A multi-criteria optimization framework for interaction controller design for physical human-robot interaction

Yakın gelecekte ev, hastane, fabrika gibi çeşitli ortamlarda, insanların ve robotların birlikte fiziksel işbirliğine dayalı ortaklaşa işler yapması beklenmektedir. İnsanlar, üstün zihinsel yeteneklere sahip iken, robotlar dayanıklılık, konumlamadaki yüksek doğruluk ve tekrarlanabilirlik gibi konulardaki avantajlarıyla ön plana çıkarlar. Fiziksel insan-robot işbirliği sayesinde insanların ve robotların yetenekleri bir araya getiri\- lerek karmaşık görevlerin yürütülmesi sırasında hız, esneklik ve ergonomi açılarından iyileşmeler sağlanabilir. Fiziksel insan-robot işbirliği, birbirleriyle çelişen yapılarda olan yüksek şeffaflık ve yüksek güvenlik hedeflerinin aynı anda gerçekleşmesini gerektirmektedir ve bu durum araştırmacılar için zor bir denetim problemidir. Mükemmel şeffaflık pratikte erişilemez olduğu için bu hedefler arasında en iyi ödünleşime izin veren denetleyiciler tercih edilmektedir. Bu tezin ilk kısmında, fiziksel insan-robot etkileşimi için yeni bir denetleyici mimarisi olarak kesir dereceli admitans denetleyicileri öneriyoruz. Önerilen denetleyiciyi içeren sistemin kararlılık ve şeffaflık çözümlemeleri, insan da döngü içine dahil edilerek yapılmıştır. Kesir dereceli denetleyicinin değişkenlerini tam sayılı denetleyici değişkenlerine eşleştirmek için empedans eşleme yöntemi önerilmiş ve bu sayede sistemlerin gürbüz kararlılığı analitik olarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca, etkileşim başarımı, insan deneklerin katıldığı doğrusal olan ve olmayan çevrelerle temas içeren iki farklı deneysel çalışma ile incelenmiştir. Sonuçlar, fiziksel etkileşimde kesir dereceli admitans denetleyicileri kullanıldığında tam sayı dereceli olanların kullanımına göre daha fazla gürbüzlük ve şeffaflığa erişilebileceğini göstermiş, denetleyicideki kesir dereceli terimin çevre ile temas içeren etkileşim görevlerinde insanın harcadığı eforu azalttığınına dair kanıtlar sunulmuştur. Tezin ikinci kısmında, belirli bir etkileşim denetleyici yapısı için, kapalı çevrim fiziksel insan-robot etkileşim sisteminin şeffaflığını ve gürbüz kararlılığını birlikte en iyileyecek çok kriterli bir optimizasyon çerçevesi önerilmiştir. Önerdiğimiz Pareto optimizasyon çerçevesi, şeffaflık ve gürbüz kararlılık arasındaki ödünleşimi kapsamlıca inceleyip, tasarımcının ödünleşim hakkında yeterli bilgiye ulaştıktan sonra bilgiye dayalı karar vermesini sağlamaktadır. Bu yapı, gürbüz kararlılık ve şeffaflık için tanımlanmış performans ölçütlerinin (amaç fonksiyonlarınının) ayrıklaştırılmış denetleyici değişken uzayında hesaplanmasını içermektedir. Çok kriterli optimizasyon kullanılarak elde edilen Pareto cephesi eğrisi, şeffaflık ve gürbüz kararlılık arasındaki ödünleşimi tarif etmektedir. Bu ödünleşim çalışılarak, ulaşılabilecek en yüksek şeffaflık ve gürbüz kararlılığı sağlayacak denetleyici değişken kümesi bilinçli şekilde seçilebilir. Önerilen tasarım yönteminin pratik kullanımını göstermek için tam sayılı ve kesir dereceli admitans denetleyiciler örnek olarak çalışılmış, bu iki denetleyici mimarisinde yapılan tasarımlar teorik ve deneysel olarak karşılaştırılmıştır. Deneysel kıyaslamalar, esnekliği doğrusal olmayan bir çevre ile temas içeren fiziksel insan-robot ortaklaşa görevi sırasında yapılmıştır. Sonuçlar, önerilen tasarım çerçevesinin geçerliliğini doğrulamaktadır ve ayrıca, iki denetleyici sistemin gürbüz kararlılığı aynı olacak şekilde tasarlandığında, kesir dereceli admitans denetleyicinin tam sayılı olana göre daha fazla şeffaflık sağlayabileceğini ortaya koymaktadır.