CN103894807A

CN103894807A - 降低操作员潜在伤害的方法和装置

Info

Publication number: CN103894807A
Application number: CN201210583950.2A
Authority: CN
Inventors: 萨义德·萨尔莱; 比约恩·马蒂亚斯
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02
Also published as: WO2014102018A1

Abstract

根据本发明的实施例提供一种降低由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的方法和装置。该方法包括：为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易1受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度；根据所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。

Description

降低操作员潜在伤害的方法和装置

技术领域

本发明涉及降低操作员潜在伤害的方法和装置，更具体地说，涉及降低由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的方法。

背景技术

机器人其本身可以以安全的状态运行。然而，机器人与操作员的协同工作的安全性不仅涉及机器人自身，而且涉及机器人所持的工件、工作区域和机器人所工作的环境。因此，至少在机器人不会伤害协同工作的操作员的情况下，其可被称为安全。

评价机器人与操作员的协同工作的安全性，通常没有考虑机器人所持工件的潜在危险性以及机器人所工作的区域和环境。因此，对于集成商来说难以预见机器人与操作员的协同工作的安全性是否满足最终用户的需求。

发明内容

针对上述技术问题，根据本发明的一个实施例，提供一种降低由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的方法，包括：为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度；根据所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。

根据本发明的另一个实施例，提供一种降低由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的装置，包括：选择部件，其为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度；和预测部件，其根据选择部件所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。

通过采用上述装置和方法，可以产生数据来估计由于身体部分和机器人所持的基本几何特性的工件之间以一定相对速度的交汇所带来的伤害D。

附图说明

图1示出根据本发明一个实施例的减小操作员潜在伤害的装置的方框图；和

图2示出根据图1所示的减小操作员潜在伤害的装置的流程图。

具体实施方式

当机器人持有工件并且该工件随机器人运动时，工件的几何和物理特性直接影响机器人伤害操作员的潜在危险程度。例如，如果机器人持有软球，则其相对于机器人持有刀来说对于操作员具有较低的伤害危险程度。在机器人持有危险物体的情况下，集成商必须评价与该工件本身相关的危险程度并且将其降低到可接受的程度。由此，机器人所持工件与操作员之间的碰撞导致的操作员的潜在伤害程度至少可归因于工件的危险区域的形状、与工件发生碰撞的操作员的身体部分的易受伤程度、工件的危险区域与操作员的身体部分之间的相对速度和机器人和其所持的工件的惯性。如果上述因素被识别并且量化，则可以预测和估计潜在的伤害程度，由此可以修改离线机器人编程和机器人工作区域的设计以便防止潜在的危险，或者机器人控制器可以基于此在线控制机器人使之以安全路径运动。

图1示出根据本发明一个实施例的减小操作员潜在伤害的装置的方框图。如图1所示，减小操作员潜在伤害的装置1包括选择部件10和预测部件11。机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇导致的操作员潜在伤害。装置1可以由数据处理系统实现，例如个人计算机或机器人控制器，并且选择部件10和预测部件11可由数据处理系统的模块实现。

选择部件10接收输入，并且基于此为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度。通过采用选择部件10，装置1可以获得影响潜在伤害程度的因素的量化值。该值与实验或者仿真数据相关联并且由再现实验结果所验证。

第一、第二、第三和第四变量的第一、第二、第三和第四值可以从数据库中选择，该数据库采用数据结构存储上述变量的可能的值以及涉及每一种可能的组合的碰撞伤害程度的索引。根据在不同情况下的实验和仿真数据量化结果值。

下文描述了生成数据表的可能的程序用于估计和预测运动工件和操作员的身体部分之间碰撞的潜在伤害的程度。通过实验，识别伤害成的冲击变量以及其对于最终伤害程度的影响。

a.定义潜在伤害的索引

在起始点，需要定义比较伤害程度的方法。为此，对可能发生的伤害排序并且以如下表中的顺序分析：

等级	伤害类型
		0	无感觉
1	不舒服的疼痛
		2	无需医治
3	严重流血
		4	需要离开工作

5	无法恢复的伤害
		6	致命

表I

基于不同的情况，上述伤害类型可以不同。正确选择分级以便等级n的伤害比等级n-1的伤害严重。然后，将指数伤害索引DI与上述每个等级的伤害关联，比如通过将伤害等级取M次方。例如，我们将M取2则得到如下值：

