[論文レビュー] Characterization of Assistive Robot Arm Teleoperation: A Preliminary Study to Inform Shared Control

Mahdieh Nejati Javaremi, Brenna Argall|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

Stroke Rehabilitation and Recovery参考文献 23被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、補助的ロボットアームの遠隔操作中のユーザーの制御信号を特徴付ける、リアルタイムで実行時計算可能なパフォーマンス指標を開発し、適応的共有制御を可能にした。入力周波数、モード切り替え回数、入力の滑らかさ、軌道の滑らかさといった重要な指標が、ユーザーが感じたタスクの困難さと強く相関しており、脊髄損傷（SCI）を負ったユーザーと負っていないユーザーで異なることが判明した。これにより、自律性の適応に役立つ行動可能な手がかりが得られた。

ABSTRACT

Assistive robotic devices can increase the independence of individuals with motor impairments. However, each person is unique in their level of injury, preferences, and skills, which moreover can change over time. Further, the amount of assistance required can vary throughout the day due to pain or fatigue, or over longer periods due to rehabilitation, debilitating conditions, or aging. Therefore, in order to become an effective team member, the assistive machine should be able to learn from and adapt to the human user. To do so, we need to be able to characterize the user's control commands to determine when and how autonomy should change to best assist the user. We perform a 20 person pilot study in order to establish a set of meaningful performance measures which can be used to characterize the user's control signals and as cues for the autonomy to modify the level and amount of assistance. Our study includes 8 spinal cord injured and 12 uninjured individuals. The results unveil a set of objective, runtime-computable metrics that are correlated with user-perceived task difficulty, and thus could be used by an autonomy system when deciding whether assistance is required. The results further show that metrics which evaluate the user interaction with the robotic device, robot execution, and the perceived task difficulty show differences among spinal cord injured and uninjured groups, and are affected by the type of control interface used. The results will be used to develop an adaptable, user-centered, and individually customized shared-control algorithms.

研究の動機と目的

• ロボットアームの遠隔操作中にユーザーが感じたタスクの困難さを反映する、客観的かつ実行時計算可能なパフォーマンス指標を同定すること。
• さまざまなインターフェースを用いて、脊髄損傷（SCI）ユーザーと非損傷ユーザーの間での制御行動の違いを調査すること。
• インターフェースの種別がユーザーのインタラクション、ロボットの実行、および感じられたタスクの困難さに与える影響を評価すること。
• 指標が、共有制御システムにおける適応的自律性をトリガーするための信頼できる手がかりとして機能するかどうかを検証すること。
• ユーザーのニーズの変化に応じて適応する、ユーザー中心的でパーソナライズされた共有制御アルゴリズムの設計を支援すること。

提案手法

• 8名のSCIユーザーと12名の非損傷ユーザーを含む20名の参加者によるパイロット研究を実施。3種類の商業的に利用可能な制御インターフェースを用いた。
• ユーザーの入力周波数、モード切り替え回数、入力信号の滑らかさ、ロボットの軌道の滑らかさ、心拍変動量のリアルタイムデータを収集した。
• タスク終了後のアンケートで主観的なタスクの困難さを測定し、客観的パフォーマンス指標と照合した。
• 統計的分析を用いて、ユーザー群およびインターフェースごとの客観的指標と感じられた困難さとの相関関係を評価した。
• 推論統計を用いて、障害状態およびインターフェースの種別が各パフォーマンス指標に与える影響を評価した。
• オンラインでの使用に計算的に可能であり、ユーザーの作業負荷や困難さを予測できる指標を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロボットアームの遠隔操作中に、ユーザーが感じたタスクの困難さと最も強く相関する客観的パフォーマンス指標は何か？
• RQ2 脊髄損傷ユーザーと非損傷ユーザーの間で、遠隔操作タスク中に制御特性にどのような差が見られるか？
• RQ3 制御インターフェースの種別が、ユーザーのインタラクション、ロボットの実行、および感じられたタスクの困難さに、どの程度影響を与えるか？
• RQ4 リアルタイムで計算可能な指標が、共有制御の補助的アシストシステムにおける適応的自律性をトリガーする信頼できる手がかりとして機能するか？
• RQ5 脊髄損傷ユーザーと非損傷ユーザーの間で制御行動の差が見られる場合、効果的な適応にはグループ別トレーニングデータが必要か？

主な発見

• 入力周波数、モード切り替え回数、ユーザー入力の滑らかさ、軌道の滑らかさは、ユーザーが感じたタスクの困難さと強く相関していた。
• 脊髄損傷参加者は、非損傷参加者と比較して、特に入力周波数とモード切り替えの点で顕著に異なる制御パターンを示した。
• ロボットの実行指標としての軌道の滑らかさは、タスク完了時間と強く相関しており、パフォーマンス指標としての有効性が示された。
• 使用した制御インターフェースの種別が、ユーザーのインタラクションおよびロボットの実行指標に顕著な影響を与え、インターフェース別にカスタマイズすることが有益であることが示唆された。
• 心拍変動量のデータは潜在的価値を示したが、SCIグループに人口的不均衡があったため、限界があり、より大規模でバランスの取れたサンプルの必要性が浮き彫りになった。
• 結果から、訓練データはグループ別に特化させる必要があることが示された。非損傷ユーザーから得た指標は、SCIユーザーの状況を正確に反映しない可能性があるため、適応的自律性システムにおいて誤った推定を招くおそれがある。