水下船舶清洗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【CAD高清圖紙和文檔】
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SJ003-1 2014 屆畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告二級學(xué)院: 機電工程學(xué)院 班 級: 10機三 學(xué) 生: 把鵬程 學(xué) 號: 10010301 指導(dǎo)教師: 胡少剛 職 稱: 副教授 課題名稱 水下船舶清洗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計課題類型 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文起止時間開題報告(畢業(yè)設(shè)計:含課題來源及現(xiàn)狀、設(shè)計要求、工作內(nèi)容、設(shè)計方案、技術(shù)路線、預(yù)期目標(biāo)、時間安排及參考文獻等。字?jǐn)?shù)為3000以上。)一、課題來源及現(xiàn)狀1.1課題來源課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長期的航行中,水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑,嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命,還增加船舶的燃料消耗,所以定期清洗非常重要,人工清洗人員工作量大、難度大、效率低,目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少,對于壁面清洗機器人有一些研究,主要是清洗玻璃、墻壁等,但是對于船舶清洗研究的卻是很少,主要是因為船舶清洗是在水下,設(shè)計時要考慮水的影響,密封性的要求,水下移動、吸附等問題,增大了設(shè)計的難度。據(jù)統(tǒng)計,世界上5萬噸以上的船占船舶總數(shù)的49.4%,這是一部分相當(dāng)大的業(yè)務(wù)對象。而我國雖有大連造船新廠等幾家擁有20萬噸級以上的船塢,但還是與國外存在很大的差距,我國只有在修船效率上下功夫。 實現(xiàn)水下清刷作業(yè)的自動化,用機器人來替代人的操作,將會大大節(jié)約勞動力,降低潛水員的勞動強度,提高修船效率。法國、美國、日本等國家已開展了水下清刷設(shè)備的研究,但有的還是需要潛水員下水操作。為了提高修船效率、節(jié)約能源,提高我國在世界修船業(yè)中的地位,研制水下清洗機器人成為需要,水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率,減少工作量,減少工作強度,實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分:一部分是移動部分,另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動,清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。 水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或停靠碼頭時直接進行,一方面減少了船舶的停航損失,另一方面也使得船舶的燃油水泵大大地降低。這樣可以解決船塢不足,特別是大塢嚴(yán)重不足的問題。眾所周知,修船期長,船塢不足,缺少10噸以上的大塢是我國修船業(yè)發(fā)展的重要障礙。而船塢投資巨大,建設(shè)周期長,為了提高塢修能力,近年來用于塢修機械化的投資介巨大。12水下清刷技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況 水下清刷作業(yè)具有減小船舶阻力、減少航速損失和節(jié)約燃料等優(yōu)點,特別是在全球石油危機的影響下,船舶的水下清刷作業(yè)更是得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。水下清刷技術(shù)的發(fā)展分為三個階段。第一階段為手工操作階段,由潛水員下水進行清刷工作。第二階段為機械操作階段,由專用的清洗器、涂裝機等機械完成大型船舶的清刷任務(wù),并具有較高的工作效率。第三階段為遙控機械或機器人作業(yè)階段,為在惡劣的海洋環(huán)境下開展工作提供了保障。手工操作最早用于對較小船舶水下海生物的清洗,使用成形的氣動或液壓清洗器由潛水員來操作完成。隨著大型船舶特別是大型油輪的出現(xiàn),手工操作不能滿足高效率和質(zhì)量上的要求,從而出現(xiàn)了較為大型的機械裝置。如多刷清掃器、刷污車等。這一階段的快速發(fā)展一方面是由于大塢的數(shù)量滿足不了修船的需求,另一方面是航運部門在石油危機、油價上漲的壓力下采取了縮減開支和降低油耗的措施。特別是船級社對船舶進塢間隔期的規(guī)定放寬,允許用水下檢驗代替兩年一次的中間檢驗,使得水下清刷技術(shù)的應(yīng)用得到了多方認可。在此基礎(chǔ)上,為進一步適應(yīng)海洋的惡劣環(huán)境和在低能見度的情況下工作,人們開始尋求自動化和機器人技術(shù)在水下的應(yīng)用,并取得了很大的進步,在水下清刷作業(yè)方面已有較成功的設(shè)備被使用?,F(xiàn)在世界各地主要航線上都設(shè)有水下清刷維修站,如:美國東西海岸、夏威夷、加勒比海、意大利、由路特丹開始的西北歐、波斯灣、新加坡及日本等地都設(shè)有水下維修站。在國外。機器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没?。目前常用的水下清刷設(shè)備有:1手持單刷機械:其結(jié)構(gòu)是由液壓或氣動馬達帶動一個毛刷,毛刷質(zhì)地根據(jù)船體污損情況選擇。作業(yè)方式是由潛水員手持轉(zhuǎn)刷,利用轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生的負壓使之緊貼船體,推動其向前運動即可。擁有這類產(chǎn)品的有:法國斯塔拉公司及奧切培列特公司、美國海軍等,日本MACSEA清洗系統(tǒng)中也有此類裝置,它可適用于小型船舶及小艦艇。2行走多刷式水下清掃裝置:1966年,英國船舶研究計劃中引入了水下清刷及維護項目,即SCAMP(Ship Cleaning and Maintenance Platform)。采用了水下運載工具的設(shè)計原理,使裝置緊貼于船舷殼板做垂直或水平爬行,控制箱在工作艇上,遙控操作。它的工作部分由3個轉(zhuǎn)刷,3個行走輪和1個中心推進器構(gòu)成。動力源是液壓或氣動的。法國的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亞的Australian型的結(jié)構(gòu)與其大體相同。3噴射式清刷裝置:是把高壓水清洗用于水下作業(yè),特點是為使噴槍緊貼于工作面,必須有一個反向射流,即使用無座力型噴槍,但這樣會增加能量消耗。英國流體力學(xué)研究協(xié)會(BHRA)的研究表明,使用高壓噴水器進行清洗可顯著地提高清洗速率。這種裝置一般適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體,如:海洋平臺、螺旋槳等的清洗。4遙控型清洗器及水下清洗器的微機控制:美國Butterworth公司七十年代初研制成功SCAMP-A型清洗器,對于寒冷海域及能見度低的水質(zhì)情況下進行清掃優(yōu)點顯著,其運動精度低,在船體曲度變化大的部位仍需潛水員下水糾正。法國七十年代末到八十年代初研制了水下清掃機器人裝置,由計算機控制并取得了良好的效果。日本在這方面也開展了大量的研究,取得了成功經(jīng)驗。 在國內(nèi),水下清刷作業(yè)自1983年在湛江、廈門、天津、秦皇島、煙臺、大連等地建立了由救撈部門開展的業(yè)務(wù)以來,做了一定的工作,并引進了幾臺設(shè)備,但實際應(yīng)用中存在著許多問題和困難,業(yè)務(wù)量較少。主要是在夏季水溫較高時和在海水可見度高的港口才可以使用,有很大的局限性。主要方式是潛水員水下手工作業(yè),與國外的無潛水員遙控操作形成了鮮明的對比。 