Ανάπτυξη συστημάτων ελέγχου για συνεργασία ρομπότ-ανθρώπου σε χειρισμούς αντικειμένων
Authors: Δημέας Φώτιος 
Published: September 2021

Η συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ αποτελεί αντικείμενο έρευνας που στοχεύει στον συμπληρωματικό συνδυασμό των δεξιοτήτων του ανθρώπου και των ιδιοτήτων ενός ρομπότ. Τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά ενός ρομποτικού βραχίονα είναι η ικανότητα κίνησης με υψηλή ακρίβεια, η επαναληψιμότητα, και η ικανότητα να φέρει μεγάλα φορτία, επιτρέποντας τη χρήση σε βιομηχανικές εφαρμογές. Οι κύριες δεξιότητες του ανθρώπου που είτε απουσιάζουν από τα ρομπότ είτε ξεπερνούν τις ικανότητες αυτών, είναι η αντίληψη του περιβάλλοντος από πλήθος αισθητηρίων, οι τρόποι λήψης αποφάσεων και εξαγωγής συμπερασμάτων, η ταχεία προσαρμογή σε αλλαγές του περιβάλλοντος και η βέλτιστη διαμόρφωση του μυοσκελετικού συστήματος για την εκτέλεση μιας εργασίας. Δεδομένης της δυσκολίας που παρουσιάζει η ανάπτυξη ρομπότ που να προσεγγίζουν τις δεξιότητες ενός ανθρώπου, η συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ με κατάλληλο τρόπο μπορεί να γεφυρώσει το κενό που παρατηρείται μεταξύ χειρωνακτικών εργασιών και πλήρους αυτοματισμού, αλλά και να δημιουργήσει νέα πεδία εφαρμογών.Αρχικά, μελετάται ο έλεγχος αλληλεπίδρασης μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ και προτείνονται καινοτόμοι τρόποι ρύθμισης των κερδών του συστήματος ελέγχου ενδοτικότητας σε πραγματικό χρόνο με στόχο τη βελτίωση αντικειμενικών κριτηρίων, όπως η προσπάθεια που καταβάλει ο χειριστής. Για τη ρύθμιση των κερδών χρησιμοποιούνται μέθοδοι βασισμένες σε υπολογιστική νοημοσύνη με εποπτευόμενη και μη εποπτευόμενη μάθηση. Προτείνεται για πρώτη φορά το μοντέλο ελάχιστης μεταβολής της επιτάχυνσης ως αναφορά για μεταβλητή ενδοτικότητα, με την υπόθεση ότι αν προσαρμόζεται η κίνηση του ρομπότ κατά τη συνεργασία σε αυτό το μοντέλο, τότε θα γίνει πιο εύκολη η συνεργασία για τον χειριστή. Το μοντέλο αυτό επεκτείνεται και στην περιστροφική κίνηση του άκρου, πέραν της μεταφορικής. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μεθοδολογία που αξιοποιεί σήματα από ηλεκτρομυογράφο για τη συνεχή ρύθμιση των κερδών με στόχο την προσαρμογή του ελεγκτή στα ποσοστά ενεργοποίησης των μυών του χεριού του χειριστή. Με αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα στον χειριστή να χρησιμοποιήσει τους μυς του ως διακόπτη αλλαγής της ενδοτικότητας του ρομπότ.