Приложение А (справочное). Пределы для квазистатического и кратковременного контактов

Приложение А
(справочное)

Пределы для квазистатического и кратковременного контактов

А.1 Общие положения

В ИСО 10218-2:2011 (подпункт 5.11.5.5) указано, что параметры мощности, силы и эргономики, относящиеся к робототехническим комплексам для совместной работы с ограничениями по мощности и силе, следует определять в процессе оценки рисков. Информация о конструкции робототехнического комплекса для совместной работы приведена в 5.4.4 настоящего стандарта.

В настоящем приложении приведены указания о том, как устанавливать пороговые предельные значения для робототехнического комплекса, предназначенного для совместной работы, в частности, для прикладных систем с ограничением мощности и силы. Основополагающее предположение, лежащее в основе этого руководства, заключается в том, что ограничения, налагаемые на робототехнический комплекс для совместной работы, можно рассчитать на основе порогов чувствительности боли в ситуациях, когда такой контакт возникает при взаимодействии человека и робота. Пороговые предельные значения могут быть использованы для установления предельных значений давления и силы для различных участков тела с применением модели тела. Эти данные затем могут быть экстраполированы для установления пределов передачи энергии при взаимодействии человека с роботом. Роботу, перемещающемуся в совместном рабочем пространстве, могут быть предписаны ограничения скорости. Предельные значения скорости будут ограничивать значения силы и давления ниже порога чувствительности к боли, если произойдет контакт оператора с роботом.

Предельные значения в настоящем приложении основаны на консервативных оценках и научных исследованиях по болевым ощущениям.

Руководство в настоящем приложении предназначено как информативное средство для описания метода, с использованием которого интеграторы могут устанавливать ограничения по мощности и величине сил в разрабатываемых ими приложениях.

А.2 Модель тела

При оценке рисков в совместных прикладных системах с ограничением мощности и силы предполагается, что может произойти случайный контакт между частями робототехнического комплекса и оператором.

На первом шаге процедуры оценки рисков устанавливается, какой частью тела оператор может войти в контакт с роботом. Значение этого исследования состоит в том, что разные участки тела будут иметь разные пороговые значения для выдерживания биомеханической нагрузки без каких-либо даже незначительных травм.

В настоящем описании используется модель тела, включающая 29 участков тела, находящихся в 12 областях. На рисунке А.1 указаны точки контакта в модели тела, в таблице А.1 показаны конкретные участки тела, входящие в общие области, расположенные с передней либо с задней стороны.

Рисунок А.1 - Модель тела

Таблица А.1 - Модель тела

Область тела	Участок тела		Спереди/сзади
Череп и лоб	1	Середина лба	Спереди
	2	Висок	Спереди
Лицо	3	Жевательная мышца	Спереди
Шея	4	Мышца шеи	Сзади
	5	Седьмой шейный позвонок	Сзади
Спина и плечи	6	Плечевой сустав	Спереди
	7	Пятый поясничный позвонок	Сзади
Грудь	8	Грудина	Спереди
	9	Грудная мышца	Спереди
Живот	10	Брюшная мышца	Спереди
Таз	11	Тазовая кость	Спереди
Верхняя часть руки и локтевые суставы	12	Дельтовидная мышца	Сзади
	13	Плечевая кость	Сзади
Предплечья и суставы запястья	14	Лучевая кость	Сзади
	15	Мышца предплечья	Сзади
	16	Нерв руки	Спереди
Кисти и пальцы	17	Подушечка указательного пальца D а	Спереди
	18	Подушечка указательного пальца ND а	Спереди
	19	Последний сустав указательного пальца D а	Сзади
	20	Последний сустав указательного пальца ND а	Сзади
	21	Бугорок тенара	Спереди
	22	Ладонь D а	Спереди
	23	Ладонь ND а	Спереди
	24	Тыльная сторона кисти D а	Сзади
	25	Тыльная сторона кисти ND а	Сзади
Бедра и колени	26	Мышца бедра	Спереди
	27	Надколенная чашечка	Спереди
Нижняя часть ног	28	Середина голени	Спереди
	29	Икроножная мышца	Сзади
а D - доминантная сторона тела; ND - недоминантная сторона тела.

