康复机器人安全评估方案.docx
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康复机器人安全评估方案.docx
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康复机器人安全评估方案
康复机器人安全评估方法
1.序言
老年社会即将到来。
护理机器人必须实现照顾老年和残障人士(的作用),并且工作在老年人周围,和他们接触。
因而,工业机器人的传统安全策略不再适应于护理机器人。
现在我们有必要重新研究人和机器人相互依存的安全问题。
在这个章节中,我们研究机器人和机器对人造成的伤害,然后将机器人的安全设计和控制策略分类。
接着,我们提出一个护理机器人的安全评估方法,并给它下定义,描述其安全水平。
最后,我们运用我们的方法来评价一些安全设计和控制策略,从而证明我们安全评价方法的可行性。
这些提出的理论使我们将成本优化的配置到各个安全策略,获得适当的多连杆机械手。
这些理论的正确性和可行性被数字化地分析出来。
最终,(我们将)成功的获得安全性能提高的设计和控制方案。
2.护理机器人安全策略
2.1护理机器人对人的损伤
我们周密的考虑护理机器人和机器可能对人造成的损伤,损伤的原因可以分类如下:
1.机械性损伤-休克(内出血,骨折),瘢痕(出血,传染病)。
2.电击伤-电休克(休克死亡,烧伤),电磁波(癌症,白血病)。
3.听觉损伤-隆隆声(降低听觉),低频率的声音(失眠症,神经机能病)。
在这项研究中,作为研究目标,我们选择安全策略来防止机械性损伤。
虽然利用绝缘体或隔音材料可以防止声电损伤。
但是,在机器人的工作空间,难以避免机械性损伤。
为了保证人在机器人工作空间的安全,许多设计和控制策略是不可或缺的。
但许多复杂和困难的问题是机器人设计和控制难以避免的。
2.2安全策略的类别
我们将安全策略分类如下:
1.接触前安全策略
2.接触后安全策略
接触前安全策略考虑尽量减少碰撞前的伤害;接触后安全策略考虑减少碰撞后的损伤。
和汽车的安全策略类似,前者的安全策略是利用一个防抱死制动系统来避免碰撞,后者的安全策略是利用气嚷或侧门梁吸收冲击。
根据机器人使用者或设计师的观点,这个讨论可以按如下分类:
1.安全设计策略(尽量减少损伤的设计)
2.安全控制策略(尽量减少损伤的控制)
为了实施机器人安全设计策略,我们已经做好了控制执行器和具有限制功能的非接触式磁性齿轮。
其它的安全策略是使用力限制设备,通过利用电流变液,力控制,减震套,倒角等。
一些研究已经实行了安全评价方法,比如制动器装置的危险性和人类控制的安全性。
国际安全标准所定义的安全,“自由的不可接受的伤害的危险,”从而估计只有损害的危险。
这种估计方法缺乏定量基准,因为它依赖于不足查清的数据。
此外,这些安全估计方法不同于研究者的。
因而,我们不能比较各种策略。
所以我们只有从开始到结束,做一个单独的个案研究。
其原因归结于对安全概念的含糊不清。
每个人都认为计算安全或者危险等级是很困难的,(同样,计算)每一个安全设计和控制策略对一台机器人所做的贡献(也是困难的)。
所以没人试图这样做。
3.安全评估方案的提出
3.1安全定量评估的必要
给机器人制定一般的安全策略,有必要定义安全评估措施。
这些评估措施使我们能够在同一规模上对每个安全策略进行比较,并且优化护理机器人的设计与控制。
在信息科学领域,博士定义了信息作为博士学位的熵,他有非常先进的信息理论。
在机器人技术领域,博士和博士给可操作性措施下了定义,这是我们能够对各种机器人的操纵性进行一致的比较。
前者没有对信息质量清楚的表达;后者不能彻底的表达各种控制性能。
但是我们不能否认他们对机器人科学和工程的贡献。
如果我们克服一些不同的意见,来定义护理机器人的一般评估措施,将达到类似的效果。
3.2评估方案的选择
首先,我们详细审查整个过程的碰撞事故。
根据12100,提出了一些计算机械风险的公式。
一个关于风险考虑的公式如下所示:
R=Q*F*C*N(11.1)
R:
考虑范围内的风险
Q:
伤害反生的概率
F:
频率和持续时间
C:
考虑冒险时,危害的严重性
N接触人数
许多研究人员分析了Q:
伤害发生的概率——人类操作失误引起的。
他们的研究主题就是如何降低事故发生率,以及如何估计。
关于护理机器人设计与控制的关系,以及伤害的危险性,(人们)很少注意。
在人与机器人失误碰撞的事件中,C的水平:
考虑冒险时,危害的严重性。
可以表示如下:
(只使用主要因子,比如设计和控制)
C=f()*g()(11.2)
在这项研究中,我们在一定程度上研究了事故发生时“怎么样的设计和控制能将伤害最小化”。
换句话说,我们的目地是对安全设计和控制的有效性进行定量的评估,并且在事故发生概率为百分百的时候,将危险最小化。
我们应具有什么样的评价措施?
