IT201800007934A1

IT201800007934A1 - Metodo per generare un segnale di consapevolezza di un robot collaborativo e relativo sistema hardware

Info

Publication number: IT201800007934A1
Application number: IT102018000007934A
Authority: IT
Inventors: Domenico Prattichizzo; Maria Pozzi; Paolo Rocco; Andrea Maria Zanchettin
Original assignee: Universita' Degli Studi Di Siena; Milano Politecnico
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2020-02-07

Description

METODO PER GENERARE UN SEGNALE DI CONSAPEVOLEZZA DI UN ROBOT COLLABORATIVO E RELATIVO SISTEMA HARDWARE

CAMPO TECNICO

La presente divulgazione concerne i metodi di gestione dell'interazione con i robot collaborativi e più in particolare un metodo per generare un segnale di consapevolezza da parte di un robot che collabora con un operatore umano, per aiutare l'operatore umano ad avere più confidenza nel lavoro del robot che sta collaborando con lui, allorché il robot abbia interpretato l'attività che l'operatore umano sta iniziando a eseguire nonché un sistema che implementa tale metodo.

SFONDO TECNOLOGICO

Con lo sviluppo della robotica, è prevedibile che in futuro aumenterà la presenza di robot realizzati per collaborare con operatori umani, in modo da aiutare gli operatori durante l'esecuzione del loro lavoro. In particolare, i robot possono convenientemente essere impiegati per eseguire velocemente compiti in maniera sostanzialmente meccanica, mentre si possono destinare agli operatori umani le operazioni più difficili da essere eseguite in completa autonomia dai robot.

Grazie alle migliorate procedure di controllo del movimento di robot industriali, è stato possibile realizzare robot in grado di effettuare autonomamente dei compiti condividendo uno spazio di lavoro con uno o più operatori umani. Tale soluzione permette la coesistenza di un robot e di un operatore umano in uno stesso ambiente, in cui però ciascuno dei due soggetti deve completare il proprio compito indipendentemente dall'altro, raggiungendo il rispettivo obiettivo.

Tuttavia, questo tipo di suddivisione non è sempre praticabile quando un lavoro da eseguire è composto sia di operazioni che richiedono un'intelligenza umana, che di operazioni meccaniche che possono essere singolarmente eseguite senza conoscere tutto il lavoro da fare e gli scopi da raggiungere. In generale, in tutti quei lavori in cui ci sono delle operazioni che richiedono un livello di comprensione elevato, che gli operatori umani possono facilmente eseguire ma che i robot non possono compiere facilmente a meno di non voler utilizzare tecnologia sofisticata e costosa, cosa che richiederebbe investimenti notevoli e farebbe accrescere i costi di produzione, l'affidamento dell'intero lavoro ad un operatore umano appare irrinunciabile.

Per superare questa limitazione, si cerca di realizzare robot collaborativi, talvolta chiamati con il neologismo "cobot" o "co-robot", che possano collaborare con operatori umani condividendo uno stesso spazio di lavoro e interagendo strettamente e in maniera sinergica con essi per raggiungere un risultato desiderato.

Nonostante i progressi che sono stati raggiunti in questo settore, le tecniche attuali appaiono ancora insoddisfacenti per raggiungere una piena collaborazione tra operatore umano e robot.

SOMMARIO

Studi eseguiti dai Richiedenti hanno evidenziato che le tecniche attuali per ottenere una collaborazione tra uomo e robot potrebbero essere notevolmente migliorate facendo in modo che il robot possa rilevare o addirittura prevedere gli spostamenti dell'operatore umano, ma dell'altra parte l'operatore umano deve sapere se il robot sta interpretando con ragionevole certezza o meno cosa sta facendo l'operatore.

Per soddisfare questa necessità, la presente divulgazione fornisce un metodo per fornire un segnale di consapevolezza all'operatore umano, indicativo del fatto che il robot abbia correttamente interpretato ciò che fa l'operatore e conosca con sufficiente grado di consapevolezza ciò che sta per fare. Secondo il metodo di questa divulgazione, il segnale di consapevolezza viene generato confrontando con una soglia, preferibilmente impostabile a piacimento, una probabilità di spostamento dell'operatore umano in un settore dello spazio di lavoro.

Il metodo può essere implementato mediante un relativo programma per elaboratore eseguito da un'unità a microprocessore.

Il segnale di consapevolezza viene generato con un relativo sistema hardware basato su un'unità a microprocessore, che esegue passi del metodo e fa in modo che il segnale di consapevolezza stimoli almeno un senso dell'operatore umano.

