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Teleoperationsunterstützung durch körpergekoppelte Steuerung und wahrnehmungsgerechtes visuelles Feedback
(2013)
Abstract
Dieser Vortrag stellt verschiedene Ansätze zur Unterstützung eines menschlichen Operators bei der Teleoperation mobiler Roboter vor. Im Mittelpunkt steht dabei die Gestaltung der Schnittstelle zwischen Mensch und Roboter sowie insbesondere ihre Erweiterung durch geeignete Assistenzfunktionen. Durch Applikation eines benutzerzentrierten Gestaltungsansatzes nach ISO 9241-210 1, 2, 3 und dabei insbesondere durch Evaluationen mit potentiellen Nutzern wird außerdem die Gebrauchstauglichkeit und Akzeptanz prototypisch realisierter Interaktionskonzepte sichergestellt. Dazu werden ausgewählte Evaluationsergebnisse vorgestellt.
Unterstützungsbedarf hinsichtlich der Teleoperation besteht sowohl im Bezug auf die Wahrnehmung der entfernten Einsatzumgebung durch den Operator als auch im Bezug auf die Steuerung einer potentiell großen Anzahl an Freiheitsgraden des mobilen Robotersystems. Beide Aspekte führen zu hohen Anforderungen an die kognitiven und motorischen Fähigkeiten des Operators, denen es durch geeignete technische Lösungen zu begegnen gilt.
Zur Evaluation verschiedener Assistenzsysteme zur Teleoperationsunterstützung wurde eine mobile Roboterplattform aufgebaut, die mit Hilfe eines Roboterarms und eines Drei-Finger-Greifers manipulativ auf ihre Einsatzumgebung einwirken kann. Da der Roboter außerdem in der Lage ist, autonom zu navigieren, lassen sich über reine Teleoperation hinausgehende Interaktionskonzepte wie bspw. die leitende Kontrolle 4 eines Mensch-Roboter-Systems untersuchen.
Zur Unterstützung der Wahrnehmung der entfernten Umgebung wurde der Roboter mit einem Stereokamerasystem ausgestattet, dessen technische Auslegung sich an den Eigenschaften des visuellen Systems des Menschen orientiert 5 und somit eine möglichst natürliche Wahrnehmung bietet. Ähnliche Arbeiten fokussieren oft auf die technische Realisierung oder auf maschinelles Sehen. Stereoskopie ermöglicht dem Operator eine Tiefenwahrnehmung, die zur Durchführung von Telemanipulationsaufgaben notwendig ist. Das Kamerasystem ist schwenk- und neigbar, ermöglicht eine servobasierte Nachführung der Augenvergenz und lässt sich bspw. durch Einstellung des Pupillenabstandes an verschiedene Nutzer anpassen. Zur Visualisierung der Videobilder werden stereoskopische Bildschirme und ein Head-Mounted Display eingesetzt. Aktuelle Arbeiten bzgl. der Visualisierung beschäftigen sich mit 3D-Laser-basierten Umgebungsmodellen als Ersatz für Videobilder und Augmented Reality.
Um den Operator bei der Steuerung der verschiedenen Freiheitsgrade des Systems zu unterstützen, wurden Ansätze erprobt, die Freiheitsgrade an die Bewegung des Operators zu koppeln. Ein Beispiel dafür ist die Steuerung der Ausrichtung des Kamerasystems entsprechend der Kopfbewegung des Operators 6, 7. Dies wurde hier für visuelle Suchaufgaben eingesetzt, die gegenüber anderen Anwendungen größere und häufigere Kopfbewegungen erfordern. Außerdem wurden verschiedene publizierte Realisierungsansätze bzgl. ihrer Auswirkungen auf den Menschen vergleichend untersucht. Ein weiteres Beispiel ist die Verfolgung der Handbewegung des Operators. Diese wird häufig zum Teachin automatischer Bewegungsabläufe eingesetzt, selten zur Teleoperation. Teilkomponenten haben in ersten Evaluationen ihre Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Ansätzen unter Beweis gestellt 8. Aktuelle Arbeiten in diesem Bereich beschäftigen sich mit symbolischen Ansätzen zur Gestensteuerung des Robotersystems.
1 DIN EN ISO 9241-210: Ergonomie der Mensch-System-Interaktion - Teil 210: Prozess zur Gestaltung gebrauchstauglicher interaktiver Systeme. Januar 2011
2 Hegenberg, J.; Cramar, L. & Schmidt, L.: Task- and user-centered design of a human-robot system for gas leak detection: From requirements analysis to prototypical realization. In: Petrovic, I. & Korondi, P. (Hrsg.): 10th International IFAC Symposium on Robot Control (Dubrovnik, Kroatien 2012). Dubrovnik: International Federation of Automatic Control (IFAC), 2012, S. 793-798
3 Schmidt, L.; Hegenberg, J. & Cramar, L.: Mensch-Roboter-System zur Gaslecksuche. In: atp edition - Automatisierungstechnische Praxis 53 (2011), Nr. 12, S. 56-65
4 Sheridan, T. B.: Humans and Automation : System Design and Research Issues. New York: Wiley, 2002
5 Hegenberg, J.; Cramar, L. & Schmidt, L.: Teleoperationsunterstützung über ein HMD und ein kopfbewegungsgesteuertes Stereokamerasystem auf einem entfernten mobilen Roboter. In: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Hrsg.): Datenbrillen - Aktueller Stand von Forschung und Umsetzung sowie zukünftiger Entwicklungsrichtungen (Dortmund 2011). Dortmund: BAuA, 2012, S. 29-38
6 Heuring, J. J. & Murray, D. W.: Visual head tracking and slaving for visual telepresence. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (Minneapolis, USA 1996). Minneapolis: IEEE, 1996, S. 2908-2914
7 Reilink, R., de Bruin, G., Franken, M., Mariani, M., Misra, S. & Stramigioli, S.: Endoscopic camera control by head movements for thoracic surgery. In: Proceedings of the 3rd IEEE, RAS and EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Tokyo, Japan 2010). Tokyo: IEEE, 2010, S. 510–515
8 Hegenberg, J.; Röllke, A.; Cramar, L. & Schmidt, L.: Ergonomische Gestaltung einer kopfbewegungsbasierten Steuerung eines Stereokamerasystems auf einem mobilen Roboter. In: Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e. V. (Hrsg.): Gestaltung nachhaltiger Arbeitssysteme - Wege zur gesunden, effizienten und sicheren Arbeit : 58. Kongress der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft (Kassel 2012). Dortmund: GfA-Press, 2012, S. 249-25