护理机器人工作在做不规则运动的人周围。
在符合前面提到的安全设计与控制策略(分类前提下),我们考虑了一个适当的安全策略。
安全设计策略就是在不规则碰撞之后,尽量减少人体的损伤。
安全控制策略就是在机器人碰撞前尽量减少损伤。
估算碰撞的伤害很重要,而估算碰撞发生率则不见得重要。
无论碰撞事故的原因是什么,冲击机械损伤取决于冲击力,瘢痕取决于冲击应力。
即我们考虑(计算)冲击力和应力作为评价措施。
4.一般评估理论采用的评估措施
在本节中,我们提出一个利用评估措施的一般性定量评估理论。
首先,我们定义了临界冲击力,即对人体造成伤害的最小力。
下一步,我们定义危险系数,如下所示:
(≥0)(11.3)
严格地说,的大小取决于人的年龄,性别和身体部位。
但是我们选用一个有代表意义的值来理解安全评估。
在特殊情况下,如眼睛,的值非常低,这类身体部位被视为一个奇点。
这些情况需要另外评估。
下一步,我们考虑一些安全策略所产生的总的危险系数。
通过使用在控制领域很流行的图块,我们体现出了安全策略尽量减少冲击力的特点。
例如,一旦产生冲击力,受安全策略的影响,危险系数将情况传递出来,最后出现伤害。
这个系数取决于传递功能的。
在这个系统中,有几个因素相互串联。
整个系统的特性,可以表示为每个传递功能的乘法运算。
整个机器人的总体危险系数总如乘法式11.4所示,这个方程使我们能够将同一规模的安全策略的有效性进行量化.
(11.4)
其中n是安全策略总数,i是安全策略编号。
作为一个例子,我们考虑了利用优质减震材料来减少冲击力的情况。
即使机器人与人碰撞,因为它是孤立材料,所以对人的冲击力是0。
通过利用前面提出的安全策略,这种减震材料的危险系数计算为0.总的危险系数乘以每个系数结果为0,很显然要采用一般情况。
太多的安全策略则会降低机器人工作或操作的能力。
解决这个问题的办法是制定一项符合工作能力要求的安全策略。
或利用公式11.4计算解决方案和机器人工作效率。
这是危险定量评估的一个优势。
确定了冲击力和改进前的危险系数,改善率可以由公式11.5计算
在公式11.5被消掉,我们可以简单的比较之前和之后的安全策略。
该安全评估方法的计算如下:
1.通过调查对人体造成伤害的因素,作为评估指标。
2.计算每个安全策略的冲击力。
3.由公式11.3计算危险系数。
4.利用总的危险系数来执行一般的安全评估。
5.通过运行结果对安全策略讨论。
这个方法使我们能够对一个或多个安全策略的有效性进行评估。
5.推导安全策略的危险系数
在本节,(我们)将会给出安全设计和控制的例子,展示危险系数的实际推导(过程)。
5.1安全设计策略
首先,我们为每个安全策略提出一个线性近似模型并且单独(计算)解决。
逼近的目的是为了得出安全因素的影响并且尽可能地忽略其它因素。
通常,我们制作同时满足所有边界条件影响的模型和方程。
当条件改变时,这种方法需要我们重新考虑(各种因素)。
如果考虑到更多情形,(这种方法)使方程变得复杂,同时增加未知变量。
评价和比较安全策略,不仅需要严格考虑所有情况,而且要广泛的量化安全策略。
因此,我们利用一个线性近似模型运算出安全策略危险系数。
这次研究假设了人和机器人之间的碰撞,每一个减少碰撞伤害的安全策略都得到讨论。
例如一个安全设计措施,降低体重,减少机器人冲击力如下所示。
冲击力由式11.6的牛顿运动方程推导。
通过这个冲击力又可以推导出危险系数计算式11.7.
