在与不同级别的工业机器人互动中确保人身安全的新策略外文翻译资料

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在与不同级别的工业机器人互动中确保人身安全的新策略

摘要

人与工业机器人之间合作的需求呈指数增长，特别是在生产应用中。 但是，人身安全是主要问题，阻止了人与工业机器人之间没有任何保护的合作。本文介绍了在与重载工业机器人进行各种级别的交互时，确保人身安全的新战略的要素。提出的方法是将人机交互（HRI）分为四个级别。 在每个级别，都会开发和分析各种安全功能。已经开发了一种用于在交互过程中对危险进行分类的附加算法。在HRI平台上对提出的方法进行了测试和分析。

关键词：安全 人工方面 有认识的机器人

1 介绍

众多科学家和研究人员热切期望建立一种真正的工业应用，使人类和工业机器人可以安全有效地无障碍协作。近年来已经发布了各种ISO标准，为实现这一目标铺平了道路。ISO 10218-1 / 2^[1]于2011年发布。它具有各种安全要求，这使得工业机器人更适合在协作工作区中与人一起工作。但是，程序受到了非常大地限制。他们消除了人与工业机器人之间的任何直接交流。2016年，发布了ISO / TS 15066 ^[2]以补充ISO 10218-1 / 2，并为人机交互（HRI）提供更多的指导和安全方法。在此ISO标准中，已定义了四个协作操作：（a）安全级监控停止：只要人类在这个区域内，机器人被禁止进入协作工作区。当机器人系统处于协作工作区中，并且人员进入该区域时，将激活安全等级受监视的功能，并且机器人的运动将停止。(b)手动引导:在此操作模式下，人进入协同工作空间，系统启动安全等级监控停机。现在人类有可能启动一个引导装置来激活机器人的运动。机器人的动作也可以响应人类的指令。（c）速度和分离监控：机器人速度与机器人和人之间的安全分离距离直接相关。每当距离较小时，机器人应变慢。（d）限制力量和力量：由机器人引发的偶然接触应具有有限的影响，以避免对人体造成伤害。这也意味着机器人设计应消除任何夹点或尖锐边缘。此外，机器人应该能够顺从并在接触时做出反应。

当前ISO标准中描述的安全性要求提供了一种指导而不是明确的标准。此外，许多问题仍然模棱两可，例如，如何定义人与机器人之间各种交互级别所需的安全功能？每个级别应采用哪些操作功能和方法？需要哪些人体特征（例如，整个身体，手势，面部表情，准备状态等），并应该对其进行精确检测？在每个交互级别期间应测量或控制哪些机器人参数？为了确保人与工业机器人之间安全有效的交互，还需要讨论和系统地分类，这导致了新的研究方法。

下一节简要介绍了有关HRI中安全程序的最新技术。第3节介绍了行业中人与机器人之间最需要的交互类型，并使用新开发的四级分类系统对它们进行分类。第4节中将会说明在每个新的交互级别中建议的安全功能和所需的功能。第5节介绍了新开发的HRI平台，包括各种策略级别的结果。最后，将讨论并总结提出的方法。

2 目前研究状况

之前的工作^[3,4]根据其功能将HRI系统分为“工作空间共享”和“时间共享”。在工作空间共享系统中，人和机器人执行单独的任务。在分时系统中，人类和机器人共同执行一项任务。许多论文都集中在与工业机器人交互期间人的安全上。他们从不同方面讨论了安全性。例如，文献^[5]讨论了人类机器人工作场所的安全设计，而在^[6]中，增强现实系统已用于人类和机器人之间更安全的交互。^[7]集成了不同类型的传感器，以确保在与工业机器人交互过程中的人员安全。 ^[8,9]等其他论文也开发了特殊的机器人控制策略和安全控制器。^[10]甚至评估了人机交互过程中可能发生的与机器人速度，机器人质量和环境约束有关的伤害。隐马尔可夫模型（HMM）在^[11]中已用于装配任务中。他们分析了联合装配工作的过程，该过程只有一个人在助理机器人在场的情况下进行。在^[12]中，开发了一种概率方法来确保共享装配任务中的人员安全。^[13,14]提出了基于深度图像的高级视觉算法，以确保人身安全。通常，大多数已开发的算法和提出的安全功能从一个方面考虑了特定任务的安全程序，而没有考虑人与机器人之间所需共享任务的差异。相反，该项研究提出了一种定义通用安全功能的方法，该方法可以应用于不同类型的HRI。

