[논문 리뷰] Human-centered manipulation and navigation with Robot DE NIRO

Fabian Falck, Sagar Doshi외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 23.

Social Robot Interaction and HRI참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 약물 등 물체를 자동으로 수거하고 제공함으로써 노인 간병인을 보조하기 위해 설계된 인간 중심의 모바일 조작 로봇 DE NIRO를 제시한다. Baxter 팔, 라이다 기반 주행, 음성 및 얼굴 인식을 통한 인식 기능을 탑재하여 충돌 회피 및 동적 경로 계획을 통해 안전하고 직관적인 인간-로봇 상호작용을 가능하게 하며, 최소한의 인간 간섭으로도 실제 환경에서 신뢰할 수 있는 성능을 입증한다.

ABSTRACT

Social assistance robots in health and elderly care have the potential to support and ease human lives. Given the macrosocial trends of aging and long-lived populations, robotics-based care research mainly focused on helping the elderly live independently. In this paper, we introduce Robot DE NIRO, a research platform that aims to support the supporter (the caregiver) and also offers direct human-robot interaction for the care recipient. Augmented by several sensors, DE NIRO is capable of complex manipulation tasks. It reliably interacts with humans and can autonomously and swiftly navigate through dynamically changing environments. We describe preliminary experiments in a demonstrative scenario and discuss DE NIRO's design and capabilities. We put particular emphases on safe, human-centered interaction procedures implemented in both hardware and software, including collision avoidance in manipulation and navigation as well as an intuitive perception stack through speech and face recognition.

연구 동기 및 목표

• 노인 간병인의 일상적이고 반복적인 업무, 예를 들어 약물 제공과 같은 작업을 로봇이 자동으로 수행함으로써 더 이상 애정 어린 간병 활동에 시간을 할애할 수 있도록 돕는다.
• 통합된 인식 기능과 충돌 회피 기능을 통해 동적이고 실제 환경에 가까운 간병 환경에서 안전하고 자연스럽고 신뢰할 수 있는 인간-로봇 상호작용을 가능하게 한다.
• 인간 중심 설계와 실제 환경 적용 가능성을 중시하는 모듈러하고 오픈소스 연구 플랫폼을 구축한다.
• 로봇이 인간 상호작용을 대체하는 것이 아니라 간병인을 지원하는 데 초점을 맞춤으로써 간병 분야의 윤리적 우려를 해결한다.
• 피드유지 마커, 역기구학, 실시간 경로 재계획 기반의 물체 조작 및 주행에서의 내구성을 입증한다.

제안 방법

• DE NIRO는 패assing compliance를 통해 안전한 인간 상호작용을 가능하게 하는 Baxter 双팔과 QUICKIE 전동 휠체어 기반을 통합하여 모바일 조작 기능을 구현한다.
• 실시간 맵핑 및 정위를 위한 라이다 기반 SLAM 시스템을 사용하며, 장애물과 인간으로부터 안전한 거리를 유지하기 위해 동적 커스텀 지도를 활용한다.
• 여행 시간과 장애물 근접도를 최적화하기 위해 시간 기반 탄성 띠 알고리즘을 사용하여 경로 계획을 수행한다. 이는 부드럽고 안전한 운동을 보장한다.
• 물체 인식은 대상 물체에 부착된 2차원 피드유지 마커에 기반하며, 조작 작업을 위한 일관된 3차원 정위를 가능하게 한다.
• 맞춤형 PID 제어기가 모터 구동을 관리하여 계획된 속도를 정밀한 휠 이동으로 변환한다.
• 시스템은 접근, 캐치, 손건네기 모드로 구성된 3단계의 그립핑 절차를 구현하며, 운동 중 충돌을 방지하기 위한 동적 인지 기능을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 로봇은 인간 상호작용을 대체하지 않으면서도 간병인을 안전하고 신뢰성 있게 보조할 수 있는가?
• RQ2 어떤 인식 및 제어 아키텍처가 동적이고 비정형 환경에서 강력하고 실시간으로 주행 및 조작을 가능하게 하는가?
• RQ3 음성, 얼굴 인식, 충돌 회피를 통해 인간-로봇 상호작용을 어떻게 직관적이고 안전하게 만들 수 있는가?
• RQ4 로봇은 최소한의 인간 감시로 반복적이고 정의된 작업, 예를 들어 약물 제공과 같은 작업을 어느 정도 수행할 수 있는가?
• RQ5 현재의 센서 및 액추에이터 시스템은 간병용 로봇의 모바일 조작에서 어떤 한계를 지니는가?

주요 결과

• DE NIRO는 라이다 기반 SLAM과 실시간 경로 재계획 기능을 사용하여 동적 환경에서 자율 주행 및 물체 수거를 성공적으로 구현하였다.
• 2차원 피드유지 마커의 사용은 시험 환경에서 일반적인 물체 인식 방법보다 더 일관되고 강력한 물체 정위를 가능하게 하였다.
• 동적 인지 및 충돌 회피 기능을 통합한 3단계 절차를 통해 신뢰할 수 있는 그립핑 및 손건네기 기능을 달성하였다.
• 동적 커스텀 지도와 실시간 경로 최적화를 통해 인간과 장애물로부터 안전한 거리를 유지하였다.
• DE NIRO의 설계는 음성 및 얼굴 인식 기반의 자연스러운 상호작용을 지원하여 간병 환경에서의 사용성 향상을 이룩하였다.
• 이 플랫폼은 광범위한 문서화와 함께 오픈소스로 공개되어 재현 가능성을 보장하고 인간 중심 로봇 분야의 향후 연구를 가능하게 하였다.