Masterthesis

Kooperation Fraunhofer IPA

2019

 

Team

Daniel Schauer

Jonathan Aichele

Mensch – Roboter

Kommunikation

Gestaltungsprinzipien für Verständnis und

Akzeptanz in der Industrie 4.0

» Um den Menschen [...] [, auch bei Anwendungen und Tätigkeiten, die aufgrund ihrer Komplexität schwer automatisierbar sind,] zu entlasten und so gleichzeitig kostenintensive manuelle Arbeiten zu reduzieren, besteht der Wunsch Mensch und Roboter eng zusammenarbeiten zu lassen, um so die jeweiligen Stärken ausnutzen zu können. «

– Sebastian Blankemeyer

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Zielsetzung

Am Arbeitsplatz der Zukunft wird der Kollege Roboter mit dem Menschen Hand-in-Hand zusammenarbeiten. Deshalb ist es wichtig, den Roboter so zu gestalten, dass der Mensch ihn versteht und akzeptiert.

Das Resultat der Masterthesis sind Gestaltungsprinzipien für das Verhalten eines kollaborationsfähigen Industrieroboters (Cobot).

» Die Mensch-Roboter-Kollaboration [kann] als Hilfsmittel gesehen werden, um die Vorteile des Menschen (Flexibilität, Kognition, Problemlösung, etc.) mit denen des Roboters (Wiederholbarkeit, Kraft, Genauigkeit, etc.) zu verbinden «

– Sebastian Blankemeyer

 
 

Question Zero

Wie kann das Kommunikationsverhalten von Cobots in Mensch-Roboter-Kollaborationen gestaltet werden, um das Verständnis und die Akzeptanz zu fördern?

 
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Vorgehensweise

Das Vorgehen der Masterthesis basiert auf dem Double-Diamond-Prinzip. Bei diesem Prinzip wird zunächst eine spezifische Forschungsfrage gestellt. Daraufhin wird der Fokus innerhalb der Forschungsfrage erweitert und eine breite Themen-recherche durchgeführt. Nach der Recherche werden die Erkenntnisse festgehalten und Hypothesen aufgestellt.

Diese Hypothesen werden dann in einer Nutzerstudie überprüft. Letztendlich stellt die Essenz der Arbeit Prinzipien dar, welche die bestätigten oder widerlegten Hypothesen enthalten. Diese Prinzipien dienen als Grundlage für die Gestaltung des Interaktionsverhaltens von Cobots.

Experteninterviews und Exkursionen

 
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Hannover Messe 2019 | Interview Wolfang Pomrehn | Bosch rexroth

Hannover Messe 2019 | Interview Simon Schmidt | TQ Systems

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Exkursion TQ Systems Durach – Kempten

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Hannover Messe 2019 | Interaktion mit Cobots | Fraunhofer IWU

 

Faktoren für die Akzeptanz eines Roboters

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Munich Creative Business Week 2019 | Vortrag  Wolfgang Klein

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Status Quo Kommunikationsverhalten

Es wurden fünf Roboter auf die Anzahl und Häufigkeit der Nutzung ihrer implementierten Kommunikations-Modalitäten untersucht. Werden die Kommunikationsprofile der analysierten
Roboter übereinander gelegt, so lässt sich eine deutliche Tendenz zur visuellen Kommunikation über einen Display und Farb-LEDs erkennen. Die auditive und haptische Modalität wird eher selten bis garnicht eingesetzt.

Welche Kommunikationsmöglichkeiten

stehen dem Cobot zur Verfügung?

Visuell

LED

Display

Projektion
 

Sprache

Töne

Geräusche
 

Auditiv

Menschen kommunizieren über verschiedene (Sinn)-Modalitäten (Sehen, Hören, Riechen, usw..). Für ein optimales, intuitives Verständnis müssen allen Kommunikationspartnern dieselben Modalitäten zur Verfügung stehen. Deshalb sollte ein Roboter sowohl Nachrichten über alle Modalitäten empfangen können, als auch senden können.
Die Wahl der Modalitäten hängt dabei starkt vom Use Case ab und sollte im besten Fall für jede Nachricht und Situation individuell betrachtet werden.

 

Gestik

Bewegung

"Körperhaltung"

Handzeichen
 

Mimik

Blick

"Gesichtszüge"


 

Haptik

Vibration

Temperatur

Oberfläche
 

Distanz

Intim, Persönlich

Gesellschaftlich

Öffentlich
 

 

Nutzerstudie

Teil 1 der Nutzerstudie bestand aus zwei Meinungsumfragen, um die Erwartungshaltung von Menschen gegenüber eines Cobots herauszufinden.

In Teil 2 der Nutzerstudie wurden die Ergebnisse der Meinungsumfragen in einen Use Case direkt am Roboter implementiert und mit Probanden getestet. Untersucht wurde hierbei, wie sich verschiedene Kommunikationsmodalitäten des Cobots auf die Zusammenarbeit auswirken und wie die Probanden die Signale wahrnehmen.
 