等级	伤害类型	DI
			0	无感觉	1
1	不舒服的疼痛	2
			2	无需医治	4
3	严重流血	8
			4	需要离开工作	16
5	无法恢复的伤害	32
			6	致命	64

表I

除非DI(Order i)=M DI(Order i-1)，M的值不具有影响。选择指数等级以便可能的伤害可以通过将相关的DI乘以M而被从一个分类移到另一个分类。

b.量化工件的危险区域的几何特性

通常可以预测复杂结构将导致从不同角度和不同方向的危险。作为可能的方法，建议为实际运动情况将全部出现的危险分解为来自于工件的不同部分的危险。一旦在所描述的情况下发现来自于工件的每个子结构的可能伤害，最高值可以表示该工件和特定运动。复杂的几何特性可分解为可识别、分析和参数化的基本几何部件。这可以由多种方式实施，下表仅给出其中的一个例子。

表II

在表II中，危险基本几何特征被分类为四组，对于每组定义了参数和方向。例如，刀可以被分类为在一个方向带有尖、在另一个方向带有边缘、在第三方向带有平面的几何类型。如下定义方向：第一方向是主碰撞方向，并且如果在主方向的相对速度小于或等于零，则没有碰撞由此没有伤害期望。

c.量化机器人移动部分的碰撞

对于碰撞的测试或仿真，需要机器人移动部分的机械描述。由于机器人的复杂动力学特性，其具有比较危险的配置。因为仿真或测试仅涉及碰撞，所以惯性或质量模型是充分的。然而，需要对不同惯性或质量的测试以便覆盖全部可能配置。

	配置	等同质量
			1	机器人处于零位，三轴运动	2kg
2	机器人处于零位，一轴运动	7kg
			3	机器人处于伸展位，一轴运动	10kg

表III

d.量化身体部分的易受伤害性

身体的敏感部分需要可虑并且对其以升序易受伤害等级排列，例如如下表：

等级	身体部分
		1	手掌
2	胸部
		3	头部

表IV

一旦选择身体部分，则对每个身体部分的易受伤害性提供仿真、建模或估计。

e.通过实验估计伤害索引DI

对于每个身体部分和工件危险区域的基本形状，需要为表II中定义的不同的参数制造多个对象。如果有实际的机器人，则可将该对象安装到机器人上。如果没有实际的机器人或者期望将数据通用于机器人，则将对象联系到质量上以便可以仿真移动的配置。质量是可变的以便全部的机器人配置可以被仿真。质量可联系到机器以便可以以可控的方式运动。在将对象安装到机器人上或联系对象和质量到机器后，可定义坐标系统以便如表I所示方向1处于对象的主方向上，方向2和方向3与第二方向和第三方向同向。对于上述情况，如尖的几何特性，第二和第三方向相同，方向2和3可以在垂直于方向1的方向上任意选择。

随着对危险对象和身体部分之间碰撞的仿真执行足够数量的步骤，速度将在方向1、2、3上从最小值变化到最大值。对于每种情况，根据上述表所列情况评价伤害及其等级，并且对于每种情况确定伤害指数DI。该值存储在数据库中。

基于上述定义，可以执行测试或仿真来获得对于上述每种可能情况的伤害程度并且将其存储在表中以便以后查询。因为其关于对身体部分的伤害程度，所以不可以对真人作实验。作为替代，可以生成身体部分模型并且允许对其直接撞击。伤害程度可以通过直接测量压力和外力或研究模型的变化来评价。物理测试遵循如下程序：

f.预测工件和身体部分之间的撞击导致的伤害程度

上述五步需要执行一次。当上述表可用时，其结果可以用于预测或者控制机器人。集成商设计工作区域并且由此提供机器人程序。因为工作对象确定，所以程序定义如何将其在机器人周围移动。同样，几何特性被分解为多个基本几何特性并且在每一方向，考虑最危险的情况。通过评价工作区域的设计，集成商将关于在工作区域内可能发生的机器人和在先定义了身体部分之间的碰撞的信息和在最坏情况身体部分如何移动的信息关联。

