Tesis magister tentang desain interaksi manusia dan robot

Ikhtisar

Orang yang mengoperasikan robot besar hanya bisa memperhatikan sebagian ruang kerja pada satu waktu. Penelitian ini bertanya: apa yang berubah bila mesin diberi tahu di mana perhatian itu berada saat ini. Saya merancang sistem pencegah tabrakan yang membiarkan arah pandang operator menentukan bagaimana robot boleh bergerak: apa pun yang jatuh di dalam bidang pandang pusat operator boleh ditangani bebas, sedangkan yang berada di luarnya dilindungi — lengan melambat dan berhenti sebelum sampai. Tidak ada yang perlu diberi label lebih dulu. Pembedaan itu ditarik pada saat pekerjaan berlangsung, dari tempat yang kebetulan sedang dipandang operator. Video demonstrasinya ada di sini (di YouTube).

Karya ini adalah tesis magister saya di Design & Engineering, Politecnico di Milano, yang dikerjakan selama magang riset di Man-Machine Synergy Effectors, Inc. di Jepang, dan dipresentasikan pada Konferensi Tahunan ke-39 Robotics Society of Japan (RSJ2021).

Di sini pula filosofi desain saya mulai mengambil bentuknya yang sekarang. Yang dibaca sistem ini bukan perintah, melainkan keadaan kognitif — apakah sesuatu sudah disadari sama sekali — dan keadaan itu diubahnya menjadi syarat-syarat yang membolehkan mesin bertindak. Yang dirancang bukan gerak robot, melainkan hubungannya: apa yang boleh dilakukan mesin mengikuti apa yang sedang dipahami manusia. Merancang hubungan itu, alih-alih setiap perilaku satu per satu, adalah langkah yang sama dengan yang saya lakukan sekarang, ketika yang bertindak adalah AI generatif dan bukan lengan robot.

Abstrak

Robot yang dioperasikan manusia justru bernilai di tempat robot otonom tidak: di ruang kerja yang tidak pernah dirancang untuk tugas yang sedang dikerjakan, berdampingan dengan orang dan peralatan yang tidak boleh tertabrak. Sistem pencegah tabrakan yang ada menghadapi ruang semacam itu dengan mengharuskan setiap benda dinyatakan lebih dulu sebagai sasaran penanganan atau sebagai sesuatu yang harus dilindungi — biaya penyiapan yang menjadi tak terkelola bagi mesin yang memang dibawa berpindah dari satu lokasi ke lokasi lain.

Penelitian ini mengusulkan agar pembedaan itu dibuat saat sistem berjalan, berdasarkan arah pandang operator. Benda di dalam bidang pandang pusatnya diperlakukan sebagai dapat ditangani, yang di luar sebagai dilindungi, dan manusia sebagai dilindungi dalam segala keadaan. Metode ini memasukkan satu parameter aktif — parameter manusia — ke dalam lingkar kendali yang sampai saat itu seluruhnya dibangun dari data sensor pasif. Purwarupanya diterapkan pada JINKI type Zero, robot alat berat antropomorfik setinggi 1,9 m, dan berperilaku sesuai spesifikasi dalam lima percobaan demonstrasi.

1. Pendahuluan

Robot yang dioperasikan manusia menyatukan dua hal yang sukar didapat bersamaan: tenaga dan ketelitian mesin, serta penilaian situasional manusia. Robot yang sepenuhnya otonom belum menyediakan yang kedua. Dan sementara robot industri bekerja di sel yang dirancang di balik pagar, robot yang dioperasikan manusia diharapkan bekerja di tempat yang ditata untuk hal lain — di samping pekerja lapangan, di antara peralatan yang rapuh, di instalasi nuklir dan lokasi konstruksi. Karena itu, jaminan bahwa robot tidak merusak sekelilingnya adalah bagian dari apa yang membuatnya layak dipakai sama sekali.

Pertahanan yang sudah mapan terhadap sentuhan tak sengaja adalah kulit sensitif, yaitu sensor kedekatan yang menutupi setiap bagian kritis manipulator, dan penginderaan kedalaman, yaitu lingkungan sekitar direkonstruksi sebagai awan titik dan jaraknya dihitung di ruang virtual itu. Keduanya bekerja. Namun keduanya mengandaikan bahwa benda di sekitar robot sudah dipilah menjadi yang boleh disentuh dan yang tidak boleh: tanpa pemilahan itu, mesin yang dilarang menabrak apa pun juga tidak dapat menangani apa pun. Bagi perkakas serbaguna yang diangkut antar-lokasi dan diletakkan di tengah apa pun yang ada di sana, penyiapan dan kalibrasi yang dituntutnya lebih mahal daripada keselamatan yang dibelinya.

