Adaptive assistance considering human factors for industrial carts

Ing. Dmitry Kochubey

Doctoral thesis

Abstract:

The research work is focused on the study of physical interaction between the human-operator and an industrial power-assisted cart (IPAC). The research goal is to improve the cooperation between human and IPAC by finding a proper mechanical design and methods of intelligent control in order to achieve a state in which the cart can recognize operator's intention and adjust its parameters for a better human-cart interaction, comfort and overall performance. In the scope of the thesis a prototype of an industrial cart was developed and equipped with a set of sensors to measure the human-cart interaction parameters. Developed industrial cart could recognize human intention by observing interaction process parameters. In the beginning of the work the analysis of the state of art was performed and the most promising control techniques were selected. We analyzed the components of the industrial cart and created the kinematic and dynamic description of the model. The developed cart has two degrees of freedom and impedance controllers were implemented to manage both of these degrees. Nevertheless, The thesis is mainly focused on human feedback and comfort. Therefore, a set of experiments was performed to estimate the effect of variable impedance parameters for the controller of transnational and rotational motions. In order to evaluate emotional feedback of the human-operator an objective pair-based questionnaire was developed. As a result, we found a relationship between independent variables such as impedance control parameters and operator's comfort experience. Using regression analysis we found out that not all the parameters of the impedance controller have a significant effect on the interaction. We also learned that the impedance parameters for comfortable interaction are different for different operators. We learned that there is a strong correlation between the mean and the standard deviation of absolute value of interaction force and cart speed and human comfort. Using the regression analysis results we implemented the reinforcement learning algorithm that could switch states of the impedance controllers according to the operator's intention. The process of cart development and the research methodology is presented in the scope of the thesis.

Abstract:

Tato výzkumná práce se zaměřuje na probádání fyzikální interakce, která vzniká mezi lidským operátorem a průmyslovým vozíkem s pohonem (IPAC). Cílem výzkumu je zlepšit spolupráci člověka a IPAC tím, že se nalezne správný mechanický design a způsob inteligentní kontroly za účelem dosažení takového stavu, ve kterém vozík umí rozpoznat záměr operátora a je schopen nastavit svoje parametry tak, aby došlo k lepší interakci vozíku s člověkem a bylo zajištěno pohodlí a celkový výkon. V rámci této disertační práce byl vyvinut prototyp průmyslového vozíku, který byl vybaven sadou senzorů na měření parametrů interakce člověka s vozíkem. Tento vyvinutý průmyslový vozík je schopen rozpoznat záměr člověka na základě sledování parametrů procesu interakce. Na začátku této práce byla provedena analýza současného stavu techniky a byly vybrány nejslibnější kontrolní techniky. Analyzovali jsme součásti průmyslového vozíku a vytvořili jsme kinematický a dynamický popis modelu. Tento vyvinutý vozík má dva stupně volnosti a byly použity regulátory impedance tak, aby ovládaly oba stupně. Přesto je však tato disertační práce hlavně zaměřena na zpětnou vazbu a pohodlí člověka. Proto byl proveden soubor experimentů s cílem odhadnout účinky parametrů proměnné impedance, co se týče regulátoru translačních a rotačních pohybů. Za účelem vyhodnocení emocionální zpětné vazby lidského operátora byl vyvinut objektivní párový dotazník. Ve výsledku jsme našli vztah mezi nezávislými proměnnými, jako jsou například parametry komfortu obsluhy. Pomocí regresivní analýzy jsme zjistili, že ne všechny parametry regulátoru impedance mají významný vliv na interakci. Také jsme zjistili, že parametry impedance pro pohodlnou interakci se liší u různých operátorů. Zjistili jsme, že existuje významná korelace mezi průměrnou a standardní odchylkou absolutní hodnoty interakční síly a rychlostí vozíku a pohodlím člověka. Pomocí výsledků regresivní analýzy jsme použili algoritmus zesíleného učení, který mohl přepínat stavy regulátorů impedance podle záměrů operátora. V rámci této diplomové práce je představen proces vývoje vozíku a metodologie výzkumu.

Keywords

Výpočet zaměřený na člověka, návrh interakce, interakce člověk-robot, umělá inteligence, regulátor impedance, regresní analýza, q-učení, hodnocení komfortu.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 11. 2020

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Petr Tůma, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Technical cybernetics