Mensch-Maschine-Kooperation Wie Exoskelette durch ihre Träger optimal eingestellt werden könnten

Robotische Exoskelette werden bisher über drei Wege eingestellt: durch Experten, durch die automatische Auswertung quantifizierbarer Daten oder durch den Vergleich verschiedener Einstellungen. Ein Forschungsteam will nun das subjektive Feedback der Träger nutzen, um ihre Vorlieben in die Steuerung mit einzubeziehen.

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Test eines Knöchel-Sprunggelenk-Exoskeletts im Neurobionik-Labor der Universität Michigan. Die Träger haben die Möglichkeit, die Einstellungen direkt zu verändern und Präferenzen selbst zu berücksichtigen.
Test eines Knöchel-Sprunggelenk-Exoskeletts im Neurobionik-Labor der Universität Michigan. Die Träger haben die Möglichkeit, die Einstellungen direkt zu verändern und Präferenzen selbst zu berücksichtigen.
(Bild: University of Michigan/Robotics Institute)

Exoskelette mit Antrieb unterstützen die Bewegungen ihrer Träger und helfen so zum Beispiel Gehbehinderten beim Laufen. Sie sind in der Regel aber nicht sofort einsatzbereit, sondern müssen von Experten eingestellt werden, um die unterschiedlichen Eigenschaften des menschlichen Körpers, die Biomechanik des Gangs und die Vorlieben der Benutzer zu berücksichtigen. Alternativ kann dies durch die automatische Auswertung quantifizierbarer Daten wie der Stoffwechselrate oder der Muskelaktivität geschehen, um zum Beispiel den Energieverbrauch zu minimieren. Oder man bittet die Benutzer, wiederholt zwischen verschiedenen Einstellungen zu vergleichen, um herauszufinden, welche sich am besten anfühlt. Die Einstellung, die den Energieaufwand minimiert, ist jedoch nicht unbedingt die bequemste. Und die Benutzer zwischen zahlreichen Einstellungen wählen zu lassen, braucht Zeit und verdeckt zudem, wie die Einstellungen miteinander interagieren und das Benutzererlebnis beeinflussen. In einer Kooperation zwischen der University of Michigan und der Universität Stuttgart haben Forschende nun eine Methode demonstriert, mit der Benutzer das Verhalten eines Exoskeletts für das Sprunggelenk in weniger als zwei Minuten selbst einstellen und dabei unbewusste Vorlieben berücksichtigen können.

Der Benutzer steht im Mittelpunkt

Anstelle von physiologischen Messungen setzen die Wissenschaftler bewusst auf subjektives Feedback. Sie stellen die Benutzer in den Mittelpunkt und geben ihnen die Möglichkeit, die Einstellungen direkt zu verändern und Präferenzen, die schwer zu erkennen oder zu messen sind, selbst zu berücksichtigen. So können die Träger des Exoskeletts schnell und unabhängig entscheiden, welche Funktionen - Komfort, Leistung oder Stabilität – ihnen am wichtigsten sind und dann die entsprechenden Einstellungen wählen, ohne dass ein Experte nachjustieren muss.

Um die Machbarkeit des Konzepts zu testen, stattete das Forschungsteam Benutzer mit Sprunggelenk-Exoskeletten und einem Touchscreen aus und ließen sie auf einem Laufband gehen. Nach Angaben der Wissenschaftler konnten die Teilnehmer der Studie auf dem Touchscreen beliebige Punkte auswählen. Ohne es zu wissen, veränderten sie damit das Drehmoment des Exoskeletts sowie dessen Timing. Diese beiden Parameter steuern, wie sich die Unterstützung anfühlt, heißt es.

Bevorzugten Einstellungen werden immer wiedergefunden

Das Experiment zeigt: Nutzer, die schon Erfahrung mit dem Exoskelett haben, bevorzugten ein höheres Maß an Unterstützung als die Erstnutzer.
Das Experiment zeigt: Nutzer, die schon Erfahrung mit dem Exoskelett haben, bevorzugten ein höheres Maß an Unterstützung als die Erstnutzer.
(Bild: University of Michigan/Robotics Institute)

Wie die Forschenden mitteilen, fanden die Teilnehmer immer wieder zu ihren bevorzugten, individuellen Einstellungen zurück, obwohl die Zuordnung zwischen Touchscreen und Parametern in jeder Wiederholung des Experiments geändert wurden. Überrascht waren die Forschenden, wie schnell die Benutzer ihre bevorzugten Einstellungen fanden: Auch Menschen, die noch keine Erfahrung mit einem Exoskelett hatten, gelang dies im Schnitt in einer Minute und 45 Sekunden – ohne dass sie wussten, welche Parameter sie einstellten. Zudem änderten sich die Präferenzen im Laufe des Experiments: Nutzer, die schon Erfahrung mit dem Exoskelett haben, bevorzugten ein deutlich höheres Maß an Unterstützung als die Erstnutzer.

Die Forschenden wollen grundlegend untersuchen, wie die Vorlieben der Menschen in die Steuerung von Exoskeletten einbezogen werden können. Als Nächstes wollen sie herausfinden, warum Menschen das bevorzugen, was sie bevorzugen, wie sich diese Präferenzen auf ihren Energieverbrauch, ihre Muskelaktivität und ihre Physiologie auswirken, und wie eine präferenzbasierte Steuerung in der realen Welt automatisch umgesetzt werden könnte.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Science Robotics

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