当工件经过可能发生碰撞的区域时，计算相对速度。机器人移动部分和工件的惯性已知，几何特性已经定义为带有各个参数的基本几何特性。上述三条信息结合关于哪个身体部分将碰撞给出查表所需的必要信息，由此可查到伤害等级。在此阶段，集成商可以改变新的配置以便伤害等级可降低到要求的值。

作为替代方式，机器人控制器可以包括上述数据库并且在机器人移动之前作分析。如果可能的伤害程度高，则机器人可以减速、改变工件的方向或覆盖工件的危险区域。

上述功能可以由装置1完成。预测部件11根据选择部件10所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。对于每一种情况，根据上表预测伤害程度，伤害指数将用于每一种情况。

具体而言，例如，选择部件10在表II中选择值“边缘”以及“锋利方向，与边缘垂直，垂直于前两个方向”，在表III中选择“机器人处于零位，三轴运动”和“2KG”，在表IV中选择“头部”。其后，一旦知道相对速度，预测部件11预测对于该具体速度的相关伤害指数DI。

通过采用上述装置，可以产生数据来估计由于身体部分和机器人所持的基本几何特性的工件之间以一定相对速度的交汇所带来的伤害D。如果其在允许范围内，则该移动可认定为安全并且无需采取行动开降低伤害等级。基于此，装置1还包括路径规划部件12，其基于所预测的操作员潜在伤害的程度，规划机器人的运动路径。如果伤害等级超出允许范围，则规划部件12规划机器人路径。在此情况下，机器人的运动速度被限制、机器人的运动包括以安全方向持有工件或机器人的运动包括遮盖工件以便将操作员与工件隔离。

替代地，装置1可包括控制部件，其基于所预测的操作员潜在伤害的程度，控制机器人的运动。当机器人运行时，如果伤害等级超出允许范围，则控制部件控制机器人以安全模式运动。在此情况下，机器人的运动速度被限制、机器人的运动包括以安全方向持有工件或机器人的运动包括遮盖工件以便将操作员与工件隔离。

上述过程带来来自大量次数实验的大量数据。在一些情况下，可以简化和确认并且降低实验的次数。在使用简化数据前需要进行确认。

例如，为了降低实验次数和表的大小，可以认为最重要的碰撞是当相对运动的方向为第一方向而其他方向的运动仅使伤害恶化时产生的。由此得到：

DI=DI¹xDI²xDI³

此外，来自主碰撞的伤害仅依赖于在第一方向上的相对速度：DI¹=DI¹(v_l)，

并且其他方向上的运动不改变伤害等级除非该速度大于一预定值，例如v₀,否则其使得一个等级上的伤害更加严重，即

if(v<v₀):DI²(v)=DI³(v)=1

ot□erwise:DI²(v)=DI³(v)=M=2.

因为仅需要改变一个方向上的速度，这将减小表的大小。相同的方法，可以认定对手部、胸部和头部的伤害类似，但是仅是越来越严重。在这种情况下，找到对于组织的伤害是足够的并且随后以更加严重或更加轻微来重新标定伤害。仅对于速度可以找到变化量。尽管需要测试来确认假设，但是仍然将6维表变为3维表，这简化了工作。

装置1可以包括识别部件13，其识别对于工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度、机器人和工件的惯性程度、操作员的身体部分的容易受伤程度和工件的危险部分的危险程度。识别部件13参考基于机器人程序和工作区域的设计的测量/计算的机器人的速度和由集成商所设定的操作员身体部分的运动速度来识别第一值，并且基于程序员的输入来识别第二、第三和第四值。

装置1可以包括存储部件14，其存储一表，该表包括多个第一值、多个第二值、多个第三值和多个第四值；例如，表I至IV，并且选择部件10基于的识别部件13的识别结果从该表中为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值。

