrikonntedannvoneinemservicerobotermitparallelbackengreiferimitiertwerden,indemauseinerzugreifpositionetwaeinegreiferlangsuellerkanntundimitiertwerden[87,247],sodassebenbeschriebeneransatzauchfur aufgenommenwerden,kurzbevorsiedasobjektberuhrtundvondiesempartiellverdeckt wird).zurnachahmungdesgrisgenugendannwiederdiezugreifrichtungderhand vomobjektentferntmittelstaktilemzugreifen(sieheabschnitt5.2abseite134)aufdas Objektzugegrienwird. sowieihrepositionundorientierungrelativzumobjekt. NichtallzukomplexePositurendermenschlichenHandkonnenauchheuteschonvi- moglichwird,liegtwiederanderverwendungdestaktilenzugreifens.dankdestaktilenzugreifensisteinansatzmoglich,beidemzurreproduktioneingrinichtbis inalledetails,d.h.diekontaktpunkteaufdemobjektundaufdemgreifersowiedie GelenkstellungenderFingerusw.,bekanntseinmuss.Stattdessengenugteinerelativ grobeerfassung,wiesieauchindergrireprasentationdesgreifsystemsrealisiertist (vgl.abschnitt6.1abseite155).diedetailsergebensichdurchdastaktilezugreifen DassdieImitationvonGrienmitdemindieserArbeitvorgestelltenGreifsystem wahrenddesgreifvorgangs,undkleineabweichungenwerdenausgeglichen.durchdie grobereprasentationtauchenauchkeineschwierigkeitenbeiderubertragungeinesmit einermenschlichenhanderzeugtengrisaufeinenparallelbackengreiferauf,obwohlsie kinematischsehrunterschiedlichsind. anderenendeergeschlossenwird.einekorrekturmittelstastsinnerfolgtnicht,wodurch tionsgreifenrealisiertworden[369].ineinemvorwartsprozesswird,wieinabschnitt8.2.3 (abseite201)beschrieben,diehanddesjenigen,dereinengrivorfuhrt,biszuihrem StillstandineinerZugreifstellungverfolgt.DannwerdengezieltdiezugreifendenFingerspitzendetektiertundbeimnunfolgendenZugreifenbiszumZugriverfolgt.Darauswird einetrajektorieabgeleitet,diedergreiferineinemungeregeltenprozessnachfahrtund NachAbschlussmeinerArbeitenistvonmeinenKollegeneinersterAnsatzzumImita- durchausfehlgrievorkommen.mitdenebenfallsaminstitutentwickeltentastsensoren [326,325]sollteesmoglichsein,dieseLuckezuschlieenund{wieobenbeschrieben{

188 machtegreifvorgangeinklusivemanipulations-undhaltegrienmiteinerdreingrigen Roboterhandimitierenkann.AllerdingssetzensiedieKenntnisderObjektealspolyedrische3-D-Modellevoraus.DiePositionenderObjekteineinerSzenewerdendurchein 176 aufdieverfolgungderfingerspitzenverzichtenzukonnen. KangundIkeuchi[177,175]beschreibeneinSystem,dasvoneinemMenschenvorge- KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN Ruckkopplungausgefuhrt. desroboterhandmodellskomplettgeplantundanschlieendohnevisuelleodertaktile menschlichenhandwirdmiteinemdatenhandschuhgemessen.dergreifvorgangmitder RoboterhandwirddannineinerSimulationunterVerwendungderObjektmodelleund LichtschnittverfahrenmitVierfachkamerasystembestimmt.DiePositionundPositurder Daten,kanndieseineinevolumetrischeReprasentationinFormvonVoxelnumgewandeltunddannzumFindenvonGrieninderSimulationdasaufdreiDimensionen verallgemeinerteoppositionslterausgleichung6.1(aufseite173)verwendetwerden.auchkonnenmehrereoppositionslterzuoppositionsmusternzusammengesetzt werden,wiesiefurmehrngrigegrietypischsind.alternativkonnenbeicad-daten dieinderliteraturbeschriebenenalgorithmischenverfahrenbenutztwerden(vgl.kapi SonstigeQuellenfurGrie WenneinedreidimensionaleBeschreibungeinesObjektsvorliegt,z.B.inFormvonCADtorienbenutzteMethodeistdas"Teach-in\.DabeiwirdderRobotergreiferentweder vorherrschend. tel2abseite9). direktmitderhandoderferngesteuertgefuhrt.aufdasgreifenangewandtbedeutetdas, dassdergreiferbisindiegripositiongefuhrtwird{odernurindiezugreifpositionund benundprogrammiertwerden.diesemethodeistbeiheutigenindustrierobotern EinebeiheutigenIndustrieroboternvorallemfurdieProgrammierungvonTrajek- BeivorhersehbarenObjektenkonnendieGrieauchklassischkonstruiert,vorgege- dannmittelstaktilenzugreifensdengriselbstandigsucht. geneinesanwendersndetundlernt.dieseanweisungenkonnendurchbestimmtevorde- niertegesten{ahnlichwieinderbeschriebenenimplementierung(vgl.abschnitt8.2ab Seite194){oderauchverbalgegebenwerden.Ineinerersten,einfachenStufekonntensich dieanweisungendaraufbeschranken,dasobjektauszuwahlenunddiezugreifrichtung sowiedieoppositionsrichtungdesgreifersanzugeben.mithilfedestaktilenzugreifens kannschonalleinaufgrunddieserinformationeneingriamobjektgefundenwerden. EineweitereMoglichkeitist,dassderServiceroboterneueGrienachdenAnweisun LernenanbekanntenObjekten Einsatzumfeldoperiert,ist,dasseraufeinihmschonbekanntesGreifobjekttrit. geeigneterscheinendengriausihrauswahlenwird,umihnzureproduzieren.ungenauigkeitenbeiderschatztungderobjektpositionund-orientierungwerdendurchdas taktilezugreifenkorrigiert;beimgrikannesdadurchauchzuabweichungenkommen. DerhaugsteFallfureinenautonomenServiceroboter,derschoneineWeileinseinem IstseineGribibliothekschongenugendausgebaut,wirdersovorgehen,dassereinen

189 undobjekterkennungeinegeringereprazision,wodurchschnellere,miteinergeringen 6.3.AUFBAUEINERGRIFFBIBLIOTHEK AuflosungarbeitendeAlgorithmenverwendetwerdenkonnen.GleichzeitigkonnenVerfahreneingesetztwerden,dieanfangskeinegenauenErgebnisseliefern,aberausden DankderKorrekturmoglichkeitenbeimZugreifengenugtbeiderObjektlokalisierung 177 messbarenabweichungenlernenundsichautomatischadaptierenkonnen.aufdiese AbweichungenimSystem,diez.B.durchVerschleioderBeschadigungen{imlebenden OrganismusauchdurchWachstum{eintreten,korrigiertwerdenkonnen. WeisekannauchstandigeineautomatischeKalibrationimHintergrundmitlaufen,sodass heit,dertasteindruckisteinweiteresmerkmalzurerkennungundklassizierungvon Objekten.ErkanngezieltzurUberprufungderfernsensorischenKlassikationoderzur Grimitdembeabsichtigtenubereinstimmt.BeiUnterschiedenkannessich,jenachGrad GriamgleichenObjektodersogarumeinenGrianeinemanderenObjekt.Das desunterschieds,umeineetwasverschobenevariantedesbeabsichtigtengrishandeln, wasdurcheineeinfachekorrekturzuuberprufenware,oderumeinenqualitativanderen AufgrunddesTasteindruckskannnachdemZugriverglichenwerden,obdererzeugte eindeutigenklassikationbeiunsichererfernsensorischerklassikationeingesetztwerden StatistischeAnpassungvonGrien dembeabsichtigtengrieingeordnetworden,kanndievariationdesgriesgelerntwerden.dazuwirddieaktuellegreiferstellunginrelationzuraktuellenobjektposition IsteinerzeugterGriaufgrunddesTasteindrucksalsqualitativubereinstimmendmit sein,diepositiondesgreiferslangsundquerzudengreifbackengenauzubestimmen. Dieskanngeschehen,indemderGreiferamObjektindiesenbeidenRichtungenentlang vomobjektwegbewegtwird,weildasobjektbeimzugreifenverschobenundverdreht wordenseinkonnte.umdievariationrichtigeinzufangen,wirdesinderregelnotig -orientierungnocheinmalbestimmtwerden,indemdergrigelostunddergreiferkurz gesetztund,statistischeslernenanwendend,inderentsprechendengrireprasentation gefahrenwird,bisentwederanderunterlageangestoenoderinsleeregegrienwird. abgespeichert.umeinehoheregenauigkeitzuerreichen,kanndieobjektpositionund ErzeugenneuerGrie AufdieseWeiselasstsichauchdiesystematischeAbweichungzwischendergeschatzten IstaufgrunddesTasteindruckseinerzeugterGrialsnichtubereinstimmendmitdem dergriweiteundderobjektgroe,gelerntwerden. undderwirklichenobjektpositionbestimmenundlernen. beabsichtigtengribefundenworden,hatdiereproduktiondesgriesoensichtlich EbensokanndieAbhangigkeitzwischenGriparameternundObjektparametern,wie nichtgeklappt.dergrundkonnteineinemfehlerbeiderschatzungderstellungdes Objektpositionnocheinmaldurchzufuhren. ObjektsoderBestimmungdesObjekttypsliegen.Sinnvollistdann,denGrizulosenund dengreifervomobjektwegzufahrenunddieobjekterkennungsowiediebestimmungder sichumdaserkannteobjekthandelt(anderemoglichkeitenkanndassystemnichtselbst uberprufen).damitistauszuschlieen,dassdererzeugtegrinichtzufalligmiteinem WenndannwiederdergleicheObjekttyperkanntwurde,istanzunehmen,dasses

