機器人在人機交互過程中的安全性研究進展

1、機8人在人機交互過程中的安全性研究進履h.i.i*v* i* ”，立,immmim*msn尸/ 4tiuienutrftaa i0tot. wm4 .1 ， *.tan atm ah mas/r|r*sms *c0%，公的?！?.iulx， muia.naljft9m rbk.m9x. /4金h外金，衾3vmtrh&ehr tl-nuaf wml. 4 r.*立，e(1 krif vka 人mt”人 ，.,* hi ros府.，、a，5 ，ns”ftr 憒ffl，x-3？at.) ，人惠r 基(a. rw 人設i 4m-*rmfvrnuv” mhisg.檢，* *，x”w4,x, 2 /* 人

2、”， i fiert#.mimrthteikrir , uqmakia，a 一停史4，”人 ,i*u itu|wf 3a aeabo4mhb * ，翕“i$ 伊伸nmkfkaak hblillalt ”禽臨，.c4y.，l ajbmixr.uxa e勉.ulm人，人x( mtfi 1 ”aaw0，e，i .,ta i ， re” mmhm.*、 ，q , 工 4 1 r人ji*4rn 卜富 0e hua4k aam afiamv m in kaum .mim .矍i田陷(廣幻0 d ，-l 0raa. v*mn”9tmm nrtiia (amt alt rk， m，q山，ma 令ami】 時工

3、112 mikic 青帆人嶺筌31m44，tlf尸品偽 戶!！ -q，金上t 、 arm 4fbki fvmurm*.，/修“ .n， tm4l v , atl . mei.? ms”* 城，,9*， 9r 、， -a 2r9) *r。/amh4amam.4 smr汴u*n iint，金 twemi*，幡(x、人 5uuomifiv”j -i 0 evjmbamk4mmmiw ！ iiimviftmcwaaniit am i8t kait2ab 勒修，)1 電幅 h*uiri -m餐hlhw * iw ,u 口 14v it y ji。町耐哀 *.rii.hvt， ftridim ifh *

4、號m *.、t 譽1 i 常，441-e i 2 0 .d rb w 忖 豈明門 h fl if t ilfl 目 *, brrltt riii h * 4. h mfe- la 嗎雅季事的11|什用hi7h|eltjbrjj機上朝曷*片斷-，人*iiv twr i j .4md li miu ka風*國a i ：halt，*，wl章重 即-tm *iu. u -p uime 11 - mh h jtpcvhn ，ll：h a唯i；.禹航1，巖島坪1je 讓*式1411)1 * 叫寫，.*1厘工月，|，胃。*岬fl i*i理1g*rr 我4.|ji也*/ 晶fui ，斷.i*也司 hahtt

5、電 hi*/1 attfltdlllbil*!*,圖41喟 -11周，114.島11- ，白盤黯勺unriiamivn-4- *4島才 |！1尊.*i。呂！ |部dhli 0*3 . 1.fi* *1. ifi plh|j ainhvh jushb h &, 1.1 4n , h -ptfi 小 ；e 而 1， 4 .! km f krm4 m 西國那財, tfijifrtmb * n* ibi.rra sl! * y , .l?imi *n良*參*wv串4j.vkna va-gha. q.i. 由例. a lm i! * fc lllltl ji h d*r*jnll- ”拿丫埼“足一11

6、h唯hj-4v61*)1 irm|i4.平 聲的看.4 /a!14 * 1* a ri * ，標 餐th . t i wne/lf 本中寸.*4*h f ! ml . ,，啟電 j，,rlr胄=口 ” y手修星上， .haatjllrikieltl-mmkkm. r. fat jlmmtnh /n -ii-bh .unmb4 * */； / 4 八* le-ft-illl * 31 fa hl 1 thi 1 ith f m* in - 金trl rtla * 1 lu a.1i1m j i 1 ，-i t i 1-4 iiji it i im r rt r t hi tr i； a 451

7、hrtm 今 p 3i i tl1. rilll 1. l s- - rmn hsj( b. lim v* 11 gw近2 aokudlhill3hbb4 a. rln/叱 ”號個中 4rli -ir用杯 urlt *44hr 4*14. it 4 m n tthi 11 ju,4 flsaii * “口1(1 桁蠢 i*! h*-iejftm a 用 gb 、地， 3 . if 嗯 /m-mh, mlpa .iariifefflt hr & m all lljfidi.mb nwnfjin .3 i-rta廂 一 -ar ruitltjfcrlfi alt *!t 1111 if h4 事.

