Human body pose optimisation through real-time monitoring of joint compressive forces : towards an ergonomic robot collaborative framework

Versatile and easy-to-use collaborative robotic solutions, where human workers and robots share their skills, are becoming the new frontier in industrial robotics. The greatest advantage brought by collaborative robots lies in the opportunity to combine the accuracy, endurance and power of automation with the flexibility, expertise and cognitive abilities of humans. Accordingly, an evergrowing number of studies is conducted to tackle the challenges for an efficient and fluent human-robot collaboration (HRC). As humans and robots start working in a shared environment, the diversity of tasks they can accomplish together is rapidly increasing. This creates challenges and raises concerns to be addressed in terms of safety and acceptance of the robotic systems. Human beings have specific needs and expectations that have to be taken into account when designing robotic assistants. In a sense, there is a strong need for a truly ergonomic human-robot interaction. To make this combination effective a fast ergonomic evaluation is of primary importance. Therefore, this work proposes a novel technique for a real time, simplified estimation of the joint compressive reaction forces when performing collaborative task with a robot. The aim of the study is to provide an additional index for the ergonomic risk assessment and identification that may occur in industrial environments. These workplaces are intrinsically unpredictable and uncontrollable for these reasons whatever solution needs to be flexible and reproducible with a fast reconfigurability. The solution proposed makes use of cost functions that encapsulate the human needs and limits, enabling the optimisation of robot's motions and choices of actions. The efficacy of the proposed method has been evaluated both with experiments replicating real working scenarios, in various poses of the human and interaction forces profiles. The results showed that real time monitoring of the workers not only is possible but promising in improving the working conditions in human-robot interaction contexts. This work has been realised in collaboration with the "Human Robot and Physical Interaction" laboratory at "Istituto Italiano di Tecnologia" in Genova.

La collaborazione uomo-robot, in cui i due agenti non solo condividono lo spazio, ma mettono insieme le loro competenze per raggiungere un obiettivo comune è la nuova della robotica industriale. Il più grande vantaggio apportato dai robot collaborativi sta nell'opportunità di combinare la precisione, la resistenza e la potenza dell'automazione con la flessibilità, l'esperienza e le capacità cognitive degli esseri umani. Il processo innovativo è già iniziato e sono molti gli spunti di ricerca in questa direzione. La comunità scientifica e il mondo industriale si interrogano sull'applicabilità di tale sistema dal momento che sono numerose le sfide soprattutto in termini di sicurezza. Gli esseri umani, infatti, hanno esigenze e aspettative specifiche che vanno prese in considerazione durante la progettazione di interazioni robotiche. In questo senso, c'è una forte necessità di un'interazione uomo-robot che tenga conto dell'ergonomia. Per rendere efficace questa combinazione, una rapida valutazione ergonomica è di primaria importanza. Lo scopo di questo studio è quello di fornire un'analisi posturale e un'identificazione dei rischi che possono verificarsi in ambienti industriali. L'intriseca imprevedibilità e non controllabilità di questi ambienti di lavoro richiede che qualsiasi sia la soluzione prescelta si dimostri flessibile e riconfigurabile. Questa tesi propone una nuova tecnica che punta a ottenere una stima semplificata delle forze di reazione di compressione articolare quando si eseguono attività di collaborazione con un robot. Attraverso l'utilizzo di tecniche di ottimizzazione vengono minimizzati gli effetti negativi sulla postura in tempo reale per suggerire una modalità più efficace di svolgere il lavoro. L'efficacia del metodo proposto è stata valutata sperimentalmente simulando scenari di lavoro reali. I risultati mostrano che il monitoraggio in tempo reale dei lavoratori non solo è possibile ma vi sono margini per un reale miglioramento delle condizioni di lavoro in un contesto di collaborazione uomo-robot. Il seguente lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con il laboratorio di "Human Robot Interfaces and Pysical Interaction" dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova.