英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于碰撞测试的物理人机交互的安全性评价
Sami Haddadin, Alin Albu-Schaffer,uml; Gerd Hirzinger
Institute of Robotics and Mechatronics
DLR - German Aerospace Center
P.O. Box 1116, D-82230 Wessling, Germany {sami.haddadin, alin.albu-schaeffer, gerd.hirzinger}@dlr.de
摘要 — 在德国航空航天中心（DLR）开发的轻型机器人的特点是其惯性性能，每个关节的扭矩传感以及与人类相似的负载重量比低。这些性质使它们适用于需要高移动性和与人类用户或不确定环境直接交互的应用。这种机器人的基本要求是它在任何情况下都不会对操作者造成威胁。为了实际量化来自操纵器的潜在伤害风险，使用ADAC1的标准汽车碰撞试验设备进行冲击试验。在我们的评价中，我们集中于意外的刚性正面碰撞，即损伤。引起的尖锐边缘被排除。几种损伤机制和所谓的严重性指数被评估和讨论关于它们对物理—机器人相互作用的适应性。
一，介绍与动力
通过共享相同的工作空间并且实际上以物理方式协作，机器人系统和人在相同物理域中的期望共存提出了确保用户和机器人的安全的非常根本的问题。
工业机器人的安全性通常包括通过具有锁定的安全门或光栅的安全防护装置将操纵器的工作空间与人类的工作空间隔离[1]。一旦安全门打开或挡光板越过，机器人立即停止。
另一方面，近来在家用和工业服务机器人中观察到越来越多有趣的事，其特征在于期望的，并且在某些情况下甚至不可避免的物理相互作用[2]，[3]，[4]。 因此，一个重要的要求是在正常操作模式以及可能的故障模式中保证人类用户的安全。
这一要求需要通过客观测量伤害严重程度来量化潜在危险。一旦可以将机器人的行为与对所造成的伤害的估计相关联，则必须保证，如果与机器人的物理接触发生，则机器人的动作不会导致超过安全的最大值。
根据定义工业机器人的新的协作操作要求的ISO-10218，[5]总是必须满足以下条件之一：TCP 2 /法兰
1德国汽车俱乐部
2工具中心点
速度需le;0.25m/ s，最大动力le;80W，或最大静力le;150N。 然而，这些值不是源自真实的人类影响实验或任何生物力学分析，而是基于启发式，旨在给人以主动避免危险情况的可能性。到目前为止，没有针对机器人技术的需要定制的损伤指数，而从其他领域（例如头部损伤标准（HIC）[6]，[7]）借用的损伤指数主要在模拟中评估。进一步的方法在[8]，[9]，[10]中概述，但人类生物力学的重要性几乎没有调查。为了填补这个空白，我们决定通过在认证碰撞试验设施中的冲击试验来测量由DLR轻型机器人III（LWRIII）产生的潜在危险。这些测试是在德国汽车俱乐部ADAC的碰撞测试中心进行的。机器人被设定在预定的轨迹上移动，并以高达2m / s的TCP速度击打各种假身部分。基于这些实验的结果，我们可以得出一些与机器人的潜在危险有关的一般结论，而这取决于它们的质量和速度。
在我们的评估中，我们集中于头部，颈部和胸部三个身体区域相关的光滑表面的意外影响。没有考虑由尖锐工具或类似损伤源引起的损伤机制，因为这些机制不能用标准碰撞试验假人测量。为了评估所得到的损伤严重性，应用了欧洲测试方案EuroNCAP。头部，颈部和胸部的几种损伤标准的结果由ADAC测量，并将在本文中呈现。因为在机器人中缺少常用的严重性指数的概述，所以还将给出对它们的简短描述。头部最突出的指标是头部损伤标准[11]，已经在机器人中引入[6]，[7]，并作为新的驱动概念的基础[12]，[13]。