8、mh i 4f *iflt tl-illse if *的 14 f 1#ila.ilpllm i- a itk|h.fl!irtjliri 4,ra 1, f| n pk|i fe.l4lil|i? i *金&冏1* y, 同晌博|lh mffima m111a 向布 am * 立ihtlfc ffchinum .巾 i it* * bda. u- 事1 , !( +*n *l * 應里 由 嗤 i 用/huilllueihfe frm.flikfribv e帖m, hjeikha i.tv*噌1:i jsh. t* a 婦小) 袁雌、 11 4 周r.君fl- f i 4rff b|l*m

9、i-州 frit 餐品 ilu-v 4 * w iri 142行iwm.wlitmrriffl rt ,與脾 x c l ； f| 第 . h lj 1 ，山 lilli .*蜀力僧苴”. r, (rumk*ab. a - mi av4 h jf- t-hmif tkbirvlric甲打野 .,囪，l安 1*血皿*5無口 h k.b it ti a * + il ew上 hrh*%, li l&ia a_4h.b a. *n r-lr 也靠 ( tilit tfili vfl n-a ai|府jt 4*主i 3 r w，*84中國安全科學china safety science 報journa

10、l第21卷2011年性有 直接關系，見式(5) o因此增加接觸面彈性(降)低接觸剛度也成為提高機器人安全性的重要措施 之一。增加接觸面彈性的直接方法是在機器人連桿上包裹一層黏彈性材料(vec , viscoelastic covering) 44 45,該包裹物與 人體接觸時的物理模型可以簡化為并聯(lián)的彈簧阻尼陣子可以進一步得到接觸力為 f ( t)=兀x el y el g ( 2 3 46 時和之后，機器人仍處于位置控制模式，人與機器人。，之間的作用力是不可控的因此關節(jié)柔順設計可但不能徹底解決安 全性問題。黏彈以提高安全性，性包裹材料作為事后控制的另一種手段，也可以有效降低沖擊力和傷害程度，

11、但單純依靠黏彈性材料必須配合其他方也是無法從 根本上得到安全保障，法才能取得更好的效果。所有這些提高機器人安全性的方法目前還停留在理論研究與試驗驗證階段，實際應用的案例少之又少。因此，機器人安全性問題遠沒有從根本上解決，特別是對于高速大功率機器人，要實現人機共處或人機交互條件下人的安全性是非常困難的。困難主要在于3個方面：安全性評價問題，即現有安全性指標計算結果是否真正反應實際的危險程度或者 傷害程度，目前不論是危險指數還是頭部傷害指數均為經驗性算法，有進一步完善的空間。安全性計算的實時性問題，撞擊是瞬時性的，在即將撞擊或撞并 作出進一步 擊過程中需要實時計算安全性指標，判斷，對實時性提出了極

12、高的要求。（潛在）撞擊能量的主動控制問題， 具有一定慣量和速度的剛體 要在瞬 時停止或反向，需要實時對機器人能量作出 對機器人系統(tǒng)是巨大的考驗。有力調控，,如圖7所示。由此 1 m + gm vc t vcqm + z z el el k 7）式中：x el為人體與黏彈性材料接觸橢圓區(qū)域的長軸 m; y el為人體與黏彈性材料接觸橢 圓區(qū)域的 直徑，m； z el為人體與黏彈性材料接觸橢圓區(qū) 短軸直徑，m； v c為 撞擊時機器人的速度，m / s；域的深度，g m為黏彈性材料的彈性模量， pa；4mfe黏彈性材pas。料的黏性系數，黏彈性材料不僅可以大幅降低撞擊時 的接觸力f （ t）,而且

13、由于黏彈性材料與人體接觸面積變大，傷害程度會進一步降低。因此，只要選擇合適參數 的包裹材料，就可以有效提高撞擊時人的安全 性。但僅靠黏彈性材料并不能完全保障人的安全性，還需要采取進一步控制措 施使撞擊接觸力限制在一定 13 范圍內。7結論1 ）機器人安全性問題不能 僅停留在一種控制算法或者一種驅動設計上，而應綜合考慮并貫穿于機器人設計 的每個環(huán)節(jié)。2 ）應把事前與事后控制方法相結合，或者多種事前控制簡化危險 指數的算事后控制方法相結合， 圖7 fig. 7 vec緩沖模型法，事后控制可以引 入力控制方法，通過力的主動控 對于限制撞擊時的沖擊力以 制快速調控連桿能 量，及可能的多次撞擊應該是一種

