Reha-Roboter

Ein Hauptproblem bei der Amazon Picking Challange ist, dass die Teams mit sehr abenteuerlichen Robotern anrücken. Der Grund dafür ist simpel. Die meisten die dort teilnehmen kommen nicht aus der Softwareentwicklung sondern sind Elektronik-Freaks. Auch in den meisten Robotik-Foren geht es überwiegend darum, ob wie man Roboter verkabelt und weniger darum wie man sie programmiert. Das führt konkret dazu, dass der typische Teilnehmer an einer Robotik-Challange seinen Roboter von Grund auf selbst entwickelt hat und auch Stolz darauf ist.

Ein kleiner Lichtblick ist zumindest die Baxter Plattform die sehr selten verwendet wird. Baxter ist zumindest ein kommerzielles Produkt, allerdings eines was immernoch sehr technisch orientiert ist. Noch besser ist hingegen wenn man sich mit einem Zweig beschäftigt, in dem Roboter-Arme schon länger eingesetzt werden: im Bereich Rehabilation wie in dem obigen Video zu sehen. Der Grund ist dass anders als bei industriellen Robotern man dort nicht die Wahl hat zwischen Automatisierung ja oder nein, sondern dass die Leute auf die Technik angewiesen sind. Demzufolge agieren die Hersteller professioneller. Der Jaco Arm ist um einiges leichter und flexibler als ein klobiger Baxter Roboter, weil er ursprünglich dafür entwickelt wurde an einem Rollstuhl befestigt zu werden.

Nach meiner Recherche sind Jaca und vergleichbare Modelle die derzeit beste Robotik-Hardware die man für Geld kaufen kann. Leider fehlt es bis heute an guter Software. In dem obigen Video sieht man den Status-Quo und zwar eine manuelle Joystick basierende Steuerung. Wie bei einem Bagger muss man die Zielkoordinaten vorgeben. Man kommt damit zu einem Ergebnis, aber es ist langwierig.

Es gibt noch weitere Beispiele wo dieser Roboterarm zum Einsatz kommt. Auch dort wieder manuell gesteuert. Das heißt, Hardwaremäßig ist die Technologie ausgereift und sie befindet sich im Einsatz. Das heißt, das Produkt wird kommerziell vertrieben. Der Clou am Jacko Arm ist, dass dort viele Dinge geschon gelöst wurden, die bei der Amazon Picking Challange mit Baxter und ähnlichen Modellen noch ein Problem darstellen. Und zwar ist der Arm schön leicht, er ist auf einer mobilen Plattform montiert, es gibt eine autonome Stromversorgung und eine manuelle Steuerung mittels Joystick existiert bereits. Im Grunde wäre ein Rollstohll mit aufmontiertem Jacko Arm die bessere Standardplattform um damit die Amazon Picking Challange anzugehen. Man könnte alle Teams damit arbeiten lassen und die Software in den Fokus rücken. Das obige Video hat zunächst einmal nichts mit Robotik zu tun. Aber man sieht dort eine Reihe von Tasks die aus Sicht der Robotik interessant sind. Am Anfang füllt der Roboterarm Hundefutter nach, dann nimmt der Arm ein Buch aus dem Regal. Bei Zeitindex 2:58 sieht man sogar wie der Roboterarm einen Postkasten öffnet und zwar mit einem Schüssel der zuvor hineingeschoben wird. Offenbar existiert also die Hardware, die in der Lage ist, stabile Bewegungen auszuführen. Aber die Sucess Story geht noch weiter. Als nächstes wird gezeigt, wie der Arm in einem Supermarkt ein Produkt aus dem Regal nimmt. Laut https://www.vecna.com/product/kinova-jaco2-robotic-arm-bras-robotise/ kostet der Arm derzeit 35000 US$.

