Ember-robot kölcsönhatás. Biztonsági kihívások

Átírás

1 MŐEGYETEM 1782 Budapest Budapest Mőszak és Gazdaságtudomány Egyetem Gépészmérnök Kar Mechatronka, Optka és Gépészet Informatka Tanszék A PhD dsszertácó összefoglalója Ember-robot kölcsönhatás. Bztonság khívások (Az ember bztonságát szolgáló ntegrált keretrendszer) Doktorjelölt: Ogorodnkova Olesya Témavezetı: Prof. Dr. Somló János Budapest 2010.

2 1. A kutatás elızménye Az utóbb négy évben az ember-robot kölcsönhatás (HRI) bztonság khívása álltak a kutatásam középpontjában. Foglalkoztam a robotok megbízhatóságának kérdésevel, a kockázatértékeléssel, a bonyolult feladatokban alkalmazott bztonság elıírásokkal és szabványokkal, a robotok krtkus fzka jellemzıvel, a bztonság berendezések jeladó rendszerevel, valamnt az emberközpontú robotzált munkahelyek tervezésének ergonóma és ember tényezıvel. [26]-[32] Kutató érdeklıdésemnek egyaránt részét képezték az emberrobot kölcsönhatás fzka és megsmerı aspektusa. A kutatás elsısorban a körülvevı környezet hatásat az érzékelés képességekre, az ember döntés mechanzmusokat, a kezelıszemélyzet robotokkal szemben vselkedését, fıleg amkor robot közelében dolgoznak célozta. [24], [26] A fent, különbözı kérdések ntegrált feldolgozásának szükségességétıl ndíttatva, munkámmal egy olyan keretrendszer fejlesztését tőztem k célul, amely tekntettel van az ntegrált jellegre, az ember tényezıkre, a robotjellemzıkre, az nterfésztulajdonságokra és a környezet feltételekre. Ezen törekvéseknek megfelelıen kdolgoztam egy olyan szakértı rendszert, amely bár a hagyományos bztonság szabályozásra épül, képes ntegráln a fejlett alkalmazások bztonságához újonnan javasolt elképzeléseket. [27], [32] A rendszert felkészítettem arra, hogy egy olyan nterfészen keresztül kommunkáljon a tervezıvel, amely elvégz a veszélyelemzést és a kockázatbecslést, majd pedg elıállítja az eredményt javaslatokat arra, hogyan lehet csökkenten a kockázatot adott feltételek mellett. Mndemellett egy olyan aktív ER nterfész fejlesztésén s dolgoztam, amely növel az ember veszélyérzékelését a körülvevı környezet rányából, fokozva ezzel a bztonságot az emberrobot együttes létezése és együttmőködése során. Ebbıl a célból ndítványoztam az ember számára egy sor mőszer használatát, amely aktív tapntás és vzuáls ngerekkel látják el ıt, amkor egy veszélyes helyzet elıáll. [28] Jelen kutatást egy olyan ntegrált bztonság rendszer fejlesztésének szenteltem, amely képes összekötn az összes, együttmőködést génylı munkahelyen lévı ember bztonságát és kényelmét szolgáló, korábban alkalmazott nézıpontot. [30]-[34] 2. Összefoglaló A dolgozatban kfejlesztett Bztonságfelügyelı Rendszer egy olyan ntegrált keretrendszer, amely magában fogalja a Bztonság Szakértı Rendszer (SES), a Bztonság Mód Vezérlı (SMC) és az Ember Veszélyérzet Interfész (HAI) egységesített mőveletet. A szakértı rendszer által létrehozott protokollok, a bztonság krtérum (veszélyndex) és a mőködése módok a bztonság rendszer meghatározó eleme. A szakértı rendszer fejlesztésének az volt a célja, hogy ellássa a felhasználót (tervezıt) a munkahely-ergonóma és az ember 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 technkákkal ötvözve, hatékony eszköz jött létre a különbözı smeretek megjelenítésére és feldolgozására. Ennek kmeneteként a rendszer egy olyan jegyzıkönyvet készít, amely a késıbbekben felhasználható a bztonság mód vezérlı mőködés algortmusához. A veszélyndex fogalmát abból a célból vezettem be, hogy elérhetı legyen a különbözı kölcsönhatás sznteken végzett együttmőködés során. A két komponensbıl álló ndex lehetıvé tesz a bztonság távolság felügyeletét, és mnmalzálja az ember súlyos sérülésének 1

