[논문 리뷰] Effect of Active and Passive Protective Soft Skins on Collision Forces in Human-robot Collaboration

Petr Švarný, Jakub Rozlivek외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 18.

Robot Manipulation and Learning참고 문헌 23인용 수 22

한 줄 요약

이 연구는 인간-로봇 협업에서 활성 및 수동 보호 소프트 스킨이 충격력을 어떻게 감소시키는지 실험적으로 조사한다. UR10e, KUKA LBR iiwa, KUKA Cybertech 로봇에서 2,250건의 실측 충격 측정을 통해 수행되었으며, 보호 스킨을 사용할 경우 ISO/TS 15066 규정보다 최대 4배 높은 속도—최대 0.5 m/s—까지 안전하게 운용할 수 있음을 입증한다. 이는 적절한 안전 정지 설정과 함께 사용할 경우에 한하며, 스킨의 강성과 압축 가능한 두께를 고려한 확장된 모델을 제안하여 충격력 예측을 향상시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수동 패딩과 활성 센싱이 보호 소프트 스킨에 미치는 충격력에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 수동 쿠션과 활성 충격 감지 기능이 로봇 안전성에 기여하는 정도를 분리하고 정량화하기 위해.
• 안전 정지 설정, 충격 반응 방식, 영향 방향, 종단 기구 속도 등 로봇 고유의 요소가 충격 후 힘에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실측된 안전 속도와 ISO/TS 15066 규정을 비교하여, 보다 높은 속도가 여전히 안전한 조건을 규명하기 위해.
• 보호 스킨의 탄성 특성을 고려한 확장된 모델을 개발하고, ISO/TS 15066 수식을 초월하여 충격력 예측 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• UR10e, KUKA LBR iiwa, KUKA Cybertech 로봇 3종에 대해 2,250건의 통제된 충격 실험을 수행하였으며, 인간 유사 질량을 갖춘 전용 충격 장치를 사용하였다.
• 피크 충격력, 접촉 지속 시간, 클램프 힘, 충격 하중의 인테그랄을 포함한 주요 충격 지표를 다양한 조건에서 측정하였다.
• 모든 로봇에 수동 전용 및 활성 센서 통합형 버전이 있는 AIRSKIN 보호 스킨을 사용하여 수동 및 활성 효과를 분리하였다.
• 체계적으로 변화시킨 변수: 종단 기구 속도(0.1–0.5 m/s), 안전 정지 카테고리(Stop 0, 1, E-stop), 영향 방향, 로봇 충격 반응 설정.
• ISO/TS 15066의 힘-속도 수식(식 6)을 확장하여 스킨의 강성과 압축 가능한 두께를 포함시켜, 충격력 예측 정확도를 향상시킨 모델을 제안하였다.
• 공개된 데이터셋을 https://osf.io/gwdbm 에서 향후 모델 개발 및 기준 측정을 위해 공개하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 보호 스킨은 일시적인 인간-로봇 충격에서 피크 충격력을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ2 활성 보호 스킨(센서 통합형)은 로봇의 충격 감지 및 반응에 어떤 영향을 미치며, 이는 충격 후 힘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 로봇의 안전 정지 설정, 스킨 유형(수동/활성), 영향 방향이 안전 운용 속도에 미치는 병합 효과는 어떠한가?
• RQ4 보호 스킨을 사용할 경우 ISO/TS 15066 규정을 초월한 안전 속도를 확보할 수 있으며, 어떤 조건에서 가능한가?
• RQ5 스킨의 탄성 특성을 반영한 확장된 ISO/TS 15066 모델은 원래 표준에 비해 실제 충격력을 얼마나 잘 예측하는가?

주요 결과

• 수동 보호 스킨은 노출된 로봇 표면에 비해 일시적 충격력을 약 40% 감소시켰다.
• UR10e의 경우, 활성 AIRSKIN을 E-stop에 연결함으로써 0.5 m/s의 속도로 안전 운용이 가능했으며, 이는 ISO/TS 15066에서 클램프 시나리오에 대해 규정한 0.13 m/s의 제한보다 4배 높은 수준이었다.
• KUKA iiwa의 경우, 활성 스킨을 Stop 0에 연결하고 외부 토크 제한 기능을 비활성화하면 안전 속도가 최대 0.4 m/s까지 도달하였으며, 이는 표준에서 규정한 0.16 m/s의 제한을 초과하는 결과를 보였다.
• 스킨의 강성과 압축 가능한 두께를 포함한 수정된 ISO/TS 15066 수식(식 6)은 원래 표준보다 더 정확한 충격력 예측을 제공하였다.
• KUKA iiwa의 두 번째 충격 반응 단계(Type 2 영향)는 힘의 변화 양상에 상당한 영향을 미쳤으며, 이는 이론적 모델이 아닌 현장 측정이 필요함을 시사한다.
• 실측 결과에 따르면, 안전 정지 설정과 스킨이 로봇의 안전 입력에 연결된 방식이 힘 프로파일과 안전 속도 한계에 비트레이스러운, 때로는 예상과 반대되는 영향을 미치는 것으로 확인되었다.