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Gestaltungsprinzipien

Das Fazit der Masterthesis wird in Form von Gestaltungsprinzipien dargestellt. Sie ergaben sich aus der Recherche, Interviews, Beobachtungen und dem Nutzertest.
Es sind Empfehlungen zur Gestaltung des Kommunikations-verhaltens von industriellen Systemen und Robotern. Sie werden exemplarisch anhand der Gestaltung des Kommunikationsverhaltens von Cobots vorgestellt, sind jedoch darauf ausgelegt auch auf weitere Systeme, Maschinen und Computer in der Industrie übertragen zu werden. Das Ziel der Gestaltungsprinzipien ist es, ein intuitives Verständnis und Akzeptanz beim Nutzer zu erreichen.

Multimodalität

Cobots sollten ihr Kommunikationsverhalten an den Menschen so anpassen, damit die Intuitivität und dadurch die Effizienz der Zusammenarbeit optimiert werden. Wie im Nutzertest festgestellt wurde, hat ein signifikanter Anteil der Probanden die multimodalen Signale als äußerst unterstützend beim Erlernen des Systems bewertet und als positiv aufgefasst.

Bei der multimodalen Kommunikation einer Botschaft wird die Chance, dass die Botschaft wahrgenommen wird, im Vergleich zur unimodalen Kommunikation, deutlich erhöht.

Eindeutige Zuordnung der Signale

Visuelle Signale dienen der Informations-übermittlung. Haptische Signale erregen Aufmerksamkeit. Auditive Signale lösen Emotionen aus und sind Sympathieträger.

Durch den gezielten Einsatz verschiedener Modalitäten für verschiedene Arten von Botschaften wird die Einordnung der Botschaften für Nutzer erleichtert.

Das Ziel einer Botschaft bestimmt die Wahl der Modalitäten.

Orientierung an der Aufmerksamkeit

des Menschen

Um sicher zu stellen, dass der Mensch die systemseitige Kommunikation zuverlässig und sinnhaft wahrnimmt, gilt es die Platzierung und die Eigenschaften der Informationen an den Mensch zu adaptieren.

Die aufmerksamkeitsorientierte Platzierung einer Botschaft kann über zwei Strategien erfolgen:

Strategie 1: Der Fokuspunkt des Nutzers wird erfasst und das Feedback dort abgebildet.

Strategie 2: Der Fokus des Nutzers wird durch Signale dorthin gelenkt, wo die Ab-
bildung des Feedbacks am effektivsten ist.

Die Sicherheit des Menschen steht

an oberster Stelle

Bewegung als Kommunikationsmodalität wird aufgrund der geltenden Sicherheitsstandards nicht in Betracht gezogen. Zukünftig können die Bewegungsmuster des Cobots jedoch eine wichtige Form der Informationsübermittlung in der Mensch-Cobot-Kommunikation darstellen.

Der Cobot darf das Potential seiner Kommunikations-Modalitäten nur insofern nutzen, dass der Mensch nicht gefährdet wird.

Gestik und Bewegung als Kommunikationsmedium sind in der Industrie aktuell nur bedingt geeignet.

Produktivität als Grundstein für

Akzeptanz

Die Produktivität eines Cobots ist ein wesentlicher Faktor für die Akzeptanz des Menschen.
Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass der Cobot nur so produktiv sein darf, dass er dem Menschen nicht das Gefühl vermittelt, ersetzt zu werden.

Das Kommunikationsverhalten des Cobots sollte primär aufgabenorientiert gestaltet werden, damit die Produktivität erhöht und nicht eingeschränkt wird.

Jede Botschaft sollte deshalb hinterfragt werden: Fördert die Übermittlung dieser Botschaft die Produktivität oder ist sie in ihrer Funktion oder Eigenschaft hinderlich für den Gesamtprozess?

Konsequente, individualisierte

Kommunikationsstrategie

Botschaften des Cobots derselben Kategorie (z.B. Warnhinweise) sollten mindestens in einem markanten Parameter übereinstimmen, um die Kategorisierung von Botschaften für den Nutzer zu erleichtern. Die Intensität des Signals oder mehrerer Signale kann jedoch einen Individualisierungsspielraum bieten, der es den Nutzern angenehmer macht diese zu lesen und deren Akzeptanz dadurch zusätzlich erhöht.

Wiederkehrende Kommunikationsmuster für Botschaften derselben Art unterstützen den Nutzer bei der Kategorisierung von Botschaften.

Die Kategorisierung von Botschaften formt das mentale Modell des Nutzers über das Kommunikationsverhalten des Cobots.

Der Cobot ist und bleibt

ein Werkzeug

Allgemein lässt sich zu der Morphologie von Robotern in der Industrie festhalten, dass eine technische Anmutung förderlicher ist, als ein am Menschen orientiertes Erscheinungsbild.

Ein menschenähnliches Aussehen kann schnell dazu führen, dass Mitarbeiter das Gefühl bekommen ersetzt zu werden oder von diesem zu viel erwarten.

Eine technische, funktionale Anmutung von Robotern ist in der Industrie förderlicher und akzeptierter, als eine menschliche Anmutung.

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