Сбалансированная работа: оптимизация поз человека при совместной работе с роботами

Автор: Денис Аветисян

Новый подход к снижению мышечного напряжения и повышению эффективности при совместном перемещении объектов человеком и роботом.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"

Эргономичная оптимизация поз верхней конечности и обеспечение манипулятивности в задачах совместной переноски человеком и роботом позволяют достичь эффективного взаимодействия, учитывающего как физиологические ограничения, так и функциональные возможности обеих систем.

В статье представлена методика оптимизации поз верхних конечностей при двуручном взаимодействии человека и робота, объединяющая принципы эргономики и требования к манипулируемости.

Несмотря на растущую популярность коллаборативной робототехники, оптимизация эргономики и эффективности манипулирования при совместном переносе объектов человеком и роботом часто рассматривается изолированно. В данной работе, ‘Integrating Ergonomics and Manipulability for Upper Limb Postural Optimization in Bimanual Human-Robot Collaboration’, предложен новый метод, интегрирующий эти аспекты для снижения мышечного напряжения и повышения производительности. Оптимизация углов скелета человека и генерация траекторий для робота позволяют достичь более безопасного и эффективного взаимодействия. Может ли предложенный подход стать основой для создания более интуитивных и эргономичных систем совместной работы человека и робота в различных производственных сценариях?

Адаптация в Совместном Пространстве: Вызов Человеко-Роботного Взаимодействия

Традиционная промышленная робототехника часто демонстрирует недостаточную адаптивность для эффективного взаимодействия с человеком, особенно в задачах, требующих совместного рабочего пространства. Ограничения связаны с неспособностью учитывать динамические изменения в поведении человека и быстро реагировать на непредвиденные ситуации. Успешная командная работа человека и робота требует способности робота понимать и учитывать паттерны движения и ограничения человека, прогнозируя его намерения и адаптируясь к скорости и силе, обеспечивая безопасность взаимодействия. Разработка таких систем — сложная задача, требующая интеграции робототехники, компьютерного зрения, машинного обучения и эргономики, а также глубокого понимания человеческого фактора.

Предлагаемая совместная платформа для совместной переноски грузов человеком и роботом использует упрощенную кинематическую модель верхней конечности человека для расчета углов суставов, а также метод оптимизации для улучшения человеческой позы с учетом эргономики и манипулируемости, генерируя желаемые позы для исполнительного механизма робота и применяя MPIC для управления роботом CURI при выполнении запланированных траекторий.

Манипулируемость: Ключ к Работоспособности и Силе Робота

Показатель манипулируемости — ключевая метрика оценки рабочих возможностей робота. Он определяет диапазон положений и ориентаций инструмента на конце манипулятора. Развитие концепции привело к понятию манипулируемости по силе, оценивающему способность робота прилагать усилие в различных направлениях, что важно для совместных задач и взаимодействия с внешней средой. Точная модель кинематики верхней конечности человека необходима для эффективного использования этих метрик и разработки безопасных систем взаимодействия.

Упрощенная модель правой верхней конечности человека и эллипсоид манипулируемости силы, а также примеры оценки эргономики REBA с учетом суставов верхней конечности (сгибание/разгибание плеча и локтя) демонстрируют взаимосвязь между структурой конечности и ее способностью к манипулированию.

Захват Движения: Цифровое Воплощение Человеческой Биомеханики

Система захвата движения обеспечивает технологическую базу для регистрации движений человека и детального анализа биомеханики, позволяя строить и уточнять кинематические модели верхней конечности. Интеграция этих моделей с оптимизацией осанки позволяет разрабатывать совместные задачи, минимизирующие нагрузку на человека и максимизирующие эффективность. Экспериментальные исследования показали, что данный подход снижает активацию мышц человека до 61.3% при совместной переноске грузов.

