Emniyetli insan-robot etkileşimi için çarpışmasız yol planlama yöntemi geliştirilmesi
A collision free path planning method for safe human-robot interaction
Yazar: SEZGİN SEÇİL
Danışman: DOÇ. DR. METİN ÖZKAN
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kontrol ve Kumanda Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Endüstriyel robotlar = Industrial robots

Özet:
Endüstriyel robot manipülatörlerinin özellikle verimlilik açısından sağladığı faydalar, otomotiv, elektronik, kimya gibi birçok farklı endüstriyel alanda kullanımlarının artmasıyla sonuçlanmaktadır. Endüstriyel çalışma ortamlarında görülen robot varlığındaki artışa rağmen, robot manipülatörler emniyet endişeleri sebebiyle çoğunlukla insanlardan izole bir şekilde faaliyet göstermektedir. Ancak robotların üretim ve imalat süreçlerine katılımının artması, insanların robotlarla aynı çalışma alanını paylaşmalarını ve dolayısıyla etkileşime girmelerini kaçınılmaz kılmaktadır. Teknolojik gelişmelerin beraberinde, bu etkileşim aynı zamanda robotun ve insanın kabiliyetlerini bir araya getiren bir iş birliği halini de alabilmektedir. İnsan ve robotun aynı çalışma alanını paylaşmasına sebep olan bu gerçek, beraberinde emniyet sorununu ortaya çıkarmaktadır. Bu bağlamda, sürdürülebilir bir insan-robot etkileşimi için ele alınması gereken temel gereksinimlerden biri emniyet olmaktadır. Tez kapsamında, emniyetli insan-robot etkileşimini sağlayabilmek için ilk olarak insan ile robot arasındaki minimum uzaklığın hesaplanmasına dayanan bir sistem önerilmektedir. Hesaplamanın hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için insan ve robot geometrik ilkellerle (kapsüller) temsil edilmektedir. Kapsüllerin geometrileri gereği dışbükey cisimler olmasından ve hesaplamanın gerçek zamanlı uygulamalar için hızlı olması gerektiğinden dolayı uzaklık hesaplamaları için Gilbert–Johnson–Keerthi (GJK) algoritması kullanılmaktadır. Önerilen sistemde, insanın temsili için ise RGB-D algılayıcıdan alınan iskelet verisi kullanılmaktadır. Bu tezde, hem benzetim ortamındaki robot manipülatörle, hem de gerçek ortamdaki robot manipülatörle gerçekleştirilen deneyler sonucunda önerilen sistemin performansı değerlendirilmekte ve nicel analizi yapılmaktadır. Ek olarak, önerilen sistem gerçek zamanlı bir iş birlikçi senaryo gerçekleştirilerek test edilmektedir. Sonuçlar, sistemin gerçek zamanlı ve emniyetli insan-robot etkileşimi uygulamaları geliştirmek için kullanılabileceğini göstermektedir. Çalışmanın geri kalanında, emniyetli insan-robot etkileşiminin bir başka kriteri olan çarpışmasız robot hareketi için yeni bir yol planlama yaklaşımı önerilmektedir. Önerilen yaklaşım, optimizasyon temelli bir yaklaşım olup, stokastik ve yinelemeli bir yol planlama stratejisi içermektedir. Stratejiye göre, robot ile insan arasındaki uzaklığa bağlı olarak yeniden planlama yapılmakta ve bu aşamada optimizasyon temelli bir navigasyon yöntemi takip edilmektedir. Önerilen yöntem, benzetim ortamında farklı senaryolar için test edilmektedir. Sonuçlar algoritmanın emniyetli etkileşim için etkinliğini göstermektedir.

Abstract:
The benefits of industrial robot manipulators, especially in terms of efficiency, result in their increasing use in many different industrial areas such as automotive, electronics, chemistry. Despite the increase in the presence of robots in industrial working environments, industrial robot manipulators mostly operate in isolation from humans due to safety concerns. However, the increasing participation of robots in production and manufacturing processes makes it inevitable for humans to share the same workspace and therefore interact with robots. Along with technological developments, this interaction can also become a collaboration that brings together the capabilities of the robot and the human. This fact, which causes the human and the robot to share the same workspace, brings about the problem of safety. In this context, one of the key requirements to be addressed for a sustainable human-robot interaction is safety. Within the scope of the dissertation, a framework based on calculating the minimum distance between human and robot is firstly proposed in order to ensure safe human-robot interaction. Human and robot are represented by geometric primitives (capsules) so that the calculation can be performed quickly. Since the capsules are convex bodies due to their geometry and the calculation must be fast enough for real-time applications, the Gilbert–Johnson–Keerthi (GJK) algorithm is used for distance calculations. In the proposed framework, the skeletal data from the RGB-D sensor is used for the representation of the human. In this dissertation, the performance of the proposed framework is evaluated and quantitative analysis is made as a result of the experiments carried out both with the simulated robot manipulator and with the real robot manipulator. In addition, the proposed framework is tested by performing a real-time collaborative scenario. The results show that the framework is utilizable for developing real-time safe human-robot interaction applications. In the rest of the study, a novel path planning approach is proposed for collision-free robot motion, which is another criterion of safe human-robot interaction. The proposed approach is an optimization-based approach and includes a stochastic and iterative path planning strategy. According to the strategy, replanning is done depending on the distance between the robot and the human, and an optimization-based navigation method is followed at this stage. The approach is tested for different scenarios in the simulation environment. The results demonstrate the effectiveness of the algorithm for safe interaction.