机器人在人机交互过程中的安全性研究进展

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10、l第21卷2011年性有 直接关系，见式(5) o因此增加接触面弹性(降)低接触刚度也成为提高机器人安全性的重要措施 之一。增加接触面弹性的直接方法是在机器人连杆上包裹一层黏弹性材料(vec , viscoelastic covering) 44 45,该包裹物与 人体接触时的物理模型可以简化为并联的弹簧阻尼阵子可以进一步得到接触力为 f ( t)=兀x el y el g ( 2 3 46 时和之后，机器人仍处于位置控制模式，人与机器人。，之间的作用力是不可控的因此关节柔顺设计可但不能彻底解决安 全性问题。黏弹以提高安全性，性包裹材料作为事后控制的另一种手段，也可以有效降低冲击力和伤害程度，

11、但单纯依靠黏弹性材料必须配合其他方也是无法从 根本上得到安全保障，法才能取得更好的效果。所有这些提高机器人安全性的方法目前还停留在理论研究与试验验证阶段，实际应用的案例少之又少。因此，机器人安全性问题远没有从根本上解决，特别是对于高速大功率机器人，要实现人机共处或人机交互条件下人的安全性是非常困难的。困难主要在于3个方面：安全性评价问题，即现有安全性指标计算结果是否真正反应实际的危险程度或者 伤害程度，目前不论是危险指数还是头部伤害指数均为经验性算法，有进一步完善的空间。安全性计算的实时性问题，撞击是瞬时性的，在即将撞击或撞并 作出进一步 击过程中需要实时计算安全性指标，判断，对实时性提出了极

12、高的要求。（潜在）撞击能量的主动控制问题， 具有一定惯量和速度的刚体 要在瞬 时停止或反向，需要实时对机器人能量作出 对机器人系统是巨大的考验。有力调控，,如图7所示。由此 1 m + gm vc t vcqm + z z el el k 7）式中：x el为人体与黏弹性材料接触椭圆区域的长轴 m; y el为人体与黏弹性材料接触椭 圆区域的 直径，m； z el为人体与黏弹性材料接触椭圆区 短轴直径，m； v c为 撞击时机器人的速度，m / s；域的深度，g m为黏弹性材料的弹性模量， pa；4mfe黏弹性材pas。料的黏性系数，黏弹性材料不仅可以大幅降低撞击时 的接触力f （ t）,而且

13、由于黏弹性材料与人体接触面积变大，伤害程度会进一步降低。因此，只要选择合适参数 的包裹材料，就可以有效提高撞击时人的安全 性。但仅靠黏弹性材料并不能完全保障人的安全性，还需要采取进一步控制措 施使撞击接触力限制在一定 13 范围内。7结论1 ）机器人安全性问题不能 仅停留在一种控制算法或者一种驱动设计上，而应综合考虑并贯穿于机器人设计 的每个环节。2 ）应把事前与事后控制方法相结合，或者多种事前控制简化危险 指数的算事后控制方法相结合， 图7 fig. 7 vec缓冲模型法，事后控制可以引 入力控制方法，通过力的主动控 对于限制撞击时的冲击力以 制快速调控连杆能 量，及可能的多次撞击应该是一种

14、更有效的方法。3 ）安全性是人机交互作业最本质的要求，除了采取软硬件措施确保机器人安全性的客观属性外，还需要进 一步研究人与机器人交互过程中人的感 受、心理等主观属性，以便于更加客观准 确的评估安 全性问题。机器人安全性涉及人工智能、 信息处理、先进控制等多 学科理论与技术，需要重新审视安全性在机 器人设计基础理论研究方面提出的新 挑战。安全性是机器人进入家庭、 办公场所与人共处，以及人机交互作业所必 须具备的本质属性，没有安全性，一切都无从谈起。鉴于此，有关机器人安全性 的研究，特别是在安全性评估和机器人设计与控制方面还需要做 vec buffering model 5机器人安全性面临的实际

15、问题现有事前控制方法基于危险指数进行路径规 划和安全控制，尽管理论设计比较完善， 但实时性要求 高，且需要大量的人机 交互信息作支撑，实用性受到较大限制。关节柔顺设计作为主要的事后控制手段，能够显著提高机器人的安全性，出现了形式多样 的柔顺设计方法。关节柔顺设计的出发点是通过降 低电机转子惯量到连杆的耦合作用来提高安全性的，而连杆本身(也包括负载)的惯量和所具有的能 量，关节柔顺设计却无法控制。而且在撞击发生之第11期吴海彬等：机器人在人机交互过程中的安全性研究进展85大量基础性的研究工作，并不断推进安全性设计理。美国、韩国等国家在 论和方法的 发展与完善日本、这一领域已经取得相当的进展，随着

16、机器人技术的 机器人安全性研究 发展以及生产生活的实际需要，。已经越来越迫切 我国在这方面的研究尚 未引起足够重视，希望今后能够加强这一领域的研究工作。参考文献1jeongmin lee, bumseok park, yongseok lee, et al. the development of 6 d. o. f. robot manipulator with humanfriendly design a . ieee / asme international conference on advanced intelligent mechatronics c . switzerland, 2

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