Grundlagen der Telerobotik

Das Ziel der Gestaltung optimaler Schnittstellen zwischen Mensch und Roboter besteht nicht darin, die reale Welt 1:1 in der neuen Welt der Interaktion abzubilden. Vielmehr geht es darum, auf Seiten des Operateurs eine Welt zu erzeugen, die Immersion und Performanz gewährleistet. Immersion bedeutet, dass der Nutzer in das System eintaucht und im Extremfall nicht mehr zwischen realer und künstlicher Welt unterscheiden kann. Performanz ist ein Maß für die Güte der Erledigung einer Aufgabe. Um dies zu gewährleisten sind Rückmeldungen über verschiedene Informationskanäle denkbar, die in Grundlagenuntersuchungen analysiert wurden:

  • haptische/kinästhetische Rückmeldungen
  • Sicht, visuelle Rückmeldungen
  • akustische Rückmeldungen

Haptik/Kinästhetik

Eine zentrale Herausforderung bei der Gestaltung von Schnittstellen im Bereich Telerobotik sind sogenannte haptische Rückmeldungen. Umgangssprachlich kann man Haptik  als den Sinn bezeichnen, der beim Greifen oder Berühren von Gegenständen wichtig ist. Haptische Rückmeldung ermöglicht uns beispielsweise, ein Glas so fest zu umfassen, dass es einem nicht entgleitet aber auch nicht zerbricht. Kinästhetik umfasst die Tiefensinne der Stellung der Gelenke, Muskeln und Sehnen. Feinmotorische Koordination benötigt sowohl haptische als kinästhetische Rückmeldung. 

termales Display

  

Cybertouch  

Cybergrasp

 

Literatur:

Nitsch, Verena; Färber, Berthold: "A Meta-Analysis of the Effects of Haptic Interfaces on Task Performance with Teleoperation Systems". In: IEEE Transactions on Haptics. 6, 2013, 4. - Pp. 387-398.

Hannig, Gunter: Modellierung multi-modaler haptischer Wahrnehmung; Dissertation Universität der Bundeswehr München, 2012.

Geiger, Lena; Popp, Michael; Färber, Berthold: Validation of a Testbed as a Screening Tool for Telepresence Systems in Terms of Fine-Motor-Performance Presence : Virtual and Augmented Reality, 20, 2, 2011 S. 162-172

Pongrac, Helena: Gestaltung und Evaluation von virtuellen und Telepräsenzsystemen an Hand von Aufgabenleistung und Präsenzempfinden. Dissertation UniBw. 2008
Deml, Barbara; Mihalyi, Andreas; Hannig, Gunter: Development and Experimental Evaluation of a Thermal Display; EuroHaptics 2006, Paris, France, 3-6 Juli 2006

Sicht/visuelle Rückmeldung

Die Sichtverhältnisse und damit die visuelle Information ist in Telepräsenzanwendungen durch verschiedene Parameter beeinträchtigt. Die Kameras können nicht alle Ansichten und Blickwinkel erfassen. Die Bandbreite bei der Übertragung reduziert die Qualität der Darstellung. Erfolgt die Darstellung auf der Operator-Seite mit einem Head Mounted Display (HMD) – was viele Vorteile hat - wird das Sichtfeld eingeschränkt. 

Head Mounted Display (HMD)

 

Negative Auswirkungen ergeben sich für die Einschätzung von Abständen, die Qualität bei Suchaufgaben, die Entdeckung von wichtigen Objekten und die Befindlichkeit des Operators. Eine Studie geht der Frage nach, ob die Ergänzung von Videobildern mit Virtual Reality zu einer Verbesserung der Leistung, des Situationsbewusstseins und des Telepräsenzempfindens führt.

