Autorinnen: Prof. Dr. Martine Herpers, Hochschule Fulda, Fachbereich Angewandte Informatik, Robin Kirschner (BSc), TU Chemnitz, Fakult\u00e4t Maschinenbau<\/p>\n
In der Forschung wird seit einiger Zeit an Robotern gearbeitet, die Aufgaben im Haushalt \u00fcbernehmen und Unterst\u00fctzung in der Pflege anbieten. In diesem Beitrag wird ein universeller Vorschlag f\u00fcr das systematische Testen, der wichtigsten funktionalen F\u00e4higkeiten von eHealth Service Robotern vorgestellt, der auf praktischen Erfahrungen im Wohnlabor der Hochschule Fulda und einer Modellierung der Pflegeroboter und des Wohnumfelds besteht. Service-Roboter erfreuen sich seit Jahren wachsender Beliebtheit im h\u00e4uslichen Umfeld [1]. Sie \u00fcbernehmen Aufgaben im Haushalt und Garten oder unterst\u00fctzen bei der Pflege von \u00e4lteren oder kranken Mitmenschen. Mobilit\u00e4t von autonomen Robotern erfordert die M\u00f6glichkeit, mit Hilfe geeigneter Sensorik ortsabh\u00e4ngig durch unbekannte R\u00e4ume zu navigieren. Das h\u00e4usliche Umfeld stellt sehr hohe Anforderungen an die mobilen Roboter. Was f\u00fcr Menschen kein Problem darstellt, wie geschlossene T\u00fcren, verschobene M\u00f6bel oder vielf\u00e4ltige Formen, kann f\u00fcr Roboter ein un\u00fcberwindbares Hindernis sein [2]. eHealth-Anwendungen verlangen dar\u00fcber hinaus, dass sich die Roboter dem Menschen n\u00e4hern und mit ihm kommunizieren k\u00f6nnen.<\/p>\n F\u00fcr einen systematischen Test muss die Komplexit\u00e4t des Roboters und der Umgebung angemessen ber\u00fccksichtigt werden. Meist wird Szenario-basiert in verschiedenen Haushalten oder Einrichtungen getestet, die mehr oder weniger zuf\u00e4llig zur Verf\u00fcgung stehen. Da das h\u00e4usliche Umfeld von der jeweiligen Kultur und auch der Affinit\u00e4t der Bewohner*innen zur technischen Ausstattung abh\u00e4ngt, ist ein vollst\u00e4ndiges Testen kaum zu erreichen. Damit hat z.B. der Test eines Pflegeroboters in einem japanischen Haushalt nur bedingte Aussagekraft f\u00fcr den Einsatz in deutschen Wohnzimmern.<\/p>\n Mit einer ausf\u00fchrlichen\u00a0Literaturstudie<\/em>\u00a0sowie in eigenen Studien konnten einige entscheidende Anforderungen an die Testumgebung\/Wohnumgebung f\u00fcr autonome mobile Pflege-Roboter ermittelt werden [3] [4], die im Folgenden vorgestellt werden. Die einfachste Version von mobilen Robotern im Haushalt sind die Staubsauger- oder Wischroboter, die einen hohen Grad der Bodenabdeckung erreichen m\u00fcssen. Mit\u00a0explorativen Tests<\/em>\u00a0wurde das Verhalten in verschiedenen Situationen, wie beim Start an der Ladestation, bei der \u00dcberwindung von spontanen Hindernissen und potentiellen Problemen mit M\u00f6blierung, beobachtet und systematisiert. Bei Aufgaben, die am oder mit dem eHealth-Klienten durchgef\u00fchrt werden, ist die Erreichbarkeit des Klienten durch den Roboter ausschlaggebend. Seit 2014 werden verschiedene Roboter, wie Pepper, LIO, Car-O-bot und ROBEAR, in Pflegeeinrichtungen ausprobiert, deren unterschiedlicher Aufbau und Ausstattung in der Modellierung f\u00fcr ein allgemeines Modell eines Pflegeroboters ber\u00fccksichtigt wurde.<\/p>\n Die unterschiedlichen Roboter lassen sich wie folgt allgemein modellieren. Bezogen auf die Fortbewegung bestehen sie aus einer Mobilit\u00e4tseinheit (meist R\u00e4dern), einem K\u00f6rper und Aktoren\/Endeffektoren wie B\u00fcrsten oder Arme. Die Ausma\u00dfe des Roboters, wie der maximale K\u00f6rperdurchmesser plus angebrachter Aktoren (RKmax<\/sub>), die H\u00f6he (RH) und die Reichweite (RR) sind f\u00fcr die Einsatzf\u00e4higkeit im Wohnumfeld entscheidend (siehe Abbildung 1,\u00a0PDF<\/a>).