We present a tool-supported approach for the synthesis, verification and validation of the control software responsible for the safety of the human-robot interaction in manufacturing processes that use collaborative robots. In human-robot collaboration, software-based safety controllers are used to improve operational safety, e.g., by triggering shutdown mechanisms or emergency stops to avoid accidents. Complex robotic tasks and increasingly close human-robot interaction pose new challenges to controller developers and certification authorities. Key among these challenges is the need to assure the correctness of safety controllers under explicit (and preferably weak) assumptions. Our controller synthesis, verification and validation approach is informed by the process, risk analysis, and relevant safety regulations for the target application. Controllers are selected from a design space of feasible controllers according to a set of optimality criteria, are formally verified against correctness criteria, and are translated into executable code and validated in a digital twin. The resulting controller can detect the occurrence of hazards, move the process into a safe state, and, in certain circumstances, return the process to an operational state from which it can resume its original task. We show the effectiveness of our software engineering approach through a case study involving the development of a safety controller for a manufacturing work cell equipped with a collaborative robot.

中文翻译：

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用于人机协作的最佳安全控制器的验证综合

我们提出了一种工具支持的方法，用于合成、验证和验证控制软件，该软件负责使用协作机器人的制造过程中人机交互的安全性。在人机协作中，基于软件的安全控制器用于提高操作安全性，例如通过触发关闭机制或紧急停止以避免事故。复杂的机器人任务和日益密切的人机交互给控制器开发人员和认证机构带来了新的挑战。这些挑战中的关键是需要在明确的（最好是弱的）假设下确保安全控制器的正确性。我们的控制器综合、验证和验证方法以目标应用的过程、风险分析和相关安全法规为依据。根据一组最优性标准从可行控制器的设计空间中选择控制器，根据正确性标准进行形式验证，然后转换为可执行代码并在数字孪生中进行验证。由此产生的控制器可以检测危险的发生，使过程进入安全状态，并在某些情况下，将过程返回到可以恢复其原始任务的操作状态。我们通过案例研究展示了我们的软件工程方法的有效性，该案例研究涉及为配备协作机器人的制造工作单元开发安全控制器。并被翻译成可执行代码并在数字孪生中进行验证。由此产生的控制器可以检测危险的发生，使过程进入安全状态，并在某些情况下，将过程返回到可以恢复其原始任务的操作状态。我们通过案例研究展示了我们的软件工程方法的有效性，该案例研究涉及为配备协作机器人的制造工作单元开发安全控制器。并被翻译成可执行代码并在数字孪生中进行验证。由此产生的控制器可以检测危险的发生，使过程进入安全状态，并在某些情况下，将过程返回到可以恢复其原始任务的操作状态。我们通过案例研究展示了我们的软件工程方法的有效性，该案例研究涉及为配备协作机器人的制造工作单元开发安全控制器。