 

Literatur:

Deml, Barbara: Human Factors Issues on the Design of Telepresence Systems; Presence : Teleoperators and Virtual Environments

Deml, Barbara; Färber, Berthold: Telemanipulation und virtuelle Realität; Enzyklopädie der Psychologie. Themenbereich D. Praxisgebiete, Ser. 3. Wirtschafts-, Organisations- und Arbeitspsychologie, Bd. 2. Ingenieurpsychologie

Pongrac, Helena; Leupold, Jan; Behrendt, Stephan; Färber, Berthold; Färber, Georg: Human Factors for Enhancing Live Video Streams with Virtual Reality. Performance, Situation Awareness, and Feeling of Telepresence. In: Presence : Teleoperators and Virtual Environments, 16, 5. MIT Press, 2007. S. 488-508
 

Akustische Rückmeldungen:

Menschen sind “multisensorische Informationsverarbeiter”. Trotz der dominanten Bedeutung des visuellen Sinns spielen haptische und akustische Informationen eine wichtige Rolle. Die Studien zum Einfluss von akustischen Informationen befassen sich mit Aufgaben der Lokalisation und Navigation. Sie zeigen zum einen, dass für diese spezifischen Aufgaben auditive und haptische Rückmeldungen  der visuellen unterlegen sind. Darüber hinaus führt auch die Kombination haptischer oder akustischer Informationen mit optischen für diese Aufgabenart nicht zu besseren Leistungen im Vergleich zu rein optischer Information. 


Literatur:

Benz, Tobias M.; Nitsch, Verena: “Understanding Ambiguous Effects of Multimodal Feedback on Situation Awareness and Task Performance Using Bayes Sense Integration” In: Proceedings of the 3rd Berlin Summer School Human Factors, 2017.

Benz, Tobias M.; Nitsch, Verena: „Using Multisensory Cues for Direction Information in Teleoperation“. In: IEEE International Conference on Robotics and Automation, Singapore, 2017.

Datenkompression und -übertragung:

Befinden sich Operator und Teleoperator an räumlich weit entfernten Stellen und ist die Bandbreite für die Datenübertragung begrenzt, so kommt es zu Verzögerungen in der Datenübertragung oder auch zu Aussetzern. Die verzögerte oder fehlende Rückmeldung führt zu Beeinträchtigungen bei der Leistung. Durch einen Rückgriff auf Erkenntnisse der Wahrnehmung kann dieses Problem gelöst werden. 

Nach dem Gesetz von Weber ist die Zunahme der Reizintensität, die eben wahrgenommen wird, ein konstanter Bruchteil der Intensität des Ausgangsreizes.

     

Wenn man in einem dunklen Raum eine Kerze anzündet, so kann man den Helligkeitsunterschied leicht sehen. Brennen hingegen 50 Kerzen und es kommt eine weitere hinzu, so wird man den Unterschied nicht erkennen können.

 

Wahrnehmungsbasierte Datenkompression:

  

Dieses Prinzip kann man auf die Kompression von haptischen Daten zur Reduktion der Daten-Übertragungsrate anwenden. Übertragen werden jeweils nur die schwarzen Werte (s.o.). Erst wenn sich eine signifikante Änderung der Werte ergibt, wird ein neuer Wert übertragen. Damit kann eine Reduktion der Datenrate von über 90 %, ohne Beeinträchtigung von wahrgenommener Qualität oder Aufgabenleistung erreicht werden.

 

Literatur:

Nitsch, Verena; Kammerl, Julius; Färber, Berthold; Steinbach, Eckehard: "On the Impact of Haptic Data Reduction and Feedback Modality on Quality and Task Performance in a Telepresence and Teleaction System". In: Kappers, A.M.L. et al. (EDs.): Haptics: Generating and Perceiving Tangible Sensations. International Conference, EuroHaptics 2010, Amsterdam, July 2010, Proceedings, Part I. - Pp. 169 – 176. Springer-Verlag Berlin.

Kammerl, Julius; Vittorias, Iason ; Nitsch, Verena; Färber, Berthold; Steinbach, Eckehard; Hirche, Sandra: "Perception-Based Data Reduction for Haptic Force-Feedback Signals Using Velocity-Adaptive Deadbands". In: Presence, Teleoperation and Virtual Environments, 19, 2010, 5. – Pp. 450-462. MIT Press.

Freyberger, Franziska: "Gestaltung visuell-haptischer Telepräsenz- und Teleaktionssysteme mittels psychologischer Grundlagen". Dissertation UniBw, 2008.

Pongrac, Helena; Leupold, Jan; Behrendt, Stephan; Färber, Berthold; Färber, Georg: “Human Factors for Enhancing Live Video Streams with Virtual Reality, Performance, Situation Awareness, and Feeling of Telepresence” In: Presence : Teleoperators and Virtual Environments, MIT Press, 2007, S. 488-508.

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