Magistraturo pri interagado-dezajno inter homoj kaj robotoj
julio 2021
Resumo
En grandaj robotoj kontrolataj de homoj, estas malfacile distingi per nur la ĉirkaŭaj sensiloj inter moviĝo al la laborobjekto kaj moviĝo al malatentita obstrukco. Tial ni desegnis kolizio-evitan sistemon, kiu uzas la areon vidatan de la funkciulo kiel indikilon de la intenco „toki estas permesite“ kaj malrapidigas aŭ haltigas la brakon kiam ĝi alproksimiĝas al vidata nevidata objekto.
Ne estas necese antaŭe registri la celon kiel "operaci-ebla" aŭ "protekta celo". La distingo estas ĝisdatigita laŭ la rigardo de la operatoro dum la laboro. Ĝi estis implementita en homaforman pezmaŝinon-roboton de 1,9 m alta, kaj dum kvin demo-provoj oni konfirmis, ke la difinita konduto realiĝas. La reala ago povas esti vidita ĉe Manifestacia video.
Kiel magistra tezo ĉe la Universitato de Teknologio de Milano en Design & Engineering, ĝi estis prenita dum esplora stagio ĉe Ninki Ittai Co., Ltd., kaj prezentita ĉe La 39-a Japo-Robota Socia Akademia Konferenco (RSJ2021).
Defio — Antaŭdifinoj por sekureco limigas la lokon
Homaj kontrolitaj robotoj estas necesaj en lokoj ne ekipitaj por aŭtonomaj robotoj. Kiel ĉe konstruaj ejoj aŭ katastrofejoj, la lokigo de homoj kaj ekipaĵoj ŝanĝiĝas, kaj tio, kion oni povas tuŝi, ankaŭ ŝanĝiĝas kun ĉiu tasko. Por uzi la forton de maŝinoj, oni devas povi tuŝi la necesajn objektojn dum evitante neintencitajn kontaktojn.
Ekzistantaj kolizio-evitaj metodoj inkluzivas kovri roboton per proksim-sensiloj aŭ reprodukti la ĉirkaŭan medion en virtualan spacon per profund-sensiloj. Tamen, ambaŭ metodoj postulas antaŭan klasifikon de objektoj kiel 'manipuleblaj' aŭ 'protekteblaj'. Se nenio estas registrita, oni ne povas tuŝi ion ajn pro sekureca kialo, kaj registri ĉion postulas agordadon kaj kalibradon por ĉiu loko. Ĉi tiu preparlabora ŝarĝo malpliigis la praktikadon de robotoj uzataj en diversaj lokoj.
Ideo — ŝanĝi la rigardon al «kondiĉoj, kiujn oni povas tuŝi»
En la kontrolciklo de hom-administrata roboto jam estas persono kiu juĝas la situacion. Oni pensis, ke se oni povas transdoni al la maŝino al kion homoj atento direktas, eble eblas diveni la intencojn de kontakto dum la laboro anstataŭ antaŭenregistri la celon.
Do oni uzas la centran vidkampon de la operacianto kiel limon. La objektoj ene de la vidkampo konsideriĝas kiel la „operaci-eblaj objektoj“ kiujn la operacianto kontrolas. La objektoj ekstere de la vidkampo konsideriĝas kiel la „protektaĵaj objektoj“ kiuj eble estas neviditaj. Homoj ĉiam konsideriĝas protektaĵaj objektoj sendepende de la pozicio de ilia rigardo.
Ĉi tio ne estas mekanismo por sendi ordonojn al roboto per rigardo. Ĝi estas mekanismo, kiu konvertas la perceptan staton de la operatoro al kondiĉoj per kiuj la roboto povas moviĝi.
Dezajno de interagado
La sistemo ne faras la rigardon lokon simpla ŝaltilo de sur/malto. Kiam ĝi proksimiĝas al objekto sen rigardo, la brako malrapidigas laŭ la distanco kaj haltas antaŭ kontakto. Post halto, kiam la operacianto rigardas la objekton, la limigoj estas malrapide liberigitaj. Oni evitas subitajn haltojn kaj subitajn movojn, tiel ke la operacianto povas antaŭvidi ŝanĝojn.
Aliflanke, eĉ se oni momenteme forrigas la rigardon de la jam kontakta objekto, la aktuala laboro ne ĉesas. Se tenado aŭ manipulado haltus nur pro forigo de la rigardo, tio fakte igus ĝin malstabila. La proksimiĝo al homoj estas traktata aparte, kaj ĝi estas limigita ĉu la manipulatoro rigardas ĝin aŭ ne.
La celo ne estis malrapidigi laboron ĝenerale por sekureco. Ĝi estas konservi la kapablon de la roboto laŭ la gamo kontrolata de la operacianto kaj nur protekti la areojn ne atingeblaj de atento, tiel kongrui sekurecon kaj laborefikecon.
