Towards Unconstrained Collision Injury Protection Data Sets: Initial Surrogate Experiments for the Human Hand

要約

物理的な人間とロボットの相互作用（pHRI）の安全性は、すべての応用領域にとって大きな関心事である。産業用ロボットアプリケーションのための現在の標準化では、鈍い衝撃における痛みの発生に対処する安全制約が提供されていますが、これらの衝撃閾値は、エッジのあるまたは尖ったインパクタに使用することは困難です。最も深刻な傷害は、破砕が可能な拘束された接触シナリオで発生する。とはいえ、拘束された接触が生じる可能性のある状況は、ワークスペースの特定の領域でのみ発生するものであり、設計や組織的なアプローチを用いて回避することができる。残るのは、制約のない偶発的な接触によって引き起こされる人間の身体的完全性に対するリスクであり、これはロボットの運動効率を維持しながら回避することは困難である。にもかかわらず、制約のない衝突において、角のある物体や先の尖った物体に衝突して負傷する確率や重症度については、ほとんど研究されていない。本論文では、人間の手や腕とロボットをモデル化した2つの振り子を用いて、人間の手と角のある物体との無制約衝突による傷害の可能性を理解するための実験セットアップと手順を提案する。ブタの足を生体外サロゲートサンプルとして使用し（これらはヒトの手の生理学的特性に酷似しているため）、制約のない刃物や尖った物体の衝突による傷害の重症度に関する初期傷害データベースを作成する。典型的な軽量ロボットの有効質量範囲において、得られたデータは、速度が0.5m/s未満に低下した場合、制約のない衝突で皮膚の切り傷や骨・腱の損傷などの傷害が発生する確率が低いことを示している。提案された実験セットアップと手順は、十分な人体モデリングによって補完されるべきであり、最終的にはpHRIにおける生体力学的傷害の可能性の完全な理解につながるであろう。

要約(オリジナル)

Safety for physical human-robot interaction (pHRI) is a major concern for all application domains. While current standardization for industrial robot applications provide safety constraints that address the onset of pain in blunt impacts, these impact thresholds are difficult to use on edged or pointed impactors. The most severe injuries occur in constrained contact scenarios, where crushing is possible. Nevertheless, situations potentially resulting in constrained contact only occur in certain areas of a workspace and design or organisational approaches can be used to avoid them. What remains are risks to the human physical integrity caused by unconstrained accidental contacts, which are difficult to avoid while maintaining robot motion efficiency. Nevertheless, the probability and severity of injuries occurring with edged or pointed impacting objects in unconstrained collisions is hardly researched. In this paper, we propose an experimental setup and procedure using two pendulums modeling human hands and arms and robots to understand the injury potential of unconstrained collisions of human hands with edged objects. Pig feet are used as ex vivo surrogate samples – as these closely resemble the physiological characteristics of human hands – to create an initial injury database on the severity of injuries caused by unconstrained edged or pointed impacts. For the effective mass range of typical lightweight robots, the data obtained show low probabilities of injuries such as skin cuts or bone/tendon injuries in unconstrained collisions when the velocity is reduced to < 0.5 m/s. The proposed experimental setups and procedures should be complemented by sufficient human modeling and will eventually lead to a complete understanding of the biomechanical injury potential in pHRI.

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