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.



  • Onoff eröffnet neuen Standort

    Onoff eröffnet neuen Standort

    Die Onoff AG eröffnet einen Standort in Erlangen und will damit zukünftig auch den Bereich digitales Engineering mit Echtzeitsimulation bedienen.

    mehr lesen: Onoff eröffnet neuen Standort

  • PWC-Studie ‚Digital Trust Insights 2022‘

    PWC-Studie ‚Digital Trust Insights 2022‘

    Vier von fünf IT-Führungskräften in Deutschland sehen die Komplexität in ihren Unternehmen laut einer PWC-Studie auf einem zu hohen Level. Dies führe wiederum zu Risiken für die Bereiche Cybersicherheit und…

    mehr lesen: PWC-Studie ‚Digital Trust Insights 2022‘

  • Mobile Luftreinigungsgeräte auf Wirksamkeit prüfen

    Mobile Luftreinigungsgeräte auf Wirksamkeit prüfen

    Im September ist die Richtlinie VDI-EE 4300 Blatt 14 ‚Messen von Innenraumluftverunreinigungen – Anforderungen an mobile Luftreiniger zur Reduktion der aerosolgebundenen Übertragung von Infektionskrankheiten‘ erschienen.

    mehr lesen: Mobile Luftreinigungsgeräte auf Wirksamkeit prüfen

  • FontOnLake attackiert Linux-Systeme

    FontOnLake attackiert Linux-Systeme

    ESET-Forscher sind einer Malware-Familie auf die Schliche gekommen, die es gezielt auf Linux-Betriebssysteme abgesehen hat.

    mehr lesen: FontOnLake attackiert Linux-Systeme

  • Großes Wiedersehen auf der It-sa 2021

    Großes Wiedersehen auf der It-sa 2021

    Die It-sa 2021, Treffpunkt für IT-Sicherheitsexperten und -entscheider, wurde von 274 Ausstellern aus 18 Ländern und rund 5.200 Fachbesuchern aus 28 Ländern wieder nach dem Corona bedingten Aussetzen im vergangenen…

    mehr lesen: Großes Wiedersehen auf der It-sa 2021

  • Die Lieferkette im Visier von Hackern

    Die Lieferkette im Visier von Hackern

    Die Allianz geht davon aus, dass sich Ransomware-Angriffe vermehrt gegen Lieferketten richten könnten. Der Versicherer sieht dabei hauptsächlich IT-Dienstleister im Visier von Hackern. Und auch die Höhe der Lösegeldforderungen steigt.

    mehr lesen: Die Lieferkette im Visier von Hackern

  • Oliver Gronau wird CCO bei Auvesy

    Oliver Gronau wird CCO bei Auvesy

    Mit Oliver Gronau als CCO stößt ein weiteres Mitglied zum Management-Team des Datenmanagement-Spezialisten Auvesy, das zukünftig aus Tim Weckerle (CEO), Stefan Jesse (COO) und Oliver Gronau in der neugeschaffenen Position…

    mehr lesen: Oliver Gronau wird CCO bei Auvesy

  • Wie Projektingenieure mit Entwicklungspartnern kooperieren

    Wie Projektingenieure mit Entwicklungspartnern kooperieren

    Die Richtlinie VDI-MT 6602 Blatt 2 ‚Projektingenieur in Projekten mit Entwicklungspartnern – Anforderungen an die Qualifizierung‘ ist Anforderungsprofil für in der Praxis tätige Ingenieure und Projektingenieure, die ihre Fähigkeiten für…

    mehr lesen: Wie Projektingenieure mit Entwicklungspartnern kooperieren

  • IT-Sicherheitsmarkt vor Umsatzrekord

    IT-Sicherheitsmarkt vor Umsatzrekord

    Der Markt für IT-Sicherheit in Deutschland wächst ungebrochen. Das bisherige Rekordjahr 2020 könnte in diesem Jahr nochmals übertroffen werden. So geht der Digitalverband Bitkom von einem Plus von 9,7 Prozent…

    mehr lesen: IT-Sicherheitsmarkt vor Umsatzrekord

  • Zuliefermesse für den Maschinenbau

    Zuliefermesse für den Maschinenbau

    In Bad Salzuflen findet am 10. November die FBM statt. Bereits im Vorfeld der Messe können Unternehmen über eine Matchmaking-Plattform feste Termine mit den Ausstellern buchen.

    mehr lesen: Zuliefermesse für den Maschinenbau

  • Umsatzprognose auf Höchststand

    Umsatzprognose auf Höchststand

    Im neuen PWC-Maschinenbaubarormeter blicken mehr als die Hälfte der Unternehmen zwar optimistisch in die Zukunft. Im Vergleich zum Vorquartal ist dieser Wert jedoch zurückgegangen.

    mehr lesen: Umsatzprognose auf Höchststand

  • Produktionserwartungen steigen im September

    Produktionserwartungen steigen im September

    Die Produktionsaussichten in der Industrie haben im September zugelegt. Dabei werden die Pläne der Unternehmen von den derzeitigen Materialengpässen gebremst.

    mehr lesen: Produktionserwartungen steigen im September