F=(11.6)
(11.7)
例如,当机器人材料由钢(密度:
7860每立方)变成铝(2690每立方)时,危险系数将会显示出来。
当机器人以1米每秒的速度行走时,危险系数为0.34。
如果机器人材料为塑料(密度:
1400每立方),危险系数为0.18。
总之,体重减半,危险系数也会减半。
同样,推导出多个设计策略的危险系数也是有可能的。
例如吸收冲击力的软盖,符合安全的接缝,将危险最小化的外形,减少表面摩擦等。
计算这些危险系数的的方程可以参考文献10。
5.2安全控制策略
这项研究推导出了安全控制策略的危险系数计算公式。
如果动态分析或额外参数的考虑是必要的,那么安全性是采用一些假设来评价。
例如安全控制策略,保持距离的影响如下所示。
人和机器人之间有足够的距离,就会有足够的时间来减少或者避免碰撞产生的冲击力。
当机器人的靠近加速度在路程L内变为a时,碰撞时间单元由公式11.8所示。
碰撞速度变成
冲击力和危险系数表达式分别为11.9和11.10.我们认为,冲击力不可能变成负值。
这里,我们审查多关节机械手的护理运动。
首先,“冲击力规格化技术”的推出是为了获得距离的效果。
在公式11.8到11.10,加速度对距离的效果没有影响,而且在每个机器人中都不同。
碰撞后的速度无法在碰撞前计算出来。
这些参数的确定是先假设冲击力为1N。
因此,这些方程的未知参数,从这个方法中获知,是:
这是一项正规化技术。
我们考虑一个具体的例子,比如10公斤的机器人,以2米每秒的速度从0.5米距离处靠近人。
碰撞的时间单元为⊿t,按公式11.8来算就是0.27秒。
冲击速度F。
可以从11.9算得,64.65N。
临界冲击力是490N,也就是人体头部可以承受力的百分之十。
在我们自己的条件下,我们介绍了10个关于临界冲击力的影响因素。
严格来说,随着年龄,性别和身体部位而变化。
但是我们使用490N这个代表数值来实现危险评估。
如果需要另外一个的值,那么安全性评估可以用公式11.3计算。
当然,例外案件依然存在,比如眼睛,的值很低,这类部位被视为奇点,需要用另外一种方法进行安全评估。
按照公式11.10,危险系数算的为0.13。
当机器人被设置在离人类1米距离内,时间单元,冲击力和危险系数分别为:
0.59,24.15,0.049。
改进率是3.01。
这个结果可以定量的表明危险降低了30%。
同样,推导出几个控制策略的危险系数也是有可能的,如接近安全速度和安全态势(有关的数值)等。
这些危险系数的计算式参见文献11。
6.方案设计优化及应用实例
本节提出,利用我们的评估方法,优化设计和控制。
6.1优化设计方法的阐述
首先,我们计算各个安全方法的性价比。
当第i(1,2,…)个安全方法的花费是
改善率是
,改善成本
就按公式11.11计算。
第i个安全方法的改进率
就按公式11.12计算,也就是不断增长的改进率加1,1代表一次改进。
优化成本分配的实例就是在固定花费下使安全最大化,在固定安全条件下使花费最小化。
这些实例使用了三个安全方法:
降低重量,形状修改和保护面。
每一个安全方法的单位改善率成本由我们的危险评估方法推导出来。
有这么一个安全方法,通过用硬铝(密度为2.80克每立方厘米)代替不锈钢(密度7.87克每立方厘米),来做一个机器人手臂(尺寸100*80*300毫米)。
危险系数由公式11.7计算,改进率由公式11.13计算。
V是材料体积是碰撞加速度。
成本将达到364美元,其中包括材料费用64美元和工资300美元。