А.3 Биомеханические ограничения

А.3.1 Общие положения

Биомеханические ограничения устанавливают допустимый уровень нагрузки, возникающей вследствие движения робота, которая может создать возможность даже незначительной травмы оператора в случае его контакта с роботом.

Они могут быть применены для нахождения пределов давления и силы с использованием оценок, установленных исследованиями (см. [2], [3], [4] и [7]), в случае кратковременного контакта. Энергия переноса, возникающая в результате гипотетического контакта между роботом и человеком, может быть смоделирована в предложении полностью неупругого контакта между роботом и оператором и с учетом грузоподъемности робота и факторов, связанных с областью тела оператора, находящегося в контакте. Как только энергия переноса будет установлена, смогут быть установлены рекомендации ограничения скорости движения робота в совместном рабочем пространстве для поддержания энергии передачи на уровне ниже порога даже незначительной травмы человека в случае контакта между роботом и оператором в совместном рабочем пространстве.

А.3.2 Максимальные значения давления и силы

В таблице А.2 приведены максимальные значения давления и силы для квазистатического и временного контактов между людьми и робототехническим комплексом.

Контактные данные в таблице А.2 не отражают какого-либо использования средств индивидуальной защиты или чего-либо иного, кроме одежды, типичной для любой рабочей среды.

Хотя в таблице А.2 и приведены данные для контакта с лицом, черепом и лбом, контакт с этими местами недопустим (см. 5.5.5.3 настоящего стандарта).

Таблица А.2 - Биомеханические пределы

Область тела	Участок тела		Квазистатический контакт		Кратковременный контакт
			Допустимое давление a p s, Н/см 2	Допустимая сила b, Н	Допустимый множитель давления c, Р Т	Допустимый множитель силы c, F T
Череп и лоб d	1	Середина лба	130	130	Не применимо	Не применимо
	2	Висок	110		Не применимо
Лицо d	3	Жевательная мышца	110	65	Не применимо	Не применимо
Шея	4	Мышца шеи	140	150	2	2
	5	Седьмой шейный позвонок	210		2
Спина и плечи	6	Плечевой сустав	160	210	2	2
	7	Пятый спинной позвонок	210		2
Грудь	8	Грудина	120	140	2	2
	9	Грудная мышца	170		2
Брюшная полость	10	Брюшная мышца	140	110	2	2
Таз	11	Тазовая кость	210	180	2	2
Верхняя часть руки и локтевые суставы	12	Дельтовидная мышца	190	150	2	2
	13	Плечевая кость	220		2
Предплечья и суставы запястья	14	Лучевая кость	190	160	2	2
	15	Мышца предплечья	180		2
	16	Нерв руки	180		2
Кисти и пальцы	17	Подушечка указательного пальца D	300	140	2	2
	18	Подушечка указательного пальца ND	270		2
	19	Последний сустав указательного пальца D	280		2
	20	Последний сустав указательного пальца ND	220		2
	21	Тенар	200		2
	22	Ладонь D	260		2
	23	Ладонь ND	260		2
	24	Тыльная сторона кисти D	200		2
	25	Тыльная сторона кисти ND	190		2
Бедра и колени	26	Мышца бедра	250	220	2	2
	27	Надколенная чашечка	220		2
Голени	28	Середина голени	220	130	2	2
	29	Икроножная мышца	210		2
а Представленные биомеханические значения являются результатом исследования, проведенного Университетом Майнца по уровням начала боли. Хотя это исследование было выполнено с использованием самых современных методов тестирования, приведенные здесь значения являются результатом единственного исследования в предметной области, которое не было основой обширных исследований. Ожидается, что в будущем будут проведены дополнительные исследования, которые могут привести к изменению этих значений. Тестирование проводилось с использованием 100 здоровых взрослых испытуемых на 29 конкретных точках тела, и для каждой точки на теле были установлены пределы начала болевых порогов давления и силы для квазистатического контакта. Максимально допустимые значения давления, показанные здесь, представляют собой 75-й процентиль диапазона зарегистрированных значений для определенной точки на теле. Они определяются как физическая величина, соответствующая тому, когда давление, прикладываемое к конкретной точке на теле, создает ощущение, соответствующее началу возникновения боли. Пиковые давления основаны на средних значениях с разрешением 1 мм 2. Результаты исследования основаны на испытательном аппарате с использованием плоской 1,4 х 1,4 см (металлической) испытательной поверхности с закруглением 2 мм на всех четырех краях. Существует вероятность того, что другое тестовое устройство может выдать другие результаты. Более подробную информацию об исследовании см. в [5]. b Значения для максимально допустимой силы получены из исследования, проведенного независимой организацией (см. [6]), которое ссылается на 188 источников. Эти значения относятся только к областям тела, а не к конкретным точкам на теле. Максимально допустимая сила основана на критерии передачи наименьшей энергии, которая может привести даже к незначительной травме, такой, как синяк, что эквивалентно степени тяжести 1 по сокращенной шкале повреждений (AIS), созданной Ассоциацией по развитию автомобильной медицины США. Соблюдение ограничений сможет предотвратить проникновение в кожу или мягкие ткани, имеющие степень тяжести ниже чем AIS 1, сопровождающееся кровоточащими ранами, переломами костей или другим повреждением скелета. Они могут быть уточнены в будущем по результатам дальнейших исследований робототехнических комплексов, предназначенных для совместной работы. с Значение множителя для кратковременного контакта получено на основе исследований, которые показывают, что кратковременные предельные значения для силы и давления могут быть минимум в два раза выше квазистатических значений. Подробности исследования см. в [2], [3], [4] и [7]. d Критические области выделены курсивом.

