Interacción Hombre-Robot trabajando cooperativamente en

XXVII Jornadas de Automática
Interacción Hombre-Robot trabajando cooperativamente en una celda de
desensamblado automático.
Carolina Díaz, Santiago Puente, Fernando Torres
Grupo de Automática, Robótica y Visión Artificial-DFISTS-Universidad de Alicante
Ap.99 C.P. 03080, San Vicente del Raspeig
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumen
El sistema propuesto en este artículo plantea incluir
a un ser humano en una celda de desensamblado
automático para que trabaje en forma cooperativa y
coordinada con un manipulador robótico. Se
desarrolla un planificador de tareas, encargado de
asignar y coordinar las acciones para que se
ejecuten correctamente, libre de colisiones y
evitando cualquier tipo de daño físico a la persona
incluida en la celda.
Palabras Clave: robots cooperativos, interacción
hombre-robot, desensamblado, planificador de tareas.
1
INTRODUCCIÓN
El valor de muchas entidades colaborando entre si,
trabajando en grupo ha sido probado desde mucho
tiempo atrás en distintas áreas. Como por ejemplo en
la naturaleza un grupo de predadores trabajando
coordinadamente en equipo pueden lograr cazar a un
animal que los supera muchas veces en tamaño, o en
la milicia un grupo de hombres con habilidades
especificas y recursos limitados se unen para crear
grupos con una increíble capacidad. Estos ejemplos
buscan demostrar, como ya es sabido, que un grupo
de entidades con habilidades similares o distintas
coordinadas para trabajar en equipo pueden producir
un grupo con destrezas y capacidades mayores que la
suma de sus partes [11]
216
trabajando coordinadamente si pueden lograrlo;
compartir información y recursos; mayor tolerancia a
fallos; y asistirse entre si para distintas tareas en
general, son otras de las ventajas que se podrían
mencionar
Al investigar en el plano de trabajos cooperativos con
manipuladores robóticos, lo primero que se puede
distinguir son dos grandes grupos en lo que a esto
refiere:
ƒ
ƒ
Tareas cooperativas entre dos o más robots
manipuladores. [2], [4], [13], [6]. (Fig.1).
Tareas cooperativas entre manipuladores
robóticos con el hombre [11], [9], [7], [15],
[16]. (Fig.2)
La diferencia notable que define a estos dos grupos
es: cuando se realizan tareas cooperativas entre
manipuladores robóticos y el hombre se debe contar
con considerables sensores externos e internos a fin
de evitar que la persona pueda sufrir algún daño
físico.
Esto es lo que se conoce como sinergia, que se
produce al trabajar en forma cooperativa el resultado
que se obtiene es considerablemente mayor que la
suma de cada una de las entidades participantes.
Figura 1: Trabajo Cooperativo robot-robot.
Las tareas cooperativas en el ámbito de la robótica en
general ya sea entre robots móviles, o robots
manipuladores, han tenido mucho crecimiento dadas
las ventajas que las mismas ofrecen, como son las de
realizar tareas que un solo robot sería imposible
realizar, esta razón es la primera y la mas obvia ya
que por ejemplo, un robot solo no puede trasladar
una viga que exceda su capacidad de carga, pero dos
En la Fig. 1 se observa dos manipuladores robóticos
trabajando coordinadamente en una celda de
desensamblado automático; mientras un manipulador
sujeta la lectora de CD el otro simultáneamente la
desatornilla para poder separar la lectora de la
carcasa externa del PC. Mediante la intervención de
dos entidades colaborando entre si, en esta
aplicación, se obtiene una reducción de los tiempos
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totales del desensamblado, y a su vez un
aprovechamiento máximo del sistema en general.
En la Fig. 2 se muestra colaborando entre si un
manipulador robótico y una persona para el traslado
de un ordenador; se aprecia como se aprovecha la
mayor capacidad de carga que poseen los
manipuladores para este tipo de tareas.
robóticos se encuentran aislados mediante un vallado
de seguridad evitando así cualquier posible
interacción con los operarios, esto se realiza de esta
forma principalmente por seguridad para los
humanos que trabajan dentro de este ambiente [3],
[10], [8]. En el presente articulo se desarrolla,
teniendo como prioridad la integridad física del ser
humano, un planificador de tareas cooperativas que
permita interactuar a los manipuladores robóticos con
los seres humanos dentro de una celda de
desensamblado.
