Human Inspired Behavioural Control for Robot-to-Human Object Handover

วิศวกรรมศาสตร์มหาบัณฑิต (วิศวกรรมเครื่องกลและเมคาทรอนิกส์), 2564Currently, robots play an increasingly important role in human life, as the robots are capable of safely performing human-robot interactive tasks. As ageing and disability societies have become a challenge social problem in Thailand and all over the world, due to the shortage of care workers. Subsequently, to enhance the quality of life of elderly and disabled people, service robots have been taken into account to support household chores, particularly passing an object to a human. Therefore, this thesis focuses on the development of robotic human-like control by initially understanding how an equivalent human-human interaction can perform object handover naturally, reliably and safely. The preliminary human-human handover (HHH) tests were carried out to acknowledge the dynamic behavioural characteristics of the human participants in HHH. The experimental findings intensively explained human handover strategies, the interactive force profiles, object handover times, transfer locations, and the mathematical model of the giver’s arm while regulating the exerted force. The understanding of HHH behavioural responses leads to the proper design of a conceptual framework for a robot control system. The substantive tests were developed, in which a Toyota Human Support Robot (HSR) was implemented based on human-like behavioural control. Additionally, the robotic impedance control, which is suitable to control the HRS’s force-position relation while interacting with the human environment, was used. The optimized impedance parameters were experimentally identified. The main results show that the performance of the robot impedance control can be considered acceptable for HHH. This allowed the HSR to successfully pass the object to the human in a safe, reliable, and timely manner.ปัจจุบันหุ่นยนต์เริ่มมีบทบาทที่สำคัญมากขึ้นต่อการดำรงชีวิตประจำวันของมนุษย์อัน เนื่องมาจากหุ่นยนต์สามารถทำงานร่วมกันกับมนุษย์ในหลายรูปแบบได้อย่างปลอดภัย อีกทั้งพบว่า สังคมผู้สูงอายุและคนพิการกลายเป็นปัญหาใหญ่ที่ส่งผลต่อประเทศไทยและทั่วโลกเนื่องจากขาด แคลนคนดูแล เพื่อยกระดับคุณภาพชีวิตของผู้สูงอายุและผู้พิการ จึงเริ่มมีการพิจารณานำหุ่นยนต์ บริการเพื่อสนับสนุนงานบ้าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการส่งสิ่งของให้แก่มนุษย์ดังนั้นวิทยานิพนธ์นี้จึง มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาการควบคุมหุ่นยนต์ โดยเริ่มต้นศึกษาการควบคุมเชิงพฤติกรรมในการ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์กับมนุษย์ที่สามารถส่งวัตถุระหว่างกันได้อย่างเป็นธรรมชาติและปลอดภัย โดยการทดสอบการส่งวัตถุระหว่างมนุษย์กับมนุษย์เบื้องต้น (Human-Human Handover : HHH) เริ่มจากการศึกษาลักษณะพฤติกรรมการส่งแบบไดนามิกของผู้เข้าร่วมการทดลองใน HHH ผลที่ได้ จากการทดลองสามารถอธิบายพฤติกรรมการส่งวัตถุของมนุษย์อย่างละเอียด, รูปแบบแรงปฎิสัมพันธ์, เวลาในการส่งมอบวัตถุ, ตำแหน่งการถ่ายโอน, และแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของแขนของผู้ส่งขณะ ส่งวัตถุ โดยผลจากการศึกษาการตอบสนองต่อพฤติกรรมของ HHH จะนำไปสู่การออกแบบกรอบ แนวคิดที่เหมาะสมสำหรับระบบควบคุมหุ่นยนต์สำหรับหุ่นยนต์ส่งของให้มนุษย์ (Human-Robot Handover : HRH) งานวิจัยนี้นำหุ่นยนต์บริการที่มีชื่อว่า Human Support Robot (HSR) ในการ ทดลอง โดยมีจุดประสงค์คือต้องการควบคุมพฤติกรรมการส่งวัตถุของหุ่นยนต์ให้มีพฤติกรรมที่ ใกล้เคียงกับมนุษย์ ด้วยการควบคุมแบบอิมพิแดนซ์ที่เหมาะสำหรับควบคุมตำแหน่งของ HSR ที่ขึ้นอยู่ กับแรงปฏิสัมพันธ์ขณะที่ปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์ ค่าพารามิเตอร์อิมพิแดนซ์ที่เหมาะสมต่อการควบคุม พฤติกรรมการส่งวัตถุของหุ่นยนต์ HSR ถูกระบุในการทดลอง โดยผลจากการทดลองและการยอมรับ จากผู้เข้าร่วมการทดลองพบว่า การควบคุมแบบอิมพิแดนซ์สามารถควบคุมให้หุ่นยนต์มีพฤติกรรมการ ส่งวัตถุที่ใกล้เคียงกับมนุษย์ได้ดังนั้นงานวิจัยนี้กล่าวได้ว่าสามารถทำให้หุ่นยนต์HSR สามารถส่งวัตถุ ให้แก่มนุษย์ได้อย่างเป็นธรรมชาติ และปลอดภั