1、康復機器人安全評估方法1. 序言老年社會即將到來。護理機器人必須實現照顧老年和殘障人士 （的作用） ， 并且工作在老年人周圍， 和他們接觸。 因而，工業機器人的傳統安全策略不再適應于護理機器人。現在我們有必要重新研究人和機器人相互依存的安全問題。在這個章節中，我們研究機器人和機器對人造成的傷害，然后將機器人的安全設計和控制策略分類。接著，我們提出一個護理機器人的安全評估方法，并給它下定義，描述其安全水平。最后，我們運用我們的方法來評價一些安全設計和控制策略，從而證明我們安全評價方法的可行性。這些提出的理論使我們將成本優化的配置到各個安全策略，獲得適當的多連桿機械手。這些理論的正確性和可行性被數

2、字化地分析出來。最終， （ 我們將 ） 成功的獲得安全性能提高的設計和控制方案。2. 護理機器人安全策略2.1 護理機器人對人的損傷我們周密的考慮護理機器人和機器可能對人造成的損傷，損傷的原因可以分類如下：1. 機械性損傷- 休克 （ 內出血，骨折） ，瘢痕（出血，傳染病） 。2. 電擊傷 - 電休克（休克死亡，燒傷） ，電磁波（癌癥，白血病） 。3. 聽覺損傷 - 隆隆聲 （降低聽覺） ， 低頻率的聲音（ 失眠癥，神經機能病） 。在這項研究中，作為研究目標，我們選擇安全策略來防止機械性損傷。雖然利用絕緣體或隔音材料可以防止聲電損傷。但是，在機器人的工作空間，難以避免機械性損傷。為了保證人在機

3、器人工作空間的安全，許多設計和控制策略是不可或缺的。但許多復雜和困難的問題是機器人設計和控制難以避免的。2.2 安全策略的類別我們將安全策略分類如下：1. 接觸前安全策略2. 接觸后安全策略接觸前安全策略考慮盡量減少碰撞前的傷害；接觸后安全策略考慮減少碰撞后的損傷。和汽車的安全策略類似，前者的安全策略是利用一個防抱死制動系統來避免碰撞， 后者的安全策略是利用氣嚷或側門梁吸收沖擊。根據機器人使用者或設計師的觀點， 這個討論可以按如下分類：1. 安全設計策略（ 盡量減少損傷的設計）2. 安全控制策略（盡量減少損傷的控制）為了實施機器人安全設計策略，我們已經做好了控制執行器和具有限制功能的非接觸式磁

4、性齒輪。其它的安全策略是使用力限制設備，通過利用電流變液，力控制，減震套，倒角等。一些研究已經實行了安全評價方法，比如制動器裝置的危險性和人類控制的安全性。國際安全標準所定義的安全， “自由的不可接受的傷害的危險， ”從而估計只有損害的危險。這種估計方法缺乏定量基準，因為它依賴于不足查清的數據。此外，這些安全估計方法不同于研究者的。因而，我們不能比較各種策略。所以我們只有從開始到結束，做一個單獨的個案研究。其原因歸結于對安全概念的含糊不清。每個人都認為計算安全或者危險等級是很困難的， （同樣，計算）每一個安全設計和控制策略對一臺機器人所做的貢獻（也是困難的） 。所以沒人試圖這樣做。3. 安全評

5、估方案的提出3.1 安全定量評估的必要給機器人制定一般的安全策略，有必要定義安全評估措施。這些評估措施使我們能夠在同一規模上對每個安全策略進行比較，并且優化護理機器人的設計與控制。在信息科學領域，博士定義了信息作為博士學位的熵，他有非常先進的信息理論。 在機器人技術領域， 博士和 博士給可操作性措施下了定義，這是我們能夠對各種機器人的操縱性進行一致的比較。前者沒有對信息質量清楚的表達；后者不能徹底的表達各種控制性能。但是我們不能否認他們對機器人科學和工程的貢獻。如果我們克服一些不同的意見，來定義護理機器人的一般評估措施，將達到類似的效果。3.2 評估方案的選擇首先， 我們詳細審查整個過程的碰撞

6、事故。 根據 12100 ，提出了一些計算機械風險的公式。一個關于風險考慮的公式如下所示：R = Q*F *C*N（11.1）R:考慮范圍內的風險Q:傷害反生的概率F:頻率和持續時間C:考慮冒險時，危害的嚴重性N 接觸人數許多研究人員分析了Q：傷害發生的概率一一人類操作失誤引起的。他們的研究主題就是如何降低事故發生率，以及如何估計。關于護理機器人設計與控制的關系，以及傷害的危險性， （人們）很少注意。在人與機器人失誤碰撞的事件中， C 的水平： 考慮冒險時，危害的嚴重性。可以表示如下： （只使用主要因子，比如設計和控制）C = f ()* g ()(11.2)在這項研究中，我們在一定程度上研究