190 beabsichtigten,istanzunehmen,dassessichumeinenfehlerindergribibliothekhandelt (sieheoben)durchzufuhren.uberlapptsichdererzeugtegrimitdemursprunglich Griabzuspeichern,andernfallsistmitdembekanntenGrieinestatistischeAdaption 178 furdasobjektschonbekanntenubereinstimmt.dererzeugtegriistdannalsneuer KAPITEL6.LERNENVONGRIFFEN unddieserzuuberschreibenist. erkanntwurde,istdieerkennungalsunsichereinzustufen.dannistesratsam,denerzeugtengrinichtweiterauszuwerten,weildasrisiko,einenfehlerindiegribibliothek zuubernehmen,zugroist. WennjedochbeiderzweitenObjekterkennungdasObjektnichtwiederalsdasgleiche

191 Kapitel7 fernavigationzu:siemusssicherstellen,dassdergreiferdasobjektingeplanterweise Greifernavigation EinewichtigeAufgabebeiderDurchfuhrungundPlanungeinesGrieskommtderGrei- erreichtundhindernisseumfahrenwerden.zurgreifernavigationgehortdabeidietrajektorievonderausgangsstellungdesgreifersbiszurzielstellung,demgri. BodenbiszumGreiferbzw.{wiesichzeigenwird{vonderFernsensorikbiszumGreifer (GrundlegendeszurKinematikndetsichinAbschnitt3.2.2abSeite39). muss,wieschonzuvorfestgestellt,diezweikonkurrierendenanforderungennach SchnelligkeitundPrazisionerfullen.ZweigrundlegendeStrategienstehennachAbschnitt3.3.2(Seite55)zurVerfugung,umdieszuerreichen:RegelungundSteuerung BeimstationarenRoboterumfasstdieGreifernavigationdiekinematischeKettevom (feedbackcontrolbzw.feedforwardcontrol).wegendertotzeitendurchbildverarbeitung undsignalweiterleitungistdieregelunguberdiefernsensoriksowohlbeirechnersystemenwieauchneuronalennetzwerkenlangsam1undhateinegrenzfrequenzvonwenigen DasmotorischeSystemeinesServiceroboterswieaucheinesbiologischenOrganismus sionerreichen.diesteuerungdagegenkannsehrschnellsein,weilsieeineabbildung Hertz,kannaberwegenihresiterativenCharaktersimPrinzipeinebeliebighohePrazi- vomsensorischenindenmotorischenraumdarstelltundimprinzipmiteinerschnellen RaumunddennFreiheitsgradendernGelenkederkinematischenKette;nliegtdabei Look-up-Tabelleimplementiertwerdenkann.UmjedocheinehohePrazisionzuerreichen,musseinesehrhoheZahlvonAbtastpunktenverwendetwerden,insbesonderewenn zwischensechsbeieinemtypischenroboterarm[109,70]undetwa16beimmenschenfur herprohibitivhoch:diekinematischekontrolleeinergegliedertenkinematischenkette verlangtnacheinerabbildungzwischendensechsfreiheitsgradendesendeektorsim diekinematischekettevomkopfbiszurfingerspitze{wenndafurnur10abtastpunkte dieanzunaherndeabbildungstarknichtlinearist.weilderlern-undspeicheraufwand profreiheitsgradgenommenwurden,wareninsgesamt1016wertenotig{etwa100-mal exponentiellmitderdimensionwachst,wirderfurhochdimensionaleabbildungenda- [siehekapitel3abseite25]. werden(einansatzfureinefaktorisiertelosungwirdamendedieseskapitels,seite187, mehr,alsessynapsenimgehirngibt[174].indiesergeschlossenenformisteinesteuerunginderpraxisoensichtlichunmoglich,zumindestkannkeinehoheprazisionerreicht 1BeimMenschenliegendiekurzestenimmotorischenSystembeobachtetenZeitenbeietwa120ms 179

192 180 diskutiert). tet,dassdiegunstigstestrategiefurdiemotorischekontrolledarinbesteht,diesteuerung (schnell,aberungenau)mitderregelung(prazise,aberlangsam)zukombinieren,indem AusdiesenBetrachtungenergibtsich,wieinAbschnitt3.3.2(aufSeite55)angedeu- KAPITEL7.GREIFERNAVIGATION gelung{beigenugendzeit{einehoheprazisionerreichtwerdenkann.tatsachlichwurde inderanfangsphaseeinerbewegunggesteuertundinderendphasegeregeltwird.der VorteildieserKombinationist,dassdankderSteuerungschnellreagiertunddankderRe- diesekombinationinbiologischenorganismennachgewiesen:dortistdiesteuerungmit visueller,propriozeptiverundtaktilerregelungkombiniert[310,347,162]. 7.1AufbaueinerGreifernavigation InderFachliteraturndensichverschiedeneAnsatzemitneuromorphenStrukturenfur Steuerungs-undRegelungssystemezurmotorischenKontrolle(z.B.[302,202,46],vgl. VorwartskinematikistdieseparierbareFormulierunginderRobotikwohlbekannt:der Abschnitt2.2abSeite12).AberdasieinderRegelvonAbbildungenoderKartenausgehen,diedengesamtenZustandsraumabtasten,scheiternsieandemobenbeschriebenetelteTransformationalseinehomogeneMatrixbeschriebenwird,dienurvondemeinen ProblemderSkalierbarkeit,wennsieaufhochdimensionaleFalleangewandtwerdensollen.EineAbhilfeware,eineseparierbareFormulierungdesProblemszunden,z.B.es Gelenkwinkelabhangt.DieLosungfureineganzekinematischeKetteergibtsichalsProduktderMatrizenfurdieeinzelnenGelenke[109,70].DieVerkettungdieserMatrizen zufaktorisieren,d.h.esineinproduktvonniedrigerdimensionalenproblemenzuzerlegen.furdieinversekinematikistkeineseparierbarelosunginsicht.aberfurdie FormalismusderhomogenenTransformationen,beidemdievoneinemGelenkvermit- einenaherungimarbeitspunktverwendetwerden,z.b.diejacobi-matrix,dieausder durchregelungbenutztwerden:daregelungeineniterativenvorgangimpliziert,kann denbeeinusst,diedervorausgehendenjedochnicht.dereektist,dassderlern-und SpeicheraufwandindieserStrukturnurlinearmitderDimensionzunimmtundnichtwie zuvorexponentiell. bildeteinenaturlichehierarchie,daeinematrixdietransformationendernachfolgen- LosungderVorwartskinematikz.B.durchdieMethodedesVektorkreuzproduktsabgeleitetwerdenkann[109,AnhangB].UmdieDierenzialebeiderBildungderJacobi-Matrix (virtuell)etwaszubewegenunddieauswirkungenaufdenendeektoraufzuzeichnen. zuumgehen,kannsiemitdierenzenapproximiertwerden;diesbedeutet,jedesgelenk IstdieVorwartskinematikbekannt,kannsiefurdieLosungderinversenKinematik mit'=('1:::'n)talsvektordergelenkwinkel,nalsanzahlderfreiheitsgrade Jacobi-MatrixwohlnichtinneuronalplausiblerWeiseimplementiertwerdenkann,kann stattdessendiegradientenabstiegsmethodeoderdiemethodemitdertransponiertender Zusatzlichverhindertdies,inSingularitatenhangenzubleiben.DadieInvertierungder derkinematischenkette,x=(xyz KoordinatendesEndeektors[personlicheKommunikationmitStefanSchaal]. Jacobi-Matrixeingesetztwerden:'JT(')x )TalsVektorderverallgemeinerten (7.1)

193 dieprazisionvollstandigunabhangigvomsteuerungssystem.dieserlaubt,einregelungssystemmithoherprazisionnebeneinemsteuerungssystemmitgeringerprazision (geringerauflosung)aufzubauen.dadurchwirdermoglicht,jedessystemoptimalfur DieserAnsatzmitderVorwartskinematikmachtdasRegelungssysteminBezugauf LERNENDERVORWARTSKINEMATIK psychophysischedatennahegelegtwird([347],vgl.auchabschnitt3.3abseite51). rungssystemnurmiteinersehrgrobennaherungimplementiertwerden,wieauchdurch seinenzweckauszulegenundgetrenntzuadaptieren.zumbeispielkanndassteue- VerallgemeinerungaufandereGelenkenurinproximo-distalerRichtung(zumEndeektorhin),z.B.wurdendurchKopfbewegungenebensoSchulter,EllbogenundHandgelenk adaptiert,abernichtumgekehrt.diesistvolligkonsistentmitdemobenprasentierten setztenundsichderoptischenverschiebungdurchbewegungenvonnureinemgelenk AuspsychophysischenExperimentengibtesauerdemHinweiseaufeinehierarchische OrganisationdesmotorischenSystems[281]:Versuchspersonen,diePrismenglaserauf- {entwederhandgelenk,ellbogen,schulteroderkopf{anpassendurften,zeigteneinen Ansatz,insbesonderemitderFaktorisierung. folgen.eineinfacheransatzist,jedesgelenkzubetrachtenunddietransformationdes 7.2LernenderVorwartskinematik dieschulter.deshalbwirdeinansatzbenotigt,beidemnurderendeektorbetrachtet 7.2.1Prinzip DadieVorwartskinematikseparierbarist,kanndasLernenfurjedesGelenkeinzelner- zugehorigensegments(linktransform)direktzubestimmen;eineimplementationdessen mitneuronalennetzwerkenwurdegezeigtin[229].diesfunktioniertjedochnichtfurgelenke,dieauerhalbdesgesichtsfeldesliegen,wiez.b.derhals,beiroboternggf.auch werdenmuss. KettezustartenundsequenziellGelenkfurGelenkzulernen[253].WennnureinGelenk bewegtwird,bewegtsichderendeektoraufeinerkreisbahn(degeneriertekongurationenderkinematischenketteausgenommen{deruntenvorgestelltealgorithmuskommt bewegtengelenkgehorendensegmentsleichtabgeleitetwerden[109,253]. aberauchmitdiesenzurecht).ausderkreisbahnkanndietransformationdeszum EineLosungsmoglichkeitist,mitdemersten(proximalen)Gelenkderkinematischen chologie:kleinkinderdurchlaufeninihremerstenlebensjahreinephasemitrhythmischen stereotypenbewegungen,dieeinubergangsverhaltenzuseinscheinenzwischenunkoordinierteraktivitatundkomplexer,koordinierterwillentlichermotorischerkontrolle[363]. estrivial,dietransformationvomendeektorzumletztengelenkzubestimmen.wischendebewegungenuberdenganzenwinkelbereicheseinesgelenkeslieferndiebestetengelenk,erhaltmandietransformationenzwischenallengelenken.abschlieendist WirdmitdemerstenGelenkgestartetunddasVerfahrenfortgesetztbiszumletz- Lernergebnisse.DieseBewegungenerinnernanBeobachtungenausderEntwicklungspsy- ZumBeispielhabenBeinbewegungenihregroteHaugkeitkurzvorBeginnderFortbewegung,dasWippenaufdenHandenundKnientrittkurzvordemKrabbelnauf,und rhythmischehand-undarmbewegungenerscheinenkurzvorderausbildungkomplexer manuellerfertigkeiten.

