Safety-Aware Human-Robot Collaborative Transportation and Manipulation with Multiple MAVs

要約

人間とロボットのインタラクションは、さまざまな業界や日常業務で重要な役割を果たし、ロボットが人間と効果的に協力し、物理的な作業負荷を軽減できるようになります。
人間とロボットの物理的な相互作用に対する既存のアプローチのほとんどは、人間と 1 台の地上ロボットとの間のコラボレーションに焦点を当てています。
近年、地上ロボットに比べて多用途性と機動性が向上した空中ロボットを検討する場合、この研究分野ではほとんど進歩がありません。
この論文では、複数の空中ロボットを使用してケーブルに吊り下げられたペイロードを人間とロボットが安全に共同輸送および操作するための新しいアプローチを提案します。
提案手法を活用することで、社内輸送システムの冗長性を活用することで、作業中の安全上の制約を考慮しながら、輸送物と人間の作業者との間のスムーズかつ直感的なインタラクションを可能にします。
私たちのシステムの重要な要素は、(a) 力センサーに依存しない分散ペイロード外部レンチ推定器です。
(b) 人間と航空機とロボットの協調輸送および操作のための 6D アドミタンス コントローラー。
(c) 内部システムの冗長性を利用して、ペイロードの軌道追跡やインタラクションの品質に影響を与えることなく、人間やロボットの安全を維持するための追加タスクの実行を保証する安全性を意識したコントローラ。
私たちは広範なシミュレーションと実際の実験を通じてアプローチを検証します。
これらには、荷物の運搬や操作において人間を支援するロボット チームや、環境内でのロボット チームの移動を支援する人間も含まれます。
私たちの知る限り、この取り組みは、輸送や操作のタスク中に人間のオペレーターと物理的に協力するクワッドローター チーム向けに、インタラクティブで安全性を意識したアプローチを作成した最初の取り組みです。

要約(オリジナル)

Human-robot interaction will play an essential role in various industries and daily tasks, enabling robots to effectively collaborate with humans and reduce their physical workload. Most of the existing approaches for physical human-robot interaction focus on collaboration between a human and a single ground robot. In recent years, very little progress has been made in this research area when considering aerial robots, which offer increased versatility and mobility compared to their grounded counterparts. This paper proposes a novel approach for safe human-robot collaborative transportation and manipulation of a cable-suspended payload with multiple aerial robots. We leverage the proposed method to enable smooth and intuitive interaction between the transported objects and a human worker while considering safety constraints during operations by exploiting the redundancy of the internal transportation system. The key elements of our system are (a) a distributed payload external wrench estimator that does not rely on any force sensor; (b) a 6D admittance controller for human-aerial-robot collaborative transportation and manipulation; (c) a safety-aware controller that exploits the internal system redundancy to guarantee the execution of additional tasks devoted to preserving the human or robot safety without affecting the payload trajectory tracking or quality of interaction. We validate the approach through extensive simulation and real-world experiments. These include as well the robot team assisting the human in transporting and manipulating a load or the human helping the robot team navigate the environment. To the best of our knowledge, this work is the first to create an interactive and safety-aware approach for quadrotor teams that physically collaborate with a human operator during transportation and manipulation tasks.

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