7、了事故發生時“怎 么樣的設計和控制能將傷害最小化”。換句話說，我們的目 地是對安全設計和控制的有效性進行定量的評估，并且在事 故發生概率為百分百的時候，將危險最小化。我們應具有什么樣的評價措施？護理機器人工作在做不規則運動的人周圍。在符合前面提 到的安全設計與控制策略(分類前提下)，我們考慮了一個 適當的安全策略。安全設計策略就是在不規則碰撞之后，盡 量減少人體的損傷。安全控制策略就是在機器人碰撞前盡量 減少損傷。估算碰撞的傷害很重要，而估算碰撞發生率則不 見得重要。無論碰撞事故的原因是什么，沖擊機械損傷取決于沖擊力, 瘢痕取決于沖擊應力。即我們考慮(計算)沖擊力和應力作 為評價措施。4. 一

8、般評估理論采用的評估措施在本節中，我們提出一個利用評估措施的一般性定量評估理 論。首先，我們定義了臨界沖擊力，即對人體造成傷害的最小力C下一步，我們定義危險系數，如下所示：(>0)(11.3)嚴格地說，的大小取決于人的年齡，性別和身體部位。但是 我們選用一個有代表意義的值來理解安全評估。在特殊情況下， 如眼睛，的值非常低，這類身體部位被視為一個奇點。這些情況 需要另外評估。下一步，我們考慮一些安全策略所產生的總的危險系數。通 過使用在控制領域很流行的圖塊， 我們體現出了安全策略盡量減 少沖擊力的特點。例如，一旦產生沖擊力，受安全策略的影響， 危險系數將情況傳遞出來，最后出現傷害。這個系數

9、取決于傳遞 功能的。在這個系統中，有幾個因素相互串聯。整個系統的特性， 可以表示為每個傳遞功能的乘法運算。整個機器人的總體危險系數總如乘法式11.4所示，這個方程使我們能夠將同一規模的安全策略的有效性進行量化.=nm(11.4)其中n是安全策略總數，i是安全策略編號。作為一個例子，我們考慮了利用優質減震材料來減少沖擊 力的情況。即使機器人與人碰撞，因為它是孤立材料，所以對人 的沖擊力是0。通過利用前面提出的安全策略，這種減震材料的 危險系數計算為0.總的危險系數乘以每個系數結果為 0,很顯然 要采用一般情況。太多的安全策略則會降低機器人工作或操作的能力。解決這個問題的辦法是制定一項符合工作能力

10、要求的安全策略。或利用 公式11.4計算解決方案和機器人工作效率。這是危險定量評估的一個優勢。確定了沖擊力和改進前的危險系數，改善率可以由公式11.5計算在公式11.5被消掉，我們可以簡單的比較之前和之后的安 全策略。該安全評估方法的計算如下：1 .通過調查對人體造成傷害的因素，作為評估指標。2 .計算每個安全策略的沖擊力。3 .由公式11.3計算危險系數。4 .利用總的危險系數來執行一般的安全評估。5 .通過運行結果對安全策略討論。這個方法使我們能夠對一個或多個安全策略的有效性進行評估。5.推導安全策略的危險系數在本節，（我們）將會給出安全設計和控制的例子，展示 危險系數的實際推導（過程）。

11、5.1 安全設計策略首先，我們為每個安全策略提出一個線性近似模型弁且單 獨（計算）解決。逼近的目的是為了得出安全因素的影響弁且 盡可能地忽略其它因素。通常，我們制作同時滿足所有邊界條件影響的模型和方程。當條件改變時，這種方法需要我們重新考慮（各種因素）。如果考慮到更多情形，（這種方法）使方程變得復雜，同時增加未 知變量。評價和比較安全策略，不僅需要嚴格考慮所有情況，而且 要廣泛的量化安全策略。因此，我們利用一個線性近似模型運 算出安全策略危險系數。這次研究假設了人和機器人之間的碰撞，每一個減少碰撞傷害的安全策略都得到討論。例如一個安全設計措施，降低體重，減少機器人沖擊力如下所示。沖擊力由式 1

12、1.6的牛頓運 動方程推導。通過這個沖擊力又可以推導出危險系數計算式 11.7.F =（11.6）（11.7）例如，當機器人材料由鋼（密度：7860每立方）變成鋁（2690 每立方）時，危險系數將會顯示出來。當機器人以1米每秒的速度行走時，危險系數為0.34。如果機器人材料為塑料（密度：1400 每立方），危險系數為0.18。總之，體重減半，危險系數也會減 半。同樣，推導出多個設計策略的危險系數也是有可能的。例如 吸收沖擊力的軟蓋，符合安全的接縫，將危險最小化的外形，減 少表面摩擦等。計算這些危險系數的的方程可以參考文獻10 o5.2 安全控制策略這項研究推導出了安全控制策略的危險系數計算公式

13、。如果 動態分析或額外參數的考慮是必要的，那么安全性是采用一些假 設來評價。例如安全控制策略，保持距離的影響如下所示。人和機器人之間有足夠的距離，就會有足夠的時間來減少或者避免碰撞產生的沖擊力。當機器人的靠近加速度在路程L內變為a時，碰撞時間單元由公式11.8所示。, A 必戶 “ v 卜-丫17/ vAfAf 1 -2號丫 盤碰撞速度變成t-g 沖擊力和危險系數表達式分別為11.9和11.10.我們認為，沖擊力不可能變成負值。_ lv-aAr)-vJdt仃 _ F _ (v-t7Ar-v(11J01F£木這里，我們審查多關節機械手的護理運動。首先，“沖擊力規格化技術”的推出是為了獲

