Wie visualisiert man Roboter-Bewegungen?
Grundlagen der Human-Robot Interaction
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Testversuche zur Visualisierung der Fahrbahn
An einem Demonstrator haben die Forscher sechs verschiedene Anzeigentypen auf grundlegende Tauglichkeit für eine HRI-Anzeige untersucht: LED-Streifen, ein kommerzielles Tablet-Display, eine RGB-LED-Matrix und drei Projektoren. Das Blockschalt- bild des Demonstrators ist in Bild 5 zu sehen.
Bei der Vorauswahl der untersuchten Systeme wurde die Beschaffungssituation und Wirtschaftlichkeit berücksichtigt. Da Serviceroboter in Stückzahlen von einigen Tausend pro Jahr gefertigt werden, kommen z. B. keine Displays mit hoher kundenspezifischer Anpassung in Frage – entsprechende Aufträge lassen sich kaum bei den Displayfertigern platzieren oder nur mit unverhältnismäßig hohen Kosten. Die Ergebnisse der Bewertung sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die angegebenen Werte für die Beleuchtungsstärke sind Messergebnisse der Autoren und wurden unter Dunkelraum-Konditionen aufgenommen.
Bei den Projektoren wurde zur Messung auf eine diffus streuende weiße Unterlage referenziert. Tendenziell sind LED-Streifen und Displays aus der Konsumelektronik eine gute Wahl in Bezug auf Kosten, Leuchtstärke und Integrationsaufwand. Die Projektionssysteme bieten insgesamt die intuitivere Informationsdarstellung.
Helligkeit und Farbtreue
Die beiden relevantesten Parameter für die Informationsdarstellung sind die wahrgenommene Helligkeit und relativ gesättigte Farben. Das Verhalten von Displays und LED-Streifen ist in dieser Hinsicht laut den Autoren bereits gut untersucht und kann als bekannt vorausgesetzt werden. Näher betrachtet wurden die Projektoren. Sie müssen genügend Lichtstärke bereitstellen, um die Aufmerksamkeit von Fußgängern auf sich zu ziehen. Für eine realistische Abschätzung werden die Reflexionseigenschaften des Bodens berücksichtigt und die typische Beleuchtungssituation an öffentlichen Plätzen. Als Faustregel sollten »glänzende oder halbglänzenden Bodenbeläge vermieden werden«, schreiben die Forscher, da sie den störenden Einfluss auf Kontrast und Farbtreue des Projektors durch starkes Umgebungslicht über die Deckenbeleuchtung oder große Fenster noch verstärken.
Kontrastverhältnis bei Umgebungslicht
Die Forscher zeigen in ihrem Paper, dass für eine erste Abschätzung, ob mit einem Projektionssystem ein ausreichendes Kontrastverhältnis (hier 2:1) erreicht werden kann, lediglich zwei Werte bekannt sein müssen: die Größe der Projektionsfläche Amax und mit welchem maximalem Umgebungslicht Emax (in lx) zu rechnen ist. Der nötige Lichtstrom Φ des Projektors (in lm) berechnet sich dann zu: Φ = Amax× Emax.
Umgekehrt lässt sich aus dem maximalen Lichtstrom des Projektors auch auf das maximal zulässige Umgebungslicht schließen. Diese Werte wurden für die drei Projektoren und den LED-Streifen in Tabelle 2 ermittelt.
Die verwendete Formel gilt bei Annahme eines minimalen Kontrastverhältnisses von 2:1. Der Wert stammt aus der ISO 15008, einer Norm zur Darstellung von visuellen Informationen im Fahrzeug. Sie wurde von den Autoren als Orientierung herangezogen, da es für die Informationsdarstellung im öffentlichen Raum durch mobile Roboter noch keine entsprechenden Regularien gibt. Ein Kontrastverhältnis von 2:1 ist als absolute Untergrenze zu verstehen, auf die das System nur in Ausnahmefällen absinken sollte, wenn der störende Einfluss durch Umgebungslicht außergewöhnlich hoch ist. Für den Regelbetrieb sind deutlich höhere Werte wünschenswert, um die Aufmerksamkeit von zielstrebigen Fußgängern auf einem menschengefüllten Bahnhof oder Flughafen zu wecken.
