أطروحة الماجستير في تصميم التفاعل بين الإنسان والروبوت

بقلم تاكافومي هوريوتشي (Takafumi Horiuchi)

يوليو 2021

نظرة عامة

من يشغّل روبوتًا كبيرًا لا يمكنه الانتباه إلا إلى جزء من مساحة العمل في كل لحظة. سأل هذا البحث: ما الذي يتغيّر إن أُخبرت الآلة أين يقع هذا الانتباه الآن؟ صمّمتُ نظامًا لتفادي الاصطدام يقرّر فيه نظر المشغّل كيف يُسمح للروبوت أن يتصرّف: ما يقع داخل مجال الرؤية المركزي للمشغّل يمكن التعامل معه بحرية، وما يقع خارجه محميّ — إذ تتباطأ الذراع وتتوقف قبل أن تصل. لا حاجة إلى تصنيف أي شيء مسبقًا؛ فالتمييز يُرسم في لحظة العمل نفسها، انطلاقًا من الموضع الذي ينظر إليه المشغّل. فيديو العرض التوضيحي هنا (على يوتيوب).

كان هذا العمل أطروحة الماجستير في Design & Engineering في بوليتكنيكو دي ميلانو، وأُنجز خلال تدريب بحثي في شركة Man-Machine Synergy Effectors, Inc. في اليابان، وعُرض في المؤتمر السنوي التاسع والثلاثين للجمعية اليابانية للروبوتات (RSJ2021).

ومن هنا أيضًا بدأت فلسفتي في التصميم تأخذ شكلها الحالي. ما يقرأه هذا النظام ليس أمرًا بل حالة معرفية — هل لوحظ الشيء أصلًا — ثم يحوّل تلك الحالة إلى الشروط التي يُسمح للآلة بالعمل ضمنها. ما يُصمَّم ليس حركة الروبوت بل العلاقة: ما يجوز للآلة فعله ينبع مما يفهمه الإنسان في تلك اللحظة. وتصميم هذه العلاقة بدل تصميم كل سلوك على حدة هو الحركة نفسها التي أقوم بها اليوم، حين يكون الفاعل ذكاءً اصطناعيًا توليديًا لا ذراعًا آلية.

  1. شريحة العنوان: Awareness-Based Collision Prevention for Human-Controlled Robotic Manipulation، بوليتكنيكو دي ميلانو، Laurea Magistrale in Design & Engineering، العام الدراسي 2020–2021.
  2. الخلفية: تحدّد موضوع الأطروحة خلال تدريب بحثي في شركة <span dir=Man-Machine Synergy Effectors, Inc.، وهي شركة تطوّر آلات ثقيلة بهيئة بشرية تُشغَّل بنظام سيد-تابع.">
  3. مقارنة بين الروبوتات ذاتية التشغيل والروبوتات التي يشغّلها الإنسان: الأولى تعمل بكفاءة في فضاءات مصمّمة خلف أسوار، والثانية في فضاءات غير مؤكدة إلى جانب البشر.
  4. إحصاءات من أوروبا والولايات المتحدة واليابان تُظهر أن الاصطدام بأجسام متحركة يشكّل نسبة معتبرة من حوادث مواقع البناء.
  5. أبحاث ذات صلة في تفادي الاصطدام: جلد حسّاس يغطي الذراع الآلية، ومستشعرات عمق تبني تمثيلًا افتراضيًا للمحيط.
  6. التحدي الحالي: تشترط الأنظمة القائمة تعريف الأجسام مسبقًا بوصفها محميّة أو قابلة للتعامل، عبر بطاقات يرتديها العاملون أو تحليل الصور أو مصنّفات مدرَّبة.
  7. المقترح: تعتمد الأنظمة التقليدية على بيانات المستشعرات السلبية وحدها، بينما الروبوت الذي يشغّله إنسان يضم أصلًا شخصًا داخل حلقة التحكم، ويمكن لاتجاه نظره أن يعمل كمعامل نشِط.
  8. قاعدة التصنيف: الأجسام داخل مجال الرؤية المركزي للمشغّل قابلة للتعامل، والأجسام خارجه محميّة.
  9. نظرة عامة على النموذج الأولي: روبوت مادي مقترن بفضاء حوسبي افتراضي، تليه ثلاثة مكوّنات تقنية.
  10. المكوّن الأول: تمثيل مجال الرؤية المركزي بمخروط مقداره 60 في 55 درجة، ويُقارَب اتجاهه باتجاه الأمام لنظارة الواقع الافتراضي.
  11. المكوّن الثاني: ليدار مثبَّت على رأس الروبوت يمسح المحيط إلى سحب نقاط، تُمثَّل مكعبات يحمل كل منها مصادمه الخاص.
  12. المكوّن الثالث: توأم رقمي للروبوت يتحرك مع الروبوت المادي، وتُطلق تحذيرات القرب حين تلامس ذراعه مكعبات خارج مجال الرؤية.
  13. عرض إثبات المفهوم: لقطة من الفيديو والروبوت يمدّ يده إلى كرة فوق عمود، مع إدراج المشهد الافتراضي بالمكعبات.
  14. العمل المستقبلي: كشف البشر في مساحة العمل، واختبار طرق أخرى لقياس اتجاه النظر، وتقييم النظام كميًّا في الميدان.
  15. شريحة الخاتمة تلخّص موضوع البحث وقيمة الطريقة وجدّتها وكيفية التحقق من النظام.
شرائح مناقشة أطروحتي. مرّر الشريط جانبيًا؛ وكل شريحة تُفتح بحجمها الكامل.

