Interaction Control of Collaborative Robots for Adaptation ... · −The impedance/force parameters...

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Interaction Control of Collaborative Robots for Adaptation to Task and Human Factors

Arash Ajoudani

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 2Arash.Ajoudani@iit.it

HRI2 Research

Assistive Robotics / Power augmentation

Physical Human-Robot & Robot-Robot Interaction/Cooperation

Teleoperation/Teleimpedance Human Motor Control Understanding for

Robotic Manipulation

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 3Arash.Ajoudani@iit.it

Robots with advanced physical interaction capabilities: Integration to human environments

Laghi et al., IJRR 2018

Peternel et al., RAL 2016

Ajoudani et al., Humanoids 2014

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 4Arash.Ajoudani@iit.it

Robots, Humans, and the Environment

H

R

E

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 5Arash.Ajoudani@iit.it

Robots, Humans, and the Environment

H

R

E

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 6Arash.Ajoudani@iit.it

Robot interaction with the environment

− How to tune robot control parameters (i.e., impedance/force gains)?

− The impedance/force parameters are usually pre-defined by

programmers

− This will limit the interaction capacity of the robots!

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 7Arash.Ajoudani@iit.it

Approach 1: Replicating human physical interaction behavior

S. Fani et al., IEEE RAM 2018

A. Ajoudani et al., IJRR 2017

x 1.5

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 8Arash.Ajoudani@iit.it

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 9Arash.Ajoudani@iit.it

Adaptation to external disturbances

A. Scibilia et al., Humanoids 2018

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 10Arash.Ajoudani@iit.it

Approach 2:Robots with interaction autonomy

− Self-tuning of the impedance gains/interaction force based on the

robot sensory feedback

− How to distinguish good interaction from external disturbances?

− What sensory systems are required to achieve robot interaction

autonomy?

See Pietro’s presentation on Thursday at 9:00 in Room 2.L2 (Control I)

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 11Arash.Ajoudani@iit.it

Towards robot interaction autonomy:Explore, Identify, and Interact

Kawato, Mitsuo. "Internal models for motor control and trajectory planning." Current opinion in neurobiology 9.6 (1999): 718-727.

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 12Arash.Ajoudani@iit.it

Towards robot interaction autonomy:Explore, Identify, and Interact

P. Balatti et al., RAL’19, under review

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 13Arash.Ajoudani@iit.it

Robots, Humans, and the Environment

H

R

E

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 14Arash.Ajoudani@iit.it

Human Robot Collaboration: SOA

F. Flacco et al., ICRA 2012

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 15Arash.Ajoudani@iit.it

Can CoBots physically assist humans instead of avoiding them?

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 16Arash.Ajoudani@iit.it

Physical Overloading Reduction

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 17Arash.Ajoudani@iit.it

Physical Overloading Reduction

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 18Arash.Ajoudani@iit.it

Dynamics of interaction

𝑧𝑥

𝑪𝑃𝚺𝑾

𝚺𝟎

𝑪𝑃𝒇𝑤𝑜

𝒇𝑤𝑡

𝒇ℎ∆𝜏

Without interaction forcesWith interaction forces

∆𝜏

∆𝜏

W. Kim et al., RAL 2017

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 19Arash.Ajoudani@iit.it

Ergonomic Human Robot Collaboration

𝑧𝑥

𝑪𝑃𝚺𝑾

𝚺𝟎

Offline OnlineOffline

WarningShoulder

Hip

Knee∆𝜏 ↓

Moving to reduce

the overloading

joint torque

𝜹𝒑

𝑪𝑃 𝑪𝑃𝒇𝑤𝑜 𝒇𝑤𝑡

𝒇ℎ∆𝜏

Without

interaction

forces

With

interaction

forces

∆𝜏

∆𝜏

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 20Arash.Ajoudani@iit.it

SESC: Human CoM Model

𝑧𝑥

𝑪𝑃𝚺𝑾

𝚺𝟎

OfflineOffline

Human CoP model using statically equivalent serial chain (SESC)

S. Cotton, et al., ASME (2009).

Identification the body parameters

p : number of posture

See Wansoo’s presentation on Thursday at 18:00 in Room 2. R1 (Haptics)

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Overloading Joint Torque

CO

Px

RAL 2017, ICORR 2017

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Human-Robot Load-Sharing

W. Kim, J. Lee, L. Peternel, N. Tsagarakis and A. Ajoudani, "Anticipatory Robot Assistance for the Prevention of Human Static Joint Overloading in Human-RobotCollaboration", IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L), 2017.