Secondo una forma di realizzazione, il sistema hardware comprende un'interfaccia tattile indossabile dall'operatore, ad esempio un anello o un bracciale, e detto segnale di consapevolezza è una vibrazione. Secondo un'altra forma di realizzazione, il sistema hardware comprende un diffusore di essenze profumate che può rilasciare una prima essenza oppure una seconda essenza olfattivamente distinguibile dalla prima per indicare il valore logico del segnale di consapevolezza.

Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa descrizione e sono qui incorporate per espresso riferimento.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La figura 1 mostra una postazione di lavoro di un operatore umano affiancato da un robot che collabora con l'operatore.

La figura 2 illustra uno schema funzionale a blocchi di una forma di realizzazione del metodo secondo la presente divulgazione per fornire un segnale di consapevolezza all'operatore umano che collabora con un robot che implementa un algoritmo di riconoscimento e classificazione.

La figura 3 mostra un anello vibrante con relativo box di controllo, indossabile da un operatore umano che collabora con un robot, che può generare un segnale di consapevolezza nella forma di una vibrazione di durata finita (burst) o continua, oppure un pattern di vibrazioni.

La figura 4 mostra una macchina a stati finiti che descrive alcune operazioni effettuate per emettere il segnale di consapevolezza.

La figura 5 è un grafico comparativo dei tempi di esecuzione del ciclo di lavoro da parte di personale non esperto nell'esecuzione di lavori con un robot collaborativo, con e senza generazione del segnale di consapevolezza secondo il metodo della presente divulgazione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Per rendere più efficiente l'esecuzione di un lavoro che richiede la collaborazione sinergica di un operatore umano con un robot collaborativo ("cobot"), sono noti metodi per riconoscere e classificare le attività dell'operatore umano in modo che il robot possa prepararsi ad effettuare il proprio compito quando l'operatore umano sta per terminare il suo, utilizzando il resto del tempo in altre attività facendosi però trovare pronto qualora Toperazione da effettuarsi necessiti simultaneamente dell’operatore e del robot (come ad esempio il trasporto di un oggetto ingombrante o pesante).

Un'esigenza di questo tipo ad esempio può nascere in un ambiente di lavoro come quello mostrato in figura 1, in cui l'operatore umano e il robot devono collaborare per assemblare un box contenente una penna USB. L'assemblaggio comprende cinque fasi: A) l'operatore umano riempie il box con due strati di schiuma e la penna USB;

B) l'operatore umano porta il box riempito verso il robot;

C) il robot aggiunge la copertura sul box;

D) l'operatore umano fissa la copertura con un nastro;

E) il robot mette da parte il prodotto finito;

Le zone di lavoro che possono essere occupate dall'operatore umano sono:

1) zona di lavoro dell'operatore;

2) postazione dell'alimentatore di schiuma del primo strato;

3) postazione dell'alimentatore di schiuma del secondo strato;

4) zona di collaborazione con il robot;

5) postazione dell'alimentatore di box e di penne USB.

Come illustrato in figura 2, secondo il metodo della presente divulgazione si rileva l'informazione sulla posizione attuale dell'operatore in un generico k-esimo istante di campionamento, genericamente indicata con 0k, mediante uno o più dispositivi di rilevazione configurati per rilevare almeno una posizione del corpo o di parti del corpo dell'operatore umano mentre l'operatore si muove nello spazio di lavoro. Mediante un qualsiasi algoritmo di classificazione, si elabora l'informazione 0k e si determina la probabilità Prob(Goal|0k) che l'operatore si sposti in una generica zona di lavoro (Goal) tra quelle che può impegnare, condizionata dal fatto che il dispositivo (o i dispositivi) di rilevazione ha generato l'informazione 0k sulla posizione attuale dell'operatore. Tra queste probabilità, quella di valore massimo sarà associata alla zona di lavoro nella quale il robot si attende che l'operatore umano si sposti.

Metodi di classificazione, possibilmente in forma predittiva, di questo tipo sono noti in letteratura. Ad esempio, si può utilizzare l'algoritmo predittivo divulgato nell'articolo di D. Song et al., "Predicting Human Intentìon in Visual Observations of Hand/Object Interactions" , 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 6-10 May 2013, oppure l'algoritmo divulgato nell'articolo di A.M. Zanchettin e P. Rocco, "Probabilistic inference of human arm reaching target far effective human-robot collaboration" , Intelligent Robots and Systems (IROS), 2017 IEEE/RSJ International Conference on, IEEE, 2017.