الملخص

تظهر قيمة الروبوتات التي يشغّلها الإنسان في المواضع التي تعجز فيها الروبوتات الذاتية: في مساحات عمل لم تُصمَّم يومًا للمهمة الجارية، بجوار أشخاص ومعدات لا يجوز الاصطدام بها. تعالج أنظمة تفادي الاصطدام القائمة هذه المساحات باشتراط أن يُعلَن كل جسم سلفًا إما هدفًا للتعامل وإما شيئًا يجب حمايته — وهي كلفة إعداد تصبح غير محتملة لآلة يُراد نقلها من موقع إلى آخر.

اقترح هذا البحث إجراء هذا التمييز أثناء التشغيل بدلًا من ذلك، انطلاقًا من نظر المشغّل. فالأجسام داخل مجال رؤيته المركزي تُعامَل بوصفها قابلة للتعامل، وما خارجه بوصفه محميًّا، والبشر محميّون في كل الأحوال. تُدخل الطريقة معاملًا نشِطًا — معاملًا بشريًا — في حلقة تحكم كانت حتى ذلك الحين مبنية بالكامل من بيانات مستشعرات سلبية. نُفِّذ النموذج الأولي على JINKI type Zero، وهو روبوت آلات ثقيلة بهيئة بشرية طوله 1.9 متر، وتصرّف كما هو محدّد في خمس تجارب عرض.

1. مقدمة

يجمع الروبوت الذي يشغّله إنسان بين أمرين يصعب الحصول عليهما معًا: قوة الآلة ودقّتها، وحُكم الإنسان على الموقف. والروبوتات ذاتية التشغيل لا توفّر الثاني بعد. وبينما تعمل الروبوتات الصناعية في خلايا مصمّمة خلف أسوار، يُنتظر من الروبوتات التي يشغّلها الإنسان أن تعمل في أماكن هُيِّئت لغرض آخر — بجوار العاملين في الموقع، وبين معدات دقيقة، وفي المنشآت النووية ومواقع البناء. ولذلك فإن ضمان ألا يُتلف الروبوت ما حوله جزء مما يجعله صالحًا للاستعمال أصلًا.

