Exploiting Physical Human-Robot Interaction to Provide a Unique Rolling Experience with a Riding Ballbot

要約

この研究では、手動車椅子ユーザーを含むライダーが胴体を傾けたりひねったりすることでボールボットの動きを制御できるように設計された乗用ボールボットのハンズフリー制御スキームの開発を紹介します。
ハードウェア プラットフォームである Personal Unique Rolling Experience (PURE) は、ボールボット ドライブトレインを利用しています。ボールボット ドライブトレインは、ボールを車輪として使用して全方向の操作性を提供する、動的に安定したモバイル ロボットです。
さまざまな胴体運動機能を持つユーザーに対応するために、ハナッズフリー制御スキームはライダーの胴体機能と個人の好みに基づいて調整できる必要があります。
したがって、(a) インピーダンス制御と (b) アドミッタンス制御の概念が制御方式に統合されました。
デュオ エージェント最適化フレームワークを利用して、1.4 m/s からのブレーキという安全性が重要なタスクに対するこのライダー ボールボット システムの効率を評価しました。
候補の制御スキームはさらに物理的なロボット ハードウェアに実装され、2 人の経験豊富なユーザーによって検証され、ハンズフリー アドミッタンス制御スキーム (HACS) の効率と堅牢性が実証されました。
物理的なヒューマンロボットインタラクション (pHRI) を入力として利用したこのインターフェイスにより、制動力が低下し、制動距離と時間が短縮されました。
続いて、さまざまなレベルの胴体運動能力を持つ 12 人の初心者参加者 (6 人の健常者ユーザーと 6 人の手動車椅子ユーザー) が募集され、HACS によるブレーキ性能のベンチマークが行われました。
PURE の屋内ナビゲーション機能は、狭い廊下、急カーブ、静的および動的障害物を通過するナビゲーションをシミュレートするコースで参加者によってさらに実証されました。
pHRI を利用することにより、提案されたアドミッタンス スタイルの制御スキームは、胴体の動きを介してボールボットの効果的な制御を提供しました。
このインターフェースにより、PURE は手動車椅子ユーザーに個人的なユニークな回転体験を提供し、安全かつ機敏な屋内ナビゲーションを実現できます。

要約(オリジナル)

This study introduces the development of hands-free control schemes for a riding ballbot, designed to allow riders including manual wheelchair users to control its movement through torso leaning and twisting. The hardware platform, Personal Unique Rolling Experience (PURE), utilizes a ballbot drivetrain, a dynamically stable mobile robot that uses a ball as its wheel to provide omnidirectional maneuverability. To accommodate users with varying torso motion functions, the hanads-free control scheme should be adjustable based on the rider’s torso function and personal preferences. Therefore, concepts of (a) impedance control and (b) admittance control were integrated into the control scheme. A duo-agent optimization framework was utilized to assess the efficiency of this rider-ballbot system for a safety-critical task: braking from 1.4 m/s. The candidate control schemes were further implemented in the physical robot hardware and validated with two experienced users, demonstrating the efficiency and robustness of the hands-free admittance control scheme (HACS). This interface, which utilized physical human-robot interaction (pHRI) as the input, resulted in lower braking effort and shorter braking distance and time. Subsequently, 12 novice participants (six able-bodied users and six manual wheelchair users) with different levels of torso motion capability were then recruited to benchmark the braking performance with HACS. The indoor navigation capability of PURE was further demonstrated with these participants in courses simulating narrow hallways, tight turns, and navigation through static and dynamic obstacles. By exploiting pHRI, the proposed admittance-style control scheme provided effective control of the ballbot via torso motions. This interface enables PURE to provide a personal unique rolling experience to manual wheelchair users for safe and agile indoor navigation.

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