Human-robot collaboration for synergistic task execution

Abstract

There is great potential for human and robot to work together as a team, since this collaboration can take advantage of both human and robot capabilities, cover their weakness and yield a higher performance. We propose and implement a human-robot collaboration framework where, while the human tries to perform a task, the robot infers the human intention and assists the human in achieving the inferred goal. We explore how the human is influenced when (s)he interact with machine autonomy, and whether there is any advantage in task performance when human shares control with an autonomous agent. In particular, we investigate whether interacting with autonomy can aid humans to improve their performance in shorter time. We realized this collaboration system by designing a ball balancing task in which the goal is to move and balance the ball on a target position on a tray held by a robotic arm. The human performs the task by controlling the robotic arm with an interface which tilts the tray and moves the ball while the robot infers the target ball position by observing the trajectory of the ball, and augments the human control commands for assisting in task execution. The length of ball movement trajectory, completion time and positional error were chosen as the measures to evaluate the task performance. To assess the impact of our system on human learning and task execution a set of experiments were conducted under two conditions, human control condition where human performs the task alone and share control condition where both human and robot are involved in performing the task. 20 naive subjects were volunteered to perform the experiment in four continuous days. The result of these experiments suggests that not only the task execution can be improved in collaboration with robot compare to when the humans perform the task alone but also this collaboration system can make the human learning to progress faster.

İnsan ve robotun takım olarak çalışması ve etkileşimde bulunması büyük bir potansiyeldir, çünkü bu işbirliği hem insan hem de robot yeteneklerinden yararlanabilir, iki tarafın zayıf noktalarını giderir ve daha yüksek bir performans verir. Bu tezde insanın görevi yerine getirmeye çalışırken, robotun onun niyetini bularak hedefe ulaşmasına yardımcı olan, bir insan-robot işbirliği çerçevesi önerilmiş ve uygulamısı gösterilmiştir. İnsanın, makine özerkliği ile etkileşime girmesi durumunda nasıl etkilendiği ve insanın özerk bir ajanla olan paylaşımlı kontrolünün performansa herhangi bir avantaj sağlayıp sağlamadığı konuları çalışılmıştır. Özellikle, özerklik ile etkileşimin insanlara daha kısa sürede performanslarını artırmalarına yardımcı olup olamayacağı araştırılmıştır. Bu işbirliği sistemini, robot kolunun tuttuğu bir tepsi üzerinde topu hareket ettirerek istenilen konumda dengelemeye çalışan top dengeleme görevi tasarlayarak gerçekleştirdik. İnsan robot kolunu, tepsiyi eğen ve topu hareket ettiren bir arayüzle kontrol ederek görevi yerine getirirken, robot topun yörüngesini izleyerek insanın niyet ettiği top pozisyonunu öngörür ve görev icrasında yardımcı olmak için insan kontrol çıktısına ekleme yapar. Bu çalışmada görev performansını değerlendirmek için topun hareket yörüngesi uzunluğu, görevin tamamlanma süresi ve topun konumsal hatası seçildi. Sistemimizin insan öğrenimi ve görev icrası üzerindeki etkisini değerlendirmek için, insanların görevleri tek başına yerine getirdiği ve paylaşımlı kontrol koşullarıyla hem insan hem de robotun görevi yerine getirdiği iki koşul altında bir dizi deney gerçekleştirildi. Dört devamlı gün içinde deneyi gerçekleştirmek için 20 kişi gönüllü oldu. Bu deneylerin sonucu, yalnızca insanların, görevi tek başına gerçekleştirdiği zamana kıyasla, robot işbirliği içinde daha iyi yürütülebileceğini ve aynı zamanda bu işbirliği sisteminin insan görev öğrenimini hızlandırdığını göstermiştir.