Celah yang dilalui penelitian ini adalah bahwa robot yang dioperasikan manusia sudah memiliki orang di dalam lingkar kendalinya. Kajian tentang kesalahan operasional menunjuk kesadaran situasional — pemahaman yang tepat atas apa yang sedang terjadi di sekeliling — sebagai faktor penentu, dan kesadaran itu diketahui berkorelasi kuat dengan arah pandang. Pencegahan tabrakan selama ini lazim dibangun dari informasi pasif saja, yakni data yang dibaca dari sensor. Menambahkan satu parameter aktif, yaitu ke mana operator sedang memandang, memberi sistem petunjuk apakah sentuhan dengan suatu benda memang disengaja atau tidak.

2. Perilaku sistem

Benda yang hendak disentuh operator disebut benda yang dapat ditangani, dan boleh diperlakukan tanpa batasan. Benda yang tidak dimaksudkan untuk disentuh adalah benda yang dilindungi, dan tidak boleh disentuh. Yang mana dari keduanya sebuah benda pada suatu saat mengikuti posisinya terhadap bidang pandang pusat operator: di dalamnya, benda itu berada di bawah perhatian yang cukup untuk dihitung sebagai disengaja; di luarnya, tidak.

Lima aturan mengatur perilaku yang mengikutinya. Manipulator boleh bersentuhan bebas dengan benda di dalam bidang pandang pusat. Ia tidak boleh bersentuhan dengan benda di luarnya, dan berhenti berangsur-angsur saat mendekatinya. Setelah berhenti, ia dilepaskan berangsur-angsur seiring bidang pandang operator berpindah kepadanya. Tidak ada batasan yang berlaku bila bidang pandang meninggalkan benda yang sedang bersentuhan dengan manipulator, agar pekerjaan yang berjalan tidak terputus hanya karena melirik ke tempat lain. Dan manipulator tidak boleh bersentuhan dengan manusia, di mana pun orang itu berdiri. Bila robot memiliki beberapa manipulator, aturan berlaku untuk masing-masing secara terpisah.

Yang diperoleh operator dari sini adalah kemampuan bekerja dengan kecepatan penuh pada apa yang sedang dipandangnya, sambil mengandalkan mesin untuk tidak menabrak peralatan yang tidak sedang dipandangnya. Keselamatan orang di lokasi bersifat mutlak dan sama sekali tidak bergantung pada niat operator.

3. Manfaat yang diharapkan

Alat berat menawarkan gambaran nyata yang paling dekat dengan pekerjaan semacam ini: gaya besar yang bekerja di tempat yang tidak tertata, berdampingan dengan manusia. Kecelakaan tabrakan termasuk bahaya utama di lokasi konstruksi di seluruh dunia, dan kurangnya perhatian berulang kali disebut sebagai penyebab. Dari 362.600 kecelakaan yang tercatat di lokasi konstruksi Eropa pada 2018, 19,6% berupa tertabrak benda yang sedang bergerak; sebuah penyelidikan atas insiden terkait derek menisbatkan 19% di antaranya pada kelalaian operator.

Karena perhatian dan arah pandang berkorelasi kuat, kedua proporsi itu dapat digabungkan menjadi perkiraan kasar tentang cakupan yang mungkin diraih sistem berbasis arah pandang — pada kisaran tiga belas ribu kecelakaan per tahun di Eropa. Angka ini adalah kesimpulan tarikan dari statistik yang diterbitkan, bukan hasil pengukuran, dan disajikan sebagai petunjuk besaran.

4. Verifikasi sistem

Sebuah sistem demonstrasi dibangun dan dijalankan sebagai bukti konsep.

4.1 Penerapan

Sistem diterapkan pada JINKI type Zero, robot yang dikembangkan di Man-Machine Synergy Effectors, Inc. Ia bertubuh bagian atas manusia, setinggi 1,9 m, berbobot 600 kg, dan memiliki tiga puluh derajat kebebasan. Operator dan robot berada di tempat yang sama dan dipasangkan sebagai sistem master-slave: sebuah headset realitas virtual menyelaraskan pandangan dan putaran kepala operator dengan milik robot, yang memberi rasa menyatu dengan mesin alih-alih mengemudikannya.