上海救撈局有關(guān)廠曾對進口設(shè)備進行過研究,并仿制了單刷式清掃器,但效果不好,對于更高層次的產(chǎn)品研究則更少。目前我國船體表面的清理工作主要是在船塢里進行噴砂和高壓水沖洗,如圖所示的是在船塢里對船體表面進行噴砂處理,作業(yè)環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重。所以急需研制水下船體表面清刷機器人。二、設(shè)計要求 課題設(shè)計中結(jié)合文獻分析,盡量提出多種結(jié)構(gòu)和控制部分的設(shè)計方案,分析比較,完善水下清洗機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計.適當(dāng)建立模型,對于主要結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計并運用有限元分析法進行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行受力和變形分析.三、工作內(nèi)容水下船體清刷機器人的主要任務(wù)是完成水下船體表面附著海生物的清除,其工作面是船體表面。水下清刷裝置是水下船體表面清刷機器人的關(guān)鍵部件,是用來完成水下船體表面清刷的作業(yè)工具。水下清刷裝置的好壞直接決定水下船體表面清刷機器人的清刷效果。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展,帶來了遠洋運輸事業(yè)的飛速發(fā)展,船舶作為海上交通運輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來越大的作用。但海水的強腐蝕性和海洋生物的強附著力,使得船體表面附著難以清除的貝類、銹皮和銹斑等,為了延長船舶的使用壽命,保證船舶的安全運行,船舶必須定期進塢進行檢驗。這就存在著修船期長,船塢不足的問題,同時也增加了船舶的非營運時間和燃油的消耗。所以開展船舶水下清刷作業(yè),提高水下清刷作業(yè)的自動化水平,是目前急需解決的問題。本課題完成機器人的機構(gòu)設(shè)計,該機器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分:一部分是移動部分,另一部分是清洗部分.移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動,現(xiàn)如今主要的移動機構(gòu)都只是適應(yīng)機器人在平面上的移動,而在曲面上的移動卻研究的很少。該課題研究試圖提出利用球連接來適應(yīng)曲面的移動,采用三個支撐點的結(jié)構(gòu),其中兩個是固定的,而第三個是利用球連接,同時采用大小兩個三角吸盤,循環(huán)移動來實現(xiàn)機器人的移動,當(dāng)然該機構(gòu)也不可避免的存在一些問題。.清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本次設(shè)計主要完成這兩部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計,利用直流電機驅(qū)動,同時完成二維圖和運動仿真.四、設(shè)計方案和技術(shù)路線機器人要完成在船體表面的爬行,一方面通過電磁吸附吸附在船體上,同時機器人在船體上要完成移動。爬行部分主要解決兩個問題,一個問題是機器人在曲面的移動,另一個問題是機器人在船體表面的吸附.對于移動機器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動,例如清洗玻璃的機器人,在玻璃上爬行,清洗管道的機器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機器人及其移動方案:多吸盤真空吸附式壁面清洗機器人系統(tǒng),該機器人用于清洗高空玻璃,傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡便易行,但勞動強度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性.該機器人可以代替人工清洗.考慮到現(xiàn)場實際中的一些特點以及對壁面清洗機器人的要求 ,該壁面清洗機器人多采用真空式吸附方式。另外,塢內(nèi)清刷也可在船塢里進行船體表面的高壓水清洗和噴砂(丸)處理。1高壓水清洗高壓水清洗是一種既環(huán)保又經(jīng)濟的表面處理手段,在工業(yè)和海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用。高壓水清洗對環(huán)境沒有灰塵產(chǎn)生,可以方便、快速而又經(jīng)濟回收清理物,而且舊涂膜表面清潔處理不用擔(dān)心引起涂膜受沖擊而裂開。但清洗船體表面的海洋附著物為海蝠等貝類時,清洗效果并不理想。2噴砂噴砂是以壓縮空氣為動力,將磨料以一定速度噴向被處理的船體表面,對船體表面產(chǎn)生沖擊和切削作用,以除去氧化皮、鐵銹和海洋污損物的一種有效的表面處理方法。絕大多數(shù)噴砂處理需要工人參與,噴砂的扶塵大、噪聲高還有一定的危險性。 機器人系統(tǒng)可以采用由機械本體、清刷作業(yè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成的方案,其已有的系統(tǒng)方案見下圖: 其工作原理為:在船體甲板上放置有一個可自由移動的運載小車,它可使機器人自動爬上或爬下船體表面,克服由于機器人具有的永久吸力帶來的放上取下的不便,并起到運輸作用。小車上有控制柜、CRT顯示器、動力源及卷揚裝置。動力源為水下機器人的移動和清刷作業(yè)提供動力,卷揚裝置隨著機器人的上下移動及時地收放保護纜繩,為機器人提供安全保障條件,同時為機器人輸送動力和控制電纜。顯示器通過安裝在機器人本體上的攝像機,實時地顯示機器人的工作環(huán)境,便于操作者及時了解機器人的工作狀態(tài)。機器人從運載小車爬上船體,先按從上至下的路徑移動,當(dāng)?shù)竭_船的底部時,機器人旋轉(zhuǎn)180 ,然后再從下至上移動。五、預(yù)期目標(biāo)1、完成機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,使所設(shè)計的機器人達到所需要的使用功能,結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。2、設(shè)計對象的測試與性能評價符號相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。3、通過畢業(yè)設(shè)計訓(xùn)練,提高設(shè)計計算繪圖能力,提升分析問題、解決問題能力。六、時間安排3-4周:進行文獻檢索,論文收集,熟悉課題,調(diào)查研究,收集資料,撰寫開題報告;5-7周:總體方案擬定,功能原理設(shè)計,外文資料翻譯;8-11周:機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,總圖、部裝圖繪制; 12-13周:方案細化,總圖、部件圖審定、修改;14-16周: 編寫設(shè)計計算說明書;17-18周: 提交修改畢業(yè)設(shè)計資料,準(zhǔn)備答辯。七、參考文獻1、王麗惠.水下船體表面清刷機器人及相關(guān)技術(shù)研究.哈爾濱工程人學(xué)博士論文 2002.62、尹龍. 船體表面水下清刷機器人關(guān)鍵技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2004.2劉淑霞,趙炎正等.高樓壁面清洗機器人及相關(guān)技術(shù)的研究.自動化博覽. 1999邵浩,趙言正等. 爬壁機器人在弧面上爬行時的吸附穩(wěn)定性分析.機器人 2000在我國開展船舶水下維修的可行性中船總平臺公司.1990沈為民,潘渙渙等.水冷壁清掃檢測爬壁機器人.機器人. 1999指導(dǎo)教師意見(對課題的深度、廣度及工作量的意見,設(shè)計的結(jié)果預(yù)測或論文的可行性評價):指導(dǎo)教師:年 月 日系部意見:系主任: 年 月 日 注:開題報告作為畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一,應(yīng)在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,由學(xué)生填寫,經(jīng)導(dǎo)師簽署意見及系部審核后生效。