3 valószínőségét ütközés esetén. A veszélyndex az ember-robot ütközés modellen alapul, ahol a veszély valószínőségének értékelésekor számításba vettem az ember sérülés- és fájdalomtőrı képességének küszöbét (fej), a robotkar szerkezet és dnamka jellemzıt (effektív tömeg, tehetetlenség, szlárdság, sebesség) valamnt a fejsérülés krtérumot (HIC). A megkapott bztonság krtérumot a bztonság mód vezérlı felügyelet algortmusa használja, mnden egyes, valamely kölcsönhatás sznthez tartozó, bztonság mód határértékenek meghatározásához. A Bztonság mód vezérlıt önálló modulként valósítottam meg, amely felügyel az összekapcsolt elemeket (robot, védelm berendezések, meglévı érzékelı eszközök, vészjelzı rendszer) a bztonság krtérum és az elıre defnált átmenet szabályoknak megfelelıen. Ennek mőködés algortmusa a bztonság mód felügyelet paraméterenek defnícójára, lletve azok folyamatos szabályozására épül. Az ember veszélyérzet nterfész egy olyan vselhetı eszköz, amely rezgı-tapntó és vzuáls ngerekkel gyekszk kváltan vagy fokozn a kezelıszemélyzet helyzet veszélyérzetét a körülvevı környezettel szemben, konkrétan azokkal a veszélyekkel és balesetekkel szemben, amelyek bekövetkezhetnek a rendszer meghbásodása, lletve annak következtében, hogy a robotkar túllép a krtkus határat. Az átfogó bztonság felügyelet rendszer egy olyan ntegrált bztonság keretrendszer, amely garantálja a szükséges bztonság szntet az együttmőködést génylı feladat teljes végrehajtásának dejére. Bármlyen meghbásodás vagy ellentmondás esetén a rendszer az elıre defnált eljárásoknak megfelelıen válaszol, felhasználva a veszélyesemény kértékelésének szntjét, ezáltal csökkentve egy lehetséges baleset súlyosságát és bekövetkeztének valószínőségét. 3. A téma aktualtása Az utóbb dıben sok kutató helyezte a hangsúlyt arra a lehetıségre, hogy a robotok a szgorú értelemben vett par környezeten kívül, a gyógyászatban, az rodában vagy otthon nyújtsanak segítséget az embereknek. A robotok strukturálatlan, emberekkel zsúfolt környezetben való alkalmazásakor jelentkezı krtkus problémák egyke a védelem, általánosabb értelemben a megbízhatóság bztosítása, am egyesít magában a fzka védelmet és a mőködés határozottságot. Az emberek és a robotok közöz együttmőködés megfzethetı, amennyben garantált az ember védelme és kényelme a feladat végzése során. A perspektívaváltásban bekövetkezett legfontosabb változás az par manpulátorok optmaltás krtérumával kapcsolatos, ahol a bztonság és a megbízhatóság a kulcsa a közvetlen kölcsönhatásnak, lletve a robotok ember környezetekbe való skeres bevezetésének. A bztonság kérdését sok területen tárgyalják. A gyár robotbztonság legfontosabb szabványa az ANSI/RIA R [1]. Ez a szabvány az olyan par környezetben dolgozó személyzet bztonság követelményet tartalmazza, ahol robot-manpulátorokat alkalmaznak. Más, az egész vlágon elterjedt szabványok: az EN 775 európa szabvány ( Az par robotok vezérlése ) [2], lletve ennek a nemzetköz megfelelıje, az ISO ( Robotok az par környezetek számára I., Ipar robotzált rendszerek és az Integrácó II. ) [3], [4]. A pontosabb meghatározások lehetıvé teszk az együttmőködést az elıírt sebességés erıhatárok betartásával, azonban az eset, amkor a robotok és az emberek megosztják a mőködés területüket, nncs teljesen vlágosan tárgyalva. 2

4 Az OSHASoft veszélyérzet szakértı rendszer bztosítja a szsztematkus veszélybecslést, megszemélyesít egy veszélyérzet tanácsadót, valamnt segít megérten az általános foglalkozás bztonságot és az egészségre ártalmas veszélyeket a munkahelyen. [5] Egy másk, nemrégben feltőnt szakértı rendszer, a Desgnsafe, egy olyan kértékelı eszközt ad a kezünkbe, amely véggvezet egy feladatalapú kockázatelemzés lépésen, támogatja a tervezıket a potencáls veszélyek és kockázatok értékelésében, elısegítve ezzel a balesetek elkerülését. A rendszer a szabványos megközelítésen alapuló bztonság kézkönyvek és kértékelések alapján mőködk. [6] Azonban e rendszerek egykes sem képes ellátn a tervezıt vlágos tanácsokkal a feladatfüggı bztonság/veszély szntjérıl, a szükséges munkafeltételekrıl valamnt azokról a védelm rendszerekrıl, amelyek szükségesek az emberrobot kapcsolatban a feladat végrehajtása során. A nem robotos és a robotos területeken egyaránt több szabványos mérıszám jellemz a sérülések súlyosságát. Az autópar volt az elsı, ahol mennység mértéket defnáltak az ütközések során fellépı sérülések értékelésére. Az autók törés tesztje alapján kdolgozták a rövdített sérülés skálát (AIS). [7] A sérüléseket osztályokba sorolhatjuk, melyek összekapcsolják a sérülés típusát ( jelentéktelen, közepes, krtkus ) a következményekkel, lletve egy sorszámot adnak 0 és 6 között, azonosítva ezzel a sérülés súlyosságát. Azonban ez a mnısítı skála semmlyen utalást sem tartalmaz arról, hogyan lehet mérn az ember robottal való ütközésekor fellépı sérüléseket, így nem használható a HRI területén, mnt ahogy arra [8] kutatás s rámutat. Sok kutatás arra rányult, hogy áttervezzék a robotszerkezetet, khangsúlyozva ezzel a bztonsággal kapcsolatos vezérlı és tervezés eljárásokat. Példaként tekntsük az Elosztott Makro-mn (DM2) módszertant [9], ahol a cél a manpulátor-kar tehetetlenségének csökkentése. A [10] munkában javaslatot tettek az erı/mpedanca-vezérlésre. Az ember környezetben mozgó sokcsuklós robot mozgástervezésére használható rugalmas sávszerkezetet mutattak be a [11]-ben. A csuklónyomaték-vezérlés ntegrálását a nagyteljesítményő mozgatással és a könnyősúlyú, összetett szerkezető robotokkal valamnt a bztonság jellemzıkkel Hrzger és társa javasolták a [12]-ben. Emellett több mozgástervezı megközelítés s létezek ezzel kapcsolatban, melyek többnyre a mesterséges potencáls mezıkön, lletve ezek algortmkus és heursztkus változatan alapulnak [13]. Néhány HRI bztonság vezérlı az ember robot érntkezésénél fellépı ütközés erı mnmalzálására épül. [14] A [15] munkában a szerzık egy ún. kapcsolat erı-függı veszélyesség ndexet használnak a veszélytelen kölcsönhatás bztosítására. Az ndex az aktuáls erı vszonyát fejez k a legnagyobb nem veszélyes ütközés erıhöz képest. A [16] munkában az MSI (Manpulátor veszélyesség ndex) felügyeletét ndítványozták, azonban néhány paraméter között fennálló ellentmondás következtében ez a krtérum nem tükröz az adott konfgurácójú robot által jelentett valós veszély mértékét. A fzka bztonságot kegészítették a mentáls bztonság fogalmával, vagys a robot mozgásának tudomásulvételével, amellyel a munkavégzés során elkerülhetık az jedelmet keltı helyzetek és a hrtelen mozdulatok. [17]. Azonban, a bemutatott nagyszámú megoldás ellenére a leghatásosabb út a bztonságról való gondoskodásra a robotszerkezet újratervezése marad, míg legszélesebb körben az ember és a robot elkülönítését alkalmazzák. A fent két megoldás nem használható sem par környezetben, ahol problémát jelent a már létezı robotzált rendszer újratervezése, sem pedg az együttmőködést génylı feladatokban, ahol elengedhetetlen az ember-robot együttes munkavégzés. 3