Anticipitaj uzo-scenoj
La celo estis lokoj kie oni manipulas grandajn fortojn proksime al homoj, kiel konstruaj lokoj aŭ katastrofejoj. En tiaj lokoj estas malfacile tute ĉirkaŭi la ĉirkaŭaĵon per baroj aŭ antaŭe registri ĉiujn objektojn. Sistemo kiu postulas refari la sekurecajn agordojn ĉiufoje kiam la aranĝo ŝanĝiĝas perdus tujecon kaj ĝeneralecan uzeblon.
Distingo bazita sur rigardo uzas la situacioscion de persono en tiu momento anstataŭ fiksaĵan medion-modelon. Ĝi eble reduktas la ŝarĝon de prepari la lokon dum samtempe malhelpante alproksimiĝon al preterviditaj objektoj. Tamen, ĉi tiu studo nur konfirmis ke la sistemo funkcias laŭ difino, kaj la efiko sur akcident-reduktado ne estis taksita surloke.
Prototipo kaj antaŭtaksado
Integriĝo
La sistemo estis realigita sur roboto de 1,9 m alteco, 600 kg pezo kaj 30 libergradoj, kiu similas al supera korpo de homo. La operacianto portas VR-kapmaskon kaj kontrolas la roboton sinkronigante la vidkampo kaj kapmovojn de la roboto kun sia propra movado.
La laborospaco estis kaptita kiel punkta nubo per LIDAR sur la roboto kaj en la virtuala spaco esprimita kiel vokseloj kun kolizi-testo. Digitala ĝemelo sinkronigita kun la reala maŝino funkcias en tiu spaco. La centra vida kampo de la operacianto estis reprezentita kiel konuso de 60°×55°, kun orientiĝo aproksimata laŭ la fronta direkto de la kapuĉo. Kiam la brako proksimiĝas al vokseloj ekster la vida kampo, averto estas sendita al la reala maŝino, kiu bremsas aŭ haltigas la movadon.
Antaŭtaksado
Ni provis serion de operacioj en kiu la funkciulo proksimigis la brakon al la objekto sen rigardi ĝin, poste revenigis la rigardon al la objekto por liberigi la limon, kaj fine kaptis la pilkon. El 5 provoj, 4 estis faritaj de sperta funkciulo kaj 1 de la dua fojo funkcianto surŝipe. En ĉiuj provoj, la operacio haltis kiam la rigardo estis for de la objekto kaj daŭris kiam oni direktis la rigardon al ĝi. Ĉi tio ne estas uzanteksperimento por mezuri efikecon, sed antaŭtaksado por konfirmi ke la dizajnita konduto funkcias sur la reala aparato.
Limoj kaj la sekva konfirmo
La prototipo ne inkluzivas homan detekton. Ni starigis regulon protekti homojn ĉiam sendepende de rigardo, sed en reala medio estos necesa mekanismo por certe identigi homojn. Krome, ĉar ni uzis la frontan direkton de la kapmasko kiel anstataŭan valoron anstataŭ la rigardon mem, ĝi ne povas detekti se nur la okuloj moviĝas.
Uzante starigitajn kameraojn kaj inteligentajn okulvitrojn kun riglometro, la kondiĉoj de la portebla ekipaĵo kaj taksa precizeco ŝanĝiĝos.Kiam oni disvolvas al moviĝanta roboto, ankaŭ punktajn procesado kapablon por sekvi la pozician ŝanĝon de la roboto mem estos bezonata.
La takso limiĝas al kvalitativa konfirmo per kvin demonstraj provoj. Por taksi sekurecon, laborrapidecon kaj la ŝarĝon sur la operacianto, necesas kvanta komparo kun la tradicia metodo en realaj laborcirkonstancoj.
Perspektivoj akiritaj de ĉi tiu esploro
En ĉi tiu esploro, oni traktis la kondiĉojn por permesi agadon de maŝino anstataŭ uzi homan rigardon kiel enigan aparaton. La konduto de la roboto rilate al la sama objekto ŝanĝiĝas depende de tio, kion la homo aktuale perceptas. La projektado celis ne individuajn agojn, sed la rilaton inter la homa percepta stato kaj la aŭtoritato de la maŝino.
Ĉi tiu pensado ankaŭ kondukas al la nuna Mia desegnfilozofio. Ĝi komprenas la staton de homoj, transformas ĝin en la limigojn kiujn la sistemo devas observi, kaj ene de tio la maŝinoj aŭ AI montras siajn kapablojn. La magistrstudado estis la startpunkto por tio.
Dankoj
Ĉi tiu esploro estis farita dum interndeĵoro ĉe la kompanio Ningen Ittai, kiel parto de la magistra programo Design & Engineering ĉe la Politekniko de Milano. Mi profunde dankas ambaŭ organizojn pro doni al mi ĉi tiun eblon.
Takafumi Horiuchi, Katsuya Kanaoka, “Gaze-based Unintended Contact Prevention for Human-Operated Robots,” The 39th Annual Conference of the Robotics Society of Japan, 2021, 2J2-07. Conference programme