А.3.3 Связь между давлением и силой

В целях оценки сценария контакта в робототехническом комплексе для оценки рисков необходимо рассчитать и учесть значения силы и давления.

Пример 1 - В случае, если оператор оказался в зоне инструмента работающего робототехнического комплекса, руки могут оказаться зажаты частями инструмента или заготовки. Результирующее значение силы может быть значительно ниже предельного значения порога силы. В таком случае ограничивающим фактором вероятно будет предел давления.

Пример 2 - В случае контакта участка тела с мягкой обработанной поверхностью, имеющей относительно большую площадь или области тела с повышенной долей мягких тканей (например, живота), результирующее значение давления может быть значительно ниже предельного порогового значения давления. В таком случае ограничивающим фактором вероятно будет предел силы.

Чтобы уменьшить возможность приложения высокого давления к оператору, робототехнический комплекс, включая заготовку, должен иметь площадь поверхности как можно большего размера. Дополнительная прокладка на поверхности робота увеличивает площадь поверхности соприкосновения, что может привести к снижению давления.

Контакт между жесткими частями робототехнического комплекса и частями человеческого тела может привести к неравномерному распределению давления (пикам давления) над контактной поверхностью. При таких обстоятельствах имеет значение пиковое давление, возникающее в участке контакта.

Пределы давления и силы, указанные в настоящем стандарте, не ограничиваются конкретной поверхностью и формой ее края. См. в 5.5.5.3 ограничения на части робототехнических комплексов для совместной работы с оператором, имеющие острые края, такие как ножи или иглы.

А.3.4 Связь между биомеханическими пределами и передачей энергии при кратковременном контакте

Значения в таблице А.2 можно использовать для оценки качества работы робототехнического комплекса для совместной работы с оператором в ситуациях квазистатического контакта с использованием измерительных устройств на робототехническом комплексе.

Если совместная работа связана с кратковременным контактом, сценарий контакта можно смоделировать, используя процедуру, описанную ниже. Моделирование основано на предположении, что для выбранного сценария контакта между роботом и оператором известны контактирующий участок тела и место контакта на теле, а передаваемая энергия может быть уменьшена путем ограничения скорости робота в точке соприкосновения.

Для описания этого сценария контакта используется простая двухуровневая модель, показанная на рисунке А.2. В модели приведенная масса робота m _R входит в контакт с приведенной массой области человеческого тела m _H со скоростью v _rel через двумерную область поверхности А при неупругом взаимодействии. Предполагается, что кинетическая энергия относительного движения полностью переходит в пострадавший участок тела. Такой сценарий контакта соответствует исходному допущению о наихудшем случае взаимодействия.

