[논문 리뷰] Characterization of Assistive Robot Arm Teleoperation: A Preliminary Study to Inform Shared Control

Mahdieh Nejati Javaremi, Brenna Argall|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 31.

Stroke Rehabilitation and Recovery참고 문헌 23인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 보조 로봇 팔의 원격 조작 중 사용자 제어 신호를 특성화하기 위해 실시간으로 계산 가능한 성능 메트릭을 개발하여 적응형 공유 제어를 가능하게 한다. 입력 주파수, 모드 전환 수, 입력 부드러움, 궤적 부드러움과 같은 핵심 메트릭이 사용자 인지된 작업 난이도와 강하게 상관되며, 척추 손상 환자와 비손상 환자 간에 다름을 보여, 자율성 적응을 위한 실질적인 단서를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 로봇 팔 원격 조작 중 사용자가 인지하는 작업 난이도를 반영하는 객관적이고 런타임에서 계산 가능한 성능 메트릭을 규명하는 것.
• 다양한 인터페이스를 사용한 척추 손상 환자(SSI)와 비손상 개인 간의 제어 행동 차이를 조사하는 것.
• 인터페이스 유형이 사용자 상호작용, 로봇 실행 및 인지된 작업 난이도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 메트릭이 공유 제어 시스템에서 적응형 자율성 활성화를 위한 신뢰할 수 있는 단서로 기능할 수 있는지 확인하는 것.
• 사용자 필요가 시간에 따라 변화함에 따라 이를 반영하는 사용자 중심의 개인화된 공유 제어 알고리즘 설계를 위한 정보를 제공하는 것.

제안 방법

• 8명의 척추 손상 환자와 12명의 비손상 참가자를 포함한 총 20명의 참가자로 이루어진 프리리서치 연구를 실시하였으며, 상용으로 제공되는 세 가지 제어 인터페이스를 사용하였다.
• 사용자 입력 주파수, 모드 전환 수, 입력 신호의 부드러움, 로봇 궤적의 부드러움, 심박수 변동성 등의 실시간 데이터를 수집하였다.
• 작업 후 설문지를 통해 주관적 작업 난이도를 측정하여 객관적 성능 메트릭과 상관관계를 분석하였다.
• 통계적 분석을 통해 사용자 집단 및 인터페이스 간 객관적 메트릭과 인지된 난이도 간 상관관계를 평가하였다.
• 기초 상태 및 인터페이스 유형이 각 성능 메트릭에 미치는 영향을 추론 통계를 통해 평가하였다.
• 온라인 사용에 적합한 계산 가능성이 있으며, 사용자 워크로드 또는 난이도 예측에 유용한 메트릭을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇 팔 원격 조작 중 사용자가 인지하는 작업 난이도와 가장 강하게 상관되는 객관적 성능 메트릭은 무엇인가?
• RQ2 척추 손상 환자와 비손상 환자 간 원격 조작 작업 중 제어 특성은 어떻게 다를까?
• RQ3 제어 인터페이스 유형이 사용자 상호작용, 로봇 실행 및 인지된 작업 난이도에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 실시간으로 계산 가능한 메트릭이 공유 제어 보조 시스템에서 적응형 자율성 활성화를 위한 신뢰할 수 있는 단서로 기능할 수 있는가?
• RQ5 척추 손상 환자와 비손상 환자 간 제어 행동의 차이를 고려할 때, 효과적인 적응을 위해 집단별 훈련 데이터가 필요한가?

주요 결과

• 입력 주파수, 모드 전환 수, 사용자 입력의 부드러움, 궤적 부드러움이 사용자 인지된 작업 난이도와 강하게 상관됨을 확인함.
• 척추 손상 참가자들은 비손상 참가자들과 비교해 특히 입력 주파수와 모드 전환 패턴에서 뚜렷한 제어 패턴의 차이를 보임.
• 로봇 실행 메트릭인 궤적 부드러움이 작업 완료 시간과 강하게 상관되어 성능 지표로서의 유용성을 입증함.
• 제어 인터페이스 유형이 사용자 상호작용 및 로봇 실행 메트릭에 유의미한 영향을 미쳐, 인터페이스별 맞춤형 설정이 유리함을 시사함.
• 심박수 변동성 데이터는 잠재적 유용성을 보였지만, 척추 손상 그룹 내 인구 통계적 불균형으로 인해 제한됨을 확인하여, 더 큰 균형 잡힌 표본이 필요함을 시사함.
• 결과적으로, 훈련 데이터는 집단별로 특화되어야 하며, 비손상 참가자로부터 유도된 메트릭은 보조 제어 시스템에서 척추 손상 환자의 실제 필요를 정확히 반영하지 못할 수 있음.