Design of an Human-Cobot Interface

Conception d'une Interface de Pilotage d'un Cobot

Xavier Lamy (1)

1 LRI - Laboratoire de Robotique Interactive

In the present industrial context, there are still many tasks that cannot be fully automated, and that require human workers to do painful tasks. Robotic assistance may be a good solution to reduce the operator's force intensity needed to accomplish such tasks, and thus avoiding musculo-skeletal disorder cases. If we allow an operator to cooperate directly with a robot handling a tool (or an object), then it will be possible to consider helpful assistance functions such as weight compensation, force augmentation or virtual guidance. Industrial robots may be relevant candidates for such a cooperation because their mechanical capacities are very complementary to those of humans : they are especially optimized to supply high forces, to be very stiff and to be very accurate. However, high friction in the joints and high inertia of these robots conflict with a smooth and light interaction with the operator. Therefore, using a force sensor at the robot's end effector in a force control loop is essential. One shows that stability of such a controlled system highly depends on the mechanical impedance opposed to the robot when the human operator handles its end effector. We base our study on a robot model taking into account a structural flexibility between the actuator and the force sensor, which is the source of stability limits. To optimize the resulting highly constrained performance / stability compromise, we suggest a control law that takes into account the impedance characteristics of the hand grip thanks to a specially designed interaction handle. To characterize the hand grip, it has been necessary to develop a sensor capable of mapping the pressure applied to the round surface of the handle. We describe the architecture and operation of such a sensor, and show that it can also be used to cover the body of the robot. We suggest a solution to prevent the mobile parts of the robot to threaten the safety of the user, by increasing their sensitivity to physical interactions with the operator or the environment. We finish our study by considering a tripartite interaction where the robot amplifies the effort that the operator applies to the handle. By adapting the theoretical tools commonly used in the field of teleoperation, we conduct a comprehensive study on the limits of stability and performance of this system. All these improvements are based on theoretical developments supported by experiments on a real industrial robot.

Dans le contexte industriel actuel, il existe encore un grand nombre de tâches pénibles qui ne peuvent pas être automatisées, et où le geste humain reste indispensable. L'introduction d'une assistance robotique peut alors être envisagée pour réduire les efforts que l'opérateur doit fournir, et ainsi éviter l'occurrence de troubles musculosquelettiques. En permettant à l'opérateur de manipuler conjointement un outil (ou objet) porté par le robot, il est possible envisager une collaboration sous forme de compensation de gravité, d'augmentation d'effort ou de réalisation de guides virtuels. Les robots industriels peuvent être des candidats pertinents pour ce type de collaboration, car leurs qualités mécaniques sont particulièrement complémentaires à celles de l'homme : ils sont notamment optimisés pour avoir une grande force, rigidité et précision absolue. Cependant les frottements dans les articulations et l'inertie importante de ces robots s'opposent à une interaction physique avec l'opérateur fluide et légère. L'utilisation d'un capteur d'effort au niveau de l'effecteur et d'une boucle d'effort est donc incontournable. On montre que la stabilité d'un système ainsi asservi dépend alors fortement de l'impédance mécanique qu'oppose la main de l'opérateur lorsqu'il manipule l'effecteur du robot. Nous appuierons notre étude sur une modélisation du robot capable de prendre en compte une flexibilité structurelle entre l'actionneur et la mesure d'effort, qui est à l'origine des limites de stabilité. Afin de résoudre le compromis performance/stabilité très contraignant qui en découle, nous proposons une loi de commande en impédance prenant en compte les caractéristiques de la prise de main sur une poignée d'interaction spécialement conçue. Pour caractériser la prise de main, il nous a été nécessaire de développer un capteur capable de cartographier la pression appliquée sur la surface arrondie de la poignée. Nous détaillons l'architecture et le fonctionnement d'un tel capteur, et montrons qu'il peut aussi être employé pour recouvrir le corps du robot. Nous proposons ainsi une solution pour assurer la sécurité de l'utilisateur vis-à-vis des autres parties mobiles du robot, peu sensibles aux interactions physiques avec l'opérateur ou avec son environnement. Nous complétons notre étude en considérant une interaction tripartite où le robot amplifie les efforts que l'opérateur applique sur l'outil. En adaptant les outils théoriques communément employés dans le domaine de la téléopération, nous menons une étude approfondie sur les limites de stabilité et de performances de ce dispositif. L'ensemble de ces travaux reposent sur des développements théoriques appuyés par des expérimentations sur un robot industriel réel.

Mots clés: Physical Human Robot Interaction; Industrial Robot; Impedance Control; Passivity; Force Amplification; Robotic Skin

Mots clés: Interaction physique homme-robot; comanipulation; robot industriel; commande en impédance; passivité; augmentation d'effort; peau sensible pour robot.

Domaines: Automatique / Robotique

Xavier Lamy. Conception d'une Interface de Pilotage d'un Cobot. Automatique / Robotique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00748986⟩