Physical Human-Robot Interaction

Aussi appelé: pHRI
Catégorie: Control › Human in the loop
Mots-clés: human-robot-interaction, safety, contact, force-control, assistive-robotics

Interaction dans laquelle un robot et une personne échangent des forces par un contact physique direct ou indirect, qu'il soit prévu, comme pour guider ou assister, ou imprévu, comme lors d'une collision.

Définition

L'interaction physique humain-robot (Physical human-robot interaction, pHRI) couvre toute situation dans laquelle un robot et une personne échangent des forces, soit par contact direct, soit par l'intermédiaire d'un objet partagé. Le contact peut être voulu, comme lorsqu'un opérateur guide à la main un bras collaboratif, qu'un robot de rééducation mobilise le membre d'un patient, qu'un exosquelette assiste la marche ou qu'un robot d'assistance brosse les cheveux ou aide quelqu'un à s'habiller. Il peut aussi être involontaire, comme lorsqu'un bras en mouvement heurte une personne ou coince une main. Un système de pHRI doit gérer les deux : il doit accomplir un travail utile par le contact tout en maintenant les forces et les pressions exercées sur le corps dans des limites sûres et confortables.

Le domaine s'appuie sur plusieurs couches d'ingénierie. La conception mécanique réduit les dommages qu'un robot peut causer au contact, grâce à une faible masse en mouvement, un rembourrage, des arêtes arrondies, des transmissions rétro-entraînables et une compliance passive comme les actionneurs élastiques en série ou les doigts souples. La perception indique au robot qu'un contact a lieu et quelle est son intensité, à l'aide de capteurs de force/couple, de capteurs de couple articulaire, de peaux tactiles ou d'estimations tirées des courants moteurs et d'observateurs de quantité de mouvement. La commande décide de la réaction du robot : les contrôleurs d'impédance et d'admittance font se comporter le robot comme un ressort et un amortisseur plutôt que comme un asservissement en position rigide, et les stratégies de détection et de réaction aux collisions arrêtent le robot, le font reculer ou le basculent dans un mode compliant lorsqu'un contact inattendu est détecté. Les normes de sécurité des robots industriels telles que l'ISO 10218, avec leurs recommandations pour le fonctionnement collaboratif, décrivent des modes comme le guidage manuel et la limitation de puissance et de force, qui reposent sur ces idées.

La pHRI est plus large que n'importe quelle technique présentée sur ce site. Un robot collaboratif (cobot) est un type de robot conçu pour elle, et la commande en impédance (impedance control) est une méthode de commande couramment utilisée pour elle ; la pHRI est le domaine de problèmes qui englobe les deux, ainsi que la biomécanique des blessures, le confort et la confiance des utilisateurs. Le contact avec des zones sensibles comme la tête et le visage, par exemple pour les soins capillaires ou l'aide au repas, place la barre encore plus haut, car les forces acceptables sont plus faibles et les mouvements propres de la personne sont plus difficiles à prévoir.

Pourquoi c'est important

De plus en plus de robots quittent les cellules grillagées pour travailler à côté des personnes et sur elles : en usine, en centre de rééducation, à domicile et dans les lieux de soins. Toute tâche qui exige de toucher une personne, ou qui risque de la toucher par accident, impose de concevoir ensemble la mécanique, la perception et la commande du robot pour un contact sûr, et la pHRI est le corpus de connaissances qui s'en charge.

Applications principales

Guidage manuel et assemblage collaboratif avec des bras industriels
Robots de rééducation et exosquelettes motorisés
Tâches d'assistance aux soins comme l'aide au repas, l'habillage, la toilette et les soins capillaires
Détection et réaction aux collisions sur des manipulateurs travaillant près des personnes
Téléopération haptique et commande partagée avec retour physique

En pratique

Une équipe construit un robot qui peigne et démêle les cheveux. Elle monte des doigts souples et compliants sur un bras léger, de sorte qu'une erreur d'estimation de la position de la tête produise une pression douce plutôt qu'un choc brutal. Un capteur de force/couple au poignet mesure les forces de contact, et un contrôleur d'admittance laisse le bras céder le long de la surface de la tête tout en maintenant le peigne appuyé avec une faible force de consigne. Des limites logicielles plafonnent la vitesse et la force près du visage, et le bras s'arrête et recule si la force mesurée dépasse un seuil ou augmente plus vite que prévu. Avant les essais avec des personnes, l'équipe vérifie les forces sur une tête de mannequin équipée d'une cellule de charge, puis mène des séances utilisateurs qui enregistrent à la fois les forces mesurées et le confort déclaré par les participants.

Idées reçues

La pHRI consiste seulement à éviter les collisions — elle couvre aussi le contact voulu, où le robot doit appliquer des forces utiles à une personne
Un robot collaboratif rend n'importe quelle tâche sûre pour l'interaction physique — la sécurité dépend de l'application complète, y compris l'outil, la charge utile, la vitesse et les zones du corps qui peuvent être touchées
Un matériel souple suffit à résoudre la sécurité en pHRI — la compliance réduit les forces d'impact, mais la perception, les limites de commande et l'appréciation des risques restent nécessaires
La force de contact mesurée est la seule grandeur qui compte — la pression, la durée du contact, la zone du corps et la possibilité pour la personne de s'écarter influent toutes sur le risque de blessure et le confort

Qui devrait le savoir

Ingénieurs concevant des manipulateurs collaboratifs et d'assistance
Développeurs de systèmes de rééducation et d'exosquelettes
Automaticiens mettant en œuvre la gestion de l'effort, de l'impédance et des collisions
Chercheurs en HRI menant des études impliquant le toucher

Technologies associées

Commande en admittance (Admittance Control)
Détection de collision par quantité de mouvement (Momentum-Based Collision Detection)
Actionneurs élastiques en série (Series Elastic Actuators)
Peaux tactiles (Tactile Skins)
Limitation de puissance et de force (Power and Force Limiting)

Termes associés

Projets associés

Drake: MIT robotics toolbox for model-based dynamics, optimization, and control system design
Reachy Mini: Open-source desktop robot from Pollen and Hugging Face with an expressive 6-DoF head
RAI: Vendor-agnostic agent framework for ROS 2 robots and physical AI
NASA Ogma: NASA runtime monitor generator for safe robotics and flight systems
Assistive Gym: Physics simulation framework for training assistive robots in caregiving tasks