5 4. A kutatás motvácója és célja A nagyon nagyfokú automatzálás nem feltétlenül a legmegfelelıbb megközelítés a gyártás számára. Amkor a termelésben ks darabszámú, eltérı tervezéső elem szerepel, és megnövekedk a feladat összetettsége, az nfrastruktúra, az átprogramozás és a tesztelés magas költsége különbözı termelés megoldásokhoz vezet. Napjankban a robotok képességet - korlátozott módon - olyan haladó szntő feladatok teljesítéséhez használják, amelyek magas fokú érzékelést és ügyességet gényelnek. Ezeket a képességeket még mndg nehezen lehet elérn robusztus és költséghatékony módon. Az ember szenzoros/motorkus képessége, smerete és ügyessége hatékonyan kombnálható a robot elınyevel (pl. erı, ktartás, gyorsaság és pontosság). Együtt dolgozva az emberrel a segédrobotok - kegészítve a specáls feladatok kezeléséhez szükséges képességüket - alkalmasak arra, hogy lefedjék a legkülönbözıbb feladatok széles spektrumát. Az emberrel való kölcsönhatás során, a robotoknak képesnek kell lennük az alapvetı tevékenységük végrehajtására, am magában foglalja a tervkészítést, a navgácót, a vzsgálatot és a mőveletvégzést. Az Ember-Robot Kölcsönhatás (HRI) területe lefed az alkalmazások széles körét, ahol az együttmőködés különbözı kölcsönhatás sznteken valósulhat meg a legváltozatosabb veszélymértékekkel. Néhány feladat gényl az ember nagyon közel jelenlétét, lletve a robotelemekkel való érntkezést. Más feladatok esetén pedg a távol felügyelet s elegendı lehet. Mnkét esetben az ember és a robot mozgása valamnt munkatere átfedhetk egymást. A robotok közvetlen közelében dolgozva nagy valószínőséggel feltételezhetı egy váratlan érntkezés, amely fájdalmat, lletve az ember test sérülését okozhatja. Ennél fogva alapvetıen fontos vzsgáln a test tőrıképességét ezekkel a nemkívánatos ütközésekkel szemben, valamnt ezt fgyelembe venn az ember-robot (h-r) rendszerek tervezése során. Az emberek jelenléte a robotok mőködés területén belül a veszélyes helyzetek lényeges kockázatát hozza számukra. Ezért krtkus az, hogy csak megbízható robot-rendszereket telepítsenek az ember-robot együttmőködést génylı feladatok végzésére. A bztonság és a megbízhatóság lesz az egységes krtérum a jövı technka khívása számára, az ember környezetben mőködı robotok tervezése és vezérlése során. Sajnos, jelenleg a pacon elérhetı par robotok többségének mechanka szerkezete és a fzka jellemzı nagyon távol vannak ezektıl az elvárásoktól, és az ember sérülésesek keletkezésének magas kockázatát hordozzák. Az ember bztonságának garantálása érdekében fontos, hogy a jövıben olyan bztonság rendszereket fejlesszenek, amelyek fgyelembe veszk a robot mechanka jellemzıt, valamnt a pályatervezés és vezérlés stratégák bztonság jellegzetességet. A dolgozatban bemutatott kutatás alapvetı célja voltak: a munkafeladatokkal kapcsolatos lehetséges veszélyek azonosítása, helyes védelmezı stratégák kfejlesztése, és egy olyan ntegrált bztonság rendszer készítése, amely garantálja az ember bztonságát, amkor az a robot munkaterületén belül dolgozk. Ezzel a céllal elkészült egy együttmőködés munkatér, ahol az ember bztonságát a kölcsönhatás során az off-lne kockázatértékelı és csökkentı eljárások, valamnt az on-lne bztonság felügyelı rendszer együttesen határozzák meg. A munkafeladat végrehajtása során a vezérlés stratéga a bztonság módok és a veszélyndexek felügyeletével érhetı el. A bztonság módokat a Bztonság Szakértı Rendszer értékel és hagyja jóvá, amelybıl következk a bztonság és az ergonóma elıírások teljesítése, összhangban az azonosított kockázatkategórával és a kapcsolat sznttel. A kölcsönhatás során az ember éberségének és a helyzethez llı veszélyérzetének fokozása érdekében kegészítı, személyes védırendszerként bevezetésre került egy karra erısíthetı rezgıérnt- 4

