24.07.2019

HoLLiEs Patisserie: Serviceroboter dekoriert Kekse in enger Kooperation mit dem Menschen

Das Backen oder Dekorieren von Keksen ist eine spannende Aufgabe, die den meisten Menschen viel Freude bereitet. Das gemeinsame Dekorieren bzw. Verzieren mit einem Serviceroboter wie HoLLiE mit einem sehr direkten und intuitiven Interface, macht noch mehr Spaß! Es ist einfach mit dem „CookieBot“ individuelle Keksdesigns mit Zuckerstreusel, Marshmallows oder auch Zuckerguss zu gestalten.

Serviceroboter sind technisch mittlerweile in der Lage sehr komplexe Aufgaben zu erledigen und werden daher immer häufiger auch in anspruchsvollen Anwendungen verwendet. Sie werden bereits sehr häufig in industriellen Szenarien eingesetzt, aber auch immer öfter im häuslichen und privaten Umfeld. Darüber hinaus übernehmen sie z.T. schon die initiale Kontaktaufnahme, Kommunikation und Unterstützung von Kunden, was eine intuitive, klare Interaktion mit den Menschen erfordert. Aufgrund dieses Trends ist es wichtig, dass auch Menschen ohne Robotik-Erfahrung direkt, einfach und ohne Schulung mit diesen neuen Servicerobotern interagieren können. Es gibt jedoch auch Serviceroboter, die autonom sind und der Benutzer nicht mit ihnen interagieren muss oder so. So müssen beispielsweise Reinigungsroboter nur ihre Aufgabe erfüllen und gleichzeitig Kollisionen mit Menschen und Hindernissen vermeiden, indem sie die Richtung ihrer Bewegung reaktiv ändern. Eine Interaktion ist für einen solchen Staubsaugroboter somit eher zweitrangig. Für andere Aufgaben ist die Interaktion mit dem Menschen ein kritischer Aspekt, insbesondere wenn die Bewegungen des Roboters dynamisch an den Kunden angepasst werden müssen.

Der FZI CookieBot ermöglicht es dem Benutzer Butterkekse mit verschiedenen Küchenutensilien zu dekorieren. Um die Interaktion zu erleichtern und jedem Benutzer die Möglichkeit zu geben, schnell zu verstehen, wie man den Roboter und sein Verhalten steuert, wurde eine intuitive webbasierte Benutzeroberfläche entwickelt. Dies unterstützt dem Anwender in den verschiedenen Phasen der Interaktion und ermöglicht ihm eine bessere Präzision in der Steuerung und ein klares Feedback über das Roboterverhalten. Das Setup beinhaltet unseren Serviceroboter HoLLiE, das markerbasierte Lokalisierungs-System OptiTrack und einen Monitor zur Darstellung der interaktiven Benutzeroberfläche.

HoLLiE ist ein mobiler Serviceroboter, der innerhalb des FZI House of Living Labs (HoLL) entwickelt wurde. Dank der beiden Arme mit jeweils 6 Freiheitsgraden erreicht HoLLiE alle relevanten Bereiche auf der Arbeitsfläche. Der rechte Arm ist mit einer anthropomorphen Hand mit 9 Freiheitsgraden ausgestattet (Schunk SVH). Diese Hand ermöglicht es, die verschiedenen Werkzeuge mit den unterschiedlichen Formen sicher zu greifen. Für den linken Arm haben wurde ein industrieller Backengreifer verwendet, um den Spatel zu halten, mit dem die Kekse an die verschiedenen Positionen bewegt werden. Außerdem wurden die beiden Gelenke im Hals benutzt, um den Kopf des Roboters natürlich und menschenähnlich mit Blick auf den Keks sowie die Gäste auszurichten.

Auf der rechten Seite des Tisches hat HoLLiE ein Set von vier unterschiedlichen Backutensilien, um die Butterkekse zu dekorieren. Dazu gehören drei Dosen mit Streuseln, Zuckersternen und Marshmallows, die auf die Kekse aufgetragen werden können, indem die Dose umdreht wird. Die Zutaten haben verschiedene Farben, Größen und Formen, so dass jeder den eigenen Keks sehr individuell gestalten kann.

Wir haben auch eine Spritztüte mit Zuckerguss hinzugefügt, damit der Benutzer Buchstaben oder Formen auf den Keks zeichnen kann. Auf der linken Seite des Tisches werden die neuen Kekse zwischengelagert. Wenn ein neuer Keks dekoriert werden soll, verwendet HoLLiE ihren linken Arm, um ein neuen Keks in den Arbeitsbereich direkt vor ihr zu legen. Während der rechte Arm mit der Dekoration beschäftigt ist, kann der linke Arm den nächsten Keks vorberieten und mit einem Zuckerspender eine dünne Schicht Zuckerguss auftragen. Jeder Benutzer hat vier Minuten Zeit zum individuellen Dekorieren. Am Ende überreicht HoLLiE den Keks mit dem linken Arm durch eine Öffnung in der Glasscheibe.

Um die verschiedene Backutensilien in der Hand des Roboters zu steuern, gibt es eine Reihe von Modell-Werkzeugen, deren Positionen und Orientierung ständig erfasst werden. Sobald der Benutzer eines der Modell-Werkzeuge greift oder wieder abstellt führt HoLLiE die gleiche Aktion aus. Alle Backutensilien sind sowohl auf der Benutzerseite als auch im Arbeitsbereich des Roboters vorhanden. Die beiden Bereiche sind durch eine Glasscheibe voneinander getrennt.