Die verwendete Formel gilt bei Annahme eines minimalen Kontrastverhältnisses von 2:1. Der Wert stammt aus der ISO 15008, einer Norm zur Darstellung von visuellen Informationen im Fahrzeug. Sie wurde von den Autoren als Orientierung herangezogen, da es für die Informationsdarstellung im öffentlichen Raum durch mobile Roboter noch keine entsprechenden Regularien gibt. Ein Kontrastverhältnis von 2:1 ist als absolute Untergrenze zu verstehen, auf die das System nur in Ausnahmefällen absinken sollte, wenn der störende Einfluss durch Umgebungslicht außergewöhnlich hoch ist. Für den Regelbetrieb sind deutlich höhere Werte wünschenswert, um die Aufmerksamkeit von zielstrebigen Fußgängern auf einem menschengefüllten Bahnhof oder Flughafen zu wecken.
In Tabelle 2 werden die Grenzen des Pico-Projektors deutlich. Mit einer Projektionsfläche von 0,14 m² (50 × 28 cm²) liegt die Grenze für Umgebungslicht bei 300 lx. Das entspricht in etwa einer typischen Flurbeleuchtung. Auch die Leuchtdichte Lw, die auf typischen Bodenbelägen an öffentlichen Plätzen erreicht wird, fällt mit gemessenen 33 cd/m² gegenüber den anderen Systemen deutlich ab. Der Wert liegt auch etwa einen Faktor 2 unterhalb dessen, was mit 100 lm Lichtstrom idealerweise erreicht werden könnte. Im Rahmen dessen, was von einem Projektor aus dem Bereich Konsumelektronik erwartet werden kann, beurteilen die Forscher die Leistung insgesamt aber als »überraschend gut« (Bild 6) und halten Pico-Projektoren für Serviceroboter in Innenräumen für eine geeignete Wahl. Für Flughafengänge sind z. B. 200 lx vorgeschrieben.
Farbdarstellung und Umgebungslicht
Umgebungslicht verwischt auch die Unterschiede zwischen verschiedenen Farben. Der gerade noch vom Menschen wahrgenommene Farbunterschied zwischen zwei Farbtönen wird mit ΔEu*v* = 1 angegeben. Die ISO 15008 fordert mindestens einen Wert von 20. In Tabelle 2 wurden diese Werte ebenfalls berechnet. Für den Pico-Projektor wurde dazu 300 lx Umgebungslicht angenommen, für die übrigen Systeme 10.000 lx, was einem Innenraum mit großen Fensterflächen bei Sonnenlicht entspricht. Die besten Resultate erzielen der Show-Laser (Bild 7) und der LED-Streifen. Sie können auch bei hellem Tageslicht an öffentlichen Plätzen eingesetzt werden.
Geeignete Systeme für HRI-Anzeigen
Den vorgestellten Untersuchungsergebnissen zufolge erfüllen der Show-Laser und der LED-Streifen die Kriterien für Helligkeit und Farbdarstellung am besten. Sie können an öffentlichen Plätzen für Innenraum- und auch für Außenanwendungen genutzt werden. Um Informationen schnell und intuitiv verständlich zu vermitteln, sind LED-Streifen allein allerdings nicht geeignet. Sie sollten lediglich als unterstützende Elemente angesehen werden, empfehlen die Forscher. Ein Show-Laser bringt einen gewissen Integrationsaufwand und Kosten mit sich. Vor allem der hohe Wärmeeintrag und Platzbedarf verhindern die Integration direkt in den Roboter. LCDs und Pico-Projektoren haben sich aufgrund der geringen Helligkeit für Außenanwendungen nicht als geeignete HRI-Komponente herausgestellt, sie seien aber für reine Innenanwendungen eine gute Wahl – sie sind günstig, kompakt und relativ einfach zu integrieren.
Mit ihrer Arbeit haben die Forscher eine erste Arbeitsgrundlage geschaffen, die es vorher nicht gab und an der sich Systementwickler orientieren können. »Erstmals konnten die optischen Anforderungen quatifiziert und gemessen werden«, erklärt Prof. Blankenbach. Der entwickelte Pro-totyp soll auch weiterhin benutzt werden, um neue Ansätze für HRI-Anzeigen mit Displays und LED-Streifen zu bewerten.
Literatur
[1] A Mobile Revolution: How mobility is reshaping robotics. Information Paper, International Federation of Robotics, Juni 2021.
[2] Blankenbach, K., Charrier, E., Babel, F., Hochdorfer, S.: Advanced HMIs and Evaluation of Various Display Techniques for Autonomous Robots in Public Spaces. SID Week, 2021.
- Grundlagen der Human-Robot Interaction
- Testversuche zur Visualisierung der Fahrbahn
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