Sichere Mensch-Roboter-Interaktion: Eine Evaluierung anhand … · 2009. 5. 26. · Alin Albu-Schäffer Gerd Hirzinger Institut fur Robotik und Mechatronik¨ Deutsches Zentrum für

Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion

Sichere Mensch-Roboter-Interaktion:Eine Evaluierung anhand von

Crashtests

Sami HaddadinAlin Albu-Schäffer

Gerd Hirzinger

Institut für Robotik und MechatronikDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

40. Fachausschuss des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt

18.07.2007

Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt


Gliederung

1 Motivation



Gliederung

1 Motivation

2 Severity Indizes



Gliederung

1 Motivation

2 Severity Indizes

3 Setup



Gliederung

1 Motivation

2 Severity Indizes

3 Setup

4 Auswertung



Gliederung

1 Motivation

2 Severity Indizes

3 Setup

4 Auswertung

5 Diskussion



Motivation



Warum eine Sicherheitsuntersuchung?

Der Kanzler



Warum eine Sicherheitsuntersuchung?

Ziel

Umgebung

Sicherheits-anforderungen

sichere

physikalischeHRI

potentielle

Gefahren



Why safety evaluation?

Ziel

Umgebung

Sicherheits-anforderungen

sichere

physikalischeHRI

potentielle

GefahrenUnerwarteter freier

stumpfer Impact



Messen der Verletzungsschwere:

Severity Indices



Severity Indizes

Grosse Vielfalt an Kriterien

Sind nur für eine bestimmte Körperregion definiert → Keingenereller Indikator

Von uns untersucht: Kopf, Nacken & Brust

τmM MM

cM

dM

Kopf ModellRoboter Modell

q̇ ẋM

q xM



Severity Indizes - Ein Überblick

Quantifizierung der Verletzungsschwere

Head

Head Injury Criterion (HIC)Maximum Impact PowerMaximum Mean Strain CriterionVienna Institute Index, Effective Displacement Index, RevisedBrain Model

Neck

Maximum Tension, Shearing & Extension

Chest

Acceleration CriterionCompression CriterionViscous Criterion



Abbreviated Injury Scale (AIS)

Klassifikation der Verletzungsschwere

AIS SCHWERE ART DER VERLETZUNG

0 Keine Keine

1 Minimal Oberflächliche Verletzung

2 Moderat Definitive Genesung

3 Ernstzunehmend Wahrscheinliche Genesung

4 Schwer Keine Genesung ohne Pflege

5 Kritisch Keine Genesung mit Pflege

6 Maximal Tödlich



HIII Dummy: Instrumentierung

Triaxial acceleration sensor

2x 6DOF Force-/Torque sensor

Triaxial acceleration sensor

Rotary potentiometer



Severity Indizes für den Kopf beim ADAC

Anmerkung: Es werden jeweils die unteren Grenzwerte angegeben,die einer 5%-igen Wahrscheinlichkeit entsprechen, eine Verletzungder Schwere AIS3 davonzutragen (ernstzunehmend).

Kopf: Head Injury Criterion

HIC36 = max∆t

{

∆t(

1∆t

∫ t2t1

ẍHdt)( 5

2)}

≤ 650

∆tmax = max {t2 − t1} ≤ 36ms

Kopf: 3ms Kriterium

ẍ∆tH ≤ 72g

∆t = 3ms



Severity Indizes - HIC15 → p(AIS)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1AIS 1-6

HIC

AIS1-Minor

AIS2-Moderate

AIS3-Serious

AIS4-Severe

AIS5-Critical

AIS6-Fatal

Inju

rypr

obab

ility



Severity Indizes für den Nacken beim ADAC

Load @0ms @25 − 35ms @45ms

Shearing: Fx , Fy 1.9/3.1kN 1.2/1.5kN 1.1/1.1kNTension: Fz 2.7/3.3kN 2.3/2.9kN 1.1/1.1kNExtension: My 42/57Nm 42/57Nm 42/57Nm



