Ember-robot kölcsönhatás. Biztonsági kihívások

A PhD disszertáció összefoglalója

Ember-robot kölcsönhatás. Biztonsági kihívások

(Az ember biztonságát szolgáló integrált keretrendszer)

Doktorjelölt:

Ogorodnikova Olesya

Témavezet ı :

Prof. Dr. Somló János

Budapest 2010.

M Ő EGYETEM 1782

Budapest Budapesti M ő szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar

Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék

1

1. A kutatás el ı zményei

Az utóbbi négy évben az ember-robot kölcsönhatás (HRI) biztonsági kihívásai álltak a kutatásaim középpontjában. Foglalkoztam a robotok megbízhatóságának kérdéseivel, a kockázatértékeléssel, a bonyolult feladatokban alkalmazott biztonsági elıírásokkal és szabványokkal, a robotok kritikus fizikai jellemzıivel, a biztonsági berendezések jeladó rendszereivel, valamint az emberközpontú robotizált munkahelyek tervezésének ergonómiai és emberi tényezıivel. [26]-[32] Kutatói érdeklıdésemnek egyaránt részét képezték az ember- robot kölcsönhatás fizikai és megismerı aspektusai. A kutatás elsısorban a körülvevı környezet hatásait az érzékelési képességekre, az emberi döntési mechanizmusokat, a kezelıszemélyzet robotokkal szembeni viselkedését, fıleg amikor robot közelében dolgoznak célozta. [24], [26] A fenti, különbözı kérdések integrált feldolgozásának szükségességétıl indíttatva, munkámmal egy olyan keretrendszer fejlesztését tőztem ki célul, amely tekintettel van az integrált jellegre, az emberi tényezıkre, a robotjellemzıkre, az interfész- tulajdonságokra és a környezeti feltételekre. Ezen törekvéseknek megfelelıen kidolgoztam egy olyan szakértı rendszert, amely bár a hagyományos biztonsági szabályozásra épül, képes integrálni a fejlett alkalmazások biztonságához újonnan javasolt elképzeléseket. [27], [32]

A rendszert felkészítettem arra, hogy egy olyan interfészen keresztül kommunikáljon a tervezıvel, amely elvégzi a veszélyelemzést és a kockázatbecslést, majd pedig elıállítja az eredményt – javaslatokat arra, hogyan lehet csökkenteni a kockázatot adott feltételek mellett.

Mindemellett egy olyan aktív ER interfész fejlesztésén is dolgoztam, amely növeli az ember veszélyérzékelését a körülvevı környezet irányából, fokozva ezzel a biztonságot az ember- robot együttes létezése és együttmőködése során. Ebbıl a célból indítványoztam az ember számára egy sor mőszer használatát, amely aktív tapintási és vizuális ingerekkel látják el ıt, amikor egy veszélyes helyzet elıáll. [28] Jelen kutatást egy olyan integrált biztonsági rendszer fejlesztésének szenteltem, amely képes összekötni az összes, együttmőködést igénylı munkahelyen lévı ember biztonságát és kényelmét szolgáló, korábban alkalmazott nézıpontot. [30]-[34]

2. Összefoglaló

A dolgozatban kifejlesztett Biztonságfelügyelı Rendszer egy olyan integrált keretrendszer, amely magában fogalja a Biztonsági Szakértı Rendszer (SES), a Biztonsági Mód Vezérlı (SMC) és az Emberi Veszélyérzet Interfész (HAI) egységesített mőveleteit. A szakértı rendszer által létrehozott protokollok, a biztonsági kritérium (veszélyindex) és a mőködései módok a biztonsági rendszer meghatározó elemei.

A szakértı rendszer fejlesztésének az volt a célja, hogy ellássa a felhasználót (tervezıt) a munkahely-ergonómiai és az emberi tényezık részletes elemzésével, a feladatra vonatkozó veszély- és kockázatértékeléssel, amely a kockázatcsökkentés és a védelemkezelés módszerekkel tovább mérsékelhetı. A tudásalapú rendszer Következtetı Motorja a fuzzy elmélet alkalmazására épül, amelyet más technikákkal ötvözve, hatékony eszköz jött létre a különbözı ismeretek megjelenítésére és feldolgozására. Ennek kimeneteként a rendszer egy olyan jegyzıkönyvet készít, amely a késıbbiekben felhasználható a biztonsági mód vezérlı mőködési algoritmusához.

A veszélyindex fogalmát abból a célból vezettem be, hogy elérhetı legyen a különbözı kölcsönhatási szinteken végzett együttmőködés során. A két komponensbıl álló index lehetıvé teszi a biztonsági távolság felügyeletét, és minimalizálja az ember súlyos sérülésének

2

valószínőségét ütközés esetén. A veszélyindex az ember-robot ütközési modellen alapul, ahol a veszély valószínőségének értékelésekor számításba vettem az ember sérülés- és fájdalomtőrı képességének küszöbét (fej), a robotkar szerkezeti és dinamikai jellemzıit (effektív tömeg, tehetetlenség, szilárdság, sebesség) valamint a fejsérülési kritériumot (HIC).

A megkapott biztonsági kritériumot a biztonsági mód vezérlı felügyeleti algoritmusa használja, minden egyes, valamely kölcsönhatási szinthez tartozó, biztonsági mód határértékeinek meghatározásához.

A Biztonsági mód vezérlıt önálló modulként valósítottam meg, amely felügyeli az összekapcsolt elemeket (robot, védelmi berendezések, meglévı érzékelı eszközök, vészjelzı rendszer) a biztonsági kritérium és az elıre definiált átmeneti szabályoknak megfelelıen.

Ennek mőködési algoritmusa a biztonsági mód felügyeleti paramétereinek definíciójára, illetve azok folyamatos szabályozására épül.

Az emberi veszélyérzet interfész egy olyan viselhetı eszköz, amely rezgı-tapintó és vizuális ingerekkel igyekszik kiváltani vagy fokozni a kezelıszemélyzet helyzeti veszélyérzetét a körülvevı környezettel szemben, konkrétan azokkal a veszélyekkel és balesetekkel szemben, amelyek bekövetkezhetnek a rendszer meghibásodása, illetve annak következtében, hogy a robotkar túllépi a kritikus határait.

