Informationstechnik und Behinderung



Rollstuhl "Rolland" unterstützt ältere und behinderte Menschen

Axel Lankenau, Thomas Röfer

Quelle: FIfF-Kommunikation, 13. Jahrgang, Heft 2.



Einleitung

Lange Zeit haben sich sowohl die industrielle als auch die akademische Forschung im Bereich der Robotik darauf konzentriert, Maschinen zu entwickeln, die bestimmte, bisher von Menschen ausgeführte Arbeitsabläufe schneller, präziser und letztendlich kostengünstiger erledigen konnten. Noch vor einigen Jahren propagierten große Automobilhersteller die vollautomatischen, menschenlosen Fabriken. Diese Fabriken mussten extra gebaut und speziell auf die Anforderungen der darin "arbeitenden" Industrieroboter ausgerichtet sein.

Das Beispiel veranschaulicht einen großen Nachteil dieser Art von Robotern: Sie sind ausschließlich in der Lage, in einer vorgegebenen Umgebung eine exakt definierte Aufgabe auszuführen. Leichte Änderungen an der Beschaffenheit ihres Umfelds haben mit großer Wahrscheinlichkeit ein Versagen des Systems zur Folge. Um solche Ausfälle zu vermeiden, passte man die Umwelt dem Roboter an - beispielsweise durch den Bau einer neuen Fertigungsanlage. Setzt man voraus, dass es unmöglich ist die alltägliche Umwelt der Menschen so umzustrukturieren, dass sie den Anforderungen der Industrieroboter genügt, folgt daraus, dass ein so genannter "persönlicher" Roboter, der Menschen in ihrer gewohnten Umgebung assistiert, völlig andere Voraussetzungen erfüllen muss. Er müsste ohne nennenswerten Umbauaufwand an verschiedenen Orten flexibel seine Aufgaben erfüllen, sich unter Umständen auf unterschiedliche Benutzer einstellen und mit hoher Zuverlässigkeit hinsichtlich Sicherheit und Verfügbarkeit arbeiten können. Bis zum persönlichen Roboter ist der Weg noch weit, eine bereits heute realistische Vorstufe bilden die "Service-Roboter". Dabei handelt es sich um Maschinen, die bestimmte Aufgaben im Dienste des menschlichen Benutzers ausführen, um diesen von gefährlichen, lästigen und monotonen Arbeiten zu befreien.

Anwendungsgebiete sind beispielsweise Reinigungsroboter im Haushalt (z.B. autonome Staubsauger oder Rasenmäher), Überwachungsroboter in Firmengebäuden, Führungsroboter in öffentlichen Gebäuden ("Wo bekomme ich Formular 4711?" - "Folgen Sie mir bitte!") und insbesondere die so genannten Rehabilitationsroboter.

Rehabilitationsroboter wie zum Beispiel intelligente Rollstühle, kleine Roboterarme aber auch neuartige Beinprothesen ermöglichen es alten, kranken und behinderten Menschen, verlorengegangene Mobilität und Selbstständigkeit zurückzugewinnen. Die wenigstens zeitweise Lösung der Abhängigkeit vom Pflegepersonal bedeutet für die überwiegende Mehrheit der Patienten eine deutliche Steigerung der Lebensqualität.

Die große technische Herausforderung bei der Entwicklung solcher Reha-Roboter ist es, die vorhandenen kognitiven und motorischen Fähigkeiten des Menschen zu nutzen und durch das technische System geeignet zu unterstützen. Dies ist äußerst anspruchsvoll, da es bei der gemeinsamen Steuerung des Roboters zu Konfliktsituationen kommen kann, in denen sich die Intentionen des Menschen und die der Maschine widersprechen.

Um eine adäquate individuelle Unterstützung bieten zu können, ist es sinnvoll, den Rehabilitationsroboter modular aufzubauen. In einer Art Baukastensystem können dann je nach Bedarf verschiedene Funktionalitäten angeboten werden, und körperliche Defizite des Benutzers angemessen ausgeglichen werden.

