Institut für
Robotik und Prozessinformatik

Deutsch   English

Benutzerstudie zum Thema Fügestrategien in der Montage

Motivation


Bei der Programmierung von Robotern handelt es sich um eine komplexe und zeitintensive Aufgabe. Aus diesem Grund beschäftigt sich die Forschung mit Methoden der benutzerfreundlichen Roboterprogrammierung, um den mit ihr einher gehenden Aufwand zu reduzieren. Eine Methode ist dabei die Verwendung von "Programming by Demonstration" (PbD, deutsch: Programmieren durch Vormachen). Verschärft wird die Dringlichkeit, über eine einfache und intuitive Methode zur Roboterprogrammierung zu verfügen, durch den demographischen Wandel. Infolgedessen müssten zunehmend Assistenzroboter in der Industrie eingesetzt werden, um die Ergonomie von Arbeitsplätzen an das steigende Durchschnittsalter der Arbeitnehmer anzupassen und so keinen Arbeitnehmer vom Arbeitsmarkt auszuschließen. Ein breiter Einsatz von Assistenzroboter ist jedoch erst dann möglich, wenn die initiale Programmierung sowie eine regelmäßige Umprogrammierung ohne großen Aufwand möglich ist. Gemäß des Konzeptes des PbD und im Speziellen des "Kinesthetic Teaching" (deutsch etwa: Lernen durch Anfassen) ist es möglich, einen Roboter durch Anfassen und Vorführen einer Bewegung zu programmieren. Somit könnten auf intuitiver Weise unter geringem Zeitaufwand Roboterprogramme erstellt werden.
Das Ziel der Benutzerstudie ist es, den Einsatz von PbD für die Roboterprogrammierung genauer zu untersuchen sowie zu vereinfachen und somit den Einsatz von Assistenzrobotern in der Industrie zu fördern. Hierfür werden zunächst die Unterschiede zwischen dem Ausführen von Fügeoperationen mit und ohne PbD untersucht. Um anschließend die gefundenen Unterschiede kompensieren zu können, sollen zunächst aus den aufgenommenen Daten Fügestrategien abgeleitet werden. Mit Hilfe der gefundenen Fügestrategien soll versucht werden, die Fügeoperationen mit PbD so anzupassen, dass sie exakt denen ohne PbD entsprechen. Auf diese Weise ist es möglich, dass Assistenzrobter sich genau so verhalten, wie der Arbeitnehmer, dem sie assistieren, es von ihnen erwartet. Auf diese Weise kann nicht nur die Programmierung vereinfacht und die Ergonomie gesteigert werden, es ist auch möglich das Unfallrisiko zu senken.

Experiments


Die Benutzerstudie besteht aus vier verschiedenen Fügeaufgaben mit unterschiedlicher Komplexität. Dabei handelt es sich um das Einführen eines Stifts in ein Loch, das Einführen einer Keilwelle in ihren Sockel, dem Montieren einer Steckdose auf einer Hutschiene sowie dem Platzieren einer komplexen Geometrie mit Freiheitsgraden auf einer passenden Ablagefläche.

all_merged_low.png
Verwendete Fügeobjekte


Jede dieser Fügeaufgaben wird von einem Teilnehmer fünf Mal pro Fügeart ausgeführt. Dabei wird die Reihenfolge der Fügeaufgaben zwischen verschiedenen Teilnehmer variiert, um nicht nur Lerneffekte bezüglich einer Fügeaufgabe sondern auch aufgabenübergreifende Lerneffekte untersuchen zu können. Als Fügearten werden das manuelle und das roboterassiterte Fügen unterschieden sowie zusätzlich ein Griff verwendet. Der Griff dient dazu, um den Einfluss von taktilen Informationen auf den Fügevorgang quantifizieren zu können, da die beiden anderen Fügearten sich in diesem Punkt unterscheiden.
Um sicher zu stellen, dass jede Versuchsperson vor Beginn der Fügeaufgaben dieselben Informationen erhält, wurde ein Video(External) gezeigt. Dieses Video beschreibt die Fügeaufgaben sowie die Verwendung des Roboters.

