A new control architecture for physical human-robot interaction based on haptic communication

Abstract

Yakın gelecekte ev, hastane, fabrika gibi çeşitli ortamlarda, insanların ve robotların birlikte fiziksel işbirliğine dayalı işler yapması beklenmektedir. Fiziksel insan-robot etkileşimi alanındaki önemli araştırma konularından birisi, insanlar ve robotlar arasında dokunma duyusu odaklı iletişimi doğal şekilde sağlayabilecek sistemler geliştirmektir. İnsan-robot fiziksel etkileşimi üzerine araştırmalar yapılmıştır, fakat bu çalışmalar hem sınırlı sayıdadır hem de bu sistemlerdeki etkileşim insan-insan etkileşimine kıyasla hala yapay kalmaktadır. Örneğin, iki insan bir masayı taşırken sezgisel olarak birbirlerinin ne yapmak istediklerini, amaçlarını algılayıp, bu algılara, masanın durumuna ve birbirlerine masa aracılığı ile transfer ettikleri kuvvet bilgilerine dayanarak yük paylaşımını ve rol dağılımını rahatlıkla yapabilirler. Ayrıca, kısıtlı ortamlarda, aralarında oluşan anlaşmazlıkları yine kuvvet etkileşimleri üzerinden çözümlerler. İki insan, fiziksel etkileşim gerektiren işleri, sezgilerini kullanarak hem planlayabilip hem de rahatlıkla yerine getirebilmesine rağmen, maalesef piyasada aynı işleri bizlerle beraber, benzer şekillerde yapabilecek robotlar bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasında, fiziksel etkileşim gerektiren bir görevi, bir insan ile ortaklaşa çalışarak yerine getirebilecek bir robot için yeni bir kontrol yapısı öneriyoruz. Bu kontrol sistemi a) görevin yapılması sırasında insanın anlık niyetini, kuvvet etkileşimlerini kullanarak, bulanık kontrol mantığı ile tespit etmeyi, b) robotun göreve olan katkısını empedansı ayarlanabilir bir kontrolcü kullanarak belirlemeyi ve c) insan ile robot arasındaki oluşan anlaşmazlıkları, birbirlerine zıt, iç kuvvetleri minimize ederek çözümlemeyi, amaçlamaktadır.

In the near future, humans and robots are expected to perform collaborative tasks involving physical interaction in various different environments such as homes, hospitals, and factories. One important research topic in physical Human-Robot Interaction (pHRI) is to develop tacit and natural haptic communication between the partners. Although there are already several studies in the area of Human-Robot Interaction, the number of studies investigating the physical interaction between the partners and in particular the haptic communication are limited and the interaction in such systems is still artificial when compared to natural human-human collaboration. For example, when two people collaborate to transport a table, they can intuitively sense each other?s intention and decide on load sharing and role allocation based on the state of the table and the forces transmitted to each other. Moreover, they can resolve the conflicts occurring in constrained environments based on the force interaction again. Although the tasks involving physical interaction such as the table transportation can be planned and executed naturally and intuitively by two humans, there are unfortunately no robots in the market that can collaborate and perform the same tasks with us. In this thesis, we propose a new controller for the robotic partner that is designed to a) detect the intentions of the human operator through haptic channel using a fuzzy controller b) adjust its contribution to the task via a variable impedance controller and c) resolve the conflicts during the task execution by controlling the internal forces.