图2示出根据图1所示的减小操作员潜在伤害的装置的流程图。步骤S200,为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度;然后在步骤S201,根据所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。这可以产生数据来估计由于身体部分和机器人所持的基本几何特性的工件之间以一定相对速度的交汇所带来的伤害D。

如果伤害等级在允许的范围内，可认为机器人运动是安全的并且无需采取行动来降低伤害等级。因此，该方法可包括步骤S202，基于所预测的操作员潜在伤害的程度，规划机器人的运动路径；或者替代步骤，基于所预测的操作员潜在伤害的程度，控制机器人的运动。例如，对于步骤S202，机器人的运动速度被限制、机器人的运动包括以安全方向持有工件或遮盖工件以便将操作员与工件隔离。

该方法可包括步骤S203,参考基于机器人程序和工作区域的设计的测量/计算的机器人的速度和由集成商所设定的操作员身体部分的运动速度来识别第一值；基于程序员的输入来识别第二、第三和第四值。基于对于工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度、机器人和工件的惯性程度、操作员的身体部分的容易受伤程度和工件的危险部分的危险程度的识别，从一表中为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，该表包括多个第一值、多个第二值、多个第三值和多个第四值。

虽然已参照本发明的某些优选实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。

Claims

1.一种降低由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的方法，包括：

为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度；

根据所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中

第一变量表示在主要方向上工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所预测的操作员潜在伤害的程度，规划机器人的运动路径。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于所预测的操作员潜在伤害的程度，控制机器人的运动。

5.根据权利要求1所述的方法，其中：

基于对于工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度、机器人和工件的惯性程度、操作员的身体部分的容易受伤程度和工件的危险部分的危险程度的识别，从一表中为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，该表包括多个第一值、多个第二值、多个第三值和多个第四值。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：

参考基于机器人程序和工作区域的设计的测量/计算的机器人的速度和由集成商所设定的操作员身体部分的运动速度来识别第一值；

基于程序员的输入来识别第二、第三和第四值。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其中：

机器人的运动速度被限制。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其中：

所述机器人的运动包括以安全方向持有工件。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其中：

所述机器人的运动包括遮盖工件以便将操作员与工件隔离。

10.一种降低由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的装置，包括：

选择部件，其为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值，其中第一变量表示工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度，第二变量表示机器人和工件的惯性程度，第三变量表示操作员的身体部分的容易受伤程度，并且第四变量表示工件的危险部分的危险程度；和

预测部件，其根据选择部件所选择的第一、第二、第三和第四值，预测由于机器人所持工件的危险部分与位于机器人工作区域内操作员的身体部分之间的交汇而导致的操作员潜在伤害的程度。

11.根据权利要求10所述的装置，其中

12.根据权利要求10所述的装置，还包括：

路径规划部件，其基于所预测的操作员潜在伤害的程度，规划机器人的运动路径。

13.根据权利要求10所述的装置，还包括：

控制部件，其基于所预测的操作员潜在伤害的程度，控制机器人的运动。

14.根据权利要求10所述的装置，还包括：

识别部件，其识别对于工件的危险部分和操作员的身体部分之间的相对速度、机器人和工件的惯性程度、操作员的身体部分的容易受伤程度和工件的危险部分的危险程度；和

存储部件，其存储一表，该表包括多个第一值、多个第二值、多个第三值和多个第四值；

其中：

选择部件基于的识别部件的识别结果从该表中为第一、第二、第三和第四变量选择第一、第二、第三和第四值。

15.根据权利要求14所述的装置，其中：

识别部件参考基于机器人程序和工作区域的设计的测量/计算的机器人的速度和由集成商所设定的操作员身体部分的运动速度来识别第一值，并且基于程序员的输入来识别第二、第三和第四值。

16.根据权利要求12或13所述的装置，其中：

机器人的运动速度被限制。

17.根据权利要求12或13所述的装置，其中：

所述机器人的运动包括以安全方向持有工件。

18.根据权利要求12或13所述的装置，其中：

所述机器人的运动包括遮盖工件以便将操作员与工件隔离。