DFKI optimiert Systementwicklung mit hybrider KI und menschlichem Feedback

Robotersysteme können mithilfe von hybriden KI-Methoden und basierend auf menschlichem Feedback, das z.B. durch EEG-Messungen gewonnen wird, maßgeschneidert entwickelt und im laufenden Betrieb kontinuierlich angepasst werden.
Robotersysteme können mithilfe von hybriden KI-Methoden und basierend auf menschlichem Feedback, das z.B. durch EEG-Messungen gewonnen wird, maßgeschneidert entwickelt und im laufenden Betrieb kontinuierlich angepasst werden. – Bild: DFKI / Meltem Fischer

Die jüngsten Entwicklungen in der Robotik lassen die Vision von Robotern, die als persönliche Assistenten und Interaktionspartner für den Menschen komplexe Aufgaben übernehmen, näher rücken. Forschende des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Bremen haben im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts M-Rock einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan. Mit Ansätzen, die auf hybriden KI-Methoden und menschlichem Feedback basieren, ist es gelungen, die Sicherheit und Adaptivität des Roboterverhaltens deutlich zu erhöhen.

Als Teil der X-Rock-Entwicklungen am DFKI Robotics Innovation Center baut M-Rock auf den Ergebnissen der Projekte D-Rock und Q-Rock auf. Ziel ist es, Menschen ohne Fachkenntnisse in die Lage zu versetzen, maßgeschneiderte Roboter für ihre Anwendungen zu entwickeln.

Menschliches Feedback in die Systementwicklung integriert

Während in D-Rock der Aufbau einer Datenbank modularer Roboterkomponenten im Vordergrund stand, ermöglicht der in Q-Rock entwickelte Ansatz die automatische Abbildung komplexer Hard- und Softwarestrukturen auf konkretes Roboterverhalten mittels hybrider KI-Verfahren wie maschinellem Lernen und strukturellem Schlussfolgern. M-Rock erweitert diesen Ansatz durch die Integration von menschlichem Feedback, um das Verhalten nicht nur softwareseitig an die individuellen Anforderungen des Benutzenden anzupassen, sondern auch eine nachträgliche Optimierung hinsichtlich des Verhaltens und der Hardwareauswahl zu ermöglichen. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung von Robotern im laufenden Betrieb und ist zudem ein Werkzeug zur Personalisierung von Roboterdesign und -verhalten.

Eine zentrale Neuerung von M-Rock ist die Kombination von explizitem Feedback, etwa in Form von Skalenbewertungen, mit implizitem Feedback wie Hirn- und Muskelaktivität (EEG- und EMG-Daten) zur automatischen Anpassung eines Roboters an die individuellen Anforderungen und Präferenzen des interagierenden Menschen. Um die Rolle des menschlichen Feedbacks zu untersuchen, führten die Bremer Forschenden vier Studien durch. Dazu zeichneten sie die EEG-Daten von Versuchspersonen auf, die einmal Fehler im kontinuierlichen Roboterverhalten und einmal in menschlichem Verhalten beobachteten. Anschließend analysierten die Forschenden die Daten hinsichtlich des so genannten fehlerbezogenen Potenzials, das im menschlichen Gehirn beim Erkennen von Fehlverhalten ausgelöst wird.

In weiteren Studien wurde sowohl implizites als auch explizites Feedback erhoben. Zum einen bei Versuchspersonen, die das Fehlverhalten einer getragenen Ellenbogenorthese wahrnahmen, zum anderen bei der Beobachtung von Fehlverhalten an einem Pendelroboter. Die Analyse der EEG-Daten zeigte in allen Studien eine hohe Genauigkeit der fehlerbezogenen Potentialerkennung. Die Forschenden konnten zeigen, dass durch implizites Feedback Fehler in Echtzeit erkannt werden können – sei es bei Robotern, menschlichen Bewegungen oder Orthesen. Dies kann wiederum vom System genutzt werden, um automatisch Anpassungen vorzunehmen, ohne dass Nutzer aktiv eingreifen müssen.