Der Jaco Arm ist wohl auch in Deutschland schon verbreitet, hier ist ein Video https://www.youtube.com/watch?v=rQR2IwjtvkQ was nicht aus den USA stammt. Auch in diesem Video sind eine Reihe von dexterous Tasks zu sehen wie das öffnen einer Schublade, das Benutzen eines Damenrasierers und das Öffnen des Kühlschrankes. Die Steuerung ist wiederum manuell. Das heißt, es gibt einen Joystick der mit der Hand oder sogar mit dem Fuß bedient wird, und noch einige Knöpfe um zwischen den Gelenken umzuschalten. Und damit wird der Task ausgeführt. Aus Sicht der Robotik fehlt also ein Vision System und eine Künstliche Intelligenz. Der Jacko Arm ist nur die Hardware, aber die ist ziemlich hochentwickelt.

Von den Aktionsmöglichkeiten ist der Jacko Arm im Stande fast alles zu emulieren was auch eine echte Hand kann, inkl. Kochen, Benutzen von Tablets, aufräumen usw. Der Unterschied ist nur, dass die Steuerung bis man den Roboterarm bewegt hat um einiges länger dauert. Ich würde mal anhand des Videos schätzen, dass man die zehnfache Zeit benötigt. Das heißt, ohne den Roboterarm braucht man 5 Minuten um die Einkäufe ins Regel zu packen, mit dem Roboterarm sind es schon 50 Minuten. Das Problem ist, dass sich diese Geschwindigkeit nicht verbessern lässt, weil ja die Human-Operator ohnehin mit der maximalen Effizienz auf dem Joystick herumdrücken. Das Problem ist leider, dass man jede Aktion individuell durchführen muss, so als wenn man mit einem Bagger eine filigrane Arbeit ausführen will. Die einzige Methode um die Effizienz von Jacko zu steigern, ist eine Künstliche Intelligenz, also ein Robot-Control-System was nicht über einen Joystick sondern über ein Textinterface funktioniert.

Hier https://www.youtube.com/watch?v=pWQNmZUWlcg gibt es noch ein weiteres Beispiel für Reha Roboter. Dort fährt aus dem Kofferraum eines Autos ein Roboterarm aus, der einen Rollstuhl greift und zu sich hineinzieht. Das sieht ein wenig so aus, wie in dem Film „Wild Wild West“ also wie in einem Steampunk Roman. Und wenn das Auto losfährt kommt sogar Rauch aus dem Auspuff heraus.

Ein weiteres Video was die Bedienung einem Newbee erläutert findet sich hier https://www.youtube.com/watch?v=GmrQxVgyIQ0 Das interessante daran ist, dass man den User nicht erst überzeugen muss dass der Roboterarm nützlich ist, sondern vielmehr ist besteht ein intrinsiche Motivaton. Natürlich weil man mit Arm mehr machen kann also ohne Arm. Und so wird nicht nur der Arm dankbar angenommen sondern auch die Einweisung in dessen Bedienung goutiert. Das heißt, die Person in dem Rollstuhl bringt ein Eigeninteresse mit den Roboterarm möglichst effizient einzusetzen. Der Witz ist, dass die Begeisterung für die Technik eigentlich nicht gerechtfertigt ist. Weil der Jaco Arm massiv überteuert ist, und die Steuerung alles andere als gut funktioniert. Aber offenbar wird das ausgeblendet weil der Vorteil noch groß genug ist.

Aus ökonomischer Sicht gibt es offenbar für Rollstuhl Roboterarme soetwas wie einen Markt und jetzt muss man die Person im Rollstuhl nur noch davon überzeugen, dass der Verkäufer des Jaco Arms von Robotern keine Ahnung hat und man selber das bessere Produkt hat. Aber kommen wir zurück zu dem eigentlichen Video. Man kann dort eine komplexere Aktionsfolge sehen. Die Operatorin versucht mit dem Arm ein Objekt zu greifen. Es sind dazu mehrere Tastendrücke auf dem Joystick erforderlich, bis die exakte Position erreicht wurde. Das heißt, der Task ist hardware mäßig durchführbar aber es benötigt sehr viel Zeit. Während die Operatorin den Task ausführt ist bei ihr die cogntive Last hoch. Das heißt, sie muss schauen wo sich das Objekt befindet, überlegen in welche Richtung der Joystick bewegt wird und zwischendurch auch noch eigene Fehler korrigieren. Aus Sicht der Informatik stellt sich hier eine interessante Frage: wie reduziert man die cognitive Load? Das also der selbe Task ausgeführt wird, nur wesentlich entspannter.

