Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Verbesserung von Mensch-Roboter Interaktion in Mensch-Roboter Teams für Teleoperation Szenarien, wie z.B. robotergestützte Feuerwehreinsätze. Hierbei wird ein Konzept und eine Architektur für ein System zur Unterstützung von Teleoperation von Mensch-Roboter Teams vorgestellt. Die Anforderungen an Informationsaustausch und -verarbeitung, insbesondere für die Anwendung Rettungseinsatz, werden ausgearbeitet. Weiterhin wird das Design der Benutzerschnittstellen für Mensch-Roboter Teams dargestellt und Prinzipien für Teleoperation-Systeme und Benutzerschnittstellen erarbeitet. Alle Studien und Ansätze werden in einem Prototypen-System implementiert und in verschiedenen Benutzertests abgesichert. Erweiterungsmöglichkeiten zum Einbinden von 3D Sensordaten und die Darstellung auf Stereovisualisierungssystemen werden gezeigt. / This work deals with teams in teleoperation scenarios, where one human team partner (supervisor) guides and controls multiple remote entities (either robotic or human) and coordinates their tasks. Such a team needs an appropriate infrastructure for sharing information and commands. The robots need to have a level of autonomy, which matches the assigned task. The humans in the team have to be provided with autonomous support, e.g. for information integration. Design and capabilities of the human-robot interfaces will strongly influence the performance of the team as well as the subjective feeling of the human team partners. Here, it is important to elaborate the information demand as well as how information is presented. Such human-robot systems need to allow the supervisor to gain an understanding of what is going on in the remote environment (situation awareness) by providing the necessary information. This includes achieving fast assessment of the robot´s or remote human´s state. Processing, integration and organization of data as well as suitable autonomous functions support decision making and task allocation and help to decrease the workload in this multi-entity teleoperation task. Interaction between humans and robots is improved by a common world model and a responsive system and robots. The remote human profits from a simplified user interface providing exactly the information needed for the actual task at hand. The topic of this thesis is the investigation of such teleoperation interfaces in human-robot teams, especially for high-risk, time-critical, and dangerous tasks. The aim is to provide a suitable human-robot team structure as well as analyze the demands on the user interfaces. On one side, it will be looked on the theoretical background (model, interactions, and information demand). On the other side, real implementations for system, robots, and user interfaces are presented and evaluated as testbeds for the claimed requirements. Rescue operations, more precisely fire-fighting, was chosen as an exemplary application scenario for this work. The challenges in such scenarios are high (highly dynamic environments, high risk, time criticality etc.) and it can be expected that results can be transferred to other applications, which have less strict requirements. The present work contributes to the introduction of human-robot teams in task-oriented scenarios, such as working in high risk domains, e.g. fire-fighting. It covers the theoretical background of the required system, the analysis of related human factors concepts, as well as discussions on implementation. An emphasis is placed on user interfaces, their design, requirements and user testing, as well as on the used techniques (three-dimensional sensor data representation, mixed reality, and user interface design guidelines). Further, the potential integration of 3D sensor data as well as the visualization on stereo visualization systems is introduced.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle grafischer Prototypen bei der Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen untersucht. Diese grafischen Modellierungen von Gestaltungsentwürfen sollten den Aufbau mentaler Repräsentationen fördern und somit die Lösung von Gestaltungsproblemen unterstützen. Diese Annahme wird in zwei Experimenten überprüft. Die Erkenntnisse werden in die Methode zur prospektiven Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen integriert und in einer Fallstudie auf ihre Praktikabilität untersucht. Damit leistet die Arbeit einen Beitrag zur Untersuchung der Rolle von Visualisierungen in der Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen. Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen wird als partizipativer Problemlöseprozess betrachtet, der der integrierten Gestaltung sozialer und technischer Komponenten von Mensch-Maschine-Systemen dient. Zur Unterstützung der Gestaltung wird der Einsatz von Prototypen, Modellierungen der Gestaltungsproblemen und -entwürfen, diskutiert. In aktuellen Methoden zur Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen kommen unterschiedliche Prototypen zur Unterstützung der Gestaltungsaktivitäten Entwerfen (Konstruktion von Prototypen) und Evaluation (Kommunikation durch die Elaboration von Prototypen) zum Einsatz. Sowohl die Konstruktion als auch die Elaboration von Prototypen sollte den Aufbau mentaler Repräsentationen fördern (Neyer, Doll & Moeslein, 2008; Sachse, Hacker & Leinert, 1999; Smith & Browne, 1993). Dieser Aufbau mentaler Repräsentationen stellt eine zentrale Funktion von Prototypen dar, da angemessene Repräsentationen des Gestaltungsgegenstands als Voraussetzung für gute Gestaltung und für die Evaluation durch Beteiligte angesehen werden (Eason, Harker & Olphert, 1996; Novick & Hmelo, 1994; Sachse & Hacker, 1997). Welche Form von Prototypen dafür besser geeignet ist, wurde bislang nicht empirisch geprüft. Die Hauptfragestellungen dieser Arbeit beziehen sich auf den Effekt der Konstruktion von Prototypen sowie die Effekte der Konstruktion und Elaboration grafischer im Vergleich zu narrativen Prototypen auf mentale Repräsentationen. Diesen Fragestellungen wird in zwei Experimenten und einer Fallstudie im Anwendungsbereich der Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen nachgegangen. In dem ersten Experiment wurde die Unterstützung der Entwurfsphase, d.h. der Aufbau mentaler Repräsentationen durch die Konstruktion von Prototypen untersucht. Probanden konstruierten grafische oder narrative Prototypen eines Mensch-Maschine-Systems (Experimentalgruppen) oder rezipierten Informationen zum Mensch- Maschine-System (Kontrollgruppe). Die Konstruktion von Prototypen führte zu besseren mentalen Repräsentationen des Problemraums. Die Form der Prototypen beeinflusste die Güte der mentalen Repräsentationen nicht, jedoch wurde die grafische Modellierungsnotation besser bewertet. Im zweiten Experiment wurde die Funktion von grafischen und narrativen Prototypen für die Kommunikation von Gestaltungsvisionen untersucht. Die Fragestellung war, wie sich die Elaboration grafischer oder narrativer Prototypen auf die mentalen Repräsentationen, die zur Elaboration benötigte Zeit sowie die Bewertung der Modellierungsnotation auswirkt. Mit grafischen Prototypen konnten in kürzerer Zeit mentale Repräsentationen des Problemraums aufgebaut werden, die mehr Elemente enthielten als die narrativer Prototypen. Zudem wurden grafische Prototypen erneut besser bewertet. Darüber hinaus wurde die Funktion grafischer Prototypen in einer Fallstudie erprobt. Die Methode zur prospektiven Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen (Hamborg, Schulze & Sendfeld, 2007) wurde in dieser Arbeit weiterentwickelt und zur Einführung von Standardsoftware eingesetzt. Grafische Prototypen kamen in Kombination mit Gestaltungsheuristiken sowohl in der Entwurfs- als auch der Evaluationsphase zum Einsatz. Es zeigte sich, dass die Methode durchführbar und praktikabel ist und die Gestaltung unterstützt. Grafische Prototypen wurden dabei als verständlich und nützlich bewertet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der Untersuchungen, dass grafische Prototypen das Entwerfen und die Kommunikation von Gestaltungsentwürfen unterstützen, indem sie zum Aufbau mentaler Repräsentationen des Problemraums beitragen. Der Einsatz grafischer Prototypen erlaubt es z.B., die Folgen von Technologie- Einführungen im Vorfeld berücksichtigen zu können. Damit hat diese Arbeit über den reinen Erkenntnisgewinn hinaus einen praktischen Nutzen bei der Verbesserung der methodischen Unterstützung der Gestaltung von Mensch-Maschine-Systemen. In weiteren Untersuchungen sollten die vermuteten Effekte von Prototyping auf die Gestaltungsgüte empirisch adressiert werden und die gewonnenen Erkenntnisse in quasiexperimentellen Studien repliziert werden.