Secondo il metodo della presente divulgazione, si confronta periodicamente con una soglia ΊΉ la probabilità di valore massimo Prob(Goal|θk) calcolata con l'algoritmo predittivo di classificazione impiegato e si genera un flag logico di confronto AW. Sulla base del valore logico assunto dal flag AW, si emette un segnale di consapevolezza percepibile da almeno uno dei sensi dell'operatore. Tale segnale di consapevolezza può assumere uno di due stati diversi, per informare l'operatore se il robot ha individuato con ragionevole certezza o meno in quale zona l'operatore sta per spostarsi.

Secondo una forma di realizzazione, tale soglia TH è preferibilmente impostabile a piacimento dall'utente, per avere un maggiore o minore grado di sicurezza che il robot stia interpretando correttamente cosa sta facendo l'operatore umano.

Ad esempio, l'operatore potrebbe essere equipaggiato con un anello vibrante del tipo mostrato in figura 3, insieme al relativo box di controllo. Durante il lavoro l'operatore indossa l'anello, portando il box agganciato all'avambraccio mediante una connessione di tipo Velcro, e riceve o meno una vibrazione di durata finita (burst) quando la probabilità Prob(Goal|θk) eccede o meno la soglia prestabilita TH. In questo modo, l'operatore è costantemente informato del fatto che il robot sta interpretando con ragionevole certezza cosa sta facendo l'operatore e che quindi si farà trovare pronto quando e se bisognerà collaborare nella zona di collaborazione. Più in generale, il generatore di segnale di consapevolezza sarà un'interfaccia tattile indossabile e l’operazione di generare il segnale di consapevolezza consiste nel far vibrare il dispositivo o nel produrre altri tipi di feedback tattile come ad esempio una ” skin stretch" e/o una skin deformatìon (distensione e deformazione della pelle).

Secondo una forma di realizzazione, il confronto della probabilità Prob(Goal|θk) con la soglia TH non avviene ad ogni istante di campionamento k, ma avviene periodicamente con un periodo T preferibilmente impostabile a piacimento dall'operatore stesso.

Secondo una forma di realizzazione, il segnale di consapevolezza può essere visivo, ad esempio una luce di un primo colore oppure di un secondo colore, per esempio rossa oppure verde, per indicare che la probabilità Prob(Goal|θk) è inferiore oppure superiore alla soglia TH. In tal caso, il dispositivo luminoso che emette la luce del primo colore oppure del secondo colore può essere installata sullo stesso robot, in un altro punto della stazione di lavoro, oppure può ancora essere un dispositivo indossabile dall'operatore. Secondo una forma di realizzazione, il segnale di consapevolezza è un segnale uditivo, ad esempio un suono di altezza o timbro o durata diversa a seconda del valore logico del flag di confronto AW.

Secondo una forma di realizzazione, il segnale di consapevolezza è un segnale olfattivo di una prima fragranza oppure di una seconda fragranza, selettivamente emesse da un dispositivo di spruzzo di fragranze profumate a seconda del valore logico del flag di confronto AW. Convenientemente, tale dispositivo di spruzzo sarà installato sul robot oppure indossato dall'operatore, se ben tollerato dall'operatore.

Secondo una forma di realizzazione del metodo di questa divulgazione, vengono eseguite le operazioni descritte dalla macchina a stati illustrata in figura 4. Fino a quando non viene rilevato un operatore, la macchina a stati è in uno stato di base, indicato in figura 4 con il numero 0, ma si passa nello stato 1 non appena i dispositivi di rilevazione rilevano la presenza di un operatore. L'anello vibrante di figura 3 viene usato due volte: una prima volta per informare l'operatore umano che il robot ha compreso la sua intenzione di mettere il box nella zona di collaborazione 4, ossia quando la probabilità stimata di occupazione della zona 4 è superiore ad una soglia prestabilita, ad esempio pari a 0.8 (Prob(Goal4)>0.8), e una seconda volta per informare l'operatore che il robot ha compreso che l'operatore sta lasciando la zona di collaborazione 4 per passare alla zona 1 (Prob(Goal1)>0.8).

Secondo una forma di realizzazione, ogni volta che la macchina a stati passa dallo stato 1 allo stato 2 o viceversa, viene trasmesso all'operatore un segnale di consapevolezza nella forma di una vibrazione di breve durata, ad esempio della durata di 120ms, per informarlo che il robot ha compreso le sue intenzioni.