El artículo se organiza de la siguiente forma: primero
se realiza una introducción al área de los
manipuladores cooperativos enfocándose en la
interacción humano-robot. A continuación se realiza
una descripción de la arquitectura del proceso. Y
posteriormente se desarrolla el planificador de tareas
cooperativas entre humano robot. Seguidamente se
explican las aplicaciones practican. Para finalizar con
las conclusiones y las propuestas de los trabajos
futuros.
2
ARQUITECTURA DEL
PROCESO
La arquitectura del proceso es la siguiente:
Figura 2: Trabajo cooperativo hombre- robot.
También es importante destacar que en las tareas
donde se precisa la intervención del ser humano son,
por lo general, el tipo de aplicaciones donde la
persona posee mayor sensibilidad para realizarlas;
entonces seria muy complicado remplazarlo por un
robot manipulador ya que directamente carece de
ciertas habilidades para las cuales las personas están
más dotadas. Lo que se busca entonces es que los
manipuladores se transformen en asistentes
inteligentes capaces de asistir al humano en todo tipo
de tareas, aprovechando los recursos y características
positivas y minimizando, con la colaboración entre
si, las características negativas.
Una característica muy importante a tener en cuenta
es que cuando se efectúan tareas en forma
cooperativa y coordinada existe una intersección
entre las áreas de trabajo de los manipuladores y de
las personas. Ya que se encuentran en la misma celda
de trabajo ejecutando acciones simultáneamente en
un mismo producto.
En el presente artículo se muestran las ventajas de
incluir una persona trabajando en forma cooperativa
con un manipulador robótico dentro de una celda de
desensamblado automático. Hasta la actualidad en la
mayoría de ambientes industriales los manipuladores
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Tareas a Realizar
Depósitos de
Almacenar
Planificador de
Tareas
Espacios de
Trabajo
Planificador de
Trayectorias
Control de Posición
y de Visión
Control P
Robot
Control
A-10yy
Sentencias
Persona
SCORBOT
Entorno
Figura 3: Arquitectura del proceso
La base de datos contiene toda la información de los
productos a desensamblar, el modelo geométrico, y
todos los componentes del producto que se
encuentran representados en el modelo jerárquico
[14] que es en el que se basa el planificador de tareas.
Luego al planificador cuenta con la información de la
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posición de cada depósito y la localización de las
áreas de trabajo correspondientes a las entidades que
trabajan dentro de la celda. Esta información es muy
importante para evitar colisiones entre manipulador y
hombre, (Fig. 4). Después se realiza un control de
posición y visión para determinar el correcto
funcionamiento del sistema, y se adjudican los
comandos y las sentencias a las entidades que
intervienen para lograr el correcto desensamblado del
producto.
E1
E12
E2
En este artículo se propone realizar una combinación
de los dos últimos ítems, controlando el peligro
mediante el control de visión y posición, y
otorgándole a la persona que se incluye dentro de la
celda de desensamblado una formación sobre los
peligros de trabajar coordinadamente con un
manipulador robótico. Los peligros se ven reducidos
considerablemente al realizar una planificación de
tareas adecuada. El planificador es el encargado de
determinar a quien le corresponde la ejecución de
cada acción y en que preciso momento para poder
lograr un desensamblado exitoso en el menor tiempo
posible, y lo más importante, libre de colisiones.
En [14] dado el modelo relacional de un producto se
obtiene un grafo jerárquico que representa la
estructura y los enlaces de los componentes que lo
conforman. Partiendo de este grafo se extraen las
reglas que permiten desensamblar dicho producto,
con las cuales se construyen los árboles decisión que
permiten planificar adecuadamente la tarea para que
se ejecute de forma cooperativa. Fig. 5
Figura 4: Esquema espacios de trabajo hombre-robot
Quitar
Tapa
El planificador de tareas es el encargado de
determinar la secuencia de ordenes a seguir por el
manipulador y por la persona que intervienen en la
tarea de desensamblado, buscando obtener el máximo
aprovechamiento de todos los recursos, y minimizar
el tiempo total de desensamblado de un determinado
producto.
2.1
Separa
“bola” de
“Carc. Ext.”