<\/p>\n Folgende\u00a0neun Kategorien<\/em>\u00a0sind bei der Festlegung einer Teststrategie zu ber\u00fccksichtigen: enge Passagen (P), h\u00e4ngende Objekte (hO), M\u00f6bel mit Beinen, instabile Objekte, versteckende Bereiche, Reflektionen\/Licht (inkl. Farben und durchsichtige Hindernisse), Abgr\u00fcnde, kleine lose Gegenst\u00e4nde auf dem Boden (z.B. Teppichfransen, Stromkabel), Raumformen. Welche Auspr\u00e4gung dieser Kategorien f\u00fcr den Test eines eHealth Roboters gew\u00e4hlt werden muss, h\u00e4ngt von der Gestalt, der Mobilit\u00e4tseinheit und der verwendeten Sensorik und Aktoren ab. Im Folgenden werden die Kategorien kurz beschrieben.<\/p>\n Enge Passagen<\/strong>\u00a0(narrow passages) liegen vor, wenn f\u00fcr die Passage P die Breite b und die L\u00e4nge l die Formal (1) gilt. Der variable Faktor \u03b5 ist jeweils geeignet zu w\u00e4hlen. (Siehe Formel im\u00a0PDF<\/a>)<\/p>\n Enge Passagen k\u00f6nnen zum Hindernis f\u00fcr Roboter werden, die sich in der Passage neu orientieren oder Bewegungen ausf\u00fchren m\u00fcssen. Je l\u00e4nger die enge Passage ist, umso eher wird sie zu einem Hindernis f\u00fcr einen Roboter.<\/p>\n H\u00e4ngende Objekte<\/strong>\u00a0(hanging objects) sind kritisch, wenn sie bis auf ungef\u00e4hr die H\u00f6he des Roboters herabh\u00e4ngen, d.h. wenn die Distanz zum Boden (D) unter dem h\u00e4ngenden Objekt geringf\u00fcgig niedriger ist, als die H\u00f6he des Roboters. Ortsstabile h\u00e4ngende Objekt k\u00f6nnen in dieser H\u00f6he f\u00fcr das Einklemmen des Roboters mit verantwortlich sein. (Siehe Formel im\u00a0PDF<\/a>)<\/p>\n M\u00f6bel mit Beinen<\/strong>\u00a0(furnitures with legs) sind immer dann kritisch, wenn der Roboter sich unter den M\u00f6beln bewegen oder die Mobilit\u00e4tseinheit\/Aktorik\/Endeffektoren an den M\u00f6belbeinen h\u00e4ngen bleiben k\u00f6nnen. Im ersten Fall kann ein Irrgarten entstehen, der die Effektivit\u00e4t des Roboters einschr\u00e4nken kann.<\/p>\n Ein\u00a0Hindernis<\/strong>\u00a0wird als\u00a0instabil<\/strong>\u00a0(instable objects) angesehen werden, wenn es durch die Ber\u00fchrung mit dem Roboter unabsichtlich verschoben, besch\u00e4digt oder zur Gefahrenquelle f\u00fcr eHealth Klient*innen (z.B. Stolperfalle) werden kann.<\/p>\n Versteckende Bereiche<\/strong>\u00a0(hiding areas) liegen vor, wenn eHealth Klient*innen an diesem Ort nicht von dem Roboter erreicht werden k\u00f6nnen, d.h. wenn die minimale Distanz Dmin<\/sub>\u00a0des Roboters zum Klienten kleiner ist als die Reichweite des Roboters (RR). Solche Bereiche sind h\u00e4ufig die Lieblingspl\u00e4tze der eHealth Klient*innen, die z.B. mit Beistelltischen zugestellt werden, oder entstehen unabsichtlich z.B. durch dunkle Teppichb\u00f6den, die der Roboter als Abgrund einstuft und sie nicht \u00fcberquert.<\/p>\n Reflektionen\/Licht<\/strong>\u00a0kann Roboter beeintr\u00e4chtigen, die optische Sensoren oder Kameras verwenden. Bodentiefe Fenster und weitere reflektierende Gegenst\u00e4nde k\u00f6nnen zu unerwarteten Lichteffekten f\u00fchren.<\/p>\n Abgr\u00fcnde<\/strong>\u00a0lassen sich in Abh\u00e4ngigkeit der Mobilit\u00e4tseinheit des Roboters bestimmen. Die meisten Haushaltsroboter und eHealth Roboter bewegen sich auf R\u00e4dern, die Unterschiede von wenigen Zentimetern gut \u00fcberwinden k\u00f6nnen. H\u00f6here Bodenunterschiede oder Treppen stellen un\u00fcberwindbare Abgr\u00fcnde dar, die zuverl\u00e4ssig erkannt werden sollten. Vierbeinige Roboter k\u00f6nnten Treppen \u00fcberwinden, werden aber bisher nicht f\u00fcr den Haushalt hergestellt.<\/p>\n Kleine, lose Gegenst\u00e4nde<\/strong>\u00a0werden h\u00e4ufig nicht gut von Robotern erkannt. F\u00fcr die meisten Haushaltsroboter gilt, dass der Boden vor der Benutzung des Roboters frei zu r\u00e4umen ist. Insbesondere sehr kleine Gegenst\u00e4nde, die unter die Mobilit\u00e4tseinrichtung und zwischen die R\u00e4der oder Beine gelangen k\u00f6nnen, k\u00f6nnen eine Gefahr f\u00fcr den Roboter darstellen.