Physical human-robot collaboration for object co-manipulation based on adaptable compliant control

Titre traduit

Collaboration physique homme-robot pour la co-manipulation d'objets basée sur la commande compliante adaptable
Résumé

Au cours des dernières décennies, l'industrie a évolué afin d'augmenter la productivité, d'améliorer la qualité et de réduire les dangers auxquels sont exposés les opérateurs. En ce sens, l'utilisation des robots a évolué au fil du temps, tout en acquérant toujours plus d'importance, grâce à leur précision, leur force accrue et leur possibilité de répéter des mouvements d'une grande précision. Au vu de l’évolution constante des technologies actuelles, il est également possible d'imaginer de nouveaux défis et des tâches plus complexes qui pourraient être accomplis par les robots. Par exemple, ces derniers pourraient travailler dans un environnement beaucoup plus varié, sans avoir besoin d'être isolés dans des zones sécurisées. Pour que ce scénario soit possible et réaliste, les interactions entre une personne et un robot doivent être traitées rigoureusement, en particulier dans le cas de l'interaction physique Homme-robot (pHRI). L'avantage de cette association est de combiner l'expérience et les capacités de décision d'une personne avec la force et la précision d'un robot. Dans le cadre de cette thèse, l'interaction entre une personne et le robot est plus ambitieuse, car le concept de collaboration physique homme-robot (pHRC) est utilisé. La personne et le robot (en particulier un robot manipulateur) doivent être capables de travailler en contact physique continu, pour effectuer une tâche, mais aussi pour faciliter le travail de l’opérateur ou les opérations de manutentions. Un des éléments clés de cette étude est d’aider l’opérateur dans son travail quotidien en réduisant les efforts qu’il devrait fournir si le robot n'était pas présent. Cette thèse vise donc à améliorer les performances des contrôleurs lorsque la charge utile n'est pas connue ou qu'elle évolue (même pendant la tâche) afin d’obtenir une meilleure collaboration pour le déplacement d'un objet. L'amélioration des capacités de partage de charge en robotique pour les tâches collaboratives pourrait engendrer une évolution certaine sur la façon de concevoir les tâches fréquentes dans l'industrie telles que les tâches d'assemblage, de déplacement de chargés lourdes dans un entrepôt, ou encore des opérations de perçage ou de sciage. En vue de la variété de tâches possibles, le contrôleur doit avoir un comportement adaptable selon le niveau d’interaction avec la personne et la compliance souhaitée. Dans cette thèse, le robot collaboratif KUKA LBR iiwa 14 R820 est utilisé pour étudier et évaluer par des simulations et des expériences le cas d'une charge inconnue portée à la fois par un individu et le robot. Un scénario de pHRC est tout d’abord proposé pour les simulations afin d'étudier l'influence des contrôleurs (tels que la commande par impédance ou par admittance). Des améliorations relatives aux lois de commande classiques sont proposées pour le déplacement des charges de poids inconnu. Ces modifications permettent également d’adapter le comportement du robot, le tout sous une même loi de commande. En effet, soit il aide l’opérateur en devenant un collaborateur compliant et adaptable soit il exécute lui-même sa propre tâche de manière indépendante. Par ailleurs, des expériences sont réalisées pour valider l'approche proposée tout en montrant les avantages de cette méthode qui permet le partage de charge. De plus, une application possible pour effectuer une tâche collaborative entre des personnes et un robot transportant des objets d'un endroit à l'autre est présentée dans cette étude. Enfin, des critères quantitatifs de collaboration sont mis en évidence afin d'évaluer les méthodes proposées. Des problématiques liées notamment aux questions de sécurité concernant la passivité du système sont également discutées.

mots clés

Résumé

Over the last decades, the industry has evolved in order to increase productivity, improve quality and reduce dangers involving the employees. In that sense, the use of robots has evolved through time, but always acquiring more and more importance, thanks to their accuracy, enhanced strength and their possibility to repeat movements with almost no error. As technologies move forward, it is also possible to imagine new challenges and more difficult tasks that could be required for the robots. For instance, robots might no longer need to be isolated, allowing them to work in a wide range of environments. To make this scenario possible and realistic, interactions between a person and a robot should be correctly handled, in particular for the case of physical Human-Robot Interaction (pHRI). The advantage is the use of the experience and decision- making capabilities of the person, along with the force and precision of a robot. In the context of this thesis, the interaction between the person and the robot is more challenging, as the concept of physical Human-Robot Collaboration (pHRC) is used. The person and the robot (particularly, a robotic manipulator) should be able to work in continuous physical contact, to perform a complex task, but also simplify it for the person. A key element of this study is to ease the task for the person by reducing the efforts that would otherwise be necessary if the robot were not involved. This thesis aims to improve the performance of the controllers when the payload is not known or when it changes (even during the task) to obtain a better collaboration while moving an object. Improving the load sharing capabilities in robotics for collaborative scenarios might have a significant impact on the way of conceiving regular tasks in the industry, such as assembly tasks, moving boxes in a warehouse, drilling or sawing operations. Given the variety of possible tasks, the controller should provide an adaptable behavior depending on the level of interaction with the person and the desired compliance. Through this thesis, the case of an unknown load being carried by both the person and the robot is studied and evaluated through simulations and experiments with the collaborative robot KUKA LBR iiwa 14 R820. A scenario for pHRC is proposed for simulations to study the influence of the controllers (such as Impedance or Admittance control). Enhancements for the classical control laws are proposed in order to move loads of unknown weight. Also, the modifications make the robot capable of either, being a compliant collaborator, or having its own independent task, all under the same control law. Experiments are performed to validate the proposed approach, showing the advantages of the proposed method for load sharing. Also, a possible application for a collaborative task between people and a robot carrying objects from one place to the other is presented. Finally, quantitative criteria are proposed for the collaboration to evaluate the proposed methods. Safety issues, in particular concerning the passivity of the system, are also discussed.

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