Jedes Werkzeug auf der Benutzerseite verfügt über einen Satz reflektierender Marker, die vom OpiTrack Motion Tracking System kontinuierlich erfasst werden. Um die Werkzeug unterscheiden zu können, wurden verschiedene Marker-Muster verwendet. Die Ausgangspositionen der vier Werkzeuge sind auf der Bedienoberfläche durch helle Kreise markiert. Als Rückmeldung an den Benutzer hebt die Oberfläche optisch hervor, welches Werkzeug entnommen wurde und informiert darüber, dass der Roboter dieses Werkzeug jetzt ebenfalls greift.

Nach dem Greifen des gewünschten Werkzeugs fährt der Roboter in den Arbeitsbereich oberhalb des Keks und die Bedienoberfläche benachrichtigt den Benutzer, dass dieser mit der Steuerung des Roboters beginnen kann. Dies wird durch den Einsatz der ROS-basierten FZI Motion Pipeline ermöglicht, die intern kartesische Ziele an die Roboterarme sendet. Die erfasste Position des Modell-Werkzeugs wird zunächst in das Koordinatensystem des Roboters transformiert. Die Parameter der kartesischen Steuerung können so eingestellt werden, dass eine sehr direkte, ruckartige oder eher sanftere Bewegung des Roboters entsteht. Die webbasierte Bedienoberfläche vor dem Bediener zeigt eine virtuelle Darstellung des Arbeitsbereichs oberhalb des Keks an. Dies vereinfacht das räumliche Verständnis und erlaubt es z.B. mit dem Zuckerguss auf dem Keks zu schreiben.

Wenn die Benutzer versuchen den sicheren Arbeitsbereich des Roboters zu verlassen, werden die nächstgelegenen gültigen Positionen als Ziel beibehalten. Dies erlaubt es dem Anwender, Fehler während der Bedienung zu begehen. Außerdem können so unerwünschte Roboterkonfigurationen und mögliche Kollisionen vermieden werden. Dadurch ist jede Art von Bewegung durch den Bediener für den Roboter sicher und führt zu keinerlei Kollisionen.

Die Skalierung der erfassten, menschlichen Bewegungen ermöglicht dem Anwender eine bessere Präzision bei der Ausführung auf dem realen Roboter. Somit werden die Bewegungen der Modell-Werkzeuge in kleinere Bewegungen der realen Backwerkzeuge am Roboterarm transferiert.

Der Durchfluss des Zuckergusses durch die Spritztüte kann über Steuerbefehle aktiviert und deaktiviert werden. Wenn der Benutzer die Modell-Spritztüte in die Nähe der interaktiven Bedienoberfläche bewegt, wird die reale Spritztüte aktiviert und der Zuckerguss fließt auf den Keks. Das Anheben des Werkzeugs deaktiviert den Zuckerfluss über ein Ventil in der Spritztüte. Das Ventil sowie die Zuckerguss-Pumpe werden mittels ROS über Arduino gesteuert. Wenn die Spritztüte aktiviert ist, simuliert die Bedienoberfläche den Fluss des Zuckers und gibt dem Benutzer eine Rückmeldung über den aktuell an das reale Werkzeug gesendeten Steuerbefehl.

Da der CookieBot einfach und ohne Training gesteuert werden soll, ist es wichtig, Einschränkungen in Bezug auf Position, Drehung, Geschwindigkeit und Beschleunigung vorzusehen. So können Risiken und unerwünschte Kollisionen vermieden werden, wenn der Benutzer nicht mit dem System vertraut ist, während er die volle Kontrolle über den Roboter hat.

Die Kinematik des Roboters könnte ansonsten zu Problemen führen, wenn beliebige Positionen und Rotationen erlaubt wären. So könnten zum Beispiel Zielpositionen gewählt werden, die nicht erreichbar sind oder einen Konfigurationswechsel des Roboters erfordern. Um die Kekse mit den Streuseln zu dekorieren ist es notwendig die Drehung der Dosen am realen Roboter zu kontrollieren. Hierzu wurde eine spezielle Steuerstrategie entwickelt, die es erlaubt nur das letzte Gelenk des Roboters zu drehen, anstatt den ganzen Arm zu drehen. Die Drehung dieses letzten Gelenks hängt von der Orientierung der erfassten Dosen ab.

Sobald der Benutzer damit fertig ist, den Butterkeks zu dekorieren und die Interaktion beenden möchte, übergibt der linke Roboterarm den fertigen Keks. Die Steuerung der beiden Arme ist völlig unabhängig, so dass der Roboter mit dem linken Arm neue Kekse zubereiten kann, während der rechte Arm zum Dekorieren eines anderen verwendet wird. Auf diese Weise kann der CookieBot Kekse vorbereiten, während ein Arm noch das Backwerkzeug bedient und platziert.

HoLLiE dekorierte auf der Stallwächter Party 2019 in Berlin und zwei weiteren Veranstaltungen in Deutschland bereits hunderte von Keksen. Alle Benutzer konnte das System direkt ohne Training intuitiv bedienen. Sie hatten viel Spaß daran zusammen mit einem Serviceroboter die Kekse zu verzieren, zu beschriften und nach ihrem persönlichen Geschmack zu gestalten.