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A Parametric Study of Compliant Link Design for Safe Physical Human–Robot Interaction
Robotica ( IF 2.7 ) Pub Date : 2021-02-03 , DOI: 10.1017/s0263574720001472 Yu She , Siyang Song , Hai-jun Su , Junmin Wang
Robotica ( IF 2.7 ) Pub Date : 2021-02-03 , DOI: 10.1017/s0263574720001472 Yu She , Siyang Song , Hai-jun Su , Junmin Wang
SUMMARYRobots of next-generation physically interact with the world rather than be caged in a controlled area, and they need to make contact with the open-ended environment to perform their task. Compliant robot links offer intrinsic mechanical compliance for addressing the safety issue for physical human–robot interactions (pHRI). However, many important research questions are yet to be answered. For instance, how do system parameters, for example, mechanical compliance, motor torque, impact velocities, and so on, affect the impact force? how to formulate system impact dynamics of compliant robots, and how to size their geometric dimensions to maximize impact force reduction. In this paper, we present a parametric study of compliant link (CL) design for safe pHRI. We first present a theoretical model of the pHRI system that is comprised of robot dynamics, an impact contact model, and dummy head dynamics. After experimentally validating the theoretical model, we then systematically study the effects of CL parameters on the impact force in more detail. Specifically, we explore how the design and actuation parameters affect the impact force of pHRI system. Based on the parametric studies of the CL design, we propose a step-by-step process and a list of concrete guidelines for designing CL with safety constraints in pHRI. We further conduct a simulation case study to validate this design process and design guidelines.
中文翻译:
用于安全物理人机交互的顺从链接设计的参数化研究
摘要下一代机器人与世界进行物理交互,而不是被关在受控区域,它们需要与开放式环境接触才能执行任务。合规的机器人链接提供了内在的机械合规性,用于解决物理人机交互 (pHRI) 的安全问题。然而,许多重要的研究问题尚未得到解答。例如,机械顺应性、电机扭矩、冲击速度等系统参数如何影响冲击力?如何制定柔性机器人的系统冲击动力学,以及如何确定它们的几何尺寸以最大限度地减少冲击力。在本文中,我们提出了安全 pHRI 的合规链路 (CL) 设计的参数研究。我们首先提出了 pHRI 系统的理论模型,该模型由机器人动力学、冲击接触模型和假人头部动力学组成。在对理论模型进行实验验证后,我们更详细地系统地研究了 CL 参数对冲击力的影响。具体来说,我们探讨了设计和驱动参数如何影响 pHRI 系统的冲击力。基于 CL 设计的参数研究,我们提出了在 pHRI 中设计具有安全约束的 CL 的分步过程和具体指南列表。我们进一步进行了模拟案例研究,以验证此设计过程和设计指南。然后,我们更详细地系统地研究了 CL 参数对冲击力的影响。具体来说,我们探讨了设计和驱动参数如何影响 pHRI 系统的冲击力。基于 CL 设计的参数研究,我们提出了在 pHRI 中设计具有安全约束的 CL 的分步过程和具体指南列表。我们进一步进行了模拟案例研究,以验证此设计过程和设计指南。然后,我们更详细地系统地研究了 CL 参数对冲击力的影响。具体来说,我们探讨了设计和驱动参数如何影响 pHRI 系统的冲击力。基于 CL 设计的参数研究,我们提出了在 pHRI 中设计具有安全约束的 CL 的分步过程和具体指南列表。我们进一步进行了模拟案例研究,以验证此设计过程和设计指南。
更新日期:2021-02-03
中文翻译:
用于安全物理人机交互的顺从链接设计的参数化研究
摘要下一代机器人与世界进行物理交互,而不是被关在受控区域,它们需要与开放式环境接触才能执行任务。合规的机器人链接提供了内在的机械合规性,用于解决物理人机交互 (pHRI) 的安全问题。然而,许多重要的研究问题尚未得到解答。例如,机械顺应性、电机扭矩、冲击速度等系统参数如何影响冲击力?如何制定柔性机器人的系统冲击动力学,以及如何确定它们的几何尺寸以最大限度地减少冲击力。在本文中,我们提出了安全 pHRI 的合规链路 (CL) 设计的参数研究。我们首先提出了 pHRI 系统的理论模型,该模型由机器人动力学、冲击接触模型和假人头部动力学组成。在对理论模型进行实验验证后,我们更详细地系统地研究了 CL 参数对冲击力的影响。具体来说,我们探讨了设计和驱动参数如何影响 pHRI 系统的冲击力。基于 CL 设计的参数研究,我们提出了在 pHRI 中设计具有安全约束的 CL 的分步过程和具体指南列表。我们进一步进行了模拟案例研究,以验证此设计过程和设计指南。然后,我们更详细地系统地研究了 CL 参数对冲击力的影响。具体来说,我们探讨了设计和驱动参数如何影响 pHRI 系统的冲击力。基于 CL 设计的参数研究,我们提出了在 pHRI 中设计具有安全约束的 CL 的分步过程和具体指南列表。我们进一步进行了模拟案例研究,以验证此设计过程和设计指南。然后,我们更详细地系统地研究了 CL 参数对冲击力的影响。具体来说,我们探讨了设计和驱动参数如何影响 pHRI 系统的冲击力。基于 CL 设计的参数研究,我们提出了在 pHRI 中设计具有安全约束的 CL 的分步过程和具体指南列表。我们进一步进行了模拟案例研究,以验证此设计过程和设计指南。