Physical Human-Robot Interaction

Auch genannt: pHRI
Kategorie: Control › Human in the loop
Schlagwörter: human-robot-interaction, safety, contact, force-control, assistive-robotics

Interaktion, bei der ein Roboter und ein Mensch über direkten oder indirekten physischen Kontakt Kräfte austauschen, ob geplant, wie beim Führen oder Unterstützen, oder ungeplant, wie bei einer Kollision.

Definition

Physische Mensch-Roboter-Interaktion (Physical human-robot interaction, pHRI) umfasst jede Situation, in der ein Roboter und ein Mensch Kräfte austauschen, sei es durch direkte Berührung oder über ein gemeinsames Objekt. Der Kontakt kann beabsichtigt sein, etwa wenn ein Werker einen kollaborativen Arm von Hand führt, ein Rehabilitationsroboter die Gliedmaße eines Patienten bewegt, ein Exoskelett beim Gehen unterstützt oder ein Pflegeroboter Haare bürstet oder beim Anziehen hilft. Er kann auch unbeabsichtigt sein, etwa wenn ein sich bewegender Arm mit einem Menschen kollidiert oder eine Hand einklemmt. Ein pHRI-System muss beides beherrschen: Es muss über Kontakt nützliche Arbeit leisten und dabei die Kräfte und Drücke auf den Körper innerhalb sicherer und angenehmer Grenzen halten.

Das Gebiet stützt sich auf mehrere Ebenen der Technik. Die mechanische Konstruktion verringert den Schaden, den ein Roboter bei Kontakt anrichten kann, durch geringe bewegte Masse, Polsterung, abgerundete Kanten, rückwärtstreibbare Antriebe und passive Nachgiebigkeit wie serienelastische Aktoren oder weiche Finger. Die Sensorik teilt dem Roboter mit, dass ein Kontakt stattfindet und wie stark er ist, mithilfe von Kraft-/Moment-Sensoren, Gelenkmomentsensoren, taktilen Häuten oder Schätzungen aus Motorströmen und Impulsbeobachtern. Die Regelung entscheidet, wie der Roboter reagiert: Impedanz- und Admittanzregler lassen den Roboter sich wie Feder und Dämpfer verhalten statt wie ein steifer Positionsservo, und Strategien zur Kollisionserkennung und -reaktion stoppen, ziehen zurück oder wechseln in einen nachgiebigen Modus, wenn ein unerwarteter Kontakt erkannt wird. Sicherheitsnormen für Industrieroboter wie ISO 10218 beschreiben mit ihren Vorgaben für den kollaborierenden Betrieb Betriebsarten wie Handführung sowie Leistungs- und Kraftbegrenzung, die auf diesen Ideen aufbauen.

pHRI ist breiter als jede einzelne Technik auf dieser Website. Ein Cobot ist ein Robotertyp, der dafür konstruiert ist, und Impedanzregelung (impedance control) ist eine dafür häufig genutzte Regelungsmethode; pHRI ist das Problemfeld, das beides umfasst, zusammen mit der Verletzungsbiomechanik, dem Komfort und dem Vertrauen der Nutzer. Kontakt mit empfindlichen Bereichen wie Kopf und Gesicht, etwa bei der Haarpflege oder beim Anreichen von Essen, legt die Messlatte noch höher, weil die zulässigen Kräfte geringer sind und die eigene Bewegung des Menschen schwerer vorherzusagen ist.

Warum es wichtig ist

Immer mehr Roboter verlassen umzäunte Zellen, um neben Menschen und am Menschen zu arbeiten: in Fabriken, Rehabilitationskliniken, Wohnungen und Pflegeeinrichtungen. Jede Aufgabe, bei der ein Mensch berührt werden muss oder versehentlich berührt werden könnte, erfordert, dass Mechanik, Sensorik und Regelung des Roboters gemeinsam für sicheren Kontakt ausgelegt werden, und pHRI ist das Wissensgebiet, das dies leistet.

Wichtige Anwendungen

Handführung und kollaborative Montage mit Industriearmen
Rehabilitationsroboter und angetriebene Exoskelette
Unterstützende Pflegeaufgaben wie Essen anreichen, Anziehen, Baden und Haarpflege
Kollisionserkennung und -reaktion bei Manipulatoren, die in der Nähe von Menschen arbeiten
Haptische Teleoperation und geteilte Regelung mit physischer Rückmeldung

In der Praxis

Ein Team baut einen Roboter, der Haare kämmt und entwirrt. Es montiert weiche, nachgiebige Finger an einen leichten Arm, damit eine falsch geschätzte Kopfposition einen sanften Druck statt eines harten Aufpralls erzeugt. Ein Kraft-/Moment-Sensor am Handgelenk misst die Kontaktkräfte, und ein Admittanzregler lässt den Arm entlang der Kopfoberfläche nachgeben, während der Kamm mit einer kleinen Sollkraft angedrückt bleibt. Softwaregrenzen beschränken Geschwindigkeit und Kraft in der Nähe des Gesichts, und der Arm stoppt und weicht zurück, wenn die gemessene Kraft einen Schwellwert überschreitet oder schneller als erwartet ansteigt. Vor Tests mit Menschen prüft das Team die Kräfte an einem Puppenkopf mit eingebauter Wägezelle und führt dann Nutzersitzungen durch, in denen sowohl die gemessenen Kräfte als auch der von den Teilnehmenden angegebene Komfort aufgezeichnet werden.

Häufige Missverständnisse

pHRI bedeutet nur, Kollisionen zu vermeiden — es umfasst auch beabsichtigten Kontakt, bei dem der Roboter nützliche Kräfte auf einen Menschen ausüben muss
Ein Cobot macht jede Aufgabe sicher für physische Interaktion — die Sicherheit hängt von der gesamten Anwendung ab, einschließlich Werkzeug, Nutzlast, Geschwindigkeit und der Körperregionen, die berührt werden können
Weiche Hardware allein löst die pHRI-Sicherheit — Nachgiebigkeit verringert Aufprallkräfte, aber Sensorik, Regelungsgrenzen und Risikobeurteilung sind weiterhin nötig
Die gemessene Kontaktkraft ist die einzige Größe, die zählt — Druck, Kontaktdauer, Körperregion und ob der Mensch ausweichen kann, beeinflussen alle Verletzungsrisiko und Komfort

Wer das wissen sollte

Ingenieure, die kollaborative und assistive Manipulatoren entwerfen
Entwickler von Rehabilitationssystemen und Exoskeletten
Regelungstechniker, die Kraft-, Impedanz- und Kollisionsbehandlung umsetzen
HRI-Forschende, die Studien mit Berührung durchführen

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