الوسيلتان الراسختان للوقاية من التلامس العَرَضي هما الجلد الحسّاس، حيث تغطي مستشعرات القرب كل جزء حرج من الذراع الآلية، واستشعار العمق، حيث يُعاد بناء المحيط سحابةَ نقاط وتُحسب المسافات في ذلك الفضاء الافتراضي. وكلتاهما تعمل. لكن كلتيهما تفترض أن الأجسام حول الروبوت قد فُرزت سلفًا إلى ما يجوز لمسه وما لا يجوز: فمن دون هذا الفرز، لا تستطيع آلة مُنع عنها الاصطدام بأي شيء أن تتعامل مع أي شيء أيضًا. وبالنسبة لأداة عامة الغرض تُنقل بين المواقع وتُوضع وسط ما يوجد فيها، تكلّف عمليات الإعداد والمعايرة أكثر مما تشتريه من أمان.

المدخل الذي يعبر منه هذا البحث هو أن الروبوت الذي يشغّله إنسان يضم أصلًا شخصًا داخل حلقة تحكمه. تشير دراسات الخطأ التشغيلي إلى الوعي بالموقف — الإدراك الدقيق لما يجري حولك — بوصفه العامل الحاسم، ومن المعروف أن هذا الوعي يرتبط ارتباطًا قويًا باتجاه النظر. وقد بُني تفادي الاصطدام تقليديًا من المعلومات السلبية وحدها، أي البيانات المقروءة من المستشعرات. وإضافة معامل نشِط واحد، وهو الموضع الذي ينظر إليه المشغّل، تمنح النظام دلالة على ما إذا كان التلامس مع جسم بعينه مقصودًا أم لا.

رسم من أعلى: مخروط يحدّد مجال الرؤية المركزي للمشغّل أمام الروبوت. الجسم A داخل المخروط مرسوم دائرةً بيضاء، والأجسام B وC وD خارجه مربعاتٍ داكنة، ويقف شكلان بشريان أحدهما داخل المخروط والآخر خارجه.
الجسم A، داخل مجال الرؤية المركزي للمشغّل، قابل للتعامل؛ والأجسام B وC وD خارجه محميّة. والبشر محميّون أينما وقفوا.

2. سلوك النظام

يُسمّى الجسم الذي ينوي المشغّل لمسه جسمًا قابلًا للتعامل، ويمكن التعامل معه دون قيد. أما الجسم الذي لا ينوي المشغّل لمسه فهو جسم محميّ، ولا يجوز لمسه. وأيّ الاثنين يكون الجسم في لحظة بعينها يتبع موضعه من مجال الرؤية المركزي للمشغّل: داخله يكون الجسم تحت قدر من الانتباه يكفي لعدّ التلامس مقصودًا، وخارجه لا يكون كذلك.

تحكم السلوكَ الناتج خمس قواعد. للذراع الآلية أن تتداخل بحرية مع الأجسام داخل مجال الرؤية المركزي. ولا يجوز لها التداخل مع الأجسام خارجه، وتتوقف تدريجيًا كلما اقتربت من أحدها. وبعد التوقف، يُرفع القيد تدريجيًا كلما انتقل مجال رؤية المشغّل إليها. ولا يُطبَّق أي قيد إذا غادر مجال الرؤية جسمًا تلامسه الذراع بالفعل، حتى لا ينقطع عمل جارٍ بمجرد نظرة إلى جهة أخرى. ولا يجوز للذراع أن تتداخل مع إنسان، أينما وقف. وإذا كان للروبوت أكثر من ذراع، طُبِّقت القواعد على كل ذراع على حدة.

ما يكسبه المشغّل من ذلك هو القدرة على العمل بأقصى سرعة على ما ينظر إليه، معتمدًا على أن الآلة لن تصطدم بالمعدات التي لا ينظر إليها. أما سلامة العاملين في الموقع فغير مشروطة، ولا تتوقف على نوايا المشغّل إطلاقًا.

مخطط انسيابي يبدأ من التعامل في حركة حرة، ويتفرّع بحسب: هل يوجد جسم قريب، وهل هو إنسان، وهل تتجه الذراع نحوه، وهل الجسم داخل منطقة التركيز — ليفضي إلى التعامل الدقيق أو التوقف التدريجي أو الإقفال.
عقدة واحدة فقط في مسار القرار — «الجسم داخل منطقة التركيز» — تقرأ المعامل النشِط للمشغّل. أما بقية الفروع فتعمل جميعها ببيانات المستشعرات السلبية.