目 錄第1章 緒論11.1 課題背景11.2 課題研究的目的和意義11.3 現(xiàn)狀2第2章 總體方案設(shè)計122.1 設(shè)計的基本要求122.1.1 工藝范圍122.1.2 進給方案的選取122.1.3 吸附結(jié)構(gòu)13第3章 進給系統(tǒng)設(shè)計計算143.1 切削力的計算143.2 絲杠螺母的設(shè)計與計算143.2.1 強度驗算143.2.2 效率計算153.2.3 剛度驗算153.2.4 穩(wěn)定性驗算163.3 電機的選擇173.3.1 計算傳動比173.3.2 轉(zhuǎn)動慣量計算183.3.3 所需傳動力矩計算183.3.4 電機的選擇193.4 軸承的選用與校核203.4.1 角接觸球軸承的選擇203.4.2 深溝球軸承的選擇21結(jié)論22致謝23參考文獻24千萬不要刪除行尾的分節(jié)符,此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”,然后“更新整個目錄”。打印前,不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行- I -第1章 緒論1.1 課題背景 課題來源于常州太燁傳感科技有限公司。 船舶在長期的航行中,水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑,嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命,還增加船舶的燃料消耗,所以定期清洗非常重要,人工清洗人員工作量大、難度大、效率低,目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少,對于壁面清洗機器人有一些研究,主要是清洗玻璃、墻壁等,但是對于船舶清洗研究的卻是很少,主要是因為船舶清洗是在水下,設(shè)計時要考慮水的影響,密封性的要求,水下移動、吸附等問題,增大了設(shè)計的難度。因此研制水下清洗機器人成為需要,水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率,減少工作量,減少工作強度,實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分:一部分是移動部分,另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動,清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括:國內(nèi)外文獻分析,總統(tǒng)方案設(shè)計,水下船舶清洗機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,裝配圖零件圖的設(shè)計,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。1.2 課題研究的目的和意義船舶正常工作時總有一部分沉在水下,常年累月,在水下的船體表面會附著一些貝類、藻類等生物,嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命,還增加了船舶的燃料消耗,所以每隔一段時間就要對船舶進行清洗.但傳統(tǒng)的清洗方法是工人要潛入水里才能對船舶進行清洗,具有一定的風(fēng)險性,工作量大,難度大.因此研究水下清洗機器人成為必要.本設(shè)計的研究目的就是在于制造出一種在水下可以游動并且可以吸附在船體上的清洗機器人.一方面機器人可以像魚類一樣在水下自由的游動;另一方面該機器人可以通過電磁吸附吸附在船體上并且通過移動裝置在船體上爬行,同時進行清洗.因此該機器人代替了人工潛入水下進行清洗,減少了工人的工作量,減輕了工作強度,實現(xiàn)了水下船舶清洗的自動化,同時對于爬行機器人在曲面上的移動提出了一種新的爬行方式,具有重要意義.。1.3 現(xiàn)狀目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少,對于壁面清洗機器人有一些研究,主要是清洗玻璃、墻壁等,但是對于船舶清洗研究的卻是很少,一方面船舶清洗是在水下,設(shè)計時要考慮水的影響,密封性的要求,水下移動、吸附等問題,增大了設(shè)計的難度,目前國內(nèi)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 2003 年研制出了一種水下清洗機器人,采用履帶式移動方式,吸附在船體上清洗船舶.國外一些國家也開始研究清洗機器人,主要是壁面清洗機器人的研究,都取得一些成績,但是在實現(xiàn)復(fù)雜運動和清洗功能的技術(shù)理論和實踐上仍需要經(jīng)歷一段成熟期. 對于清洗機器人的研究,尤其是水下清洗機器人,目前仍然是處于開始期,還有很多關(guān)鍵的技術(shù)需要解決,并且水下清洗機器人作為一種新的清洗概念和作業(yè)方式,還有很長一段路要走,但是隨著中國航海事業(yè)的發(fā)展,船舶的排水量的增加,水下船舶部分的清洗也將是一項很繁重的任務(wù),如果實現(xiàn)自動化清洗,將大大提高效率,減輕工作量,所以水下清洗機器人有著很好的發(fā)展前景. 爬行方案 機器人要完成在船體表面的爬行,一方面通過電磁吸附吸附在船體上,同時機器人在船體上要完成移動. 爬行部分主要解決兩個問題,一個問題是機器人在曲面的移動,另一個問題是機器人在船體表面的吸附. 爬行方案 對于移動機器人現(xiàn)在的研究主要集中在平面里的移動,例如清洗玻璃的機器人,在玻璃上爬行,清洗管道的機器人等等.下面是現(xiàn)在已經(jīng)存在的幾種機器人及其移動方案:多吸盤真空吸附式壁面清洗機器人系統(tǒng),該機器人用于清洗高空玻璃,傳統(tǒng)的清洗方法是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗 ,雖簡便易行,但勞動強度大,工作效率又低 ,屬于高空極限作業(yè) ,對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性.該機器人可以代替人工清洗. 考慮到現(xiàn)場實際中的一些特點以及對壁面清洗機器人的要求 ,該壁面清洗機器人多采用真空式吸附方式. 下面是幾種移動方案: 1) 圖1圖 1 為機器人的本體機構(gòu)模型 ,它由 2 個外形 基本一樣的框架構(gòu)成.每個框架下有 3 條腿 ,各由提升氣缸組成 ,每條腿下部有 1 個吸盤組.氣缸伸縮時 ,吸盤便接觸、脫離壁面. 下框架下部安裝有 1 個轉(zhuǎn)動氣缸 ,使得 2 個框架可以相對轉(zhuǎn)動一定的角度.2 個框架中間有 1 個可以相對下框架旋轉(zhuǎn)的圓盤 ,圓盤上有 1 個氣缸和 2 個導(dǎo)軌.機器人可以沿著和2 個框架之間的導(dǎo)軌平行的方向做直線運動. 圖2運動初態(tài)如圖 2.2a 所示 ,運動開始上框架的腿部吸盤先脫離吸附 ,提升氣缸縮回 ,這就完成了機器人腿部的縮回.然后2框架之間的氣缸伸出 ,上框架便沿著軌道方向相對下框架運動.運動到位后 ,上框架 3 提升氣缸伸出 ,吸盤吸附工作表面 ,如圖 2.2b.隨后下框架的吸盤松開 ,提升氣缸縮回 ,2 框架之間的氣缸縮回 ,下框架便沿著導(dǎo)軌方向靠攏上框架 ,直到恢復(fù)到如圖 2.2c 所示樣式.這樣便完成了1個工作循環(huán). 該機器人的驅(qū)動是利用汽缸,吸附是利用真空吸附. 2) 圖3圖2.3所示是另一種移動裝置,它由八個吸盤組成,外面有四個,里面有四個,并且里面四個吸盤可以通過支撐桿和滾珠絲杠移動,其中吸盤是靠真空吸附. 圖4圖4表示了爬壁機器人的直線行走過程.在結(jié)構(gòu)設(shè)計中使后足的立足點選擇在前足已用過的立足點上,從而減少對障礙的判斷次數(shù)以提高行走速度.