أطروحة ماجستير حول تصميم التفاعل بين الإنسان والروبوت

نظرة عامة

في الروبوتات الكبيرة التي يشغلها الإنسان، من الصعب تمييز الحركة نحو الهدف الذي يتم العمل عليه والحركة نحو العقبات غير الملحوظة باستخدام أجهزة الاستشعار المحيطة فقط. لذلك، تم تصميم نظام تجنب الاصطدام يستخدم نطاق الرؤية الذي يراه المشغل كدليل لإرادته في 'المس المسموح'، ويقوم بإبطاء أو إيقاف الذراع عند الاقتراب من هدف غير مرئي.

ليس من الضروري تسجيل الهدف مسبقًا كـ "قابل للتشغيل" أو "موضوع للحماية". يتم تحديث هذا التمييز وفقًا لنظرة المشغل أثناء العمل. تم تنفيذ ذلك على روبوت ضخم بشري الشكل بطول 1.9 متر، وتم التأكد من تحقق السلوك المحدد خلال خمس تجارب عرضية. يمكن مشاهدة الحركة الفعلية في فيديو تجريبي.

كجزء من أطروحة الماجستير في التصميم والهندسة بجامعة ميلانو للتكنولوجيا، قمت بذلك أثناء تدريب بحثي في شركة Jinkitai، وقد تم العرض في المؤتمر الأكاديمي الرابع والثلاثون لجمعية الروبوت اليابانية (RSJ2021).

المشكلة — الإعدادات المسبقة من أجل السلامة تقيد الموقع

الروبوتات التي يتم التحكم فيها بواسطة الإنسان تكون ضرورية في الأماكن التي لم يتم تجهيزها للروبوتات الذاتية. مثل مواقع البناء ومناطق الكوارث، حيث تتغير مواقع الأشخاص والمعدات، وما يمكن لمسه يختلف من عملية إلى أخرى. لاستخدام القوة الكبيرة للآلات، يجب أن يكون من الممكن لمس الهدف المطلوب مع تجنب أي اتصال غير مقصود.

طرق تجنب التصادم القائمة تشمل تغطية الروبوت بأجهزة استشعار قريبة أو إعادة تمثيل المحيط في مساحة افتراضية باستخدام أجهزة استشعار العمق. ومع ذلك، يتعين في كلتا الطريقتين تصنيف الهدف مسبقًا على أنه 'قابل للتشغيل' أو 'محمي'. إذا لم يتم تسجيل أي شيء، فلن يتمكن الروبوت من لمس أي شيء من أجل السلامة، وإذا تم تسجيل كل شيء، فستتطلب كل إعداد معايرة وضبط خاص بالمكان. كان هذا العبء التحضيري يقلل من جدوى استخدام الروبوت عند الانتقال بين الأماكن.

الفكرة - تحويل النظرة إلى 'شرط يمكن لمسه'

في حلقة تحكم الروبوت الذي يعمل بواسطة الإنسان، هناك بالفعل شخص يقدّر الوضعيات. فكرت أنه إذا كان بالإمكان نقل ما يركز عليه الإنسان إلى الآلة، فبدلاً من تسجيل الهدف مسبقًا، قد يكون من الممكن تقدير نية الاتصال أثناء العمل.

لذلك، يتم استخدام المجال البصري المركزي للمشغل كحد فاصل. الأشياء الموجودة داخل المجال البصري تعتبر "أشياء قابلة للتشغيل" التي يسيطر عليها المشغل. الأشياء الموجودة خارجه تعتبر "أشياء محمية" التي قد يتم تفويتها. الإنسان يعتبر دائمًا شيئًا محميًا بغض النظر عن موقع نظره.

هذا ليس نظامًا لإرسال الأوامر إلى الروبوت بالنظر. إنه نظام يقوم بتحويل الحالة الإدراكية للمشغل إلى شروط تسمح للروبوت بالتحرك.

تصميم التفاعل

النظام لا يحول موقع النظر إلى مفتاح تشغيل/إيقاف بسيط. عند الاقتراب من هدف لا يتم النظر إليه، يتباطأ الذراع تدريجياً وفقاً للمسافة ويتوقف قبل ملامسته. بعد التوقف، عندما يوجه المشغل نظره نحو الهدف، يتم رفع القيود تدريجياً أيضاً. تم تجنب السلوك المفاجئ للتوقف أو التحرك فجأة، بحيث يمكن للمشغل التنبؤ بالتغيرات.

من ناحية أخرى، حتى إذا تم تحويل النظر مؤقتًا عن الهدف الذي تم لمسه بالفعل، لا تتوقف الأعمال الجارية. ذلك لأن القبض أو التشغيل يتوقف بمجرد تحويل النظر، مما يجعل الأمور غير مستقرة بدلاً من ذلك. الاستثناء الوحيد هو الاقتراب من الأشخاص، حيث يتم فرض قيود سواء كان المشغّل يراقب أو لا.

الهدف لم يكن هو إبطاء العمل بشكل موحد من أجل السلامة. بل هو الحفاظ على قدرات الروبوت ضمن النطاق الذي يدركه المشغل، وحماية النطاق الذي لا يصل إليه انتباهه، بحيث تتحقق كل من السلامة وسهولة العمل.