194 Grundidee Angenommen,esliegteinekinematischeKettemitnureinemGelenkvor.Dannwerden dreitransformationenbenotigt,umsiezubeschreiben:jtevomendeektorzumgelenk (joint),rz(')furdiegelenkrotation(hierumdiez-achseumdenwinkel')undwtj KAPITEL7.GREIFERNAVIGATION vomgelenkzudenweltkoordinaten.dasmodellderkinematischenketteist NacherfolgterAnpassungwerdenJTEundWTJkonstantbleiben,undAnderungendes Gelenkwinkels'werdenvollvonRz(')erfasstwerden.SolangedieAnpassungnochnicht beendetist,wirdnachjederanderungvon'dietatsachlichestellungdesendeektors verschiedenseinvonderdurchdasmodellvorhergesagten.diesedierenzkannbenutzt werden,umjteundwtjanzupassen. WTE=WTJRz(')JTE (7.2) i 1Ai(#i;i;ai;di)alsdieDenavit-Hartenberg-MatrixdesSegmentsi,dieabhangigist wendet(manbeachtediedavonverschiedenenotationin[70]).diefolgendensymboletre- tenauf:dieendeektor-transformationwtealstransformationvomendeektor-raum EzudenWeltkoordinatenW;dieSegment-Transformation(linktransform)i 1Ai= vondendenavit-hartenberg-parametern#i,i,ai,di;dierotationsmatrixrz(')fur Kapitel2]einschlielichderBeschreibungderDenavit-Hartenberg-Reprasentationver- ImFolgendenwirdderFormalismusderhomogenenTransformationsmatrizenaus[109, desgelenksiabhangigesegment-transformationi 1Ai('i)=i 1Ai('i;#i;i;ai;di)= einerotationumdiez-achseumdenwinkel';diezusatzlichvomgelenkwinkel'i Rz('i)i 1Ai(#i;i;ai;di)=i 1Ai('i+#i;i;ai;di). mitdertransformationi 1TEfurdenOsetvomEndeder(starren)Restkettezum verwendetwerden: WenndiekinematischeKettenurimGelenkibewegtwird,sollfolgendeFormulierung Gelenki.DieunterklammertenBezeichnungenzeigendieAnalogiezurkinematischen WTE=i 1 KettemitnureinemGelenkauf. 1A0('0)istdieTransformationvondenBasis- {z} Yj=0j 1Aj('j) WTJRz('i)i 1TE {z} JTE (7.3) KoordinatenderkinematischenKetteindieWeltkoordinaten.Dadiez-AchsedesBasis- KoordinatensystemsinderRotationsachsevonGelenk1liegenmuss,wirdsiegebraucht, umeinebeliebigelagederkinematischenketterelativzudenweltkoordinatenzuzulassen;ohnebeschrankungderallgemeinheitkann'00gesetztwerden Anpassungsprozedur EsseindieAnzahlderGelenkederkinematischenKette.DannsolldieProzedurzur Anpassungwiefolgtablaufen: 2.Gelenkschleife.FuhrefurjedesGelenki=1;:::;n,dieSchritte3bis8aus. 1.InitialisieredieEndeektor-Transformation.BestimmeWTE.

195 7.2.LERNENDERVORWARTSKINEMATIK 3.InitialisieredieSegment-Transformation.i 2Ai 1sollnunadaptiertwerden.Initialisierei 2Ai 1mitzufalligenParametern#i 1,i 1,ai 1,di 1chung(7.3)(wieder)erfulltist AdaptieredieOset-Transformation.Adaptierei 1TE(ggf.erneut),sodassGlei- 5.BewegedasGelenki.VerandereGelenkwinkel'i. 6.BestimmedieEndeektor-Transformation.(SieheSchritt1.) 7.AdaptieredieSegment-Transformation.Adaptierei 2Ai 1durchAdaptierenihrer ZurImplementierungwurdedieReprasentationderSegment-Transformationennach 9.BestimmedieTransformationdesletztenSegments.Setzen 1An=n 1TE. 8.WiederholedieAdaptionderSegment-Transformation,bissiekonvergiertist.WiederholeSchritte4bis7,bisi 2Ai 1genugendkonvergiertist. Parameter#i 1,i 1,ai 1,di 1. Denavit-Hartenbergverwendet[109],d.h.i 1Ai=i 1Ai(#i;i;ai;di)undi 1Ai('i)= i 1Ai('i;#i;i;ai;di)=i 1Ai('i+#i;i;ai;di)mitdenDenavit-Hartenberg-Parametern #i,i,ai,di. ZuSchritt4:Umi 1TEzuadaptieren,wirdGleichung(7.3)umgestellt: nenschrittenderanpassungsprozedur: ZuSchritt1:DasEndeektor-KoordinatensystemEkannbestimmtwerden,indemdrei Umsienachvollziehenzukonnen,folgenErlauterungenundweitereDetailszueinzel- PunkteaufdemEndeektoridentiziertwerdenundausihneneinrechtshandiges Koordinatensystemaufgebautwird. ZuSchritt5:Verandere'izufallig,sodasssicheinewischendeBewegungergibt. ZuSchritt7:Nachdem'igeandertwurde,wirdGleichung(7.3)nichterfulltsein,bis dieadaptionvoni 2Ai 1(undi 1TE)beendetist.Umi 2Ai 1zuadaptieren,friere i 1TEeinundminimieredieDierenz.UmstellenderGleichung(7.3)fuhrtzu i 1TE=R 1 z('i)0y j=i 1j 1A 1 j('j)wte: (7.4) i 2Ai 1!=R 1 z('i 1)0Y j=i 2j 1A 1 j('j)wtei 1T 1 ER 1 analytischbehandelt,wasfolgendenaherungergibt(derindexi 1isteinfachheitshalberunterdruckt): dopt=x34; ndenistnuneinelosungfurdieparameter#i 1,i 1,ai 1,di 1,sodassi 2Ai 1 soahnlichzuxwirdwiemoglich.dazueignetsichz.b.diedelta-regel,umden gesamtenquadratischenfehlerzuminimieren[403].hieristdasproblemjedoch DierechteSeite,imWeiterenalsXbezeichnet,kannleichtberechnetwerden.Zu z('i): (7.5) (7.6)

196 184 aopt=x14cos#alt+x24sin#alt; KAPITEL7.GREIFERNAVIGATION DerParameterwurdeeingefuhrt,umzuverhindern,dassdiedamitgewichtetenTermedieubrigendominierenundsodieAnpassungverhindern.2Wenn opt=arctan2x32 x23cos#alt+x13sin#alt #opt=arctan2x21+x24aalt x12cosalt+x13sinalt x33+x22cos#alt x12sin#alt; x11+x14aalt+x22cosalt+x23sinalt: (7.8) (7.9) (7.7) duktleichtinvertiertwerdenkonnen[109],sinddiegleichungen(7.4)und(7.5)prinzipiell neuronalimplementierbar. DahomogeneTransformationsmatrizenmitHilfevonTranspositionundSkalarpro- Platzhalterfur#i 1,i 1,ai 1,di 1. k=qx214+x24>1ist,setzeauf1=kaalt,sonstauf1=aalt.dannadaptieredie Parametergemapneu=palt+(pneu palt)mitdemlernfaktor0:3undpals 7.2.4SimulationundErgebnisse DerAlgorithmuswurdeinderSimulationerprobt.DieKinematikderkinematischen demgelerntenmodellverglichenwerdenkonnte.mitverschiedeneneinfachenkongurationenwurdederalgorithmuserfolgreichgetestet,undauchdiekinematikdespuma, eineshauganuniversitatenverwendetenroboters,wurdesehrgutgelernt.hiersind Bild7.1:DerServiceroboterGripSeeineinerSzenezumGreifeneinesObjekts. KettewardurchihreDenavit-Hartenberg-Parametersovorgegeben,dasssieleichtmit ren.beimgradientenabstiegwurdensieohnekorrekturfaktorvolligdominierenundsoeineschnelle Konvergenzverhindern. a;x14;x24;x342r,d.h.dieletzterentermekonnenbetragsmaigdeutlichgroerseinalsdieerste- 2DaXeinehomogeneTransformationsmatrixist,giltxij2[ 1;1]furi;j2f1;2;3gunddagegen

