Time-Optimal Path Tracking with ISO Safety Guarantees

要約

人間とロボットのコラボレーション中にオペレータの安全を確保する方法の 1 つは、ISO 規格 ISO/TS 15066 で定義されているように、速度および分離監視 (SSM) を使用することです。一般に、人間とロボットのすべての衝突を回避することは不可能です。たとえば、次のような場合を考えてみましょう。
ロボットがまったく動かない場合でも、人間のオペレーターが自らの自発的な動作でロボットを衝突させる可能性があります。
ただし、SSM フレームワークでは、これを要求することで被害を最小限に抑えることができます: \emph{衝突が発生した場合、その時点でロボットは \emph{静止状態} (すべてのリンクの速度がゼロ) でなければなりません
衝突の様子。
この論文では、このような動作を保証するために、時間最適パスパラメータ化 (TOPP) に基づいた時間最適制御ポリシーを提案します。
具体的には、私たちのポリシーで推奨されている動作よりも厳密に速いロボットの動作には、非静止状態でロボットとの衝突を引き起こす人間の動作が存在することを示します。
相関的に、私たちのポリシーが最先端の安全なロボット制御方法よりも厳密に保守的でないことをシミュレーションで示します。
さらに、事前計算フェーズの計算時間を短縮するための並列化手法を提案します (実際には 0.5 秒まで)。これにより、パイプライン全体 (事前計算を含む) を実行時にほぼリアルタイムで実行できるようになります。
。
最後に、シナリオでのこの方法の適用を実証します。6 自由度の産業用ロボットの最適な時間の安全な制御です。

要約(オリジナル)

One way of ensuring operator’s safety during human-robot collaboration is through Speed and Separation Monitoring (SSM), as defined in ISO standard ISO/TS 15066. In general, it is impossible to avoid all human-robot collisions: consider for instance the case when the robot does not move at all, a human operator can still collide with it by hitting it of her own voluntary motion. In the SSM framework, it is possible however to minimize harm by requiring this: \emph{if} a collision ever occurs, then the robot must be in a \emph{stationary state} (all links have zero velocity) at the time instant of the collision. In this paper, we propose a time-optimal control policy based on Time-Optimal Path Parameterization (TOPP) to guarantee such a behavior. Specifically, we show that: for any robot motion that is strictly faster than the motion recommended by our policy, there exists a human motion that results in a collision with the robot in a non-stationary state. Correlatively, we show, in simulation, that our policy is strictly less conservative than state-of-the-art safe robot control methods. Additionally, we propose a parallelization method to reduce the computation time of our pre-computation phase (down to 0.5 sec, practically), which enables the whole pipeline (including the pre-computation) to be executed at runtime, nearly in real-time. Finally, we demonstrate the application of our method in a scenario: time-optimal, safe control of a 6-dof industrial robot.

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