Natürliche Roboterbewegungen durch Optimal Cognitive Cores

Eine weiteres Ergebnis von M-Rock ist die Weiterentwicklung der in Q-Rock eingeführten Cognitive Cores (CCs) zu Optimal Cognitive Cores (OCCs) durch Methoden der optimalen Steuerung. OCCs ermöglichen die Generierung und Ausführung von natürlichem Verhalten für komplexe Systeme und verbessern die Interaktion mit dem Menschen durch präzise Beschreibungen der Roboteraufgaben. Sie verwenden mathematische Modelle, um bestmögliche Lösungen für komplexe Steuerungsprobleme zu finden, wobei Faktoren wie Energieverbrauch, Zeit und Sicherheit berücksichtigt werden. In Versuchen mit dem humanoiden Roboter RH5 ist es den Forschenden gelungen, mit Hilfe von OCCs erfolgreich Tanz- und Gehbewegungen zu erzeugen.

Menschliches Feedback kann zur Verbesserung der Optimal Cognitive Cores (OCCs) und damit zur Verfeinerung des Roboterverhaltens beitragen. Es wird verwendet, um Kostenfunktionen zu erstellen, die bei der Planung optimaler Trajektorien helfen. So lernt der Roboter auf der Grundlage menschlicher Bewertungen, welche Bewegungen effizient sind, und kann besser auf dynamische Umgebungen reagieren.

In zwei Szenarien evaluiert

Die in M-Rock entwickelten Technologien wurden in zwei Anwendungsszenarien evaluiert. Im ersten Szenario testeten die Forschenden den sogenannten „Assist-as-Needed“-Ansatz eines Exoskeletts, das die robotische Unterstützung individuell an die Nutzenden anpasst. Die Testpersonen führten verschiedene Armbewegungen aus, während ihre Muskelaktivität (EMG-Daten) als Feedback für ein neuronales Netz zur Vorhersage der Gelenkkräfte diente. Die Ergebnisse zeigten, dass das Exoskelett in der Lage ist, die jeweiligen Fähigkeiten der Benutzenden anhand der EMG-Daten zu bewerten und sie flexibel und individuell pro Gelenk zu unterstützen.

Im zweiten Szenario lag der Fokus auf der gemeinsamen Optimierung von Verhaltens- und Designparametern eines vierbeinigen Roboters für Sprünge und Rückwärtssalti. Optimal Cognitive Cores (OCCs) halfen dabei, die Bewegungen des Roboters an die jeweilige Aufgabe anzupassen und die optimale Morphologie auszuwählen. Tests am realen System ergaben, dass längere Oberschenkel für Vorwärtssprünge und längere Unterschenkel für Rückwärtssalti die besten Ergebnisse lieferten.



  • So viele unbesetzte Ausbildungsstellen wie nie zuvor

    So viele unbesetzte Ausbildungsstellen wie nie zuvor

    Im Jahr 2023 wurden wieder mehr neue Ausbildungsverträge abgeschlossen. Dennoch hat der Anteil unbesetzter Ausbildungsstellen ein Rekordhoch erreicht.

    mehr lesen: So viele unbesetzte Ausbildungsstellen wie nie zuvor

  • Teilchenbeschleuniger ressourcenschonend betreiben

    Teilchenbeschleuniger ressourcenschonend betreiben

    Ein ressourcenschonender Betrieb von Teilchenbeschleunigern und anderen Großanlagen ist Ziel des EU-Forschungsprojekts Research Facility 2.0 (RF 2.0). Seit Jahresbeginn arbeiten zehn europäische Projektpartner, koordiniert vom Karlsruher Instituts für Technologie (KIT),…

    mehr lesen: Teilchenbeschleuniger ressourcenschonend betreiben

  • Ein Kompetenzzentrum für den digitalen Zwilling

    Ein Kompetenzzentrum für den digitalen Zwilling

    Mit der Gründung eines Digital Twin Center of Excellence (CoE) wollen Altair und L&T Technology Services gemeinsamen Kunden in den Bereichen Mobilität, Hightech und Nachhaltigkeit weltweit Technologien für digitale Zwillinge…