Az átfogó biztonsági felügyeleti rendszer egy olyan integrált biztonsági keretrendszer, amely garantálja a szükséges biztonsági szintet az együttmőködést igénylı feladat teljes végrehajtásának idejére. Bármilyen meghibásodás vagy ellentmondás esetén a rendszer az elıre definiált eljárásoknak megfelelıen válaszol, felhasználva a veszélyesemény kiértékelésének szintjét, ezáltal csökkentve egy lehetséges baleset súlyosságát és bekövetkeztének valószínőségét.

3. A téma aktualitása

Az utóbbi idıben sok kutató helyezte a hangsúlyt arra a lehetıségre, hogy a robotok a szigorú értelemben vett ipari környezeten kívül, a gyógyászatban, az irodában vagy otthon nyújtsanak segítséget az embereknek.

A robotok strukturálatlan, emberekkel zsúfolt környezetben való alkalmazásakor jelentkezı kritikus problémák egyike a védelem, általánosabb értelemben a megbízhatóság biztosítása, ami egyesíti magában a fizikai védelmet és a mőködési határozottságot. Az emberek és a robotok közözi együttmőködés megfizethetı, amennyiben garantált az ember védelme és kényelme a feladat végzése során. A perspektívaváltásban bekövetkezett legfontosabb változás az ipari manipulátorok optimalitási kritériumával kapcsolatos, ahol a biztonság és a megbízhatóság a kulcsai a közvetlen kölcsönhatásnak, illetve a robotok emberi környezetekbe való sikeres bevezetésének.

A biztonság kérdését sok területen tárgyalják. A gyári robotbiztonság legfontosabb szabványa az ANSI/RIA R15.06-1999 [1]. Ez a szabvány az olyan ipari környezetben dolgozó személyzet biztonsági követelményeit tartalmazza, ahol robot-manipulátorokat alkalmaznak. Más, az egész világon elterjedt szabványok: az EN 775 európai szabvány (“Az ipari robotok vezérlése”) [2], illetve ennek a nemzetközi megfelelıje, az ISO 10218 (“Robotok az ipari környezetek számára I.”, “Ipari robotizált rendszerek és az Integráció II.”) [3], [4]. A pontosabb meghatározások lehetıvé teszik az együttmőködést az elıírt sebesség- és erıhatárok betartásával, azonban az eset, amikor a robotok és az emberek megosztják a mőködési területüket, nincs teljesen világosan tárgyalva.

3

Az OSHASoft veszélyérzet szakértıi rendszer biztosítja a szisztematikus veszélybecslést, megszemélyesít egy veszélyérzet tanácsadót, valamint segíti megérteni az általános foglalkozási biztonságot és az egészségre ártalmas veszélyeket a munkahelyen. [5] Egy másik, nemrégiben feltőnt szakértıi rendszer, a “Designsafe”, egy olyan kiértékelı eszközt ad a kezünkbe, amely végigvezet egy feladatalapú kockázatelemzés lépésein, támogatja a tervezıket a potenciális veszélyek és kockázatok értékelésében, elısegítve ezzel a balesetek elkerülését. A rendszer a szabványos megközelítésen alapuló biztonsági kézikönyvek és kiértékelések alapján mőködik. [6] Azonban e rendszerek egyikes sem képes ellátni a tervezıt világos tanácsokkal a feladatfüggı biztonság/veszély szintjérıl, a szükséges munkafeltételekrıl valamint azokról a védelmi rendszerekrıl, amelyek szükségesek az ember- robot kapcsolatban a feladat végrehajtása során.

A nem robotos és a robotos területeken egyaránt több szabványos mérıszám jellemzi a sérülések súlyosságát. Az autóipar volt az elsı, ahol mennyiségi mértéket definiáltak az ütközések során fellépı sérülések értékelésére. Az autók törési tesztje alapján kidolgozták a rövidített sérülés skálát (AIS). [7] A sérüléseket osztályokba sorolhatjuk, melyek összekapcsolják a sérülés típusát („jelentéktelen”, „közepes”, „kritikus”) a következményekkel, illetve egy sorszámot adnak 0 és 6 között, azonosítva ezzel a sérülés súlyosságát. Azonban ez a minısítı skála semmilyen utalást sem tartalmaz arról, hogyan lehet mérni az ember robottal való ütközésekor fellépı sérüléseket, így nem használható a HRI területén, mint ahogy arra [8] kutatás is rámutat. Sok kutatás arra irányult, hogy áttervezzék a robotszerkezetet, kihangsúlyozva ezzel a biztonsággal kapcsolatos vezérlı és tervezési eljárásokat. Példaként tekintsük az Elosztott Makro-mini (DM2) módszertant [9], ahol a cél a manipulátor-kar tehetetlenségének csökkentése. A [10] munkában javaslatot tettek az erı/impedancia-vezérlésre. Az emberi környezetben mozgó sokcsuklós robot mozgástervezésére használható rugalmas sávszerkezetet mutattak be a [11]-ben. A csuklónyomaték-vezérlés integrálását a nagyteljesítményő mozgatással és a könnyősúlyú, összetett szerkezető robotokkal valamint a biztonsági jellemzıkkel Hirziger és társai javasolták a [12]-ben. Emellett több mozgástervezı megközelítés is létezek ezzel kapcsolatban, melyek többnyire a mesterséges potenciális mezıkön, illetve ezek algoritmikus és heurisztikus változatain alapulnak [13].

Néhány HRI biztonsági vezérlı az ember robot érintkezésénél fellépı ütközési erı minima- lizálására épül. [14] A [15] munkában a szerzık egy ún. kapcsolati erı-függı veszélyességi indexet használnak a veszélytelen kölcsönhatás biztosítására. Az index az aktuális erı viszonyát fejezi ki a legnagyobb “nem veszélyes” ütközési erıhöz képest. A [16] munkában az MSI (Manipulátor veszélyességi index) felügyeletét indítványozták, azonban néhány paraméter között fennálló ellentmondás következtében ez a kritérium nem tükrözi az adott konfigurációjú robot által jelentett valós veszély mértékét. A fizikai biztonságot kiegészítették a „mentális biztonság” fogalmával, vagyis a robot mozgásának tudomásulvételével, amellyel a munkavégzés során elkerülhetık az ijedelmet keltı helyzetek és a hirtelen mozdulatok. [17].

