Ανάπτυξη συστημάτων ελέγχου για συνεργασία ρομπότ-ανθρώπου σε χειρισμούς αντικειμένων

Abstract

Human-robot cooperation is a research topic that aims at the complementary combination of human skills and the properties of a robot. The most important characteristics of a robot arm is the ability to move with high precision, the repeatability, and the load capacity, allowing usage in industrial applications. The main skills of a human that are either absent from a robot or outperform its abilities, are the awareness of the environment from multiple sensors, the decision making and inference mechanisms, the fast adaptation to changes of the environment and the optimal configuration of the myoskeletal system for a task. Given the difficulty to develop a robot that approaches the skills of a human, an appropriate human-robot cooperation can bridge the gap between manual labor and hard automation, and also create new fields of applications.Initially, the interaction control between a human and a robot is studied and novel methods to regulate online the gains of the compliant control system are proposed for the improvement of objective criteria, such as the effort of the operator. For the gain regulation, methods based on computational intelligence with supervised and unsupervised learning are used. The minimum jerk model is proposed for the first time as a reference for variable compliance, under the assumption that if the robot's motion is adjusted during the cooperation according to that model, then the cooperation is more efficient for the operator. This model is extended also in rotational motion, apart from the translational. Then, a method is proposed that utilizes EMG signals for continuous regulation of the gains in order to adjust the controller to the activation levels of the operator's arm muscles. In that way, the operators are able to use their muscles as switches of the robot's compliance.An important problem in Cartesian robot control appears when it approaches singular configurations. A novel method for the restriction of the robot's motion based on performance indices is proposed, that applies repulsive forces to the operator so that there is no case of driving in such configurations. With this method of performance constraints, repulsive forces are calculated in real time based on the gradient of a local performance index of the robot arm. This gradient is approximated numerically, without requiring an analytic expression of the index. Various local performance indices are compared with respect to the operator's comfort during cooperation. The performance constraints allow even an untrained operator to collaborate with the robot and acquire direct feedback for low performance configurations that must be avoided.When the human collaborates with the robot, the stability of the robot's control system is affected. In order to avoid conservative predefined gains to the controller, a novel instability index and a gain adaptation technique are proposed. The instability index detects high frequency oscillations in the measured external force that are attributed to instability and the adaptation method adjusts accordingly the gains of the compliance controller to stabilize the robot. It is experimentally shown that the increase of the virtual damping of the compliance controller for stability, which is widely used in the literature, is inefficient for the stability of the robot and for the cooperation with a human. Instead, the increase of the virtual inertia is proposed, that is proved more appropriate than the virtual damping. Towards safe human-robot interaction, dangerous situations are investigated that can occur in the shared workspace. A robot collision detection method is proposed that is based on the estimation of the robot's dynamics with fuzzy logic and without the use of an explicit dynamic model. This method is trained to approximate the dynamic characteristics of each joint and can take into account the dynamic coupling between them. Also, a contact type distinction method is proposed in order to distinguish between voluntary contact of the operator with the robot and involuntary collisions, by analyzing the frequency characteristics of the external force in each case. Finally, robot reaction techniques are investigated in order to minimize the collision forces. The collision detection and distinction methods are compared experimentally with others from the literature and they are proved to be faster, which is very important for early robot reaction and injury avoidance. For English readers who are unable to understant Greek language, the content of this thesis is also available in the English papers listed on page 9.