3. الفوائد المتوقعة

تقدّم الآلات الثقيلة أقرب صورة قائمة لهذا النوع من العمل: قوى كبيرة تُطبَّق في أماكن غير مهيّأة بجوار البشر. وحوادث الاصطدام من أبرز المخاطر في مواقع البناء حول العالم، ويتكرّر ذكر قلة الانتباه سببًا لها. فمن بين 362,600 حادثة سُجلت في مواقع البناء الأوروبية عام 2018، كان 19.6% منها اصطدامًا بجسم متحرك؛ ونسبت دراسةٌ لحوادث الرافعات 19% منها إلى سهو المشغّل.

ولأن الانتباه واتجاه النظر مرتبطان ارتباطًا قويًا، يمكن الجمع بين هاتين النسبتين للحصول على تقدير تقريبي للمساحة التي قد يغطيها نظام قائم على النظر — في حدود ثلاثة عشر ألف حادث سنويًا في أوروبا. وهذا الرقم استنتاج من إحصاءات منشورة لا نتيجة قياس، ويُذكر للدلالة على حجم المسألة.

4. التحقق من النظام

بُني نظام عرض توضيحي وشُغّل بوصفه إثباتًا للمفهوم.

4.1 التنفيذ

نُفِّذ النظام على JINKI type Zero، وهو روبوت طُوِّر في شركة Man-Machine Synergy Effectors, Inc. له الجزء العلوي من جسم الإنسان، وطوله 1.9 متر، ووزنه 600 كيلوغرام، وله ثلاثون درجة حرية. ويوجد المشغّل والروبوت في المكان نفسه، ويقترنان بنظام سيد-تابع: تزامن نظارة الواقع الافتراضي رؤية المشغّل ودوران رأسه مع الروبوت، فتمنحه إحساسًا بالاتحاد مع الآلة أكثر من إحساسه بقيادتها.

يمسح ليدار مثبَّت على الروبوت مكان العمل المحيط إلى سحب نقاط، تُمثَّل في فضاء افتراضي مكعبات لكل منها مصادمه الخاص. ويتحرك توأم رقمي للروبوت في الفضاء ذاته؛ وحين تتداخل ذراعه مع المكعبات، يُطلق النظام تحذير قرب يتوقف أثره على اتجاه مجال رؤية المشغّل. ويُنمذَج هذا المجال مخروطًا مقداره 60° × 55° (أفقي×رأسي) — وهو قريب من المنطقة التي يدرك فيها الإنسان الرموز واللون والعمق — ويُقارَب اتجاهه باتجاه الأمام للنظارة. ثم يُمرَّر التحذير إلى الروبوت المادي فيشكّل حركته وفق القواعد أعلاه.

مشهد افتراضي: مكعبات صفراء تعيد بناء المحيط، وحجم أحمر شبه شفاف مكتوب عليه «مجال الرؤية المركزي للمشغّل» يخترقها، والتوأم الرقمي الأبيض للروبوت يمدّ يده إلى عائق يقع خارج ذلك الحجم.
الفضاء الافتراضي الذي يضم الروبوت وسحابة النقاط الممسوحة. وهنا يلامس الروبوت عوائق تقع خارج مجال الرؤية المركزي للمشغّل.

4.2 تجربة العرض التوضيحي

اختبر تقييم أولي ما إذا كان التنفيذ يؤدي ما حُدِّد له. طُلب من المشغّل أن يحرّك الذراع نحو عمود وهو ينظر جانبًا، ثم يتأكد من أن النظام أصدر تحذيرًا وأوقف الذراع، ثم ينظر إلى الذراع المتوقفة لرفع القيد، وأخيرًا يأخذ كرة من أعلى العمود مع إبقائها في مجال رؤيته. أُجريت خمس محاولات: الثلاث الأولى والخامسة مع مشغّل متمرّس، والرابعة مع شخص يقود الروبوت للمرة الثانية. وسُجِّلت كل محاولة بالفيديو. وفي المحاولات الخمس جميعها تصرّف النظام كما يحدّده القسم 2. ويمكن مشاهدة العرض في فيديو النظام أثناء العمل.

