Adaptive Collision Sensitivity for Efficient and Safe Human-Robot Collaboration

تخيل أرضية مصنع حيث يتشارك ذراع آلي ثقيل وعامل بشري نفس المساحة، يتحركان حول بعضهما البعض لبناء شيء ما معاً. لعقود من الزمن، حافظت قواعد السلامة على بقاء هذين العالمين منفصلين، عادةً عبر بناء أسوار أو أقفاص حول الروبوت. ولكن مع تحسن التكنولوجيا، بدأنا نطلب من هذه الآلات العمل جنباً إلى جنب مع البشر، مزيلين الحواجز لخلق تدفقات عمل أكثر كفاءة. التحدي يكمكم في أنه عندما يعمل الروبوت والإنسان بهذا القرب، تقع الحوادث. إذا اصطدم الروبوت بشخص ما، يجب أن يتوقف فوراً لمنع الإصابة. ومع ذلك، فإن قواعد السلامة الحالية صارمة للغاية بحيث تعامل كل اصطدام بنفس الطلو، بغض النظر عن شدة الضربة الفعلية. وهذا يعني أن الروبوت قد يتوقف بسبب لمسة بسيطة غير ضارة تماماً كما لو كان اصطداماً خطيراً، مما يؤدي إلى توقف العمل باستمرار. السؤال الذي يطرحه الباحثون الآن بسيط: هل يمكننا جعل الروبوت ذكياً بما يكفي ليعرف الفرق بين دفعة بسيطة لا تضر وبين تهديد حقيقي، حتى يتمكن من مواصلة العمل دون تعريض أي شخص للخطر؟

لقد طور فريق من الباحثين في الجامعة التقنية التشيكية في براغ طريقة جديدة للإجابة على هذا السؤال. لقد ابتكروا نظاماً يسمح للروبوت التعاوني بتقرير ما إذا كان الاصطدام آمناً بما يكفي لتجاهله أو خطيراً بما يكفي للتوقف من أجله في الوقت الفعلي. وبدلاً من استخدام قاعدة واحدة جامدة توقف الآلة عند ملامستها لأي شيء، تقوم طريقتهم بحساب القوة الفعلية للارتطام في اللحظة التي يحدث فيها. وهم يفعلون ذلك من خلال النظر في مدى ثقل الجزء الذي لامس الشيء من الروبوت ومدى سرعة حركته. إذا أظهرت الحسابات أن القوة منخفضة، يستمر الروبوت في العمل. وإذا كانت القوة عالية، فإنه يتوقف. هذا النهج، الذي تم اختباره على روبوتات حقيقية وفي محاكاة حاسوبية مفصلة، يسمح للآلات بمواصلة مهامها في كثير من الأحيان، مما يعزز الإنتاجية بنحو النصف في بعض السيناريوهات مع الحفاظ في الوقت نفسه على السلامة ضمن الحدود الصارمة التي تضعها المعايير الدولية.

يعتمد جوهر هذه الطريقة الجديدة على مفهوم "الكتلة الفعالة". بعبارات بسيطة، لا يشعر كل جزء من ذراع الروبوت بنفس الطريقة عند اصطدامه بشيء ما. فالجزء الثقيل القريب من قاعدة الذراع يحمل وزناً وزخماً أكبر من الجزء الخفيف القريب من الطرف. علاوة على ذلك، فإن السرعة التي يتحرك بها جزء معين تغير قوة الاصطدام. وقد بنى الباحثون نظاماً يحسب باستمرار هذا الوزن والسرعة المحددين للجزء المعني من الروبوت الذي يلمس العائق. ويسمون هذا الحساب "الكتلة الفعالة". ومن خلال دمج هذا الرقم مع سرعة الحركة، يمكن للروبوت تقدير قوة الاصطدام حتى قبل أن ينتهي الارتطام تماماً. ويتم مقارنة هذا التقدير مقابل عتبة سلامة محددة بواسطة المعايير الدولية، والتي تحدد مقدار القوة التي يمكن لجزء من جسم الإنسان، مثل ظهر اليد، امتصاصها بأمان.