Azonban, a bemutatott nagyszámú megoldás ellenére a leghatásosabb út a biztonságról való gondoskodásra a robotszerkezet újratervezése marad, míg legszélesebb körben az ember és a robot elkülönítését alkalmazzák. A fenti két megoldás nem használható sem ipari környezetben, ahol problémát jelent a már létezı robotizált rendszer újratervezése, sem pedig az együttmőködést igénylı feladatokban, ahol elengedhetetlen az ember-robot együttes munkavégzés.

4

4. A kutatás motivációja és céljai

A nagyon nagyfokú automatizálás nem feltétlenül a legmegfelelıbb megközelítés a gyártás számára. Amikor a termelésben kis darabszámú, eltérı tervezéső elem szerepel, és megnövekedik a feladat összetettsége, az infrastruktúra, az átprogramozás és a tesztelés magas költsége különbözı termelési megoldásokhoz vezet. Napjainkban a robotok képességeit - korlátozott módon - olyan haladó szintő feladatok teljesítéséhez használják, amelyek magas fokú érzékelést és ügyességet igényelnek. Ezeket a képességeket még mindig nehezen lehet elérni robusztus és költséghatékony módon.

Az ember szenzoros/motorikus képességei, ismeretei és ügyessége hatékonyan kombi- nálható a robot elınyeivel (pl. erı, kitartás, gyorsaság és pontosság). Együtt dolgozva az emberrel a segédrobotok - kiegészítve a speciális feladatok kezeléséhez szükséges képességüket - alkalmasak arra, hogy lefedjék a legkülönbözıbb feladatok széles spektrumát.

Az emberrel való kölcsönhatás során, a robotoknak képesnek kell lenniük az alapvetı tevékenységük végrehajtására, ami magában foglalja a tervkészítést, a navigációt, a vizsgálatot és a mőveletvégzést.

Az Ember-Robot Kölcsönhatás (HRI) területe lefedi az alkalmazások széles körét, ahol az együttmőködés különbözı kölcsönhatási szinteken valósulhat meg a legváltozatosabb veszélymértékekkel. Néhány feladat igényli az ember nagyon közeli jelenlétét, illetve a robotelemekkel való érintkezést. Más feladatok esetén pedig a távoli felügyelet is elegendı lehet. Minkét esetben az ember és a robot mozgásai valamint munkaterei átfedhetik egymást.

A robotok közvetlen közelében dolgozva nagy valószínőséggel feltételezhetı egy váratlan érintkezés, amely fájdalmat, illetve az emberi test sérülését okozhatja. Ennél fogva alapvetıen fontos vizsgálni a test tőrıképességét ezekkel a nemkívánatos ütközésekkel szemben, valamint ezt figyelembe venni az ember-robot (h-r) rendszerek tervezése során.

Az emberek jelenléte a robotok mőködési területén belül a veszélyes helyzetek lényeges kockázatát hozza számukra. Ezért kritikus az, hogy csak megbízható robot-rendszereket telepítsenek az ember-robot együttmőködést igénylı feladatok végzésére. A biztonság és a megbízhatóság lesz az egységes kritérium a jövı technikai kihívásai számára, az emberi környezetben mőködı robotok tervezése és vezérlése során. Sajnos, jelenleg a piacon elérhetı ipari robotok többségének mechanikai szerkezete és a fizikai jellemzıi nagyon távol vannak ezektıl az elvárásoktól, és az emberi sérülésesek keletkezésének magas kockázatát hordozzák.

Az ember biztonságának garantálása érdekében fontos, hogy a jövıben olyan biztonsági rendszereket fejlesszenek, amelyek figyelembe veszik a robot mechanika jellemzıit, valamint a pályatervezés és vezérlési stratégiák biztonsági jellegzetességeit.

A dolgozatban bemutatott kutatás alapvetı céljai voltak: a munkafeladatokkal kapcsolatos lehetséges veszélyek azonosítása, helyes védelmezı stratégiák kifejlesztése, és egy olyan integrált biztonsági rendszer készítése, amely garantálja az ember biztonságát, amikor az a robot munkaterületén belül dolgozik. Ezzel a céllal elkészült egy együttmőködési munkatér, ahol az ember biztonságát a kölcsönhatás során az off-line kockázatértékelı és –csökkentı eljárások, valamint az on-line biztonsági felügyelı rendszer együttesen határozzák meg. A munkafeladat végrehajtása során a vezérlési stratégia a biztonsági módok és a veszélyindexek felügyeletével érhetı el. A biztonsági módokat a Biztonsági Szakértı Rendszer értékeli és hagyja jóvá, amelybıl következik a biztonsági és az ergonómiai elıírások teljesítése, összhangban az azonosított kockázatkategóriával és a kapcsolati szinttel. A kölcsönhatás során az ember éberségének és a helyzethez illı veszélyérzetének fokozása érdekében kiegészítı, személyes védırendszerként bevezetésre került egy karra erısíthetı rezgıérint-

5

kezı felület. Ezt a interfészt magában foglalja a teljes biztonsági rendszer, ezért az elıre definiált biztonsági szabályokkal összhangban mőködik.

5. A Biztonsági Rendszer Leírása

A javasolt biztonsági rendszer szerkezete a következıképpen jellemezhetı: ez egy négy szintbıl felépülı integrált védelmi rendszer, amelyet az ember-robot kölcsönhatás alaptermészete határoz meg (1. ábra) Az elsı szinthez (L1) azok a munkafeladatok tartoznak, ahol az ember (operátor) és a robot munkaterülete átfedésbe kerül a feladat végrehajtása során, és ahol a fizikai érintkezés is megengedett. A következı szinten (L2) a szereplıket egy láthatatlan határ választja el egymástól, amely határ származhat a munkafeladat szétosztásából, vagy a vezérlési stratégiából. A munkafeladat sajátosságaként az ember a feladatának végzése során igen közel kerülhet a robothoz. Sıt ezen a szinten az ember beléphet a korlátozott területre is, azonban nem kerülhet a robot mőködési terébe. A harmadik szint (L3) távol helyezkedik el a második szinttıl, azonban az operátor továbbra is elérhetı lehet a robotkar által, így védtelenül állhat bizonyos veszélyfok vagy serülési kockázat elıtt.

