Safety requirements for the design of collaborative robotic workstations in europe – a review

Industrial manufacturing is moving towards flexible and intelligent processes. Human-Robot Collaboration (HRC) has a pivotal role in smart factories due to a more versatile resource allocation that ultimately drives higher productivity and efficiency. The physical barriers that separate robots’ and humans’ workspaces are removed to facilitate HRC, which raises new safety concerns. To cope with this new robotics paradigm, regulatory legislation and international safety standards have been issued and are enforced for any machinery placed in factories. In this paper, we aim to shorten the gap between research projects and industry-ready robotic systems, by providing the guidelines and general requirements for collaborative robotic applications. We review the current international safety standards, certification procedures under the scope of European jurisdiction, and elaborate a literature review of papers related to safety for collaborative workstations.This work was supported by NORTE-06-3559-FSE-000018, integrated into the invitation NORTE-59-2018-41, aiming to hire highly-qualified human resources, co-financed by the Regional Operational Programme of the North 2020, thematic area of Competitiveness and Employment, through the European Social Fund (ESF)

Dyadic behavior in co-manipulation :from humans to robots

To both decrease the physical toll on a human worker, and increase a robot’s environment perception, a human-robot dyad may be used to co-manipulate a shared object. From the premise that humans are efficient working together, this work’s approach is to investigate human-human dyads co-manipulating an object. The co-manipulation is evaluated from motion capture data, surface electromyography (EMG) sensors, and custom contact sensors for qualitative performance analysis. A human-human dyadic co-manipulation experiment is designed in which every human is instructed to behave as a leader, as a follower or neither, acting as naturally as possible. The experiment data analysis revealed that humans modulate their arm mechanical impedance depending on their role during the co-manipulation. In order to emulate the human behavior during a co-manipulation task, an admittance controller with varying stiffness is presented. The desired stiffness is continuously varied based on a scalar and smooth function that assigns a degree of leadership to the robot. Furthermore, the controller is analyzed through simulations, its stability is analyzed by Lyapunov. The resulting object trajectories greatly resemble the patterns seen in the human-human dyad experiment.Para tanto diminuir o esforço físico de um humano, quanto aumentar a percepção de um ambiente por um robô, um díade humano-robô pode ser usado para co-manipulação de um objeto compartilhado. Partindo da premissa de que humanos são eficientes trabalhando juntos, a abordagem deste trabalho é a de investigar díades humano-humano co-manipulando um objeto compartilhado. A co-manipulação é avaliada a partir de dados de um sistema de captura de movimentos, sinais de eletromiografia (EMG), e de sensores de contato customizados para análise qualitativa de desempenho. Um experimento de co-manipulação com díades humano-humano foi projetado no qual cada humano é instruído a se comportar como um líder, um seguidor, ou simplesmente agir tão naturalmente quanto possível. A análise de dados do experimento revelou que os humanos modulam a rigidez mecânica do braço a depender de que tipo de comportamento eles foram designados antes da co-manipulação. Para emular o comportamento humano durante uma tarefa de co-manipulação, um controle por admitância com rigidez variável é apresentado neste trabalho. A rigidez desejada é continuamente variada com base em uma função escalar suave que define o grau de liderança do robô. Além disso, o controlador é analisado por meio de simulações, e sua estabilidade é analisada pela teoria de Lyapunov. As trajetórias resultantes do uso do controlador mostraram um padrão de comportamento muito parecido ao do experimento com díades humano-humano

Working together: a review on safe human-robot collaboration in industrial environments

After many years of rigid conventional procedures of production, industrial manufacturing is going through a process of change toward flexible and intelligent manufacturing, the so-called Industry 4.0. In this paper, human-robot collaboration has an important role in smart factories since it contributes to the achievement of higher productivity and greater efficiency. However, this evolution means breaking with the established safety procedures as the separation of workspaces between robot and human is removed. These changes are reflected in safety standards related to industrial robotics since the last decade, and have led to the development of a wide field of research focusing on the prevention of human-robot impacts and/or the minimization of related risks or their consequences. This paper presents a review of the main safety systems that have been proposed and applied in industrial robotic environments that contribute to the achievement of safe collaborative human-robot work. Additionally, a review is provided of the current regulations along with new concepts that have been introduced in them. The discussion presented in this paper includes multidisciplinary approaches, such as techniques for estimation and the evaluation of injuries in human-robot collisions, mechanical and software devices designed to minimize the consequences of human-robot impact, impact detection systems, and strategies to prevent collisions or minimize their consequences when they occur

