Robotik und Mensch-Maschine-Interaktion

Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine spielt eine zentrale Rolle in zahlreichen Anwendungen – von unterstützenden Technologien wie Exoskeletten, Orthesen und Prothesen bis hin zu industriellen Assistenzsystemen und Robotik. Besondere Herausforderungen entstehen, wenn Maschinen direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten, sei es zur Unterstützung der Mobilität, bei der Rehabilitation, bei der Steuerung von Roboterarmen oder zur Steigerung der körperlichen Leistungsfähigkeit. Für eine erfolgreiche und sichere Interaktion ist eine präzise Erfassung des menschlichen Verhaltens ebenso essenziell wie eine zuverlässige Sensorik, benutzerfreundliche Schnittstellen und intuitive Interaktionsstrategien.

Das Fachgebiet Mess- und Sensortechnik (MUST) baut hierbei auf umfangreiche Kompetenzen im Hardware-Design sowie auf die interdisziplinäre Zusammenarbeit im Rahmen des Graduiertenkollegs LokoAssist der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Nur die Kooperation mit Forschungsgruppen unterschiedlicher Fachdisziplinen erlaubt es, die interdisziplinären Herausforderungen, die bei der Entwicklung solcher Assistenzsysteme auftreten, zu bewältigen. Somit können Systeme entwickelt werden, die nicht nur technologisch fortschrittlich, sondern auch optimal auf die Bedürfnisse des Menschen abgestimmt sind.

Unsere 3D-gedruckten Einlegesohlen mit Ferroelektret-Sensoren revolutionieren die Gang-Erkennung für tragbare Robotik. Leicht, kostengünstig und präzise erfassen sie die markanten Gangereignisse wie Fersenauftritt mit minimaler Verzögerung und ermöglichen eine nahtlose Biomechanik-Analyse sowie die Steuerung von Exoskeletten. Entwickelt zur Unterstützung natürlicher Bewegungen ohne labortechnische Einschränkungen, ebnen sie den Weg für neue Fortschritte in der Rehabilitation und Assistenzrobotik. Weitere Informationen dazu in der zugehörigen Veröffentlichung.

Vibrotaktiles Feedback kann gut zur Ergänzung oder als Ersatz für visuelle Reize verwendet werden. Durch eine geeignete Anordnung der Vibrationsaktorik können dem Menschen bspw. auch Richtungsinformationen dargestellt werden. Im Rahmen einer Kooperation eröffnet ein solches Interface einen Informationskanal, über den der Roboter dem Menschen intuitiv verständliche Signale zukommen lassen kann.

Das hier dargestellte Armband verwendet so genannte vibrotaktile Illusionen, um mit nur vier Aktoren Vibrationen um den gesamten Armumfang zu erzeugen. Weitere Informationen dazu in der zugehörigen Veröffentlichung.

Inertiale Bewegungserfassung liefert wertvolle Daten in Bereichen wie Biomechanik, Robotik und Mensch-Computer-Interaktion. Unser tragbares Bewegungserfassungssystem kombiniert Open-Source-Hardware mit einem modularen Software-Framework, das Kompatibilität mit den biomechanischen Software-Tools OpenSim und OpenSense bietet. Das System verfügt über einen Algorithmus zur automatischen Kalibrierung basierend auf arbiträren Bewegungen, wodurch Plug-and-Play-Funktionalität erreicht werden kann. Weitere technische Details und Ergebnisse sind in der zugehörigen Veröffentlichung zu finden.

In seiner Bachelorarbeit konstruierte Felix Herbst diesen Prototypen eines 3D-gedruckten Sechs-Achs-Roboters, der mittlerweile in dritter Generation vielfach repliziert wurde. Ausführliche Informationen zum Hintergrund im Artikel von Mareike Hochschild.

Exoskelette sind tragbare robotische Systeme, die den Menschen hinsichtlich Leistung und Zielsicherheit unterstützen können. Ein robotisches System am menschlichen Arm kann bspw. die Kraft und Genauigkeit sowohl eines gesunden als auch eines körperlich eingeschränkten Menschen verbessern. Die Vorteile aus beiden Welten vereint, lassen sich intelligente Mensch-Maschine-Systeme entwickeln zur Leistungsunterstützung, der Rehabilitation, der Teleoperation oder zur haptischen Interaktion in Szenarien der Virtual Reality.

Für eine intuitive und nahtlose Interaktion zwischen Mensch und Maschine beim Einsatz von Exoskeletten oder aktiven Prothesen ist der Einsatz geeigneter Sensorsysteme für eine effektive Bewegungsunterstützung unerlässlich. Gerade für den alltäglichen Gebrauch müssen die Sensoren möglichst wenig einschränken. In unserer Forschung entwickeln wir eigenständig Kraftsensoren auf Basis von Ferroelektreten, um die Verformung einzelner Muskeln zu erfassen und so auf die Intention des Nutzers zu schließen. Diese Sensoren setzen wir in alltäglichen Sensoren wie der Aufstehbewegung ein, die für eingeschränkte Personen eine besonders hohe Belastung darstellt. Mit Hilfe dieser Systeme arbeiten wir daran, Menschen mit Bewegungseinschränkungen ein Stück Lebensqualität im Alltag zurückzugeben. Details und Ergebnisse sind in der zugehörigen Veröffentlichung zu finden.

Im Gegensatz zu Robotern mit konventionellen, diskreten Gelenken zeichnen sich Kontinuumsroboter durch ihre deplatzierten Gelenke aus. Kontinuumsgelenke benötigen keine diskrete Lagerung im klassischen Sinne und lassen sich deshalb hervorragend miniaturisieren. Die Anwendungsbereiche der Kontinuumsroboter sind vielfältig und reichen von der Untersuchung unwegsamer Gebiete über Objektmanipulation bis hin zum invasiven medizintechnischen Einsatz.