Severity Indizes für die Brust beim ADAC

Brust: Maximum Deflection

Deflection: ∆x ≤ 22mm

Brust: Viscous Criterion

Viscous-Criterion: vc(t) · c(t) =d

dt(∆x) · ∆x

D0≤ 0.5m

s



Setup der Experimente beim ADAC



Der DLR Leichtbauroboter III

DLR LBRIII:7DOF - 15kg - drehmomentgeregelt - LWR=1



Setup der Impact-Experimente

Standalone LBRIII

HybridIII Dummy

Laserpointer High-Speed Kamera



Kollisionsdetektion

REAL ROBOT

τm

τF

Motorτ

q q̇

Rigid

Body

Dynamics

τext

τ̂ext ≈ τextObserver

b



Kollisionsdetektion

REAL ROBOT

τm

τF

Motor

θ, θ̇

τ Rigid

Body

Dynamics

θ → q̂q̂, ˙̂q

τext

τ̂ext ≈ τextObserver

b

b



Kollisionsstrategien

Kollisionsstrategien

1 Gelenkmaximalmomente bzw. Maximalwinkel

2 Stop

3 Umschalten auf Drehmomentregelung mit Grav.-Komp

4 Umschalten auf Drehmomentregelung mit Grav.-Komp undAbtriebsskalierung

5 Admittanzregelung



Ergebnisse der Experimente beim

ADAC



Impact-Experimente beim ADAC: LBRIII



Auswertung I



Auswertung I

Detektionsdelay



Auswertung I

Drehmomentsensor Sättigung



Auswertung II

serious,

but

not

life

thre

ate

nin

g

5% AIS≥ 3

20% AIS≥ 3

Very low

Low

Medium

High

Very high

Injury

LevelHICLevel

HIC36-Level of the LWRIII

650

1000

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

5

10

15

20

25

30

bb bb

b

bb

HIC36

TCP-Velocity [m/s]



Auswertung II

serious,

but

not

life

thre

ate

nin

g

5% AIS≥ 3

20% AIS≥ 3

Very low

Low

Medium

High

Very high

Injury

LevelHICLevel

HIC36-Level of the LWRIII

650

1000

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

5

10

15

20

25

30

bb bb

b

bb

HIC36

TCP-Velocity [m/s]

Ähnliche Resultate für alle untersuchten Severity Indices:Alle Werte sind im unteren Viertel der grünen Fläche!



confidence



Was haben wir gelernt?



Kernaussagen I

Verletzungswahrscheinlichkeit ∀i : p(AIS ≥ i) = 0, also inallen AIS-Kategorien!!

Wann wird es gefährlich bezüglich Masse oderGeschwindigkeit?

→ unendliche Masse (Wand)

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

50

100

150

200

250

300

350

400HIC36(mrobot)

Robot mass mrobot[kg]

HIC

36

0.2m/s0.5m/s1.0m/s1.5m/s2.0m/s2.5m/s3.0m/s

5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

50

100

150

200

250

300HIC36(mrobot)

Robot mass mrobot[kg]

HIC

36

0.2m/s0.5m/s1.0m/s1.5m/s2.0m/s2.5m/s3.0m/s



Zidane



Kernaussagen II

Alle (Kopf, Nacken & Brust) ADAC Tests sind subkritisch

Sogar: kein Roboter durch HIC tödlich bei 2m/s.

Neue/andere Kriterien müssen bestimmmt werden da HIC,etc... unbrauchbar!!

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5000

10000

15000HIC36(ẋrobot)

Robot velocity ẋrobot[m/s]

HIC

36

1kg4kg10kg50kg100kg500kg

0 0.5 1 1.5 2 2.50

50

100

150

200

250HIC36(ẋrobot)

Robot velocity ẋrobot[m/s]

HIC

36

1kg4kg10kg50kg100kg500kg

Impactgeschwindigkeit ist der bestimmende Faktor



Kernaussagen III

Andere Verletzungen sind zu betrachten: Platzwunden,Brüche & Quetschungen nicht vom ADAC abgedeckt

Kollisionsdetektion bringt bei harten Impacts & hohenGeschwindigkeiten nichts

Bei Quetschungen springt die Kollisionsdetektion an

Wie schützt man den Roboter? Kontaktkräfte überschreiten2kN! Fmax?



Asimov’s 1st Law

”A robot may not harm a human being, or, through inaction,

allow a human being to come to harm.”

Isaac Asimov - The Caves Of Steel, p. 177-179, 1942


MotivationSeverity IndizesSetupAuswertungDiskussion

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Sichere Mensch-Roboter-Interaktion: Eine Evaluierung anhand … · 2009. 5. 26. · Alin Albu-Schäffer Gerd Hirzinger Institut fur Robotik und Mechatronik¨ Deutsches Zentrum für