Als blinder oder sehbehinderter Mensch im Supermarkt einzukaufen, ist alles andere als eine triviale Aufgabe: Zwischen den Regalen muss sicher navigiert, Produkte müssen aufgefunden, zuverlässig gegriffen und in den Wagen gelegt werden. Dabei gilt es, auch einen voll beladenen Einkaufswagen sicher an anderen Menschen vorbeizulenken, die sich ebenfalls bewegen, teilweise abrupt abbiegen oder anhalten.
Unterstützung beim kompletten Einkaufsprozess
Das Team von Prof. Dario Schafroth am Institut für Laborautomation und Mechatronik der Fachhochschule OST hat dafür unter der Projektleitung von Chantal Keller den autonomem Einkaufswagen Viras (Visually Impaired Robot-Assisted Shopping) entwickelt, der Menschen mit Sehbehinderung beim Einkauf unterstützen soll. Dazu erfassen die Anwender im ersten Schritt ihre Einkaufsliste in einer App, die speziell für ihre Belange entwickelt wurde. Im Supermarkt kann diese Einkaufsliste dann per NFC an den Einkaufswagen übertragen werden. Mithilfe verschiedener Kameras und Sensoren lokalisiert sich der Wagen präzise innerhalb der Supermarktumgebung. Zudem weiß er, wo welche Produkte zu finden sind und plant die Einkaufsroute. Die Pfadfindung erfolgt adaptiv und priorisiert effiziente, kollisionsfreie Routen zu den gewünschten Produkten. Mit der sehbehinderten Person kommuniziert der Wagen akustisch über einen Kopfhörer. Zu Beginn wird sie aufgefordert, den Start per Knopfdruck zu bestätigen. Sie hält sich wie gewohnt am motorisierten Einkaufswagen fest. Dieser führt sie dann zu den gewünschten Produkten. Unterwegs weicht der Wagen zuverlässig Hindernissen sowie anderen Kundinnen und Kunden aus. Über einen Gashebel am Griff des Einkaufswagens kann die sehbehinderte Person dessen Geschwindigkeit bestimmen.
Am richtigen Regal angekommen, stoppt der Einkaufswagen. Zwei seitlich montierte, schwenkbare Stereokameras erfassen das Regalbild aus unterschiedlichen Perspektiven. Ein KI-Modul analysiert die Bilddaten und identifiziert das gesuchte Produkt anhand visueller Merkmale. Zusätzlich verfolgt ein Handtracking-Modul die Bewegungen der Hand der Nutzenden. Über akustisches Feedback, in welche Richtung sich die Hand bewegen muss, wird sie zum gewünschten Produkt gelenkt. Das Einlegen des Produkts in den Einkaufswagen wird durch ein akustisches Signal bestätigt und die Route zum nächsten Produkt bzw. zur Kasse wird fortgesetzt. Für unverpackte Ware wie Obst oder Gemüse soll der Einkaufswagen künftig mit einer integrierten Waage ausgestattet werden. Die Gewichtserfassung erfolgt dann automatisch und der Preis wird über die App mitgeteilt. Dass der Einkaufswagen alle eingelegten Produkte erfasst, lässt sich dann auch für den Bezahlvorgang nutzen und damit den Check-Out für Menschen mit Sehbehinderung deutlich erleichtern. Produkte müssen nicht zwangsläufig noch einmal aufs Kassenband gelegt werden.
Mechatronisches System
Die Anwendung umfasst somit viele typische Anforderungen eines mechatronischen Systems, also das Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Informationstechnik (im konkreten Fall Kameras, Antriebstechnik sowie Bildverarbeitungs- und Navigations-Software zur Steuerung). Hinzu kommt die Interaktion mit dem Menschen. All das muss auf möglichst engem Raum realisiert werden. Der Einkaufswagen soll durch die zusätzliche Technik außerdem nicht deutlich schwerer werden. Gleichzeitig sollte der Energieverbrauch gering sein, da die Gesamtlösung akkubetrieben arbeitet. Die technische Grundlage von Viras bildet ein adaptiertes Einkaufswagensystem, das für den Einsatz autonomer Assistenzfunktionen optimiert wurde. Hierbei wurde eine modulare Plattform integriert, die Steuerungs-, Navigations- und Interaktionsfunktionen zentralisiert. Die Fortbewegung des Wagens erfolgt motorisiert, wobei die Steuerung nur bei aktivem Benutzereingriff reagiert. Dieses sicherheitsrelevante Prinzip gewährleistet, dass der Wagen ausschließlich dann in Bewegung ist, wenn Nutzer dies explizit wünschen. Gleichzeitig erhöht dies die Akzeptanz der Anwender.
Für die räumliche Orientierung nutzt Viras ein Lokalisierungs- und Kartierungsverfahren, das auf stereoskopischer Tiefenwahrnehmung basiert. Die Umgebung wird dabei kontinuierlich in Form von Punktwolken erfasst und in einer dynamischen 3D-Karte abgebildet. Diese Karte wird in Echtzeit aktualisiert und ermöglicht eine präzise Lokalisierung des Wagens ohne externe Infrastruktur innerhalb der Verkaufsfläche. Das System ist darauf ausgelegt, sich in hochdynamischen Umgebungen wie Supermärkten zuverlässig zu bewegen. Wechselnde Lichtverhältnisse, variable Kundenströme und temporäre Hindernisse werden dabei ebenfalls berücksichtigt.
Robuste und leistungsfähige Antriebstechnik
Als Antrieb kommen zwei bürstenlose DC-Flachmotoren im Edelstahlgehäuse aus der BXT-H-Familie von Faulhaber zum Einsatz. Er überzeugt mit einem hohen Drehmoment sowie einem besonders guten Verhältnis von Drehmoment zu Gewicht und Bauvolumen. Für den autonomen Einkaufswagen wurde der Antrieb mit einem Getriebe sowie dem kompakten Motion Controller MC 5005 kombiniert. Die Antriebslösung kann alle Betriebs- und Lastszenarien sowie die Anforderungen an Energieeffizienz und Geräuschemissionen abdecken. Besonders wichtig war bei der Entwicklung Motoren zu finden, die bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Anlauf- und Haltemoment erzeugen. Dadurch kann der Einkaufswagen auch im voll beladenen Zustand zuverlässig auf dem vorgegebenen Weg gehalten werden, während gleichzeitig sanfte Beschleunigungs- und Bremsvorgänge möglich sind. Damit Personen im Umfeld des Einkaufswagens nicht von Lärm belästigt werden, war auch die geräuscharme Ausführung der Antriebe wichtig. Zudem sollten die Geräusche des Antriebs die akustischen Ansagen des Einkaufswagens natürlich nicht stören.