<\/p>\n R\u00e4ume k\u00f6nnen sehr unterschiedlich geformt sein. F\u00fcr den Roboter wird der Raum zus\u00e4tzlich durch die M\u00f6bel beschr\u00e4nkt. Jede\u00a0Raumform<\/strong>\u00a0von abgerundet bis zu spitzen Ecken kann vorkommen.<\/p>\n Die oben genannten Kategorien k\u00f6nnen f\u00fcr den\u00a0systematischen Systemtest<\/em>\u00a0herangezogen werden und das Szenario-basierte Testen erg\u00e4nzen. Abh\u00e4ngig von den Ma\u00dfen und der Sensorik\/Aktoren der Roboter kann mit der\u00a0Grenzwertanalyse<\/em>\u00a0die H\u00f6he und Anordnung der M\u00f6bel bestimmt werden und f\u00fcr jede Kategorie festgestellt werden, ob sie ausreichend getestet wurde. In\u00a0Klassifikations-B\u00e4umen<\/em>\u00a0k\u00f6nnen die Testf\u00e4lle \u00fcbersichtlich spezifiziert werden.<\/p>\n Das\u00a0Wohnlabor<\/em>\u00a0der Hochschule Fulda, Fachbereich Oecotrophologie, wurde f\u00fcr die Tests an einfachen eHealth Robotern verwendet. Das Wohnlabor bietet ein B\u00fcro, Esszimmer, Sitzecke, Flur und Wohnzimmer in durch stabile Vorh\u00e4nge abtrennbaren Bereichen. Durch bodentiefe Fenster kann Tageslicht einfallen, was zu wechselnden Lichteinfl\u00fcssen f\u00fchren kann. Konstante Lichtverh\u00e4ltnisse k\u00f6nnen durch das sehr flexible Beleuchtungssystem des Living Labs hergestellt werden. Die meisten Tests wurden mit dem Roomba 680 durchgef\u00fchrt. Der Turtlebot 2 verwendet eine baugleiche Mobilit\u00e4tseinheit und hat den gleichen Durchmesser. Lediglich in der H\u00f6he unterscheiden sich die beiden Robotern. Die stabile und zuverl\u00e4ssige Mobilit\u00e4tseinheit sowie die hohe Akzeptanz im Haushalt machen diese Roboter zu idealen Versuchsplattformen. Das Wohnlabor bietet die meisten der oben genannten Kategorien. In Abb. 2 (siehe\u00a0PDF<\/a>) sind die engen Passagen, Gefahr durch instabile und h\u00e4ngende Objekte sowie die versteckenden Bereiche f\u00fcr die untersuchten Roboter gekennzeichnet. Reflektionen treten durch das bodentiefe Fenster im Wohnbereich auf, und mit flexibel angebrachten Deckenlampen k\u00f6nnen unterschiedliche Lichtverh\u00e4ltnisse erzeugt werden. Verschiedene Bodenbel\u00e4ge k\u00f6nnen verwendet werden.<\/p>\n Da das Living Lab weder eine K\u00fcche noch ein Badezimmer beinhaltet, wurden weitere Tests in privaten Umgebungen durchgef\u00fchrt. Da insbesondere die tief h\u00e4ngenden, festen Objekte im Bad oder WC in der Enge dieser R\u00e4ume zu W\u00e4nden und Heizungen zu Verklemmungen f\u00fchren k\u00f6nnen, soll das Living Lab um solche Testm\u00f6glichkeiten erweitert werden. Die definierten Kategorien k\u00f6nnen in der Zukunft helfen, Haushalts- und eHealth-Roboter systematisch zu testen und als Input f\u00fcr die testorientierte Entwicklung von Robotern dienen. In weiteren Projekten sollen die speziellen Auspr\u00e4gungen f\u00fcr die verschiedenen Roboterarten in der Pflege genauer analysiert werden, um noch spezifischer Testszenarien und Testumgebungen empfehlen zu k\u00f6nnen.<\/p>\n Care-O-bot von Fraunhofer<\/a><\/strong><\/p>\n LIO von F&P Personal Robotics<\/a><\/strong><\/p>\n Pepper von Aldebaran und Softbank Mobile<\/a><\/strong><\/p>\n ROBEAR von Sumitomo Riko<\/a><\/strong><\/p>\n Roomba von iRobot<\/a><\/strong><\/p>\n Turtlebot von Open Source Robotics Foundation, Inc.<\/a><\/strong><\/p>\n VGo Roboter von VGo Robotics<\/a><\/strong><\/p>\n
\n<\/strong><\/p>\nEinleitung<\/h2>\n
Methodik<\/h2>\n
Modellierung Pflegeroboter und h\u00e4usliche Umgebung<\/h2>\n
Fazit<\/h2>\n
Linkliste Roboter<\/h2>\n
Literaturverzeichnis<\/h2>\n