Mensch-Computer/Roboter-Interaktion

Zur Bewertung von Situationen müssen multimodale Sensordaten durch das Interface erfasst und interpretiert werden. Für eine intuitive Bedienung ist es zudem notwendig, dem Benutzer in geeigneter Form Rückmeldung zu geben.

Dabei müssen auch die körperlichen Fähigkeiten des Benutzers, die aufgrund einer Krankheit oder Behinderung eingeschränkt sein können, berücksichtigt werden. Was körpernahe Robotersysteme wie intelligente Prothesen/Orthesen anbelangt, so ist die Schnittstelle zwischen Mensch und Roboter dafür von elementarer Bedeutung, damit der Benutzer den Fremdkörper als Teil seines eigenen Körpers wahrnehmen kann.

Forschungsthemen fokussieren sich auf das Verständnis menschlicher Wahrnehmung sowie die Entwicklung nutzerorientierter Schnittstellen.

Im Mittelpunkt unserer Arbeit stehen zum einen Eingabesysteme, die Menschen mit neuromuskulären Krankheiten die Bedienung eines Computers erleichtern sollen. Zum anderen arbeiten wir an Mensch-Roboter-Schnittstellen, die auf eine Verbesserung der Körperschemaintegration bei körpernahen Robotiksystemen abzielen. In beiden Teilbereichen werden diverse Wahrnehmungskanäle hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Die Computerbedienung betrifft vor allem die Entwicklung von Eingabegeräten und Software, die nur ein geringes Maß an körperlichem Aufwand erfordern. Im Zusammenhang mit Robotiksystemen werden fundamentale Aspekte der Körperschemaintegration untersucht und hinsichtlich einer technischen Umsetzung beurteilt.

Derzeitige Projekte zu diesem Thema:

Unterstützt durch das „Athene Young Investigator“ – Programm der TU Darmstadt

Dieses Projekt kombiniert Methoden aus den Ingenieurwissenschaften und Humanwissenschaften zur Bearbeitung des multidisziplinären Gebiets tragbarer Robotiksysteme für die Bewegungsunterstützung und –augmentation.

Durch die Berücksichtigung von Human Factors im Reglerentwurf werden Algorithmen entwickelt, die eine effiziente und natürliche Unterstützung bieten und verhindern, dass sich Nutzer „durch den Roboter gesteuert“ fühlen. Psychophysikalische Experimente zur Erfahrung der Steifigkeit tragbarer Roboter durch die Nutzer führt den Impedanzregelungsentwurf. Bei entsprechender Anpassung erleichtern diese Algorithmen vielseitige Fortbewegungsarten und werden fehlertolerant. Zusätzliche psychometrische und Human-in-the-Loop-Studien untersuchen den Einfluss der Algorithmen auf die Körperschemaintegration der tragbarer Robotiksysteme durch ihre Nutzer. Zur praktischen Validierung werden eine adaptive Unterschenkelprothese und eine aktive Knieorthese als Demonstratoren verwendet. Die Ergebnisse ermöglichen die Spezifizierung einer mensch-orientierten Reglerentwurfsmethode, die der Verbesserung von Nutzerakzeptanz und -zufriedenheit dient.

Kontakt: Philipp Beckerle,

Gefördert durch die DFG: FE 936/6

Menschen mit motorischen Behinderungen sind oft nicht dazu in der Lage, eine Computertastatur effizient (falls überhaupt) zu bedienen und sind folglich auf schnelle und effiziente Methoden zur Texteingabe – alternativ zur Standardtastatur – angewiesen. Für die Teilgruppe von Nutzern mit einer neuromuskulären Erkrankung, die im Mittelpunkt dieses Projekts steht, sind aufgrund von entsprechenden Begleiterscheinungen manche Alternativmethoden eher geeignet als andere. So gehen etwa neuromuskulär bedingte Krankheiten oft mit „Dysarthrie“ (Sprechstörung) einher, sodass Spracherkennung nur eingeschränkt (teilweise gar nicht) verwendbar ist. Es sollen hier geeignete Alternativen identifiziert und untersucht werden. Darüber hinaus soll der praktische Nutzen der dabei entstehenden Werkzeuge in Zielgruppentests untersucht werden.

Kontakt: Philipp Beckerle,

Bild: IMS

Gefördert durch die DFG: BE 5729/3&11

Das wissenschaftliche Netzwerk befasst sich mit der Körpererfahrung von Menschen, die Assistenzroboter oder andere körper-/nutzernahe Robotiksysteme verwenden. Die Ziele umfassen die Erkundung der technischen Möglichkeiten zur Verbesserung der Erfahrung durch geeignete Mensch-Roboter-Schnittstellen und Roboter-Designs. Hierzu analysieren und diskutieren die am Netzwerk beteiligten Wissenschaftler Maße zur Beurteilung der Körpererfahrung (Körperbild und Körperschema) sowie deren Berücksichtigung in neuen Entwurfsmethoden. Dies beinhaltet die Identifikation geeigneter Wahrnehmungskanäle und die Vorbereitung von Fuß- und Hand-Robotern für die experimentelle Untersuchung von „Rubber Limb Illusions“ und Schnittstellen-Designs.

Weitere Informationen zu den Aktivitäten des Netzwerks finden sich hier.

Bild: IMS

Gefördert durch die DFG: BE 5729/4

Die Kooperation mit der Arizona State University umfasst die Regelung eines Roboterbeines zur Untersuchung menschlicher Körpererfahrung. Zur Bewegungserkennung und Regelung wird eine Kombination aus elektromyographischer Muskelaktivitätsmessung und maschinellem Lernen untersucht. Hierdurch soll die Imitation menschlicher Bewegungen durch das Roboterbein verbessert werden. Des Weiteren werden im Rahmen des Projektes Bewertungsmethoden zur experimentellen Untersuchung der Körpererfahrung vorbereitet.

Kontakt: Philipp Beckerle,

Bild: IMS

Abgeschlossene Projekte zu diesem Thema:

Gefördert durch die DFG: FE 936/3

In diesem Projekt ging es darum, eine Steuerungsidee zu realisieren bzw. weiterzuentwickeln, die Personen mit schwersten körperlichen Behinderungen die „Freihand“-Bedienung eines Computers erlaubt. Die Methode gründete sich allein auf die Erkennung willkürlicher Kontraktionen eines einzelnen (frei wählbaren) Muskels. Aufgrund ausgeklügelter Verstärkungstechnik im Eingabesensor (welcher auf einem Piezoelement basiert) reichten bereits winzige Impulse (z. B. das Runzeln der Stirn) zur Generierung von Kontrollsignalen aus. Als Zielanwendung für die Muskelsteuerung war dabei nicht nur der Computer selbst gedacht, sondern im Prinzip jegliches zu steuernde Gerät, dessen Schnittstelle nach außen entsprechend umgestaltet werden musste. Insbesondere wurden zwei weitere Anwendungen untersucht: zum einen ein Rollstuhlsteuerungssystem und zum anderen eine Umgebungssteuerung („Environment Control System“).

Bild: IMS

Das durch die TU Darmstadt finanzierte Projekt zielte auf aktive Beinprothesen ab, die nutzerfreundlich und energieeffizient sind. Zur Entwicklung nutzer-orientierter Technik wurden Human Factors psychologisch analysiert und in Ingenieurmethoden integriert. Um die Energieeffizienz zu erhöhen, wurden elastische Antriebssysteme und deren Regelung durch Simulationen des menschlichen Ganges mit und ohne Prothese ausgelegt.