Maschinen mit Gesten steuern

Mensch und Maschine werden einander bei der Arbeit zunehmend unterstützen. Damit Abläufe effizient sind, muss die Maschine ohne Zeitverzögerung auf den Menschen reagieren. Dank ausgefeilter Highspeed-3D-Messtechnik und -Sensorik ermöglichen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF diese Echtzeit-Interaktion.

Gestensteuerung steht für die nahtlose Schnittstelle von der Maschine zum Menschen – immer mehr Maschinen, Roboter und Geräte reagieren auf einen Fingerzeig. Forscher des Fraunhofer IOF in Jena heben die Mensch-Maschine-Interaktion auf eine neue Stufe: Die im Forschungsvorhaben 3D-LivingLab entwickelte Highspeed-3D-Messtechnik und -Sensorik ermöglicht sogar die Erfassung und Steuerung von komplexen Bewegungen in Echtzeit. So kann das Forscherteam die gestenbasierte Mensch-Maschine-Interaktion am Beispiel einer Wand aus 150 Kugeln demonstrieren, die jede Kopf-, Arm- und Handbewegung eines davorstehenden Menschen in 3D kopiert. Die Kugelwand formt quasi ein Abbild der Körperbewegungen. Sie reagiert in Echtzeit dreidimensional, berührungslos, verzögerungsfrei und für den Menschen irritationsfrei. 

Das System setzt sich aus mehreren Modulen zusammen: 3D-Sensorik, 3D-Datenverarbeitung und Bildfusion sowie dem Aktorsystem – der eigentlichen Kugelwand, die aus 150 Einzelaktoren besteht. „Hinter dem vermeintlichen Spielzeug steckt Cutting-Edge-Technologie. Die 3D-Echtzeit-Erfassung und Steuerung multipler Gesten ohne Tracking-Sensoren kann Arbeitsabläufe radikal vereinfachen – von Produktionsszenarien bis zur Gesundheit und Sicherheit“, sagt Peter Kühmstedt, Gruppenleiter am Fraunhofer IOF. 

Das Demonstrator-System reagiert auf das Verhalten des Menschen, erfasst komplexe Bewegungen wie Gestik und körperliche Aktionen und gibt in Realtime ein Feedback durch technische Aktorsysteme, die die elektrischen Signale in eine Bewegung der Kugelwand umsetzen. Die Steuerung der Aktorik erfolgt durch die Körperhaltung. Eigens entwickelte spezielle Algorithmen ermöglichen es, aus der menschlichen 3D-Bewegung eine Steuerung der Aktorik anzustoßen und damit die Bewegung der Kugeln auszulösen. „Wir zeigen damit sehr schnelle Messtechnik – die Daten werden durch eine neue Generation von 3D-Sensoren aufgenommen –, sehr schnelle latenzarme Verarbeitung – die Daten werden sofort interpretiert und umgerechnet – und die schnelle Reaktion in Echtzeit – die Kugelwand spiegelt anhand der Berechnungsergebnisse sofort die Bewegung der davorstehenden Person“, sagt der Forscher.

In Produktionsumgebungen lässt sich die Technologie beispielsweise einsetzen, um einen Werker zu überwachen, der mit einem Roboter interagiert und ihm Bauteile reicht. Sie kann auch auf andere Anwendungsfelder wie die der Gesundheit und Sicherheit übertragen werden und die dortigen Abläufe sicherer und effizienter gestalten. Denkbar ist der Einsatz der 3D-Sensorik und der Interaktionskomponenten in Montageassistenz-, und Qualitätskontrollsystemen, sie qualifiziert sich zudem für die Überwachung biometrischer Zugänge.

FhG / JOL