Physical Human-Robot Interaction

Detto anche: pHRI
Categoria: Control › Human in the loop
Tag: human-robot-interaction, safety, contact, force-control, assistive-robotics

Interazione in cui un robot e una persona si scambiano forze attraverso un contatto fisico diretto o indiretto, sia pianificato, come nella guida o nell'assistenza, sia non pianificato, come in una collisione.

Definizione

L'interazione fisica uomo-robot (physical human-robot interaction, pHRI) comprende ogni situazione in cui un robot e una persona si scambiano forze, toccandosi direttamente o attraverso un oggetto condiviso. Il contatto può essere voluto, come quando un operatore guida a mano un braccio collaborativo, un robot per la riabilitazione muove l'arto di un paziente, un esoscheletro assiste la camminata o un robot di assistenza spazzola i capelli o aiuta qualcuno a vestirsi. Può anche essere involontario, come quando un braccio in movimento urta una persona o le intrappola una mano. Un sistema di pHRI deve gestire entrambi i casi: deve svolgere un lavoro utile attraverso il contatto mantenendo le forze e le pressioni sul corpo entro limiti sicuri e confortevoli.

Il campo attinge a diversi livelli di ingegneria. La progettazione meccanica riduce il danno che un robot può causare al contatto, con una massa in movimento ridotta, imbottiture, spigoli arrotondati, azionamenti reversibili (backdrivable) e cedevolezza passiva, come gli attuatori elastici in serie o le dita morbide. Il rilevamento dice al robot che il contatto sta avvenendo e quanto è intenso, usando sensori di forza-coppia, sensori di coppia ai giunti, pelli tattili o stime ricavate dalle correnti dei motori e da osservatori del momento. Il controllo decide come risponde il robot: i controllori di impedenza e di ammettenza fanno comportare il robot come una molla e uno smorzatore anziché come un servo di posizione rigido, e le strategie di rilevamento e reazione alle collisioni arrestano il robot, lo fanno arretrare o lo portano in una modalità cedevole quando viene rilevato un contatto inatteso. Le norme di sicurezza per i robot industriali come la ISO 10218, con le loro indicazioni per il funzionamento collaborativo, descrivono modalità come la guida manuale e la limitazione di potenza e forza, che si basano su queste idee.

La pHRI è più ampia di qualsiasi singola tecnica di questo sito. Un cobot è un tipo di robot progettato per essa, e il controllo di impedenza è un metodo di controllo usato comunemente per essa; la pHRI è l'area di problemi che li include entrambi, insieme alla biomeccanica delle lesioni, al comfort dell'utente e alla fiducia. Il contatto con regioni sensibili come la testa e il viso, come nella cura dei capelli o nell'alimentazione, alza ulteriormente l'asticella, perché le forze accettabili sono più basse e i movimenti della persona sono più difficili da prevedere.

Perché è importante

Sempre più robot escono dalle celle recintate per lavorare accanto alle persone e su di esse: in fabbrica, nelle cliniche di riabilitazione, nelle case e nei contesti di assistenza. Qualsiasi compito che richieda di toccare una persona, o che rischi di toccarla per errore, richiede che meccanica, rilevamento e controllo del robot siano progettati insieme per un contatto sicuro, e la pHRI è il corpo di conoscenze che se ne occupa.

Applicazioni principali

Guida manuale e assemblaggio collaborativo con bracci industriali
Robot per la riabilitazione ed esoscheletri motorizzati
Compiti di assistenza come alimentazione, vestizione, igiene personale e cura dei capelli
Rilevamento e reazione alle collisioni su manipolatori che lavorano vicino alle persone
Teleoperazione aptica e controllo condiviso con feedback fisico

In pratica

Un gruppo costruisce un robot che pettina e districa i capelli. Montano dita morbide e cedevoli su un braccio leggero, così che una stima errata della posizione della testa produca una pressione delicata anziché un urto violento. Un sensore di forza-coppia sul polso misura le forze di contatto, e un controllore di ammettenza lascia che il braccio ceda lungo la superficie della testa mantenendo il pettine premuto con una piccola forza di riferimento. Limiti software restringono velocità e forza vicino al viso, e il braccio si ferma e arretra se la forza misurata supera una soglia o cresce più rapidamente del previsto. Prima dei test con le persone, il gruppo verifica le forze su una testa di manichino dotata di una cella di carico, poi conduce sessioni con gli utenti che registrano sia le forze misurate sia il comfort riferito dai partecipanti.

Idee sbagliate comuni

La pHRI significa solo evitare le collisioni — comprende anche il contatto voluto in cui il robot deve applicare forze utili a una persona
Un cobot rende sicuro qualsiasi compito per l'interazione fisica — la sicurezza dipende dall'intera applicazione, compresi l'utensile, il carico utile, la velocità e le regioni del corpo che possono essere toccate
L'hardware morbido da solo risolve la sicurezza nella pHRI — la cedevolezza riduce le forze d'impatto, ma servono comunque rilevamento, limiti di controllo e valutazione dei rischi
La forza di contatto misurata è l'unica grandezza che conta — la pressione, la durata del contatto, la regione del corpo e la possibilità per la persona di allontanarsi influiscono tutte sul rischio di lesione e sul comfort

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri che progettano manipolatori collaborativi e assistivi
Sviluppatori di dispositivi per la riabilitazione e di esoscheletri
Ingegneri del controllo che implementano la gestione di forza, impedenza e collisioni
Ricercatori di HRI che conducono studi che prevedono il tatto

Tecnologie correlate

Controllo di ammettenza (Admittance Control)
Rilevamento delle collisioni basato sul momento (Momentum-Based Collision Detection)
Attuatori elastici in serie (Series Elastic Actuators)
Pelli tattili (Tactile Skins)
Limitazione di potenza e forza (Power and Force Limiting)

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