[論文レビュー] SUPER-MAN: SUPERnumerary Robotic Bodies for Physical Assistance in HuMAN-Robot Conjoined Actions

Alberto Giammarino, Juan M. Gandarías+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Prosthetics and Rehabilitation Robotics被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、アドミタンス型インターフェースとボディワイド制御を用いて、産業的タスクにおける人間-ロボット協働を強化する、モバイル型のスーパヌマリャリィロボットシステムSUPER-MANを紹介する。このフレームワークにより、MOCA-MANとKairos-MANの2つの実装が可能となり、ユーザーベースの研究およびNAS-TLX評価を通じて、物理的支援シナリオにおけるタスクパフォーマンスの向上とユーザーワークロードの低減が実証された。

ABSTRACT

This paper presents a mobile supernumerary robotic approach to physical assistance in human-robot conjoined actions. The study starts with a description of the SUPER-MAN concept. The idea is to develop and utilize mobile collaborative systems that can follow human loco-manipulation commands to perform industrial tasks through three main components: i) an admittance-type interface, ii) a human-robot interaction controller, and iii) a supernumerary robotic body. Next, we present two possible implementations within the framework from theoretical and hardware perspectives. The first system is called MOCA-MAN and comprises a redundant torque-controlled robotic arm and an omnidirectional mobile platform. The second one is called Kairos-MAN, formed by a high-payload 6-DoF velocity-controlled robotic arm and an omnidirectional mobile platform. The systems share the same admittance interface, through which user wrenches are translated to loco-manipulation commands generated by whole-body controllers of each system. Besides, a thorough user study with multiple and cross-gender subjects is presented to reveal the quantitative performance of the two systems in effort-demanding and dexterous tasks. Moreover, we provide qualitative results from the NASA-TLX questionnaire to demonstrate the SUPER-MAN approach's potential and its acceptability from the users' viewpoint.

研究の動機と目的

• 外骨格やスーパヌマリャリィロボットアームなどの装着型支援デバイスが直面する不快感、移動制限、人体結合依存性の課題を解決すること。
• コラボレーティブロボット（Cobots）が未活用されている状況を改善し、動的でタスク指向の環境において、直接的かつ物理的な人間-ロボット相互作用を可能にすること。
• 身体に物理的接続を必要とせず、人間の能力を拡張する浮遊ベース型ロボットシステムを構築し、タスク効率とユーザーフレンドリーネスを向上させること。
• 直感的な力に基づく制御と適応型ボディワイド運動計画を用いて、人間-ロボット一体的移動・操作を円滑に実現すること。
• 定量的パフォーマンス指標とクロスジェンダー被験者による評価データを用いて、システムの有効性を検証すること。

提案手法

• 人間が発生させる力のトルク（wrench）をロボットの移動・操作命令に変換するアドミタンス型インターフェースを用いて、モバイル型スーパヌマリャリィロボットフレームワーク（SUPER-MAN）を実装する。
• 2種類の異なるロボットプラットフォームを設計：MOCA-MAN（全方向移動可能ベースに装着された冗長なトルク制御アーム）とKairos-MAN（全方向移動可能ベースに搭載された高負荷能力の6自由度速度制御アーム）、両者とも同一のインターフェースと制御アーキテクチャを採用。
• 階層的タスク優先順位を用いたボディワイドコントローラーを採用し、キャリブレーション座標系の剛性と減衰行列を用いて、柔軟性、追従精度、安定性のバランスを図る。
• ヌル空間最適化を適用して、ベースとアームの運動を分離し、操作モードおよび移動モードにおける干渉を最小限に抑える。
• 仮想モデルに基づく制御戦略を採用し、仮想質量と減衰を用いて移動ベースのダイナミクスを制御し、滑らかで安定した運動を確保する。
• アドミタンスコントローラーのパラメータ（質量行列と減衰行列）を調整して、相互作用時の制御性、透過性、ユーザーエネルギーギャップのバランスを最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 装着不要のモバイル型スーパヌマリャリィロボットシステムは、身体的支援タスクにおいて、ユーザーワークロードを著しく低減できるか？
• RQ2 従来の支援デバイスと比較して、モバイル型スーパヌマリャリィロボットのタスク正確性とユーザーエネルギー消費量はどのように異なるか？
• RQ3 アドミタンス型インターフェースは、動的で人間-ロボット協働環境において、直感的で力誘導制御可能なモバイルマニピュレータを実現できるか？
• RQ4 異なるロボット構成（MOCA-MAN 対 Kairos-MAN）は、器用性と負荷が大きい作業におけるタスクパフォーマンスとユーザーパーセプションにどのように影響を与えるか？
• RQ5 実世界の産業的タスクにおいて、モバイル型スーパヌマリャリィロボットボディと相互作用する際のユーザーエクスペリエンスと認識ワークロードはいかがな状態か？

主な発見

• NASA-TLXスコアの結果から、SUPER-MANフレームワークは物理的支援タスクにおいてユーザーワークロードを顕著に低減しており、装着なしでの作業に比べ、精神的および身体的負担が著しく低いことが示された。
• MOCA-MANとKairos-MANは、器用な作業および高負荷作業の両方において、タスクパフォーマンスが向上した。特に、6自由度速度制御アームを備えたKairos-MANは、高負荷状況下で優れたパフォーマンスを示した。
• ユーザースタディの結果、繰り返し作業や高力作業において、スーパヌマリャリィロボットボディの支援を受けることで、タスク完了正確性が向上し、ユーザーパーセプトエナジーが低減した。
• アドミタンスインターフェースは、性別や身体的特徴が異なる被験者間で一貫したパフォーマンスを示し、学習曲線が非常に小さい直感的制御を実現した。
• 階層的タスク優先順位を用いたボディワイドコントローラーは、操作時および移動時のベースとアームの運動分離に成功し、不要なベース移動を最小限に抑え、安定した移動を実現した。
• アドミタンスおよびボディワイドコントローラーのパrameterチューニング（特に減衰行列と剛性行列）により、さまざまなタスク条件下でも安定的で柔軟かつ応答性の高いロボット動作が実現された。