197 gegebeningrad,langeninmillimetern.dereintraguntenrechtsistdiegesamtzahlder Iterationen. 7.2.LERNENDERVORWARTSKINEMATIK Tabelle7.1:ErgebnissederSimulationmitdemServiceroboterGripSee.Winkelsindan- 185 Gelenk 01234i #iiaidi #igelernt iai ditionen Itera Ergebnissedargestelt,dieanderKinematikdesServicerobotersGripSee(Bild7.1,vgl dreifreiheitsgradenundeinenarmmitsiebenfreiheitsgraden. Abschnitt8.1abSeite189)gewonnenwurden.GripSeehateinenStereokamerakopfmit { { { {1687 wirdesinzukunftauchfurservicerobotersein).manbemerke,dassdiegelenke2 (Kopfrotation)und3("Brustrotation\)aufeinerAchseliegenunddaherdurcheinGelenk Koordinaten),unddiekinematischeKettevondortbisindenGreiferwirdbetrachtet.Die neungelenke,d.h.essinddreifreiheitsgrademehralsnotig,umdiesechsfreiheitsgrade desgreifersfestzulegen(dieseredundanzisttypischfurbiologischeorganismenund Denavit-Hartenberg-ParameterdieserKettesindlinksinTabelle7.1gegeben:Sieenthalt FurdieSimulationsitztdasWeltkoordinatensystemimKamerakopf(kopfzentrierte wievorgegeben.eswareninsgesamtnur1687iterationennotig,umalle36parameter zulernen{immittelwenigerals200iterationenprogelenk.imvergleichzuahnlichen Systemen,dieoftmehrereTausendIterationenproGelenkbenotigen[229,278,279,302], konvergierteineinemkomplementarensatzvondenavit-hartenberg-parametern(dies hangtvondenstartparameternab).dasendeektor-koordinatensystemliegtnaturlich ersetztwerdenkonnten. istdieswenigunddeutetaufeinehohekonvergenzgeschwindigkeithin.auerdemsind DieErgebnissesindaufderrechtenSeiteinTabelle7.1gezeigt:DerAlgorithmus dieabweichungensehrgering.manbeachte,dassdieabweichungenbeigelenk2und dieumschaltungdeslernensvoneinemgelenkaufdasnachste.zubeginneinerjeden Wahlvon#unddfrei;nurdieSummeuberdiebeidenGelenkemussmitderVorgabe solchenphasetretenoszillationenauf,diemitderwischbewegungkorrelieren.insgesamt 3keineFehlersind:DadiebeidenGelenkediegleicheDrehachsehaben,istmaninder istdiekonvergenzjedochschnellundgleichmaig. ubereinstimmen{unddasistderfall. VerlaufundFortschrittderKonvergenzsindinBild7.2gezeigt.DieSprungemarkieren

198 186 KAPITEL7.GREIFERNAVIGATION 200 Bild7.2:FortschrittdesKonvergenzprozesses.DieAbweichungenallervierDenavit- Hartenberg-ParameterdesjeweilsadaptiertenGelenkssindaufgetragenuberdieaufsummierte 0 ZahlderIterationen.DiePunkte,andenendasLernenvoneinemaufdasnachsteGelenk umschaltet,sindandensprungenzuerkennen tischenkette,adaptiert.deralgorithmuskombiniertdievorzugezweierverschiedener vorgestellt,derihrenkern,einmodelldervorwartskinematikderkontrolliertenkinematekturfurdiekinematischebewegungskontrollezusammenmiteinemneuenalgorithmus IndenvorangehendenAbschnittenwurdeeineambiologischenVorbildorientierteArchi- 7.3DiskussionundAusblick Anzahl parametrischeransatzanwendungndet[253].dieanwendbarkeitfurhochdimensionale kinematischekettenunddiehohekonvergenzgeschwindigkeitwerdendankderausnutzungderseparierbarkeitdervorwartskinematikerreicht.weiterhinistwissenuberdie zulernendestruktureingebaut(z.b.dassnurdrehgelenkevorkommen),sodassdie thode\(screwaxismeasurementmethod)oder"mittelpunktanalyse\(centralpointana- lysis)genanntwird[253],wahrendfurdieschatzungdersegment-transformationenein Ansatze:SeineGrundideeisteineArtgeometrischerAnsatz,der"SchraubachsenmessmementierbareOperationeneingesetztwerden,z.B.werdendiekompliziertenMatrixinversionenvermieden. verantwortlichenneuronalennetzwerke. derbiologiendetdieseswissendurchdieevolutioneingangindiegrundstrukturder AnzahlderParameterbegrenztundderAufwandfurdieAdaptionverringertwird.In tekturvollstandigzuimplementieren.ebensosindnochetlichewissensluckenzufullen, bisdiebiologischebewegungskontrolleverstandenwird. BeiderEntwicklungdesAlgorithmuswurdedaraufgeachtet,dassnurneuronalimple- DennochsindnocheinigeErganzungennotig,umdieeingangsvorgeschlageneArchi- ZunachstmussderAlgorithmuseingehendergetestetwerdenmiteinerrealitatsna- Abweichung

199 habengute,aberetwaslangsamerekonvergenzgezeigt.deralgorithmusistformuliert 7.3.DISKUSSIONUNDAUSBLICK heren,mitrauschenuberlagertenschatzungderstellungdesendeektors;erstetests furallgemeinesegment-transformationen,obwohlfurdieimplementierungdiedenavit- Hartenberg-Reprasentationverwendetwurde.ImGehirnwirdwahrscheinlichaucheine 187 ArtvonParametrierungverwendet,diesichimLaufederEvolutionoderdespra-oder weitereanpassungennotigseinkonnen,z.b.aufgrundverschleies,verformungoder auchgelerntwerdenkonnte.soweitwurdeeinsystemimplementiert,dasdasanfangliche AdaptierendeskinematischenModellserlaubt.DaaberauchnachdemerstenLernen unbedingt,wiehierangenommen,einlinearerzusammenhangbesteht;dieskannggf. durcheinezwischengeschalteteabbildung,tabelleoderneuronalekartegeschehen,die werden,dasszwischendemsignalfurdengelenkantriebunddemgelenkwinkelnicht postnatalenselbstorganisationsprozessesherausgebildethat.zudemmussberucksichtigt Alterung(insbesondereelektronischerBauteile){undbeibiologischenOrganismendurch mitdenwerten,diedieseliefert,dassteuerungssystemtrainiertwerden.mitderzeit Wachstum{,musseineVariantedesAlgorithmusgefundenwerden,dieimlaufenden kannsodiesteuerungeinenerstengrobenwertliefern,mitdemderzielwertschnell kontrollsystems:nachdemdaskinematischemodellgelerntistunddamit,wieinab- schnitt7.1(abseite180)beschrieben,dieregelungdurchgefuhrtwerdenkann,kann BetriebAnpassungenvornehmenkann,wenndieGelenkegemeinsamundnichtnureinzeln bewegtwerden. oderfernsensorischeregelungdurcheinetaktileund/oderpropriosensorische(aufden angenahertwird,bevordieregelungihnpraziseeinstellt.auerdemkanndievisuelle DesweiterenfehlendiedenvorgestelltenKernerganzendenTeiledesBewegungs- Gelenkwinkelsensorenbasierende)Regelungunterfuttertwerden.Weiterhinbleibtzuuntersuchen,obderfurdieKinematikvorgestellteAnsatznichtauchaufdieKontrolleder Nachgangausgewertetwerden:DurchVergleichmitdenvorgegebenenWertenkonnen GelenkmomenteundderDynamikzuverallgemeinernist.Hieristvorstellbar,dassz.B. dienotigensteuerungseingrieadaptiertwerden. Systemprinzipiellnichtmachbar,dochkanneinBewegungsvorgangaufgezeichnetundim jektsabhangigesteuerungtrainiertwerden.furdynamischeaspekte(beschleunigung, Zentripetalkrafte,Coriolis-Krafteetc.)isteineRegelungwegenzulangerTotzeitenim daskraftegleichgewichtzumhalteneinesobjektsdurchregelunghergestelltwird.mit demeingeregeltenwertkanneinevonderarmkongurationundvomgewichtdesob- KetteninWirbeltierendrangtsichauf,dasseineFaktorisierungauchaufandereWeise erfolgenkonnte.diekinematischekettez.b.desmenschenzumgreifenvomfubiszu denfingerspitzenhatvieleredundantefreiheitsgrade.weiterhinfalltauf,dassbiszu dreifreiheitsgradeineinemgelenkintegriertseinkonnen(z.b.insprunggelenk,hufte, Schulter,Rucken,Hals,Handgelenk,Fingergrundgelenk)unddassdieandiesenGelenkenhangendenkinematischenRestkettenverschiedengroeArbeitsraumehaben.Durch AlternativerAnsatz.BeiBetrachtungderoftvielfachredundantenkinematischen denaufbausindverschiedengroearbeitsraumehierarchischmiteinanderverkoppelt, wieinabschnitt (aufseite41)beschrieben.dadurchistzugleicheinezerlegung(faktorisierung)zurlosungdesproblemsderinversenkinematikgegeben:zuerstenmanipulationsaufgabeliegt.dannwerdendiegelenkparameter(arbeitspunkte)der mussfestgestelltwerden,inwelchembereichderweltderarbeitsraumeinerbestimm-

200 188 kinematischenteilketten(beine,oberkorper,arm)sogewahlt,dassdaszentrumdesarbeitsraumesderaufgabemoglichstimzentrumdesarbeitsraumesdernachstenteilkette liegt,sodassdergesamtearbeitsraumderaufgabe"bequem\3erreichtwerdenkann.die Handwirdalsosoplaziert,dassdieFingerihreAufgabebequemausfuhrenkonnen.Der KAPITEL7.GREIFERNAVIGATION werden.manbestimmtzuerstdiepositiondesobjekts,legtinetwadiestellungder indierichtigepositionbringenkann.undderstandortschlielichwirdsogewahlt,dass diebeineineinerbequemenstellungsind. Oberkorperwirdsoplaziert,dassderArmdieHandbequemindiegewahlteStellung bringenkann.diebeinewerdensoeingestellt,dassderoberkorperdieschulterbequem HandzumZugreifenfestundstelltfest,dasseszuweitwegist,umesausdemStandzu erreichen.alsogehtmanaufdasobjektzu,bisesindenarbeitsraumdeskorperskommt. Dannbucktmansich,bisesindenArbeitsraumdesArmeskommt;fahrtdieHandaus,bis dasobjektindenarbeitsraumderfingerkommtundschlietzumschlussdiefinger.4 ZumAbstellendesObjektsimRegallauftderVorganganalogab.WennTischundRegal Beispiel:EinObjektsollvoneinemTischaufgenommenundineinRegalgestellt allerdingssoengzusammensind,dasssievoneinemstandortauserreichtwerdenkonnen, kannauchgleichzuanfangdieentsprechendepositionangesteuertwerden.umdaszu erreichen,konntezuerstderarbeitsraumdergesamtenaufgabebetrachtetwerden.erst umdasgleichgewichtzuhalten[174]. wennsienichtindenarbeitsraumdeskorperspasst,wurdedertrajektoriedersequenz derteilaufgabengefolgtwerden(grundprinzip:fangemitgroberglobalerreprasentation an).angemerktseinoch,dassdermenschdiefreiheitsgradedesoberkorpersauchnutzt, Gelenkparameterz.B.nurzu80%ausgenutztwerden. damitdiegesamtzeitkurzerwirdundschatzfehlerimauslaufeinerbewegungkorrigiertwerdenkonnen: EinekinematischeTeilkettekannschonindieBewegungeinbezogenwerden,sobaldsichdasObjektder auerengrenzeihresarbeitsraumesnahert. vomranddesarbeitsraumeseinerkinematischenteilketteentferntliegen,dassdiewertebereicheihrer 4DieseeinzelnenSchrittemussennichtstrengnacheinanderablaufen,sondernsolltensichuberlappen, 3"Bequem\konntehiertechnischausgedrucktbedeuten,dassdiezuerreichendenPunktesoweit