6 kezı felület. Ezt a nterfészt magában foglalja a teljes bztonság rendszer, ezért az elıre defnált bztonság szabályokkal összhangban mőködk. 5. A Bztonság Rendszer eírása A javasolt bztonság rendszer szerkezete a következıképpen jellemezhetı: ez egy négy szntbıl felépülı ntegrált védelm rendszer, amelyet az ember-robot kölcsönhatás alaptermészete határoz meg (1. ábra) Az elsı sznthez (1) azok a munkafeladatok tartoznak, ahol az ember (operátor) és a robot munkaterülete átfedésbe kerül a feladat végrehajtása során, és ahol a fzka érntkezés s megengedett. A következı sznten (2) a szereplıket egy láthatatlan határ választja el egymástól, amely határ származhat a munkafeladat szétosztásából, vagy a vezérlés stratégából. A munkafeladat sajátosságaként az ember a feladatának végzése során gen közel kerülhet a robothoz. Sıt ezen a sznten az ember beléphet a korlátozott területre s, azonban nem kerülhet a robot mőködés terébe. A harmadk sznt (3) távol helyezkedk el a másodk sznttıl, azonban az operátor továbbra s elérhetı lehet a robotkar által, így védtelenül állhat bzonyos veszélyfok vagy serülés kockázat elıtt. Végezetül, a negyedk kölcsönhatás sznt (4) - a defnícója szernt - kívül esk a robot mőködés környezetén, azonban ez a terület sem védett az eldobott objektumoktól, lletve a felszabaduló energától. A szntek szétválasztása fıleg a robot szerkezet és mőködés jellemzıtıl, valamnt a munkafeladat elıírásatól függ. Az ember fzológa (antropometra, bomechanka) és pszchológa (magatartás) aspektusa egyaránt megjelennek a különbözı szntek szétválasztásában. 1. ábra Bztonság Rendszer Archtektúra Mnden robot munkafeladathoz és ember szerepkörhöz tartozk egy bzonyos kölcsönhatás sznt, amely azzal tesz lehetıvé a zónák elkülönített felügyeletét, hogy mnden dıpllanatban a Bztonság Rendszer összetevıtıl kapott, elıre defnált paraméterkészlet alapján vezérel. Ezt a felügyelı rendszert Bztonság Mód Vezérlınek hívjuk, a felügyelt zónákat pedg Bztonság Módoknak (2. ábra, M). Az ntegrált Bztonság rendszer fıbb összetevı: a 5

7 Bztonság Szakértı rendszer, a Védelmezı és Emberérzékelı Rendszer, a Robotvezérlı (Robot) és az Ember Veszélyérzet Interfész (Ember). A rendszer elemet a Bztonság Mód Vezérlı kapcsolja össze, amely a mnden egyes bztonság módhoz (kölcsönhatás sznthez) elıre meghatározott bztonság krtérum alapján mőködk. A Szakértı Rendszer az off-lne munkafeladat-leírással és a kapcsolódó kölcsönhatás sznttel együttesen bztosítja () a veszélyelemzést és a kockázatbecslést, () a munkafeladat kockázat-kategórájának megfelelıen értékel az ergonóma és védelm feltételeket, () elemz az ember tényezıt és a feladattal járó szellem és fzka terhelést, (v) eredményképpen pedg elkészít egy jegyzıkönyvet (protokollt), amely megmutatja, hogy a rendszer készen áll (vagy sem) a munkafeladat végrehajtására. A robot krtkus jellemzıt részlegesen szntén értékel a Szakértı Rendszer, ahol a felhasználó (tervezı) meghatározza a manpulátor típusát és mőködés paraméteret. A kölcsönhatás sznt, a feladatleírás, az ember szerepkör és a robot fzka jellemzı smeretében a bztonság mód a bztonság krtérumnak megfelelıen szabályozhatja a megfelelı zóna vezérlését. Közelebbrıl nézve, a kölcsönhatás tovább korlátozó elıírásokat jelent a mőködés paraméterekre. A bztonság krtérum pedg elsısorban a veszélyndexmetrka kutatásán alapszk, amely magában foglalja az erı/gyorsulás és távolság következtében fellépı veszély mérését és értékelését. A veszélyforrástól való távolság kértékelését közelség jeladók (letapogatók, kamerák stb.) segítk, amelyek mnden pllanatban továbbítják az operátor helyének adatat. A felügyelet paraméterek és a mőködés algortmusok változnak az aktuálsan aktvált Bztonság Mód és a környezet feltételektıl függıen. Az ember és a robot között bztonság távolság megtartása egy általános bztonság krtérum, am az alapértelmezés szernt elıírás az érntkezés nélkül kölcsönhatások során (D 1-4 ). Az egyes bztonság módokhoz tartozó ellenırzött távolságokat a robot szerkezet és mőködés jellemzı valamt az ember tényezı fzológa és pszchológa génybevétele (vzuáls, elérhetıség, bztonságérzet ) alapján azonosítják. (2. ábra ) Az erıvel/gyorsulással kapcsolatos ndexet mnden olyan sznten vzsgáln lehet, ahol valószínősíthetı az ütközés. Ezen krtérum határan belül szntén 4 sznt található, ahol elıre nem látott érntkezés következtében az embert sérülés vagy fájdalom érhet. Az elsı veszélykrtérum (Df 1 ) a fájdalom nélkül, a másodk (Df 2 ) a sérülés nélkül sznteket jelöl, míg az utolsó kettıt (Df 3, Df 4 ) az elvselhetı sérülés szntjenek nevezhetjük. A rövdítéseket azzal a megfelelı kölcsönhatás sznttel egyetértésben választottam meg, ahol ezt a krtérumot alkalmazzuk. A bevezetett ndex alapvetıen a robot mőködés jellemzıtıl, mnt a sebesség, az effektív tömeg, a merevség és az ütközés erı függ, azonban más paraméterek s bevhetık az algortmus felügyelı stratégájába (2. ábra, R). Azokat a Védelm rendszereket, amelyeket a Szakértı Rendszer kértékelı technkájának támogatására választottam k, szntén a felügyelı rendszernek kell vezérelne. Néhány védelm eszköz ugyanaz marad a kölcsönhatás több szntjén s, azonban mások génylk a mőködés paraméterek bzonyos módosítását. Ezért nncs semmlyen határ defnálva az átmenetet vezérlı algortmusok bztonság eleme számára, melyek tulajdonsághalmaza átlapolják egymást. (2. ábra, SS) 6

