Design of Interactive Service Robots applying methods of Systems Engineering and Decision Making

Merten, Matthias GND

Interaktive Service Roboter werden heute bereits in einigen Anwendungsszenarien eingesetzt, in denen sie beispielsweise Menschen durch Gebäude geleiten oder bei häuslichen Aufgaben unterstützen. Dennoch gibt es bislang kein System, das den erwarteten Marktdurchbruch geschafft hat. Die hohe Komplexität solcher Systeme und vielfältige Anforderungen durch Benutzer und Betreiber erschweren die Entwicklung von erfolgreichen Service Robotern. In dieser Arbeit wurden zwei interaktive Service Roboter entwickelt, die das Potential haben, die beschriebenen Hinderungsgründe für einen breiten Einsatz zu überwinden. Das erste Robotersystem wurde als Shopping Roboter für Baumärkte entwickelt, in denen es Kunden zu gesuchten Produkten führt. Das zweite System dient als interaktiver Pflegeroboter älteren Menschen in häuslicher Umgebung bei der Bewältigung täglicher Aufgaben. Diese Arbeit beschreibt die Realisierung der Embedded Systems beider Robotersysteme und umfasst insbesondere die Entwicklung der Low-Level System Architekturen, Energie Management Systeme, Kommunikationssysteme, Sensorsysteme, sowie ausgewählte Aspekte der mechanischen Umsetzung. Die Entwicklung einer Vielzahl von Steuerungsmodulen, notwendig für die Realisierung interaktiver Service Roboter, wird beschrieben. Die vorliegende Arbeit verwendet und erweitert Methoden des Systems Engineerings, um die hohe Systemkomplexität von interaktiven Service Robotern sowie die vielfältigen Anforderungen an deren späteren Einsatz beherrschen zu können. Der Entwicklungsprozess der beiden Roboter basiert auf dem V-Model, welches einen strukturierten Entwurfsablauf unter Berücksichtigung aller Systemanforderungen erlaubt. Es zwingt ferner zur frühzeitigen Spezifikation von Prüfabläufen, was die Qualität und Zuverlässigkeit der Entwicklungsergebnisse verbessert. Für die Unterstützung von Entscheidungen im Entwicklungsprozess schlägt diese Arbeit eine Kombination aus dem V-Model und dem Analytic Hierarchy Process (AHP) vor. Der AHP hilft bei der Auswahl verfügbarer technischer Alternativen unter Berücksichtigung von Prioritäten im Entwicklungsprozess. Diese Arbeit spezifiziert sieben Kriterien, die Service Roboter charakterisieren: Anpassbarkeit, Laufzeit, Benutzbarkeit, Robustheit, Sicherheit, Features und Kosten. Die Prioritäten dieser Kriterien im Entwicklungsprozess werden für jeden Roboter individuell bestimmt. Der AHP ermittelt die beste Lösung basierend auf diesen gewichteten Kriterien und den bewerteten technischen Alternativen. Die Einbindung des AHP in den V-Model Prozess wurde am Entwurf des Shopping Roboter entwickelt und geprüft. Die Allgemeingültigkeit dieser Methode wurde während der Entwicklung des Pflegeroboters verifiziert.

Interactive service robots have already been developed and operate as example installations taking over guidance tasks or serving as home assistants. However, none of these systems have become an off-the-shelf product or have achieved the predicted breakthrough so far. The challenges of the design of such systems are, on the one hand, the combination of cutting edge technologies to a complex product; on the other hand, the consideration of requirements important for the later marketing during the design process. In the framework of this dissertation, two interactive service robot systems are developed that have the potential to overcome current market entry barriers. These robots are designed to operate in two different environments: one robot guides walked-in users in large home improvement stores to requested product locations and interacts with the customer to provide product information; the other robot assists elderly people to stay longer in their homes and takes over home-care tasks. This work describes the realization of the embedded systems of both robots. In particular, the design of low-level system architectures, energy management systems, communication systems, sensor systems, and selected aspects of mechanical implementations are carried out in this work. Multiple embedded system modules are developed for the control of the robots' functionalities; the development processes as well as the composition and evaluation of these modules are presented in this work. To cope with the complexity and the various factors that are important for the design of the robots, this thesis applies and further develops system engineering methods. The development process is based on the V-Model system design method. The V-Model helps to structure the design process under consideration of all system requirements. It involves evaluation procedures at all design levels, and thus increases the quality and reliability of the development outputs. To support design decisions, this thesis proposes to combine the V-Model with the Analytic Hierarchy Process (AHP) method. The AHP helps to evaluate technical alternatives for design decisions according to overall criteria, a system has to fulfill. This thesis defines seven criteria that characterize a service robot: Adaptability, Operation Time, Usability, Robustness, Safeness, Features, and Costs. These criteria are weighted for each individual robot application. The AHP evaluates technical design alternatives based on the weighted criteria to reveal the best technical solution. The integration of the AHP into the V-Model development is tested and improved during the design process of the shopping robot system. The generality of this combined systematic design approach is validated during the design of the home-care robot system.

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Merten, Matthias: Design of Interactive Service Robots applying methods of Systems Engineering and Decision Making. 2012.

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