Sono stati eseguiti dai richiedenti test con persone non esperte di esecuzione di operazioni in collaborazione con robot, per verificare l'efficacia del sistema hardware e del metodo descritti. È stato chiesto a persone non esperte di eseguire il ciclo di operazioni elencate in precedenza con riferimento alla figura 1 e sono stati misurati i tempi di esecuzione dell'intero ciclo con e senza emissione del segnale di consapevolezza generato dall'anello vibrante di figura 3. 1 risultati ottenuti, riportati nel grafico di figura 5, mostrano che i tempi di esecuzione dell'intero ciclo si riducono in maniera statisticamente rilevante quando l'operatore percepisce il segnale di consapevolezza.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per generare un segnale di consapevolezza mediante un sistema di gestione dell "interazione di un robot collaborativo con un operatore umano, detto sistema comprendente dispositivi di rilevazione configurati per rilevare almeno una posizione del corpo o di parti del corpo dell'operatore umano mentre l'operatore si muove in uno spazio di lavoro, un'unità di elaborazione a microprocessore, un generatore di un segnale di consapevolezza percepibile da almeno uno dei sensi dell'operatore umano, il metodo comprendente le seguenti operazioni: rilevare una posizione del corpo o di parti del corpo dell'operatore umano in settori distinti di detto spazio di lavoro e generare segnali di posizione rappresentativi di una posizione attuale del corpo o di dette parti del corpo dell'operatore; stimare, mediante elaborazione di detti segnali di posizione con un algoritmo di classificazione di spostamenti dell'operatore umano tra detti settori distinti, un settore (Goal) tra detti settori distinti dello spazio di lavoro per il quale è massima una probabilità di spostamento (Prob(Goal)) dell'operatore umano in detto settore (Goal); confrontare detta massima probabilità di spostamento (Prob(Goal)) con una soglia (TH) e generare un flag (AW) che assume un valore logico rappresentativo di un esito del confronto; generare detto segnale di consapevolezza con detto generatore in modo da stimolare almeno un senso dell'operatore umano con una prima sensazione oppure con una seconda sensazione, diversa da detta prima sensazione, a seconda del valore logico di detto flag (AW).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto generatore di segnale di consapevolezza è un'interfaccia tattile indossabile dall'operatore e l’operazione di generare il segnale di consapevolezza consiste nel far vibrare l'interfaccia tattile o nel distendere e/o deformare una porzione della pelle dell'operatore.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto generatore di segnale di consapevolezza è uno spruzzatore di fragranze profumate e l'operazione di generare il segnale di consapevolezza consiste nello spruzzare una prima fragranza oppure una seconda fragranza, olfattivamente diversa da detta prima fragranza, a seconda del valore logico di detto flag (AW).
4. Metodo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l'operatore si può spostare da un primo settore in cui lavora da solo ad un secondo settore (Goal) in cui collabora con il robot, il metodo comprendente le operazioni di: generare detto segnale di consapevolezza per una durata finita quando la probabilità di spostamento (Prob(Goal)) da detto primo settore a detto secondo settore (Goal) eccede detta soglia (TH); generare ancora detto segnale di consapevolezza per una durata finita quando la probabilità di spostamento (Prob(Goal)) da detto secondo settore (Goal) a detto primo settore eccede detta soglia (TH).
5. Programma per elaboratore caricabile in una memoria di un'unità a microprocessore, comprendente un codice software configurato per fare in modo che l'unità a microprocessore effettui operazioni del metodo di una delle rivendicazioni precedenti quando il programma è eseguito dall'unità a microprocessore.
6. Sistema di gestione dell’interazione di un robot collaborativo con un operatore umano, detto sistema comprendente: dispositivi di rilevazione configurati per rilevare almeno una posizione del corpo o di parti del corpo dell'operatore umano mentre l'operatore si muove in uno spazio di lavoro, e per generare corrispondenti segnali di posizione rappresentativi della posizione attuale del corpo o di dette parti del corpo dell'operatore; un generatore di un segnale di consapevolezza percepibile da almeno uno dei sensi dell'operatore umano; un'unità di elaborazione a microprocessore funzionalmente collegata a detti dispositivi di rilevazione per ricevere detti segnali di posizione, configurata per eseguire il programma per elaboratore della rivendicazione 5 e per comandare il generatore di un segnale di consapevolezza secondo il metodo di una delle rivendicazioni da 1 a 4.
7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui detto generatore del segnale di consapevolezza è in cui detto generatore di segnale di consapevolezza è un'interfaccia tattile indossabile dall'operatore ed è configurato per generare il segnale di consapevolezza in forma di vibrazione di durata finita o in forma di una distensione e/o deformazione di una porzione della pelle dell'operatore.
8. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui detto generatore del segnale di consapevolezza è uno spruzzatore di fragranze profumate configurato per spruzzare una prima fragranza oppure una seconda fragranza, olfattivamente diversa da detta prima fragranza.
9. Sistema secondo una delle rivendicazioni da 6 a 8, in cui detti dispositivi di rilevazione sono configurati per rilevare una posizione del polso destro e del polso sinistro, una posizione della testa e un orientamento del viso dell'operatore,