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 23Arash.Ajoudani@iit.it

Ergonomic Human-Robot Co-Manipulation

Modified SESC Model

Dynamic CoP

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 24Arash.Ajoudani@iit.it

Ergonomic Human-Robot Co-Manipulation

L. Peternel et al., Humanoids 2017

W. Kim et al., IEEE Transactions on man machine systems , under review

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 25Arash.Ajoudani@iit.it

Ergonomic Handover

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 26Arash.Ajoudani@iit.it

Human-Robot Handover

L. Peternel et al., Humanoids 2017 W. Kim et al., IEEE Transactions on man machine systems , under review

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 27Arash.Ajoudani@iit.it

Replacing wearable suit with vision

Detection of human in 2D image and then reconstructing 3D information using disparity map by applying with some biophysical constraints (OpenPose model)

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 28Arash.Ajoudani@iit.it

First Ergonomic and reconfigurable HRC Framework KUKA Innovation Challange 2018

Wansoo Kim

Marta Lorenzini

Pietro Balatti

Phuong Nguyen

x 1.5

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 29Arash.Ajoudani@iit.it

KUKA Innovation Winner

Prize: 20K Euros

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Physical Fatigue Management

IEEE Transactions on Neural Systems & Rehabilitation, 2017 / RAL 2017 / IROS’16

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 31Arash.Ajoudani@iit.it

Physical Fatigue Management

Humanoids 2016 (best paper award finalist) / Autonomous Robots, 2017

See Luka’s presentation on Tuesday at 14:30 in Room 1.L3 (HRI II)

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 32Arash.Ajoudani@iit.it

Conclusion

−The principles behind human physical interaction can help us achieve similar performances in robots.

−Use of sensory systems to analyse human factors during interaction.

−Adaptation to humans does not necessarily mean avoiding them (coexistence vs collaboration)

−Collaborative robots can do more than repetitive tasks!

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 33Arash.Ajoudani@iit.it

HRI2 paper presentations at IROS

Control of grasp stiffness through CMS and CDS control- See Virginia ‘s presentation on Wednesday at 12:30 in Room 2.R1 (Grasping III)

Ergonomic Feedback Interfaces for Human-Robot Collaboration- See Wansoo’s presentation on Thursday at 9:00 in Room 2.L2 (Control I)

Human fatigue modeling in Human-Robot Collaboration- See Luka’s presentation Tuesday at 14:30 in Room 1.L3 (HRI II)

Auto-tuning Impedance control- See Pietro’s presentation on Thursday at 9:00 in Room 2.L2 (Control I)

Robot Fatigue modeling and management- See Luka’s presentation on Wednesday at 9:0 in Room 1.L3 (HRI V)

Supernumerary hand for daily/industrial assistance- See Andrea’s presentation on Tuesday, Room 2.R1 (Robot Design)

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 34Arash.Ajoudani@iit.it

Team HRI2

Adriano Scibilia, MSc studentLeonardo Frezza, MSc student

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 36Arash.Ajoudani@iit.it

Chapter 3: Feedback InterfacesVisual

M. Lorenzini et al., WeRob 2018, under review

Wansoo Kim

Marta Lorenzini

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 37Arash.Ajoudani@iit.it

Chapter 3: Feedback InterfacesVibro-Tactile

68.1 mm

54.1 mm

37

.0

mm

A A

17

.3

mm

𝑅 = 123 mm

A - A

BackLower limbUpper limb

Motor controllerMotor

Battery

Microcontroller

W. Kim et al., RAL/IROS 2018, under review

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia 38Arash.Ajoudani@iit.it

Chapter 3: Feedback InterfacesVibro-Tactile

W. Kim et al., RAL/IROS 2018, under review

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