14、得距離的效果。在公式11.8到11.10,加速度對距離的效果沒有影響，而且在每個機器人中都 不同。碰撞后的速度無法在碰撞前計算出來。這些參數的確定是先假設沖擊力為1N。因此，這些方程的未知參數，從這個方法 中獲知，是：/叫木席°”國足0帆這是一項正規化技術。我們考慮一個具體的例子， 比如10公斤的機器人，以2米每 秒的速度從0.5米距離處靠近人。碰撞的時間單元為/ t,按公式 11.8來算就是0.27秒。沖擊速度F。可以從11.9算得，64.65N。臨界沖擊力是490N,也就是人體頭部可以承受力的百分之十。在我們自己的條件下，我們介紹了10個關于臨界沖擊力的影響因素。嚴格來說，隨著年

15、齡，性別和身體部位而變化。但是我們 使用490N這個代表數值來實現危險評估。如果需要另外一個的 值，那么安全性評估可以用公式11.3計算。當然，例外案件依然存在，比如眼睛，的值很低，這類部位被視為奇點，需要用另 外一種方法進行安全評估。按照公式11.10 ,危險系數算的為0.13 o當機器人被設置在離人類1米距離內，時間單元，沖擊力 和危險系數分別為：0.59, 24.15, 0.049。改進率是 3.01。這 個結果可以定量的表明危險降低了30%同樣，推導出幾個控制策略的危險系數也是有可能的，如接 近安全速度和安全態勢（有關的數值）等。這些危險系數的計算 式參見文獻11。6.方案設計優化及應

16、用實例本節提出，利用我們的評估方法，優化設計和控制。6.1 優化設計方法的闡述首先，我們計算各個安全方法的性價比。當第 i （1,2,） 個安全方法的花費是改善率是小|,改善成本已就按公式11.11計算。0 =也（HJI）第i個安全方法的改進率”,就按公式11.12計算，也就是 不斷增長的改進率加1,1代表一次改進。血優化成本分配的實例就是在固定花費下使安全最大化，在固定安全條件下使花費最小化。 這些實例使用了三個安全方法：降低重量，形狀修改和保護面。每一個安全方法的單位改善率成本 由我們的危險評估方法推導出來。有這么一個安全方法，通過用硬鋁 （密度為2.80克每立方厘 米）代替不銹鋼（密度7

17、.87克每立方厘米），來做一個機器人手 臂（尺寸100*80*300毫米）。危險系數由公式11.7計算，改進 率由公式11.13計算。a = 2乎2=7干 fH LB）E -丁瓦瓦一姿-V是材料體積是碰撞加速度。成本將達到364美元，其中包括材料費用64美元和工資300美元。改善率的提高值就是公式11.13計算的數值再減1。因此，單位成本的改善率就按公式11.14計算。2.S1-1O.- = 0.005色皿通廁=$200 L產 M364通過外形修改得到：(thickness: 10 mm E 二 5,0 Mpa+ 4 sides) gives a*# = 0_01$46.2 固定成本下安全最大

18、化這部分解決固定成本下安全最大化（的問題）。公式 11.15和11.16滿足優化成本分配的計算關系（1IJ5）y +'HH J = Y : const如果一個機器人手臂的改進費用是 500美元，單位改進率的 消耗可以通過公式11.15和11.16推導出來，其中，Y等于500o 如果將消耗500美元的重量分布降為227.05美元，花費132.95 美元修改形狀，花費140美元的保護面，安全系數將會提高9.76 倍。具體來說，（就是）用鋁合金更換 62%勺鐵，66%勺倒角和 100%T用橡膠。因此，這是有可能定量確定（使用）安全方法（各 個方面的）百分比的。另一個組合，如果體重下降消耗36

19、0美元（體重下降為98%, 表面保護消耗140美元（100減面），安全系數就會提高 8.85 倍。或者說減重消耗 300美元（減為83% ,形狀修改消耗140 美元（100曝改），安全系數就會提高3.91倍。這些結果說明， 上述組合是最優的成本分布。因此，考慮成本，弁且簡單又有效的執行，這種方法使我們 能夠定量優化安全設計。6.3 計算安全接近運動的新方法本節提出了一個關于計算安全接近運動的新方法。在考慮可 以接受的危險系數（條件下），這個新的方法使總的危險系數最 小化。"（/切-min Q<t<T該方法選擇一個安全路徑，使得所有指標都低于可接受的危險指數。其目的就是避免危險指數的上升。我們采用新方法來優化多連桿機械手的整個運動，這就是在 考慮可接受危險指數（條件下），使總的危險系數最小化。圖11.1顯示了（機器人）安全運動計算結果，（條件是）人距離機器人60厘米。首先，端接頭移動，然后整個部分通過彎曲靠近人。圖11.2顯示了優化運動的危險指數和速度。最大的危險指數是0.2