康复机器人安全评估方案.docx

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a，如下所示：
a= (a≥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a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)
a= (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