201 Kapitel8 IntegrationundGreifvorgang nenvariationsmoglichkeitensindthemadieseskapitels,dassichinzweiteilegliedert: integriertwerden.dieseintegrationunddiedurchfuhrungeinesgreifvorgangsmitseibibliothekundschlielichdaslernendergreiferbewegung{ineingreifsystemeinieen indenvorausgegangenenkapitelnbehandeltenaspektedesgreifens{wiediebestimmungderobjektpositiondurchfixation,dasfindenvongriendurchtaktileszugreifen, diereprasentationvongrienundobjektenzumlernenundzumaufbaueinergri- DamiteinServicerobotereinenGreifvorgangdurchfuhrenkann,mussendieeinzelnen, diesimulationeinesservicerobotersundeinesgreifsystemsmitbeschreibungdesablaufseinesgreifvorgangssowiedieimplementierungdesgreifensinhardwaremit integrierenunddieentwickeltenalgorithmenzutesten.dieseintegrationfandinkoope- 8.1Simulation ZielderSimulationwares,dieObjekterkennungunddasGreifenineinemSystemzu BeschreibungdesrealisiertenGreifvorgangs. beschrankten,lagnichtandengrenzenderobjekterkennung,diewiedasgreifsystem rationmitmeinerkolleginefthimiakefaleastatt,diefurdieobjekterkennungverant- wortlichzeichnete,wahrendichdiesimulationunddasgreifenbeisteuerte.wirstellten durchausauchmitkomplexenobjektenumgehenkann[181,180,182],sonderndaran, dassdiesegeometrischsehrregelmaigenobjekteindersimulation,vorallembeider unsdieaufgabe,dasseinserviceroboterihmvorherbekanntgemachteobjektewieder Kollisionserkennung,vergleichsweiseeinfachzubehandelnundschnellzuberechnensind erkennt,ihrepositionundorientierungbestimmtundvorhergelerntegriereproduziert. AlsGreifobjekteverwendetenwirWurfel,QuaderundZylinderverschiedenerGroe(insgesamtneunverschiedeneObjekte).DasswirunsaufvergleichsweiseeinfacheObjekte (zursimulations-softwareundzurintegriertenkollisionserkennungsieheanhangbab Seite223,zurverwendetenObjekterkennungsieheAbschnitt4.4.2abSeite113). (vgl.abschnitt abseite150)deraminstitutentwickelteserviceroboter[21,24]in einerszeneauseinerburoumgebung:aufeinemtisch,dervordemservicerobotersteht, bendetsichdaszugreifendeobjekt.derserviceroboteristsovordemtischplaziert, dasserdasobjektguterreichenkann,ohnenavigierenzumussen. AlsBasisfurdieSimulationdientewieschonbeiderSimulationdestaktilenZugreifens 189

202 190 KAPITEL8.INTEGRATIONUNDGREIFVORGANG Stereokamerakopf Greifobjekt Greifer dievergenz-,dienick-unddieschwenkbewegung.vondenbeidenstereokameraswird undderparallelbackengreiferverwendet.derkamerakopfhatdreifreiheitsgradefur nurdieinnere,diefoveakamera,benutzt,weildervonihraufgenommenebildausschnitt Bild8.1:AufbauderSzenezurSimulationdesGreifsystems.(DiesesDoppelbildlasstsich grogenugist(vgl.bild3.8aufseite46);eine"fovealisierung\fanddadurchstatt,dass uberkreuz{durch"schielen\{zueinemstereobildfusionieren.) InderSimulationwerdenderKamerakopfmitdendaraufmontiertenStereokameras Tischplatte einerdemmenschlichensehsystementsprechendenkinematik(vgl.abschnitt ab Seite117).AmParallelbackengreiferwurdendieinAbschnitt5.2.3(abSeite139)fur taktilenzugreifenswurdedergreiferohnedenroboterarm"freischwebend\bewegt. furdieobjekterkennungnurderzentraleausschnittvon256256pixelnverwendet wurde.betriebenwurdediestereokameraindersimulationmitrektikation,d.h.mit dastaktilezugreifenbeschriebenentastsensorensimuliert.wiebeidersimulationdes 8.1.1VorbereitungenfurdenGreifvorgang DadieverwendeteObjekterkennungdieReprasentationfureinObjektnichtvollautomatungenvorgegebenwurden,ausdenenpersimuliertemZugreifenaufdasObjektzugegriffenwurde(beimWurfelz.B.ausvierseitlichenRichtungenundvonoben).Vondensich dadurchergebendengrienwurde,wieindenabschnitten6.2und6.3.1(abseite164 bzw.169)beschrieben,diegrireprasentationabgeleitetundindergribibliothekzum umdieobjektgalerieaufzubauen. bautwerden(vgl.abschnitt4.4.2abseite113).dazuwurdejedesderobjekteinder SimulationinNeun-Grad-SchrittengedrehtundmitdersimuliertenFoveakameraeine FolgederAnsichtenerzeugt.DieseBilderwurdenvonderObjekterkennungverwendet, tischerzeugenkann,mussvordemeigentlichengreifvorgangeineobjektgalerieaufge- DieGribibliothekwurdeerstellt,indemfurjedenderObjekttypenbestimmteRich-

203 8.1.SIMULATION jeweiligenobjektabgelegt.nurdiedortbeschriebenegroennormierungundkompensationdesschwerpunktschatzfehlers,diebeidevomorientierungswinkelabhangen,wurden dabeinichtgelernt,weilsiefurdiesimulationnichtnotwendigwaren{letzteredeshalb nicht,weilindersimulationeinetastsensorikzurverfugungstand AblaufeinesGreifvorgangs DersimulierteGreifvorgangfolgtinseinemAblaufderinnerenLogikdesGreifensmit derabfolge,wiesiefursgreifenbeimmenscheninabschnitt3.3(abseite51)undfurs diefolgendenschritte: GreifenbeiServiceroboterninAbschnitt4.1(abSeite97)beschriebenwurde.Erumfasst 1.Initialisierung 2.FixationdesObjekts 3.BestimmungderObjektposition 4.ObjekterkennungundBestimmungderOrientierung 5.AuswahleinespassendenGrisausderGribibliothek istderhiervorgestelltesimuliertegreifvorgangwegendereinschrankungendesgrundsystemsvereinfacht(vgl.abschnitt4.3abseite108).auerdemlassensichdiedort GegenuberdemimEntwurfkapitelbeschriebenenAblauf(vgl.Abschnitt4.1abSeite97) 7.HinreichenzumObjekt 8.ZugreifenundErzeugendesGris 6.AnpassendesGrisansObjekt zugreifen,nichtdengesamtenumfangausdementwurfkapitelerfordert.dieeinzelnen Schrittelaufenwiefolgtab: vorgestelltenphasennichteinszueinsdenphasenindersimulationzuordnen,weil dierealisierungteilweiseeineandereaufteilungerfordert(z.b.dieverlagerungderbestimmungderobjektorientierungindieobjekterkennung,wieinabschnitt ab Seite117begrundet).Hinzukommt,dassdiegestellteAufgabe,einbekanntesObjekt 1.Initialisierung:DerStereokamerakopfwirdsoaufdenTischausgerichtet,dasser 2.FixationdesObjekts:AlsnachstesmussdasObjektxiertwerden,um{wie BildausschnittderFoveakamera. DasObjektfalltdannindenvonderObjekterkennungausgewertetenzentralen seinemittexiert.armundgreiferwerdenineinestartstellungbewegt,diein seinevertikaleachse)innerhalbeinesrechtecksindermittedestischesplaziert. inabschnitt (abseite117)beschrieben{dieverzerrungderobjektabbil- Bild8.1zusehenist.AusdenverschiedenenmoglichenObjektenwirdeineszufallig ausgewahltundaneinerzufalligenpositionmitzufalligerorientierung(drehungum derzureduzierenunddadurchdieobjekterkennungunddiebestimmungderob- jektorientierungzuvereinfachensowieumdiebestimmungderobjektpositionauf diebestimmungdesfixationspunktszureduzieren.eswirdzumeineneineobjektlokalisierungbenotigt,umdiepositionenderobjektabbilderindenbeiden

204 192Foveakamerakanalenzubestimmen,zumandereneinFixationsalgorithmus,um diestereokameraaufdasobjektauszurichten. Objektlokalisierung:ZurLokalisierungderObjektabbilderkonnteinderSimulationdieschonfurstaktileZugreifenverwendeteFalschfarbensegmentierung verwendetwerden(vgl.abschnitt abseite150).dadiesejedochfur KAPITEL8.INTEGRATIONUNDGREIFVORGANG dierealitateinezugroeeinschrankungbedeutenwurde,verwendetenwir Fixationsalgorithmus:ZurFixierungmussenderSchwenk-,Nick-undVergenz- inabschnitt4.4.2abseite113)mitnurdreiobjektenundmitnurjeeiner Ansichtvorgenommenwird.DaserkannteObjektinteressiertdabeinicht,nur diepositiondererkanntengraphenwirdweiterverarbeitet. winkel',#bzw.deskamerakopfesinabhangigkeitdesobjektlokalisierungs- einestarkreduzierteunddamitstarkbeschleunigteformderobjekterkennung,beiderdergraphenvergleich(vgl.beschreibungderobjekterkennunergebnisses(xl;yl)und(xr;yr)eingestelltwerden(derursprungderkamerakoordinatensolldabeiimzentrum,d.h.imfixationsziel,liegen).dadieobjektabbilderinderperipherieverzeichnetsind,istnichtzuerwarten,dassdas ObjektaufAnhiebprazisexiertwird.DahermussderVorgangiterativwiederholtwerden;ObjektlokalisierungundKamerakopfbewegungwechselnsich dabeiab.furdennichtlinearenzusammenhangzwischendenkamerakoordinatenunddenkamerakopfwinkelngenugthierbeieinenaherungslosung.die 3.BestimmungderObjektposition:AusdenKamerakoordinatenderGraphen- an;dortndensichauchweiteredetailszurfixation.dieiterationwirdabgebrochen,sobaldeinkorrekturschrittgleichdemvorhergehendenodergroer ausfallt.nachdreibisvieriterationenistdiefixationinderregelabgeschlos- BeziehungfurdieEinstellungderWinkelgibtGleichung4.3(aufSeite116) sichdieobjektpositionzunachstinkamerakopfkoordinaten.siekannmithilfeder mittenwirddurchtriangulierenausdeneingestelltenkamerakopfwinkelndieposi- tiondesobjektesbestimmt.dazuwerdendieinabschnitt abgeleitetenund aufseite115angegebenengleichungen4.1und4.2herangezogen.dadurchergibt sen. 4.ObjekterkennungundBestimmungderOrientierung:MitderFoveakamera Ausschnittvon128128PixelnandieObjekterkennungweitergeleitet;dieObjekterkennungwirdnur"einaugig\ausgefuhrt,weildieszurErkennungdesObjektsund zurbestimmungderorientierungbeidembenutztenvergleichdurchgraphenan- biszumgreifergelerntentransformationsmatrizenindieanderenkoordinatensystemetransformiertwerden,insbesondereauchinkorperzentriertekoordinaten (vgl.bild4.7aufseite112). wirdnocheinmaleinbildaufgenommenundvonderlinkenkameraderzentrale inkapitel7(abseite179)angegebenenundfurdiekinematischekettevomkopf DerObjektsubtypwurdesoverwendet,dassmitihmdieZylinder,WurfelundQuaderunterschiedlicherGroe(beiletzterenauchleichtunterschiedlicherGeometrie) erkannteobjekttypund-subtypsowiediegeschatzteorientierungzuruckgegeben. passunggenugt(vgl.abschnitt4.4.2abseite113).andasgreifsystemwerdender

205 8.1.SIMULATION 5.AuswahleinespassendenGrisausderGribibliothek:AufGrunddes auseinandergehaltenwurden.somitwarmitdererkennungeinesobjektsauch seinegroefestgelegt. Objekttypsund-subtypswerdenausderGribibliothekdiezumObjektpassenden AnpassendesGrisansObjekt:DerextrahierteGriwirdzuerstindieoben allegrieausprobiertwerdensollten. bestimmteobjektpositiontransformiert(ausgedrucktinkorperzentriertenkoordinaten)undentsprechendderbestimmtenorientierunggedreht.dazuwirdeine Seite179sowie[109,70])ergibtsichfurdieTransformationindieObjektposition jektzentriertenkoordinatenvor.imweiterenwerdendiegrieinderreihenfolge weiterverarbeitet,indersiegefundenwurden,dakeinauswahlkriteriumvorlagund ist,kanndiesdurcheinfachenvergleichgeschehen.diegrieliegendanninob- Grieextrahiert.WeildasvonderObjekterkennunggelieferteErgebniseindeutig jekterkennungdieorientierungdesobjektsrelativzurrichtungderlinkenfovea- kameraangibt.mitdemformalismusfurkinematischeketten(siehekapitel7ab TransformationsmatrixTObjPoserstellt,furdiebeachtetwerdenmuss,dassdieOb- diematrix werden,dassdieobjekterkennungnureinerotationdesobjektsumseinevertikaleachseerfassenkann(d.h.dassdasobjektquasiaufeinerhorizontalenflachformationsmatrixfureinetranslationumdenvektorx.dannwirddarausdie TransformationsmatrixTGrifurdenGriabgeleitet.Dabeimussberucksichtigt wobeipderfixationspunktundgleichzeitigdiegeschatzteobjektpositionist, TlFovKamdieTransformationsmatrixfurdielinkeFoveakameraundT(x)dieTrans- lfovkamp); (8.1) TObjPos=TlFovKamT(T 1 steht).diesgeschieht,indemdieneigung#derfoveakameraausgeglichenwird. denwinkelundrx()analogdazuumdiex-achse(dassderausgleichfurden DabeiistRz()dieTransformationsmatrixfureineRotationumdiez-Achseum ZusatzlichmussnochentsprechenddemOrientierungswinkelgedrehtwerden: NickwinkelhierdurcheineRotationumdiex-Achseerfolgt,liegtdaran,wiedas KoordinatensystemfurdenKamerakopffestgelegtwurde).MitTGriwerdendie TGri=TObjPosRx(#)Rz() vektoriellenparameterdesgriswiegrimittelpunkt,griachseundgriopposition(vgl.abschnitt6.1.2abseite158)insobjekttransformiert. =TlFovKamT(T 1 lfovkamp)rx(#)rz() (8.2) 7.HinreichenzumObjekt:DerGreiferbewegtsichzueinemPunkt,derinRichtungderGriachse150mmvomGrimittelpunktentferntliegt(Bezugspunktist dabeidiemittezwischendengreifbackenspitzen);underrichtetsichentsprechend dergriachseunddergrioppositionaus;diegreifbackenonensich.damitbe- ndetsichdergreiferinderzugreifstellung. 8.ZugreifenundErzeugendesGris:InderZugreifstellungaktiviertsichdas wegtsichaufdasobjektzuunderzeugtmittaktilerruckkopplungeinengri. taktilezugreifen(beschriebeninabschnitt5.2abseite134),d.h.dergreiferbe-

206 194daerstderKontaktmitdem"Handteller\dasSchlieendesGreifersauslost.Das taktilezugreifenkorrigiertabweichungen,diebeiderschatzungderobjektposition undderobjektorientierungaufgetretensind,daesbeiberuhrungdesobjektsso DiesertragtimmerdieZugeeinesHaltegris(vgl.Abschnitt abSeite58), KAPITEL8.INTEGRATIONUNDGREIFVORGANG geratunddergreiferssichamobjektausgerichtethat.umdieszutesten,wurde langemitausweichbewegungenreagiert,bisdasobjektzwischendiegreifbacken diegeschatzteobjektpositioninderhorizontalen(x-undy-richtung)mitgleichverteiltemrauschenmiteineramplitudevon30mmuberlagert.dadergreifer Grierzeugtwerden.DankdestaktilenZugreifenskannsogarindemFall,dass dasobjektfalscherkanntwurde,nocheingrierzeugtwerden,daesauchzum FindenvonGrienanunbekanntenObjektengeeignetist(vgl.Abschnitt ab einebreitevon50mmhat,verfehlteerdasobjektnie,undeskonnteimmerein 8.1.3Diskussion jekt\durchlaufen;dietransformationsmatrixtgribrauchtdabeinichtneubestimmtzu werden,sondernistfureinobjektkonstant. FurjedendergefundenenGriewerdendiePhasenab"AnpassendesGrisansOb- Seite150). erzeugtwerden.einziginderhohegabeswegendessystemimmanentenschatzfehlers (beschriebeninabschnitt6.2abseite164)abweichungenvomvorgegebenengri,die ist:anallenobjektenkonntenallegriereproduziertundjedesmaleingultigergri aberniesogrowaren,dasssiedengreiferfolggefahrdeten. Grieerzeugtwerden,wennzwareinbestimmterGriumgesetztwerdensoll,aberbeider DurchdieSimulationstelltesichheraus,dassderentwickelteGreifvorganguberausrobust AusfuhrungnachKollisionmitdemObjektzufalligeinandererentsteht.Ebensokonnen aneinemunbekanntenobjekt,wenneseinembekanntenahnlichistunddieobjekterkennungesalsdieseserkennt,grieerzeugtwerden.durchubergehenderobjekterkennung InderSimulationkonnendankderTastsensorikaneinembekanntenObjektauchneue istesauchmoglich,aneinemvolligunbekanntenobjektgriezunden;dannistallein dastaktilezugreifenaktiv(vgl.abschnitt5.2abseite134).nichtmoglichistesaber,die nochnichtvollautomatischeineneueobjektreprasentationerzeugenkann. roboterserfahrungenmitseinerkinematikgesammeltunddiealgorithmenfursgreifen aneinemunbekanntenobjektgefundenengrieabzuspeichern,weildieobjekterkennung undmitdensimuliertenbildernfurdiebildverarbeitungentwickeltunderprobtwerden.nachfertigstellungderhardwaredesserviceroboterskonntendiesoentwickelten AlgorithmenundProgrammeinnerhalbwenigerWochenineinefunktionsfahigeDemonstrationumgesetztwerden.DiesebeschreibeichimnachstenAbschnitt. AufgrundderSimulationkonntenschonubereinJahrvorFertigstellungdesService- 8.2ImplementierunginHardware ZurDemonstrationderFahigkeitendesamInstitutfurNeuroinformatikinBochumentwickeltenServiceroboterswurdedieimvorhergehendenKapitelbeschriebeneGreifsimu-

