Riskreducering för människa-robot-samarbete baserad på artificiell intelligens

In human-robot collaborative (HRC) scenarios where humans and robots work together sharing the same workspace, there is a risk of potential hazard that may occur. In this work, an AI-based risk analysis solution has been developed to identify any condition that may harm a robot and its environment. The information from the risk analysis is used in a risk mitigation module to reduce the possibility of being in a hazardous situation. The goal is to develop safety for HRC scenarios using different AI algorithms and to check the possibilities of improving efficiency of the system without any compromise on the safety. This report presents risk mitigation strategies that were built on top of the robot’s control system and based on the ISO 15066 standard. Each of them used semantic information (scene graph) about the robot’s environment and changed the robot’s movement by scaling speed. The first implementation of risk mitigation strategy used Fuzzy Logic System. This system analyzed the riskiest object’s properties to adjust the speed of the robot accordingly. The second implementation used Reinforcement Learning and considered every object’s properties. Three networks (fully connected network, convolutional neural network, and hybrid network) were implemented to estimate the Qvalue function. Additionally, local and edge computation architecture wereimplemented to measure the computational performance on the real robot. Each model was evaluated by measuring the safety aspect and the performance of the robot in a simulated warehouse scenario. All risk mitigation modules were able to reduce the risk of potential hazard. The fuzzy logic system was able to increase the safety aspect with the least efficiency reduction. The reinforcement learning model had safer operation but showed a more compromised efficiency than the fuzzy logic system. Generally, the fuzzy logic system performed up to 28% faster than reinforcement learning but compromised up to 23% in terms of safety (mean risk speed value). In terms of computational performance, edge computation was performed faster than local computation. The bottleneck of the process was the scene graph generation which analyzed an image to produce information for safety analysis. It took approximately 15 seconds to run the scene graph generation on the robot’s CPU and 0.3 seconds on an edge device. The risk mitigation module can be selected depending on KPIs of the warehouse operation while the edge architecture must be implemented to achieve a realistic performance.I HRC-scenarier mellan människor och robotar där människor och robotar arbetar tillsammans och delar samma arbetsyta finns det risk för potentiell fara som kan uppstå. I detta arbete har en AI-baserad lösning för riskanalys utvecklats för att identifiera alla tillstånd som kan skada en robot och dess miljö. Informationen från riskanalys används i en riskreduceringsmodul för att minska risken för att vara i en farlig situation. Målet är att utveckla säkerhet för HRC-scenarier med olika AI-algoritmer och att kontrollera möjligheterna att förbättra systemets effektivitet utan att kompromissa med säkerheten.Denna rapport presenterar strategier för riskreducering som byggdes ovanpå robotens styrsystem och baserade på ISO 15066-standarden. Var och en av dem använder semantisk information (scendiagram) om robotens miljö och förändrar robotens rörelse genom skalning av hastighet. Den första implementetationen av riskreducerande strategi använder Fuzzy Logic System. Detta system analyserade de mest riskabla objektens egenskaper för att justera robotens hastighet i enlighet därmed. Den andra implementeringen använder förstärkningslärande och betraktade varje objekts egenskaper. Tre nätverk (fully connected network, convolutional neural network, and hybrid network) implementeras för att uppskatta Q-värde-funktionen. Dessutom implementerade vi också lokaloch edge-arkitektur för att beräkna beräkningsprestanda på den verkliga roboten. Varje modell utvärderas genom att mäta säkerhetsaspekten och robotens prestanda i ett simulerat lagerscenario. Alla riskreduceringsmoduler kunde minska risken för potentiell fara. Fuzzy logicsystem kunde öka säkerhetsaspekten med minsta effektivitetsminskning. Förstärkningsinlärningsmodellen har säkrare drift men har en mer begränsad effektivitet än det fuzzy logiska systemet. I allmänhet fungerar fuzzy logicsystem upp till 28 % snabbare än förstärkningslärande men komprometterar upp till 23 % när det gäller säkerhet (medelrisk hastighetsvärde). När det gäller beräkningsprestanda utfördes kantberäkningen snabbare än lokal beräkning. Flaskhalsen för processen var scengrafgenerering som analyserade en bild för att producera information för säkerhetsanalys. Det tog cirka 15 sekunder att köra scengrafgenerering på robotens CPU och 0,3 sekunder på en kantenhet. Modulen för riskreducering kan väljas beroende på KPI för lagerdriften medan edge-arkitekturen måste implementeras för att uppnå en realistisk prestanda