Végezetül, a negyedik kölcsönhatási szint (L4) - a definíciója szerint - kívül esik a robot mőködési környezetén, azonban ez a terület sem védett az eldobott objektumoktól, illetve a felszabaduló energiától. A szintek szétválasztása fıleg a robot szerkezeti és mőködési jellemzıitıl, valamint a munkafeladat elıírásaitól függ. Az emberi fiziológia (antropometria, biomechanika) és pszichológiai (magatartás) aspektusai egyaránt megjelennek a különbözı szintek szétválasztásában.

1. ábra Biztonsági Rendszer Architektúra

Minden robot munkafeladathoz és emberi szerepkörhöz tartozik egy bizonyos kölcsönhatási szint, amely azzal teszi lehetıvé a zónák elkülönített felügyeletét, hogy minden idıpillanatban a Biztonsági Rendszer összetevıitıl kapott, elıre definiált paraméterkészlet alapján vezérel.

Ezt a felügyelı rendszert Biztonsági Mód Vezérlınek hívjuk, a felügyelt zónákat pedig Biztonsági Módoknak (2. ábra, Mi). Az integrált Biztonsági rendszer fıbb összetevıi: a

6

Biztonság Szakértıi rendszer, a Védelmezı és Emberérzékelı Rendszer, a Robotvezérlı (Robot) és az Emberi Veszélyérzet Interfész (Ember). A rendszer elemeit a Biztonsági Mód Vezérlı kapcsolja össze, amely a minden egyes biztonsági módhoz (kölcsönhatási szinthez) elıre meghatározott biztonsági kritérium alapján mőködik.

A Szakértı Rendszer az off-line munkafeladat-leírással és a kapcsolódó kölcsönhatási szinttel együttesen biztosítja (i) a veszélyelemzést és a kockázatbecslést, (ii) a munkafeladat kockázat-kategóriájának megfelelıen értékeli az ergonómiai és védelmi feltételeket, (ii) elemzi az emberi tényezıt és a feladattal járó szellemi és fizikai terhelést, (iv) eredményképpen pedig elkészít egy jegyzıkönyvet (protokollt), amely megmutatja, hogy a rendszer készen áll (vagy sem) a munkafeladat végrehajtására.

A robot kritikus jellemzıit részlegesen szintén értékeli a Szakértı Rendszer, ahol a felhasználó (tervezı) meghatározza a manipulátor típusát és mőködési paramétereit. A kölcsönhatási szint, a feladatleírás, az emberi szerepkör és a robot fizikai jellemzıi ismeretében a biztonsági mód a biztonsági kritériumnak megfelelıen szabályozhatja a megfelelı zóna vezérlését. Közelebbrıl nézve, a kölcsönhatás további korlátozó elıírásokat jelent a mőködési paraméterekre. A biztonsági kritérium pedig elsısorban a veszélyindex- metrika kutatásán alapszik, amely magában foglalja az erı/gyorsulás és távolság következtében fellépı veszély mérését és értékelését.

A veszélyforrástól való távolság kiértékelését közelségi jeladók (letapogatók, kamerák stb.) segítik, amelyek minden pillanatban továbbítják az operátor helyének adatait. A felügyeleti paraméterek és a mőködési algoritmusok változnak az aktuálisan aktivált Biztonsági Mód és a környezeti feltételektıl függıen. Az ember és a robot közötti biztonsági távolság megtartása egy általános biztonsági kritérium, ami az alapértelmezés szerint elıírás az érintkezés nélküli kölcsönhatások során (DiL1-4). Az egyes biztonsági módokhoz tartozó ellenırzött távolságokat a robot szerkezeti és mőködési jellemzıi valamit az emberi tényezı fiziológiai és pszichológiai igénybevétele (vizuális, elérhetıség, “biztonságérzet”) alapján azonosítják. (2.

ábra Li)

Az erıvel/gyorsulással kapcsolatos indexet minden olyan szinten vizsgálni lehet, ahol valószínősíthetı az ütközés. Ezen kritérium határain belül szintén 4 szint található, ahol elıre nem látott érintkezés következtében az embert sérülés vagy fájdalom érheti.

Az elsı veszélykritérium (Dif1) a “fájdalom nélküli”, a második (Dif2) a “sérülés nélküli”

szinteket jelöli, míg az utolsó kettıt (Dif3, Dif4) az “elviselhetı sérülés” szintjeinek nevezhetjük. A rövidítéseket azzal a megfelelı kölcsönhatási szinttel egyetértésben választottam meg, ahol ezt a kritériumot alkalmazzuk. A bevezetett index alapvetıen a robot mőködési jellemzıitıl, mint a sebesség, az effektív tömeg, a merevség és az ütközési erı függ, azonban más paraméterek is bevihetık az algoritmus felügyelı stratégiájába (2. ábra, Ri).

Azokat a Védelmi rendszereket, amelyeket a Szakértı Rendszer kiértékelı technikájának támogatására választottam ki, szintén a felügyelı rendszernek kell vezérelnie. Néhány védelmi eszköz ugyanaz marad a kölcsönhatás több szintjén is, azonban mások igénylik a mőködési paraméterek bizonyos módosítását. Ezért nincs semmilyen határ definiálva az átmenetet vezérlı algoritmusok biztonsági elemei számára, melyek tulajdonsághalmazai átlapolják egymást. (2. ábra, SSi)

7

2. ábra Biztonsági Mód Vezérlı mőködési paradigma

Mihelyt a biztonsági mód aktiválódik, minden felügyelt elemnek, minden idıpillanatban teljesíteni kell a biztonsági protokollban szereplı szabályokat, és meg kell állnia (vagy a biztonsági algoritmussal összhangban kell cselekednie) abban az esetben, ha bármilyen inkonzisztencia lép fel.

