[論文レビュー] Human-Aware Physical Human-Robot Collaborative Transportation and Manipulation with Multiple Aerial Robots

Guanrui Li, Xinyang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2022

Human-Automation Interaction and Safety被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、複数の航空ロボットを用いてケーブルで吊るされた荷物を搬送・操作する、安全を考慮した6次元物理的ヒューマンロボット協調システムを提案する。分散推定、6次元アドミタンス制御、冗長性に基づく安全制御を活用することで、障害物回避およびヒューマンロボット間距離の維持を通じて安全を確保しながら、直感的なヒューマンロボットインタラクションを実現する。実世界の実験により、外部力センサを一切使用せず、6自由度の全運動が確認された。

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.

研究の動機と目的

• 6自由度の範囲で、複数の航空ロボットを用いて剛体荷物の安全で直感的かつ物理的協調搬送・操作を可能にすること。
• 特に3次元運動と安全保証を併せ持つ、マルチ航空ロボットチームにおける物理的ヒューマンロボットインタラクションシステムの不足を補うこと。
• マルチクアッドローター・ケーブル・サスペンデッド・システムのシステム冗長性を活用し、同時に荷物の追従と安全制約の履行を実現すること。
• 外部力センサに依存しない分散型ビジュアルベースの力の推定器を開発することで、搭載されたIMUとカメラフィードバックを用いて力の推定を実現すること。
• 人間とロボットが安全制約のもとで複雑なタスクを共同で管理する現実世界のシナリオで、システムの有効性を検証すること。

提案手法

• モータ回転数とIMUデータを用いて、外部力センサを不要とする、アンサンブルカルマンフィルタ（UKF）に基づく分散型、力センサフリーの外部力推定器。
• ヒューマンロボットインタラクションを直感的に可能にする6次元アドミタンス制御。ヒューマンの力の入力を6自由度すべての方向に一貫した荷物の運動に変換する。
• 冗長システムのヌル空間を活用し、主な軌道追従に加えて、ヒューマンや障害物からの距離維持といった安全目標を強制する、安全を考慮した制御。
• 搭載カメラと円形タグを用いたビジュアルベースの状態推定パイプライン。30 Hzでケーブルの方向と接続点の位置を推定し、モーションキャプチャを不要とするリアルタイムフィードバックを可能にする。
• 各クアッドローターが自らの状態を推定し、接続点データを共有することで、共同で荷物の姿勢と速度を推定する分散推定アーキテクチャ。
• 勾配に基づく安全制御。ロボット数の増加に対してもスケーラブルであり、動的相互作用時におけるロバスト性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部力センサを一切使用せず、航空ロボットチームが6次元の物理的ヒューマンロボット協調作業を安全かつ直感的に行えるか。
• RQ2 マルチ航空ロボットケーブル・サスペンデッド・システムにおけるシステムの冗長性を活用し、同時に荷物の追従と安全制約の履行を実現できるか。
• RQ3 搭載されたビジュアルセンサとインertialセンシングが、ヒューマンロボット協調におけるリアルタイム状態推定において、モーションキャプチャシステムにどの程度置き換え可能か。
• RQ4 ヒューマンが力強い引張りや急な動きをした場合、システムはどのようにして安全を維持するか。
• RQ5 ヒューマンロボット間距離の維持と自律的障害物回避を実現するが、ヒューマンロボットインタラクションの質が低下しないか。

主な発見

• 本システムは、外部センサを一切使用せず、搭載されたセンサのみで6次元の物理的ヒューマンロボット協調を実現した。
• ビジュアルベースの状態推定器はモーションキャプチャと比較してセンチメートルレベルの精度を達成し、ケーブルの方向と速度を最大250 Hzで推定した。
• 安全を考慮した制御により、ヒューマンオペレータおよび障害物からの安全距離を維持しながら、荷物の軌道追従性とインタラクションの質を損なわずに保った。
• 勾配ベースの安全制御は、集中型アプローチに比べて優れたスケーラビリティを示し、より大きなロボットチームの運用を可能にした。
• 実世界の実験により、システムが重い荷物の搬送・操作を人間が支援でき、ナビゲーション中に自律的障害物回避を実行できることを確認した。
• 本システムにより、人間が荷物を誘導し、ロボットチームが障害物が多様な環境など、人間の限界を補完できる双方向協調が可能になった。