صورة للروبوت والمشغّل معلّق في هيكل فوقه وينظر إلى جانب. توقفت يد الروبوت قبل أن تصل إلى كرة زرقاء وصفراء فوق عمود أصفر، مع تحديد المسافة المتبقية.
نظر المشغّل مصروف إلى جهة أخرى، فتتوقف الذراع على مسافة من الجسم.
صورة من زاوية أخفض: ينظر المشغّل نحو الكرة، وتمسك يد الروبوت الكرة الزرقاء والصفراء فوق العمود الأصفر.
وحين يتجه النظر إلى الجسم، تمضي الحركة نفسها دون قيد.

5. الحدود والعمل المستقبلي

لم يُنفَّذ كشف البشر في النموذج الأولي. فما كان يحتاج إلى التحقق هو العلاقة بين نظر المشغّل وقابلية التعامل مع الأجسام، أما القاعدة التي تحمي البشر فغير مشروطة ولا تتوقف عليها. وإضافة هذا الكشف تجعل النظام أمتن، وتفتح كذلك تطبيقات تتجاوز السلامة — كإبراز من يقتربون من الروبوت في مشهد المشغّل، أو التنبيه قبل بلوغ حدّ القرب.

قُورب النظر باتجاه الأمام للنظارة. اختير ذلك لمباشرته، وهي مهمة في نظام سيد-تابع، غير أن أدوات أخرى — كاميرات ثابتة، أو أجهزة تتبع العين في النظارات الذكية — ستقدّره على نحو مختلف، وربما خفّضت الحاجز النفسي أمام إدخال نظام كهذا في قطاعات لم تعتد ارتداء شيء. أما تطبيق الطريقة على الروبوتات المتنقلة فيثير مشكلة إضافية: فـ JINKI type Zero ثابت في مكانه ما دام في طور التطوير، والآلة التي تغيّر موضعها أثناء التشغيل تحتاج معالجة لسحب النقاط تكفي كفاءتها لمجاراتها.

أما التقييم نفسه فيظل وصفيًا. والسبيل الصحيح للحكم على النظام دراسة ميدانية كمّية، وهي تنتظر بلوغ الروبوت طورًا عمليًا.

6. الخاتمة

اقترح البحث نظامًا لتفادي الاصطدام للأذرع الآلية التي يشغّلها الإنسان، يستعمل نظر المشغّل لمنع التلامس غير المقصود مع البشر والمعدات. وانطلاقًا من أن الوعي واتجاه النظر مرتبطان ارتباطًا قويًا، عوملت الأجسام داخل مجال الرؤية المركزي بوصفها قابلة للتعامل، وما خارجه بوصفه محميًّا. وقد أتاح إدخال عامل بشري في حلقة التحكم رسم هذا الخط أثناء التشغيل، دون أي من التحضير الذي تتطلبه الطرق القائمة.

تم التحقق من النظام على روبوت آلات ثقيلة عام الغرض، فتصرّف كما هو محدّد. ويُفترض أن ينتقل المبدأ نفسه إلى أي سياق يكون فيه الإنسان أصلًا جزءًا من الحلقة التي تُشغَّل الآلة عبرها.

شكر وتقدير

أُنجز هذا العمل خلال تدريب في شركة Man-Machine Synergy Effectors, Inc.، ضمن متطلبات درجة الماجستير في Design & Engineering من بوليتكنيكو دي ميلانو. وأتقدّم بالشكر إلى المؤسستين على إتاحة هذه الفرصة.

Takafumi Horiuchi and Katsuya Kanaoka. “Gaze-based Unintended Contact Prevention for Human-Operated Robots.” The 39th Annual Conference of the Robotics Society of Japan, 2021, paper 2J2-07. Conference programme.