A Biztonsági Rendszerhez kapcsolódó, az egyén csuklójára erısített emberi figyelmeztetı rendszer (Ember Veszélyérzékelı Interfész) jelzi az operátornak a rendszer pillanatnyi állapotát egy rezgı-érintkezıvel és fényjelzéssel. Így az emberi operátor még kezdıdı károsodás vagy a vészhelyzet felismerése nélkül is képes gyorsan és biztonságosan reagálni ezeknek a jelzéseknek megfelelıen.

6. A tézisek áttekintése

A dolgozat II. (I.) fejezetében leírt kutatás és irodalom-áttekintés bemutatta az ember-robot kölcsönhatás (HRI) sokoldalúságát és a biztonsági kérdések fontosságának növekedését, ami sok robotrendszer alkalmazásban továbbra is kihívás marad. A kutatásaim során kifejlesztett Biztonság-felügyeleti Rendszer négy fı részbıl épül fel: Biztonság Szakértıi Rendszer, Biztonsági Kritérium a HRI tartományához, Biztonsági Mód Vezérlı, Emberi Veszélyérzet Interfész.

6.1 Biztonság Szakért ı i Rendszer

A III. fejezetben kidolgozott Biztonság Szakértıi Rendszer (SES) alapvetı célja, hogy segítse a tervezıt a feladatelemzés és a kockázatértékelés során. A rendszer Következtetı Motorja a Fuzzy Logika Integrációs Módszerre épül, amely a feladathoz kapcsolódóan egyaránt támogatja a sokkal valóságosabb veszélyértékelést és a sokkal pontosabb kockázatbecslést. A biztonság szakértıi rendszer felülkerekedik a biztonságról szóló kézikönyvekben publikált hagyományos kockázatbecslı technikák korlátain és hiányosságain.

A kölcsönhatás szintje szerinti megkülönböztetés, amelyet a feladatelemzés során, valamint késıbb a biztonsági mód és vezérlı algoritmushoz használtam, a manipulátorok strukturális és mőködési jellemzıire, a munkafeltételekre valamint az ember (operátor) pszichológiai és fiziológiai reakcióira épül. A javasolt kockázatbecslı algoritmus felismeri a robottal és a feladattal kapcsolatos veszélyeket, és eközben tekintetbe veszi az emberi tényezıket (HF) valamint a munkafeltételeket. Másfelıl az új SES az alábbi fontos funkciókat biztosítja a tervezı számára: a személyes feladatok végrehajtásának kijelölése, a munkahely ergonómiai és védelmi elıírásainak jellemzése. Ily módon a szakértıi rendszer felhatalmazza a kezelısze- mélyzetet, hogy kölcsönhatásba lépjen a robottal. Ezt a kiértékelése alapján teszi, amely

8

megmondja, hogy a munkahely kialakítása megfelelı-e ergonómiai és biztonsági szempont- ból.

A rendszer leglényegesebb kimenete a kockázatkategória kiértékelése, a lehetséges veszélyek listája, a megkívánt (szükséges/ajánlott) védelmi rendszerek felsorolása valamint a kockázatcsökkentésre szolgáló szabványos eljárások (irányelvek) ajánlása. Ez a kiértékelés adja az elsı jóváhagyást az V. fejezetben tárgyalt biztonsági módhoz, ami jelzi, hogy a rendszer készen áll a feladat elvégzésére, valamint megadja az értékelt feladat Biztonsági Kritériumát.

6.2 A Veszélyindex szemlélet

A IV. fejezetben kidolgozott Biztonsági Kritérium a Veszélyindex szemléleten (DI) alapul, amelyet a biztonsági vezérlı döntést hozó algoritmusa is tartalmaz (lást V. fejezet). Az erıhöz (gyorsuláshoz) (Dif) és a távolsághoz (DiL) kapcsolódó indexekre épülı eljárást az ember- robot ütközés modellezése és a HIC (Fejsérülési Kritériumok) alkalmazása alapozta meg. A távolságfüggı index minden idıben biztosítja az érintkezésmentes kölcsönhatást. Ennél fogva az ember és a robot közötti tér biztonságos kell, maradjon, vagyis a robot megáll, mielıtt a kontaktus bekövetkezne.

Az erı/gyorsulás veszélyindexekhez tartozó sérüléslépték szintén megtalálható ebben a fejezetben. Ennek értékeit a Módosított Rövidített Sérülés-súlyosság (MAIS) görbék alapján dolgoztam ki, amelyek jól mutatják a sérülés valószínőségét és súlyosságát. A skálázás az emberi fej sérülési (fájdalmi) tőrésküszöbére vonatkozó kísérleti méréseken alapul. Az elemzések során négy fı kritériumot határoztam meg a kölcsönhatási szintekhez kapcsolódóan. Az 1,2 szintek a legszigorúbb elıírásokkal rendelkeznek, vagyis a legnagyobb, megengedett ütközési erı 150N (fájdalomküszöb) illetve 660N (a koponyasérülés) lehet, és ahol a komoly sérülések csupán 1%-a elfogadható.

6.3 A Biztonsági Mód Vezérl ı

Az V. fejezetben tárgyalt Biztonsági Mód Vezérlı (SMC) az - ugyancsak ebben a fejezetben bemutatott - algoritmus alapján mőködik, mely kezdeti engedélyezését a Szakértı rendszer végzi. A fıbb felügyelt elemek a manipulátor, a veszélytıl való távolság (kölcsönhatási szint) és a védelmi rendszerek. A felügyelt jellemzık halmaza a munkafeladat elıírásinak, az alkalmazott biztonsági kritériumnak (beleértve a veszélyindex szemléletet is) valamint a megadott biztonsági módnak megfelelıen változik. Ily módon minden mód tartalmaz egy meghatározott engedélyezı/korlátozó paraméterkészletet, amely egyesíti magában a robothoz, a távolsághoz és a védelmi rendszerekhez kapcsolódó területeket. Ezen paraméterek értékének meghatározása (értéktartomány) a kockázatkategórián, a kölcsönhatás szintjén, a robot mőveleti és szerkezetei jellemzıin valamint a kiválasztott biztonsági kritériumon alapul. A biztonsági módok közötti váltás elıre meghatározott átmeneti algoritmusok alapján valósul meg.

