Plantface

Aufgabe

In diesem Kurs war unsere Aufgabe ein intuitives Interface zur Steuerung eines sechsachsigen Knickarmroboters zu entwickeln. Ausgangspunkt war ein konkreter Anwendungskontext, auf dessen Basis nutzerzentrierte Konzepte, Personas und Nutzungsszenarien entstanden.

Handlungsraum

Als Handlungsraum haben wir eine Tulpen-Großgärtnerei gewählt, in der ein Knickarmroboter körperlich belastende und wiederkehrende Aufgaben wie Pflanzen, Pflegen, Ernten und Dokumentieren übernimmt. Die entwickelte Steuerung dient dabei nicht der dauerhaften Bedienung des Roboters, sondern ermöglicht es den Mitarbeitenden, in Problemfällen gezielt einzugreifen und den Arbeitsprozess sicher fortzusetzen.

Konzept

Hybrides Interface

Das Bedienkonzept besteht aus einer Desktop-Anwendung zur Überwachung und Koordination der Roboter, sowie einem Handcontroller für das gezielte Eingreifen in Problemfällen. Da der Roboter aus einem separaten Büro gesteuert wird, entwickelten wir ein Zwei-Kamera-Konzept: Eine Übersichtskamera ermöglicht die Orientierung im Gewächshaus, während eine Detailkamera am Greifer eine präzise Sicht beim Greifen und Ernten bietet.

Der Controller steuert alle relevanten Freiheitsgrade des Roboters und ermöglicht die gleichzeitige Ausführung mehrerer Bewegungen. Dabei lag der Fokus auf einer möglichst intuitiven Bedienung, sodass auch Nutzer:innen ohne Vorerfahrung den Roboter sicher steuern können.

Erste Prototypen

Konzept Prototyp

Unser erster Konzept-Prototyp hatte einen Joystick für die X- und Z-Achse. Zusätzlich gab es eine Schiene, mit der man den Joystick nach vorne und hinten bewegen konnte für die Y-Achse. Außerdem konnte man den Joystick drehen für das Drehen des Greifers.

Version für User-Test

In diesem Prototyp hat unser Controller einen handlichen Griff, der sich angenehmer Greifen lässt als der Controller. Die Schiene ist wie im Konzept-Prototypen für die Y-Achse zuständig. Der Joystick auf dem Griff steuert die X-und Y-Achse und die Drehung des Greifers wird nur durch das Drehen des Griffs gesteuert. Zusätzlich kann man den Griff noch hoch und runter Bewegen, was eine Kippbewegung des Roboters steuert. Der Button auf der Rückseite des Griffs schließt den Greifer des Roboters.

Optimierungs Potenzial

Die Erprobung des ersten Prototyps zeigte, dass sich die Steuerung noch intuitiver gestalten lässt, wenn die Bewegungen des Controllers direkter auf die Bewegungen des Roboters übertragen werden. Daraus entstanden mehrere Optimierungsideen für die nächste Entwicklungsstufe. Da vor dem User-Test keine Zeit für eine Umsetzung blieb, wurde der erste Prototyp in seiner ursprünglichen Form evaluiert. Die Ergebnisse dienten als Grundlage für die Weiterentwicklung des Konzepts.

User-Test

Für den User-Test entwickelten wir ein realistisches Szenario, in dem die Testpersonen eine erkannte Problemstelle mithilfe des Handcontrollers bearbeiten sollten. Insgesamt nahmen neun Personen unterschiedlicher Altersgruppen teil, um die intuitive Bedienbarkeit des Controllers zu evaluieren.

Die Ergebnisse bestätigten unsere Annahmen und zeigten Optimierungspotenzial bei der Steuerungslogik und dem Greifmechanismus. Diese Erkenntnisse bildeten die Grundlage für die Weiterentwicklung des Prototyps.

Überarbeitung nach User-Test

Auf Basis der Testergebnisse überarbeiteten wir den Controller ergonomisch und optimierten die Steuerung. Der Joystick wurde durch ein bewegungsbasiertes Konzept ersetzt: Die X-Achse wird nun über eine Drehplatte gesteuert, die Auf- und Abbewegung des Controllers direkt auf die Z-Achse des Roboters übertragen. Zusätzlich verbessert ein überarbeiteter Greifer mit vergrößerten Auflageflächen und Gumminoppen das sichere Greifen der Tulpen.

Finaler Prototyp

Desktop

Der Desktop-Prototyp dient als zentrale Oberfläche zur Überwachung und Koordination der Roboter im Gewächshaus. Er bietet einen Echtzeit-Überblick über Pflanzenreihen, erkannte Problemstellen und die Positionen der Roboter. Nach Auswahl einer Problemstelle werden weitere Informationen angezeigt und ein Roboter kann gezielt dorthin entsendet werden. Vor Ort wechselt die Anwendung in die Kameraansicht des Roboters und ermöglicht die manuelle Steuerung über den Handcontroller, sodass die Nutzer:innen bei Problemfällen gezielt eingreifen können.

Controller

Am Ende des Entwicklungsprozesses entstand ein vollständig
bewegungsgesteuerter Controller, dessen Steuerungslogik die
natürlichen Handbewegungen der Nutzerin bzw. des Nutzers
direkt auf die Bewegungen des Roboters überträgt. Auf der Rückseite des Controllers befindet sich ein Button, der für das Greifen der Blumen zuständig ist. Der Button misst wie stark er betätigt wird und schließt demnach den Greifer. Wird der Button fest durchgedrückt, ist dieser eingerastet und der Greifer bleibt geschlossen, bis zu einer erneuten Betätigung. Dies verhindert das unbeabsichtigte loslassen der Blume. Auf der Vorderseite befindet sich noch ein Schalter der nach oben geschoben werden kann, um das Schnittwerkzeug des Roboters zu verwenden. Dieser schnellt nach dem Schnitt von selbst zurück in die Ursprungsposition.

Finales Design

Die Material- und Farbgestaltung des Controllers wurde gezielt auf den Einsatz im Arbeitsalltag einer Gärtnerei abgestimmt. Das graue Kunststoffgehäuse wirkt robust und unempfindlich, während die grün beschichteten Soft-Touch-Griffflächen einen sicheren und komfortablen Halt bieten. Die rosébraunen Bedienelemente heben sich deutlich vom Gehäuse ab und sind durch ihre weiche Oberfläche leicht zu ertasten, wodurch sie auch während der Bedienung schnell gefunden werden können.

Für einen sicheren Einsatz wurde die Halterung auf der Unterseite mit einer rutschfesten Gummierung versehen, sodass der Controller auch bei stärkeren Bewegungen stabil auf der Arbeitsfläche bleibt. Die Führungsstange besteht aus Metall und macht die bewegungsbasierte Steuerung unmittelbar erfahrbar. Gleichzeitig verleiht sie dem Controller eine technische und präzise Anmutung, die seinen Charakter als funktionales Arbeitswerkzeug unterstreicht.