圖 4(a)表示為機器人的初始狀態(tài),氣缸小行程伸出,吸盤處于全吸狀態(tài),滑塊處于中位;圖 4(b)表示外側(cè) 4個吸盤吸附不動對內(nèi)側(cè) 4個吸盤進行真空破壞,使其吸盤松開,內(nèi)側(cè)氣缸縮回;圖 4(c)表示前進電機正轉(zhuǎn)帶動滾珠絲杠上的滑塊前進,滑塊和內(nèi)框架一體隨之前進;圖4(d)表示內(nèi)側(cè)氣缸伸 出,內(nèi)側(cè) 4個吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上圖 4(e)表示內(nèi)側(cè) 4個吸盤吸附不動,對外側(cè) 4個吸盤進行真空破壞,使其松開,外側(cè)氣缸縮回;圖 4(f)表示前進電機反轉(zhuǎn)滾珠絲杠前進,帶動外框架隨之前進;圖 4(g)表示外側(cè)氣缸伸出,外側(cè) 4吸盤與壁面接觸,產(chǎn)生真空吸附在壁面上,此時內(nèi)外框架 8個吸盤全處于吸附狀態(tài),機器人開始下一運動循環(huán).以上是爬壁機器人的一個步進過程,如此不斷循環(huán),就實現(xiàn)了爬壁機器人的連續(xù)前行.圖5該機器人主要由一個主體氣缸、兩個縱向吸盤提升氣缸、一個橫向吸盤提升氣缸、兩組橫向吸盤組以及兩組縱向吸盤組構(gòu)成. 圖6圖6為多足爬壁機器人一個步距的行走流程圖.以向前運動為例, 初始狀態(tài)是機器人處于靜止的狀態(tài), 這時機器人可以通過攜帶的探頭對管壁進行清掃和檢測.機器人處于初始狀態(tài)時, 橫向和縱向的真空吸盤都處于提供真空狀態(tài)下, 橫向吸盤提升氣缸處于縮回狀態(tài), 縱向吸盤提升氣缸處于伸出狀態(tài).當(dāng)縱向吸盤釋放真空, 縱向吸盤提升氣缸縮回時, 橫向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時主氣缸缸筒是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動下, 活塞桿向前運動一定距離, 隨后縱向吸盤提升氣缸伸出, 縱向吸盤提供真空吸附; 當(dāng)橫向吸盤釋放真空, 橫向吸盤提升氣缸縮回時, 縱向真空吸盤處于吸附狀態(tài), 此時主氣缸活塞桿是固定的, 在壓縮空氣驅(qū)動下, 氣缸筒向前運動一定距離, 且橫向吸盤提升氣缸伸出, 橫向吸盤提供真空吸附, 完成一個行走過程. 4)目前國內(nèi)關(guān)于水下船舶清洗機器人的研究只有哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出一種水下清洗機器人,他們的移動是靠履帶完成的,采用永磁吸附,雙履帶機構(gòu), 圖7機器人的吸附機能是由固定在履帶鏈條外翼板上的磁吸附塊來實現(xiàn)的.由鏈條的鏈節(jié)數(shù)決定了每條履帶上每隔一個鏈節(jié)安裝一個磁塊,則履帶一周上均勻鑲嵌有21個橡膠封裝的永磁體塊.在履帶移動的過程中,保證每條履帶上有8個磁塊與容器表面處于良好的吸附狀態(tài),并形成足夠的磁力將機器人吸附在容器表面上,實現(xiàn)吸附功能.在移動的初始時刻,調(diào)整兩條履帶上的磁塊處于相同的狀態(tài),然后由伺服電機輸出驅(qū)動力矩經(jīng)減速器減速后驅(qū)動主動鏈輪,進而帶動履帶表面的磁塊在容器表面上交替吸附,周而復(fù)始,實現(xiàn)了機器人在容器表面上的移動. 吸附方案 吸附方式主要有兩種:真空吸附和磁吸附. 1、真空吸附裝置 真空吸附裝置也稱真空吸盤,在壁面移動機器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè),如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等. 真空吸盤是在利用吸盤內(nèi)的壓力與大氣壓之間的壓力差而實現(xiàn)吸附的,真空的產(chǎn)生可以通過真空泵、壓縮空氣或排風(fēng)機等.用真空泵或用壓縮空氣產(chǎn)生真空的吸盤,一般真空度較高.由排風(fēng)機產(chǎn)生真空的吸盤,一般真空度較低. 2、磁吸附裝置 磁吸附壁面移動機器人用于鐵磁性壁面上的作業(yè).磁吸附裝置的吸附由電磁鐵、永磁鐵來產(chǎn)生. 電磁式吸附利用直流或交流磁鐵的磁場吸力把對象物吸住.當(dāng)切斷電流時,磁場消失,對象物即被釋放.本機構(gòu)就是利用電磁吸附,當(dāng)磁鐵不通電時,吸盤沒有吸力,當(dāng)通電時,吸盤具有吸力.先給大吸盤通電,具有磁性吸附在船體上,然后斷電,磁性消失,這時再給小吸盤通電,吸盤具有磁性,小吸盤吸附在船體上,循環(huán)吸附.于此同時移動部分利用 間隙時間移動. 永磁吸附是利用永磁鐵來產(chǎn)生磁性吸附,永磁吸附所產(chǎn)生的磁性一直存在,所以移動部分就一直在被吸附物體上,哈工大所研制的清洗機器人就是利用永磁吸附,利用雙履帶移動方式,一直吸附在船體上移動. 本機構(gòu)是利用機器人的行走完成移動,所以采用真空吸附清洗方案 清洗方案的選擇,清洗的對象是船體表面,包括清洗船體表面附著的一些貝類、藻類等生物,需要一定的清洗力.同時考慮機器人的本身尺寸大少,清洗圓盤不易過大,并且驅(qū)動要簡單、可行.下面是現(xiàn)存的一些清洗工具: 1)公路圓盤洗 該清洗盤用于公路的清洗,主要清洗路面的塵土和垃圾,所以尺寸很大,所需力要求不大,轉(zhuǎn)速在100r/min左右,本機構(gòu)設(shè)計簡單,傳動容易設(shè)計,同時又可以實現(xiàn)所需功能. 圖82)滾筒刷 滾筒刷尺寸小,清洗的力不大,靠滾動來完成清洗,一般用于手動,主要用于清洗玻璃等比較光滑的表面,清洗力不是很大,并且是靠滾來完成的. 圖9 目前市場上主要有這兩種清洗設(shè)備,比較兩種設(shè)備,第一種要靠電機來驅(qū)動,第二種主要是靠手動來實現(xiàn)清洗;兩種清洗都不需要很大的力,轉(zhuǎn)速不需要很快;第一種尺寸很大,主要清洗路面,所以尺寸比較大,第二種尺寸相對很小. 考慮以上特點,本機器人的清洗機構(gòu)選擇第一種,但是尺寸選擇變小,利用小型直流電機驅(qū)動,考慮清洗的力矩及所需轉(zhuǎn)速,選擇轉(zhuǎn)速為40r/min,清洗面積大約為500平方毫米.對清洗盤的設(shè)計主要是選擇合適得材料、毛刷來清洗船體表面,船體表面的污染物對船體有一點的吸附力,普通的毛刷不容易將其刷下,容易變形,考慮這些因素,選擇鐵絲刷,鐵絲具有一定的硬度,不容易變形,現(xiàn)在市場上也可以買到。第2章 總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計的基本要求2.1.1 工藝范圍船舶在長期的航行中,水下部分的船體表面會附有貝類、藻類生物及生出銹斑,嚴(yán)重影響船舶的航行速度和使用壽命,還增加船舶的燃料消耗,所以定期清洗非常重要,人工清洗人員工作量大、難度大、效率低,目前中國國內(nèi)對于這方面的研究還很少,對于壁面清洗機器人有一些研究,主要是清洗玻璃、墻壁等,但是對于船舶清洗研究的卻是很少,主要是因為船舶清洗是在水下,設(shè)計時要考慮水的影響,密封性的要求,水下移動、吸附等問題,增大了設(shè)計的難度。因此研制水下清洗機器人成為需要,水下船舶清洗機器人將大大提高船舶清洗的效率,減少工作量,減少工作強度,實現(xiàn)自動化清洗。該機器人的結(jié)構(gòu)主要分成兩部分:一部分是移動部分,另一部分是清洗部分。移動部分主要解決的問題是機器人在曲面上的移動,清洗部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計利用清洗盤的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)清洗。本課題主要內(nèi)容包括:國內(nèi)外文獻分析,總統(tǒng)方案設(shè)計,水下船舶清洗機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計,裝配圖零件圖的設(shè)計,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。2.1.2 進給方案的選取 比較現(xiàn)有移動方案,可以看出移動的實現(xiàn)主要都是依靠兩個相似的機構(gòu)分別移動來實現(xiàn)前進,而驅(qū)動大多是利用汽缸來驅(qū)動.哈工大的水下清洗機器人的移動是靠雙履帶來實現(xiàn)移動,利用永磁吸附,一直緊貼在船體上移動,驅(qū)動利用電機驅(qū)動.除哈工大的水下機器人外,其他機器人的移動主要是適應(yīng)平面移動,而對于在曲面上的移動涉及的比較少,本機器人的移動參考以上幾種機器人的移動方式加已改進,具有一定的適應(yīng)性.