21.05.2013, 13:45 Uhr | 0 |

Robotik Flinke Serviceroboter für den Alltag fordern kreative Entwickler heraus

Seit Jahren wird weltweit an Servicerobotern geforscht, die dem Menschen den Alltag oder das Berufsleben erleichtern sollen. Doch derzeit brauchen die automatischen Helfer selbst noch viel Unterstützung und kreatives Engineering, um sich in unserer Umwelt zurechtzufinden.

IPA-Roboter Care-O-bot 3 bedient.
Á

IPA-Roboter Care-O-bot 3 bedient. 

Foto: IPA/Bernd Müller

Eine überdimensionale Pizzaschachtel liegt auf dem Tisch des spärlich möblierten Raums. An der Wand steht ein Regal mit zwei Büchern. Das Büro im Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart wurde für die Simulation zum spartanisch eingerichteten Wohnzimmer einer Dreizimmerwohnung. Langsam bewegt sich der Roboter durch das Zimmer. "Care-O-bot" dreht sich auf der Stelle und nimmt seine Umgebung wahr. Unterdessen können Beobachter auf einem Monitor das von Care-O-bot entworfene 3-D-Modell des Raums sehen. Gezielt fährt der Roboter zum Tisch und nimmt dort mit seinem kräftigen Arm die Pizzaschachtel auf, um deren Transport zuvor gebeten worden war.

Weil weltweit die Bevölkerung immer älter wird, wird seit vielen Jahren international daran geforscht, inwieweit Roboter Menschen in ihrem täglichen Leben unterstützen können. Doch bislang konnten keine wirklich marktfähigen Roboterprojekte entwickelt werden. Auch am Fraunhofer IPA arbeiten die Entwickler mittlerweile seit über 15 Jahren an der Entwicklung eines mobilen Haushaltsassistenten mit dem Namen "Care-O-bot".

Dritte Roboter-Generation

Die inzwischen dritte Generation soll erstmals das Potenzial für den Praxiseinsatz manipulierender mobiler Serviceroboter in Alltagsumgebungen bieten. Jedoch: "Vollautonome Assistenzroboter, die dem Menschen komplexe Haushaltstätigkeiten abnehmen und dafür zum Beispiel selbstständig Gegenstände greifen, wird es in absehbarer Zukunft noch nicht geben", erklärt Georg Arbeiter, Projektleiter Umgebungsmodellierung in der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer IPA. Zu komplex seien noch die Aufgaben und zu groß ist die Zahl der möglichen Ausnahmesituationen, die einer hundertprozentig robusten Lösung im Wege stünden.

"Für Roboter ist es eine immense Herausforderung, autonom in einer häuslichen Umgebung zu agieren, denn das Umfeld ist unstrukturiert und verändert sich immer wieder", erläutert Birgit Graf, Gruppenleiterin Haushalts- und Assistenzrobotik, Fraunhofer IPA. Hindernisse wie Stühle, herumliegendes Spielzeug, Türen oder auch Menschen können plötzlich auftauchen.

Darüber hinaus sei eine Vielzahl von Aufgaben zu lösen. "Dies stellt die Roboter vor Herausforderungen auf fast allen technologischen Gebieten, wie Wahrnehmung und Erfassung – sowohl in 2-D als auch in 3-D", ergänzt Arbeiter. Dazu zählen auch die sichere und erfolgreiche Navigation und Manipulation, das Feststellen und Interpretieren menschlichen Verhaltens sowie die Aneignung neuen Wissens und neuer Fähigkeiten.

Umsetzbar und realistisch seien jedoch teilautonome Systeme, bei denen der Serviceroboter – ausgestattet mit entsprechenden Sensoren zur Umgebungserfassung – den älteren Menschen unterstützt und ein Servicemitarbeiter von außen eingreifen kann, sollte der Roboter eine schwierige Situation selbst nicht lösen können – und genau das wird nun am Fraunhofer-Institut geprobt. "In der ersten Stufe kann das durchaus auch ein Familienmitglied sein, das über die Kommunikationsschnittstelle des Assistenzroboters zugeschaltet wird, um beispielsweise verlegte Gegenstände zu suchen", so Graf.

Mit Fernsteuerung

Die Steuerung von Care-O-bot könne nun nicht mehr nur mittels Touchscreen direkt am Roboter erfolgen, sondern auch über eine Fernsteuerung. "Auf einem I-Pad mit Touchscreen sieht man zum einen, wo sich der Roboter gerade befindet, zum andern kann man ihm darüber Befehle erteilen, was er als Nächstes tun soll", ergänzt Michael Burmester, Evaluationsleiter und Prodekan für Forschung, Fakultät für Information und Kommunikation der Hochschule der Medien (HdM) in Stuttgart. Hinzu kämen noch Sprachsteuerung und Videoerfassung. Bei komplexeren Problemen könne ein professioneller Helfer aus einem Servicecenter eingreifen, indem er z. B. den Arm des Roboters fernsteuert, um so einen Gegenstand sicher aufzunehmen.