14、更有效的方法。3 ）安全性是人機交互作業(yè)最本質的要求，除了采取軟硬件措施確保機器人安全性的客觀屬性外，還需要進 一步研究人與機器人交互過程中人的感 受、心理等主觀屬性，以便于更加客觀準 確的評估安 全性問題。機器人安全性涉及人工智能、 信息處理、先進控制等多 學科理論與技術，需要重新審視安全性在機 器人設計基礎理論研究方面提出的新 挑戰(zhàn)。安全性是機器人進入家庭、 辦公場所與人共處，以及人機交互作業(yè)所必 須具備的本質屬性，沒有安全性，一切都無從談起。鑒于此，有關機器人安全性 的研究，特別是在安全性評估和機器人設計與控制方面還需要做 vec buffering model 5機器人安全性面臨的實際

15、問題現有事前控制方法基于危險指數進行路徑規(guī) 劃和安全控制，盡管理論設計比較完善， 但實時性要求 高，且需要大量的人機 交互信息作支撐，實用性受到較大限制。關節(jié)柔順設計作為主要的事后控制手段，能夠顯著提高機器人的安全性，出現了形式多樣 的柔順設計方法。關節(jié)柔順設計的出發(fā)點是通過降 低電機轉子慣量到連桿的耦合作用來提高安全性的，而連桿本身(也包括負載)的慣量和所具有的能 量，關節(jié)柔順設計卻無法控制。而且在撞擊發(fā)生之第11期吳海彬等：機器人在人機交互過程中的安全性研究進展85大量基礎性的研究工作，并不斷推進安全性設計理。美國、韓國等國家在 論和方法的 發(fā)展與完善日本、這一領域已經取得相當的進展，隨著

16、機器人技術的 機器人安全性研究 發(fā)展以及生產生活的實際需要，。已經越來越迫切 我國在這方面的研究尚 未引起足夠重視，希望今后能夠加強這一領域的研究工作。參考文獻1jeongmin lee, bumseok park, yongseok lee, et al. the development of 6 d. o. f. robot manipulator with humanfriendly design a . ieee / asme international conference on advanced intelligent mechatronics c . switzerland, 2

17、007 : 1 6. iso10218 1992. manipulating industrial robots safetys . hunok lim , masahiko sunagawa naoki takeuchi. development of humanfriendly robot with collision force suppression mechanism a . icrossice international joint conference c . japan, 2009 : 5 712 5 716. ashish dutta, goro obinata. imped

18、ance control of a robotic gripper for cooperation with humans j . control engineering 2002 , 10 ( 10 ) : 379 389. practice, s. haddadin, a. albllsch ftct, g. hirzinger. requirements for safe robots measurements analysis and new insights j . 2009, 28 ( 8) : 1 21. international journal of robotics res

19、earch m . h. raibert,j. j. craig. hybrid position / force control of manipulators j . asme journal of dynamic systems, measurement and control, 1981 , 103 ( 6 ) : 126 133. sinan kilicaslan, m . kemal ozgoren, s. kemal ider. hybrid force and motion control of robots with flexible links j . mechanism

20、and machine theory 2010 , 45 ( 1 ) : 91 105. n. hogan. impedance control: an approach to manipulator j . asme journal of dynamic systems, measurement, and control, 1985 , 107 ( 3 ) : 1 24. toru tsumugiwa, ryuichi yokogawa,kei hara. variable ipedance control based on estimation of human arm stiffness

21、 for humanrobot cooperative calligraphic task a . proceedings of ieee internationalconference on robotics and c . usa, 2002 : 644 650. automation j. pun, s. e. semercigil. joint stiffness control of a twolink flexible arm j . nonlinear dynamics, 2000, 23 ( 2) : 173 192. j. kruger, t. k. lien, a . ve

22、rl. cooperation of human and machines in assembly linesj . cirp annalsmanufacturing technology, 2009 , 58 ( 2 ) : 628 646. yoji yamada, kazutsugu suita, koji imai , et al. a failuretosafety robot system for humanrobot coexistence j . robot1996 , 18 ( 1 2 ) : 283 291. ics and autonomous systemis ikut

23、a, k. , nokata, m . safety evaluation method of design and control for humancare robots j . the international journal of robotics research 2003 , 22 ( 7 8 ) : 281 297. dalong gao, c. w. wampler. head injury criterion j . robotics & automation magazine, ieee, 2009, 16 ( 4) : 71 74. susanner oberer ro

24、lf dieter schraft. robotdummy crash test for robot safety assessme nja . ieee international conference on robotics and automation c . italy, 2007 : 2 934 2 939. m . zinn, o. khatib, b. roth, et al. a new actuation approach for human friendly robot design a . ieee international conference on robotics