Toward soft robots you can depend on

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Human–Robot Role Arbitration via Differential Game Theory

The industry needs controllers that allow smooth and natural physical Human-Robot Interaction (pHRI) to make production scenarios more flexible and user-friendly. Within this context, particularly interesting is Role Arbitration, which is the mechanism that assigns the role of the leader to either the human or the robot. This paper investigates Game-Theory (GT) to model pHRI, and specifically, Cooperative Game Theory (CGT) and Non-Cooperative Game Theory (NCGT) are considered. This work proposes a possible solution to the Role Arbitration problem and defines a Role Arbitration framework based on differential game theory to allow pHRI. The proposed method can allow trajectory deformation according to human will, avoiding reaching dangerous situations such as collisions with environmental features, robot joints and workspace limits, and possibly safety constraints. Three sets of experiments are proposed to evaluate different situations and compared with two other standard methods for pHRI, the Impedance Control, and the Manual Guidance. Experiments show that with our Role Arbitration method, different situations can be handled safely and smoothly with a low human effort. In particular, the performances of the IMP and MG vary according to the task. In some cases, MG performs well, and IMP does not. In some others, IMP performs excellently, and MG does not. The proposed Role Arbitration controller performs well in all the cases, showing its superiority and generality. The proposed method generally requires less force and ensures better accuracy in performing all tasks than standard controllers. Note to Practitioners—This work presents a method that allows role arbitration for physical Human-Robot Interaction, motivated by the need to adjust the role of leader/follower in a shared task according to the specific phase of the task or the knowledge of one of the two agents. This method suits applications such as object co-transportation, which requires final precise positioning but allows some trajectory deformation on the fly. It can also handle situations where the carried obstacle occludes human sight, and the robot helps the human to avoid possible environmental obstacles and position the objects at the target pose precisely. Currently, this method does not consider external contact, which is likely to arise in many situations. Future studies will investigate the modeling and detection of external contacts to include them in the interaction models this work addresses

Active Training and Assistance Device for an Individually Adaptable Strength and Coordination Training

