A Hierarchical Stochastic Decision-Making Framework for Task Scheduling and Safety-Aware Human-Robot Collaboration

在被称为工业5.0的未来工厂中，目标是将人类与机器重新带回同一个工作空间。几十年来，自动化意味着用机器人取代人类，以处理危险或重复性的工作。现在，愿景发生了变化：人类与机器人并肩工作，将人类的适应能力和判断力与机器人的精准度和耐力结合起来。然而，共享工作空间引入了一个复杂的问题。机器人不仅需要知道零件在哪里，还需要知道人类员工的感觉如何。员工是累了？他们动作很快还是很慢？这项任务是紧急的，还是可以稍后再做？如果机器人无法读取这些微妙的信号，它可能会移动得太快导致事故，或者移动得太慢而浪费时间。工程师面临的挑战是创建一个系统，能够在保持每个人安全且高效的同时，对谁在何时以及如何进行工作做出瞬间的决策。

法赫德石油矿物大学的研究人员开发了一种解决这一问题的新方法。他们创建了一个计算机框架，该框架就像是人类-机器人团队的“双层大脑”。他们并没有试图做一个涵盖所有内容的单一、复杂的巨大决策，而是将工作分成了两个相互通信的截然不同的部分。第一部分是高层调度器。可以将它想象成一名经理，他查看任务清单，检查谁有空，并决定哪位工作人员——人类还是机器人——应该承担下一个任务。这位经理密切关注工人的“疲劳度”。如果人类一直在辛苦工作，系统就会知道在分配更多工作之前让他们休息。如果机器人运行过热，它会被告知降温。经理还会优先处理紧急任务，并弄清楚哪些任务可以同时进行而不造成瓶ing（瓶颈）。

第二部分是运行在较低层级的安全官。当经理决定“做什么”时，这个安全官决定“怎么做”。由于机器人无法完美了解人类的内部状态——例如人类是感到烦躁还是完全投入——它必须基于它所能看到的内容做出合理的推测。研究人员使用了一个观察人体运动的模型，特别是肩膀、肘部和手的位置。基于这些动作，系统会对人类的状态维持一种“信念”。如果动作表明人类处于焦躁状态或移动过快，机器人会自动增加与人类之间的距离以确保安全。如果人类很冷静，且任务需要两人近距离协作，机器人则会靠近以进行协作。这个安全层会随着观察人类的动作不断更新其猜测，从而使机器人能够对行为变化做出即时反应。

这种框架的独特之处在于这两个部分是如何连接的。在许多之前的系统中，任务规划和安全监控是分开进行的，通常互不共享信息。在这里，这两个层级通过一个充当桥梁的协调模块连接在一起。当经理分配一项任务时，他会将任务详情告知安全官。如果这是一项机器人的单人任务，安全官会保持较远距离。如果这项任务需要双方共同完成，安全官则允许他们靠近。至关重要的是，安全官也会向经理发送信息。如果人类在任务过程中变得过于疲劳，安全官会向经理发出信号，经理随后会决定停止向该人员分配工作并安排休息时间。这创造了一个闭环，即工人的安全性直接影响着工厂的进度表。

研究人员使用计算机模拟测试了这个系统，以观察它如何处理一系列十二个不同的任务。他们创建了多种场景，包括工作量从混合任务转变为主要由人类完成的任务，再到主要由机器人完成的任务，最后是需要紧密协作的任务。该系统成功管理了所有这些变化，而无需为每种新情况重新编程。它正确地优先处理了紧急任务，将任务分配给了疲劳程度最低的工人，并确保人类和机器人在疲劳水平过高时都能得到休息。模拟显示，该系统处理这些决策的速度极快。系统查找给定情境下正确决策所需的时间仅为3.082微秒。这种速度意味着系统可以几乎瞬时地对工厂的变化做出反应，其速度远快于任何人类经理计算新计划的速度。

最重要的发现之一是，该系统可以在不过度谨慎的情况下保持安全。在过去，机器人通常在人类靠近时必须停止或移动得非常缓慢，仅仅为了安全起见。这种新方法让机器人变得更加灵活。当人类独自执行一项任务时，机器人会保持距离。但当人类与机器人共同执行一项协作任务时，只要机器人的“信念”表明人类状态是安全的，系统就会允许他们靠近。模拟证实，机器人从未进入危险的碰撞状态，同时能够高效地执行协作任务。该系统还展示了它可以将工人的疲劳水平从一组任务延续到下一组任务，从而确保在上一班次结束时感到疲劳的工人不会在下一班次中过度劳累。

研究人员仔细指出，他们的结果来自计算机模拟，而非在真实工厂中由真实的机器人与真实的人类共同工作。模拟中人类的“疲劳”和“情绪”是基于人类可能如何反应的数学模型，而非基于真实人类参与者的测量。该系统使用了简化的动作视图来进行决策。虽然结果令人鼓舞，但作者表示，下一步是将该框架应用于真实的人类和真实的机器人，以观察计算机模型是否能准确反映人类的实际行为。他们计划使用传感器来实时测量心率和身体动作，以完善系统对人类状态的理解。

这项工作代表了使人机协作变得实用且安全的重要一步。通过将复杂的调度问题与实时安全问题分离，并通过一个快速的双向通信系统将它们联系起来，研究人员表明，管理一个人类与机器人作为团队工作的工厂是可能的。该系统不仅仅遵循一套僵化的规则；它会根据工人的状况和任务的紧急程度进行调整。它证明了通过正确的决策结构，机器人不仅可以强壮和精准，还可以变得体贴并能对与其共事的人做出响应。能够以微秒级做出这些决策的事实表明，此类系统可能很快就会运行未来的工厂，在最大限度提高生产力的同时保障工人的安全。