[논문 리뷰] SUPER-MAN: SUPERnumerary Robotic Bodies for Physical Assistance in HuMAN-Robot Conjoined Actions

Alberto Giammarino, Juan M. Gandarías외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 17.

Prosthetics and Rehabilitation Robotics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인간-로봇 협업을 향상시키기 위해 치우치지 않은 인터페이스와 전신 제어를 통해 산업 작업에서의 물리적 보조를 제공하는 이동식 초과로봇 시스템인 SUPER-MAN을 소개한다. 이 프레임워크는 MOCA-MAN과 Kairos-MAN이라는 두 가지 구현을 가능하게 하며, 사용자 연구와 NASA-TLX 평가를 통해 물리적 보조 시나리오에서 향상된 작업 성능과 감소된 사용자 부하를 입증한다.

ABSTRACT

This paper presents a mobile supernumerary robotic approach to physical assistance in human-robot conjoined actions. The study starts with a description of the SUPER-MAN concept. The idea is to develop and utilize mobile collaborative systems that can follow human loco-manipulation commands to perform industrial tasks through three main components: i) an admittance-type interface, ii) a human-robot interaction controller, and iii) a supernumerary robotic body. Next, we present two possible implementations within the framework from theoretical and hardware perspectives. The first system is called MOCA-MAN and comprises a redundant torque-controlled robotic arm and an omnidirectional mobile platform. The second one is called Kairos-MAN, formed by a high-payload 6-DoF velocity-controlled robotic arm and an omnidirectional mobile platform. The systems share the same admittance interface, through which user wrenches are translated to loco-manipulation commands generated by whole-body controllers of each system. Besides, a thorough user study with multiple and cross-gender subjects is presented to reveal the quantitative performance of the two systems in effort-demanding and dexterous tasks. Moreover, we provide qualitative results from the NASA-TLX questionnaire to demonstrate the SUPER-MAN approach's potential and its acceptability from the users' viewpoint.

연구 동기 및 목표

• 외골격 및 초과로봇 팔과 같은 착용형 보조 장치의 불편함, 이동 제약, 인간과의 결합에 의존하는 한계를 해결한다.
• 협동 로봇(Cobots)의 활용도가 낮은 문제를 해결하기 위해 동적인 작업 중심 환경에서 직접적인 물리적 인간-로봇 상호작용을 가능하게 한다.
• 신체에 부착되지 않는 부유 기반의 로봇 시스템을 개발하여 인간의 능력을 확장함으로써 작업 효율성과 사용자 편안함을 향상시킨다.
• 직관적인 힘 기반 제어와 적응형 전신 운동 계획을 통해 인간-로봇의 결합 이동-조작을 원활하게 구현한다.
• 다양한 성별의 피험자들을 대상으로 한 연구를 통해 정량적 성능 지표와 사용자 인식 데이터를 기반으로 시스템의 효과성을 검증한다.

제안 방법

• 사용자가 생성한 와이어스(wrenches)를 이동-조작 명령어로 변환하는 치우침 기반 인터페이스를 사용하여 이동식 초과로봇 프레임워크(SUPER-MAN)를 구현한다.
• 두 가지 다른 로봇 플랫폼을 설계한다: MOCA-MAN(다중 자유도 토크 제어 팔, 360도 이동 기반)과 Kairos-MAN(고하중 6-DoF 속도 제어 팔, 360도 이동 기반)으로, 둘 다 동일한 인터페이스와 제어 아키텍처를 공유한다.
• 카르테시안 스태이프니스 및 감쇠 행렬을 사용하여 유연성, 추적 정확도, 안정성을 균형 잡는 계층적 작업 우선순위를 가진 전신 제어기를 적용한다.
• 널-스페이스 최적화를 적용하여 기반과 팔의 운동을 분리하여 조작 및 이동 모드에서의 간섭을 최소화한다.
• 가상 질량과 감쇠를 사용하는 가상 모델 기반 제어 전략을 적용하여 이동 기반의 역학을 조절하고 부드럽고 안정적인 운동을 보장한다.
• 제어기의 매개변수(질량 및 감쇠 행렬)를 조정하여 상호작용 중 제어성, 투명성, 사용자 노력 간의 균형을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 착용이 불필요한 이동식 초과로봇 시스템이 인간-로봇 결합 산업 작업에서 신체적 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 작업 정확도와 사용자 노력 측면에서 전통적 보조 장치와 비교해 이동식 초과로봇의 성능은 어떠한가?
• RQ3 치우침 기반 인터페이스는 다이나믹한 인간-로봇 협업 환경에서 이동 조작기의 직관적이고 힘 기반의 제어를 얼마나 잘 가능하게 하는가?
• RQ4 다른 로봇 구성(MOCA-MAN 대 Kairos-MAN)은 민감하고 고부하 작업에서의 작업 성능과 사용자 인식에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 산업 작업 환경에서 이동식 초과로봇 신체와 상호작용할 때 사용자 경험과 인식된 부하 수준은 어떠한가?

주요 결과

• NASA-TLX 평가 결과, SUPER-MAN 프레임워크는 착용하지 않은 상태의 작업보다 정신적 및 신체적 부하가 감소한 것으로 나타나 물리적 보조 작업에서 사용자 부하 감소에 기여함을 입증한다.
• MOCA-MAN과 Kairos-MAN은 민감한 작업과 고부하 작업 모두에서 향상된 작업 성능을 보였으며, 특히 Kairos-MAN은 6-DoF 속도 제어 팔 덕분에 고하중 상황에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 사용자 연구 결과, 반복적이고 고강도의 작업에서 초과로봇 신체의 보조를 받을 경우 더 높은 작업 완료 정확도와 낮은 인지된 노력 수준을 기록하였다.
• 치우침 인터페이스는 다양한 성별과 신체적 특성을 가진 피험자 간 일관된 성능을 보이며, 최소한의 학습 곡선으로 직관적인 제어를 가능케 하였다.
• 계층적 작업 우선순위를 가진 전신 제어기가 기반과 팔의 운동을 성공적으로 분리하여 조작 중 불필요한 기반 이동을 최소화하고 안정적인 이동을 보장하였다.
• 치우침 제어기 및 전신 제어기의 매개변수 조정—특히 감쇠 및 스태이프니스 행렬 조정—은 다양한 작업 조건에서 안정적이고, 민감하며 반응성이 뛰어난 로봇 동작을 가능케 하였다.