8 2. ábra Bztonság Mód Vezérlı mőködés paradgma Mhelyt a bztonság mód aktválódk, mnden felügyelt elemnek, mnden dıpllanatban teljesíten kell a bztonság protokollban szereplı szabályokat, és meg kell állna (vagy a bztonság algortmussal összhangban kell cselekedne) abban az esetben, ha bármlyen nkonzsztenca lép fel. A Bztonság Rendszerhez kapcsolódó, az egyén csuklójára erısített ember fgyelmeztetı rendszer (Ember Veszélyérzékelı Interfész) jelz az operátornak a rendszer pllanatny állapotát egy rezgı-érntkezıvel és fényjelzéssel. Így az ember operátor még kezdıdı károsodás vagy a vészhelyzet felsmerése nélkül s képes gyorsan és bztonságosan reagáln ezeknek a jelzéseknek megfelelıen. 6. A tézsek áttekntése A dolgozat II. (I.) fejezetében leírt kutatás és rodalom-áttekntés bemutatta az ember-robot kölcsönhatás (HRI) sokoldalúságát és a bztonság kérdések fontosságának növekedését, am sok robotrendszer alkalmazásban továbbra s khívás marad. A kutatásam során kfejlesztett Bztonság-felügyelet Rendszer négy fı részbıl épül fel: Bztonság Szakértı Rendszer, Bztonság Krtérum a HRI tartományához, Bztonság Mód Vezérlı, Ember Veszélyérzet Interfész. 6.1 Bztonság Szakértı Rendszer A III. fejezetben kdolgozott Bztonság Szakértı Rendszer (SES) alapvetı célja, hogy segítse a tervezıt a feladatelemzés és a kockázatértékelés során. A rendszer Következtetı Motorja a Fuzzy ogka Integrácós Módszerre épül, amely a feladathoz kapcsolódóan egyaránt támogatja a sokkal valóságosabb veszélyértékelést és a sokkal pontosabb kockázatbecslést. A bztonság szakértı rendszer felülkerekedk a bztonságról szóló kézkönyvekben publkált hagyományos kockázatbecslı technkák korlátan és hányosságan. A kölcsönhatás szntje szernt megkülönböztetés, amelyet a feladatelemzés során, valamnt késıbb a bztonság mód és vezérlı algortmushoz használtam, a manpulátorok strukturáls és mőködés jellemzıre, a munkafeltételekre valamnt az ember (operátor) pszchológa és fzológa reakcóra épül. A javasolt kockázatbecslı algortmus felsmer a robottal és a feladattal kapcsolatos veszélyeket, és eközben tekntetbe vesz az ember tényezıket (HF) valamnt a munkafeltételeket. Másfelıl az új SES az alább fontos funkcókat bztosítja a tervezı számára: a személyes feladatok végrehajtásának kjelölése, a munkahely ergonóma és védelm elıírásanak jellemzése. Ily módon a szakértı rendszer felhatalmazza a kezelıszemélyzetet, hogy kölcsönhatásba lépjen a robottal. Ezt a kértékelése alapján tesz, amely 7

9 megmondja, hogy a munkahely kalakítása megfelelı-e ergonóma és bztonság szempontból. A rendszer leglényegesebb kmenete a kockázatkategóra kértékelése, a lehetséges veszélyek lstája, a megkívánt (szükséges/ajánlott) védelm rendszerek felsorolása valamnt a kockázatcsökkentésre szolgáló szabványos eljárások (rányelvek) ajánlása. Ez a kértékelés adja az elsı jóváhagyást az V. fejezetben tárgyalt bztonság módhoz, am jelz, hogy a rendszer készen áll a feladat elvégzésére, valamnt megadja az értékelt feladat Bztonság Krtérumát. 6.2 A Veszélyndex szemlélet A IV. fejezetben kdolgozott Bztonság Krtérum a Veszélyndex szemléleten (DI) alapul, amelyet a bztonság vezérlı döntést hozó algortmusa s tartalmaz (lást V. fejezet). Az erıhöz (gyorsuláshoz) (Df) és a távolsághoz (D ) kapcsolódó ndexekre épülı eljárást az emberrobot ütközés modellezése és a HIC (Fejsérülés Krtérumok) alkalmazása alapozta meg. A távolságfüggı ndex mnden dıben bztosítja az érntkezésmentes kölcsönhatást. Ennél fogva az ember és a robot között tér bztonságos kell, maradjon, vagys a robot megáll, melıtt a kontaktus bekövetkezne. Az erı/gyorsulás veszélyndexekhez tartozó sérüléslépték szntén megtalálható ebben a fejezetben. Ennek értéket a Módosított Rövdített Sérülés-súlyosság (MAIS) görbék alapján dolgoztam k, amelyek jól mutatják a sérülés valószínőségét és súlyosságát. A skálázás az ember fej sérülés (fájdalm) tőrésküszöbére vonatkozó kísérlet méréseken alapul. Az elemzések során négy fı krtérumot határoztam meg a kölcsönhatás szntekhez kapcsolódóan. Az 1,2 szntek a legszgorúbb elıírásokkal rendelkeznek, vagys a legnagyobb, megengedett ütközés erı 150N (fájdalomküszöb) lletve 660N (a koponyasérülés) lehet, és ahol a komoly sérülések csupán 1%-a elfogadható. 6.3 A Bztonság Mód Vezérlı Az V. fejezetben tárgyalt Bztonság Mód Vezérlı (SMC) az - ugyancsak ebben a fejezetben bemutatott - algortmus alapján mőködk, mely kezdet engedélyezését a Szakértı rendszer végz. A fıbb felügyelt elemek a manpulátor, a veszélytıl való távolság (kölcsönhatás sznt) és a védelm rendszerek. A felügyelt jellemzık halmaza a munkafeladat elıírásnak, az alkalmazott bztonság krtérumnak (beleértve a veszélyndex szemléletet s) valamnt a megadott bztonság módnak megfelelıen változk. Ily módon mnden mód tartalmaz egy meghatározott engedélyezı/korlátozó paraméterkészletet, amely egyesít magában a robothoz, a távolsághoz és a védelm rendszerekhez kapcsolódó területeket. Ezen paraméterek értékének meghatározása (értéktartomány) a kockázatkategórán, a kölcsönhatás szntjén, a robot mővelet és szerkezete jellemzın valamnt a kválasztott bztonság krtérumon alapul. A bztonság módok között váltás elıre meghatározott átmenet algortmusok alapján valósul meg. 6.4 Ember Veszélyérzet Interfész A bztonság tovább növelése érdekében a VI. fejezetben egy újító javaslatot tettem az ember veszélyérzet fokozására. Ez a megközelítés javasolja egy rezgı-érntkezı nterfész használatát azokon a személyeken, akknek a robottal kell együtt dolgoznuk, annak közvetlen közelében. 8

