[논문 리뷰] Effect of Human Involvement on Work Performance and Fluency in Human-Robot Collaboration for Recycling

Sruthi Ramadurai, Heejin Jeong|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 20.

Robot Manipulation and Learning인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 플라스틱 재활용을 위한 인간-로봇 협업에서 인간의 참여 수준을 변화시킬 때 로봇의 정확도와 작업 유창성 향상 여부를 조사한다. 인간의 참여 수준은 차단 제거, 최적 간격 조절, 최적 그립 방향 조절을 포함한다. 결과적으로 로봇의 정확도는 인간 참여 수준이 낮은 1단계(33.3%)에서 높은 3단계(100%)로 향상되었으며, 이는 인간의 참여가 비구조적인 정렬 작업에서 로봇 성능 향상에 크게 기여함을 시사한다.

ABSTRACT

Human-robot collaboration has significant potential in recycling due to the wide variation in the composition of recyclable products. Six participants performed a recyclable item sorting task collaborating with a robot arm equipped with a vision system. The effect of three different levels of human involvement or assistance to the robot (Level 1- occlusion removal; Level 2- optimal spacing; Level 3- optimal grip) on performance metrics such as robot accuracy, task time and subjective fluency were assessed. Results showed that human involvement had a remarkable impact on the robot's accuracy, which increased with human involvement level. Mean accuracy values were 33.3% for Level 1, 69% for Level 2 and 100% for Level 3. The results imply that for sorting processes involving diverse materials that vary in size, shape, and composition, human assistance could improve the robot's accuracy to a significant extent while also being cost-effective.

연구 동기 및 목표

• 인간-로봇 협업(HRC) 재활용 작업에서 다양한 수준의 인간 참여가 로봇 성능과 유창성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 장애물 제거, 물체 간격 조절, 물체 방향 조절과 같은 인간의 보조가 로봇 시각 시스템의 정확도 향상에 어떻게 기여하는지 조사하기 위해.
• 다양한 인간 참여 수준에서의 유창성과 편안함과 같은 주관적 측정치를 평가하기 위해.
• 재활용 가능한 물체 비율이 작업 성능과 인간-로봇 협업에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 다양한 재료로 구성된 실제 재활용 환경에서 비용 효율적인 HRC 솔루션에 대한 실증적 근거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 공동 로봇 암과 시각 시스템을 갖춘 장비를 사용하여 6명의 참가자가 재활용 가능한 플라스틱 컵 정렬 작업을 수행하는 제어된 실험을 실시하였다.
• 세 가지 수준의 인간 참여를 구현: 1단계(차단 제거), 2단계(최적 간격 조절), 3단계(최적 그립 방향 조절).
• 객관적 성과 지표 측정: 로봇 정확도(정확히 분류된 컵 비율) 및 작업 시간(사이클당 초 수).
• 각 작업 조건 후 10점 리커트 척도를 사용하여 유창성과 편안함을 평가하는 주관적 데이터를 수집하였다.
• 시험 동안 재활용 가능한 물체 비율(25%, 50%, 75%)을 변화시켜 성능 및 인식에 미치는 영향을 평가하였다.
• 각 참가자가 무작위 순서로 모든 조건을 수행하는 내측 설계를 사용하였으며, IRB 승인을 받고 사전 훈련을 제공하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차단 제거, 간격 조절, 그립 최적화와 같은 인간 참여 수준을 높일수록 재활용 가능한 플라스틱 컵 정렬 작업에서 로봇의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 높은 수준의 인간 참여는 정렬 작업 중 인간-로봇 팀의 인지된 유창성에 향상 효과를 미치는가?
• RQ3 폐기물 흐름 내 재활용 가능한 물체 비율이 로봇 정확도와 작업 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 HRC 재활용 작업에서 인간 참여가 작업 완료 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 인간의 참여가 협업 중 인간 운영자의 인지된 편안함에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 높은 수준의 인간 참여가 이루어질수록 로봇 정확도가 유의미하게 향상되었으며, 1단계(차단 제거)에서 33.3%, 2단계(최적 간격 조절)에서 69%, 3단계(최적 그립)에서 100%로 증가하였다.
• 인간 참여 수준이 높아질수록 작업 시간이 감소하였으며, 3단계에서 평균 12.4초로 가장 짧았고, 1단계에서는 15.6초였다.
• 유창성 인지도는 인간 참여 수준이 높아질수록 증가하였으며, 10점 척도에서 평균 점수는 각각 8.1(1단계), 8.5(2단계), 9.6(3단계)였다.
• 재활용 가능한 물체 비율은 로봇 정확도, 작업 시간, 또는 인지된 편안함에 유의미한 영향을 미치지 않았다.
• 주관적 편안함은 인간 참여 수준이나 재활용 비율에 따라 뚜렷한 차이를 보이지 않았다.
• 결과적으로 인간의 입력은 특히 혼잡하거나 잘못된 방향으로 배치된 물체로 인해 시각 시스템이 어려움을 겪는 비구조적인 재활용 환경에서 로봇 성능 향상에 크게 기여할 수 있음을 시사한다.