Ergebnisse


Mit der Auswertung der aufgezeichneten Messdaten wurde bereits begonnen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass es Unterschiede zwischen dem manuellen und dem roboterassistierten Fügen, in der Art und Weise wie die Fügeoperation ausgeführt wird, existieren.

Eine unserer Fragestellungen bei der Benutzerstudie war, welche Veränderungen der Fähigkeiten bei den Fügeaufgaben durch das Führen des Roboters im Vergleich zur Bewältigung der Aufgabe per Hand auftreten. Denn durch das Führen des Roboters gehen massiv taktile Informationen verloren, die ein Mensch normalerweise über seine Hand aufnimmt.

Ein signifikanter Unterschied ist die benötigte Zeit. Ein manuelles Fügen per Hand ist im Vergleich zum Fügen mit dem Roboter im Durchschnitt schneller (siehe untenstehende Grafik). Aber auch bei der Benutzung des Griffes gehen taktile Informationen verloren, doch die benötigte Zeit steigt nicht so stark an. Die vermuteten Effekte sind höhere Trägheit, Reibung und Sichtbehinderung durch den Roboter.

example_graph_DE.png
Dauer verschiedener Fügevorgänge (5. Wiederholung)



Des Weiteren wollten wir herausfinden inwiefern es Lerneffekte gibt - Kommt eine Person besser mit einer Fügeaufgabe am Roboter zurecht, wenn sie die Aufgabe zunächst per Hand durchgeführt hat? Hierfür testeten wir an verschiedenen Personen unterschiedliche Reihenfolgen der einzelnen Versuche.

Es gibt Lerneffekte, sowohl innerhalb eines sich wiederholenden Versuchs als auch versuchsübergreifend. Durchschnittlich konnten Probanden beispielsweise die benötigte Fügezeit beim Fügen eines Stiftes in ein Loch unter Benutzung des Roboters in der zweiten Wiederholung um ca. 40% steigern. Ohne den Roboter, bei manuellem Fügen per Hand, steigerte sich die Performance nur um ca. 20%. Wird eine Aufgabe zunächst per Hand und anschließend per Roboter durchgeführt, so sind die Ergebnisse der Probanden besser, als die der Personen, die die Aufgabe noch nicht kannten. Nach wenigen Wiederholungen wird dieser Vorsprung aber aufgeholt.
Überraschenderweise sind Personen die gute Ergebnisse im manuellen Fügen zeigen nicht zwangsläufig auch beim Fügen mit dem Roboter besser im Vergleich zu anderen Personen.

Durch die Auswertung der Fragebögen konnten wir zusätzlich noch herausfinden, dass Personen mit besserem räumlichen Vorstellungsvermögen nur wenig Vorteile gegenüber anderen Personen haben: Lediglich in einem der vier Fälle konnten bessere Ergebnisse beobachtet werden.


Eine detaillierte Beschreibung der Benutzerstudie sowie eine Auswertung kann dem englischsprachigen Fachbericht(PDF) entnommen werden. Erste Ergebnisse aus der Benutzerstudie werden im Oktober 2014 auf der International Conference on Simulation, Modelling, and Programming for Autonomous Robots 2014(External) in Bergamo, Italien präsentiert.

Ausblick


Die weitere Auswertung der Messdaten zielt darauf ab, Fügestrategien zu identifizieren. Mit Hilfe der Fügestrategien soll untersucht werden, wie der gefundene Unterschied zwischen dem manuellen und dem roboterassistierten Fügen automatisch kompensiert werden kann.



Bei weitergehenden Fragen können Sie sich gerne an Arne Muxfeldt oder Jan-Henrik Kluth wenden.

It took 0.26s to generate this page.