Projekt "Rolland - Bremer Autonomer Rollstuhl"

Im Studiengang Informatik an der Universität Bremen entwickelt die Arbeitsgruppe "Kognitive Robotik" unter der Leitung von Prof. Krieg-Brückner im Projekt "Rolland" einen intelligenten Rollstuhl. Dieser Rehabilitationsroboter ist ein mit einem Steuercomputer und einiger Sensorik ausgestatteter handelsüblicher Elektrorollstuhl (Modell Genius 1.522) des deutschen Herstellers Meyra. Die Forschung in diesem Projekt erstreckt sich auf drei Bereiche: Grundlegende Untersuchungen bezüglich Navigation und Wahrnehmung räumlicher Sachverhalte bei Lebewesen und Robotern im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Raumkognition" der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Hier wird der Bremer Autonome Rollstuhl Rolland als Plattform für Experimente benutzt, in denen die verhaltensbasierte Navigation in bekannten und unbekannten Umgebungen untersucht wird. Das zweite Standbein des Projekts Rolland ist die anwendungsorientierte Forschung im Bereich der sicheren Service-Robotik. Hier werden Erkenntnisse aus dem Gebiet des Entwurfs korrekter Software mit Hilfe so genannter Formaler Methoden auf das Anwendungsgebiet der Service-Robotik übertragen. Die Produktentwicklung und fallstudienartige Evaluation des Systems in Zusammenarbeit mit dem Zentralkrankenhaus Bremen-Ost bildet den Schwerpunkt aus Anwendungssicht. Dieser Artikel geht schwerpunktmäßig auf die prototypische Produktentwicklung ein und präsentiert im folgenden zwei Anwendungsszenarien des Rollstuhls Rolland: den Fahrassistenten und den Routenassistenten.

Foto:Bremer Autonomer Rollstuhl
Bremer Autonomer Rollstuhl "Rolland"
Mit Steuer-PC und Ultraschallsensoren ausgestatteter Meyra-Rollstuhl


Der Fahrassistent

Herkömmliche Elektrorollstühle erlauben es dem Benutzer, ohne wirklich Kraft aufwenden zu müssen, einen Rollstuhl zu steuern, meist über einen Joystick, bei Bedarf aber auch über eine Kinnsteuerung oder ähnliche Eingabemedien. Die vom Menschen abgesetzten Kommandos werden von der Elektronik des Rollstuhls zur Ansteuerung des Motors benutzt. Drückt der Benutzer den Joystick beispielsweise stark nach vorn, beschleunigt das Fahrzeug und fährt geradeaus. Dieser Aufbau hat den entscheidenden Nachteil, dass der Rollstuhl keinerlei Informationen über seine Umgebung besitzt, d.h. bei der Umsetzung des Joystickbefehls in Motorkommandos muss er sich vollständig auf den Menschen verlassen. Dies ist aber häufig sehr gefährlich: So gut wie niemand, der auf einen Rollstuhl angewiesen ist, kann den Bereich hinter dem Rollstuhl zuverlässig überblicken. Je stärker die Behinderung oder die alters- bzw. krankheitsbedingte Einschränkung des Sichtfelds und der motorischen Fähigkeiten des Benutzers, desto größer wird der potenziell gefährliche Bereich um den Rollstuhl. Tauchen in diesem Bereich Hindernisse auf, ist der Mensch meist nicht rechtzeitig in der Lage, geeignet zu reagieren, um noch auszuweichen oder zu bremsen.

Grundidee

Aus diesem Grund liegt es nahe, zwischen das Eingabemedium (z.B. den Joystick) und den Motor ein weiteres Modul zu schalten, welches die unmittelbare Umgebung des Rollstuhls überwacht und bei bedrohlicher Annäherung an ein Hindernis in die Steuerung des Rollstuhls eingreift. Genau diese Aufgabe übernimmt der so genannte Fahrassistent im Bremer Autonomen Rollstuhl Rolland. Er stützt sich auf die Messungen von 27 Ultraschallsensoren, die ringförmig rund um den Rollstuhl montiert sind. Ultraschallsensoren senden einen Schallimpuls aus und warten dann bis sie die von einem Hindernis reflektierten Schallwellen empfangen. Aus der zeitlichen Verzögerung lässt sich sehr präzise (im Zentimeterbereich) die Entfernung zum nächsten Hindernis in der entsprechenden Richtung bestimmen. Kommt innerhalb einer bestimmten Zeitspanne gar kein Signal zurück, wird angenommen, dass der Bereich vor dem Sensor leer ist. Fledermäuse verwenden dieselbe Technik, um kollisionsfrei mit hoher Geschwindigkeit selbst durch enge Räume fliegen zu können.