R1
Quitar
Tornillo 1
Planificador de tareas cooperativas
El planificador utilizado es el desarrollado en [16]
para dos o mas robots cooperando entre si. Cabe
destacar que las modificaciones que se utilizan a la
hora de introducir a una persona en la celda de
trabajo son mínimas en este bloque, como se vera
posteriormente en las aplicaciones practicas. Donde
resulta necesario incluir mayores modificaciones es,
sobre todo, en el bloque de control y posición para
que permita monitorizar los movimientos del humano
y del el o los robots incluidos en la celda.
Para disminuir el riesgo dentro de una celda de
trabajo donde interactúan robots y humanos existen
tres formas según [1]:
•
Rediseñar la celda de trabajo de manera tal
que se elimine el peligro.
•
Controlar el peligro mediante sensores
eléctricos o limites de seguridad físicos
•
Advertir y entrenar al operador humano del
peligro durante la operación con el
manipulador.
Separar
“Carc. Ext.”
de m6
Cortar
Cable
R3
Quitar
“Ejes”
R2
Quitar
“Placa CI"
Figura 5: Grafo para desensamblar un ratón de PC
Recorriendo este grafo de forma ordenada se obtiene
las reglas a aplicar para obtener un desensamblado
cooperativo del producto:
Regla 1= Quitar Tapa + Separar Bola +
Quitar Tornillo + Separar Carcaza Externa.
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Regla 2 = Cortar Cable + Quitar Placa CI.
Regla 3 = Quitar Ejes.
Luego modelando estas reglas y dependiendo del tipo
de tarea a ejecutar se construyen los árboles de
decisión que determinan el orden y la asignación de
la ejecución de las distintas acciones.
Trabajando en un ambiente cooperativo, y teniendo
en cuanta los espacios de trabajo y sus respectivas
intersecciones se definen dos tipos de tareas:
• Tareas Comunes o Conjuntas: son aquellas en las
que se requiere dos o más entidades trabajando
directamente en el mismo objeto.
• Tareas Paralelas: son aquellas en las cuales cada
entidad realiza una tarea distinta en distintos objetos
paralela y simultáneamente.
De forma general: del grafo dirigido se obtienen
reglas, éstas se dividen en tareas a realizar T, cada
tarea está formada por acciones A, a cada acción se le
asocia una herramienta H y a estas acciones se
pueden dividir a su vez en sub-acciones, lo cual
permitiría lograr diferentes niveles de granularidad
mediante la expansión de los nodos.
Teniendo en cuenta lo anteriormente descrito y para
plantear los árboles de decisión y modelar el sistema
de forma general hay que considerar los conjuntos
que se definen a continuación:
Reglas = T1 → T2 → .... → Tm
Nro. de Robots = ⎡⎣ R1 , R2 ,..., Ri ,..., R j ⎤⎦
Nro. de Personas = ⎡⎣ P1 , P2 ,..., Pi ,..., Pj ⎤⎦
Se pueden agregar acciones especiales de acuerdo a
las características de la celda. Como por ejemplo
dada la celda de trabajo que se utiliza para realizar
las aplicaciones cuenta con un intercambiador de
herramientas y una mesa giratoria que le otorga
mayor flexibilidad al sistema permitiendo mover el
producto a desensamblar al área de trabajo que
convenga. Estas dos acciones se denotan como:
- Acción de intercambiar herramientas = AInterc.
- Acción de girar la mesa = AGiro.
A cada acción se le asocia una herramienta
determinada es decir por ejemplo, para destornillar se
necesita el desatornillador, para coger cosas, la pinza
y así sucesivamente por lo que la cantidad de
herramientas con que se cuente es la misma que las
diferentes acciones que se pueden realizar. Por lo
tanto, existe un conjunto de n herramientas como n
son las acciones:
Herramientas = [ H1 , H 2 ,..., H n ]
Para tareas donde cooperan robot y humano a la hora
de planificar se debe tener en cuanta que al humano
se le asignan acciones que por sus cualidades y
habilidades este es el mas idóneo para realizar
entonces la opción de intercambiar herramienta en
este caso no se considera, ya que como es obvio las
manos que son la herramienta con que un operario
ejecuta determinada acción.
Teniendo en cuanta estos conjuntos y según el tipo de
tarea se construyen los árboles que determinan la
asignación optimas de las acciones como se planeta
en [16].Para determinar el camino optimo se asignan
pesos dentro del árbol según las características
propias de cada robot o humano que intervienen en el
proceso, y según lo que se busque optimizar.
Tipo de tarea = [Tc, Tp ]
donde: Tc: Tarea conjuntas.
Tp: Tarea paralela.
Tareas = [T1 , T2 ,..., Tm ]
las tareas se dividen en acciones.
Acciones = [ A1 , A2 ,..., An ]
cada acción se puede dividir
en sub-acciones ⇒
A1 = ⎡⎣ A11 , A12 ,..., A1 p ⎤⎦
A2 = ⎡⎣ A21 , A22 ,..., A2 q ⎤⎦
Ar = [ Ar1 , Ar 2 ,..., Ars ]
3
EJEMPLO DE APLICACIÓN
Modelando la Regla 1 del modelo relacional para un
ratón de PC (Fig.5) se obtiene:
Regla 1= Quitar Tapa + Separar Bola +
Quitar Tornillo + Separar Carcaza Externa.
Se sub-divide en dos tareas:
T1 = Quitar Bola = Quitar Tapa+Separar Bola.
T2 = Separar Carc. Externa = Quitar Tornillo+Separar Carc.
Focalizando en ejecutar la tarea uno ( T1 ), esta se
divide en dos acciones:
T1 = Sujetar ratón + Extraer bola.
donde: A1 = Coger con Pinzas
A2 = Extraer con Manos
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La A1 = A11 + A12 se sub-divide en dos acciones:
donde: A11 = Sujeto Raton
En la Fig. 7 se muestra la secuencia real para la
ejecución de la tarea uno:
A12 = Depositar Bola
La A2 = A21 + A22 se sub-divide en dos acciones:
donde: A21 = Extraer Tapa
A22 = Depositar Tapa
El árbol donde se asignan las acciones uno y dos no
se muestra aquí dado que la asignación resulta obvia
para una celda de trabajo donde solo intervienen un
manipulador robótico y una sola persona, queda claro
que: R1 → A1 al robot se asigna la acción uno.
P1 → A2 a la persona se asigna la acción dos.
Y al ser una tarea de Tipo Conjunta el área de trabajo
debe ser la intersección E12 . (Fig.4)
Para planificar la tarea uno ( T1 ) se construye el árbol
de decisión mostrado en la Fig. 6
R1 ⇔ H1 ?
NO
SI
ERROR
R1 A11
P1 = A2 ?
SI
NO
ERROR
P1 A21
P1 A22
R1 A11
FIN
Figura 6: Árbol de decisión T1 .
En la Fig. 6 se observa que se vuelve a preguntar por
la asignación para otorgarle mayor robustez al
sistema. Aquí también se aprecia como la subacción A12 correspondiente a depositar la bola no se
realiza por motivos de seguridad hasta que la acción
A22 que ejecuta la persona ha finalizado.
220
Figura 7: Secuencia real T1 .
4
CONCLUSIONES
Se plantea la interacción de manipuladores robóticos
con humanos dentro de una celda de desensamblado
automático mediante el uso del planificador de tareas
desarrollado en [16]. Se busca proveer un sistema
seguro y flexible de cooperación entre robot y
operador humano que puede convertirse en un
prometedor
camino
para
alcanzar
mayor
productividad en la industria.
Por otra parte, la inclusión de robots para asistir al
operador humano en determinadas tareas industriales,
reduciría la fatiga y aumentaría la precisión, en áreas
donde sólo el humano puede aportar experiencia,
conocimiento global y comprensión en la ejecución
de la tarea.
Se ha desarrollado un planificador de tareas
cooperativas versátil y flexible adaptable a variables
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tipos de celdas, y también para tareas cooperativas
donde cooperan robot-humano y robot- robot. Se
observa que las modificaciones que se realizan en el
bloque de la planificación de tareas para adaptarlo a
tareas cooperativas entre hombre-robot son mínimas.
[7] Hägele M., Schaaf W., Helms E., (2002)
“Robot Assistants at Manual Workplaces:
Effective Co-operation and Safety Aspects”.
Proceedings of the 33rd International
Symposium on Robotics.
