Towards safe robots : approaching Asimovs 1st law

Haddadin, Sami; Roßmann, Heinz-Jürgen

doi:999910130442

Towards safe robots : approaching Asimovs 1st law = Sichere Roboter : der Weg zu Asimov s 1. Gesetz

Haddadin, Sami

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sami Haddadin

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVIII, 352 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Roßmann, Heinz-Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-10-12

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38268
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52869/files/3826.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Mensch-Maschine-Interaktion (615210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
KUKA Roboter GmbH (Genormte SW) ; Humanoider Roboter (Genormte SW) ; Roboter (Genormte SW) ; Bahnplanung (Genormte SW) ; Autonomer Roboter (Genormte SW) ; Deutschland / Arbeitsschutzgesetz (Genormte SW) ; Deutschland / Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (Genormte SW) ; Menschliche Sicherheit (Genormte SW) ; Funktionssicherheit (Genormte SW) ; Sicherheit (Genormte SW) ; Crash-Test (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Deutschland (frei) ; Betriebssicherheitsverordnung (frei) ; Mensch-Roboter-Interaktion (frei) ; Kollisionsdetektion (frei) ; Optimalsteuerung (frei) ; human-robot interaction (frei) ; collision detection (frei) ; safety (frei) ; crash-test (frei) ; optimal control (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Vision der umfassenden Mensch-Roboter Interaktion in alltäglichen Situationen, die eine enge Zusammenarbeit von Mensch und Roboter erlaubt, stößt bisher noch in unterschiedlichsten Gebieten an ihre Grenzen. Sowohl in der Perzeption, der autonomen Aufgabenplanung, als auch im mechatronischen Roboterdesign sind vielfältige Probleme nach zu lösen. Des Weiteren gilt es eine der grundlegendsten Herausforderungen der Mensch-Roboter Interaktion zu meistem: Wie kann sichergestellt werden, dass ein Roboter nicht in der Lage ist, einem Menschen Schaden zuzufügen? Obgleich die Entwicklung dieser Technologien und Methoden ohne Zweifel notwendig für eine solche sichere Mensch-Roboter Interaktion ist, fehlt dach einer der grundlegendsten Bausteine, der die Bewertung der oben genannten Verfahren hinsichtlich der menschlichen Sicherheit ermöglicht: Die biomechanische Analyse und Quantifizierung von potentiellen menschlichen Verletzungen in der Mensch-Roboter Interaktion. Die vorliegende Dissertation beleuchtet das Thema Sicherheit in der physikalischen Mensch-Roboter Interaktion von unterschiedlichen Standpunkten aus und gliedert die Vielfalt an involvierten Themen, wie z.B. das Roboterdesign, die Analyse von Verletzungen des Menschen verursacht durch Kollisionen mit Robotern, oder die Regelung zur Interaktion mit dem Menschen in einen globalen Kontext. Eine grundlegende Fähigkeit eines Roboters in der direkten Mensch-Roboter Interaktion ist Kontaktkräfte schnell und zuverlässig zu erkennen und zu quantifizieren. Die in der Arbeit entwickelten Methoden zur Kollisionsdetektion und Kollisionsreaktion erlauben es externe Kräfte entlang der gesamten Roboterstruktur zu detektieren und in einer sicheren Art und Weise auf derartige Ereignisse zu reagieren. Die experimentelle Verifikation der Algorithmen erfolgt mit dem DLR Leichtbauroboter III (LBR-III). Es werden u.a. beim ADAC durchgeführte Crashtests beschrieben, die die Verletzungen des Menschen durch stumpfe Kollisionen mit und ohne Klemmung in Abhängigkeit von Robotermasse und -geschwindigkeit thematisieren und tiefgehend analysieren. Die durch diese Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse liefern grundlegende Einsichten in die Verletzungsmechanismen der Mensch-Roboter Interaktion. Des Weiteren werden Weichteilverletzungen mit Augenmerk auf Schnittwunden und Stichverletzungen anhand verschiedener scharfer und spitzer Werkzeuge, die am Endeffektor des LBR-III montiert sind erläutert und analysiert. In diesem Zusammenhang wird auch die Effektivität der bereits genannten Kollisionsdetektions- und -reaktionsmethoden demonstriert. Die wichtigste Maßnahme, um das Verletzungsrisiko zu mindern ist natürlich eine ungewollte potentiell gefährliche Kollision zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden neuartige Methoden zur Kollisionsvermeidung eingeführt. Diese erlauben es dem Roboter sowohl virtuelle als auch physikalische Kräfte einzubeziehen und somit Kollisionen vorab bereits zu vermeiden, bzw. bei Kontakt sich vom unerwarteten physischen Objekt zu entfernen. Überdies wir die Fusion der in der Arbeit entworfenen Methoden zu einem einheitlichen Konzept für die Realisierung eines Roboterassistenten dargestellt. Es wird aufgezeigt, wie eine hierarchische Sicherheitsarchitektur zur Kombination der „Soft-Robotics” Komponenten im Zusammenspiel mit exterozeptiver Sensorik zu einem leistungsstarken System mit diversen Sicherheitsstrategien kombiniert werden kann. Zustandsabhängiges sensorbasiertes Verhalten erlaubt es hohe Robustheit in partiell unstrukturierten Umgebungen zu erlangen. Die Arbeit diskutiert außerdem die Erweiterung der Sicherheitsthematik auf Roboter, die nicht primär das Ziel der Mensch-Roboter Interaktion verfolgen, sondern zukünftig menschenähnliche Leistungen erbringen sollen, um den möglichen Applikationsbereich der Robotik signifikant zu erweitern. Im Laufe der letzten Jahre haben viele Arbeiten den Einfluss der Gelenksteifigkeit auf die Sicherheit in der Mensch-Roboter Interaktion betont, tiefer gehende Analysen fehlten bisher jedoch weitestgehend. Es wird systematisch aufgezeigt, wie dieser wichtige Baustein des Roboterdesigns sowohl beim Thema Sicherheit als auch im Hinblick auf Performancezugewinn zum Tragen kommt. Es werden insbesondere grundlegende Designaspekte und theoretische Grundlagen zur Ausnutzung der Gelenksteifigkeit für die Geschwindigkeitserhöhung gelegt, die anhand eines prototypischen Aufbaus verifiziert werden. Abschließend werden mit Hilfe der aus der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse Vorschläge und Hinweise für zukünftige Standards und Normen zur Mensch-Roboter Interaktion gegeben, die es ermöglichen sollen, Roboter objektiv anhand ihres inhärenten Gefährdungspotentials zu untersuchen.

The vision of seamless human-robot interaction in our everyday life that allows for tight cooperation between human and robot has not become reality yet. Up to now, state-of-the-art industrial robots played the most important role in real-world applications and more advanced, highly sensorized robots were usually kept in lab environments and remained in a prototypical stadium. Various factors like low robustness and the lack of computing power were large hurdles in realizing robotic systems for highly demanding tasks in e.g. domestic environments or as robotic co-workers. Furthermore, limited perception and task planning capabilities are still an issue. However, the recent increase in technology maturity finally made it possible to realize systems of high integration, advanced sensorial capabilities and enhanced power to cross this barrier and merge living spaces of humans and robot workspaces to at least a certain extent. In addition, the increasing effort various companies have invested to realize first commercial service robotics products has made it necessary to properly address one of the most fundamental questions of Human-Robot Interaction: How to ensure safety in human-robot coexistence? Although the vision of coexistence itself has always been present, very little effort has been made to actually enforce safety requirements, or to define safety standards up to now. In this dissertation, the essential question about the necessary requirements for a safe robot is addressed in depth and from various perspectives. The approach taken here focuses on the biomechanical level of injury assessment, addressing the physical evaluation of robot-human impacts and the definition of the major factors that affect injuries during various worst-case scenarios. This assessment is the basis for the design and exploration of various measures to improve the safety in human-robot interaction. They range from control schemes for collision detection, and reaction, to the investigation of novel joint designs. An in-depth analysis of their contribution to safety in human-robot coexistence is carried out. In addition to this “in-contact” treatment of human-robot interaction, the thesis proposes and discusses real-time collision avoidance methods, i.e. how to design pre-collision strategies to prevent unintended contact. An additional major outcome of this thesis is the development of a concept for a robotic co-worker and its experimental verification in an industrially relevant real-world scenario. In this context, a control architecture that enables a behavior based access to the robot and provides an easy to parameterize interface to the safety capabilities of the robot was developed. In addition, the architecture was applied in various other applications that deal with physical Human-Robot Interaction. Generally, all aspects discussed in this thesis are fully supported by a variety of experiments and cross-verifications, leading to strong conclusions in this sensitive and immanently important topic.

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