Der Fahrassistent ist mit Hilfe der Ultraschallsensoren in der Lage, sich ein recht genaues Bild seiner unmittelbaren Umgebung zu schaffen. Dabei schenkt er einem von Fahrtrichtung, Geschwindigkeit und aktuellem Lenkwinkel abhängigen kritischen Bereich besondere Aufmerksamkeit. Möchte der Benutzer zum Beispiel schnell vorwärts geradeaus fahren, so erstreckt sich der kritische Bereich über eine Fläche, die in etwa halb so groß ist wie die Grundfläche des Rollstuhls selbst und direkt vor diesem liegt. Dagegen wird der Bereich direkt hinter dem Rollstuhl nicht betrachtet, weil dort potenziell vorhandene Hindernisse für das gewünschte Fahrkommando irrelevant sind. Ergibt die Auswertung des kritischen Bereichs, dass sich ein Objekt so nah am Rollstuhl befindet, dass eine Kollision droht, so greift der Fahrassistent in die Geschwindigkeitsregelung ein und bremst das Fahrzeug ab. Diese Funktionalität bietet dem Nutzer die Möglichkeit, selbst auf engstem Raum manövrieren zu können, ohne Kollisionen mit Möbeln oder anderen Menschen befürchten zu müssen.

Ausweichen vor Hindernissen

Um den Fahrkomfort weiter zu erhöhen, unterstützt der Fahrassistent den Menschen in bestimmten Situationen zusätzlich beim Lenken des Rollstuhls. Nicht selten steuern Rollstuhlfahrer nicht ausreichend präzise, um Engpässe wie beispielsweise Türen passieren zu können. Mit einem so genannten "Shared-Control"-Verfahren bewertet der Fahrassistent zunächst die Intention des Menschen. Wenn dieser mit dem Joystick bzw. einem anderen Eingabemedium andeutet, dass er eher rechts an einem Hindernis vorbeifahren möchte, mit dem der Rollstuhl zu kollidieren droht, so verstärkt der Fahrassistent die Rechtskurve. Anschließend lenkt der Rollstuhl wieder auf die zuvor gefahrene Bahn zurück, so dass der Benutzer gar nicht eingreifen muss. Nach diesem Ausweichmanöver übernimmt wieder der Mensch die Kontrolle. Falls er zwischendurch merkt, dass der Rollstuhl seine Absicht falsch interpretiert hat und zur falschen Seite ausweicht, so kann der Fahrer jederzeit durch "Gegenlenken" das automatische Ausweichmanöver abbrechen und selbst weitersteuern.

Die Kombination des Sicherheitsverhaltens (rechtzeitiges Anhalten vor Hindernissen) mit dem Ausweichen durch gemeinsame Steuerung (Shared-Control) gestattet es selbst feinmotorisch nicht besonders leistungsfähigen Menschen, den ca. 70 cm breiten Bremer Autonomen Rollstuhl Rolland durch eine 90 cm breite Türöffnung zu dirigieren. Dabei wird der Mensch nur dann unterstützt, wenn Bedarf besteht: Lenkt der Fahrer so geschickt, dass zu keiner Zeit eine Kollision droht, so greift der Fahrassistent auch nicht ein, der Rollstuhl lässt sich steuern wie ein handelsübliches Gerät.

Automatische Fahrverhalten

In Ergänzung dieser Grundfertigkeiten sind für den Fahrassistenten noch einige vollautomatische Verhalten vorgesehen, von denen das Wenden auf der Stelle bereits realisiert ist. Dies ist mit verwendeten Meyra-Modell eine komplizierte Aufgabe. Der Rollstuhl wird über die starre Vorderachse angetrieben und über die Hinterachse gelenkt. Das Fahrverhalten ähnelt dem eines rückwärts fahrenden Autos. Der Benutzer kann das Wendeverhalten durch ein bestimmtes Kommando auslösen und damit den Rollstuhl dazu veranlassen, vollständig die Kontrolle zu übernehmen. Rolland versucht dann so zu rangieren, dass er sich um 180 Grad dreht und dabei möglichst wenig Platz benötigt. Da dieses Verhalten sich dynamisch an die eventuell hindernisreiche und enge Umgebung anpasst, ist es fast immer schnell und erfolgreich. Die Bereitstellung des Wendeverhaltens nimmt den Rollstuhlfahrern die verbreitete Angst vor der Einfahrt in lange Gänge, aus denen sie möglicherweise alleine nur schwer wieder herauskommen.

