Enhancing human robot interaction in teleoperated tasks

Human-robot interaction (HRI) has gained growing importance over the last decades, becoming a leading topic in many research field. Robots are employed in many aspects of everyday life, from assembly lines to therapeutic tools in rehabilitation and Autistic Spectrum Disorders treatments, as well as in surgery. When Human and Robots physically interact (Physical Human-robot Interaction - pHRI), a non-verbal, implicit, form of communication takes place through the exchange of forces and torques, sometimes mediated and modified by the environment and the common shared task. In recent years, among the other applications of pHRI, teleoperation has seen a remarkable growth, thanks to the substantial advantages that it offers in dealing with hazardous or disadvantageous workspaces. In teleoperation, users control a master device, a robotic device whose movements are transmitted to a remote slave robot, which directly manipulates the task environment. Therefore, in this type of pHRI, teleoperators must successfully control the master device, whose dynamic and kinematic characteristics should allow for the most intuitive, transparent and stable interaction. Multiple studies focused on the master devices' mechanical optimization in order to obtain high dexterity (which allows teleoperators to freely manipulate the master device without being limited), large workspaces and high positional and rotational accuracy. Although successful, these works didn't take into consideration the high kinematic and dynamic variability that characterize human motor control: while performing a task, users modify the arm's joint configuration as well as muscular activations to increase task performance and achieve high stability against internal and external noise. Therefore, master devices should not only allow users to preserve these motor strategies, but also they should adapt to the changes in the arm's characteristics in order to offer an advantageous interaction dynamic. The overall goal of this thesis is to explore those aspects of the motor control that influence pHRI in teleoperation, in order to obtain insights on which are the kinematic and dynamic characteristics that allow for the most profitable interaction, as well proposing controllers able to adapt to the changes in the arm's dynamics.

Negli ultimi anni, un numero sempre maggiore di ricerche si sono concentrate sull'interazione tra umani e robot. I robot hanno permeato diversi aspetti della vita di tutti i giorni, dalle catene di montaggio, alla medicina, rivelandosi utili strumenti per la riabilitazione, per il trattamento di individui affetti da autismo, così come potenti strumenti per la chirurgia. Quando gli uomini e i robot interagiscono fisicamente, una forma di comunicazione implicita, non verbale si genera grazie allo scambio di forze e coppie, il quale può avvenire direttamente, o mediato dall'ambiente. Tra le varie applicazioni che prevedono un’interazione fisica tra umani e robot, la teleoperazione ha visto, negli ultimi anni, una notevole crescita, grazie alla possibilità che fornisce di poter operare in ambienti avversi, difficilmente raggiungibili o con sostanze pericolose. Nella teleoperazione l’utente controlla un master robot, un dispositivo robotico il cui movimento viene acquisito e trasferito allo slave robot, che, invece, interagisce direttamente con l’ambiente di lavoro. In questo tipo di interazione, colui che teleopera deve gestire le caratteristiche strutturali, cinematiche e dinamiche del master robot per poter svolgere il lavoro in maniera efficacie; dall’altra parte, il master robot, deve essere costruito in modo tale da permettere la massima trasparenza e facilità d’uso. Molte ricerche si sono focalizzate sullo studio delle caratteristiche meccaniche dei manipolatori, in modo da ottenere elevata destrezza, in modo da permettere all’operatore di svolgere attività complesse, ampi spazi di lavoro e sufficiente accuratezza. Anche se queste ricerche hanno portato a effettivi miglioramenti dei manipolatori, la grande variabilità cinematica e dinamica che caratterizza l’uomo è stata il più delle volte ignorata o non considerata. Diversi soggetti possono avere, infatti, diverse lunghezze dei segmenti articolari così come diverse forze muscolari o ancora possono scegliere diverse soluzioni per svolgere lo stesso compito. In più, duratane l’esecuzione di un lavoro manuale, le caratteristiche dinamiche del braccio di un operatore cambiano continuamente, in funzione di ciò che sta facendo, della sua velocità, del grado di familiarità con l’operazione svolta e del grado di disturbo che riceve dall’ambiente. I master robot dovrebbero quindi, prima di tutto, considerare e preservare queste strategie motorie, ma anche, se possibile, sfruttarle per creare interazioni dinamiche più vantaggiose. L’obbiettivo generale della tesi, è, dunque, quello di esplorare i diversi aspetti del controllo motorio che giocano un ruolo fondamentale nello svolgimento di attività attraverso teleoperazione, con lo scopo di ottenere informazioni e suggerimenti su quali possano essere le caratteristiche cinematiche e dinamiche che favoriscono lo svolgimento di una determinata operazione. La tesi si prefigge anche lo scopo di proporre schemi di controllo che possano apprendere e riprodurre le naturali strategie motorie umane.