[论文解读] Effect of Human Involvement on Work Performance and Fluency in Human-Robot Collaboration for Recycling

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

Robot Manipulation and Learning被引用 1

一句话总结

本研究探讨了在塑料回收的人机协作中，不同层次的人类参与（遮挡物清除、最佳间距、最佳握持姿态）如何提升机器人精度与任务流畅性。结果显示，机器人精度从第1级（33.3%）提升至第3级（100%），表明人类输入显著提升了机器人在非结构化分拣任务中的表现。

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.

研究动机与目标

• 评估不同层次的人类参与对人机协作（HRC）回收任务中机器人性能与流畅性的影响。
• 探究人类协助（如清除障碍物、调整物品间距、调整物体朝向）如何提升机器人视觉系统的识别精度。
• 评估在不同人类参与水平下，任务流畅性与舒适度等主观指标的表现。
• 考察可回收物品比例对任务表现与人机协作的影响。
• 为现实世界中处理异质材料的回收场景提供具成本效益的人机协作解决方案的实证依据。

提出的方法

• 在受控实验室环境中开展实验，六名参与者使用配备视觉系统的协作机器人手臂完成可回收塑料杯分拣任务。
• 实施三种人类参与层级：第1级（遮挡物清除）、第2级（最佳间距）、第3级（最佳握持姿态）。
• 测量客观性能指标：机器人精度（正确分拣杯子的百分比）与任务时间（每次循环的秒数）。
• 使用10分制李克特量表收集主观数据，评估每次任务条件后的感知流畅性与舒适度。
• 在实验中改变可回收物品的比例（25%、50%、75%），以评估其对表现与感知的影响。
• 采用被试内设计，每位参与者以随机顺序完成所有条件，实验获得IRB批准并提供事先培训。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着人类参与程度的提高（遮挡物清除、间距调整、握持姿态优化），机器人在分拣可回收塑料杯时的精度如何变化？
• RQ2 更高的参与度是否提升了人机团队在分拣任务中的感知流畅性？
• RQ3 废料流中可回收物品的比例如何影响机器人精度与任务表现？
• RQ4 人类参与对HRC回收任务的任务完成时间有何影响？
• RQ5 人类输入在多大程度上影响了人类操作员的感知舒适度？

主要发现

• 随着人类参与程度提高，机器人精度显著提升：第1级（遮挡物清除）为33.3%，第2级（最佳间距）为69%，第3级（最佳握持姿态）为100%。
• 任务时间随人类参与程度增加而减少，第3级记录到最短平均时间（均值 = 12.4秒），显著低于第1级的15.6秒。
• 感知流畅性随人类参与程度提升而增加，10分制量表的平均得分分别为：第1级8.1分，第2级8.5分，第3级9.6分。
• 可回收物品比例对机器人精度、任务时间或感知舒适度无显著影响。
• 主观舒适度在不同人类参与层级或可回收物比例下无明显差异。
• 结果表明，人类输入可显著改善机器人在非结构化回收环境中的表现，尤其在视觉系统难以处理杂乱或姿态不佳的物体时。