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An essential measure of autonomy in service robots designed to assist humans is adaptivity to the various contexts of human-oriented tasks. These robots may have to frequently execute the same action, but subject to subtle variations in task parameters that determine optimal behaviour. Such actions are traditionally executed by robots using pre-determined, generic motions, but a better approach could utilize robot arm maneuverability to learn and execute different trajectories that work best in each context.
In this project, we explore a robot skill acquisition procedure that allows incorporating contextual knowledge, adjusting executions according to context, and improvement through experience, as a step towards more adaptive service robots. We propose an apprenticeship learning approach to achieving context-aware action generalisation on the task of robot-to-human object hand-over. The procedure combines learning from demonstration, with which a robot learns to imitate a demonstrator’s execution of the task, and a reinforcement learning strategy, which enables subsequent experiential learning of contextualized policies, guided by information about context that is integrated into the learning process. By extending the initial, static hand-over policy to a contextually adaptive one, the robot derives and executes variants of the demonstrated action that most appropriately suit the current context. We use dynamic movement primitives (DMPs) as compact motion representations, and a model-based Contextual Relative Entropy Policy Search (C-REPS) algorithm for learning policies that can specify hand-over position, trajectory shape, and execution speed, conditioned on context variables. Policies are learned using simulated task executions, before transferring them to the robot and evaluating emergent behaviours.
We demonstrate the algorithm’s ability to learn context-dependent hand-over positions, and new trajectories, guided by suitable reward functions, and show that the current DMP implementation limits learning context-dependent execution speeds. We additionally conduct a user study involving participants assuming different postures and receiving an object from the robot, which executes hand-overs by either exclusively imitating a demonstrated motion, or selecting hand-over positions based on learned contextual policies and adapting its motion accordingly. The results confirm the hypothesized improvements in the robot’s perceived behaviour when it is context-aware and adaptive, and provide useful insights that can inform future developments.
This work provides a short but technical introduction to the main building blocks of a blockchain. It argues that a blockchain is not a revolutionary technology but rather a clever combination of three fields: cryptography, decentralization and game theory. In addition, it summaries the differences between a public, private and federate blockchain model and the two prominent consensus mechanism Proof-of-Work (POW) and Proof-of-Stake (POS).
Abschlussbericht zum BMBF-Fördervorhaben Enabling Infrastructure for HPC-Applications (EI-HPC)
(2020)
Human and robot tasks in household environments include actions such as carrying an object, cleaning a surface, etc. These tasks are performed by means of dexterous manipulation, and for humans, they are straightforward to accomplish. Moreover, humans perform these actions with reasonable accuracy and precision but with much less energy and stress on the actuators (muscles) than the robots do. The high agility in controlling their forces and motions is actually due to "laziness", i.e. humans exploit the existing natural forces and constraints to execute the tasks.
The above-mentioned properties of the human lazy strategy motivate us to relax the problem of controlling robot motions and forces, and solve it with the help of the environment. Therefore, in this work, we developed a lazy control strategy, i.e. task specification models and control architectures that relax several aspects of robot control by exploiting prior knowledge about the task and environment. The developed control strategy is realized in four different robotics use cases. In this work, the Popov-Vereshchagin hybrid dynamics solver is used as one of the building blocks in the proposed control architectures. An extension of the solver’s interface with the artificial Cartesian force and feed-forward joint torque task-drivers is proposed in this thesis.
To validate the proposed lazy control approach, an experimental evaluation was performed in a simulation environment and on a real robot platform.
A Comparative Study of Uncertainty Estimation Methods in Deep Learning Based Classification Models
(2020)
Deep learning models produce overconfident predictions even for misclassified data. This work aims to improve the safety guarantees of software-intensive systems that use deep learning based classification models for decision making by performing comparative evaluation of different uncertainty estimation methods to identify possible misclassifications.
In this work, uncertainty estimation methods applicable to deep learning models are reviewed and those which can be seamlessly integrated to existing deployed deep learning architectures are selected for evaluation. The different uncertainty estimation methods, deep ensembles, test-time data augmentation and Monte Carlo dropout with its variants, are empirically evaluated on two standard datasets (CIFAR-10 and CIFAR-100) and two custom classification datasets (optical inspection and RoboCup@Work dataset). A relative ranking between the methods is provided by evaluating the deep learning classifiers on various aspects such as uncertainty quality, classifier performance and calibration. Standard metrics like entropy, cross-entropy, mutual information, and variance, combined with a rank histogram based method to identify uncertain predictions by thresholding on these metrics, are used to evaluate uncertainty quality.
