Co-simulation of human-robot collaboration (COSIM-HRC) : from temporal logic to 3D Morse

Robotics applications have risen with supervisory control when industries just started to use robots. In the supervisory control, robots were an obedient servant, which were controlled by human operators. Robots were receiving signals, which were sent by human operators, and generating the applications according to those signals. Human operators were the only ones who were observing the processes and deciding in critical processes. However, robotics researchers worked on the supervisory control for many years and improved the control techniques by increasing the responsibility of the robots. Nowadays, robots are not an obedient servant. They can make critical decisions on crucial processes and work individually in a sequence with human operators without receiving any signals from them. This type of robotics applications can be defined as human-robot collaborative applications. Although it seems it has a lot of advantages such as saving time, improving quality, and high reliability of the products, these applications must be analyzed in detail in terms of safety because of the close interaction between robots and human operators. Supervisors of this project Prof. Rossi and Dr. Askarpour worked on the safety in human-robot collaboration based on formal verification. They created a tool, which converts UML models to lisp files, which are created with TRIO first order logic language and used in a model checker ZOT. According to the output results, which are acquired from ZOT, possible hazards are analyzed. On the other hand, it is decided to use co-simulation methodology, which collects several simulation results taken from coupled simulators. The aim is to integrate formal verification results into a 3D simulator and compare hazards in each. As a 3D simulator, MORSE has been chosen because it is one of the most flexible 3D simulators in terms of human control and integration with many middleware such as ROS, YARP, pocolibs, socket, etc. As a result of these, COSIM-HRC has been designed. Via a Python script, outputs, which were generated by ZOT, are read and used as inputs of MORSE. As mentioned before, hazards in both simulator ZOT and MORSE are compared by generating tasks in different case studies.

Le applicazioni robotiche nascono con il controllo supervisivo, quando nelle fabbriche si è iniziato ad usare i robot. Nel controllo supervisivo i robot sono servi ubbidienti, controllati da operatori umani. In questo caso I robot ricevono segnali inviati da operatori umani, ed eseguono operazioni sulla base di essi. Gli operatori umani sono i soli agenti che osservano il processo e prendono decisioni in momenti critici. Tuttavia, nel corso degli anni la ricerca in capo robotico ha portato a migliorare gli aspetti di controllo, aumentando i carico di responsabilità assegnato alle macchine. Oggigiorno I root non sono più servi obbedienti. Essi possono invece prendere decisioni cruciali e lavorare in collaborazione a operatori umani, senza ricevere comandi da essi. Questo tipo di applicazioni robotiche vanno sotto il nome di applicazioni “human-robot collaborative”. Tali applicazioni portano benefici in termini di risparmio di tempo, miglioramento della qualità e dell’affidabilità del prodotto, ma richiedono un’analisi accurata degli aspetti di safety a causa della stretta interazione tra uomini e robot. Il Politecnico di Milano ha nel passato sviluppato tecniche di analisi delle safety di applicazioni robotiche collaborative basate su metodi formali. In particolar modo, è stato creato un tool che converte modelli UML in formule della logica temporale TRIO, analizzate tramite il model checker ZOT. L’analisi effettuata tramite lo strumento evidenzia l’eventuale presenza di pericoli con un alto valore di rischio. In questo lavoro l’output dello strumento ZOT è stato integrati in un meccanismo di co-simulazione, in cui diversi simulatori sono eseguiti insieme. Più precisamente, l’obiettivo è di integrare i risultati dell’analisi formale in un simulatore 3D per analizzare più in dettaglio i pericoli rilevati. In particolare, si è deciso di integrare il simulatore MORSE, in quanto è uno dei simulatori più flessibili in termini di rappresentazione delle persone e integrazione con middelware come ROS, YARP, pocolibs, socket, ecc. Il risultato del lavoro è stato la creazione di COSIM-HRC, in cui l’output generato da ZOT è letto da uno script Python, che a sua volta produce l’input per MORSE. Come detto in precedenza, i pericoli evidenziati da ZOT e da MORSE sono confrontati tramite l’analisi di diversi task in diversi casi di studio.