207 8.2.IMPLEMENTIERUNGINHARDWARE 195 undinzweiausfuhrungen{"gripsee\bzw."arnold\{aufgebaut.entsprechenddem lationaufdenroboterubertragenundgleichzeitigumweiterekomponentenerweitert. DerServiceroboterwurdeimRahmendesBMBF-VerbundprojektsNEUROSgemeinsam vondenbeidenlehrstuhlen"systembiophysik\und"theoretischebiologie\entwickelt Bild8.2:VerwendeterRoboter"Gripsee\inVorbereitungsstellungundnachdemZugreifen. ist[24](vgl.bild8.1aufseite190). tionundderbildverarbeitungimfernbereichmiteinerfahrbarenplattformausgestattet dermalsburg)stationaraufgebaut[21](bild8.2),wahrenddieausfuhrungdeslehrstuhls furtheoretischebiologie(prof.dr.wernervonseelen)furdieerforschungdernaviga- hiergezeigte{ausfuhrungdeslehrstuhlsfursystembiophysik(prof.dr.christophvon ForschungsschwerpunktderBildverarbeitungundManipulationimNahbereichistdie{ ichdiekomponentenfurdiegriplanungunddiekoordinationdesgreifenssowieden AblaufdesGreifvorgangsbei.DieBeitragemeinerKollegenwerdeichunteninder BeschreibungdesGreifvorgangsausweisen. DieImplementierungfuhrteichzusammenmitmeinenKollegendurch.Dabeisteuerte Greifvorgang,vonschragobenbeobachtetwerden.DerKopfistausgestattetmitzwei Kamerapaaren,vondeneneinPaar,die"Peripheriekameras\,einegeringeRaumauflosung dievergenzbewegungundsitztobenaufdemserviceroboter;sokanneineszene,z.b.ein beigroemonungswinkelhat(ca.80),wahrenddasanderepaar,die"foveakameras\, einehohereraumauflosungbeikleineremonungswinkelhat(ca.56).damitsollendie bau:derstereokamerakopfbesitztdreifreiheitsgradefurdieschwenk-,dienick-und AmentwickeltenServiceroboterhervorzuhebenistseinanthropomorpherAuf- EigenschaftendesmenschlichenAugesmiteinemzentralen(fovealen)undeinemperipherenBereichnachgebildetwerden.DerArmbesitzt,wiedermenschlicheArm,sieben Freiheitsgradeundistseitlichangebracht,sodasserbeimZugreifenschragvonderSeite

208 inssichtfeldfahrtundnichtdiedirektesichtaufdasobjektstort.dergreiferistein Parallelbackengreifer,derzurZeitderhierbeschriebenenDemonstrationnochnichtmit 196 Tastsensorenausgestattetwar.NuruberdenStrom,denderAntriebsmotoraufnimmt, derdengreiferschliet,kanndiegreifkraftbewertetwerden{allerdingsnurbedingt, KAPITEL8.INTEGRATIONUNDGREIFVORGANG aufweist.derserviceroboterinsgesamtistsobemessen,dasseraufeinemtischnormaler dadasimantriebsstrangliegendehochubersetztegetriebeeinehoheinnerereibung Hoheoperierenkann. {Objektegreifenundwoandersabstellenzulassen:Dazuwerdeneinesodermehrere ObjektevordemServiceroboteraufeinenTischgestellt.DerAnwenderzeigtdurcheine HandbewegungaufeinObjektundwahltesdadurchaus.Gleichzeitigsignalisiertermit einerzeigegeste,wiedasobjektgegrienwerdensoll.derserviceroboterfuhrtdanndie Gesten-undObjekterkennungdurchundgreiftdasObjekt.DerAblaufentsprichtdem dersimulation,nurdasseinehandverfolgungundeinegestenerkennungvorgeschaltet ZielderDemonstrationwar,denServiceroboter{inInteraktionmitdemAnwender wurden.alsweitereerganzungkannderanwendernachaufnahmedesobjektsaufeine wahltundgreiftohneanweisungdurchdenanwender,alsoohnehandverfolgungund Stellezeigen,anderdasObjektwiederabgestelltwerdensoll.OderderServiceroboter Gestenerkennung,selbstandigeinObjekt{dieserAblaufistpraktischdeckungsgleichmit dersimulationausabschnitt8.1.2(abseite191). dassdergreiferdasobjektaufanhiebzwischendiegreifbackenbekommt.damitergibt gesteuertundnichtgeregeltwerden.voraussetzungfurerfolgreicheszugreifenistdaher, sichausdermaximalengreiferonungvon86mmundausdervomsystemerreichbaren arbeitungkeineruckkopplunguberdengreifvorgangzulie,konntedaszugreifennur PrazisiondieObergrenzefurdieGriweite,dieeinObjektaufweisendarf,damitesbeim DaderParallelbackengreifernichtmitTastsensorenbestucktwarundauchdieBildver AbschatzungderPrazision HeranfahrennichtvondenGreifbackenangestoenwird. deraktorikundvondergenauigkeitbestimmt,mitderdieaufeinanderaufbauenden Verarbeitungsschritteablaufen. DiePrazisionbeimZugreifenwirdvonderAuflosungderSensorik,vonderPrazision betragtdiebildauflosung0,96mmpropixel(vgl.abschnitt abseite114) unddietiefenauflosung5,0mmpropixel(zurberechnungsieheinabschnitt betragt6mmunddiebasisweite("augenabstand\)300mm. Pixel(horizontalvertikal)undeineWinkelauflosungvon0,073proPixel.Ihr Onungswinkelbetragtdamithorizontalca.56undvertikalca.41.IhreBrennweite InderfurdasGreifentypischenEntfernungvon750mmvonderFoveakamera DieKamerasderbenutztenFoveakamerahabeneineGesamtauflosungvon wegendesseitlichangebrachtenarmsinderregeleherauseinerseitlichenrichtungauf dasobjektzugreifen,zumanderenistdieoppositionsrichtung(verbindungsliniezwischen "Daumen\und"Zeigenger\)beiGrienanObjekten,dieaufeinemTischstehen,oft indieserentfernungeineausdehnungvon52pixel. aufseite116beigleichung4.4).einobjektmiteinertypischengroevon50mmhat DiekritischeGroeisthierbeidieTiefenauflosung:ZumeinenwirdderServiceroboter

209 8.2.IMPLEMENTIERUNGINHARDWARE horizontal(beidenfurdiedemonstrationverwendetenobjektenimmer).daheristdie PrazisioninderTiefeindenmeistenFallenrelevantdafur,obdasObjektsoangesteuert wird,dasseszwischendiegreifbackengerat. FurdieSchatzungderObjektpositionbedeutetdasFolgendes:Nehmenwiran, 197 Pixelsindschonbiszu20mmAbweichungmoglich.ZudieserUngenauigkeithinzu schonbeieinerbestimmungsgenauigkeitvon1pixel!beieinergenauigkeitvon2 dertieferelevant(vgl.abschnitt abseite114).dasbedeutet,dassderfehler indertiefenkomponentederobjektpositiondann10mmbetragenkann,unddas veakamerasmiteinergenauigkeitvon1pixelbestimmtwerdenkann.1diedierenz dieserbeidenistmiteinemfehlervon2pixelbehaftet;sieistfurdiebestimmung dassdiehorizontalkomponentederpositiondesobjektabbildesindenbildernderfo- kommtdiesystematischeabweichungzwischenderaus2d-bilderngeschatztenundder wahrenobjektposition,dieindertiefebiszu5mmbetragenkann(sieheabschnitt6.2 abseite164).weiterhinzuberucksichtigensinddieabweichungenvondervorgegebenenzugreiftrajektorie,dievondemsteuerungsalgorithmus(z.b.vonderunterteilungder TrajektorieinTeilstuckeundInterpolationzwischendenStutzstellen)undvondenRegelalgorithmenindenAntriebenderArmgelenkestammen,sowiediePositioniergenauigkeit derroboterarm-hardware. lengreifweite(beioenemgreifer)unddermaximalnotigengriweite(objektgroe) eingehaltenwerdenmuss.einegesamtgenauigkeitvonz.b.25mmlasstbeieiner maximalengreifweitevon86mmeinegriweitevonhochstens(86 225)mm=36mm zu.dreimanahmenwurdenergrien,umdiesesproblemzuentscharfen: DieerreichbareGesamtgenauigkeitbestimmtdieToleranz,diezwischendermaxima- DiesystematischeAbweichungzwischenderausden2D-Bildernbestimmtenundder NichtnurnachderObjektlokalisierungwirdeineFixationdurchgefuhrt,sondern wahrenobjektpositionwirdkompensiert.dadieseabweichungsowohlvomobjekt alsauchvondessenorientierungswinkelabhangt,wieinabschnitt6.2(abseite164) gezeigt,musssieobjekt-undwinkelbezogenabgespeichertwerden.dazuerweiterte ichdieobjektreprasentationfursgreifen,wieimselbenabschnittbeschrieben.das LernenderAbweichungenfuhrteichinderSimulationmitHilfederdortverfugbaren Tastsensorikdurch(siehenachstenAbschnitt). DieGroederverwendetenObjektewirdsoeingeschrankt,dasskeineGriweite zurobjekterkennunghergestellt,derfurdiezuvorbeschriebenekompensationder systematischenabweichungnotigist. auchnachderobjekterkennung.dadurchwirddieprazisionderfixation,aus derdieobjektpositiondurchtriangulierengewonnenwird,erhohtundderbezug Graphenverbessern,alsodurcheineArtNoniussehscharfe[402,401];solieesichSubpixelgenauigkeit verwendet(sieheunten),spezielldiepositionderobjektgraphen.diesewirdalsumschreibendesrechteck (boundingbox)angegeben,beruhtalsoaufderpositioneinzelnerknotendesgraphen.furdieseist eineprazisionvon1pixelanzunehmen.dieprazisionlieesichdurchmittelunguberalleknotendes 1ZurBestimmungderPositionderObjektabbilderwurdeletztendlichdasObjekterkennungsergebnis moglich. uber50mmnotigist.dadurchisteinetoleranzvon(86 50)=2mm=18mm erreichen(sieheauchinabschnitt aufseite117).

