[논문 리뷰] On-line collision avoidance for collaborative robot manipulators by adjusting off-line generated paths: An industrial use case

Mohammad Safeea, Pedro Neto외 1명|SPIRE - Sciences Po Institutional REpository|2019. 09. 11.

Robot Manipulation and Learning인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실시간 센서 데이터와 반발력 벡터 재형성 기법을 사용하여 오프라인으로 생성된 경로를 실시간으로 동적으로 조정하는 온라인 충돌 회피 시스템을 제안한다. 인간과 로봇을 기하학적 캡슐로 모델링하고 최소 거리 및 상대 속도를 계산함으로써 인간-로봇 상호작용 중 매끄럽고 안전하며 지속적인 운동을 가능하게 하며, 표준 산업용 센서를 사용한 KUKA iiwa 로봇을 활용한 실제 자동차 조립 셀에서 검증되었다.

ABSTRACT

Human-robot collision avoidance is a key in collaborative robotics and in the framework of Industry 4.0. It plays an important role for achieving safety criteria while having humans and machines working side-by-side in unstructured and time-varying environment. This study introduces the subject of manipulator's on-line collision avoidance into a real industrial application implementing typical sensors and a commonly used collaborative industrial manipulator, KUKA iiwa. In the proposed methodology, the human co-worker and the robot are represented by geometric primitives (capsules). The minimum distance and relative velocity between them is calculated, when human/obstacles are nearby the concept of hypothetical repulsion and attraction vectors is used. By coupling this concept with a mathematical representation of robot's kinematics, a task level control with collision avoidance capability is achieved. Consequently, the off-line generated nominal path of the industrial task is modified on-the-fly so the robot is able to avoid collision with the co-worker safely while being able to fulfill the industrial operation. To guarantee motion continuity when switching between different tasks, the notion of repulsion-vector-reshaping is introduced. Tests on an assembly robotic cell in automotive industry show that the robot moves smoothly and avoids collisions successfully by adjusting the off-line generated nominal paths.

연구 동기 및 목표

• 로봇이 정지하지 않고도 인간 동료를 피할 수 있도록, 구조가 불규칙한 산업 환경에서 안전하고 실시간으로 인간-로봇 협업을 가능하게 하기 위해.
• 현재의 협동 로봇이 최소 거리 임계값을 초과할 경우 정지하는 한계를 극복하기 위해, 지속적이고 반응적인 운동 조정 기능을 제공하기 위해.
• 작업 전환 중 운동 연속성을 확보하기 위해, 제어기 전환을 부드럽게 만드는 반발력 벡터 재형성 기법을 도입하기 위해.
• 실제 산업용 로봇(KUKA iiwa)에 대해 일반적인 오프더셰프 센서를 사용하여 실시간 자동차 조립 셀에서 이 방법을 구현하고 검증하기 위해.
• 로봇의 내장된 안전 기능(예: Sunrise.OS 충돌 감지)과 충돌 회피 제어기를 통합하여 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 인간과 로봇을 기하학적 캡슐로 모델링하여 실시간으로 최소 거리 및 상대 속도를 계산한다.
• 하이브리드 제어 전략은 명시적 경로 목표 향한 유인 벡터와 인간이 안전 구역에 진입할 경우의 반발력 벡터를 사용하며, 이는 거리와 상대 속도에 기반한다.
• 반발력 벡터 재형성 기법은 작업 전환 중 제어기 간의 전환을 부드럽게 하기 위해 반발력 벡터의 방향과 크기를 조정함으로써 구현된다.
• 시스템은 KUKA iiwa의 저수준 제어를 위해 DirectServo 라이브러리를 사용하여 로봇의 내장된 안전 메커니즘과의 통합을 가능하게 한다.
• 표준 산업용 센서(예: 깊이 카메라 또는 레이저 스캐너)의 센서 데이터를 사용하여 인간의 존재를 감지하고 위치 및 속도를 추정한다.
• 알고리즘은 실시간으로 작동하며, 오프라인으로 생성된 명시적 경로에 대해 실시간으로 경로 조정을 적용하여 충돌을 피하면서도 작업 목표를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 센서와 오프라인으로 생성된 경로를 사용하여 실제 산업용 협동 로봇에 온라인 충돌 회피를 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 작업 전용 제어기와 충돌 회피 모드 간 전환 시 운동 연속성을 어떻게 유지할 수 있는가?
• RQ3 반발력 벡터 재형성 기법이 인간-로봇 상호작용 중 로봇 운동의 매끄럽고 자연스러운 정도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 인간의 운동이 다이나믹한 상황(예: 멈춤 또는 왔다 갔다 하는 동작)이 포함된 실제 산업 환경에서 시스템의 성능은 어떠한가?
• RQ5 로봇의 내장된 안전 기능과의 통합이 성능이나 신뢰성에 영향을 주지 않도록 안전하게 수행될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 테스트 시나리오에서 로봇은 인간의 멈춤이나 왔다 갔다 하는 동작이 포함된 경우에도 충돌을 성공적으로 피함으로써, 다이나믹한 인간 행동에 대한 강건성을 입증함.
• 사용자들은 로봇의 운동이 매끄럽고 자연스럽고 위협적이지 않다고 평가하였으며, 운영 중 위험감이나 산만함을 느낀 바 없음.
• 반발력 벡터 재형성 기법을 통해 작업 전환 중 운동 연속성이 유지되어 갑작스러운 속도나 방향 변화가 발생하지 않음.
• KUKA iiwa의 내장된 안전 기능(DirectServo 및 Sunrise.OS를 통해)과의 통합은 추가적인 보호층을 제공하여 산업 안전 기준 준수를 보장함.
• 이 방법은 실제 산업용 자동차 조립 셀에서 성공적으로 검증되었으며, 시뮬레이션 환경이 아닌 생산 환경에서의 실현 가능성을 입증함.
• 알고리즘은 재계획이 아닌 오프라인으로 생성된 명시적 경로의 무결성을 유지하면서 실시간으로 효과적인 경로 조정을 수행함.