Using virtual reality to test human-robot interaction during a collaborative task

The widespread use of collaborative robot in industry provides a new form of interaction between human and robot. Robot can collaborate with human to accomplish the tasks in a shared common workplace instead of being locked in an isolated environment. In order to be efficient, the human-robot collaboration needs to be properly designed by also considering the operator’s psychophysiological reactions. Virtual Reality can be used as a tool to simulate human-robot collaboration in a safe and cheap way. Here, we present a virtual collaborative platform in which the human operator and a simulated robot coordinate their actions to accomplish a simple assembly task. For the purpose of verifying the reliability of the platform and finding the factors that affect the efficiency, we conducted two experiments. We assess the effect of velocity and trajectory on the human’s responses. The robot arm moved slowly or more quickly in both mechanical and natural ways. The trajectories of the mechanical way are generated automatically by code, while the trajectories of the nature way are generated by recording the real human’s motion. Subjects tested this application by using an Oculus Rift head-mounted display; ARTracking cameras and a Kinect (removed in the second prototype testing) were used to track the operator's right arm movements and hand gestures respectively. Performance, user experience, and physiological responses were recorded. The results showed that no differences between fast and slow conditions were found in the physiological responses. And human might feel more confident to make more actions when the robot moves in a more natural way.

L'uso ormai diffuso del robot collaborativo nel campo industriale ha permesso di sfruttare una nuova forma di interazione tra uomo e robot. Un robot può collaborare con l'uomo allo svolgimento di compiti in un posto di lavoro condiviso, invece di essere tenuto in un ambiente isolato. Per essere efficiente, la collaborazione uomo-robot deve essere adeguatamente progettata tenendo in considerazione anche le reazioni psicofisiologiche dell'operatore. Inoltre la realtà virtuale può essere utilizzata come strumento per simulare la collaborazione uomo-robot in modo sicuro ed economico. In questa tesi viene presentata una piattaforma collaborativa in realtà virtuale in cui l'operatore umano e un robot coordinano le loro azioni per realizzare un elementare compito di assemblaggio. Al fine di verificare l'affidabilità della piattaforma e individuare i fattori che influiscono sull'efficienza della performance, sono stati condotti due esperimenti. In particolare, è stato valutato l'effetto della velocità e della traiettoria sulle risposte dell'operatore. A questo scopo il braccio robotico si muoveva lentamente o più rapidamente, oltre che in modo meccanico o più naturale. Le traiettorie del movimento meccanico sono state generate tramite uno script, mentre le traiettorie del movimento naturale sono state generate registrando il movimento di alcune persone. I partecipanti agli esperimenti hanno testato questa applicazione utilizzando un visore Oculus Rift, mentre per monitorare i movimenti del braccio destro dell'operatore e i gesti delle mani sono state utilizzate rispettivamente un sistema ARTracking e uno Kinect (rimosso nel secondo test del prototipo). Durante il test sono state misurate le prestazioni, l'esperienza dell'utente e le risposte fisiologiche. I risultati non hanno mostrato differenze tra condizioni veloci e lente in termini di risposte fisiologiche. Tuttavia sembra che l'operatore effettui più azioni e si senta più rilassato quando il robot si muove in modo più naturale.