Intuitive robot programming and physical human-robot interaction

Abstract

Recent trends in the manufacturing industry require more flexible and customizable production sites to satisfy the demand for an increasing product diversity. To cope with this shift, manufacturing companies increasingly apply collaborative robots, since they are more versatile and are easier to adjust to new tasks compared to traditional industrial robots. Collaborative robots especially offer opportunities for small- to mediumsized enterprises, because they are designed for direct human-robot interaction and thus programmable without the need for highly sophisticated programming skills. Nevertheless, the development of intuitive interaction modes is still an active field of research to which the presented work contributes.In this work, two novel user interaction modes for human-robot collaboration (HRC) are introduced, called Path Snap-In and Path Switch. These modes are based on pathfollowing control and address multitask scenarios. The human operator decides online which task to perform by physically interacting with the robot.During Path Snap-In, the robot can snap in and out of the tasks by pushing it towards or away from predefined paths. This is achieved by simultaneously computing multiple path-following controllers and weighting their individual control output with a distancedependent weighting factor. The so-called Orientation Snap is introduced as a special case of Path Snap-In, in which only the orientation of the end-effector snaps in and out of predefined directions while the robot is freely movable otherwise.During Path Switch, the robot is always controlled by one active path-following controller. The operator may change the active task by pushing the robot towards the path of the desired task. An underlying belief system estimates the human intent by accumulating the externally applied force. Once a desired task change is detected, an online trajectory generator generates a trajectory to transition to the new path.The presented concepts are validated in a collaborative drilling scenario on an experimental setup with the Kuka LBR iiwa 14 R820.

Jüngste Trends in der Fertigungsindustrie erfordern flexible und anpassbare Produktionsstätten, um der Nachfrage nach einer zunehmenden Produktvielfalt nachzukommen. Um diesen Wandel zu bewältigen, setzen Fertigungsunternehmen vermehrt kollaborative Roboter ein, da diese im Vergleich zu traditionellen Industrierobotern vielseitiger sind und sich einfacher an neue Aufgaben anpassen lassen. Kollaborative Roboter bieten vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen neue Möglichkeiten, da sie speziell für die Interaktion zwischen Mensch und Roboter konzipiert sind und daher ohne anspruchsvolle Programmierkenntnisse in Betrieb genommen werden können. Die Entwicklung von intuitiven Interaktionsmodi ist ein aktives Forschungsgebiet, zu welchem diese Arbeit einen Beitrag leistet.In dieser Arbeit werden zwei neue Benutzerinteraktionsmodi für die Mensch-Roboter Kollaboration (HRC) vorgestellt, Path Snap-In und Path Switch genannt. Diese basieren auf der Pfadfolgeregelung und behandeln Szenarien mit mehreren Aufgaben und zugehörigen Pfaden. Die Bediener_in entscheidet während der Ausführung durch physische Interaktion mit dem Roboter, welche Aufgabe ausgeführt werden soll. Während des Path Snap-In kann der Roboter auf bestimmten Pfaden einrasten oder sich davon lösen, indem er zu den Pfaden hin- oder weggedrückt wird. Dies wird durch eine simultane Berechnung von mehreren Pfadfolgereglern erreicht, dessen Stellgrößen über distanzabhängige Gewichtungsfaktoren gewichtet werden. Als spezieller Fall des Path Snap-In wird ein sogenannter Orientation Snap eingeführt, bei welchem nur die Orientierung des Endeffektors in vordefinierte Richtungen einrastet bzw. sich davon löst, während der Roboter ansonsten frei beweglich bleibt. Während des Path Switch wird der Roboter immer durch einen aktiven Pfadfolgeregler geregelt. Die Bediener_in kann die aktive Aufgabe ändern, indem der Roboter in Richtung des Pfades der gewünschten Aufgabe gedrückt wird. Ein zugrundeliegendes Belief-System schätzt die menschliche Absicht durch Akkumulation der extern eingebrachten Kraft. Sobald ein gewünschter Wechsel der Aufgabe erkannt wird, generiert ein Online-Trajektoriengenerator eine Trajektorie für den Übergang zum neuen Pfad. Die vorgestellten Konzepte werden in einer kollaborativen Bohranwendung an einem experimentellen Aufbau mit dem Kuka LBR iiwa 14 R820 validiert.