移動方案也是采用兩個相似的機構(gòu),循環(huán)前進,驅(qū)動是利用電機帶動齒輪在通過絲杠螺母來實現(xiàn),同時利用電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)連個相似機構(gòu)的前后運動.如圖10所示,2.1.3 吸附結(jié)構(gòu)真空吸附裝置也稱真空吸盤,在壁面移動機器人中主要用于非磁性壁面上的作業(yè),如墻壁、玻璃面、非磁性金屬壁面等. 本機構(gòu)用真空吸盤,因為結(jié)構(gòu)簡單,只需油缸的伸出和縮進,完成吸附工作。第3章 進給系統(tǒng)設(shè)計計算3.1 切削力的計算查表所得進的力為從設(shè)計手冊中可得知,在一般徑向載荷: 軸向載荷: 取: ,3.2 絲杠螺母的設(shè)計與計算3.2.1 強度驗算綜合絲杠的軸向工作負載采用下面公式計算: (4-1) 查設(shè)計手冊知:顛覆力矩影響系數(shù),采用雙三角形導(dǎo)軌時,取=1.2;當(dāng)量摩擦因數(shù),三角形導(dǎo)軌時,取=0.1;導(dǎo)軌承受的重力,估計重為80kg,故由公式(41)得:計算最大動載荷Ca: (4-2) 其中,為壽命值,為當(dāng)量轉(zhuǎn)速,可由下列公式計算: (4-3) (4-4)式中 絲杠推薦壽命,h;查設(shè)計手冊表3.7-55得,壽命;滾珠絲杠導(dǎo)程,mm;初選=10mm;最大切削力下的進給速度,可取最高進給速度的1/21/3,此處取1/2,=7.6;負載性質(zhì)系數(shù),查實用機床設(shè)計手冊表3.7-53得按一般運轉(zhuǎn)取1.21.5,取=1.2;絲杠壽命,以106轉(zhuǎn)為單位。由公式(42),(43),(44)可得: =23.2KN根據(jù)額定最大動載荷,選擇滾珠絲杠型號,查實用機床設(shè)計手冊表3.7-61,選用FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動反向器雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副,其型號為FD4010-4-P2,公稱直徑,絲杠導(dǎo)程為10mm,額定動載荷為40KN,大于23.2KN。滿足強度要求。3.2.2 效率計算根據(jù)機械原理公式,絲杠螺母副的傳動效率為: (4-5)式中 摩擦角, ;螺旋升角,可由下列公式計算:其中,=32mm為絲杠公稱直徑,=10mm為絲杠導(dǎo)程。由公式(45)得:。3.2.3 剛度驗算滾珠絲杠在軸向力作用下產(chǎn)生拉伸或壓縮,在扭矩的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn),這將引起絲杠導(dǎo)程的變化,從而影響其傳動精度及定位精度,因此滾珠絲杠應(yīng)驗算滿載時的變形量。滾珠絲杠在軸向力作用下的變形量為: (4-6)式中 工作負載,N;滾珠絲杠的導(dǎo)程,mm;=10mm;絲杠材料的彈性模量,N/mm2;滾珠絲杠內(nèi)徑截面積,mm2。絲杠滾珠直徑:滾道半徑:偏心距:滾珠絲杠內(nèi)徑:滾珠絲杠截面積:由公式(46)得:mm因扭矩M引起的導(dǎo)程變形量很小,可忽略,即,所以絲杠長度為1000mm時,導(dǎo)程變形總誤差為:m/m對絲杠精度等級為:1、2、3、4、5級,查實用機床設(shè)計手冊表3.7-22,絲杠每1m長度上允許的變形量不大于5、10、15、30、60m/m,對不滿足剛度要求時,可采取預(yù)拉伸結(jié)構(gòu),加大絲杠直徑等措施。本設(shè)計采用4級精度,故剛度足夠。3.2.4 穩(wěn)定性驗算進給行程較長受力較大,為提高剛度減小機床自身的誤差,采用兩端軸向固定的支撐方式,如圖4-1所示:絲杠螺紋部分長度,等于工作臺最大行程加螺母長度加兩端余程。工作臺行程為=650mm,螺母長度為150mm,查表3.7-25,導(dǎo)程為10mm時,余程為40mm,因此絲杠螺紋部分長度mm。絲杠支撐跨距,應(yīng)略大于,取為=1100mm其中 核算壓桿穩(wěn)定性的支承距離,mm; 核算臨界轉(zhuǎn)速的支承距離,mm。查實用機床設(shè)計手冊表3.7-45及表3.7-61得:圖4-1 絲杠兩端固定支撐方式為工作行程加絲杠螺母尺寸的一半再加上固定端支撐距離的一半,為游動端支撐距離的一半加上工作行程加上絲杠螺母的一半,得:,臨界轉(zhuǎn)速校核:高速的長絲杠有可能發(fā)生共振,需驗算其臨界轉(zhuǎn)速,不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速:式中 絲杠絲杠支承方式系數(shù),根據(jù)實用機床設(shè)計手冊表3.7-37,取3.927;受壓面直徑,其當(dāng)量轉(zhuǎn)速為,故,值均滿足規(guī)定條件,因而絲杠不會發(fā)生共振和失穩(wěn)。3.3 電機的選擇3.3.1 計算傳動比閉環(huán)傳動比: (4-7)式中 電動機額定轉(zhuǎn)速,r/min;=2000r/min;工作臺最大進給速度,mm/min;=7.6m/min=7600mm/min;絲杠導(dǎo)程,mm;根據(jù)經(jīng)驗選大些,選=10mm。由公式(47)得:取,根據(jù)傳動功率,已知v=7.6m/s。擬訂減速齒輪副的齒數(shù),模數(shù)mm。故可取齒輪為:=20, =50,=20, , 其分度圓直徑: 中心距:。齒輪經(jīng)校核,滿足要求。3.3.2 轉(zhuǎn)動慣量計算絲杠的轉(zhuǎn)動慣量:式中 絲杠的長度。工作臺,工件等折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量: =式中 工作臺重量,取=80kg;齒輪轉(zhuǎn)動慣量:絲杠傳動時,一級齒輪降速時,傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量: 3.3.3 所需傳動力矩計算所需力矩:式中 空載啟動時,折算到電機軸上的加速力矩; 折算到電機軸上的摩擦力矩,; 由絲杠預(yù)緊引起的折算到電動機軸上的附加摩擦力, ;采用滾珠絲杠時:最大啟動轉(zhuǎn)矩:式中 折算到電機軸上的總慣量,kg.m2;系統(tǒng)時間常數(shù),=25ms;電機轉(zhuǎn)速,r/min;當(dāng)時計算時計算;摩擦力矩:式中 導(dǎo)軌摩擦力,N;等于橫向進給系統(tǒng)重力乘以摩擦系數(shù);絲杠螺距,mm;降速比;傳動鏈總效率,0.750.85,取0.8。附加摩擦力矩:式中 滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率一般,??;最大軸向負載,N;切削力矩:對數(shù)控機床而言,因為動態(tài)性能要求較高,所以電動機力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的,而負載力矩占的比重很小,一般都小于電動機力矩的 1030,所以按:計算。3.3.4 電機的選擇選擇電動機,要使快速空載啟動力矩小于電動機的最大轉(zhuǎn)矩,即,為電動機輸出轉(zhuǎn)矩的最大值,即峰值轉(zhuǎn)矩,一般,其中為電動機額定轉(zhuǎn)矩,為電動機轉(zhuǎn)矩的瞬時過載系數(shù)(交流伺服電機=1.52) 。故選擇FANUC交流伺服電機S1.0其最高轉(zhuǎn)速為2000r/min,最大轉(zhuǎn)矩16 ,額定轉(zhuǎn)矩2.0,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為,重量為4.5kg。交流伺服電機的電機慣量與負載慣量的匹配關(guān)系:式中 負載慣量折算到電機軸上的總和,電動機轉(zhuǎn)子慣量,滿足慣量匹配。3.4 軸承的選用與校核3.4.1 角接觸球軸承的選擇進給系統(tǒng)承受軸向力和徑向力,并且承受軸向力不大,可選用角接觸球軸承。根據(jù)軸的尺寸,查實用機床設(shè)計手冊表3.8-50,選用7006C GB/T292-94 角接觸球軸承,其基本參數(shù)見表4-1所示。