25、 and automation c . la , 2004 : 249 254. antonio bicchi , giovanni tonietti. fast and“softarm “ jactics ieee robotics & automationmagazine, 2004 , 11 ( 2 ) : 22 33. dongjun hyun, hyun seok yang, jungwan park et al. variable stiffness mechanism for humanfriendly robotsj . 2010 , 45 ( 6 ) : 880 897. m

26、echanism and machine theory s. haddadin, a . albllsch 什ct, g. hirzinger. safety evaluation of physical humanrobot interaction via crashtesting a . robotics, science and systems conference c . usa, 2007： 1 8. b. espiau, r. boulic. collision avoidance for redundant robots with proximity sensors j . ro

27、botics research 1986 , 5 ( 3 ) : 243 252. v. j. lumelsky, e. cheung. realtimecollision avoidance in teleoperated wholesensitive robot arm manipulatorsj . 1993 , 23 ( 1 ) : 194 203. ieee transactions on systems man and cybernetics, y. yamada, k. iwata, h. yonekura, et al. collisionfree control of a 3

28、link arm by using ultrasonic proximity sensors a . 15 th international symposium on industrial robots c . japan, 1985 : 943 952. j. l. novak, j. t. fedderma a capacitancebased proximity sensor for whole arm obstacle avoidance a . ieee international conference on robotics and automation c . france, 1

29、992 : 1 307 1 314. n. karlsson, j. o. jaerrhed a capacitive sensor for the detection of humans in a robot cella . international conference c . usa, 1993 : 164 166. on ieee instruments measurements technology y . yamada, n . tsuchida, m . ueda. proximitytactile sensor to detect obstacles for a cylind

30、rical armj . journal of 1989 , 2 ( 3 ) : 36 43. robotics and mechatronics, bearveldt, a. j. cooperation between man and robot interface and safetya . ieee international workshop on robot human communicationc . japan 1993 : 183 187. yamada y. , hirawawa y. , huang s. , et al. humanrobot contact in th

31、e safeguarding space j . ieee / asme transac- 2 3 4 567 8 9101112 131415161718 19 20 2122 23 24 25262786 中國安全科學 china safety science 報 journal 第 21 卷 2011 年 tions on mechatronics, 1997, 2 ( 4 ) : 230 236. 28 zurada j. , wrighta. l . , graham j. h . a neurofuzzy approach for robot system safetyj . ie

32、ee transactions on part c applications and reviews, 2001 , 31 (1 ) : 49 64. systems, man and cybernetics 29 heinzmann, j., zelinsky, a . quantitative safety guarantees for physical humanrobot interactionj . the international journal of robotics research 2003 , 22 ( 7 8 ) 479 504. 30 morita t . , iwa

33、ta h. , sugano s. development of a human symbiotic robot： wendy a . ieee international conference on robotics andautomation c . usa, 1999 : 3 183 3 188. 31 traver v. j. , delpobil a. p. , perezfrancisco m making service robots humansafe a . ieee / rsj international c . japan, 2000 : 696 701. confere

34、nce on intelligent robots and systems 32 kulic d . , croft e. safe planning for humanrobot interaction j . journal of robotic systems 2005 , 22 ( 7 ) : 383 396. 33 kulic d . , croft e. safety based control strategy for humanrobotinteraction j . journal of robotics and autonomous 2006, 54 ( 1 ) : 1 1

35、2. systems, 34 kulic d . , croft e. precollision safety strategies forhumanrobot interaction j . auton robot, 2007, 22 ( 2) : 149 164. 35 jiunyih kuan , hanpang huang yentsung chen. coupled elasticactuation development for robots as an intrinsic. ieee / asme international conference on advanced inte

36、lligent compromise between performance and safety a mechatronics c.singapore,2009: 14 17.36d.shin,i. sardellitti, o. khatib . a hybrid actuation approach for humanfriendly robot design a . ieee international conference on robotics and automationc . romania, 2008 : 1 747 1 752. 37 dongjun shin, oussa

37、makhatib, mark cutkosky . design methodologies of a hybrid actuation approach for a humanfriendly robot a . ieee international conference on robotics and automation c . japan 2009 : 12 17. 38 a. edsingergonzalesj. weber domo. a force sensing humanoid robot for manipulation researcha . 4 th ieeeras i

38、nternational conference on humanoid robots c . usa, 2004 : 273 291. 39 b. bigge,1. r. harvey. programmable springs developing actuators with programmable compliance for autonomous robots j . robotics and autonomous systems 2007 , 55 ( 9 ) : 728 734. 40 hiroyuki kasahara, jianming yang. aresearch on the system design of