10 A vselhetı nterfész tervezése lehetıvé tesz, hogy az ember csuklójára erısítsék, és kapcsolatban áll a tejes bztonság rendszerrel, így a bztonság mód vezérlıvel s. A különbözı ntenztású vzuáls és tapntás jelek fgyelmeztetk az embert (operátort) valamenny veszélyre és a rendszerben fellépı következetlenségre, amelyek megkövetelhetk az azonnal beavatkozást. Az nterfész szerkezetére vonatkozóan két lehetséges terv s született. A kommunkácó a bztonság rendszerrel, a bztonság algortmussal (lásd V, VII. fejezeteket) összhangban valósul meg, amely vezérl a jel ntenztását és a fotodóda fényének színét. 6.5 Integrált Bztonság Felügyelı Rendszer Végezetül, a VII. fejezetben mnden elem összekapcsolódk, egyetlen ntegrált Bztonság Felügyelı Rendszert (SMS) megvalósítva, ahol a fıbb összetevık; a Bztonság Szakértı Rendszer (SES), a Bztonság Mód Vezérlı (SMC) és a Ember Veszélyérzet Interfész (AI). Ugyancsak a VII. fejezetben található egy modellezés esettanulmány forgatókönyve, amely jól llusztrálja a dolgozatban kfejlesztett megközelítés alkalmazhatóságát. A tanulmány a KR6 robot alkalmazásával megvalósított Ember-Robot etapogató rendszert szemléltet ( Ruharobot project [18], [21]), ahol 3 személy vesz részt a folyamatban: az operátor (aknek feladata: mőködtetés, dagnosztka), a letapogatott személy (passzív szereplı) és a megfgyelı személy. Az eredmény a szakértı rendszer kmenetének felhasználásával keletkezett, és számítógépes modellezés segítségével tovább elemzés és kértékelés tárgyát képezte. 7. Új tudományos eredmények (Tézscsoportok) A PhD munka új eredményet az alább tézscsoportokban foglaltam össze: 1.Tézs Kfejlesztettem egy tudásalapú rendszert, amely egy sor új lehetıséggel segít a tervezıt a munkafeladathoz kapcsolódó kockázatelemzés végzésekor. 1) Új effektív és átfogó eszközök készültek, amelyek eljárások formájában érhetık el, és amelyek a fuzzy logka ntegrácós metódusra épülve (3. ábra) a Kockázatértékelést célozzák. A kockázatértékelı algortmus meghatározza a robothoz és a feladathoz kapcsolódó veszélyt, és fgyelembe vesz az ember tényezıket (HF) valamnt a munkafeltételeket. Ez a megközelítés lehetıvé tesz a bztonság kézkönyvekben publkált hagyományos kockázatértékelı technkák korlátozásanak és hányosságanak legyızését, és úgy teknthetı, mnt egy kegészítı eszköz az együttmőködést génylı feladatok veszélyenek becslésére. [20], [27], [32] 9

11 3. ábra Kockázatértékelés a Fuzzy Elmélet alkalmazásával (A SES Következtetı motorja, Delph) 2) Javaslatot tettem egy eljárásra, amely a személyes és az ergonóma jellemzıket együttesen értékel. A megközelítés a számított fontosság mérték tényezıkön alapszk, am a fuzzy rangmeghatározó (lletve a herarchabel prortás) módszerét használja, kombnálva feladatspecfkácó elemzésével, am a feladathoz kapcsolódó szelleme és fzka terheléseket a kölcsönhatás szntre hvatkozva értékel. (4. ábra) Ez a megközelítés lehetıvé tesz, hogy a tervezı mélyebben elemezze a feladatfüggı munkafeltételeket, és teljes mértékben értékelje a kölcsönhatásban résztvevı személy jellemzı adatat. [29], [32] 4. ábra Az ES Személyes és Ergonóma Értékelése (az ES Következtetı motor nterfésze) 2.Tézs Kalakítottam egy metrkát a veszély szntjének meghatározására az ember-robot kölcsönhatás területén, am jól használható a pályatervezés során és a vezérlés stratégákban. Ez magában foglalja az ember-robot kölcsönhatás különbözı szntjehez kapcsolódó sérülés-súlyosság skálát (I. táblázat, 5. ábra), és egy általánosított veszélyndexet, am fgyelembe vesz a robot szerkezet és dnamka jellemzıt valamnt az ember tényezıkre vonatkozó megkötéseket. (1-6. egyenlet) Ez a módszertan hatékonyan alkalmazható bztonságos és érvényes pályák létrehozására a robot teljes munkaterén belül. [31], [33] 10