6.4 Emberi Veszélyérzet Interfész

A biztonság további növelése érdekében a VI. fejezetben egy újító javaslatot tettem az emberi veszélyérzet fokozására. Ez a megközelítés javasolja egy rezgı-érintkezı interfész használatát azokon a személyeken, akiknek a robottal kell együtt dolgozniuk, annak közvetlen közelében.

9

A viselhetı interfész tervezése lehetıvé teszi, hogy az ember csuklójára erısítsék, és kapcsolatban áll a tejes biztonsági rendszerrel, így a biztonsági mód vezérlıvel is. A különbözı intenzitású vizuális és tapintási jelek figyelmeztetik az embert (operátort) valamennyi veszélyre és a rendszerben fellépı következetlenségre, amelyek megkövetelhetik az azonnali beavatkozást. Az interfész szerkezetére vonatkozóan két lehetséges terv is született. A kommunikáció a biztonsági rendszerrel, a biztonsági algoritmussal (lásd V, VII.

fejezeteket) összhangban valósul meg, amely vezérli a jel intenzitását és a fotodióda fényének színét.

6.5 Integrált Biztonsági Felügyel ı Rendszer

Végezetül, a VII. fejezetben minden elem összekapcsolódik, egyetlen integrált Biztonsági Felügyelı Rendszert (SMS) megvalósítva, ahol a fıbb összetevık; a Biztonsági Szakértı Rendszer (SES), a Biztonsági Mód Vezérlı (SMC) és a Emberi Veszélyérzet Interfész (AI).

Ugyancsak a VII. fejezetben található egy modellezési esettanulmány forgatókönyve, amely jól illusztrálja a dolgozatban kifejlesztett megközelítés alkalmazhatóságát. A tanulmány a KR6 robot alkalmazásával megvalósított Ember-Robot Letapogató rendszert szemlélteti (“Ruharobot” project [18], [21]), ahol 3 személy vesz részt a folyamatban: az operátor (akinek feladatai: mőködtetés, diagnosztika), a letapogatott személy (passzív szereplı) és a megfigyelı személy. Az eredmény a szakértı rendszer kimenetének felhasználásával keletkezett, és számítógépes modellezés segítségével további elemzés és kiértékelés tárgyát képezte.

7. Új tudományos eredmények (Téziscsoportok)

A PhD munka új eredményeit az alábbi téziscsoportokban foglaltam össze:

1.Tézis

Kifejlesztettem egy tudásalapú rendszert, amely egy sor új lehetıséggel segíti a tervezıt a munkafeladathoz kapcsolódó kockázatelemzés végzésekor.

1) Új effektív és átfogó eszközök készültek, amelyek eljárások formájában érhetık el, és amelyek a fuzzy logika integrációs metódusra épülve (3. ábra) a Kockázatértékelést célozzák.

A kockázatértékelı algoritmus meghatározza a robothoz és a feladathoz kapcsolódó veszélyt, és figyelembe veszi az emberi tényezıket (HF) valamint a munkafeltételeket. Ez a megközelítés lehetıvé teszi a biztonsági kézikönyvekben publikált hagyományos kockázatértékelı technikák korlátozásainak és hiányosságainak legyızését, és úgy tekinthetı, mint egy kiegészítı eszköz az együttmőködést igénylı feladatok veszélyeinek becslésére.

[20], [27], [32]

10

3. ábra Kockázatértékelés a Fuzzy Elmélet alkalmazásával (A SES Következtetı motorja, Delphi) 2) Javaslatot tettem egy eljárásra, amely a személyes és az ergonómiai jellemzıket együttesen értékeli. A megközelítés a számított fontossági mérték tényezıkön alapszik, ami a fuzzy rangmeghatározó (illetve a hierarchiabeli prioritás) módszerét használja, kombinálva feladatspecifikáció elemzésével, ami a feladathoz kapcsolódó szellemei és fizikai terheléseket a kölcsönhatási szintre hivatkozva értékeli. (4. ábra) Ez a megközelítés lehetıvé teszi, hogy a tervezı mélyebben elemezze a feladatfüggı munkafeltételeket, és teljes mértékben értékelje a kölcsönhatásban résztvevı személy jellemzı adatait. [29], [32]

4. ábra Az ES Személyes és Ergonómiai Értékelése (az ES Következtetı motor interfésze)

2.Tézis

Kialakítottam egy metrikát a veszély szintjének meghatározására az ember-robot kölcsönhatás területén, ami jól használható a pályatervezés során és a vezérlési stratégiákban. Ez magában foglalja az ember-robot kölcsönhatás különbözı szintjeihez kapcsolódó sérülés-súlyossági skálát (I. táblázat, 5. ábra), és egy általánosított veszélyindexet, ami figyelembe veszi a robot szerkezeti és dinamikai jellemzıit valamint az emberi tényezıkre vonatkozó megkötéseket.

(1-6. egyenlet) Ez a módszertan hatékonyan alkalmazható biztonságos és érvényes pályák létrehozására a robot teljes munkaterén belül. [31], [33]

11 I. táblázat Sérülés-súlyossági skála a HRI-hez

A lineáris gyorsulás csúcsa,

ac, g

Kritikus erık, Fc, KN

Kölcsönh atási szint N

A súlyos sérülés valószínősége

%

<2,5 <0,15 1 Nincs fájdalom

<13 <0,66 2 Nincs sérülés

13-62 0,66-3,12 3 Kicsi (1)

2-80 3,12-4 4 Közepes(10)

80-128 4-6,4 - Súlyos (>50)

5. ábra Biztonsági Kritérium Skála a Kölcsönhatási Szintek figyelembevételével

Általánosított Veszélyindex

) ( ))

(

( Di t Di t

Di

DI =α_{f f} α_{a a} +α_{l L} (1)

Erıhöz kapcsolódó DI () 1

0

+ ≤

=

=

c e

e e e

c i

f f

m M

M M K

f t f Di

ν

(2)

Gyorsuláshoz kapcsolódó DI )/ 1

2 ( )

(

0

∆ ≤

= +

= ^e _c

e e

c i c

a a

t M m

M m M

a t a Di

ν

(3)