السيناريوهات المتوقعة للاستخدام

الموضوع المستهدف هو المواقع التي تُستخدم فيها قوى كبيرة بالقرب من الأشخاص، مثل مواقع البناء أو مواقع الكوارث. في مثل هذه الأماكن، من الصعب حصر المنطقة بالكامل بسياج أو تسجيل جميع الأهداف مسبقًا. في نظام يجب إعادة ضبط إعدادات الأمان في كل مرة يتم فيها تغيير الترتيب، يُفقد الطابع الطارئ والقابلية للتطبيق العام.

التمييز القائم على النظر يستخدم وعي الشخص الحالي بالحالة بدلاً من نموذج بيئي ثابت. قد يقلل ذلك من عبء التحضير في الموقع ويحد من الاقتراب من الأهداف المهملة. ومع ذلك، ما تم تأكيده في هذه الدراسة هو أن النظام يعمل وفق التعريف فقط، ولم يتم تقييم تأثيره على تقليل الحوادث ميدانيًا.

النموذج الأولي والتقييم المبدئي

تنفيذ

تم تنفيذ النظام في روبوت طوله 1.9 متر ووزنه 600 كجم وذو 30 درجة حرية، له شكل يشبه الجزء العلوي من جسم الإنسان. يرتدي المشغل سماعة رأس واقع افتراضي، ويقوم بالتحكم وفقاً لمزامنة رؤية الروبوت واتجاه رأسه مع حركة جسده.

تم الحصول على مساحة العمل كنقاط سحابية باستخدام LIDAR على الروبوت، وتم تمثيلها في الفضاء الافتراضي كخلية ثلاثية الأبعاد تحتوي على كشف التصادم. يعمل التوأم الرقمي الذي يزامن هذه المساحة مع الجهاز الفعلي. تم تمثيل مجال رؤية المشغل المركزي كهرم بزاوية 60°×55°، وتم تقريب الاتجاه بناءً على اتجاه مقدمة سماعة الرأس. عندما يقترب الذراع من خلية خارج مجال الرؤية، يتم إرسال تحذير إلى الجهاز الفعلي لإبطاء الحركة أو إيقافها.

التقييم المبدئي

تم تجربة سلسلة من العمليات حيث قام المشغل بتحريك الذراع بالقرب من الهدف مع عدم توجيه نظره نحو الهدف، ثم أعاد نظره إلى الهدف بعد التوقف لفك القيود، وأخيرًا أمسك الكرة. من بين خمس محاولات، قام المشغل المتمرس بأربع محاولات، وقام المشغل في مرّة ركبته الثانية بمحاولة واحدة. في جميع المحاولات، توقفت الذراع عندما كان النظر بعيدًا، واستمرت العملية عند توجيه النظر نحو الهدف. هذا ليس تجربة مستخدم لقياس الفعالية، بل هو تقييم أولي للتحقق من صحة السلوك المصمم على الجهاز الفعلي.

الحدود والتحقق التالي

النموذج الأولي لم ينفذ اكتشاف البشر. تم وضع قاعدة تفيد بحماية البشر دائمًا بغض النظر عن اتجاه النظر، لكن في البيئات الواقعية سيكون من الضروري وجود آلية للتعرف على البشر بشكل موثوق. علاوة على ذلك، بدلاً من استخدام النظر نفسه، تم استخدام الاتجاه الأمامي لسماعة الرأس كقيمة بديلة، وبالتالي لن يتم التقاط الحركة إذا تم تحريك العين فقط.

باستخدام الكاميرات الثابتة أو النظارات الذكية المزودة بتتبع النظر، ستتغير شروط الأجهزة المستخدمة ودقة التقدير. عند الانتقال إلى الروبوتات المتحركة، سيكون من الضروري أيضًا معالجة النقاط التي يمكنها متابعة تغير موقع الروبوت نفسه.

التقييم يقتصر على التحقق النوعي من خلال خمس محاولات تجريبية. لتقييم السلامة وسرعة العمل والعبء على المشغل، من الضروري إجراء مقارنة كمية مع الطريقة التقليدية في ظروف العمل الفعلية.

وجهة النظر التي تم الحصول عليها من هذا البحث

في هذا البحث، لم نستخدم نظرة الإنسان كجهاز إدخال، بل اعتبرناها شرطًا للسماح بسلوك الآلة. بحسب ما يدركه الإنسان في الوقت الحالي، يتغير سلوك الروبوت تجاه نفس الهدف. ما صممناه لم يكن أفعالًا فردية، بل العلاقة بين حالة إدراك الإنسان وصلاحيات الآلة.

هذا النمط من التفكير مرتبط أيضاً بـفلسفة التصميم الخاصة بي الحالي. فهم حالة الإنسان، وتحويلها إلى قيود يجب على النظام الالتزام بها، ومن ثم تظهر القدرات داخلها للآلات أو الذكاء الاصطناعي. كانت دراسة الماجستير نقطة الانطلاق لذلك.

شكر وتقدير

أُجريت هذه الدراسة كجزء من برنامج الماجستير في التصميم والهندسة في جامعة ميلانو للتكنولوجيا، خلال فترة التدريب في شركة جينكي إيتاي المحدودة. أود أن أعرب عن خالص امتناني لكل من المؤسستين اللتين جعلتا هذه الفرصة ممكنة.