關於人與機器人互動設計的碩士論文

概要

在人操作的大型機器人中，僅依靠周圍的感測器來區分接近工作對象的動作與向被忽略的障礙物移動的動作是困難的。因此，設計了一種碰撞迴避系統，利用操作員所觀看的範圍作為「可以接觸」的意圖線索，當靠近未被觀看的對象時，會使機械臂減速並停止。

不需要事先將對象登錄為「可操作」或「保護對象」。這種區別會根據操作人員在作業中的視線自動更新。已實裝於身高1.9米的人型重機器人上，並在五次示範試驗中確認了所定義的行為能夠成立。實際動作可以在示範影片中看到。

作為米蘭理工大學設計與工程碩士論文的一部分，這項研究是在株式会社人機一體的研究實習期間進行，並在第39回日本機器人學會學術演講會（RSJ2021）發表。

課題——為了安全的事前設定，束縛了現場

需要人類操作機器人的地方，是那些未為自律機器人整備的場所。像建築工地或災害現場一樣，人員或設備的配置會改變，每項作業中可以接觸的對象也會不同。要使用機械的巨大力量，必須在防止意外接觸的同時，能夠接觸必要的對象。

現有的碰撞避免方法包括用近接感測器覆蓋機器人或用深度感測器將周圍環境映射到虛擬空間。然而，無論哪一種方法，都需要事先將對象分類為「可操作」或「保護對象」。如果未登錄任何物件，為了安全無法觸碰任何東西；如果全部登錄，則需要針對每個現場進行設定和校準。這種準備負擔降低了可移動使用機器人的實用性。

設想——將視線變為「可以觸碰的條件」

在人類操作機器人的控制迴路中，已經有人在判斷情況。如果能將人注意的方向傳給機器，相比事先登記對象，是否可以在作業中推測接觸的意圖呢？

因此，以操作者的中心視野作為邊界。視野內的對象，視為操作者已掌握的「可操作對象」。視野外的對象，視為可能被忽略的「保護對象」。人無論視線位置如何，始終視為保護對象。

這不是透過視線向機器人下達命令的機制。這是將操作者的認知狀態轉換為機器人可以行動的條件的機制。

互動設計

系統不會將視線位置變成簡單的開關。當接近未被注視的物體時，手臂會根據距離逐漸減速，並在接觸前停下。停止後，如果操作者將視線轉向物體，限制也會逐漸解除。這樣可以避免突然停止或突然啟動的行為，使操作者能夠預測變化。

另一方面，即使暫時將目光從已經接觸的對象移開，也不會停止正在進行的作業。因為僅僅移開視線就中斷抓持或操作，反而會變得不穩定。只有接近人類才會另作處理，無論操作員是否在看，都會加以限制。

目標不是為了安全而統一地放慢作業速度。目的是在操作者可掌握的範圍內保持機器人的能力，只保護注意力未及的範圍，從而實現安全與作業性的兼顧。

預期使用場景

針對的對象是建設現場或災害現場等，在人群附近處理巨大力量的場合。在這些場所中，完全用柵欄隔開周圍環境，或者事先登錄所有目標都是困難的。如果每次配置變動都重設安全設置，緊急性和通用性將會喪失。

基於視線的區分利用當下人的情境認知，而不是固定的環境模型。這有可能在減輕現場準備負擔的同時，抑制對被忽視目標的接近。不過，本研究確認的僅是系統按照定義運作的情況，並未對事故降低效果進行實地評估。

原型和初步評估

實裝

系統被實裝在一個類似人類上半身形狀的機器人上，身高1.9米，重量600公斤，具有30個自由度。操作員佩戴VR頭盔，將機器人的視野和頭部方向與自己的動作同步來操作。

在機器人上的LIDAR中以點雲的形式取得工作空間，並在虛擬空間中表現為具有碰撞判斷的體素。用於與實機同步的數位孿生正在運作。操作者的中心視野以60°×55°的錐體表示，方向以頭戴顯示器的正面方向近似。當機械臂靠近視野外的體素時，會向實機發送警告，使其減速或停止。

預備評估

在操作員將視線從目標移開的狀態下將機械臂靠近，停止後再將視線移回目標解除限制，最後抓取球，試驗了一連串操作。在五次嘗試中，四次由熟練操作員負責，一次由第二次操作的操作員負責。所有嘗試中，在視線離開時會停止，將視線移回時可以繼續操作。這不是用來測量有效性的用戶實驗，而是確認設計的行為在實物上是否成立的初步評估。

極限與下一步的驗證

原型並未實作人的檢測。我們設置了無論視線如何，人都始終受到保護的規則，但在實際環境中，需要有能夠可靠識別人的機制。此外，因為使用了頭戴設備的正前方方向作為代理值，而不是視線本身，所以僅移動眼睛時無法捕捉到。

如果使用固定式攝影機或帶有視線追蹤功能的智慧眼鏡，裝置類型和估算精度的條件會有所不同。若要應用於移動機器人，還需要能夠追蹤機器人自身位置變化的點雲處理。

評價僅限於透過五次的示範試驗進行定性的確認。要判斷安全性、作業速度及操作人員的負擔，則需要在實際作業條件下，與傳統方式進行定量比較。

從這項研究中獲得的視角

在這項研究中，我們並不是將人的視線作為輸入裝置使用，而是將其作為允許機械行動的條件。根據人目前掌握了什麼，相同對象的機器人行為會有所不同。我們設計的不是個別的動作，而是人的認知狀態與機械權限之間的關係。

這種思考方式也與現在的我的設計哲學有所連接。理解人的狀態，並將其轉化為系統應該遵守的限制，然後機器或 AI 在其中發揮能力。碩士研究成了這個出發點。

致謝

本研究是在米蘭理工大學設計與工程碩士課程的一部分，於在株式会社人機一體的實習期間進行的。對促成這一機會的兩個組織表示深深的感謝。