A control strategy to improve human productivity in human-robot synchronisation

In recent years, collaborative robotics has acquired increasing importance, mainly due to the possibility for collaborative robots to directly work alongside human operators to carry out a certain task. To achieve an effective human-robot collaboration (HRC) a suitable level of coordination between the collaborative agents, namely a human and a robot, should be guaranteed. Moreover, another important goal in human-robot collaborative scenarios is to achieve a high production rate through the joint work of humans and robots. In this Thesis, to guarantee the coordination of the co-working agents, a formal architecture for human-robot synchronisation has been exploited. This architecture takes advantage of the SFC language to coordinate the actions performed by the robot during the collaborative task. To improve the human productivity during the cooperation, a novel control strategy was designed. The latter was shaped as a gain scheduler, which received as inputs some statistics related to the temporal evolution of the human performance during cooperation. Based on these statistics, the control strategy assigned a control action to the robot, which consisted in a suitable variation of the pace of interaction so as to stimulate the production rate of the human partner. The designed control strategy was tested in a real collaborative assembly task. The results of the experimental campaign have shown that the control strategy is able to enhance the production rate of the collaborative team and, at the same time, to increase the engagement of the operator during the execution of the collaborative task.

Negli ultimi anni la robotica collaborativa ha acquisito crescente importanza, principalmente grazie alla possibilità di far cooperare il robot collaborativo con l'operatore umano per portare a termine un determinato compito. Per raggiungere un'efficace collaborazione uomo-robot è necessario garantire un appropriato livello di coordinamento tra gli agenti collaborativi, ovvero tra uomo e robot. Inoltre, un altro obiettivo importante negli scenari di robotica collaborativa, è quello di raggiungere un'elevata produttività mediante il lavoro congiunto di uomo e robot. In questa Tesi, per garantire il coordinamento tra gli agenti, è stata impiegata un'architettura formale per la sincronizzazione di uomo e robot. Tale architettura si avvale del linguaggio SFC per coordinare le azioni eseguite dal robot durante il compito di assemblaggio collaborativo. Per migliorare la produttività dell'uomo durante la collaborazione, è stata progettata una strategia di controllo innovativa. Quest'ultima è stata concepita come un gain scheduler, i cui input sono delle statistiche associate all'evoluzione temporale delle prestazioni dell'operatore umano, durante la collaborazione. Sulla base di queste statistiche, questa strategia assegna un'azione di controllo al robot, che consiste in un'alterazione del ritmo di interazione tra uomo e robot, in modo tale da stimolare opportunamente la capacità produttiva dell'operatore umano. La strategia di controllo proposta è stata testata in uno scenario reale di assemblaggio collaborativo. I risultati di questi esperimenti hanno dimostrato che la suddetta strategia è in grado di migliorare la capacità produttiva del team collaborativo e, al contempo, di aumentare il coinvolgimento dell'operatore durante lo svolgimento del compito collaborativo.