لاختبار مدى نجاح هذه الفكرة في العالم الحقيقي، أعد الفريق تجربة محكومة باستخدام ذراع روبوت سداسي المفاصل يُعرف باسم UR10e. لقد غطوا الروبوت بجلد إلكتروني خاص يعمل كمستشعر لمس حساس، قادر على الشعور بمكان الاصطدام ومدى قوة الضغط. كما قاموا بمحاكاة نوع آخر من الروبوتات، وهو KUKA LBR iiwa 7، الذي يستخدم مستشعرات داخل مفاصله للشعور بالاصطدامات بدلاً من الجلد الخارجي. تضمن بيئة الاختبار مهمة وهمية حيث كان على الروبوت التحرك بجانب عدة دلاء معلقة مليئة بالأحجار. كانت هذه الدلاء تعمل كبدائل لذراع بشرية، تتأرجح ذهاباً وإياباً لخلق أنواع مختلفة من الاصطدامات. كانت بعض الضربات سريعة ومرتدة، مثل كرة ترتد عن جدار، بينما كانت بعضها أخرى أبطأ وأكثر سحقاً، مثل يد عالقة في باب.

قارن الباحثون بين ثلاث طرق مختلفة يمكن للروبوت من خلالها التفاعل مع هذه الضربات. الطريقة الأولى هي النهج الصناعي القياسي: إذا لمس الروبوت أي شيء، يتوقف فوراً. وهي الطريقة الأكثر أماناً ولكنها الأقل كفاءة، حيث توقف العمل حتى لأصغر تلامس. الطريقة الثانية استخدمت حساباً ثابتاً يفترض وزناً ثابتاً للروبوت، بغض النظر عن الجزء الذي يصطدم بالشيء. أما الطريقة الثالثة، وهي ابتكار الفريق، فقد استخدمت حساب "الكتلة الفعالة" الديناميكي لتعديل رد فعلها بناءً على الموقف المحدد. لقد أجروا هذه الاختبارات عند سرعات مختلفة، من الحركات البطيئة إلى السريعة، وكرروا التجارب عدة مرات لضمان موثوقية النتائج.

أظهرت النتائج ميزة واضحة للطريقة التكيفية الجديدة. فعندما تحرك الروبوت بسرعة 600 مليمتر في الثانية، توقف النهج القياسي عن العمل في كل مرة يلمس فيها دلواً، واستغرق متوسط 14.5 ثانية لإكمال المهمة. ومع ذلك، سمحت الطريقة الجديدة للروبوت بمواصلة العمل خلال العديد من الاصطدامات الأخف، حيث أنهى المهمة نفسها في 8 ثوانٍ فقط. ويمثل هذا زيادة في الإنتاجية تزيد عن 45 بالمائة. وحتى عند السرعات الأبطأ، قللت الطريقة الجديدة من عدد التوقفات غير الضرورية بشكل كبير. وفي اختبارات المحاكاة مع الروبوت الثاني، كان التحسن مشابهاً، حيث أنهت الطريقة الجديدة المهام أسرع بنسبة 30 بالمائة تقريباً من النهج القياسي. وأظهرت البيانات أن الروبوت لم يكن مجرد يخمن؛ بل كان يحدد بشكل صحيح أن العديد من الاصطدامات كانت ضعيفة جداً بحيث لا تسبب ضرراً وبالتالي لا تتطلب التوقف.