Экспериментальная валидация, проведенная в ходе совместной переноски грузов людьми, включала сбор данных об исходной позе с помощью системы захвата движения, оптимизацию позы для улучшения эргономики, имитацию оптимизированной позы испытуемым и анализ активации целевых мышц до и после оптимизации в течение 5 секунд, при этом пять демонстраций проводились с боковым столом (A-C), деревянным экраном (D) и логистической коробкой (E).

Гармония в Движении: Обеспечение Бесшовной Координации Человека и Робота

Эффективная двурукая координация — ключ к выполнению сложных совместных задач, требующий от роботов предвидения и реакции на движения человека. Оптимизация манипулируемости робота и точное моделирование кинематики человека позволяют создавать системы, обеспечивающие естественное и интуитивно понятное взаимодействие, снижая мышечную активность человека в процессе совместной работы до 41.7% по сравнению с взаимодействием между двумя людьми. Это приводит к созданию более безопасных, эффективных и эргономичных сценариев совместной работы, снижая усилия и нагрузку на человека на 17.0–39.2%.

В ходе реальных экспериментов по совместной переноске грузов человеком и роботом с использованием нескольких объектов и испытуемых, система Optitrack и жесткие тела использовались для захвата движения человека, робота и объектов, а датчики ЭМГ – для записи активации мышц, при этом снимки экспериментов демонстрируют, как три испытуемых совместно переносят логистическую коробку (I.A-III.A), боковой стол (I.B-II.B) и угловой стол (III.C) с помощью коллаборативного робота из различных исходных поз.

Каждый совместный акт — это диалог между настоящим и будущим, где системы, работающие в гармонии, не просто выполняют задачи, но и продлевают свою полезную жизнь.

Представленное исследование, посвященное оптимизации поз человека при совместной работе с роботами, демонстрирует закономерную эволюцию систем взаимодействия. Как отмечал Роберт Тарьян: «Алгоритмы, как и люди, нуждаются в постоянной адаптации, чтобы выжить в меняющемся окружении.» Именно адаптация к эргономическим требованиям и манипулятивной гибкости позволяет снизить мышечное напряжение и повысить эффективность совместного переноса объектов. Работа подчеркивает, что стабильность системы – в данном случае, комфортная и эффективная работа человека и робота – не является абсолютной, а представляет собой динамический баланс, требующий постоянной корректировки в ответ на внешние факторы и изменения в условиях задачи. Подобно тому, как алгоритм оптимизируется для достижения наилучшего результата, так и система взаимодействия человека и робота нуждается в непрерывной адаптации, чтобы противостоять неизбежному течению времени и обеспечить долгосрочную эффективность.

Что впереди?

Представленная работа, как и любая попытка удержать систему в состоянии равновесия, лишь временно отсрочила неизбежное. Оптимизация по критериям эргономики и манипулируемости – это поиск наименее болезненного пути к энтропии. Уменьшение мышечного напряжения сегодня – это лишь отложенная усталость завтра. Стабильность – это иллюзия, кэшированная временем, и любое ко-перемещение с роботом – это временное состояние, ограниченное ресурсами человеческой системы.

Необходимо признать, что текущий подход, фокусирующийся на оптимизации отдельных моментов ко-перемещения, игнорирует более широкую проблему адаптации человеческой системы к долгосрочному взаимодействию с роботами. Задержка – это налог, который платит каждый запрос, и оптимизация лишь снижает ставку, но не отменяет её. Будущие исследования должны быть направлены на разработку систем, способных предвидеть и компенсировать неизбежные отклонения от идеального состояния, а не просто реагировать на них.

Представляется перспективным отказ от поиска “оптимальной” позы в пользу разработки систем, способных динамически адаптироваться к изменяющимся условиям и ресурсам оператора. Все системы стареют — вопрос лишь в том, делают ли они это достойно. Изучение механизмов саморегуляции и восстановления человеческой системы, а также интеграция этих знаний в алгоритмы управления роботами, представляется более плодотворной задачей, чем дальнейшая оптимизация существующих параметров.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.04009.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-08 19:48