表4-1 7006C角接觸球軸承的基本參數(shù)d(mm)D(mm)B(mm)Cr(kN)Cor(kN)極限轉(zhuǎn)速(r/min)脂潤滑油潤滑30551316.211.5950014000軸承壽命校核計算:根據(jù)機械設(shè)計,滾動軸承壽命的校核條件為: (4-8)式中 軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷,N; 軸承所受的載荷,N; (4-9),查機械設(shè)計手冊表13-5,得: ,其中e為判斷系數(shù)。故取。由公式(49)得:式中 軸承的轉(zhuǎn)速,r/min;等于絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速r/min;軸承預(yù)期計算壽命,h;h; 壽命指數(shù),對于球軸承。由公式(48)得:NkN因為本設(shè)計中選用軸承基本額定動載荷為16.2kN,所以滿足要求。3.4.2 深溝球軸承的選擇深溝球軸承用在游動端,故承的軸向力可以忽略,因此只考慮其徑向力。根據(jù)軸的尺寸,查實用機床設(shè)計手冊表3.8-44,選用6306深溝球軸承,如表4-2所示。 表4-2 6306深溝球觸球軸承的基本參數(shù)d(mm)D(mm)B(mm)Cr(kN)Cor(kN)極限轉(zhuǎn)速(r/min)脂潤滑油潤滑30721927.015.2900012000游動端徑向力,根據(jù)公式(4-9)X=1,Y=0, N, ,同上,故由公式(4-8)得,軸承承受的基本動載荷為:本設(shè)計選用的軸承基本額定動載荷為15.8kN,所以滿足使用要求。結(jié)論經(jīng)過本學(xué)期大量時間的悉心研究和查閱大量相關(guān)的資料,終于完成了對本機構(gòu)的設(shè)計。通過這次設(shè)計所學(xué)到的知識和總結(jié)的經(jīng)驗是深刻的,它使我認識到了基礎(chǔ)知識的重要性,綜合設(shè)計是基礎(chǔ)知識的堆積、創(chuàng)新的過程。此外,在設(shè)計中要始終保持嚴(yán)謹(jǐn)認真的態(tài)度,仔細做好每一步,這對我們今后步入社會,踏上工作崗位從事具體研究有重要意義。致謝本次設(shè)計是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)與嚴(yán)格要求下完成的。從論文的選題、方案的設(shè)計、具體的繪圖到論文撰寫的每個環(huán)節(jié),都凝聚了胡老師的心血和汗水。特別是他多次詢問設(shè)計進程,并為我細心講解,幫助我開拓思路,精心點撥,熱忱鼓勵。他嚴(yán)格的教學(xué)態(tài)度,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神,精益求精的工作作風(fēng)都深深地感染和激勵著我。再次,我還要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)們,有了你們的幫助和支持,才使得我按時完成設(shè)計。謝謝老師和同學(xué)們!參考文獻1 濮良貴. 機械設(shè)計(第八版)M. 北京:高等教育出版社,2006. 2 成大先. 機械設(shè)計手冊單行本-機構(gòu)M,化學(xué)工業(yè)出版社,2004. 3 魯屏宇. 工程圖學(xué)M.機械工業(yè)出版社,2005. 4 G.Besseron, Locomotion Modes of an HyBrid Wheel-Legged RobotJ. 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HOPE-模擬器的實現(xiàn)C,第三屆中國學(xué)術(shù)會議論文集C北京:北京郵電大學(xué)出版社, 2001:449-740. 7 孫恒.機械原理,高等教育出版社M,2006. 8 吳宗責(zé)、羅圣國,機械設(shè)計課程設(shè)計手冊M,高等教育處版社,2006. 9 陳懇,機器人技術(shù)與應(yīng)用M,清華大學(xué)出版社,2006. 10 李志尊,UG NX 4.0基礎(chǔ)應(yīng)用與范例解析M,機械工業(yè)出版社,2007. 11 龔振邦,機器人機械設(shè)計M,電子工業(yè)出版社,1995. 12 張海洪,機器人壁面自動清洗系統(tǒng)的工程研究C,2001年上海大學(xué)博士學(xué)位論文,上海大學(xué)出版社,2001. 13 隆禮湘擇,機構(gòu)元件M,機械工業(yè)出版社,1965. 14 成大先,機械設(shè)計圖冊M,化學(xué)工業(yè)出版社,2000. 15 王茁,壁面爬行機器人本體的設(shè)計J.吉林化工學(xué)院學(xué)報,2004,21(4):1007-2853. 16 賈廣利,一種六履帶偵查機器人的運動分析及機構(gòu)設(shè)計, 機床與液壓J.2008, 36 (11):1001-3881. 17 于今,一種新型多吸盤壁面清洗機器人模型研究,液壓與氣動J.2007,3:1000-4858.- 23 -動態(tài)虛擬和真實機器人對感知的安全等待時間和機械手最大工作半徑的影響本研究探討了在虛擬和現(xiàn)實工業(yè)環(huán)境中動態(tài)物體和機器人的感知。本研究仿效上世紀(jì)90年代初Karwowski和Rahimi的研究。通過運用虛擬現(xiàn)實技術(shù),可在虛擬世界中模擬現(xiàn)實工作場所以便于設(shè)備設(shè)計的改進。相關(guān)于如機器人的大小、速度和類型及遭受虛擬事故的參數(shù)影響,我們測量感知的危害和風(fēng)險、安全等待時間和機械手最大工作半徑。分析包括如有順序的試驗方法以比較虛擬和現(xiàn)實環(huán)境中的結(jié)果。這些方法可被看作是其它領(lǐng)域研究感知和傳輸?shù)哪P?。在虛擬和現(xiàn)實環(huán)境中,分析數(shù)據(jù)的比較有助于進一步確定從虛擬現(xiàn)實到現(xiàn)實的性能和感知的可轉(zhuǎn)換性。結(jié)果表明:感知的安全等待時間是相似的,但在虛擬和現(xiàn)實環(huán)境中之間機械手的感知的最大工作半徑存在著很大的差異。我們使用序貫試驗中整合數(shù)據(jù)的初步結(jié)果,討論了工業(yè)中使用虛擬設(shè)施布局的潛在指導(dǎo)。關(guān)鍵詞:人機交互,感知危害和風(fēng)險;機械手最大工作半徑;序貫試驗;數(shù)據(jù)橋接1.引言為了避免可能發(fā)生的傷害,許多工業(yè)公司使用工業(yè)機器人來執(zhí)行工業(yè)中的危險任務(wù)。盡管如此,其它一些企業(yè)嘗試通過使用如輔助設(shè)備(Nussbaum 2000)這樣混合動力來降低肌肉骨骼疾病。按照由聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會(www.euron.org) 發(fā)布的“2007世界機器人”,2006年大約有951,000臺,且預(yù)計2010年達到1,200,000臺(表1)。因為機器人通常被用在作業(yè)場所,研究人員和操作人員經(jīng)??紤]與人機交互(HRI)相關(guān)的問題。根據(jù)Dhillon等人(2002)的調(diào)查,在1973到2000年之間發(fā)表了523篇與機器人安全性和可靠性相關(guān)的文獻。大部分這項研究是在1982與1990年之間完成的,且自從1986后機器人安全性和可靠性的研究已開始逐漸下降(Dhillon等人,2002)。另一方面,在1995年到2000年之間,HRI的多學(xué)科研究最近已被通過來自人的因素、機器人學(xué)、認知科學(xué)、心理學(xué)和自然語言的研究學(xué)者之間的合作啟動,并且在此期間,有許多專門關(guān)于HRI的會議和研討會,如關(guān)于機器人和人的互動交流的IEEE國際研討會(RoMan)、促進人工智能的(AAAI)研討會系列和關(guān)于機器人和自動化的IEEE國際會議(ICRA)(Goodrich 2007)。自從2006年以來,國際HRI會議每年召開一次。關(guān)于HRI的一個問題是使用者的安全。參考香港政府勞工處在2007年編制的職業(yè)傷害的統(tǒng)計,制造工業(yè)中總計有3967例受傷事故和21例死亡事故。他們指出制造業(yè)中491位工人是由于撞擊正在移動的物體或被其撞擊而受傷(香港勞工處2007)。