كانت السلامة هي الشاغل الرئيسي، وقد أولى الباحثون عناية كبيرة لضمان عدم المساس بها. لقد تحققوا من أن حساباتهم كانت "محافظة"، مما يعني أن الروبوت يقدر القوة لتكون أعلى مما هي عليه في الواقع. وهذا يضمن أنه إذا قرر الروبوت الاستمرار في الحركة، فإن القوة الحقيقية ستكون بالتأكيد أقل من الحد الخطير. وفي الاختبارات التي قاستوا فيها القوة الفعلية لاصطدام بطيء وسحق باستخدام جهاز معتمد، كان تقدير الروبوت أعلى بكثير من الواقع المقاس. على سبيل المثال، بينما سجل الجهاز قوة تبلغ حوالي 98 نيوتن، قدر نظام الروبوت أنها تبلغ حوالي 175 نيوتن. ولأن تقدير الروبوت كان أعلى، فقد تصرف بهامش أمان، حيث توقف عندما ينبغي له التوقف، واستمر فقط عندما يكون الأمر آمناً حقاً. هذا النهج المحافظ يعني أن النظام من غير المرجح أن يسمح بمرور موقف خطير.

كما سلطت الدراسة الضوء على أهمية معرفة الجزء المحدد من الروبوت المشارك في الاصطدام. وجد الباحثون أنه إذا لم يتمكن النظام من تحديد الوصلة أو وسادة المستشعر التي تلامست بدقة، فلن يتمكن من حساب الوزن والسرعة الصحيحين، وقد يكون قرار السلامة خاطئاً. تتطلب طريقتهم عزل الاصطدام في منطقة محددة، ولهذا السبب استخدموا الجلد الحساس ومستشعرات المفاصل للحصول على بيانات موقع دقيقة. وبدون هذه الدقة، سيضطر النظام إلى افتراض السيناريو الأسوأ والتوقف بشكل متكرر، مما يفقد عملية اكتساب الكفاءة. وأشار الفريق إلى أنه بينما يعمل إعدادهم الحالي بشكل جيد في حالات الاصطدام المنفرد، فإن التعامل مع اصطدامات متعددة في وقت واحد سيتطلب تخطيطاً أكثر تعقيداً، ولكن بالنسبة للسيناريوهات النموذجية الموجودة في المصانع، حيث تكون الاصطدامات نادرة وتتضمن عادةً جزءاً واحداً من الجسم، فإن النظام فعال للغاية.

وبالنظر إلى المستقبل، يقر الباحثون بأن اختباراتهم استخدمت دلاء وأحجاراً بدلاً من متطوعين بشريين حقيقيين. ورغم أن الدلاء وفرت طريقة ثابتة وآمنة لقياس القوى، إلا أن ذراعاً بشرية حقيقية هي أكثر تعقيداً، حيث تمتلك عضلات ومفاصل يمكنها التفاعل أو الابتعاد عن الضربة. ويعتقد الباحثون أنه بما أن الذراع البشرية أكثر ليونة وقدرة على الاستجابة من دلو الأحجار، فإن القوى الفعلية التي يواجهها الإنسان ستكون على الأرجح أقل من القوة التي قاسها الروبوت في التجربة. وهذا يشير إلى أن النظام أكثر أماناً في الممارسة العملية مما أظهرته الاختبارات. ومع ذلك، فقد أشاروا أيضاً إلى أن السلامة لا تتعلق فقط بالقوة الفيزيائية؛ فالمفاجأة الناجمة عن اصطدام مفاجئ قد تكون مزعجة للعامل حتى لو لم تكن مؤلمة. وسيحتاج العمل المستقبلي إلى معالجة كيفية جعل هذه التفاعلات تبدو سلسة ويمكن التنبؤ بها للإنسان، وليس فقط آمنة جسدياً.

في نهاية المطاف، يقدم هذا البحث مساراً عملياً لمستقبل التعاون بين الإنسان والروبوت. فمن خلال الابتعاد عن قواعد السلامة الجامدة التي تنطبق على الجميع والتوجه نحو نظام يفهم فيزياء كل تفاعل محدد، يمكن للروبوتات أن تصبح شركاء أكثر قدرة في مكان العمل. وتشير النتائج إلى أننا لسنا مضطرين للاختيار بين السلامة والسرعة. فمع وجود المستشعرات الصحيحة والحسابات الذكية، يمكن للآلات أن تكون آمنة بما يكفي للعمل بجوار الناس وسريعة بما يكفي لتكون مفيدة حقاً، مما يحول أرض المصنع من مكان للفصل إلى مكان للعمل المشترك.