Der Einsatz des Fahrassistenten ist für nahezu jeden Rollstuhlfahrer sinnvoll, wobei verschiedene Abstufungen der Unterstützung denkbar sind: Von der Sicherheitsbremsung vor Hindernissen im hinteren Bereich bis hin zu einem Rundumschutz mit der oben beschriebenen Funktionalität. Stets bleiben dem Menschen die "höheren", globalen Entscheidungen ("Soll ich links oder rechts abbiegen?") vorbehalten. Lediglich bei lokalen Manövern wie z.B. dem Ausweichen vor einem Möbelstück greift der Fahrassistent bei Bedarf ein.

Der Routenassistent

Der zweite bereits implementierte Assistent kehrt diese Zuständigkeit genau um: Der Mensch übernimmt das lokale Manövrieren (evtl. wird er dabei noch vom Fahrassistenten unterstützt) und der Routenassistent gibt globale Navigationsanweisungen der Form "An der nächsten Abzweigung rechts!". Diese Funktionalität, die derjenigen der Navigationssysteme in modernen Autos entspricht, richtet sich besonders an vergessliche Menschen wie zum Beispiel Amnestiker. Dieser Personengruppe ist es nicht möglich, sich daran zu erinnern, wie sie zum Beispiel von ihrer Wohnung zum Arzt kommen können. Während das prozedurale Gedächtnis häufig gut funktioniert (Fahrradfahren oder sogar Autofahren ist durchaus realistisch), haben Amnestiker größte Schwierigkeiten, sich Wege oder auch nur Bezugspersonen zu merken.

Der Rollstuhl Rolland ist in der Lage, nach einer Trainingsfahrt, die beispielsweise von einem Pfleger oder Techniker durchgeführt werden könnte, den Benutzer auf dem gelernten Weg mit entsprechenden Anweisungen zu versorgen. Derzeit werden die Kommandos ("Weg folgen", "Links abbiegen", "Rechts abbiegen", "Ziel erreicht" und "Ziel verfehlt") durch Symbole auf einem Display angezeigt.

Das verwendete Verfahren basiert auf der Idee, dass in vielen Umgebungen wie z.B. in Bürogebäuden, Krankenhäusern aber auch im städtischen Außenraum selbst längere Wegstrecken als Reihe von relativ kurzen, geraden Teilstücken beschrieben werden können. Diese sich jeweils unter bestimmten Winkeln treffenden Teilstücke ergeben eine Route. Der Routenassistent ist in der Lage, kurz vor dem Ende eines Teilstücks dem Benutzer anzudeuten, dass der Übergang in ein neues Teilstück beginnt. Dabei werden nur deutliche Richtungsänderungen angezeigt, leichte Schwankungen muss der Mensch beim Ausführen des Kommandos "Weg folgen" ausgleichen.

Der Routenassistent könnte auch für so genannte Guidance-Roboter eingesetzt werden, die Besuchern in öffentlichen Gebäuden wie z.B. Finanzämtern oder Museen den Weg zu bestimmten Büros zeigen.

Fazit

Laut einer Studie der Wirtschaftskommission der Europäischen Gemeinschaft wird sich das Marktvolumen der Service-Roboter in den kommenden drei Jahren verfünffachen. Besonders gute Chancen werden dabei Rehabilitationsrobotern wie dem Bremer Rollstuhl Rolland eingeräumt.

Während in einer Reihe von prototypischen Entwicklungen an Universitäten teilweise in Kooperation mit Krankenhäusern oder Rehabilitationseinrichtungen der Nachweis erbracht wurde, dass derartige Systeme den Benutzern eine große Hilfe sind, fehlt zum marktreifen Produkt bislang die zusätzliche Integration der Interessengruppen der Patienten, der Krankenkassen und der Industrie in den Entwicklungsprozess.


Literatur

Homepage des Projekts "Bremer Autonomer Rollstuhl Rolland": http://www.tzi.de/rolland

Studie der Wirtschaftskommission der EU: http://www.unece.org/press/99stat2e.htm


Alle Rechte vorbehalten!

Quelle: FIfF-Kommunikation, 13. Jahrgang, Heft 2.
Die komplette Zeitschrift kann bei der FIfF-Geschäftsstelle bestellt werden.


Die Seiten werden redaktionell betreut von der FIfF-Regionalgruppe Bremen.
Hinweise und Anmerkungen bitte an Ralf E. Streibl.
Letzte Änderung: 03.07.2000

Leitseite 'Informationstechnik und Behinderung' Zurück zur FIfF-Regionalgruppe Bremen


Valid HTML 4.0!