A Web-Based Human Machine Interface with Real-Time Control and Usability Demonstration in Rehabilitation Robotics

Stellen Sie sich die Welt der Roboter als ein riesiges, komplexes Orchester vor. Lange Zeit musste der Dirigent (der menschliche Bediener) direkt neben dem Instrument stehen und einen schweren, kabelgebundenen Taktstock aus dicken Kabeln und blinkenden Lichtern halten. Das war die alte Art, Roboter zu steuern: Man musste im selben Raum sein, an eine bestimmte Maschine angeschlossen und oft musste man eine Geheimsprache aus Knöpfen und Schaltern kennen, nur um den Roboter zu bewegen. Es war, als würde man versuchen, Klavier zu spielen, während man Ofenhandschuhe trägt; man konnte es zwar tun, aber es war klobig, langsam und man konnte die Musik nicht einfach mit anderen teilen.

Aber was wäre, wenn der Dirigent überall auf der Welt stehen könnte, nur eine Sonnenbrille tragen oder ein Tablet halten würde und dennoch das Orchester mit perfekter Präzision dirigieren könnte? Dies ist der Traum moderner „Human-Machine Interfaces“ (HMI – Mensch-Maschine-Schnittstellen). Denken Sie an ein HMI als eine Art Fernbedienung für einen Roboter, aber anstatt nur den Kanal zu wechseln, lässt sie Sie eine Maschine steuern, ihre Bewegungen fühlen und Probleme sofort beheben. Die große Frage, die sich Forscher stellen, lautet: Können wir diese Fernbedienungen so einfach und schnell machen, dass jeder sie nutzen kann, selbst während er geht oder andere Aufgaben erledigt, ohne einen Informatik-Abschluss zu benötigen? Wenn uns das gelingt, könnten wir Menschen mit Verletzungen helfen, schneller gesund zu werden, indem wir Ärzten oder Therapeuten ermöglichen, robotische Helfer von zu Hause aus oder sogar durch das Tragen einer futuristischen Brille zu führen.

In dieser Arbeit geht es darum, diese Super-Fernbedienung zu bauen und zu beweisen, dass sie tatsächlich funktioniert. Die Autoren, die mit einem leistungsstarken Roboter arbeiteten – einer knöchel-fuß-prothetischen Prothese (einer hochtechnologischen künstlichen Beinprothese für Menschen, die einen Fuß verloren haben) –, entschieden sich dazu, die alten, schweren Kabel hinter sich zu lassen und eine webbasierte Schnittstelle zu entwickeln. Anstatt einen speziellen, teuren Computer im Labor zu benötigen, erschufen sie ein System, bei dem der Roboter mit einer Website kommuniziert. Das bedeutet, dass man den Roboter über ein Tablet, ein Telefon oder sogar über Augmented Reality (AR)-Brillen steuern kann, die die Bedienelemente direkt in das Sichtfeld projizieren, wie eine Overlay-Grafik in einem Videospiel.

Das Team hat es nicht nur gebaut, sondern auch auf die Probe gestellt. Sie richteten einen „Banktop“-Test ein, bei dem der Roboter auf einem Tisch festgespannt war, und sie ließen auch eine Person mit einer Unterschenkelamputation auf einem Laufband mit der Prothese gehen. In diesen Tests versuchten sie, die Bewegungen des Roboters mit ihrem neuen webbasierten System zu steuern. Die Ergebnisse waren beeindruckend: Das System war schnell, reagierte in nur 10 Millisekunden (das ist schneller als ein menschliches Blinzeln), und es ermöglichte dem Roboter, die gewünschten Bewegungen mit einer Genauigkeit von 97,5 % zu verfolgen. Es war, als ob der Roboter die Gedanken des Benutzers lesen würde und sich exakt so bewegte, wie er es wollte, fast augenblicklich.

Um zu sehen, ob diese neue Art, Roboter zu steuern, tatsächlich besser für Menschen ist, führten die Forscher eine Studie mit Personen durch, die das System noch nie zuvor benutzt hatten. Sie verglichen drei Wege, die Aufgabe zu bewältigen: das neue webbasierte Touchscreen-System, einen Standard-Computermonitor ohne Touch-Funktion und die „Old-School“-Methode unter Verwendung von reinem Code auf einem Computer (ganz ohne Interface). Die Ergebnisse waren eindeutig: Das neue webbasierte System war der Gewinner. Menschen, die es verwendeten, erledigten ihre Aufgaben 75 % schneller als diejenigen, die die alte Methode mit reinem Code nutzten. Zudem machten sie 49 % weniger Fehler.

Vielleicht am wichtigsten ist, dass das neue System wesentlich weniger stressig für das Gehirn war. Die Forscher maßen die mentale Arbeitsbelastung und fanden heraus, dass das neue System diese mentale Last im Vergleich zur alten Methode um 50 % reduzierte. Es war, als würde man von dem Tragen eines schweren Rucksacks einen Berg hinauf zu der Fahrt in einem sanften Aufzug wechseln. Die Teilnehmer fühlten sich stärker involviert, fanden das System einfacher zu bedienen und berichteten, dass sie weniger gestresst waren. Selbst im Vergleich zum Standard-Computermonitor war die webbasierte Version um 37 % schneller in der Anwendung, was darauf hindeutet, dass die Möglichkeit, direkt auf dem Bildschirm zu berühren und zu wischen, einen riesigen Unterschied machte.

Das Papier zeigte auch, dass dieses System in Situationen, in denen die Hände beschäftigt sind („hands-busy“), funktioniert. Durch die Verwendung von Augmented-Reality-Brillen kann ein Benutzer die Bedienelemente vor sich schweben sehen, während seine Hände frei sind, um der auf dem Laufband laufenden Person zu helfen. Dies ist ein großer Fortschritt, denn es bedeutet, dass ein Therapeut einen Roboter führen kann, während er gleichzeitig einem Patienten hilft, ohne dafür aufhören zu müssen, auf eine Tastatur zu tippen.

Die Autoren weisen jedoch vorsichtig darauf hin, dass dies zwar ein großer Schritt nach vorn ist, es sich aber immer noch um ein Laborexperiment handelt. Sie stellten fest, dass die Ergebnisse mit einer kleinen Gruppe von Menschen in einer kontrollierten Umgebung gemessen wurden. Sie schlagen vor, dass das System zwar vielversprechend ist, aber weitere Tests mit größeren Gruppen und in unordentlichen, realen Umgebungen benötigt, um sicherzustellen, dass es überall funktioniert. Sie weisen auch darauf hin, dass das System zwar schnell und genau ist, der nächste Schritt jedoch darin besteht, es noch robuster zu machen – etwa durch Tests, was passiert, wenn die Internetverbindung instabil wird oder wenn mehrere Personen gleichzeitig versuchen, den Roboter zu steuern.

Kurz gesagt zeigt diese Arbeit, dass wir die klobigen, schwer zu bedienenden Robotersteuerungen der Vergangenheit in elegante, webbasierte Werkzeuge verwandeln können, die jeder benutzen kann. Sie beweist, dass wir durch den Wechsel zu einem Webbrowser und das Hinzufügen von Touch- und AR-Funktionen Roboter schneller, genauer und wesentlich weniger stressig für die Menschen machen können, die sie bedienen müssen. Es ist ein bedeutender Schritt in Richtung einer Zukunft, in der Roboter nicht nur Werkzeuge sind, die wir erst mühsam erlernen müssen, sondern Partner, mit denen wir natürlich und jederzeit kommunizieren können.