Синтез нечіткого регулятора для адаптивної системи безпеки колоборативного робота на основі комп’ютерного зору

Abstract

Розглянуто актуальну науково-технічну проблему забезпечення функціональної безпеки в умовах тісної колаборації людини та робота на сучасних автоматизованих лініях. Дослідження проведено в контексті глобального переходу промисловості до парадигми Індустрії 5.0, що вимагає створення гнучких та людиноцентричних виробничих систем. Проаналізовано недоліки традиційних засобів захисту (фізичних бар’єрів, світлових завіс), головним з яких є жорстка бінарна логіка спрацювання. Вона ініціює повну аварійну зупинку обладнання за будь-якого порушення периметру, що призводить до розриву технологічних циклів, збільшення часу простоїв та прискореного механічного зносу приводів. Як альтернативу запропоновано метод динамічного моніторингу швидкості та розділення на основі безконтактного технічного зору. Авторами розроблено трирівневу архітектуру інтелектуальної системи безпеки. На першому (сенсорному) рівні використовується нейромережевий фреймворк MediaPipe, який обробляє відеопотік у режимі реального часу та генерує просторові 3D-координати суглобів скелета оператора. На рівні обробки даних програмний модуль розраховує мінімальну дистанцію між людиною та небезпечними вузлами робота, а також диференціює її зміну для визначення кінематики руху. Наукова новизна роботи полягає у синтезі нечіткого регулятора (Fuzzy Controller) типу Мамдані для адаптивного керування швидкістю маніпулятора, який, на відміну від наявних рішень, реалізує проактивну стратегію. Більшість відомих систем враховують виключно статичну відстань або навантаження на привід (реактивний підхід). Запропонована система використовує дві лінгвістичні змінні: «Відстань до оператора» та «Швидкість наближення». Це дозволяє контролеру діяти на випередження: система здатна заздалегідь сповільнювати робота, якщо людина наближається до зони з високим прискоренням. Такий підхід забезпечує ефективне та безпечне динамічне масштабування віртуальних робочих зон (зелена, жовта, червона). Для верифікації розробленого алгоритму проведено математичне моделювання у середовищі MATLAB з використанням пакету Fuzzy Logic Toolbox. Застосування процедури дефазифікації методом центру ваги дозволило отримати гладку поверхню відгуку. Результати порівняльного аналізу підтверджують, що синтезований нечіткий регулятор гарантує безступінчасту, плавну зміну швидкості, повністю усуваючи ефект «брязкоту» керувального сигналу на межах віртуальних бар’єрів. Практичне значення роботи полягає у можливості інтеграції запропонованої архітектури у системи керування промисловими роботами для оптимізації балансу між продуктивністю та безпекою праці.

The article addresses the pressing scientific and technical problem of ensuring functional safety in conditions of close human-robot collaboration on modern automated lines. The research is conducted in the context of the global industrial transition to the Industry 5.0 paradigm, which requires the creation of flexible and human-centric production systems. The drawbacks of traditional safety safeguards (physical barriers, light curtains) are analyzed, the main of which is the rigid binary triggering logic. It initiates a complete emergency stop of the equipment upon any perimeter breach, leading to the interruption of technological cycles, increased downtime, and accelerated mechanical wear of the actuators. As an alternative, a method of dynamic Speed and Separation Monitoring (SSM) based on contactless computer vision is proposed. The authors have developed a three-level architecture of an intelligent safety system. At the first (sensor) level, the MediaPipe neural network framework is used, which processes the video stream in real time and generates spatial 3D coordinates of the operator’s skeleton joints. At the data processing level, a software module calculates the minimum distance between the human and the hazardous parts of the robot, and also differentiates its change to determine the kinematics of movement. The scientific novelty of the work lies in the synthesis of a Mamdani-type Fuzzy Controller for adaptive control of the manipulator’s speed, which, unlike existing solutions, implements a proactive strategy. Most known systems rely solely on static distance or actuator load (a reactive approach). The proposed system utilizes two linguistic variables: "Distance to the operator" and "Approach speed". This allows the controller to act preemptively: the system is capable of slowing down the robot in advance if a person approaches the zone with high acceleration. Such an approach ensures effective and safe dynamic scaling of virtual working zones (green, yellow, red). To verify the developed algorithm, mathematical modeling was performed in the MATLAB environment using the Fuzzy Logic Toolbox package. The application of the defuzzification procedure using the Center of Gravity method made it possible to obtain a smooth response surface. The results of the comparative analysis confirm that the synthesized fuzzy controller guarantees a stepless, smooth change in speed, completely eliminating the "chattering" effect of the control signal at the boundaries of virtual barriers. The practical significance of the work lies in the possibility of integrating the proposed architecture into the control systems of industrial cobots to optimize the balance between productivity and occupational safety.