Valiéndose de esto se plantea como trabajo futuro
ampliar el uso del planificador de tareas a otro tipo
de aplicaciones como pueden ser robots de servicios,
donde esta probado el gran potencial de trabajar
cooperativamente entre robots y humanos.
[8] Ikuta K and Nokata M., (2003). “Safety
evaluation method of desing and control for
human care robots”. The International Journal
of Robotics Research. Vol. 22, pp. 281-297.
Agradecimientos
Este trabajo esta financiado por el proyecto del
Ministerio de Educación y Ciencia “Diseño,
implementación y experimentación de escenarios de
manipulación inteligentes para aplicaciones de
ensamblado
y
desensamblado
automático”
(DPI2005-06222), y por el proyecto de la Generalitat
Valenciana “Desensamblado automático cooperativo
para el reciclado de productos” (GV05/003).
Referencias
[1] Burke J., Murphy R., Rogers E., Scholtz J.,
Lumelsky V., (2003). “Final Report for the
DARPA/NSF Interdisiplinary study on HumanRobot Interaction”. Transaction IEEE Systems,
Man, and Cybernetics. Part A, Vol. 34, No. 2
[2] Caccavale F., Natale C., Siciliano B., Villani L.,
(1999). “Achieving a Cooperative Behaviour in a
Dual Arm Robot System via a Modular Control
Structure. Journal of Intelligent Robotic Systems
Special issue on Humanoid Robotics and
Biorobotics Editor Jadran Lenarcic.
[3] Corke P. I. (1999). “Safety of advance robots in
human enviroments”. Proceeding of the IARP
1999.
[4] Costa Castelló R., Basañez Villaluenga L., (2004)
“Planificación de Movimientos y Control de
Fuerzas en entornos Multi-robot”. Copyright
2004 CEA-IFAC.
[5] Diaz C., Puente S., Torres F., (2006). “Task
Planner for a Cooperative Disassembly Robotic
System”. Proceeding of the 12th IFAC
Symposium on Information Control Problems in
Manufacturing.
[6] Fonseca N., Tenreiro J., (2003) “Fractional-Order
Position/Force Control of Two Cooperating
Manipulators”. Proceedings of IEEE International
Conference on Computational Cybernetics. ICCC
2003
Almería 2006 - ISBN: 84-689-9417-0
[9] Kumar R., Berkelman P., Gupta P., Barnes A.,
Jensen S., Whitcom L., Taylor H., (2000).
“Preliminary Experiments in Cooperative
Human/Robot Force Control for Robot Assisted
Microsurgical Manipulation”. Proceedings of
IEEE International Conference on Robotics and
Automation, ICRA 2000.
[10] Kulic D. and Croft E, (2005). “Safe Planning
for Human-Robot Interaction”. Journal of
Robotics System. pp. 433-436
[11] Navarro-Serment, L, R. Grabowski, C Paredis,
P Khosla, (2002). “Millibotspag”. IEEE
Robotics & Automation Magazine.Vol 9, No. 4,
pp 31-40.
[12] Rahman M., Ikeura R., Mizutani. K.,(2000)
“Control Characteristics of Two Humans in
Cooperative Task and its Application to Robot
Control”. Proceeding of the 26th Annual
Conference of the Industrial Electronics
Society, IECON 2000.
[13] Tinós R., Terra M., Bergrman M., (2002).
“Dynamic
Load-Carrying
Capacity
of
Cooperative Manipulators with Passive Joints”.
Proceeding del Congreso Brasilero de
Automática 2002.
[14] Torres, F., S. Puente, R. Aracil (2003).
Disassembly planning based on precedence
relations among assemblies. The International
Journal
of
Advanced
Manufacturing
Technology.Vol. 21. No. 5. pp. 317-327.
[15] Woern H., Laengle T.,(1998) “Cooperation
Between Human Beings and Robot Systems in
an Industrial Enviroment”. Proc. of the IEEE
Intern. Conf. on Robotics and Automation.
[16] Yokoyama K., Handa H., Isozumi T., Fukase Y.,
Kaneko K., Kanehiro F., Kawai Y., Tomita F.,
Hirukawa H.,(2003) “Cooperative Works by a
Human and a Humanoid Robot”. Proceedings
of the 2003 IEEE International Conference on
Robotics & Automation Taipei, Taiwan.
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