以前關(guān)于機器人安全性的研究主要沿著兩個不同的方向:物理方表1工作于全世界工業(yè)中機器人數(shù)目的匯總機器人的數(shù)目作業(yè)在全世界工業(yè)中951,000預(yù)計到2010年將作業(yè)1,200,000日本每100,000制造業(yè)員工349韓國每100,000制造業(yè)員工187德國每100,000制造業(yè)員工186美國每100,000制造業(yè)員工99法和認知方法(Laschi et al.2007、Pervez 和 Ryu 2008和Santis et al.2008)。在物理方法中,為了確保安全交互,進行了關(guān)于機械設(shè)計與驅(qū)動(Yamada et al.1997、Bicchi 和 Tonietti 2004和Stopp et al.2005)和系統(tǒng)控制與布局(Brock和Khatib 2002、Heizman 和 Zelinsky 2003、Ikutaet al.2003、Kulic 和 Croft 2005, 2006)的研究。此外,進行了帶有機械手和仿真手或測試臺的碰撞試驗,以評估碰撞帶來的潛在風(fēng)險(Haddadin et al.2007, 2008, 2009)。通過機械重新設(shè)計、電子或物理安全措施或操作人員培訓(xùn),HRI的安全性日益增加,其只考慮了機器人的感知而在交互過程中人的安全性感知沒有被考慮(Bartneck et al.2009)。然而,僅僅通過HRI的物理方面的研究并不能提供安全性。如機器人的人類感知的認知方面已經(jīng)被證明可改善物理交互并能增加機器人安全性 (Santiset al.2008)。本文側(cè)重于機器人安全性的認知方面。研究操作工人感知機器人操作特性有助于理解人類感知危險,因此,它可推動開發(fā)安全干預(yù)措施和指導(dǎo)方針或危險預(yù)防戰(zhàn)略的發(fā)展。對于安全高效的HRI,不僅應(yīng)考慮基于機器人的感知的物理的安全支持,而且也應(yīng)當(dāng)考慮基于人的感知的認知支持。通過問卷調(diào)查,生理傳感器和直接輸入設(shè)備來測量HRI的安全性認知(Bartneck et al.2009)。Rani et al. (2002, 2004) 使用的心率分析和多生理信號來估計人的壓力水平。Nonaka et al. (2004) 設(shè)計了一個虛擬的類人機器人,并通過心臟率測量和主觀反應(yīng)測量人體的反應(yīng)。Kulic 和 Croft (2005) 兩者都使用的調(diào)查問卷和生理傳感器的數(shù)據(jù)來估算用戶與工業(yè)機器人互動的過程中的它們的焦慮和驚喜的級別。Koay et al.(2005)在線測量人對機器人動作的反應(yīng)。Aria et al.(2010)使用如如皮膚電位反應(yīng)與調(diào)查問卷這兩種生理參數(shù)來評估有機器人所造成精神緊張。本文研究了虛擬和現(xiàn)實工作場所下的機器人的大小、速度和類型和事故風(fēng)險對機器人運動的危害和風(fēng)險、系統(tǒng)停止期間機器人的安全等待時間、機器人操作的不適當(dāng)?shù)耐A艉蜋C械手的最大工作半徑的人的感知的影響。由于研究變化的機器人參數(shù)的方法是非常成熟并被Karwowski創(chuàng)立,使用該方法來檢查閑置時間和機器人的工作行程對亞洲參與者(中國香港人)危害和風(fēng)險的人的感知。Duffy et al.(2006)研究了虛擬環(huán)境下安全的機器人速度的感知,并與其它現(xiàn)實工業(yè)環(huán)境下發(fā)表的數(shù)據(jù)進行比較。結(jié)果表明:虛擬環(huán)境可模擬用于測試安全速度的人的感知的條件。Aria et al.(2010)評估了操作者的精神緊張,相關(guān)的設(shè)計參數(shù)如下:操作者和機器人的距離、機器人的速度和注意到機器人運動的存在。另外,Or et al. (2009)研究了在虛擬環(huán)境中工業(yè)機器人的安全的閑置時間的感知,并考慮以下因素:模擬的事故風(fēng)險、性別、機器人的速度和大小。也需要對其它依賴的變量如機械手最大工作半徑和安全的機器人閑置時間的風(fēng)險和危險的感知進行評估(Duffy et al.2006)。因此,本文中也考慮了機械手最大工作半徑和安全的機器人閑置時間。Goodrich和Schultz(2007)定義在HRI領(lǐng)域中的習(xí)慣做法;一個既包括模擬機器人又包括物理機器人的試驗。由于成本和可靠性的考慮,通常它是不可能用真實機器人來做試驗。另一方面,在模擬實驗中,現(xiàn)實世界中的細節(jié)情況不能很好地表示。因此,本研究中在真實和虛擬環(huán)境下進行都進行了試驗。在動態(tài)虛擬和現(xiàn)實環(huán)境下的分析結(jié)果與使用序貫試驗技術(shù)的移動危險源進行比較(Snow和Williges 1998)?;谟稍囼炛蝎@得的結(jié)果、經(jīng)驗的可轉(zhuǎn)換性、從虛擬到現(xiàn)實的認知和由Karwowski (Karwowski et al.1988a, 1988b, Karwowski和Pongpatanasuegsa 1990, Rahimi and Karwowski 1990, Karwowski and Rahimi 1991)所給結(jié)果的相似性和差別 而這項研究可以證明。1.1安全的機器人速度涉及機器人事故的原因可歸因于人的知覺、身體和心理限制,這些限制包括人感知機器人大小、速度和運動范圍,其影響人的行為(Carlsson 1984)。不同的機器人的運行速度能引起不同的危害的感知。Kulic 和 Croft (2006) 和 Ikuta et al.(2003) 使用速率作為一個輸入,在HRI期間,同時采用一種危險指數(shù)。因為機器人快速的運動,機械手所施加的力很高。然而,應(yīng)當(dāng)注意:Haddadin et al.(2007)用機器人和仿真頭進行碰撞試驗,以確定在機器人和人之間碰撞的影響。他們報道:相對于汽車行業(yè)中所用的嚴(yán)重度指數(shù),該指數(shù)是基于頭部加速度,具有任意質(zhì)量以2m/s的速度運動的機器人對于一個非夾緊頭不可能是危險的??梢宰⒁獾狡渌芯繄蟮溃簷C器人速度高達2.7m/s時,對人的胸部、腹部和肩部的沖擊不是危險的。除了機器人的速度外,機器人的質(zhì)量對頭部傷害指數(shù)的影響也被研究,并據(jù)報道采用HIC的方法,質(zhì)量大的機器人對人的頭部不能構(gòu)成重大的威脅 (Haddadin et al.2008, 2009)。盡管如此,安全的機器人操作條件(如速度低于2.7m/s,機械輸出小于150N等)排除了身體受傷的風(fēng)險,HRI仍然包含與由機器人運動而引起的精神緊張相關(guān)的風(fēng)險。應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是本文側(cè)重于機器人安全性的認知方面。本研究中,試驗中所選擇的機器人速度是25cm/s和90cm/s,其高于和低于所關(guān)注速度的閾值,因為它曾表明:人們對速度高于64cm/s的機器人感到威脅(Karwowski和Rahimi 1991)。Ariaet al.(2010)研究了操作工人在獨立生產(chǎn)系統(tǒng)中的精神緊張,在獨立生產(chǎn)系統(tǒng)中一個操作者通過機器人供給的零部件的幫助下組裝產(chǎn)品。根據(jù)他們的生理評價和主觀評價的結(jié)果,當(dāng)機器人的速度高于500mm/s時,操作者感到不舒服。也可提到初始沖擊不可能是操作工人表達關(guān)心的最大原因。尤其是對于大型機器人,因為機器人在沖擊后并不停止,操作者知道如果發(fā)生碰撞,碰撞后身體部分嵌入到其它物體的可能性是非常高的,然而在汽車或運輸企業(yè),初始碰撞后,其并不能驅(qū)動碰撞的物體相撞在一起。因此,操作者自己反應(yīng)時間的認知可能正受他們感知的安全機器人速度的影響,而不受僅僅在初始沖擊時對傷害的關(guān)心的影響。