Ένα σημαντικό πρόβλημα στον καρτεσιανό έλεγχο ρομπότ εμφανίζεται όταν αυτό προσεγγίζει διαμορφώσεις ενικότητας. Προτείνεται μια νέα μέθοδος περιορισμού της κίνησης του ρομπότ βάσει δεικτών επίδοσης του βραχίονα, για να εφαρμόζει το ρομπότ απωθητικές δυνάμεις στον άνθρωπο ώστε να μην υπάρχει δυνατότητα οδήγησης σε τέτοιες διαμορφώσεις. Με αυτή τη μέθοδο περιορισμών επίδοσης υλοποιούνται σε πραγματικό χρόνο δυνάμεις επαναφοράς που υπολογίζονται από τη βάθμωση ενός τοπικού δείκτη επίδοσης του βραχίονα. Η βάθμωση προσεγγίζεται αριθμητικά χωρίς να απαιτείται αναλυτική μορφή του δείκτη. Επίσης συγκρίνονται διάφοροι τοπικοί δείκτες επίδοσης του βραχίονα από τη βιβλιογραφία ως προς την αίσθηση που επιφέρουν στον χειριστή κατά τη συνεργασία. Οι περιορισμοί επίδοσης επιτρέπουν ακόμη και σε έναν μη εκπαιδευμένο χειριστή να συνεργαστεί με το ρομπότ και να λάβει άμεση ανάδραση για τις διαμορφώσεις χαμηλής επίδοσης που πρέπει να αποφευχθούν.Όταν ο άνθρωπος αλληλεπιδρά με το ρομπότ, επηρεάζεται η ευστάθεια του συστήματος ελέγχου του ρομπότ. Για να μην τίθενται συντηρητικά προκαθορισμένα όρια στις παραμέτρους του ελεγκτή, προτείνεται ένας καινοτόμος δείκτης αστάθειας και ένας τρόπος ρύθμισης των κερδών κατά τη λειτουργία. Ο δείκτης αστάθειας αναγνωρίζει υψίσυχνες ταλαντώσεις στην εξωτερική μετρούμενη δύναμη που οφείλονται σε αστάθεια και η μέθοδος ρύθμισης αστάθειας προσαρμόζει κατάλληλα τα κέρδη του ελεγκτή ενδοτικότητας για να επανέλθει το ρομπότ σε ευσταθή λειτουργία. Αποδεικνύεται πειραματικά ότι η αύξηση της επιθυμητής απόσβεσης του ελέγχου ενδοτικότητας για την επαναφορά της ευσταθούς λειτουργίας, κάτι που εμφανίζεται συχνά στη βιβλιογραφία, δεν είναι αποδοτική ούτε στην ευστάθεια του ρομπότ ούτε και στην συνεργασία με τον άνθρωπο. Αντί αυτού, προτείνεται η αύξηση της επιθυμητής αδράνειας, η οποία αποδεικνύεται καταλληλότερη σε σχέση με την αύξηση της απόσβεσης. Επιδιώκοντας την ασφαλή συνεργασία ανθρώπου-ρομπότ, εξετάζονται περιπτώσεις κινδύνου που μπορούν να προκύψουν στον κοινό χώρο εργασίας. Προτείνεται μια μέθοδο αναγνώρισης συγκρούσεων στο ρομπότ που βασίζεται σε εκτίμηση των δυναμικών χαρακτηριστικών του βραχίονα με ασαφή λογική, χωρίς τη χρήση αναλυτικού δυναμικού μοντέλου. Η μέθοδος εκπαιδεύεται στην αναγνώριση των δυναμικών χαρακτηριστικών κάθε άρθρωσης και μπορεί να λαμβάνει υπόψη τη δυναμική σύζευξη μεταξύ τους. Επίσης, αναπτύσσεται μέθοδος για να διακρίνονται οι επιθυμητές επαφές του χειριστή με το ρομπότ από συγκρούσεις, αναλύοντας τα διαφορετικά συχνοτικά χαρακτηριστικά της εξωτερικής δύναμης σε κάθε περίπτωση. Τέλος, εξετάζονται τεχνικές αντίδρασης του ρομπότ ώστε να ελαχιστοποιηθεί η δύναμη της σύγκρουσης. Οι μέθοδοι αναγνώρισης και διάκρισης επαφών συγκρίνονται πειραματικά με αντίστοιχες από τη βιβλιογραφία και επιδεικνύονται πιο γρήγορες, κάτι που είναι πολύ σημαντικό για την έγκαιρη αντίδραση του ρομπότ και την αποφυγή τραυματισμών.