LIDAR yang dipasang pada robot memindai tempat kerja di sekelilingnya menjadi awan titik, yang di ruang virtual direpresentasikan sebagai voxel, masing-masing dengan collider sendiri. Kembaran digital robot bergerak di ruang yang sama; ketika lengannya bertumpang tindih dengan voxel, sistem memunculkan peringatan kedekatan yang efeknya bergantung pada arah bidang pandang operator. Bidang itu dimodelkan sebagai kerucut 60° × 55° (H×V) — dekat dengan wilayah tempat manusia mencerap simbol, warna, dan kedalaman — dan arahnya didekati dengan arah depan headset. Peringatan itu diteruskan ke robot fisik dan membentuk geraknya sesuai aturan di atas.

4.2 Eksperimen demonstrasi

Evaluasi awal menguji apakah penerapannya melakukan apa yang telah dispesifikasikan. Operator diminta menggerakkan lengan ke arah sebuah tiang sambil memandang ke samping, memastikan bahwa sistem telah mengeluarkan peringatan dan menghentikan lengan, lalu memandang lengan yang berhenti itu untuk melepaskan batasannya, dan akhirnya mengambil bola dari puncak tiang sambil tetap memandangnya. Lima percobaan dijalankan: tiga yang pertama dan yang kelima oleh operator berpengalaman, yang keempat oleh orang yang baru kedua kalinya mengemudikan robot itu. Semuanya direkam. Dalam kelimanya, sistem berperilaku sebagaimana didefinisikan pada bagian 2. Demonstrasinya dapat ditonton dalam video sistem saat bekerja.

5. Batasan dan pekerjaan lanjutan

Deteksi manusia tidak diterapkan pada purwarupa. Yang perlu divalidasi adalah hubungan antara arah pandang operator dan keterjangkauan benda untuk ditangani, sedangkan aturan yang melindungi manusia bersifat mutlak dan tidak bergantung padanya. Menambahkan deteksi itu akan membuat sistem lebih tangguh, dan sekaligus membuka penerapan di luar keselamatan — misalnya menyorot orang di dekat robot pada pandangan operator, atau memperingatkan sebelum batas kedekatan tercapai.

Arah pandang didekati dengan arah depan headset. Ini dipilih karena kelangsungannya, yang penting dalam sistem master-slave, tetapi instrumen lain — kamera diam, pelacak mata pada kacamata pintar — akan menaksirnya secara berbeda dan mungkin menurunkan hambatan psikologis untuk memperkenalkan sistem semacam ini di sektor yang tidak terbiasa mengenakan perangkat. Menerapkan metode ini pada robot bergerak menimbulkan satu soal lagi: JINKI type Zero terpasang tetap selagi masih dalam pengembangan, dan mesin yang berpindah tempat saat beroperasi membutuhkan pengolahan awan titik yang cukup efisien untuk mengimbanginya.

Evaluasinya sendiri masih bersifat kualitatif. Studi lapangan kuantitatif adalah cara yang tepat untuk menilai sistem ini, dan itu menunggu robotnya mencapai tahap praktis.

6. Kesimpulan

Penelitian ini mengusulkan sistem pencegah tabrakan bagi manipulator robotik yang dioperasikan manusia, yang memakai arah pandang operator untuk mencegah sentuhan tak disengaja dengan orang dan peralatan. Dengan premis bahwa kesadaran dan arah pandang berkorelasi kuat, benda di dalam bidang pandang pusat operator diperlakukan sebagai dapat ditangani dan yang di luarnya sebagai dilindungi. Menempatkan faktor manusia ke dalam lingkar kendali memungkinkan garis itu ditarik saat sistem berjalan, tanpa persiapan apa pun yang dituntut metode yang ada.

Sistem diverifikasi pada robot alat berat serbaguna dan berperilaku sebagaimana didefinisikan. Prinsip yang sama semestinya berlaku di mana pun seseorang sudah menjadi bagian dari lingkar yang melaluinya sebuah mesin dioperasikan.

Ucapan terima kasih

Karya ini dikerjakan selama magang di Man-Machine Synergy Effectors, Inc., sebagai bagian dari persyaratan gelar magister Design & Engineering di Politecnico di Milano. Saya berterima kasih kepada kedua organisasi karena telah mewujudkan kesempatan ini.