Robots are gaining a foothold day-by-day in different areas of people’s lives. Collaborative robots (cobots) need to display human-like dynamic performance. Thus, the question of safety during physical human–robot interaction (pHRI) arises. Herein, we propose making serial cobots intrinsically compliant to guarantee safe pHRI via our novel designed device, V2SOM (variable stiffness safety-oriented mechanism). Integrating this new device at each rotary joint of the serial cobot ensures a safe pHRI and reduces the drawbacks of making robots compliant. Thanks to its two continuously linked functional modes—high and low stiffness—V2SOM presents a high inertia decoupling capacity, which is a necessary condition for safe pHRI. The high stiffness mode eases the control without disturbing the safety aspect. Once a human–robot (HR) collision occurs, a spontaneous and smooth shift to low stiffness mode is passively triggered to safely absorb the impact. To highlight V2SOM’s effect in safety terms, we consider two complementary safety criteria: impact force (ImpF) criterion and head injury criterion (HIC) for external and internal damage evaluation of blunt shocks, respectively. A pre-established HR collision model is built in Matlab/Simulink (v2018, MathWorks, France) in order to evaluate the latter criterion. This paper presents the first V2SOM prototype, with quasi-static and dynamic experimental evaluations.

中文翻译：

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通过可变刚度安全导向机构 (V2SOM) 实现安全 pHRI：模拟和实验验证

机器人每天都在人们生活的不同领域站稳脚跟。协作机器人（cobots）需要表现出类人的动态表现。因此，出现了人机交互 (pHRI) 期间的安全问题。在此，我们建议通过我们新颖设计的设备 V2SOM（可变刚度安全导向机制）使串行协作机器人本质上符合以保证安全的 pHRI。在串行协作机器人的每个旋转关节处集成这种新设备可确保安全的 pHRI 并减少使机器人兼容的缺点。由于其两个连续链接的功能模式——高刚度和低刚度——V2SOM 具有高惯性解耦能力，这是安全 pHRI 的必要条件。高刚度模式在不影响安全方面的情况下简化了控制。一旦发生人机 (HR) 碰撞，被动触发自发平稳地切换到低刚度模式以安全吸收冲击。为了突出 V2SOM 在安全方面的影响，我们考虑了两个互补的安全标准：冲击力 (ImpF) 标准和头部损伤标准 (HIC)，分别用于钝性冲击的外部和内部损坏评估。在 Matlab/Simulink (v2018, MathWorks, France) 中建立了一个预先建立的 HR 碰撞模型，以评估后一个标准。本文介绍了第一个 V2SOM 原型，具有准静态和动态实验评估。冲击力（ImpF）标准和头部损伤标准（HIC）分别用于钝性冲击的外部和内部损伤评估。在 Matlab/Simulink (v2018, MathWorks, France) 中建立了一个预先建立的 HR 碰撞模型，以评估后一个标准。本文介绍了第一个 V2SOM 原型，具有准静态和动态实验评估。冲击力（ImpF）标准和头部损伤标准（HIC）分别用于钝性冲击的外部和内部损伤评估。在 Matlab/Simulink (v2018, MathWorks, France) 中建立了一个预先建立的 HR 碰撞模型，以评估后一个标准。本文介绍了第一个 V2SOM 原型，具有准静态和动态实验评估。