Interaktionsschnittstelle

Um die entstehenden Interaktionskräfte zwischen SE_BURG und dem Patienten detektieren zu können wurde eine neuartige fluidische Polsterung entwickelt. Ein Teil der erzielten Ergebnisse wurde in einem Journal veröffentlicht [Robotics]. Das entwickelte Sensorsystem basiert auf 8 pneumatischen Kissen, die von dem Projektpartner Fa. Winkler realisiert wurden (siehe Schlussbericht Projektpartner Fa. Winkler), und ermöglicht eine Kraftschätzung aufgrund von Druckänderungen. Unterschiedliche Schätzungsmethoden basierend auf Charakteristiken als auch unter Einsatz von KNN wurden entwickelt, implementiert und getestet. Für die Messung der Drücke in den einzelnen pneumatischen Kissen wurden kosteneffektive Drucksensoren der Fa. AMSYS GmbH & Co. KG (AMS 5812) eingesetzt. Der realisierte Prototyp der fluidischen Polsterung ist in der Abbildung gezeigt.

Durch die Verwendung von pneumatischen Kissen ermöglicht die Polsterung nicht nur eine Schätzung von Interaktionskräften, wodurch auf die Verwendung von kostspieligen 6 DoF Kraftmomentensensoren verzichtet werden kann, sondern ermöglicht durch die Änderung der initialen Kammerdrücke auch eine Anpassung an die individuelle geometrische Form der menschlichen Extremitäten. Weiterhin kann die entwickelte Polsterung sowohl für obere als auch für untere Extremitäten eingesetzt werden. Das allgemeine Konzeptbild zur Schätzung der Mensch-Roboter-Interaktion mittels KNN ist in der Abbildung dargestellt.

Zum Training der neuronalen Netze und als Referenzsensor zur Validierung der Schätzungsmethode wurde die pneumatische Polsterung mit einen hochpräzisen 6 Degrees of Freedom (DoF) Kraftmomentensensoren (C-FTS, V2.05-40F, DLR) verbunden, sodass die Interaktionskräfte parallel von beiden Systemen gemessen werden konnten. Für die Verbindung von beiden Systemen wurde ein spezieller Adapter mittels 3D-Druck entwickelt und realisiert.

Als ersten Test der fluidischen Polsterung zur Kraftschätzung wurde eine Methode basierend auf experimentell ermittelten Kraft-Druck-Charakteristiken entwickelt. Die Methode wurde für eine Kraftschätzung in eine Richtung implementiert und untersucht. Die experimentellen Ergebnisse sind in der Abbildung gezeigt. Hierbei ist die Kraftschätzung mittels der fludischen Polsterung in blau gezeigt und die Messung mittels dem präzisen Sensor in grün.

Es zeigt sich, dass eine Kraftschätzung in einer Richtung mit der implementierten Methode sehr gut möglich ist. Eine Schätzung der Interaktionskraft im Raum basierend auf Charakteristiken würde allerdings zu einem komplexen Algorithmus führen, weshalb die allgemeinere Methodik basierend auf KNN entwickelt wurde. In der folgenden Abbildung gezeigt ist nun das experimentelle Ergebnis der Kraftschätzung mittels neuronalen Netze in der vertikalen Ebene. Im oberen Plot sind die 8 Kammerdrücke der fluidischen Polsterung als Eingang für die neuronalen Netze gezeigt. Die unteren Plots zeigen die Kraftmessung in y-Richtung, in z-Richtung und die Drehmomentmessung in x-Richtung mit dem Referenzsensor in grün und die jeweilige Schätzung mittels KNN in blau. Es zeigt sich, dass eine Kraft- und Drehmomentschätzung basierend auf KNN möglich ist.

Um zu zeigen, dass die Methodik auch für Personen funktioniert, mit denen die neuronalen Netze nicht trainiert wurde, wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Die Auswertung der Ergebnisse mit zwei weiteren Personen ist in der Abbildung gezeigt, hierbei ist Subject 1 die Person mit der das Training durchgeführt wurde.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Kraftschätzung auch bei unterschiedlichen Probanden möglich ist, ohne die Netze neu zutrainieren. Generell zeigt die Methode basierend auf KNN ein sehr geeignetes Verhalten, sowohl im Aufwand der Implementierung als auch im Ergebnis.