Η συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ αποτελεί αντικείμενο έρευνας που στοχεύει στον συμπληρωματικό συνδυασμό των δεξιοτήτων του ανθρώπου και των ιδιοτήτων ενός ρομπότ. Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά ενός ρομποτικού βραχίονα είναι η ικανότητα κίνησης με υψηλή ακρίβεια, η επαναληψιμότητα, και η ικανότητα να φέρει μεγάλα φορτία, επιτρέποντας τη χρήση σε βιομηχανικές εφαρμογές. Οι κύριες δεξιότητες του ανθρώπου που είτε απουσιάζουν από τα ρομπότ είτε ξεπερνούν τις ικανότητες αυτών, είναι η αντίληψη του περιβάλλοντος από πλήθος αισθητηρίων, οι τρόποι λήψης αποφάσεων και εξαγωγής συμπερασμάτων, η ταχεία προσαρμογή σε αλλαγές του περιβάλλοντος και η βέλτιστη διαμόρφωση του μυοσκελετικού συστήματος για την εκτέλεση μιας εργασίας. Δεδομένης της δυσκολίας που παρουσιάζει η ανάπτυξη ρομπότ που να προσεγγίζουν τις δεξιότητες ενός ανθρώπου, η συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ με κατάλληλο τρόπο μπορεί να γεφυρώσει το κενό που παρατηρείται μεταξύ χειρωνακτικών εργασιών και πλήρους αυτοματισμού, αλλά και να δημιουργήσει νέα πεδία εφαρμογών.Αρχικά, μελετάται ο έλεγχος αλληλεπίδρασης μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ και προτείνονται καινοτόμοι τρόποι ρύθμισης των κερδών του συστήματος ελέγχου ενδοτικότητας σε πραγματικό χρόνο με στόχο τη βελτίωση αντικειμενικών κριτηρίων, όπως η προσπάθεια που καταβάλει ο χειριστής. Για τη ρύθμιση των κερδών χρησιμοποιούνται μέθοδοι βασισμένες σε υπολογιστική νοημοσύνη με εποπτευόμενη και μη εποπτευόμενη μάθηση. Προτείνεται για πρώτη φορά το μοντέλο ελάχιστης μεταβολής της επιτάχυνσης ως αναφορά για μεταβλητή ενδοτικότητα, με την υπόθεση ότι αν προσαρμόζεται η κίνηση του ρομπότ κατά τη συνεργασία σε αυτό το μοντέλο, τότε θα γίνει πιο εύκολη η συνεργασία για τον χειριστή. Το μοντέλο αυτό επεκτείνεται και στην περιστροφική κίνηση του άκρου, πέραν της μεταφορικής. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μεθοδολογία που αξιοποιεί σήματα από ηλεκτρομυογράφο για τη συνεχή ρύθμιση των κερδών με στόχο την προσαρμογή του ελεγκτή στα ποσοστά ενεργοποίησης των μυών του χεριού του χειριστή. Με αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα στον χειριστή να χρησιμοποιήσει τους μυς του ως διακόπτη αλλαγής της ενδοτικότητας του ρομπότ.Ένα σημαντικό πρόβλημα στον καρτεσιανό έλεγχο ρομπότ εμφανίζεται όταν αυτό προσεγγίζει διαμορφώσεις ενικότητας. Προτείνεται μια νέα μέθοδος περιορισμού της κίνησης του ρομπότ βάσει δεικτών επίδοσης του βραχίονα, για να εφαρμόζει το ρομπότ απωθητικές δυνάμεις στον άνθρωπο ώστε να μην υπάρχει δυνατότητα οδήγησης σε τέτοιες διαμορφώσεις. Με αυτή τη μέθοδο περιορισμών επίδοσης υλοποιούνται σε πραγματικό χρόνο δυνάμεις επαναφοράς που υπολογίζονται από τη βάθμωση ενός τοπικού δείκτη επίδοσης του βραχίονα. Η βάθμωση προσεγγίζεται αριθμητικά χωρίς να απαιτείται αναλυτική μορφή του δείκτη. Επίσης συγκρίνονται διάφοροι τοπικοί δείκτες επίδοσης του βραχίονα από τη βιβλιογραφία ως προς την αίσθηση που επιφέρουν στον χειριστή κατά τη συνεργασία. Οι περιορισμοί επίδοσης επιτρέπουν ακόμη και σε έναν μη εκπαιδευμένο χειριστή να συνεργαστεί με το ρομπότ και να λάβει άμεση ανάδραση για τις διαμορφώσεις χαμηλής επίδοσης που πρέπει να αποφευχθούν.Όταν ο άνθρωπος αλληλεπιδρά με το ρομπότ, επηρεάζεται η ευστάθεια του συστήματος ελέγχου του ρομπότ. Για να μην τίθενται συντηρητικά προκαθορισμένα όρια στις παραμέτρους του ελεγκτή, προτείνεται ένας καινοτόμος δείκτης αστάθειας και ένας τρόπος ρύθμισης των κερδών κατά τη λειτουργία. Ο δείκτης αστάθειας αναγνωρίζει υψίσυχνες ταλαντώσεις στην εξωτερική μετρούμενη δύναμη που οφείλονται σε αστάθεια και η μέθοδος ρύθμισης αστάθειας προσαρμόζει κατάλληλα τα κέρδη του ελεγκτή ενδοτικότητας για να επανέλθει το ρομπότ σε ευσταθή λειτουργία. Αποδεικνύεται πειραματικά ότι η αύξηση της επιθυμητής απόσβεσης του ελέγχου ενδοτικότητας για την επαναφορά της ευσταθούς λειτουργίας, κάτι που εμφανίζεται συχνά στη βιβλιογραφία, δεν είναι αποδοτική ούτε στην ευστάθεια του ρομπότ ούτε και στην συνεργασία με τον άνθρωπο. Αντί αυτού, προτείνεται η αύξηση της επιθυμητής αδράνειας, η οποία αποδεικνύεται καταλληλότερη σε σχέση με την αύξηση της απόσβεσης. Επιδιώκοντας την ασφαλή συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ, εξετάζονται περιπτώσεις κινδύνου που μπορούν να προκύψουν στον κοινό χώρο εργασίας. Προτείνεται μια μέθοδο αναγνώρισης συγκρούσεων στο ρομπότ που βασίζεται σε εκτίμηση των δυναμικών χαρακτηριστικών του βραχίονα με ασαφή λογική, χωρίς τη χρήση αναλυτικού δυναμικού μοντέλου. Η μέθοδος εκπαιδεύεται στην αναγνώριση των δυναμικών χαρακτηριστικών κάθε άρθρωσης και μπορεί να λαμβάνει υπόψη τη δυναμική σύζευξη μεταξύ τους. Επίσης, αναπτύσσεται μέθοδος για να διακρίνονται οι επιθυμητές επαφές του χειριστή με το ρομπότ από συγκρούσεις, αναλύοντας τα διαφορετικά συχνοτικά χαρακτηριστικά της εξωτερικής δύναμης σε κάθε περίπτωση. Τέλος, εξετάζονται τεχνικές αντίδρασης του ρομπότ ώστε να ελαχιστοποιηθεί η δύναμη της σύγκρουσης. Οι μέθοδοι αναγνώρισης και διάκρισης επαφών συγκρίνονται πειραματικά με αντίστοιχες από τη βιβλιογραφία και επιδεικνύονται πιο γρήγορες, κάτι που είναι πολύ σημαντικό για την έγκαιρη αντίδραση του ρομπότ και την αποφυγή τραυματισμών.