如上所述，迄今为止在物理 — 机器人相互作用领域中已经进行的工作主要基于模拟。这些贡献表明已经在1m / s速度下的机器人通过HIC对人类的高潜在损伤。这也完全匹配于机器人以最大速度（例如由于故障）移动的“常识”期望可能导致高的撞击伤害。在这个意义上，本文提出了非常令人惊讶和引人注目的结果。
此外，本文的主要贡献之一是HIC在标准碰撞试验设施的第一次实验评价。 除了冲击评估之外，还将示出即使在理想地快速（物理）碰撞检测的情况下，也不能足够快地对刚性碰撞（例如头部）做出反应，以便减小用于链接惯性的接触力的影响 或大于LWRIII的那些。
在第二部分中，定义和简要解释评估的损伤限值和测量，随后是第三部分中的测试设置的描述，接着实验结果在第IV部分中给出。 以下评价和讨论引出了第五节中概述的一些令人惊讶和相当普遍的结论。
II. 分类伤害严重性
在实际引入评估的严重性指数的定义之前，将给出直观的和国际上确定的损伤水平的定义。
- 缩略性损伤量表
|
AIS |
严重程度 |
伤害类型 |
|
0 |
无 |
无 |
|
1 |
次要 |
表面损伤 |
|
2 |
中等 |
可恢复性损伤 |
|
3 |
严重 |
有可恢复性可能损伤 |
|
4 |
严峻 |
不预防不完全恢复性损伤 |
|
5 |
危急 |
预防不完全恢复性损伤 |
|
6 |
致命 |
不可预测性损伤 |
表I
定义的受伤的伤害量表
由AAAM 3和AMA4开发的损伤水平的定义是缩写损伤量表（AIS）[14]。 它将观察到的损伤水平细分为七个类别，从无到致命，并提供非常直观的分类（见表I）。 当然，这种分类没有提示如何测量可能的伤害，这是由所谓的严重性指数提供的。
B. EuroNCAP
ADAC碰撞试验根据基于缩写损伤量表的EuroNCAP5进行。 EuroNCAP受美国NCAP的启发，是一个制造商独立的碰撞试验程序，将欧洲运输部，汽车俱乐部和承保协会的测试程序和评估结合起来[15]。在程序中指定的测试的结果是通过滑动刻度系统对测量结果的评分。损伤电位的上限和下限大多被定义为使得它们与某个概率相关
3汽车医学进展协会
4美国医学协会
5欧洲国家汽车评估协议
的AISge;3（参见例如图5,6）。在这两个值之间，通过线性插值计算相应的得分（损伤电位）。标准化的颜色代码表示伤害潜力，并在表II中给出。
|
色标 颜色 |
损伤潜力 |
|
|
红色 |
非常高 |
|
|
棕色 |
高 |
|
|
橙色 |
中等 |
|
|
黄色 |
低 |
|
|
绿色 |
非常低 |
|
表II
伤害严重程度和相关颜色代码。
由于标准的虚拟设备能够测量头部，颈部和胸部的严重程度指数，现在将定义我们在碰撞测试设施进行测试所评估的那些指标。
C.头部损伤标准
根据[16]，大多数进行汽车碰撞试验研究的区分为两种类型的头部负荷：
1）直接相互作用：涉及以相当大的速度与另一固体物体碰撞的冲击或打击。 这种情况的特征通常在于冲击阶段期间的大的线性加速度和小的角加速度。
- 间接相互作用：包括突然头部运动而没有直接接触的脉冲负载。当躯干运动发生突然变化时，负荷通常通过头颈连接部传递，并且与头部的大角加速度相关联。
由于直接相互作用，潜在的危险是不成比例的更高，这项工作将集中在第一个潜在的伤害源。
特别是对于头相当多的类型1相互作用的标准是可用的。它们的主要理论基础是所谓的WSTC6，一种基本的实验性损伤耐受曲线，形成所有提出的头部标准的基础生物力学数据。以下伤害标准的极限值在EuroNCAP协议中定义。对于头部，它们表示发生AISge;3损伤的5％的概率。
- 头部受伤标准：最常用的头部严重程度指数是头部受伤标准[11]，定义为