А - площадь контакта между роботом и областью тела; m _H - эффективная масса области человеческого тела; m _R - эффективная масса робота как функция положения степеней подвижности; - вектор скорости эффективной массы робота относительно эффективной массы области человеческого тела

Рисунок А.2 - Модель кратковременного контакта

В рассматриваемой модели контакта m _R является функцией полезной нагрузки робототехнического комплекса (включая заготовку) и массы движущихся частей робота, m _H является функцией действительной массы области тела и эффектов, связанных с взаимодействием области тела с другими участками тела. Способы вычисления этих параметров описаны в настоящем приложении. В таблице A.3 приведены значения эффективных масс и коэффициентов жесткости пружин, используемых в моделях областей человеческого тела. Коэффициенты жесткости тела больше для тех областей тела, в которых больше доля мягких тканей, потому что они могут деформироваться и поглощать контакты.

Примечание - Указанные коэффициенты жесткости действительны для точек контакта площадью приблизительно 1 см ².

Эффективная масса участка тела является функцией его собственной массы и связи с соседними участками тела и обеспечивает способность области тела перемещаться в направлении воздействия со стороны робота, если оно произошло.

Таблица А.3 - Эффективные массы и коэффициенты жесткости для модели тела

Область тела	Эффективный коэффициент жесткости k, Н/мм	Эффективная масса m H, кг
Череп и лоб	150	4,4
Лицо	75	4,4
Шея	50	1,2
Спина и плечи	35	40
Грудь	25	40
Живот	10	40
Таз	25	40
Верхняя часть рук и локтевые суставы	30	3
Нижняя часть рук и кистевые суставы	40	2
Кисти и пальцы	75	0,6
Бедра и колени	50	75
Нижняя часть ног	60	75
Примечание - Значения массы бедер, коленей и нижних частей ног приравниваются к массе всего тела, так как эти части тела не могут свободно отступать или удаляться от удара, когда оператор стоит.

Для каждой области тела может быть рассчитан максимально допустимый перенос энергии, как функция значений максимальной силы или давления, показанных в таблице А.2, с использованием следующей формулы:

,

(А.1)

где E - передаваемая энергия;

- максимальное контактное усилие для конкретной области тела (см. таблицу А.2);

k - эффективный коэффициент жесткости для конкретной области тела (см. таблицу A.3);

А - характерный размер пятна контакта между роботом и областью тела;

- максимальное контактное давление для конкретного места на теле (см. таблицу А.2).

Применение формулы (А.1) к значениям кратковременного контакта из таблицы А.2 приводит к передаче предельных значений энергии для каждого участка тела, как показано в таблице А.4.

Таблица А.4 - Предельные значения энергии на основе модели участка тела

Участок тела	Максимум переданной энергии Е, Дж
Череп и лоб	0,23
Лицо	0,11
Шея	0,84
Спина и плечи	2,5
Грудь	1,6
Живот	2,4
Таз	2,6
Верхняя часть рук и локтевые суставы	1,5
Нижняя часть рук и кистевые суставы	1,3
Кисти и пальцы	0,49
Бедра и колени	1,9
Нижняя часть ног	0,52

А.3.5 Связь между переданной энергией и скоростью робота во время кратковременного контакта

Как только установлено предельное значение передачи энергии для исследуемого сценария контакта, его можно использовать для определения максимальной скорости, с которой робот мог бы перемещаться через совместное рабочее пространство, сохраняя при этом возможные значения давления и силы ниже пороговых пределов из таблицы А.2, если эти контакты между робототехническим комплексом и оператором должны были случиться.

Предположение, принимаемое при выводе предела скорости контакта, состоит в том, чтобы приравнять энергию пружины участка человеческого тела к полной кинетической энергии точки, координаты которой совпадают с координатами центра масс, предполагая полностью неупругий контакт. Энергию в этой модели определяют по формуле

,

(А.2)

где - относительная скорость между роботом и участком человеческого тела;

- приведенная масса системы двух тел.

,

(А.3)

где - эффективная масса участка человеческого тела (см. таблицу А.3);

- эффективная масса робота в зависимости от положения и движения робота (см. рисунок А.3).

m _L - эффективная полезная нагрузка робототехнического комплекса; М - общая масса движущихся частей робота; - скорость вращения

Рисунок А.3 - Упрощенная модель распределения масс

,

(А.4)

где М - общая масса движущихся частей робота;

- эффективная полезная нагрузка робототехнического комплекса, включая инструменты и заготовку.

Примечание - В информации по использованию должны быть указаны значения для m _L и М (см. 7.6).

Из формулы (А.2) следует:

,

(А.5)

где р - максимально допустимое значение давления (см. таблицу А.2).