REHA ROBOTER
Warum sind Reha Roboter so interessant? Nun das Hauptproblem mit Robotern ist, dass sie niemand wirklich braucht. Systeme wie der Baxter Roboter oder auch der Jaco Robot sind praktisch unverkläuflich. Selbst Technikfreaks würde sich nie einen Baxter Roboter kaufen, um damit dann ihren Haushalt zu machen, weil es eine massive Verschlechterung an Lebensqualität bedeuten würde. Ohne Roboterarm können alle Dinge um sehr viel schneller ausgeführt werden. Der Grund ist simpel. Es gibt aktuell noch keine hochentwickelte Software, bei der Roboter die Performance von Menschen überbieten, also schneller das Essen zubereiten als das ein geübter Koch könnte.

Im Bereich Rehatechnik ist die Ausgangslage eine andere. Dort ergibt sich selbst durch extrem schlechte Hard- und Software eine merkliche Verbesserung. Das heißt, es entsteht ein Vorteil den Roboter einzusetzen. Und wo dieser vorteil existiert bildet sich ein Markt, also Anbieter und Nachfrager und es kommt zu Wettbewerb. Der Rehabereich ist ein Anwendungsfeld in dem kommerzielle Robotik heute schon Sinn macht. Anders als in der Industrie oder im Bereich Haushaltsrobotik muss man potentielle Konsumenten nicht erst überzeugen sich sowas anzuschaffen, sondern die Nachfrage existiert bereits.

Schauen wir uns den individuellen Nutzen etwas genauer an. Wenn man mit einem Rollstuhlroboterarm einen Gegenstand aus einem Regal greifen will, dauert das extrem lange. Und die Steuerung ist aufwendig. Schneller und einfacher würde es gehen, wenn man einfach aufsteht und den Gegenstand manuell herausnimmt, also den Roboterarm umgeht. Die gleiche Aktion dauert dann nicht 5 Minuten sondern nur 5 Sekunden. Wenn jedoch die Ausgangslage so ist, dass Aufstehen und selbergreifen aus welchen Gründen auch immer verboten ist, dann sind selbst die 5 Minuten die der Roboterarm benötigt eine akzeptable Zeitspanne. Die Rechnugn geht dann so, dass man entweder 5 Minuten sich mit dem Joystick herumärgert oder den Gegenstand überhaupt nicht aus dem Regal bekommt.

Selbst mit einer hochentwickelten Software ist es unmöglich den Jaco Robotarm auf das Niveau eines Menschen zu bringen. Das heißt, immer wird es so sein, dass das Greifen eines Objektes mit dem Roboterarm langsamer geht als wenn man mit einer richtigen Hand arbeitet. In der Nische Reha-Robotik ist das aber unwichtig.

VISION
Aus mehreren Gründen ist aber Reha-Robotik trotzdem nicht das optimale Feld um Künstliche Intelligenz zu entwickeln. Und zwar ist die Aufgabe für den vorhandenen Jaco Arm eine Künstliche Intelligenz zu programmieren immernoch zu anspruchsvoll. Weil man neben der Steuerung auch noch eine Vision Komponente benötigt und diese mit dem Joystick kombinieren muss. Ein solches Projekt ist zu ambitioniert um hier schnelle Erfolge zu erzielen. Das heißt, natürlich kann man sich damit beschäftigen, aber es wird nichts dabei herauskommen.

Weitaus sinnvoller ist es, sich zunächst mit einer Aufgabenstellung beschäftigen die virtuell definiert ist. Also einen Robot-controller für ein Computerspiel zu programmieren. Denn dort ist anders als bei einem Rollstuhlroboter der Game-Engine schon bekannt wo sich jedes Objekt befindet. Der Schwierigkeitsgrad sinkt dadurch. Anders formuliert, wenn man bereits ein leistungsfähige Vision Komponente hat und auch einen Robot-Controller für einen 6 dof Arm, kann man das sicher in den Jaco Robot integrieren um so in echt damit die Messlatte hochsetzen. Wenn diese Komponenten jedoch erst noch entwickelt sind, sollte man etwas weniger ehrgeizig an das Projekt herangehen.

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