Im Rahmen des von der EU geförderten Projekts "SRS – Multi-Role Shadow Robotic System for Independent Living" testen Fraunhofer-Institut IPA und die HdM daher neue Benutzerschnittstellen für Serviceroboter. Dreidimensionale Umgebungserfassung ist da ein Schlüssel zur einfachen, intuitiven Bedienung durch die externen Helfer. Dazu verfügt Care-O-bot über einen Laserscanner für eine 2-D-Erfassung und 3-D-Tiefenbildkameras für die 3-D-Erfassung. Auf Basis des Roboterassistenten "Care-O-bot 3" wurden geeignete Assistenzfunktionen implementiert, in mehreren Praxistests in stationären Pflegeeinrichtungen und in häuslichen Umgebungen evaluiert sowie die Benutzerschnittstelle für Callcenter-Mitarbeiter getestet.

Fortentwicklung des EU-Projekts

Die Probanden waren dabei keine Roboterspezialisten und kannten den zu überwachenden Raum nicht. Lediglich mithilfe einer 3-D-Brille und geeigneter Eingabegeräte wie etwa einer "6-D-Maus", die etwa die freie Bewegung des Roboterarms im Raum erlaubt, waren unterschiedliche Navigations- und Manipulationsaufgaben zu lösen, etwa das Ausweichen von Hindernissen im Raum oder das Greifen von Haushaltsgegenständen. Die Ergebnisse der Versuchsreihe dienen der Fortentwicklung des EU-Projekts, an dem zwölf Forschungseinrichtungen aus zahlreichen europäischen Ländern beteiligt sind. "Mit der getesteten Benutzerschnittstelle navigieren die Probanden im simulierten Callcenter den Serviceroboter schnell und sicher, Aufgaben werden rasch gelöst, Kollisionen reduziert und die Versuchspersonen trauen sich auch mehr zu als mit herkömmlichen Lösungen ohne 3-D-Umgebungsdarstellung", zieht Georg Arbeiter das vorläufige Fazit.

Bei Navigationstests wurden dabei nicht nur die zweidimensionale gegenüber der 3-D-Darstellung evaluiert, sondern auch verschiedene Verfahren der 3-D-Umgebungserfassung und ihre Eignung für unterschiedliche Aufgaben – das Umgebungsmodell muss schließlich sehr genau sein, schnell aktualisiert werden können und einfach zu übertragen sein. Einerseits besteht die Möglichkeit der Umgebungsdarstellung über eine 3-D-Punkte- oder Gitterkarte, das sogenannte "Voxelmodell". Dieses Modell ergibt sehr detaillierte Lagebilder, schafft allerdings hohe Datenmengen, was zu langsamer Aktualisierung via WLAN führt. Hingegen liefert die 3-D-Geometriekarte, die Objekte nach geometrischen Grundformen wie Zylinder oder Kugeln erfasst und in ein Ebenenmodell einsortiert, kompakte und zuverlässige Darstellungen mit Datenmengen, die rasch übertragen werden können.

3-D-Benutzerschnittstelle

2-D-Systeme, die lediglich den Raumgrundriss abbilden können, wurden hingegen als zu fehleranfällig eingeschätzt, da sie viele Navigationshindernisse wie überhängende Gegenstände nicht abbilden. Vergleichstests zwischen einem 3-D-Modell in Verbindung mit einem normalen Monitor und alternativ mit 3-D-Monitor und der sogenannten Shutterbrille ergaben: Praxisnahe und komplexe Manipulationsaufgaben, etwa das Greifen von Objekten, die schräg auf anderen liegen, konnten mithilfe der 3-D-Benutzerschnittstelle schnell und mit wenigen Perspektivwechseln durch den Anwender bewältigt werden.

Noch gibt es aber viel zu tun, denn schließlich sind herkömmliche Pizzaschachteln in der Realität deutlich kleiner als im Test oder Weinflaschen nur schwer von Wasserflaschen zu unterscheiden. Und sicher hat nicht jeder daheim ein so übersichtlich eingerichtetes Zuhause wie in der Simulation. Doch Roboter und Forscher sind lernwillig – auch wenn der Weg noch weit ist. 

Anzeige
Von Oliver Klempert | Präsentiert von VDI Logo
Zur StartseiteZur Startseite
schlagworte: 
kommentare

Aktuell wurden noch keine Kommentare zu diesem Artikel abgegeben. Loggen Sie ich ein oder melden Sie sich neu an, wenn Sie noch keine Zugangsdaten haben
> Zum Login     > Neu anmelden