210 InderPraxishabensichdieseManahmenalsausreichenderwiesen:Praktischimmer, 198 wenndasobjektfehlerfreierkanntwordenwar,wurdeeinkorrektergrierzeugtund einekollisiondergreifbackenmitdemobjektvermieden.darausistzuschlieen,dass diegesamtgenauigkeitdessystemsbeietwa15mmliegt. KAPITEL8.INTEGRATIONUNDGREIFVORGANG 8.2.2VorbereitungenfurdieGreifdemonstration erkennungeinevorhererstelltegestengalerie.dazuwurdefurjededersechsvereinbar- tengestenmitdenhandenverschiedenerpersonenaufnahmengemachtunddiesedurch etikettiertegraphenreprasentiert[366,365,364,367,368].diesechsgestenstandenfur diebefehle: "AlleamObjektmoglichenGriezeigen.\ "Objektvonobengreifen.\ DenTypdesGriswahltederAnwendermiteinerGesteaus.DazubenotigtedieGesten- DieGestengaleriewurdevonmeinemKollegenJochenTriescherstellt. "Objektsteilvonvorngreifen.\ dersalsindersimulationaufselbstorganisierendenneuronalenkarten,sog.wachsenden "Objektachvonvorngreifen.\ neuronalengasen[277,278,279].diesewurdenineinergetrenntensimulationvortrainiert.anschlieendwurdensieaufdemserviceroboterzuendetrainiert,umsieanseine "ObjektachvonderSeitegreifen.\ "ObjektsteilvonderSeitegreifen.\ (vgl.abschnitt8.1.1abseite190)vorhererstellt,dabeidererzeugungderobjektreprasentationeneinparameternochvonhandeingestelltwerdenmusste.zurerstellung wurdeeinobjektaneinemittlerestelleimgreifraumdesservicerobotergestelltund voneinemdrehtellerinneun-grad-schrittengedreht.2derserviceroboterhatmithilfe derobjektlokalisierungdasobjektxiertundbeobachteteesmitseinenfoveakameras. FurjedeObjektansicht(jedenDrehwinkel)wurdenjeeinlinkesundeinrechtesBild DiezurObjekterkennungverwendeteObjektgaleriewurdewiebeiderSimulation etwasvondenkonstruktionszeichnungenabweichendekinematikanzupassen. DieFixationunddieBestimmungderKoordinatendesFixationspunktsberuhenan- abseite113).dieansichtsgraphenwurdenmitdemorientierungswinkelversehen(die DabeikonntenfurdenlinkenunddenrechtenKanalnichtdiegleichenAnsichtsgraphen Abschnitt (abSeite117)gezeigthabe.DieseProzedurwurdefurjedesderfunf dieobjektansichtsgraphen,vgl.beschreibungderobjekterkennunginabschnitt4.4.2 ersteansichtmarkiertdennullwinkel)undzurobjektreprasentationzusammengefasst. verwendetwerden,weildiebeidenbildergegeneinanderetwasgekipptsind,wieichin aufgenommenundzujedemderbeidendieobjektansichtsreprasentationerzeugt(hier selbstubernehmen;derdrehtellerwarvorderfertigstellungdesserviceroboterseingefuhrtworden. durchgefuhrt.dieobjektgaleriewurdevonmeinerkolleginefthimiakefaleaerzeugt. verwendetenobjekte(zweiverschiedenezylinder,einwurfelundzweispielzeugautos) 2StattdesDrehtellerskonntederServiceroboterdasDrehendesObjektsmitseinemGreiferauch

211 8.2.IMPLEMENTIERUNGINHARDWARE deterobotergreifernochkeinetastsensorenbesa.gleichzeitigmitdengrienwurden scheabweichungdergeschatztenvonderwahrenobjektpositionsowiediegroennor- mierung(vgl.abschnitt6.2abseite164). WertubereinstimmenundkeineZwischenwerteverwendetwerden.DannxiertederServiceroboterdasObjekt;dieskanndurchFalschfarbensegmentierunggeschehen,wiebei Tischplaziert.Dabeiwardaraufzuachten,dassdieObjekterelativzumServiceroboter genausoausgerichtetwurdenwievorherbeidenaufnahmenmitdemdrehteller,damit dieuntenvonderobjekterkennunggeliefertenorientierungswinkelmitdemprasentierten dersimulationfurstaktilezugreifenbeschrieben(vgl.abschnitt abseite150), DazuwurdeinderSimulationalsersteseinObjektineinermittlerenPositionaufdem dieanderenkomponentenderobjektreprasentationfursgreifengelernt:diesystemati- DieGribibliothekhingegenwurdemitderSimulationaufgebaut,weilderverwen- 199 oderdurchdieimnachstenabschnittbeschriebeneobjektlokalisierung.derfixationspunktergibteineersteschatzungfurdieobjektposition,dieallerdingsnochmitder systematischenabweichungbehaftetist.alsnachsteswurdendieverschiedenengrie amobjekterzeugtunddiezugehorigengrireprasentationenindergribibliothekabgelegt.dazuwurdenentsprechenddenzuvordeniertengestenzugreifrichtungenmitdrerichtungausdervominklinationswinkelvorgegebenemkegelachewirdgewahlt,z.b. beginnendrechtsvomobjekt.dergreiferwirdindieserrichtungetwaeinegreiferlange undsiezeigenaufdiespitzederkegelache. verschiedeneninklinationswinkelnverwendet:senkrecht,steil(60)undach(18).jeder vondergeschatztenobjektpositionentferntplaziert.dannwirdmittaktilemzugreifen InklinationswinkeldenierteineKegelache,3derenSpitzeinderObjektpositionliegtund diesichnachobenonet;indieserkegelacheliegenallemoglichenzugreifrichtungen, chungdergeschatztenobjektpositioninrichtungdergrioppositionundinrichtung dergriachsekorrigiertsowieeinhaltegrierzeugt.dieserwirdineinenmanipuliergri aufdasobjektzugegrien.dadurchwirddiekomponentedersystematischenabwei- DieGrireprasentationfureinObjektwirdfolgendermaenerzeugt:EineZugreif- umgewandelt,indemdergreiferzuruckgefahrenwird,biseinegreiftiefevonz.b.30mm beidenpositionenalsgripositiongewahltwird.dergriwirddannrelativzuderaus erreichtist.diesergrikannschonabgespeichertwerden.odereswirdnochdiekomponentedersystematischenabweichunginvertikalerrichtungkorrigiert,indemdergreifer einemeckigenobjekt,z.b.einemquader,ergebensichdabeiwiederholtgleichegrie, vertikalnachuntenbewegtwird,biserdentischberuhrt,undvertikalnachoben,bis sichdasobjektnichtmehrzwischendengreifbackenbendet,unddiemittezwischen derfixationgeschatztenobjektpositionabgespeichert.dieswirdfurverschiedene,z.b. in9-schrittenumdievertikaleobjektachserotierte,zugreifrichtungenwiederholt.bei diesichandersehrahnlichengrireprasentationerkennenlassen;diesewerden,statistischeslernenanwendend,einemgrizugeschlagen.beieinemzylinderhingegenergibt 3DamitderKegelfurdenrechtenInklinationswinkelnichtentartet,kannstattdessen90 ",z.b. mit"=0;5,gewahltwerden. seinegeometrieindersimulationbekanntsind.damitlassensichdergrimittelpunkt sichfurjedezugreifrichtungeinneuergri. ErzeugungderGrireprasentationjedochausgenutzt,dassdiePositiondesObjektsund UnterdemZeitdruckbeiderProgrammerstellungfurdieDemonstrationwurdezur

212 200 KAPITEL8.INTEGRATIONUNDGREIFVORGANG Bild8.3:BeispielefurdieGrie,dieinderGribibliothekfurdieGreifdemonstrationenthalten tionswinkelvorgegebenenkegelache)unddiegriweitedirektvorgeben.auchdieer- zeugungdergribibliothekgingsobedeutendschneller,weildiesimulationdestaktilen Zugreifensentfallt.BeiderPrazisionderGrieergibtsichkeinnennenswerterUnterschied.BeispielefurdieerzeugtenGriezeigtBild8.3.DieSpielzeugautoswurdeninder SimulationwieQuaderbehandelt. diepositiondesobjektgraphenundseinegroezuerhalten(stattbeiderobjekterkenpositionundzumlernendergroennormierungwirddasobjekt,weilbeidevomorientierungswinkelabhangigsind,in9-schrittenwiezurerstellungderobjektgalerieaufdem Drehtellergedreht.NachjedemDrehschrittwirddieObjekterkennungaufgerufen,um nungmitdeninsgesamtuber100ansichtenallerfunfobjektezuvergleichen,wurdezur BeschleunigungnurmitderAnsichtfurdenaktuellenOrientierungswinkeldesaktuellen ZumLernendersystematischenAbweichungdergeschatztenvonderwahrenObjekt- einenwurfel. alsobjektmittelpunkt,diegrioppositionsrichtung,diegriachse(indervominklina- sind.obenfureinspielzeugauto(indersimulationalsquaderapproximiert)unduntenfur DasSpeichernerfolgt,wieinAbschnitt6.2(abSeite164)beschrieben. tion,diefurdiegrireprasentationverwendetwurde,wirdgespeichert.gleichzeitigwird diegroedesobjektgraphen(sowohldieausdehnunginx-wieauchiny-richtung)durch dieentfernungdesfixationspunktsvonderfoveakameradividiertundauchgespeichert. Objekttypsverglichen).AufdieMittedesObjektgraphenwirdeineFixationdurchgefuhrt unddiepositiondesfixationspunktsbestimmt.seineabweichungvonderobjektposi-

I. II. I. II. III. IV. I. II. III. I. II. III. IV. I. II. III. IV. V. I. II. III. IV. V. VI. I. II. I. II. III. I. II. I. II. I. II. I. II. III. I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII.

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