康复机器人安全评估方案(英译中).docx

康复机器人平安评估方法1 .序言老年社会即将到来。护理机器人必需实现照看老年和残障人士（的作用），并且工作在老年人四周，和他们接触。因而，工业机器人的传统平安策略不再适应于护理机器人。现在我们有必要重新探讨人和机器人相互依存的平安问题。在这个串节中，我们探讨机器人和机器对人造成的损害，然后将机器人的平安设计和限制策略分类。接着，我们提出个护理机器人的平安评估方法，并给它下定义，描述其平安水平。最终，我们运用我们的方法来评价些平安设计和限制策略，从而证明我们平安评价方法的可行性。这些提出的理论使我们将成本优化的配置到各个平安策略，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）胜利的获得平安性能提高的设计和限制方案。2 .护理机器人平安策略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，损伤的绿由可以分类如下：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）。在这项探讨中，作为探讨目标，我们选择平安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，难以避开机械性损伤。为了保证人在机器人工作空间的平安,很多设计和限制策略是不行或缺的。但很多困难和困难的问题是机器人设计和限制难以避开的。2. 2平安策略的类别我们将平安策略分类如F：1 .接触前平安策略2 .接触后平安策略接触前平安策略考虑尽量削减碰撞前的损害：接触后平安策略考虑削减碰撞后的损伤。和汽车的平安策略类似，前者的平安策略是利用一个防抱死制动系统来避开碰撞，后者的平安策略是利用气嚷或侧门梁汲取冲击。依据机器人运用者或设计师的观点，这个探讨可以按如下分类:1 .平安设计策略（尽量削减损伤的设计）2 .平安限制策略（尽量削减损伤的限制）为了实施机器人平安设计策略，我们已经做好了限制执行器和具有限制功能的非接触式磁性齿轮。其它的平安策略是运用力限制设备，通过利用电流变液，力限制，减震套，倒角等。一些探讨已经实行r平安评价方法，比如制动器装置的危急性和人类限制的平安性。国际平安标准所定义的平安，”自由的不行接受的损害的危急，”从而估计只有损害的危急。这种估计方法缺乏定量基准，因为它依靠于不足查清的数据。此外，这些平安估计方法不同于探讨者的。因而，我们不能比较各种策略。所以我们只有从起先到结束，做个单独的个案探讨。其缘由归结于对平安概念的模糊不清。每个人都认为计算平安或者危急等级是很困难的，（同样，计算）每个平安设计和限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.平安评估方案的提出3.1 平安定量评估的必要给机器人制定一般的平安策略，有必要定义平安评估措施。这些评估措施使我们能够在同规模上对每个平安策略进行比较，并且优化护理机器人的设计与限制。在信息科学领域，博士定义了信息作为博士学位的焙，他有特别先进的信息理论。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样的比较。前者没有对信息质殳清晰的表达：后者不能彻底的表达各种限制性能。但是我们不能否认他们对机器人科学和工程的贡献。假如我们克服一些不同的看法，来定义护理机器人的一般评估措施，格达到类似的效果。3. 2评估方案的选择首先，我们具体审查整个过程的碰撞事故。依据12100,提出了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:损害反生的概率F:频率和持续时间C：考虑冒险时，危害的严峻性N接触人数很多探i寸人员分析了Q：损害发生的概率一一人类操作失误引起的。他们的探讨主题就是如何降低事故发生率，以与如何估计。关于护理机器人设计与限制的关系，以与损害的危急性，（人们）很少留意。在人与机器人失误碰撞的事务中，C的水平：考虑冒险时，危害的严峻性。可以表示如卜丁（只运用主要因子，比如设计和限制）C=fO*gO（11.2）在这项探讨中，我们在肯定程度上探讨了事故发生时“怎么样的设计和限制能将损害最小化”。换句话说，我们的目地是对平安设计和限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，将危急最小化。我们应具有什么样的评价措施？护理机器人1：作在做不规则运动的人四周。在符合前面提到的平安设计与限制策略（分类前提b），我们考虑了一个适当的平安策略，平安设计策略就是在不规则碰撞之后，尽量削减人体的损伤。平安限制策略就是在机假人碰撞前尽量削减损伤。估算碰撞的损害很重要，而估算碰撞发生率则不见得重要。无论碰撞事故的缘由是什么，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. 一般评估理论采纳的评估措施在本节中，我们提出个利用评估措施的般性定量评估理论。首先，我们定义r临界冲击力，即对人体造成损害的最小力。下一步，我们定义危急系数，如卜所示：(20) (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平安评估。在特别状况下，如眼睛，的值特别低，这类身体部位被视为个奇点。这些状况须要另外评估。下一步，我们考虑一些平安策略所产生的总的危急系数。通过运用在限制领域很流行的图块，我们体现出了平安策略尽量削减冲击力的特点。例如，一旦产生冲击力，受平安策略的影响，危急系数将状况传递出来,最终出现损害。