12 I. táblázat Sérülés-súlyosság skála a HRI-hez A lneárs gyorsulás csúcsa, a c, g Krtkus erık, F c, KN Kölcsönh atás sznt N A súlyos sérülés valószínősége % <2,5 <0,15 1 Nncs fájdalom <13 <0,66 2 Nncs sérülés ,66-3,12 3 Kcs (1) , Közepes(10) ,4 - Súlyos (>50) 5. ábra Bztonság Krtérum Skála a Kölcsönhatás Szntek fgyelembevételével Általánosított Veszélyndex DI = α D ( α D ( t)) + α D ( t) (1) f f a a l KeM e M eν 0 f M e + m Erıhöz kapcsolódó DI D f ( t) = = 1 f f c c (2) M e M e 2ν 0 a m m + M e Gyorsuláshoz kapcsolódó DI Da ( tc ) = = ( ) / ac 1 a t c (3) Távolsághoz kapcsolódó DI c 2 D ( t) = = ( ν T )/(( ν + ν h ) t at / 2) 1 (4) Felügyelet feltételek α f 1 = 0 f D ( t) > 1 D ( t) < 1 ; α l 1 = 0 f D D f, a f, a ( t) > 1 ( t) < 1 (5) 1 1 T A Robot Dnamkus Vezérlésének Jellemzı = U ( D f ) M vx ( q) U ( D f ) M ( D ) e f (6) 3.Tézs Javaslatot tettem egy bztonság mód vezérlı tervezés módszertanra, és kdolgoztam egy algortmust, amely a bztonság módokra épül, és a bztonság krtérum felügyeletéhez kapcsolódk. Mnden egyes módhoz defnáltam három területet, a hozzájuk kapcsolódó paraméterkészlettel, nevezetesen a távolsághoz, a robothoz és a védelemhez kapcsolódó területeket (7-9. egyenlet). Ezen paraméterek defnícó és vezérlés stratégá függenek a sznt korlátozó jellemzıtıl, az alkalmazott bztonság krtérumtól és az átmenet algortmustól, melynek funkconáls koncepcója képez az alapját a váltás szabályok megfogalmazásának. (II. táblázat, 6. ábra) A bztonság mód vezérlı azzal, hogy független egységként ntegrálódk 11

13 a teljes bztonság rendszerbe, célul tőzhet k a döntéshozó eljárás megbízhatóságának és htelességének bztosítását. Ez a megközelítés mnden ember-robot együttmőködést génylı feladat esetén alkalmazható, és kterjeszthetı a szocáls robotalkalmazásokra s (pl. mobl robotok rányítása). [30], [31], [34] A bztonság távolság területének leírása A robotrendszer területének leírása A védelem területének leírása ( m m = D l,..., D l ), D = ( D,..., D ), D l, D D,..., m m R n = D r D r ), D = ( D,..., D ), j D R D,..., ), D D ( n n R R R ( r1 j Dr n,..., m m S k = D s D s ), D = ( D,..., D ), D D,..., D ), D I D ( k k S S S S ( s1 s5 R S R j S (7) (8) (9) II. táblázat Bztonság Módok között váltás szabálya Bztonság Mód-> M M j M j M A robothoz kapcsolódó terület A távolsághoz kapcsolódó terület A védelemhez kapcsolódó terület value max( 1 k n j k r k [ ] dst l j 1, l j ) value mn( k r k ) 1 k n dst [, ] j setk s k, 1 k 4 l 1 l setk s k, 1 k 4 6. ábra A bztonság módok között kapcsolatok 4.Tézs Új koncepcót javasoltam az ember helyzet veszélyérzetének megnövelésére. Ez a növelés a fgyelem rányításának elvén és az ember tényezık érzékelésének elemzésén alapszk. Ez a megközelítés magában foglalja egy rezgı-érntkezı nterfész alkalmazását, amelyet arra terveztem, hogy fgyelmeztetı jelet küldjön a rendszer különbözı állapotaról annak a személynek, aknek a robot közvetlen közelében kell dolgozna, az elıre meghatározott fgyelmeztetés algortmusnak megfelelıen. Az nterfészt úgy terveztem, hogy felerısíthetı legyen az ember csuklójára, és kapcsolatban álljon a teljes bztonság rendszerrel, beleértve a bztonság mód vezérlıt s. Az ntenztás-tartomány és az ngerlés típusának kjelölésénél fgyelembe vettem Weber Fechner törvényét valamnt a kéz érzékenységküszöbét. [24], [28] 12

14 5.Tézs Kdolgoztam egy általános bztonságtervezés módszertant az ember-robot kölcsönhatást génylı munkafeladatokhoz. 1) A megközelítés ntegrálja az ember tényezık elemzése, a robotrendszer szerkezet és mőködés tulajdonságanak értékelése, a munka ergonóma feltételenek vzsgálata és a védelm technkák elemzése során kapott jellemzıket. A megközelítés ott javasolt, ahol mnden együttmőködést génylı feladat és ember szerepkör összefüggésben van egy bzonyos kölcsönhatás területtel, amely lehetıvé tesz a veszélyértékelı és a kockázatcsökkentı eljárások rendszerezését, és ezzel együtt a bztonságvezérlés stratégák egyszerősítését. [18], [19], [26], [29] 2) Ahhoz, hogy a különbözı bztonság jellemzıket bevgyük a teljesen ntegrált archtektúrába, javaslatot tettem egy új tervezéső általánosított bztonság-felügyelı rendszerre, amely ntegrálja az értékeléseket, a méréseket és a SES-szabályokat. A robottal, a védelm eszközök vezérlıjével és az ember veszélyérzet nterfésszel, a bztonság mód protokollok segítségével kapcsolatban álló, új bztonság-felügyelı rendszer célja, az emberek és a robot között, hatékony és ártalommentes kölcsönhatás bztosítása. (7. ábra) [31] 7. ábra Integrált Bztonság-felügyelı Rendszer Archtektúra, Abbr.: PC- személy számítógép/munkaállomás, TP - vezérlıpult, RC - robotvezérlı, HAI- Ember Veszélyérzet Interfész, SS,, R-védelm rendszer, a távolsághoz és a robothoz kapcsolódó felügyel paraméterek resp., M- bztonság mód.. 13