Távolsághoz kapcsolódó DI ( )= =( ×T)/(( + )t−at²/2)≤1 L

t L

Di _{i i i h}

i c

L ν ν ν ⁽⁴⁾

Felügyeleti feltételek



=  0 1 αf

if

( ) 1 1 ) (

<

>

t Di

t Di

L L



= 0

;α_l 1

if

( ) 1 1 ) (

, ,

<

>

t Di

t Di

a f

a f

(5)

A Robot Dinamikus Vezérlésének Jellemzıi ( ) ( ) ( ) )

(

1 1

f vx

f T f e

Di U q M Di Di U

M

= −

(6)

3.Tézis

Javaslatot tettem egy biztonsági mód vezérlı tervezési módszertanra, és kidolgoztam egy algoritmust, amely a biztonsági módokra épül, és a biztonsági kritérium felügyeletéhez kapcsolódik. Minden egyes módhoz definiáltam három területet, a hozzájuk kapcsolódó paraméterkészlettel, nevezetesen a távolsághoz, a robothoz és a védelemhez kapcsolódó területeket (7-9. egyenlet). Ezen paraméterek definíciói és vezérlési stratégiái függenek a szint korlátozó jellemzıitıl, az alkalmazott biztonsági kritériumtól és az átmeneti algoritmustól, melynek funkcionális koncepciója képezi az alapját a váltási szabályok megfogalmazásának.

(II. táblázat, 6. ábra) A biztonsági mód vezérlı azzal, hogy független egységként integrálódik

12

a teljes biztonsági rendszerbe, célul tőzheti ki a döntéshozó eljárás megbízhatóságának és hitelességének biztosítását. Ez a megközelítés minden ember-robot együttmőködést igénylı feladat esetén alkalmazható, és kiterjeszthetı a szociális robotalkalmazásokra is (pl. mobil robotok irányítása). [30], [31], [34]

A biztonsági távolság

területének leírása ( ,..., ml),

l

i D

D

L= ( ,..., ^m),

L i L

L D D

D = iL _i,

l

D ⊆ Dⁱ_L ⊆D_L^j

(7)

A robotrendszer területének leírása

) ,..., ( n mrn

r i

n D D

R = , ( ,..., ^m),

R i R

R D D

D = ( ,..., ),

1

i r i R r i

Dn

D

D ⊆ D_R^j⊇Dⁱ_R (8)

A védelem területének

leírása ( k,..., msk),

s i

k D D

S = ( ,..., ^m),

S i

S DS D

D = ( ,..., )

5 1

i s i

S Ds D

D ⊆ , ^j

S i

S D

D I

₍₉₎

II. táblázat Biztonsági Módok közötti váltás szabályai

Biztonsági Mód-> M_i→M_j M_j→M_i A robothoz

kapcsolódó terület

) ( max _k^j

k r

value ≤ 1≤k≤n

) min(_kⁱ

k r

value ≥ 1≤k≤n A távolsághoz

kapcsolódó terület

[

]

dist∋ ₋₁, dist∋[li₋₁,li]

A védelemhez kapcsolódó

terület

set_k≡s_k^j, 1≤k≤4

set_k ≡s_k^i, 1≤k≤4

6. ábra A biztonsági módok közötti kapcsolatok

4.Tézis

Új koncepciót javasoltam az ember helyzeti veszélyérzetének megnövelésére. Ez a növelés a figyelem irányításának elvén és az emberi tényezık érzékelésének elemzésén alapszik. Ez a megközelítés magában foglalja egy rezgı-érintkezı interfész alkalmazását, amelyet arra terveztem, hogy figyelmeztetı jelet küldjön a rendszer különbözı állapotairól annak a személynek, akinek a robot közvetlen közelében kell dolgoznia, az elıre meghatározott figyelmeztetési algoritmusnak megfelelıen. Az interfészt úgy terveztem, hogy felerısíthetı legyen az ember csuklójára, és kapcsolatban álljon a teljes biztonsági rendszerrel, beleértve a biztonsági mód vezérlıt is. Az intenzitás-tartomány és az ingerlés típusának kijelölésénél figyelembe vettem Weber Fechner törvényét valamint a kéz érzékenységküszöbét. [24], [28]

13

5.Tézis

Kidolgoztam egy általános biztonságtervezési módszertant az ember-robot kölcsönhatást igénylı munkafeladatokhoz.

1) A megközelítés integrálja az emberi tényezık elemzése, a robotrendszer szerkezeti és mőködési tulajdonságainak értékelése, a munka ergonómiai feltételeinek vizsgálata és a védelmi technikák elemzése során kapott jellemzıket. A megközelítés ott javasolt, ahol minden együttmőködést igénylı feladat és emberi szerepkör összefüggésben van egy bizonyos kölcsönhatási területtel, amely lehetıvé teszi a veszélyértékelı és a kockázat- csökkentı eljárások rendszerezését, és ezzel együtt a biztonságvezérlési stratégiák egyszerősítését. [18], [19], [26], [29]

2) Ahhoz, hogy a különbözı biztonsági jellemzıket bevigyük a teljesen integrált architek- túrába, javaslatot tettem egy új tervezéső általánosított biztonság-felügyelı rendszerre, amely integrálja az értékeléseket, a méréseket és a SES-szabályokat. A robottal, a védelmi eszközök vezérlıjével és az emberi veszélyérzet interfésszel, a biztonsági mód protokollok segítségével kapcsolatban álló, új biztonság-felügyelı rendszer célja, az emberek és a robot közötti, hatékony és ártalommentes kölcsönhatás biztosítása. (7. ábra) [31]

7. ábra Integrált Biztonság-felügyelı Rendszer Architektúra, Abbr.: PC- személyi számítógép/munkaállomás, TP - vezérlıpult, RC - robotvezérlı, HAI- Emberi Veszélyérzet Interfész, SS, L, R-védelmi rendszer, a távolsághoz és a robothoz

kapcsolódó felügyel paraméterek resp., Mi- biztonsági mód.

.

14

Hivatkozások

[1] ANSI/RIA R15.06. 1999. Risk Assessment and Risk Reduction: A Guide to Estimate, Evaluate and Reduce Risks Associated with Machine Tools, American National Standards Institute.

[2] DIN EN 775-1992, Manipulating Industrial Robots, Safety, European Standard, Germany.

