[论文解读] Effect of Active and Passive Protective Soft Skins on Collision Forces in Human-robot Collaboration

Petr Švarný, Jakub Rozlivek+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Robot Manipulation and Learning参考文献 23被引用 22

一句话总结

本研究通过在UR10e、KUKA LBR iiwa和KUKA Cybertech机器人上进行的2,250次实测碰撞实验，调查了主动式与被动式防护软质表皮在人机协作中降低碰撞力的效果。研究结果表明，当结合适当的紧急停止设置时，防护表皮可使安全运行速度达到ISO/TS 15066标准规定值的四倍——最高达0.5 m/s，且仍保持安全。研究还提出了一个扩展模型，引入了表皮刚度与可压缩厚度参数，以提升碰撞力预测精度。

ABSTRACT

Soft electronic skins are one of the means to turn an industrial manipulator into a collaborative robot. For manipulators that are already fit for physical human-robot collaboration, soft skins can make them safer. In this work, we study the after impact behavior of two collaborative manipulators (UR10e and KUKA LBR iiwa) and one classical industrial manipulator (KUKA Cybertech), in presence or absence of an industrial protective skin (AIRSKIN). In addition, we isolate the effects of the passive padding and the active contribution of the sensor to robot reaction. We present a total of 2250 collision measurements and study the impact force, contact duration, clamping force, and impulse. The dataset is publicly available. We summarize our results as follows. For transient collisions, the passive skin properties lowered the impact forces by about 40 %. During quasi-static contact, the effect of skin covers -- active or passive -- cannot be isolated from the collision detection and reaction by the collaborative robots. Important effects of the stop categories triggered by the active protective skin were found. We systematically compare the different settings and the empirically established safe velocities with prescriptions by the ISO/TS 15066. In some cases, up to the quadruple of the ISO/TS 15066 prescribed velocity can comply with the impact force limits and thus be considered safe. We propose an extension of the formulas relating impact force and permissible velocity that take into account the stiffness and compressible thickness of the protective cover, leading to better predictions of the collision forces. At the same time, this work emphasizes the need for in situ measurements as all the factors we studied -- presence of active/passive skin, safety stop settings, robot collision reaction, impact direction, and, of course, velocity -- have effects on the force evolution after impact.

研究动机与目标

• 评估被动缓冲与主动传感在防护软质表皮中对人机协作碰撞力的影响。
• 分离并量化被动缓冲与主动碰撞检测对机器人安全的贡献。
• 研究机器人特定因素（如紧急停止设置、碰撞响应方式、撞击方向及末端执行器速度）对碰撞后力的影响。
• 将实测安全速度与ISO/TS 15066标准规定值进行对比，识别在何种条件下可安全提升速度。
• 开发并验证一种扩展模型，用于预测碰撞力，该模型考虑了防护表皮的柔顺性，从而改进ISO/TS 15066的原始方程。

提出的方法

• 在三台机器人（UR10e、KUKA LBR iiwa、KUKA Cybertech）上开展了2,250次受控碰撞实验，使用自定义冲击装置与模拟人体质量的负载。
• 测量关键碰撞指标：峰值冲击力、接触持续时间、夹持力及冲量，覆盖多种实验条件。
• 所有机器人均使用AIRSKIN防护表皮（提供仅被动型与带传感器主动型两种版本），以分离被动与主动效应。
• 系统性地改变参数：末端执行器速度（0.1–0.5 m/s）、紧急停止类别（Stop 0、Stop 1、E-stop）、撞击方向及机器人碰撞响应设置。
• 提出ISO/TS 15066力-速度方程（公式6）的扩展版本，引入表皮刚度与可压缩厚度参数，以提升预测精度。
• 已将完整数据集公开发布于 https://osf.io/gwdbm，供未来模型开发与基准测试使用。

实验结果

研究问题

• RQ1 被动防护表皮在瞬态人机碰撞中，能在多大程度上降低峰值冲击力？
• RQ2 集成传感器的主动防护表皮如何影响机器人的碰撞检测与响应行为？其对碰撞后力有何影响？
• RQ3 机器人紧急停止设置、表皮类型（被动/主动）与撞击方向的综合作用，如何影响安全运行速度？
• RQ4 在使用防护表皮时，安全速度是否可超过ISO/TS 15066标准规定值？在何种条件下仍可保持安全？
• RQ5 引入表皮柔顺性的扩展版ISO/TS 15066模型，相较于原始标准，对实际碰撞力的预测精度如何？

主要发现

• 与裸露机器人表面相比，被动防护表皮使瞬态冲击力降低了约40%。
• 对于UR10e机器人，当主动AIRSKIN连接至E-stop时，可在0.5 m/s速度下安全运行——该速度是ISO/TS 15066标准中夹持场景规定限值0.13 m/s的四倍。
• 在KUKA iiwa机器人上，当主动表皮连接至Stop 0且外部扭矩限制被禁用时，安全速度可达0.4 m/s，超过标准规定的0.16 m/s限值。
• 包含表皮刚度与可压缩厚度参数的改进版ISO/TS 15066方程（公式6）比原始标准更准确地预测了碰撞力。
• KUKA iiwa的第二阶段碰撞响应（类型2撞击）显著改变了力演化过程，凸显了现场实测数据对理论模型的必要性。
• 实测结果表明，紧急停止设置及表皮与机器人安全输入的连接方式，对力曲线与安全速度限值具有非平凡甚至有时出人意料的影响。