轻型机械臂物理性人机交互碰撞行为及安全反应策略研究

Due to the features of high load-to-weight-ratio, lightweight and compliance，lightweight robots are widely used as service robot and applied to the unstructured environment and anthropic domains which inevitably occur the physical interaction with human. Therefore, in order to ensure the safety of human during the physical human-robot interaction. The project will be interdisciplinary theoretical resaerch based on robotics, biomechanics, medicine, computer science, cognitive science, create a physical human-robot interaction collision injury index model as well as psychological injury index model, and combination of the finite element method and multi-body dynamics simulation analysis of the human body deformation in the case of complex collision. Innovative crash test dummies, animals, human and other object-based data acquisition and medical imaging detection methods for the experimental means to correct the collision injury index model. The safe reaction strategies of the robotic arm were achieved by using joint torque sensors and variable impedance actuation control method under the physical human-robot interaction. The interaction between cognitive human-robot interaction and physical human-robot interaction was studied based on tactile sensor. Finally, based on virtual reality technology to create a virtual simulation platform, and to evaluate the comfort of user in physical human-robot interaction. This study has great significance in promoting the development of security technology of robot physical human-robot interaction.

轻型机械臂由于其负载/自重比大、质量轻、具有柔顺性而被广泛的用作服务机器人，应用于非结构化环境以及人类领域，从而不可避免的与人发生身体上的交互。因此，为了保证物理性人机交互过程中人的安全，本项目将以机器人学、生物力学、医学、计算机科学、认知科学等多学科交叉理论研究为基础，建立物理性人机交互碰撞伤害指数模型以及心理伤害指数模型，运用有限元方法和多体动力学仿真相结合分析复杂碰撞情况下的人体变形。同时以创新的基于假人、动物、人体等对象的碰撞实验数据采集和医学影像检查方法为实验手段，修正碰撞伤害指数模型；利用关节力矩传感器以及变阻抗驱动控制方法实现机械臂在物理性人机交互碰撞下的安全反应策略；利用触觉传感器，研究认知性人机交互与物理性人机交互之间相互作用的影响；最后基于虚拟现实技术建立虚拟仿真平台，评估用户在物理性人机交互中的舒适感。本研究对促进机器人物理性人机交互安全技术的发展有重要的意义。

轻型机械臂由于其负载/自重比大、质量轻、具有柔顺性而被广泛的用作服务机器人，应用于非结构化环境以及人类领域，从而不可避免的与人发生身体上的交互。因此，为了保证物理性人机交互过程中人的安全，本项目将以机器人学、生物力学、医学、计算机科学、认知科学等多学科交叉理论研究为基础，建立物理性人机交互碰撞伤害指数模型，运用有限元方法和多体动力学仿真相结合分析复杂碰撞情况下的人体变形。利用关节力矩传感器以及变阻抗驱动控制方法实现机械臂在物理性人机交互碰撞下的安全反应策略；利用触觉传感器，研究认知性人机交互与物理性人机交互之间相互作用的影响；最后基于虚拟现实技术建立虚拟仿真平台，评估用户在物理性人机交互中的舒适感。本研究对促进机器人物理性人机交互安全技术的发展有重要的意义。. 本课题的主要研究内容有物理性人机交互安全评价标准—伤害指数研究、物理性人机交互碰撞安全反应策略研究、认知性人机交互增强物理性人机交互安全性研究和实验研究。通过以上研究内容，建立更加接近物理性人机交互碰撞实际情况的伤害指数模型，对无法避免的人机交互碰撞，通过控制做出合理的安全反应策略，提高物理性人机交互的安全性能。. 本项目采用模块化方法设计了一个6自由度的柔性关节轻型机械臂。机械臂总长约1.12m，自重15kg，有效负载2kg。供电电压为24V～48V直流，机械臂速度可达60～90deg/s，可实现关节的位置、速度、力矩的精确控制。关节重复定位精度小于0.05°，转换到笛卡尔空间机械臂末端的重复定位精度可达0.1mm。. 本研究的头部伤害指数将极限HIC参数转化为机械臂的运行安全速度Vsafe。胸部伤害仍然采用胸部粘性标准(VC)。通过LS-DYNA软件仿真得出人-机械臂碰撞速度从0.8～1m/s时，头部伤害指数HIC15=65.18～133.87，远小于安全指数1000。胸部黏性标准VC值小于等0.055mm，不会对胸部产生严重伤害。本项目的研究成果将有效的促进轻型机械臂的设计、研发以及应用，满足轻型机械臂在家庭服务等领域对机器人安全性和可靠性的迫切要求。