[论文解读] SUPER-MAN: SUPERnumerary Robotic Bodies for Physical Assistance in HuMAN-Robot Conjoined Actions

Alberto Giammarino, Juan M. Gandarías+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Prosthetics and Rehabilitation Robotics被引用 4

一句话总结

本文提出了SUPER-MAN，一种移动式附加机器人系统，通过阻抗式人机交互界面与全身控制框架，提升工业任务中人机协作的效能。该框架支持两种实现形式——MOCA-MAN与Kairos-MAN，在物理辅助场景中显著提升了任务表现并降低了用户工作负荷，其有效性通过用户研究与NASA-TLX评估得到验证。

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.

研究动机与目标

• 解决外骨骼与附加机器人肢体等可穿戴辅助设备存在的不适感、活动受限及对人身耦合依赖等问题。
• 克服协作机器人（Cobots）利用率不足的问题，实现在动态、任务导向环境中的直接物理人机交互。
• 开发一种浮动基座机器人系统，作为附加身体延伸人类能力，无需物理连接，从而提升任务效率与用户舒适度。
• 通过直观的基于力的控制与自适应全身运动规划，实现无缝的人机协同移动与操作。
• 通过定量性能指标与跨性别受试者研究的用户感知数据，验证系统的有效性。

提出的方法

• 采用阻抗式接口实现移动附加机器人框架（SUPER-MAN），将人体产生的力/力矩转换为移动操作指令。
• 设计两种不同的机器人平台：MOCA-MAN（全向移动基座上的冗余力控机械臂）与Kairos-MAN（全向移动基座上的高负载6-DoF速度控制机械臂），二者共享相同接口与控制架构。
• 采用具有层次化任务优先级的全身控制器，利用笛卡尔空间的刚度与阻尼矩阵，平衡柔顺性、跟踪精度与系统稳定性。
• 应用空域优化方法解耦基座与机械臂运动，确保在操作与移动模式下干扰最小化。
• 采用基于虚拟模型的控制策略，通过虚拟质量和阻尼调节移动基座动力学，确保运动平稳稳定。
• 调参阻抗控制器参数（质量与阻尼矩阵），在交互过程中平衡可控性、透明度与用户施力。

实验结果

研究问题

• RQ1 移动式附加机器人系统是否能在无需穿戴连接的情况下，有效降低人机协同工业任务中的身体工作负荷？
• RQ2 与传统辅助设备相比，移动式附加机器人在任务精度与用户施力方面表现如何？
• RQ3 阻抗式人机交互界面在动态人机协作中，是否能实现直观、基于力引导的移动操作器控制？
• RQ4 不同机器人构型（MOCA-MAN与Kairos-MAN）在精细操作与高负荷任务中，对任务表现与用户感知有何影响？
• RQ5 在真实工业任务中，用户与移动式附加机器人身体交互时的体验与感知工作负荷如何？

主要发现

• SUPER-MAN框架在物理辅助任务中显著降低了用户工作负荷，NASA-TLX评分显示其在心理与身体需求方面均低于无辅助操作。
• MOCA-MAN与Kairos-MAN在精细与高负荷操作中均表现出更优的任务性能，其中Kairos-MAN因采用6-DoF速度控制机械臂，在高负载场景中表现更优。
• 用户研究表明，当由附加机器人提供辅助时，受试者在任务完成精度与感知施力方面均表现更优，尤其在重复性与高力任务中更为明显。
• 阻抗接口实现了直观控制，学习曲线极短，所有不同性别与身体特征的受试者均表现出一致性能。
• 采用层次化任务优先级的全身控制器成功解耦了基座与机械臂运动，显著减少了操作过程中的非预期基座移动，确保了稳定移动。
• 对阻抗控制器与全身控制器的参数调优——特别是阻尼与刚度矩阵——使机器人在不同任务条件下均表现出稳定、柔顺且响应迅速的行为。