[論文レビュー] Effect of Active and Passive Protective Soft Skins on Collision Forces in Human-robot Collaboration

Petr Švarný, Jakub Rozlivek+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Robot Manipulation and Learning参考文献 23被引用数 22

ひとこと要約

本研究では、人間-ロボット協働における衝突力低減に向けた能動的および受動的な保護用ソフトスキンの効果を、UR10e、KUKA LBR iiwa、KUKA Cybertech ロボットを対象に2,250件の実験的衝突測定を用いて調査している。保護スキンを適切に組み合わせた場合、ISO/TS 15066 で規定される 0.13 m/s の制限を 4 倍にまで引き上げた 0.5 m/s の安全速度が実現可能であることが示された。これは、適切な安全停止設定と併用した場合に限る。また、スキンの剛性および圧縮可能な厚さを組み込んだ拡張モデルを提案し、衝突力の予測精度を向上させた。

ABSTRACT

Soft electronic skins are one of the means to turn an industrial manipulator into a collaborative robot. For manipulators that are already fit for physical human-robot collaboration, soft skins can make them safer. In this work, we study the after impact behavior of two collaborative manipulators (UR10e and KUKA LBR iiwa) and one classical industrial manipulator (KUKA Cybertech), in presence or absence of an industrial protective skin (AIRSKIN). In addition, we isolate the effects of the passive padding and the active contribution of the sensor to robot reaction. We present a total of 2250 collision measurements and study the impact force, contact duration, clamping force, and impulse. The dataset is publicly available. We summarize our results as follows. For transient collisions, the passive skin properties lowered the impact forces by about 40 %. During quasi-static contact, the effect of skin covers -- active or passive -- cannot be isolated from the collision detection and reaction by the collaborative robots. Important effects of the stop categories triggered by the active protective skin were found. We systematically compare the different settings and the empirically established safe velocities with prescriptions by the ISO/TS 15066. In some cases, up to the quadruple of the ISO/TS 15066 prescribed velocity can comply with the impact force limits and thus be considered safe. We propose an extension of the formulas relating impact force and permissible velocity that take into account the stiffness and compressible thickness of the protective cover, leading to better predictions of the collision forces. At the same time, this work emphasizes the need for in situ measurements as all the factors we studied -- presence of active/passive skin, safety stop settings, robot collision reaction, impact direction, and, of course, velocity -- have effects on the force evolution after impact.

研究の動機と目的

• 受動的パッドおよび能動的センシングを有する保護用ソフトスキンの、人間-ロボット協働における衝突力に与える影響を評価すること。
• 受動的クッション効果と能動的衝突検出の寄与を分離し、定量的に評価すること。
• ロボット固有の要因（安全停止設定、衝突反応、衝突方向、エンドエフェクタ速度など）が衝突後の力に与える影響を調査すること。
• 実験的測定による安全速度と ISO/TS 15066 の規定値を比較し、より高い速度が安全に維持される条件を同定すること。
• 保護スキンの変形特性を考慮した、ISO/TS 15066 の方程式を拡張した衝突力予測モデルの構築および検証すること。

提案手法

• UR10e、KUKA LBR iiwa、KUKA Cybertech の3台のロボットを対象に、人間らしく質量を有するインパクトジャイロを用いた2,250件の制御された衝突実験を実施した。
• ピーク衝突力、接触時間、クランプ力、およびインパルスの4つの主要な衝突指標を、さまざまな条件下で測定した。
• すべてのロボットに、受動的のみのバージョンと能動的センシング搭載のバージョンを備えた AIRSKIN 保護スキンを装着し、受動的および能動的効果を分離した。
• エンドエフェクタ速度（0.1–0.5 m/s）、安全停止カテゴリ（Stop 0、1、E-stop）、衝突方向、ロボットの衝突反応設定を系統的に変化させた。
• ISO/TS 15066 の力-速度方程式（式6）を拡張し、スキンの剛性および圧縮可能な厚さを組み込んだ。これにより、衝突力の予測精度が向上した。
• 全データセットを https://osf.io/gwdbm にて公開し、将来的なモデル開発およびベンチマークに活用可能とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的保護スキンは、一時的な人間-ロボット衝突において、ピーク衝突力をどの程度低減するか？
• RQ2 センサー統合を有する能動的保護スキンは、ロボットの衝突検出および反応にどのように影響を与え、衝突後の力にどのような影響を及えるか？
• RQ3 ロボットの安全停止設定、スキンタイプ（受動的／能動的）、および衝突方向の組み合わせが、安全作業速度に与える影響は何か？
• RQ4 保護スキンを用いることで、ISO/TS 15066 の規定を超えた安全速度が達成可能となるか？ その条件は何か？
• RQ5 スキンの変形特性を組み込んだ拡張版 ISO/TS 15066 モデルは、元の基準と比較して、実際の衝突力の予測精度がどの程度向上するか？

主な発見

• 受動的保護スキンは、裸のロボット表面と比較して一時的衝突力をおよそ 40% 減少させた。
• UR10e ロボットでは、能動的 AIRSKIN を E-stop に接続した場合、0.5 m/s の速度で安全に動作可能であった。これは、ISO/TS 15066 がクランプ状況に対して規定する 0.13 m/s の制限の 4 倍に相当する。
• KUKA iiwa ロボットでは、能動的スキンを Stop 0 に接続し、外部トーチュール限界を無効化した場合、最大 0.4 m/s の安全速度が達成可能であり、基準の 0.16 m/s を上回った。
• スキンの剛性および圧縮可能な厚さを組み込んだ修正版 ISO/TS 15066 方程式（式6）は、元の基準よりもより正確に衝突力を予測できた。
• KUKA iiwa の2番目の衝突応答段階（タイプ2衝突）は、力の変化に顕著な影響を及ぼし、理論的モデルではなく現地での測定が不可欠であることを示した。
• 実験的測定から、安全停止設定およびスキンをロボットの安全入力に接続する方法が、力プロファイルおよび安全速度制限に非自明かつ時として直感に反する影響を及ぼすことが判明した。