    mehr lesen: Ein Kompetenzzentrum für den digitalen Zwilling

  • Jährlicher Wertschöpfungsverlust von 13 Milliarden Euro

    Jährlicher Wertschöpfungsverlust von 13 Milliarden Euro

    Im ersten Quartal 2024 ist die Gesamtzahl an offenen Stellen in Ingenieurberufen im Vorjahresvergleich um 15,6% auf 148.000 gesunken, bleibt aber weiterhin auf hohem Niveau.

    mehr lesen: Jährlicher Wertschöpfungsverlust von 13 Milliarden Euro

  • AMDT ernennt Eva Wittka zur neuen COO des Executive Board

    AMDT ernennt Eva Wittka zur neuen COO des Executive Board

    Eva Wittka bringt ihre Erfahrungen aus verschiedenen Führungspositionen in den Bereichen IT und SaaS zukünftig als neue Chief Operating Officer (COO) bei AMDT ein.

    mehr lesen: AMDT ernennt Eva Wittka zur neuen COO des Executive Board

  • Classiq stellt Qmod vor

    Classiq stellt Qmod vor

    Als High-Level-Programmiersprache bietet Qmod Hardware-agnostische Modellierungsmethoden für die Quantenprogrammierung in Forschung und Industrie.

    mehr lesen: Classiq stellt Qmod vor

  • Swap-IT: Eine hochflexible Produktionsarchitektur für unterschiedliche Branchen

    Swap-IT: Eine hochflexible Produktionsarchitektur für unterschiedliche Branchen

    Produzierende Unternehmen müssen heute mit vielschichtigen Herausforderungen umgehen. Dazu gehören unter anderem Stückzahlbandbreiten von der Losgröße 1 bis zu größeren Serien und nicht zuletzt der Umgang mit Verzögerungen und Ausfällen…

    mehr lesen: Swap-IT: Eine hochflexible Produktionsarchitektur für unterschiedliche Branchen

  • Unternehmen halten am Homeoffice fest

    Unternehmen halten am Homeoffice fest

    Durch die Corona-Pandemie haben sich Homeoffice-Modelle in deutschen Unternehmen etabliert. Und wie eine ZEW-Studie zeigt, erwarten Firmen sogar einen weiteren Anstieg des Angebots.

    mehr lesen: Unternehmen halten am Homeoffice fest

  • Siemens erweitert Vorstand

    Siemens erweitert Vorstand

    Siemens hat Personalentscheidungen auf Vorstandsebene verkündet und den Vorstand des Konzern von fünf auf sieben Vorstandsmitglieder erweitert.

    mehr lesen: Siemens erweitert Vorstand

  • Wie die Deutschen mit KI-Bots sprechen

    Wie die Deutschen mit KI-Bots sprechen

    Knapp die Hälfte (46 Prozent) der Deutschen hat schon einmal einen KI-Chatbot verwendet – und pflegt dabei unterschiedliche Umgangsformen.

    mehr lesen: Wie die Deutschen mit KI-Bots sprechen

  • GBO Datacomp lädt ein zu ’We move it’

    GBO Datacomp lädt ein zu ’We move it’

    Am 25. September lädt der MES-Spezialist GBO Datacomb ins Sacher Hotel Wien zur Veranstaltung ’We move it’ ein. Das Thema: Digitalisierung in der Produktion.

    mehr lesen: GBO Datacomp lädt ein zu ’We move it’

  • Quantencomputer entwickeln sich schneller als erwartet

    Quantencomputer entwickeln sich schneller als erwartet

    Etwa die Hälfte der für eine QuEra-Studie befragten Fachleute aus Wissenschaft, Forschung und Industrie glauben, dass Quantencomputer schneller als erwartet Fortschritte machen. 40 Prozent sind sogar der Meinung, dass sie…

    mehr lesen: Quantencomputer entwickeln sich schneller als erwartet