[3] ISO/DIS 10218-1.2007, Robots for industrial Environment-Safety Requirements, International Organization for Standardization.

[4] ISO/DIS 10218-2. 2009, Robots and robotic devices-Safety Requirements. Part 2: Industrial robot system and integration, Draft International Organization for Standardization.

[5] OSHASoft http://www.osha.gov/dts/osta/oshasoft/hazexp.html [6] DesignSafe http://www.designsafe.com/

[7] AIS for the Advancement of Automotive medicine, The Abbreviated Inury Scale (1990), Revision, Des Plaines/IL, 1998.

[8] S. Haddadin, A. Albu-Sch¨affer, and G. Hirzinger, The Role of the Robot Mass and Velocity in Physical Human-Robot Interaction - Part II: Unconstrained Blunt Impacts, In Proc. of IEEE Int.

Conf. on Robotics and Automation ICRA 2008.

[9] M. Zinn, O. Khatib, B. Roth, and J.K. Salisbury, A new actuation approach for human-friendly robot design, International Symposium on Experimental Robotics, July 2002.

[10] B. Siciliano, L. Villani, Robot Force Control, Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, 2000.

[11] O. Brock and O. Khatib, “Elastic strips: A framework for motion generation in human environments”, International Journal of Robotics Research, 21(12), pp. 1031–1052, 2002

[12] G. Hirzinger, A. Albu-Schaeffer, M. Hahnle, I. Schaefer, On a new generation of torque controlled light-weight robots, In Proc. IEEE Int. Conf. of Robotics and Automation, Seoul, 2001.

[13] O. Khatib, Real-time obstacle avoidance for robot manipulators and mobile robots, International Journal of Robotics Research, 5(1), pp. 90–98, 1986

[14] J. Heinzmann and A. Zelinsky, Quantitative safety guarantees for physical human-robot interaction, International Journal of Robotics Research, vol. 22, no. 7/8, pp. 479–504, 2003 [15] M. Nokata, K. Ikuta, and H. Ishii, Safety-optimizing Method of Human-care Robot Design and

Control, presented at Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Washington, DC, pp. 1991-1996, 2002.

[16] M. Zinn, A new actuation approach for human friendly robotic manipulation, PhD thesis, Stanford University, CA, 2005.

[17] Nonaka S., Inoue K., Arai T., Mae Y., “Evaluation of human sense of security for coexisting robots using Virtual Reality”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, New Orleans, LA, 2004.

[18] Tamás, P., Halasz, M., Somló, 3D measuring of the Human Body by Robots, Int Conf. Of Innovation and Modeling of Clothing Engineering Processes, IMCEP 2007, Univ. of Maribor, pp. 109-115, 2007.

15

A szerz ı publikációi

[18] Ogorodnikova O. Human-Robot interaction, GÉPÉSZET 2006,Proceedings of the fifth Conference on Mechanical Engineering, Budapest.

[19] Ogorodnikova O., HRI. Safety problems, RAAD 2006, Proceedings of the 15th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region, Balatonfured.

[20] Ogorodnikova, O., The role of risk assessment in human centered robotic work cell. In: Proc. of the 16th International Workshop, RAAD 2007, Ljubljana, pp. 351-357.

[21] Ogorodnikova, O. and Olchanskij, D. , On a 3D scanning system design problem, Periodica Polytechnica Ser. Mech. Eng., Vol. 51 No 1, pp. 1-6, 2007.

[22] Ogorodnikova O., Ruhaipari robotizált rendszerek biztonsági aspektusai, OGÉT 2007, Erdélyi Magyar Mőszaki Tudományos Társaság – Mőszaki Szemle, Kolozsvár 38/2007, pp. 308-312.

[23] Ogorodnikova O., Robot introduction in Human work environment. Developments, Challenges and Solutions, ICCC 2007, In: Proceed. of the 5^th IEEE International Conference on Computational Cybernetics, Tunisia, pp. 167-172.

[24] Ogorodnikova O., Cognitive Robotics and Ergonomics in Human Centered Design, TSO 2007, Proceedings in the 8th International Scientific Conference Technology Systems Operation, Presov, pp. 105-109.

[25] Ogorodnikova O., On the problem of creating an active awareness system for humans in robotic environment, CINTI 2007, Proceedings of the 9th International Symposium of Hungarian Researchers on Computational Intelligence and Informatics Budapest, pp. 633-645.

[26] Ogorodnikova, O., Human Weaknesses and Strengths in Collaboration with Robots. Periodica Polytechnica Ser. Mech. Eng., Vol.52, No.1, pp. 1-9, 2008.

[27] Ogorodnikova, O., Development of an expert system for the risk assessment and safeguarding selection in a robot-human work environment, In: Proc. 7th GEPESZET conference on Mechanical Engineering, Budapest, May 29, 2008.

[28] Ogorodnikova, O., Creating an active awareness system for humans in robotic workcell. Acta Polytechnica Hungarica, Vol. 5 , No.2, pp. 11-20, 2008.

[29] Ogorodnikova O., Methodology of Safety for a Human Robot Interaction Designing Stage, HSI’08, Proceedings of the International Conference on Human Systems Interactions, Krakow.

[30] Ogorodnikova, O., Safety Monitoring System (SES). An Approach for the Safeguarding Modes Evaluation, In: Proc. of the RAAD 2009, 18th International Workshop on Robotics in Alpe- Adria-Danube Region, May 25-27, 2009, Brasov, Romania.

[31] Ogorodnikova, O., An Integrated Monitoring System for the Human Robot Collaborative Workspace, In: Proceed. of the 3^rd International Workshop on Soft Computing Applications, SOFA2009, Szeged, Hungary.

[32] Ogorodnikova, O., A Fuzzy Theory in the Risk Assessment and Reduction Algorithms for a Human Centered Robotics. In: Proceed. of the 18th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication, RO-MAN ’09, Toyama, Japan.

[33] Ogorodnikova, O. How Safe the Human-Robot Coexistence Is. Theoretical Presentation. Acta Polytechnica Hungarica , accepted for publication, 2009.

[34] Ogorodnikova, O. An Integrated Safety Monitoring System Design for Human Robot Interactive Tasks, International Journal Automation Austria (IJAA), accepted for publication, 2009