3D-Sensor und Bildverarbeitung helfen Roboter, Menschen zu imitieren

  • Abb. 1: Der Roboter „Tron-X“ von Festo spiegelt die Bewegung einer Person, die gegenüber auf einem Podest steht, wieder. Durch den Einsatz eines neuartigen 3D-Sensors ist es möglich, die Person vom Hintergrund zu trennen. Die Funktionsweise des Sensors basiert auf dem „Time-Of-Flight“ Prinzip: Durch die Laufzeitmessung ausgesendeter Infrarotstrahlen wird ein dreidimensionales Bild der Umgebung erstellt.Abb. 1: Der Roboter „Tron-X“ von Festo spiegelt die Bewegung einer Person, die gegenüber auf einem Podest steht, wieder. Durch den Einsatz eines neuartigen 3D-Sensors ist es möglich, die Person vom Hintergrund zu trennen. Die Funktionsweise des Sensors basiert auf dem „Time-Of-Flight“ Prinzip: Durch die Laufzeitmessung ausgesendeter Infrarotstrahlen wird ein dreidimensionales Bild der Umgebung erstellt.
  • Abb. 1: Der Roboter „Tron-X“ von Festo spiegelt die Bewegung einer Person, die gegenüber auf einem Podest steht, wieder. Durch den Einsatz eines neuartigen 3D-Sensors ist es möglich, die Person vom Hintergrund zu trennen. Die Funktionsweise des Sensors basiert auf dem „Time-Of-Flight“ Prinzip: Durch die Laufzeitmessung ausgesendeter Infrarotstrahlen wird ein dreidimensionales Bild der Umgebung erstellt.
  • Abb. 2: Der Tiefenbildsensor Swiss Ranger SR3000 (links) und eine Spektralfarbendarstellung der Tiefenwerte einer posierenden Person.
  • Abb. 3: Design einer sicheren Roboterzelle ohne Schutzzaun

Roboter werden immer agiler und immer intelligenter. Jetzt haben Wissenschaftler einen Maschinenmenschen vorgestellt, der mit Hilfe von 3D-Sensoren und BV-Software menschliche Bewegungen imitieren kann. Für die Forscher ist er der erste Schritt zur mechatronischen Haushaltshilfe.

Hausarbeit macht niemand gerne. Staubsaugen, Putzen und Waschen verschlingt zudem viel Freizeit, die man lieber mit Freunden oder mit der Liebsten in einem schönen Straßencafé verbringen würde. Hollywood hat das Problem bereits gelöst: In Filmen wie „I, Robot“ oder der „200-Jahre-Mann“ übernehmen diese Aufgaben menschenähnliche Roboter. Sie zerkleinern außerdem noch Gemüse, gehen mit dem Hund Gassi und retten sogar Leben.

Zukunft heute

Gern schaut man sich solche Filme an und tut es schnell als Science Fiction ab. Dabei ist die Forschung auf dem besten Weg, Roboter so weit zu entwickeln, dass sie in naher Zukunft schon Aufgaben im Haushalt wahrnehmen können; so, wie es Isaac Asimov in seinen Geschichten beschreibt. Die ersten Schritte sind schon getan: Die Roboter von heute können sogar schon die Bewegungen von Menschen imitieren. Der vom Fraunhofer-Institut und Festo entwickelte Mirrobot ist so einer – und war der große Star auf der diesjährigen CeBit und der Automatica.

Die Kamera als Auge

Tatsächlich kann der Roboter, den die Forscher mit einem blauen Glatzkopf und einer 3D-Kamera ausgestattet haben, die Gesten seines Gegenübers wahrnehmen und die Bewegungen nachvollziehen. Durch den Einsatz eines 3D-Sensors ist es möglich, die Person vom Hintergrund zu trennen und so nur ihre Bewegungen zu verarbeiten. Erreicht wird dies durch das Messen der Laufzeit ausgesendeter Infrarotstrahlen – daraus erstellt der Computer im Roboter ein dreidimensionales Bild der Umgebung. Die Kamera liefert eine 3D- Punktewolke der Szene, in die ein menschliches Geometriemodell eingepasst wird. Eine BV-Software ermittelt dann die Position der Hände und des Kopfs im Raum.

Die Winkel zwischen den einzelnen Gliedmaßen werden extrahiert und verwendet, um die pneumatischen Gelenke des Roboters anzusteuern.

Schnell durch die Wohnung

Eine große Herausforderung bleibt die Interaktion zwischen Mensch und Maschine: Der Roboter muss die Bedeutung von bestimmten Gesten, die von gesprochenen Befehlen begleitet werden, erlernen. Für Industrieroboter, die immer dieselben Handgriffe verrichten, lässt sich ein Computerprogramm relativ leicht schreiben. Der Service-Roboter hingegen muss sich ständig neuen Situationen anpassen, bspw. schnell durch das Durcheinander in einer Wohnung manövrieren, um dem Besitzer die Zeitung zu holen. Überlegt wird dabei auch, wie man ihm diesen Befehl am besten gibt. Die optimale Alternative wäre, den Befehl auf einfache und intuitive Weise anzuweisen: Man deutet auf den Tisch und sagt „Bring mir die Zeitung!“.

Assistenz beim Kochen

Während Spracherkennungsprogramme bereits im Handel sind, können Maschinen die menschlichen Gesten noch nicht verstehen. Der Mirrobot zeigt aber, dass auch dieses Problem lösbar ist. Bis man einen Service-Roboter entwickelt hat, der die gleichen Vorausetzungen wie ein menschlicher Facility Manager mitbringt, ist es aber noch ein weiter Weg. Allerdings, so IPA-Gruppenleiter Achim Breckweg, werden Serviceroboter nach und nach immer komplexere Aufgaben im Haushalt übernehmen können – und irgendwann auch, wie in „I, Robot“, der Dame des Hauses beim Kochen assistieren und sich dabei mit ihr über neue Kochideen unterhalten können. 

Kontakt Achim Breckweg Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart Tel.: 0711/970-1296 achim.breckweg@ipa.fraunhofer.de www.ipa.fraunhofer.de

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