Это выражение может быть непосредственно сведено к максимально допустимым значениям:

.

(А.6)

Для того, чтобы применить формулу (А.6), сначала вычисляют приведенную массу системы двух тел на основе m _R и m _H, определяют р _max, опираясь на значения, представленные в таблице А.1, затем определяют k с использованием значений, приведенных в таблице A.3.

Площадь контакта А определяется как наименьшая из площадей поверхности робота или оператора. В ситуациях, когда площадь поверхности контакта тела меньше площади поверхности контакта робота, например для рук или пальцев, следует использовать фактическую площадь поверхности контакта с телом. Если может возникнуть контакт между несколькими точками на теле с различными возможными площадями поверхностей контакта, следует использовать такое значение А, которое дает наименьшее значение v _{rel, max}.

В таблице А.5 показаны предельные значения скорости (мм/с), для неограниченного кратковременного контакта, которые могут быть получены из модели контакта, при условии, что площадь контакта А составляет 1 см ². Графики предельных значений скорости робота показаны на рисунке А.4. Оценку рисков следует проводить с учетом фактических значений скоростей перемещения робототехнического комплекса, и значения скоростей, рассчитанные при оценке рисков, следует использовать для определения того, соответствует ли роботизированная ячейка для совместной работы условиям выполнения технологических операций.

В некоторых случаях при квазистатическом контакте может иметь место кратковременное увеличение силы или давления (начальный пик) очень короткой продолжительности, т.к. m _H и m _R достигают равновесного переноса энергии в течение периода зажима. Если такая начальная сила или пик давления существуют и могут быть измерены контрольно-измерительной аппаратурой, которая может отличать начальную силу или давление от силы равновесия или давления, значение начальной силы или значение давления должны быть ограничены соответствующим значением кратковременного контакта.

Таблица А.5 - Предельные значения скорости при кратковременном контакте, рассчитанные на основе модели тела

Область тела	Предельные значения скорости, мм/с, в зависимости от эффективной массы робота, кг, и оказываемого им допустимого давления на площадку 1 см 2
	1	2	5	10	15	20
Рука/палец	2400	2200	2000	2000	2000	1900
Нижняя часть руки	2200	1800	1500	1400	1400	1300
Верхняя часть руки	2400	1900	1500	1400	1300	1300
Живот	2900	2100	1400	1000	870	780
Таз	2700	1900	1300	930	800	720
Верхняя часть ноги	2000	1400	920	670	560	500
Нижняя часть ноги	1700	1200	800	580	490	440
Плечи	1700	1200	790	590	500	450
Шея	1500	1100	700	520	440	400

Свободные квазистатические контакты
Предельные значения скорости в зависимости от эффективной массы робота, конвертированной из единиц максимального давления

- кисть/палец; - нижняя часть руки; - верхняя часть руки; - таз; - верхняя часть ноги; - нижняя часть ноги; - грудь; - плечи

Рисунок А.4 - Графическое представление расчетного предельного значения скорости, найденного из модели тела

А.3.6 Ограничения модели тела

Модель тела является средством, с использованием которого интеграторы робототехнических комплексов для совместной работы могут использовать научные принципы для задания надлежащих ограничений, связанных с оценкой рисков для робототехнических комплексов, выполняющих совместные операции с ограничением мощности и силы. Это является новой областью исследований и предметом дальнейшего изучения и анализа.

Более того, модель тела представлена как средство, с использованием которого интегратор роботов может применять научные принципы и стандартизованный подход к анализу оценки рисков, включая ситуацию гипотетического контакта между оператором и роботом с ограничением по мощности и силе.

Предполагается, что кратковременный контакт между роботом и областью тела приводит к полностью неупругому столкновению двух тел. Вполне вероятно, что фактический сценарий кратковременного контакта будет находиться между совершенно эластичными и совершенно неупругими столкновениями.

Модель контакта с двумя телами предполагает, что площадь контактной поверхности между роботом и областью человеческого тела плоская, с равномерным распределением давления по площади поверхности. В настоящее время проводятся исследования, оценивающие влияние различных геометрических форм и конфигураций контактов, связанных с моделью тела. Фактические условия контакта, включая геометрическую форму области контакта, необходимо соотнести со значениями силы и давления из таблицы А.2 путем измерений или расчетов.