PRO-MIND: Proximity and Reactivity Optimisation of robot Motion to tune safety limits, human stress, and productivity in INDustrial settings

要約

産業用協働ロボットは目覚ましい進歩を遂げているにもかかわらず、人間の安全性と快適性と高速生産の制約とのバランスをとることが難しいため、その可能性はほとんど開発されていないままです。
この課題に対処するために、人間の同僚に関する貴重なデータを活用してロボットの軌道を最適化する、新しい人間参加型フレームワークである PRO-MIND を紹介します。
人間の注意力と精神的労力を推定することで、私たちの方法は安全ゾーンを動的に調整し、ロボットの経路をその場で変更して人間の快適性と最適な停止条件を向上させることができます。
さらに、心拍数の変動と必死の動きから推定された現在の人間の精神物理的ストレスに基づいて、ロボットの軌道の実行時間と滑らかさを適応させるための多目的最適化を定式化します。
これらの適応は、B スプライン曲線の特性を利用して、動きの予測可能性と快適性を向上させる上で重要な要素である連続性と滑らかさを維持します。
2 つの現実的なケーススタディでの評価は、人間とロボットの生産性を向上させながら、オペレーターの作業負荷とストレスを抑制し、安全を確保するフレームワークの能力を示しています。
PRO-MIND のさらなる強みには、各個人の特定のニーズへの適応性と、タスク実行中の注意力、精神的努力、ストレスの変化に対する感度が含まれます。

要約(オリジナル)

Despite impressive advancements of industrial collaborative robots, their potential remains largely untapped due to the difficulty in balancing human safety and comfort with fast production constraints. To help address this challenge, we present PRO-MIND, a novel human-in-the-loop framework that leverages valuable data about the human co-worker to optimise robot trajectories. By estimating human attention and mental effort, our method dynamically adjusts safety zones and enables on-the-fly alterations of the robot path to enhance human comfort and optimal stopping conditions. Moreover, we formulate a multi-objective optimisation to adapt the robot’s trajectory execution time and smoothness based on the current human psycho-physical stress, estimated from heart rate variability and frantic movements. These adaptations exploit the properties of B-spline curves to preserve continuity and smoothness, which are crucial factors in improving motion predictability and comfort. Evaluation in two realistic case studies showcases the framework’s ability to restrain the operators’ workload and stress and to ensure their safety while enhancing human-robot productivity. Further strengths of PRO-MIND include its adaptability to each individual’s specific needs and sensitivity to variations in attention, mental effort, and stress during task execution.

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