||xuml;H|| 是人类头部的结果加速度，并且必须以g = 9.81m / s 2来测量。优化6 Wayne状态公差曲线7 ||xuml;|| 2 =欧几里德范数通过改变t1和t2来完成，即，开始和停止时间都是优化过程的参数。直观地说，HIC对所得到的头部加速度和冲击持续时间加权，这允许头部可以暴露于相当高的加速度并且只要冲击持续时间保持为低，就仍然完好无损。除了HIC36之外，相同地定义的HIC 15具有max= 15ms。比较两个可能性分布得出HIC15的相应损伤概率比HIC36的更严格（见第II-C.3节）。
2）3ms - 标准：
此标准需要的最大3ms平均值使加速度小于72g。任何更短的影响持续时间对大脑只有很小的影响。
- 将严重性指数转换为缩写损伤规模：不幸的是，严重性指数通常不提供直接缩小的伤害，而是在严重和非严重损伤之间起了一个限制作用。此外，它们被定义为相对于不同的物理域，因此不能直接的相互比较，也不能组合。为了应对这种缺陷，映射被发展到将严重度指数翻译成缩略性损伤量表。NHTSA8指定扩展的Prasad / Mertz曲线[17]将HIC15值转换为概率p（AI Sge;i）相应的AIS水平i，如图1（左）所示。在[18]从HIC36到p（AI Sge;2,3,4）HIC36的转换定义。由于EuroNCAP承担了其伤害风险水平主要定义在p（AI Sge;3）级，对应两个HIC的功能如图1（右）所示：
图 1.将HIC15映射到缩略伤害量表（左）并进行比较
其中Phi;（。）表示累积正态分布
平均值mu;= 7.45231和标准偏差sigma;= 0.73998。对于我们的短期影响对HIC15和HIC36的评价领先到相同的数值，显然HIC15表示a对于相同的数值，比HIC36有更高的风险水平因此更具限制性。
D.颈部损伤标准
一般来说，人类颈部的损伤机制是涉及作用在脊柱上的力和弯曲力矩柱。 在EuroNCAP中定义了相应的限制相对于正累积超过时间as表示在表III中。在这些值之间进行线性插值完成了。颈部的相应分类法是如图2所示，而EuroNCAP规定了限制仅用于表III中列出的运动的值。定义为产品o8国家公路交通安全管理局
p（AI Sge;3）HIC15与p（AI Sge;3）HIC36（右）。
图2. 颈部运动分类
E.胸部损伤标准
- 压缩标准：从评估的尸体实验 - 单独的加速度和力标准本质上不能预测内部损伤的风险的胸部，这往往是对人类生命比骨骼损伤的更大的威胁。Kroell分析了一个大型数据库的钝性胸部冲击实验，并意识到压缩标准。
是胸部损伤严重程度的优良指标，其中胸部偏斜，特别是胸骨的影响引起胸部压迫直到肋骨骨折发生（[19]，[20]）。
- 粘性标准：胸部的第二个标准是粘性标准（VC），也称为软组织标准[20]，[21]。 它可以被制定为
定义为压缩速度和nor-恶性胸部偏转。缩放因子cc和变形常数（实际上是初始躯干厚度）lc取决于使用的假人，并总结在[22]。
III. 实验装置
显示了所使用的HybridIII假体的仪器在图3中。它代表了测量的标准设备在20kHz的采样频率下描述损伤标准。根据[23]对信号进行滤波。
<td
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</td
资料编号：[141121]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
|
加载 |
@0ms |
@25 minus; 35ms |
@45ms |
|
剪切: Fx , Fy |
1.9/3.1kN |
1.2/1.5kN |
1.1/1.1kN |
|
张力: Fz |
2.7/3.3kN |
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
