[논문 리뷰] Human-Aware Physical Human-Robot Collaborative Transportation and Manipulation with Multiple Aerial Robots

Guanrui Li, Xinyang Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 12.

Human-Automation Interaction and Safety인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 외부 힘 센서 없이, 다중 항공 드론을 사용하여 케이블로 스텐딩된 하중를 운반하고 조작하는 6자유도의 안전 인지형 물리적 인간-로봇 협동 시스템을 제시한다. 분산 추정, 6자유도 어드미ittance 제어기, 冗餘 기반 안전 제어기를 활용함으로써, 장애물 회피 및 인간-로봇 간 거리 유지를 통해 안전성을 확보하면서도 직관적인 인간-로봇 상호작용을 가능하게 한다. 실세계 실험을 통해 전체 6자유도 운동이 가능하고 외부 힘 센서 없이도 검증되었다.

ABSTRACT

Human-robot interaction will play an essential role in various industries and daily tasks, enabling robots to effectively collaborate with humans and reduce their physical workload. Most of the existing approaches for physical human-robot interaction focus on collaboration between a human and a single ground or aerial robot. In recent years, very little progress has been made in this research area when considering multiple aerial robots, which offer increased versatility and mobility. This paper proposes a novel approach for physical human-robot collaborative transportation and manipulation of a cable-suspended payload with multiple aerial robots. The proposed method enables smooth and intuitive interaction between the transported objects and a human worker. In the same time, we consider distance constraints during the operations by exploiting the internal redundancy of the multi-robot transportation system. The key elements of our approach are (a) a collaborative payload external wrench estimator that does not rely on any force sensor; (b) a 6D admittance controller for human-aerial-robot collaborative transportation and manipulation; (c) a human-aware force distribution that exploits the internal system redundancy to guarantee the execution of additional tasks such inter-human-robot separation without affecting the payload trajectory tracking or quality of interaction. We validate the approach through extensive simulation and real-world experiments. These include scenarios where the robot team assists the human in transporting and manipulating a load, or where the human helps the robot team navigate the environment. We experimentally demonstrate for the first time, to the best of our knowledge, that our approach enables a quadrotor team to physically collaborate with a human in manipulating a payload in all 6 DoF in collaborative human-robot transportation and manipulation tasks.

연구 동기 및 목표

• 6자유도에서 다중 항공 드론을 사용하여 강성 하중의 안전하고 직관적이며 물리적 협동 운반 및 조작을 가능하게 하기.
• 특히 3차원 운동에서 안전 보장을 보장하는 다중 항공 드론 팀을 위한 물리적 인간-로봇 상호작용 시스템의 부족을 보완하기.
• 다중 큐브로터 케이블 스텐딩 시스템의 시스템 레이어를 활용하여, 하중 추적과 안전 제약 조건을 동시에 유지하기.
• 외부 힘 센서에 의존하지 않기 위해, 차량 내부의 관성측정장치(IMU)와 카메라 피드백을 이용한 분산 시각 기반 힘 추정기 개발하기.
• 실세계 시나리오에서 인간과 로봇이 안전 제약 조건 하에 복잡한 작업을 공동 관리하는 상황에서 시스템의 실증 검증하기.

제안 방법

• 모터 속도와 IMU 데이터를 사용하여 외부 힘을 추정하는 분산형, 힘 센서가 없는 외부 힘 추정기로, 유스케일드 칼만 필터(UKF) 기반 구현.
• 사용자 힘을 6자유도 전역 운동으로 변환함으로써 직관적인 인간-로봇 상호작용을 가능하게 하는 6D 어드미illance 제어기.
• 과잉 결정된 시스템의 노름 공간(null space)을 활용하여 주요 궤적 추적 외에 안전 목표(예: 인간 및 장애물로부터 거리 유지)를 동시에 강제하는 안전 인지형 제어기.
• 30Hz에서 작동하는 차량 내 카메라와 원형 태그를 이용한 시각 기반 상태 추정 파이프라인으로, 운동 캡처 없이도 실시간 피드백을 가능하게 함.
• 각 큐브로터가 자체 상태를 추정하고 연결점 데이터를 공유함으로써 공동으로 하중의 자세와 속도를 추정하는 분산 추정 아키텍처.
• 로봇 수에 따라 잘 스케일링되는 기울기 기반 안전 제어기로, 동적 상호작용 중에서도 강건성을 확보함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 힘 센서 없이 다중 항공 드론 팀이 6자유도에서 물리적 상호작용을 통해 인간 운영자와 안전하고 직관적으로 협동할 수 있는가?
• RQ2 다중 항공 드론 케이블 스텐딩 시스템의 시스템 레이어를 어떻게 활용하여 하중 추적과 안전 제약 조건을 동시에 확보할 수 있는가?
• RQ3 차량 내 시각 및 관성 센서 기반 추정이 인간-로봇 협업에서 실시간 상태 추정을 위해 운동 캡처 시스템을 얼마나 대체할 수 있는가?
• RQ4 사용자가 강한 당김이나 갑작스러운 움직임을 가할 경우, 시스템은 어떻게 안전성을 유지하는가?
• RQ5 품질 저하 없이도 자율적인 장애물 회피 및 인간-로봇 간 거리 유지를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 외부 힘 센서 없이도 차량 내 센서만으로 6자유도 물리적 인간-로봇 협동을 성공적으로 수행하였다.
• 시각 기반 상태 추정기의 정확도는 운동 캡처 기준 센티미터 수준에 도달하였으며, 케이블 방향과 속도는 최대 250Hz에서 추정되었다.
• 안전 인지형 제어기는 인간 운영자 및 장애물로부터 안전한 거리를 유지하면서도 하중 궤적 추적과 상호작용 품질을 유지하였다.
• 기울기 기반 안전 제어기는 중심집중 방식보다 더 우수한 스케일링 성능을 보이며 더 큰 로봇 팀 지원이 가능하였다.
• 실세계 실험을 통해 인간이 무거운 하중을 운반하고 조작하는 데 시스템이 도움을 줄 수 있음을 확인하였고, 주행 중 자율적인 장애물 회피도 가능하였다.
• 시스템은 인간이 하중를 이동시키고 로봇 팀이 인간의 한계(예: 장애물 다수 환경)를 보완할 수 있도록 双방향 협동을 가능케 하였다.