15 Hvatkozások [1] ANSI/RIA R Rsk Assessment and Rsk Reducton: A Gude to Estmate, Evaluate and Reduce Rsks Assocated wth Machne Tools, Amercan Natonal Standards Insttute. [2] DIN EN , Manpulatng Industral Robots, Safety, European Standard, Germany. [3] ISO/DIS , Robots for ndustral Envronment-Safety Requrements, Internatonal Organzaton for Standardzaton. [4] ISO/DIS , Robots and robotc devces-safety Requrements. Part 2: Industral robot system and ntegraton, Draft Internatonal Organzaton for Standardzaton. [5] OSHASoft [6] DesgnSafe [7] AIS for the Advancement of Automotve medcne, The Abbrevated Inury Scale (1990), Revson, Des Planes/I, [8] S. Haddadn, A. Albu-Sch affer, and G. Hrznger, The Role of the Robot Mass and Velocty n Physcal Human-Robot Interacton - Part II: Unconstraned Blunt Impacts, In Proc. of IEEE Int. Conf. on Robotcs and Automaton ICRA [9] M. Znn, O. Khatb, B. Roth, and J.K. Salsbury, A new actuaton approach for human-frendly robot desgn, Internatonal Symposum on Expermental Robotcs, July [10] B. Sclano,. Vllan, Robot Force Control, Kluwer Academc Publshers, Boston, MA, [11] O. Brock and O. Khatb, Elastc strps: A framework for moton generaton n human envronments, Internatonal Journal of Robotcs Research, 21(12), pp , 2002 [12] G. Hrznger, A. Albu-Schaeffer, M. Hahnle, I. Schaefer, On a new generaton of torque controlled lght-weght robots, In Proc. IEEE Int. Conf. of Robotcs and Automaton, Seoul, [13] O. Khatb, Real-tme obstacle avodance for robot manpulators and moble robots, Internatonal Journal of Robotcs Research, 5(1), pp , 1986 [14] J. Henzmann and A. Zelnsky, Quanttatve safety guarantees for physcal human-robot nteracton, Internatonal Journal of Robotcs Research, vol. 22, no. 7/8, pp , 2003 [15] M. Nokata, K. Ikuta, and H. Ish, Safety-optmzng Method of Human-care Robot Desgn and Control, presented at Proceedngs of the 2002 IEEE Internatonal Conference on Robotcs and Automaton, Washngton, DC, pp , [16] M. Znn, A new actuaton approach for human frendly robotc manpulaton, PhD thess, Stanford Unversty, CA, [17] Nonaka S., Inoue K., Ara T., Mae Y., Evaluaton of human sense of securty for coexstng robots usng Vrtual Realty, IEEE Internatonal Conference on Robotcs and Automaton, New Orleans, A, [18] Tamás, P., Halasz, M., Somló, 3D measurng of the Human Body by Robots, Int Conf. Of Innovaton and Modelng of Clothng Engneerng Processes, IMCEP 2007, Unv. of Marbor, pp ,

16 A szerzı publkácó [18] Ogorodnkova O. Human-Robot nteracton, GÉPÉSZET 2006,Proceedngs of the ffth Conference on Mechancal Engneerng, Budapest. [19] Ogorodnkova O., HRI. Safety problems, RAAD 2006, Proceedngs of the 15th Internatonal Workshop on Robotcs n Alpe-Adra-Danube Regon, Balatonfured. [20] Ogorodnkova, O., The role of rsk assessment n human centered robotc work cell. In: Proc. of the 16th Internatonal Workshop, RAAD 2007, jubljana, pp [21] Ogorodnkova, O. and Olchanskj, D., On a 3D scannng system desgn problem, Perodca Polytechnca Ser. Mech. Eng., Vol. 51 No 1, pp. 1-6, [22] Ogorodnkova O., Ruhapar robotzált rendszerek bztonság aspektusa, OGÉT 2007, Erdély Magyar Mőszak Tudományos Társaság Mőszak Szemle, Kolozsvár 38/2007, pp [23] Ogorodnkova O., Robot ntroducton n Human work envronment. Developments, Challenges and Solutons, ICCC 2007, In: Proceed. of the 5 th IEEE Internatonal Conference on Computatonal Cybernetcs, Tunsa, pp [24] Ogorodnkova O., Cogntve Robotcs and Ergonomcs n Human Centered Desgn, TSO 2007, Proceedngs n the 8th Internatonal Scentfc Conference Technology Systems Operaton, Presov, pp [25] Ogorodnkova O., On the problem of creatng an actve awareness system for humans n robotc envronment, CINTI 2007, Proceedngs of the 9th Internatonal Symposum of Hungaran Researchers on Computatonal Intellgence and Informatcs Budapest, pp [26] Ogorodnkova, O., Human Weaknesses and Strengths n Collaboraton wth Robots. Perodca Polytechnca Ser. Mech. Eng., Vol.52, No.1, pp. 1-9, [27] Ogorodnkova, O., Development of an expert system for the rsk assessment and safeguardng selecton n a robot-human work envronment, In: Proc. 7th GEPESZET conference on Mechancal Engneerng, Budapest, May 29, [28] Ogorodnkova, O., Creatng an actve awareness system for humans n robotc workcell. Acta Polytechnca Hungarca, Vol. 5, No.2, pp , [29] Ogorodnkova O., Methodology of Safety for a Human Robot Interacton Desgnng Stage, HSI 08, Proceedngs of the Internatonal Conference on Human Systems Interactons, Krakow. [30] Ogorodnkova, O., Safety Montorng System (SES). An Approach for the Safeguardng Modes Evaluaton, In: Proc. of the RAAD 2009, 18th Internatonal Workshop on Robotcs n Alpe- Adra-Danube Regon, May 25-27, 2009, Brasov, Romana. [31] Ogorodnkova, O., An Integrated Montorng System for the Human Robot Collaboratve Workspace, In: Proceed. of the 3 rd Internatonal Workshop on Soft Computng Applcatons, SOFA2009, Szeged, Hungary. [32] Ogorodnkova, O., A Fuzzy Theory n the Rsk Assessment and Reducton Algorthms for a Human Centered Robotcs. In: Proceed. of the 18th IEEE Internatonal Symposum on Robot and Human Interactve Communcaton, RO-MAN 09, Toyama, Japan. [33] Ogorodnkova, O. How Safe the Human-Robot Coexstence Is. Theoretcal Presentaton. Acta Polytechnca Hungarca, accepted for publcaton, [34] Ogorodnkova, O. An Integrated Safety Montorng System Desgn for Human Robot Interactve Tasks, Internatonal Journal Automaton Austra (IJAA), accepted for publcaton,