Das Altern der Weltbevölkerung, insbesondere in der westlichen Welt, stellt die Menschheit vor eine große Herausforderung. Zu erwarten sind erhebliche Auswirkungen auf den Gesundheitssektor, der im Hinblick auf eine steigende Anzahl von Menschen mit altersbedingtem körperlichem und kognitivem Abbau und dem damit erhöhten Bedürfnis einer individuellen Versorgung vor einer großen Aufgabe steht. Insbesondere im letzten Jahrhundert wurden viele wissenschaftliche Anstrengungen unternommen, um Ursache und Entwicklung altersbedingter Erkrankungen, ihr Voranschreiten und mögliche Behandlungen, zu verstehen. Die derzeitigen Modelle zeigen, dass der entscheidende Faktor für die Entwicklung solcher Krankheiten der Mangel an sensorischen und motorischen Einflüssen ist, diese wiederum sind das Ergebnis verringerter Mobilität und immer weniger neuer Erfahrungen. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass erhöhte körperliche Aktivität einen positiven Effekt auf den Allgemeinzustand von älteren Erwachsenen mit leichten kognitiven Beeinträchtigungen und den Menschen in deren unmittelbarer Umgebung hat. Diese Arbeit zielt darauf ab, älteren Menschen die Möglichkeit zu bieten, eigenständig und sicher ein individuelles körperliches Training zu absolvieren. In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Forschung im Bereich der robotischen Bewegungsassistenten, auch Smarte Rollatoren genannt, den Fokus auf die sensorische und kognitive Unterstützung für ältere und eingeschränkte Personen gesetzt. Durch zahlreiche Bemühungen entstand eine Vielzahl von Ansätzen zur Mensch-Rollator-Interaktion, alle mit dem Ziel, Bewegung und Navigation innerhalb der Umgebung zu unterstützen. Aber trotz allem sind Trainingsmöglichkeiten zur motorischen Aktivierung mittels Smarter Rollatoren noch nicht erforscht. Im Gegensatz zu manchen Smarten Rollatoren, die den Fokus auf Rehabilitationsmöglichkeiten für eine bereits fortgeschrittene Krankheit setzen, zielt diese Arbeit darauf ab, kognitive Beeinträchtigungen in einem frühen Stadium soweit wie möglich zu verlangsamen, damit die körperliche und mentale Fitness des Nutzers so lang wie möglich aufrechterhalten bleibt. Um die Idee eines solchen Trainings zu überprüfen, wurde ein Prototyp-Gerät namens RoboTrainer-Prototyp entworfen, eine mobile Roboter-Plattform, die mit einem zusätzlichen Kraft-Momente-Sensor und einem Fahrradlenker als Eingabe-Schnittstelle ausgestattet wurde. Das Training beinhaltet vordefinierte Trainingspfade mit Markierungen am Boden, entlang derer der Nutzer das Gerät navigieren soll. Der Prototyp benutzt eine Admittanzgleichung, um seine Geschwindigkeit anhand der Eingabe des Nutzers zu berechnen. Desweiteren leitet das Gerät gezielte Regelungsaktionen bzw. Verhaltensänderungen des Roboters ein, um das Training herausfordernd zu gestalten. Die Pilotstudie, die mit zehn älteren Erwachsenen mit beginnender Demenz durchgeführt wurde, zeigte eine signifikante Steigerung ihrer Interaktionsfähigkeit mit diesem Gerät. Sie bewies ebenfalls den Nutzen von Regelungsaktionen, um die Komplexität des Trainings ständig neu anzupassen. Obwohl diese Studie die Durchführbarkeit des Trainings zeigte, waren Grundfläche und mechanische Stabilität des RoboTrainer-Prototyps suboptimal. Deswegen fokussiert sich der zweite Teil dieser Arbeit darauf, ein neues Gerät zu entwerfen, um die Nachteile des Prototyps zu beheben. Neben einer erhöhten mechanischen Stabilität, ermöglicht der RoboTrainer v2 eine Anpassung seiner Grundfläche. Dieses spezifische Merkmal der Smarten Rollatoren dient vor allem dazu, die Unterstützungsfläche für den Benutzer anzupassen. Das ermöglicht einerseits ein agiles Training mit gesunden Personen und andererseits Rehabilitations-Szenarien bei Menschen, die körperliche Unterstützung benötigen. Der Regelungsansatz für den RoboTrainer v2 erweitert den Admittanzregler des Prototypen durch drei adaptive Strategien. Die erste ist die Anpassung der Sensitivität an die Eingabe des Nutzers, abhängig von der Stabilität des Nutzer-Rollater-Systems, welche Schwankungen verhindert, die dann passieren können, wenn die Hände des Nutzers versteifen. Die zweite Anpassung beinhaltet eine neuartige nicht-lineare, geschwindigkeits-basierende Änderung der Admittanz-Parameter, um die Wendigkeit des Rollators zu erhöhen. Die dritte Anpassung erfolgt vor dem eigentlichen Training in einem Parametrierungsprozess, wo nutzereigene Interaktionskräfte gemessen werden, um individuelle Reglerkonstanten fein abzustimmen und zu berechnen. Die Regelungsaktionen sind Verhaltensänderungen des Gerätes, die als Bausteine für unterstützende und herausfordernde Trainingseinheiten mit dem RoboTrainer dienen. Sie nutzen das virtuelle Kraft-Feld-Konzept, um die Bewegung des Gerätes in der Trainingsumgebung zu beeinflussen. Die Bewegung des RoboTrainers wird in der Gesamtumgebung durch globale oder, in bestimmten Teilbereichen, durch räumliche Aktionen beeinflusst. Die Regelungsaktionen erhalten die Absicht des Nutzers aufrecht, in dem sie eine unabhängige Admittanzdynamik implementieren, um deren Einfluss auf die Geschwindigkeit des RoboTrainers zu berechnen. Dies ermöglicht die entscheidende Trennung von Reglerzuständen, um während des Trainings passive und sichere Interaktionen mit dem Gerät zu erreichen. Die oben genannten Beiträge wurden getrennt ausgewertet und in zwei Studien mit jeweils 22 bzw. 13 jungen, gesunden Erwachsenen untersucht. Diese Studien ermöglichen einen umfassenden Einblick in die Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Funktionalitäten und deren Einfluss auf die Nutzer. Sie bestätigen den gesamten Ansatz, sowie die gemachten Vermutungen im Hinblick auf die Gestaltung einzelner Teile dieser Arbeit. Die Einzelergebnisse dieser Arbeit resultieren in einem neuartigen Forschungsgerät für physische Mensch-Roboter-Interaktionen während des Trainings mit Erwachsenen. Zukünftige Forschungen mit dem RoboTrainer ebnen den Weg für Smarte Rollatoren als Hilfe für die Gesellschaft im Hinblick auf den bevorstehenden demographischen Wandel

Development of a methodology for the human-robot interaction based on vision systems for collaborative robotics

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen