Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Sichere Mensch-Roboter-Interaktion:Eine Evaluierung anhand von
Crashtests
Sami HaddadinAlin Albu-Schäffer
Gerd Hirzinger
Institut für Robotik und MechatronikDeutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
40. Fachausschuss des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
18.07.2007
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Gliederung
1 Motivation
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Gliederung
1 Motivation
2 Severity Indizes
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Gliederung
1 Motivation
2 Severity Indizes
3 Setup
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Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Gliederung
1 Motivation
2 Severity Indizes
3 Setup
4 Auswertung
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Gliederung
1 Motivation
2 Severity Indizes
3 Setup
4 Auswertung
5 Diskussion
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Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Motivation
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Warum eine Sicherheitsuntersuchung?
Der Kanzler
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Warum eine Sicherheitsuntersuchung?
Ziel
Umgebung
Sicherheits-anforderungen
sichere
physikalischeHRI
potentielle
Gefahren
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Why safety evaluation?
Ziel
Umgebung
Sicherheits-anforderungen
sichere
physikalischeHRI
potentielle
GefahrenUnerwarteter freier
stumpfer Impact
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Messen der Verletzungsschwere:
Severity Indices
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Severity Indizes
Grosse Vielfalt an Kriterien
Sind nur für eine bestimmte Körperregion definiert → Keingenereller Indikator
Von uns untersucht: Kopf, Nacken & Brust
τmM MM
cM
dM
Kopf ModellRoboter Modell
q̇ ẋM
q xM
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Severity Indizes - Ein Überblick
Quantifizierung der Verletzungsschwere
Head
Head Injury Criterion (HIC)Maximum Impact PowerMaximum Mean Strain CriterionVienna Institute Index, Effective Displacement Index, RevisedBrain Model
Neck
Maximum Tension, Shearing & Extension
Chest
Acceleration CriterionCompression CriterionViscous Criterion
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Abbreviated Injury Scale (AIS)
Klassifikation der Verletzungsschwere
AIS SCHWERE ART DER VERLETZUNG
0 Keine Keine
1 Minimal Oberflächliche Verletzung
2 Moderat Definitive Genesung
3 Ernstzunehmend Wahrscheinliche Genesung
4 Schwer Keine Genesung ohne Pflege
5 Kritisch Keine Genesung mit Pflege
6 Maximal Tödlich
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HIII Dummy: Instrumentierung
Triaxial acceleration sensor
2x 6DOF Force-/Torque sensor
Triaxial acceleration sensor
Rotary potentiometer
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Severity Indizes für den Kopf beim ADAC
Anmerkung: Es werden jeweils die unteren Grenzwerte angegeben,die einer 5%-igen Wahrscheinlichkeit entsprechen, eine Verletzungder Schwere AIS3 davonzutragen (ernstzunehmend).
Kopf: Head Injury Criterion
HIC36 = max∆t
{
∆t(
1∆t
∫ t2t1
ẍHdt)( 5
2)}
≤ 650
∆tmax = max {t2 − t1} ≤ 36ms
Kopf: 3ms Kriterium
ẍ∆tH ≤ 72g
∆t = 3ms
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Severity Indizes - HIC15 → p(AIS)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1AIS 1-6
HIC
AIS1-Minor
AIS2-Moderate
AIS3-Serious
AIS4-Severe
AIS5-Critical
AIS6-Fatal
Inju
rypr
obab
ility
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Severity Indizes für den Nacken beim ADAC
Load @0ms @25 − 35ms @45ms
Shearing: Fx , Fy 1.9/3.1kN 1.2/1.5kN 1.1/1.1kNTension: Fz 2.7/3.3kN 2.3/2.9kN 1.1/1.1kNExtension: My 42/57Nm 42/57Nm 42/57Nm
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Severity Indizes für die Brust beim ADAC
Brust: Maximum Deflection
Deflection: ∆x ≤ 22mm
Brust: Viscous Criterion
Viscous-Criterion: vc(t) · c(t) =d
dt(∆x) · ∆x
D0≤ 0.5m
s
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Setup der Experimente beim ADAC
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Der DLR Leichtbauroboter III
DLR LBRIII:7DOF - 15kg - drehmomentgeregelt - LWR=1
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Setup der Impact-Experimente
Standalone LBRIII
HybridIII Dummy
Laserpointer High-Speed Kamera
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Kollisionsdetektion
REAL ROBOT
τm
τF
Motorτ
q q̇
Rigid
Body
Dynamics
τext
τ̂ext ≈ τextObserver
b
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Kollisionsdetektion
REAL ROBOT
τm
τF
Motor
θ, θ̇
τ Rigid
Body
Dynamics
θ → q̂q̂, ˙̂q
τext
τ̂ext ≈ τextObserver
b
b
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Kollisionsstrategien
Kollisionsstrategien
1 Gelenkmaximalmomente bzw. Maximalwinkel
2 Stop
3 Umschalten auf Drehmomentregelung mit Grav.-Komp
4 Umschalten auf Drehmomentregelung mit Grav.-Komp undAbtriebsskalierung
5 Admittanzregelung
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Ergebnisse der Experimente beim
ADAC
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Impact-Experimente beim ADAC: LBRIII
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
Motivation Severity Indizes Setup Auswertung Diskussion
Auswertung I
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Auswertung I
Detektionsdelay
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Auswertung I
Drehmomentsensor Sättigung
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Auswertung II
serious,
but
not
life
thre
ate
nin
g
5% AIS≥ 3
20% AIS≥ 3
Very low
Low
Medium
High
Very high
Injury
LevelHICLevel
HIC36-Level of the LWRIII
650
1000
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
5
10
15
20
25
30
bb bb
b
bb
HIC36
TCP-Velocity [m/s]
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Auswertung II
serious,
but
not
life
thre
ate
nin
g
5% AIS≥ 3
20% AIS≥ 3
Very low
Low
Medium
High
Very high
Injury
LevelHICLevel
HIC36-Level of the LWRIII
650
1000
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
5
10
15
20
25
30
bb bb
b
bb
HIC36
TCP-Velocity [m/s]
Ähnliche Resultate für alle untersuchten Severity Indices:Alle Werte sind im unteren Viertel der grünen Fläche!
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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confidence
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Was haben wir gelernt?
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Kernaussagen I
Verletzungswahrscheinlichkeit ∀i : p(AIS ≥ i) = 0, also inallen AIS-Kategorien!!
Wann wird es gefährlich bezüglich Masse oderGeschwindigkeit?
→ unendliche Masse (Wand)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
50
100
150
200
250
300
350
400HIC36(mrobot)
Robot mass mrobot[kg]
HIC
36
0.2m/s0.5m/s1.0m/s1.5m/s2.0m/s2.5m/s3.0m/s
5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
50
100
150
200
250
300HIC36(mrobot)
Robot mass mrobot[kg]
HIC
36
0.2m/s0.5m/s1.0m/s1.5m/s2.0m/s2.5m/s3.0m/s
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Zidane
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Kernaussagen II
Alle (Kopf, Nacken & Brust) ADAC Tests sind subkritisch
Sogar: kein Roboter durch HIC tödlich bei 2m/s.
Neue/andere Kriterien müssen bestimmmt werden da HIC,etc... unbrauchbar!!
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100
5000
10000
15000HIC36(ẋrobot)
Robot velocity ẋrobot[m/s]
HIC
36
1kg4kg10kg50kg100kg500kg
0 0.5 1 1.5 2 2.50
50
100
150
200
250HIC36(ẋrobot)
Robot velocity ẋrobot[m/s]
HIC
36
1kg4kg10kg50kg100kg500kg
Impactgeschwindigkeit ist der bestimmende Faktor
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Kernaussagen III
Andere Verletzungen sind zu betrachten: Platzwunden,Brüche & Quetschungen nicht vom ADAC abgedeckt
Kollisionsdetektion bringt bei harten Impacts & hohenGeschwindigkeiten nichts
Bei Quetschungen springt die Kollisionsdetektion an
Wie schützt man den Roboter? Kontaktkräfte überschreiten2kN! Fmax?
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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Asimov’s 1st Law
”A robot may not harm a human being, or, through inaction,
allow a human being to come to harm.”
Isaac Asimov - The Caves Of Steel, p. 177-179, 1942
Haddadin, Albu-Schäffer & Hirzinger @ 40. Sitzung des VDI/VDE-GMA 4.13, July, 18. 2007 Frankfurt
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