The results indicate that Monte Carlo dropout combined with test-time data augmentation outperforms all other methods by identifying more than 95% of the misclassifications and representing uncertainty in the highest number of samples in the test set. It also yields a better classifier performance and calibration in terms of higher accuracy and lower Expected Calibration Error (ECE), respectively. A python based uncertainty estimation library for training and real-time uncertainty estimation of deep learning based classification models is also developed.
Kollaborative Industrieroboter werden für produzierende Unternehmen immer kosteneffizienter. Während diese Systeme für den menschlichen Mitarbeiter eine große Hilfe sein können, stellen sie gleichzeitig ein ernstes Gesundheitsrisiko dar, wenn die zwingend notwendigen Sicherheitsmaßnahmen nur unzureichend umgesetzt werden. Herkömmliche Sicherheitseinrichtungen wie Zäune oder Lichtvorhänge bieten einen guten Schutz, aber solch statische Schutzvorrichtungen sind in neuen, hochdynamischen Arbeitsszenarien problematisch.
Im Forschungsprojekt BeyondSPAI wurde ein Funktionsmuster eines Multisensorsystems zur Absicherung solcher dynamischer Arbeitsszenarien entworfen, implementiert und im Feld getestet. Kern des Systems ist eine robuste optische Materialklassifikation, die mit Hilfe eines intelligenten InGaAs-Kamerasystems Haut von anderen typischen Werkstückoberflächen (z.B. Holz, Metalle od. Kunststoffe) unterscheiden kann. Diese einzigartige Eigenschaft wird genutzt, um menschliche Mitarbeiter zuverlässig zu erkennen, so dass ein konventioneller Roboter in Folge als personenbewusster Cobot arbeiten kann.
Das System ist modular und kann leicht mit weiteren Sensoren verschiedenster Art erweitert werden. Es kann an verschiedene Marken von Industrierobotern angepasst werden und lässt sich schnell an bestehenden Robotersystemen integrieren. Die vier vom System bereitgestellten Sicherheitsausgänge können dazu verwendet werden - abhängig von der durchdrungenen Überwachungszone - entweder eine Warnung auszugeben, die Bewegung des Roboters auf eine sichere Geschwindigkeit zu verlangsamen, oder den Roboter sicher anzuhalten. Sobald alle Zonen wieder als „eindeutig frei von Personen“ identifiziert sind, kann der Roboter wieder beschleunigen, seine ursprüngliche Bewegung wiederaufnehmen und die Arbeit fortsetzen.
AErOmAt Abschlussbericht
(2020)
Das Projekt AErOmAt hatte zum Ziel, neue Methoden zu entwickeln, um einen erheblichen Teil aerodynamischer Simulationen bei rechenaufwändigen Optimierungsdomänen einzusparen. Die Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) hat auf diesem Weg einen gesellschaftlich relevanten und gleichzeitig wirtschaftlich verwertbaren Beitrag zur Energieeffizienzforschung geleistet. Das Projekt führte außerdem zu einer schnelleren Integration der neuberufenen Antragsteller in die vorhandenen Forschungsstrukturen.
Der Globale Migrationspakt der Vereinten Nationen beschreibt globale Kompetenzpartnerschaften bzw. Global Skills Partnerships (GSP) als eine innovative Möglichkeit, die Fachkräftebasis global zu stärken, bleibt hinsichtlich ihrer Ausgestaltung aber recht vage. Auch die hierzulande unter der Bezeichnung „transnationale Ausbildungspartnerschaften“ laufenden Aktivitäten sind in Zahl und Reichweite sehr begrenzt und es liegen bisweilen kaum empirische Analysen zu ihnen vor. Hier schafft die vorliegende Expertise von Michael Sauer und Jurica Volarevic Abhilfe, indem sie existierende Ausbildungspartnerschaften insbesondere aus dem Erfahrungsraum der Republik Kosovo vorstellt und analytisch beleuchtet. Mithilfe einer Bestandsaufnahme der konzeptionellen Diskurse und Praxiserfahrungen wird ein Kategorisierungsvorschlag unternommen, mit dessen Hilfe die empirische Vielfalt besser geordnet und konzeptionell greifbar gemacht werden kann: Transnationale Qualifizierungs- und Mobilitätspartnerschaften (tQMP).