3.人与工业机器人之间的交互级别

提出的方法集中于安全程序非常严格的共享工作空间。它已考虑到人类和机器人的某些最需要的工业任务类型及其变化。此外，根据交互的程度，提出了一种新的分类策略。根据这种方法，工业中大多数可能的HRI可以分为四个交互级别，如表1所示。

表1 提出和分析的HRI的四个等级

3.1 没有共享任务的共享工作空间

此级别是当人员由于工作空间或流程受限而需要在机器人附近工作时，定义为没有共享任务的共享工作空间。人和机器人都有各自的任务。但是，机器人或人应该在中间存储区中为他们的伙伴准备工件组件。因此，他们在共享的无栅栏工作空间中工作。该工作空间实际上可以分为人和机器人两个区域。人可以在其区域内移动，而机器人也能以其最大允许速度在其区域内自由移动。但是一旦人员进入机器人区域，系统将记录危险状态，并且机器人将直接停止。人工区域是静态区域，而机器人区域可以配置为动态区域（与机器人运动耦合），也可以配置为静态区域（将机器人限制在特定定义的区域内）。

3.2 共享工作空间，无需身体接触即可共享任务

在这个级别上，人与机器人都有共同的任务，但是合作非常少。可以将第三个区域（参见表1，级别2，区域2）配置为协作区域。人与机器人之间没有直接接触。机器人只能朝着人移动到预定位置以辅助他/她作为第三只手，它可以在人执行组装任务时牢固地握住组件。在协作区域，机器人应根据与人类的距离降低速度。

3.3 共享工作区，共享任务“移交”

在此级别上，共享任务包括人与机器人之间的直接移交。然而，物理相互作用被完全排除。当机器人从预备生产线带来所需的组件/工具并将其直接移交给装配线上的人员时，将给出第3级的合适示例。当机器人从人的手直接抓住所需的组件/工具时，存在另一种可能性。在合作区域内，可以定义一个特殊区域进行移交。在该区域中，应实施混合控制。它允许机器人对人手的运动做出反应，并在自由空间中跟随它。

3.4 共享的工作区，具有物理交互的共享任务

在此级别上，物理HRI是完成任务所必需的。例如，机器人可以将重的部件带给人或靠近装配线的预定位置，然后人可以通过使用人的力量将机器人引导到最终位置。

4.提出的安全功能

基于四个新定义的交互级别，开发了一种分类策略，来分类需要的安全功能，并在考虑到ISO标准的情况下定义应检测到哪些人为特征以及应监视或控制哪些机器人参数。该策略旨在通过使用传感器和算法的最佳功能，同时从第一阶段的交互作用开始到第四层的最复杂的物理交互作用，同时建立安全有效的HRI。

表2说明了每个合作级别可能需要的几种建议的安全功能。根据人与工业机器人之间的合作类型，安全程序应严格。只要人类与机器人的互动程度更高，就应该检测和控制有关环境（人类和机器人）的更多信息。根据ISO / TS 15066，基本安全功能是安全级监控停止。在所有交互级别上都需要此功能。当人进入机器人区域（不允许进入的区域）时，反之亦然，机器人应考虑制动距离而停止。该功能的主要目标是计算人与机器人之间的距离。确保在检测到人/机器人的地方允许其存在。另一个重要的安全功能用于检测事件，这些事件描述了机器人附近的人为行为。不幸的是，这个问题在标准中被完全忽略了。在这项研究中，已经开发了特殊的分类器，用于根据视觉信息来检测这些事件,例如 （1）关联：人类触摸了机器人（物理相互作用）。（2）被掩盖：机器人已经掩盖了人类。（3）分开：人与身体的互动是分离的。（4）没有遮盖：人突然出现在远离入口等地方。检测这些事件对于确保人员安全很重要。例如，在不使用开发的安全功能检测覆盖事件的情况下，视觉系统可以记录工作空间中没有人。因此，机器人可能会全速运动，并且可能发生致命事故。另一个事件是链接事件，应该在交互级别1或2中将其记录为危险事件，因为在这些级别上，不允许人类触摸机器人。但是，在交互级别3或4中，它可以是可选选项，具体取决于区域类型。这些事件可以称为故障事件。

其他三个安全程序是作为主要机器人参数（位置，速度和力）的函数工作的。根据合作级别，建议应监视哪个参数，并控制哪个参数。应该在所有四个级别上观察机器人的位置。但是，只有在人与机器人之间直接合作时才需要位置控制，例如在第3级和第4级中就是这种情况。位置控制可以是级别2中的可选选项，具体取决于所需的任务。机器人速度应从级别2开始进行监视和控制。速度控制算

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