改善率的提高值就是公式11.13计算的数值再减1。
因此,单位成本的改善率就按公式11.14计算。
通过外形修改得到:
软材料保护:
6.2固定成本下安全最大化
这部分解决固定成本下安全最大化(的问题)。
公式11.15和11.16满足优化成本分配的计算关系。
如果一个机器人手臂的改进费用是500美元,单位改进率的消耗可以通过公式11.15和11.16推导出来,其中,Y等于500。
如果将消耗500美元的重量分布降为227.05美元,花费132.95美元修改形状,花费140美元的保护面,安全系数将会提高9.76倍。
具体来说,(就是)用铝合金更换62%的铁,66%的倒角和100%面用橡胶。
因此,这是有可能定量确定(使用)安全方法(各个方面的)百分比的。
另一个组合,如果体重下降消耗360美元(体重下降为98%),表面保护消耗140美元(100%表面),安全系数就会提高8.85倍。
或者说减重消耗300美元(减为83%),形状修改消耗140美元(100%修改),安全系数就会提高3.91倍。
这些结果说明,上述组合是最优的成本分布。
因此,考虑成本,并且简单又有效的执行,这种方法使我们能够定量优化安全设计。
6.3计算安全接近运动的新方法
本节提出了一个关于计算安全接近运动的新方法。
在考虑可以接受的危险系数(条件下),这个新的方法使总的危险系数最小化。
该方法选择一个安全路径,使得所有指标都低于可接受的危险指数。
其目的就是避免危险指数的上升。
我们采用新方法来优化多连杆机械手的整个运动,这就是在考虑可接受危险指数(条件下),使总的危险系数最小化。
图11.1显示了(机器人)安全运动计算结果,(条件是)人距离机器人60厘米。
首先,端接头移动,然后整个部分通过弯曲靠近人。
图11.2显示了优化运动的危险指数和速度。
最大的危险指数是0.251,可接受的危险指数是0.26。
我们可以得到一个安全靠近运动,该运动相对速度小,姿态是远离人。
图11.1
图11.2
因此,我们得到了任何关系的人和机器人之间的安全优化运动。
为了充分利用安全优化方法,我们现在把这个方法结合到特种机器人模拟器进行危险评估(图11.3)。
机器人模拟器可以对各种设计和控制进行三维评估,所以这种装置不仅使我们优化实践,还能获得护理机器人的各种安全优化与运动。
7.总结
为了实现护理机器人对老年和残障人士的护理,我们对人和机器人同时共存这个空间(情形)进行了全新的研究。
首先,我们周密地研究机器人或机器对人的损伤,鉴于机械性损伤,我们发现处理安全策略是很重要的。
根据不同的要旨,把它们分为安全设计和控制策略。
为了考虑各个安全策略,(我们)选择冲击力和应力作为安全量化评估指标。
我们提出了安全评估方法,并且定义了危险指数,改善率和总评估指数。
一般安全策略的讨论,证明了我们安全评估方法的可行性。
(同时,我们)理论上学习了护理机器人设计和控制的安全优化方法。
提出了一个优化安全设计和控制的方法,解决了几个优化成本分配的实际问题。
考虑可接受危险指数,通过将总的危险指数最小化,我们提出了一个优化机器人控制的方法,并且优化了一个多链路操纵器的整个动作。
我们将使用危险评估方法来提高护理机器人的整体安全性。
毕业设计(论文)(英文翻译)
专业名称飞行器制造工程
班级学号088106246
学生姓名周宏伟
指导教师肖洁
填表日期2012年3月15日
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- 康复 机器人 安全 评估 方案