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急系数总如乘法式11.4所示，这个方程使我们能够将同一规模的平安策略的有效性进行量化.au=,T(11.4)其中n是平安策略总数，i是平安策略编号。作为一个例子，我们考虑了利用优质减震材料来削减冲击力的状况。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Oo通过利用前面提出的平安策略，这种减震材料的危急系数计算为0.总的危急系数乘以每个系数结果为0.很明显要采纳一般状况。太多的平安策略则会降低机器人工作或操作的实力。解决这个问题的方法是制定一项符合;作实力要求的平安策略。或利用公式11.4计算解决方案和机器人工作效率。这是危急定量评估的一个优势。确定C中击力和改进前的危急系数，改善率可以由公式11.5计算=%=丝丝=”（115）aFtFF在公式11.5被消掉，我们可以简洁的比较之前和之后的平安策略。该平安评估方法的计算如下：1-通过调杳对人体造成损害的因素，作为评估指标。2 .计算每个平安策略的冲击力。3 .由公式I1.3计算危急系数。4 .利用总的危急系数来执行一般的平安评估。5 .通过运行结果对平安策略探讨。这个方法使我们能够对一个或多个平安策略的有效性进行评估。5.推导平安策略的危急系数在本节，（我们）将会给出平安设计和限制的例子，展示危急系数的实际推导（过程）。5.1 平安设计策略仃先，我们为每个平安策略提出一个线性近似模型并且单独（计算）解决。辕近的目的是为了得出平安因素的影响并且尽可能地忽视其它因素。通常，我们制作同时满意全部边界条件影响的模型和方程。当条件变更时,这种方法须要我们重新考虑（各种因素）。假如考虑到更多情形,（这种方法）使方程变得困难，同时增加未知变量。评价和比较平安策略,不仅须要严格考虑全部状况，而且要广泛的量化平安策略。因此，我们利用个线性近似模型运算出平安策略危急系数。这次探讨假设了人和机器人之间的碰撞，每个削减碰撞损害的平安策略都得到探讨。例如一个平安设计措施，降低体重，削减机器人冲击力如卜所示。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急系数计算式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，危急系数将会显示出来。当机器人以1米每秒的速度行走时，危急系数为0.34。假如机器人材料为塑料（密度：1400每立方），危急系数为0.18。总之，体重减半，危急系数也会减半。同样，推导出多个设计策略的危急系数也是有可能的。例如汲取冲击力的软盖，符合平安的接缝，将危急最小化的外形，削减表面摩擦等。计算这些危急系数的的方程可以参考文献10。5.2平安限制策略这项探讨推导出了平安限制策略的危急系数计算公式。假如动态分析或额外参数的考虑是必要的，那么平安性是采纳一些假设来评价。例如平安限制策略,保持矩离的影响如下所示。人和机器人之间有足够的距离，就会有足够的时间来削减或者避开碰撞产生的冲击力。当机器人的靠近加速度在路程1.内变为a时，碰撞时间单元由公式11.8所示。,af1.r2aVIfvf2/=vr/=.-20丫a(1.1.8)碰撞速度变成v-0N.冲击力和危急系数表达式分别为11.9和I1.10.我们认为，冲击力不行能变成负值。f三w(v-t)-(11.9)dt=£=(11.10)Fedt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I1.1.0,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：=1.加力'=0"四"/"O/"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1.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三临界冲击力是490N,也就是人体头部可以承受力的百分之十。在我们自己的条件卜.，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更。但是我们运用490N这个代表数值来实现危急评估。假如须要另外一个的值，那么平安性评估可以用公式11.3计算。当然,例外案件依旧存在，比如眼暗，的值很低，这类部位被视为奇点，须要用另外种方法进行平安评估。依据公式I1.I0,危急系数算的为0.13。当机器人被设置在离人类1米距离内，时间单元，冲击力和危急系数分别为:0.59,24.15,0.049«改进率是3.01。这个结果可以定量的表明危急降低/30%。同样，推导出几个限制策略的危急系数也是有可能的，如接近平安速度和平安态势（有关的数值）等。这些危急系数的计算式参见文献11。6.方案设计优化与应用实例本节提出，利用我们的评估方法，优化设计和限制。6.1优化设计方法的阐述首先，我们计算各个平安方法的性价比。当第i（1.,2,）个平安方法的花费是改善率是?，改善成本。就按公式11.11计算。¢=包1.（IIIDA>,第i个平安方法的改进率小就按公式11.12计算，也就是不断增长的改进率加1,1代表一次改进。4=+M01,2）优化成本安排的实例就是在固定花费下使平安最大化，在固定平安条件下使花费最小化。这些实例运用了三个平安方法：降低重量，形态修改和爱护面。每一个平安方法的单位改善率成本由我们的危急评估方法推导出来。有这么一个平安方法，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亳米）。危急系数由公式11.7计算，改进率由公式I