表2機器人安全標(biāo)準(zhǔn)ANSI/RIA R15.06-199美國國家安全標(biāo)準(zhǔn)-機器人安全標(biāo)準(zhǔn)包括危險評估、方法和機器人系統(tǒng)安全防護的指導(dǎo)方針CSA 2434:2003加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會與美國標(biāo)準(zhǔn)相似,小幅調(diào)整ISO 12100國際標(biāo)準(zhǔn)局-機械標(biāo)準(zhǔn)的安全設(shè)計的基本概念和一般規(guī)則ISO 10218國際標(biāo)準(zhǔn)局-工業(yè)機器人-安全需求工業(yè)機器人的應(yīng)用的固有安全設(shè)計、保護措施和信息的需求和指導(dǎo)方針I(yè)EC61508電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)(E/E/PE)的功能安全使(E/E/PE) 安全系統(tǒng)使危險失效最小化的需求OSHA職業(yè)安全和健康管理ANSI標(biāo)準(zhǔn)的解釋和機器人安全指令1.2 安全的機器人閑置時間的感知美國國家安全標(biāo)準(zhǔn)和美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(1986)ANSI R15.06建立了美國機器人安全標(biāo)準(zhǔn)。此外,美國的職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)提供了機器人安全的指導(dǎo)方針(OSHA 1987)。有機器人相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)被總結(jié)于表2中。依據(jù)Bonney 和 Yong (1985) 和Nagamachi (1986, 1988),即使在正常的操作模式下,復(fù)雜的機器人系統(tǒng)可能是危險的。許多事故發(fā)生是因為機器人操作者誤解停頓的原因,其要么是系統(tǒng)失靈,要么是程序停止(Sugimoto和Kawaguchi 1983)。事故報告顯示:如果人們誤解機械手的工作行程并在機器人操作過程中進入,人們可能會被機械手傷到或殺死。1.3模擬的事故可引進模擬事故來改變這種現(xiàn)象,因為信息處理的預(yù)期的轉(zhuǎn)變使這項工作進入到認知領(lǐng)域(Lehto 和 Papastavrou 1993, Park 1997)。Rahimi和Karwoski (1990)提出再設(shè)計設(shè)施布局和機器人程序時必須要考慮閑置時間。預(yù)期遭受模擬事故將影響兩個機器人進入工作行程的等待時間。如Parsons (1986, 1987)所述,已經(jīng)證明模擬的機器人事故影響訓(xùn)練后的機器人的操作者(Karwowski et al.1991)。假設(shè)1在虛擬和現(xiàn)實環(huán)境下,預(yù)期遭受模擬的事故和機器人的大小、速度和類型的因素將顯著地影響等待時間(即閑置時間)。1.4機械手最大工作半徑機器人的工作行程被定義為機械手的最大工作半徑或機器人的不安全區(qū)。根據(jù)Karwowski (1991),機械手的最大工作半徑顯著地受如機器人事故風(fēng)險、大小、速度和種類這樣因素的影響。本文系采用來自Rahimi 和Karwowski (1990) Karwowski et al.(1991)的方法,并本文的結(jié)果與他們的結(jié)果進行比較。Wright (1995)發(fā)表真實世界的距離認知通常是實際距離的87-90%。Lampton et al.(1995)出示了在虛擬和現(xiàn)實環(huán)境下有低估距離的趨向,但與真實環(huán)境中相比,虛擬環(huán)境中的距離被低估的更多。Witmer and Kline (1998)試圖確定靜止的觀察者在一個簡單的虛擬環(huán)境中如何準(zhǔn)確估計給定的靜態(tài)信號標(biāo)定的物體的距離(例如,圓柱體),并通過參照任務(wù)來進行感知距離判斷,在這些任務(wù)中,靜止觀察者立即判斷他們可感知在他們自己與一個靜止的或運動物體之間的距離?;赪itmer 和 Kline (1998)的結(jié)果,在虛擬和現(xiàn)實環(huán)境中,人們普遍低估它們與物體之間的距離,但是在虛擬環(huán)境中的距離估計的誤差比現(xiàn)實環(huán)境中的更大。而且,他們發(fā)現(xiàn)物體的大?。ɡ鐖A柱體)顯著地影響估計的距離,但是底板的我努力和圖案卻不影響估計的距離。假設(shè)2在虛擬和現(xiàn)實的工業(yè)工作環(huán)境中,感知機器人工作行程與機器人的遭受模擬的事故、速度、種類和大小相關(guān)。1.5序貫試驗和數(shù)據(jù)橋接Williges和Williges (1989)提出一個序貫試驗研究策略,這可能被用于人的因素的研究,以調(diào)查和審查大量使用一系列小序貫的研究的自變量。從序貫研究得到的結(jié)果可以整合到一起來構(gòu)建試驗?zāi)P?,以探討不同的自變量的影響,并預(yù)測人的行為(Han 1991)。數(shù)據(jù)橋接可被視為關(guān)于貫穿序貫試驗研究整合結(jié)果的一種統(tǒng)計法(Han 1991)。如果來自共同數(shù)據(jù)點沒有明顯的差別,為了構(gòu)建該模型,這些數(shù)據(jù)被視為來自同一試驗,并被合并到同一個數(shù)據(jù)集(Snow和Williges 1998)?;谶@些結(jié)果,如果以虛擬試驗條件的數(shù)據(jù)橋接的應(yīng)用為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)能被合并成通用的數(shù)據(jù)集,可認為能允許虛擬和真實試驗之間的比較。2.方法2.1機器人試驗的被試者從香港科技大學(xué)(HKUST)招募64(32男和32女)名工科學(xué)生。試驗的被試者對機器人編程和操作有基本的了解。試驗需要2h。由于他們的參與,付給每個參與者200港元(7.8 HKD=1 USD)。所有的參與者被分成八組,每組8個人。2.3試驗(機器人試驗)本文研究了兩個工業(yè)機器人(Yaskawa MOTOMAN-K10S和SONY SRX-410)。兩個機器人都位于香港科技大學(xué)的CAD/CAM實驗室。Yaskawa MOTOMAN-K10S是一種具有六個自由度的垂直鉸接機器人并被安裝在地面上。它的控制器是一個伺服控制系統(tǒng)。機器人的有效負載能力是10kg。機器人的位置重復(fù)精度為0.1mm。機器人圍繞其基座可旋轉(zhuǎn)320度。機械手的最大工作半徑為1555mm,且所有軸的總線速度為1500mm/s。它的重復(fù)定位精度為0.1mm。SONY SRX-410是一種SCARA型高速裝配機器人。這是有四軸DC伺服電機控制的緊湊臺式設(shè)計。機器人的工作行程是600mm(第一臂:350mm;第二臂:250mm)。線性運動的最大速度為(第一臂和第二臂結(jié)合)5200mm/s。機器人的重量是60kg(132.2lbs)。它的有效負載能力為5kg(低速)、3kg(中速)和2kg(高速)。機器人的X/Y軸和Z軸的重復(fù)定位精度分別為0.025mm和0.02mm。圖1和圖2分別出示了Yaskawa MOTOMAN-K10S和SONY SRX-410機器人。在動態(tài)虛擬世界中使用虛擬現(xiàn)實建模語言(VRML)來模擬兩個機器人的真實工作場所。使用裝有索尼17視頻顯示終端監(jiān)視器(V頻75Hz;H頻60kHz)的奔騰III(600 MHz)計算機,Java Script 在VRML環(huán)境中提供動畫。在VRML環(huán)境中,通過使用帶有Cosmo播放器插件的一個因特網(wǎng)瀏覽器的程序(控制面板的按鈕)來控制(運動和停止)機器人的運動。因為VRML是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬系統(tǒng),故計算機需要網(wǎng)絡(luò)連接到因特萬維網(wǎng)(WWW)。圖3和圖4分別出示了在虛擬環(huán)境中的MOTOMAN K10S和Sony SRX-410機器人。2.3試驗設(shè)計在本研究中,四個試驗?zāi)鼙环殖蓛纱箢悾海?)閑置時間試驗和(2)機械手最大工作半徑試驗。每種試驗有兩個部分:一種是是虛擬部分,另一種是真實部分。為了測試公共點,需要屬于現(xiàn)實組的所有參與者執(zhí)行一些虛擬試驗以滿足序貫試驗的數(shù)據(jù)橋接。對于真實組,一半被試者(16個被試者)在真實環(huán)境中執(zhí)行任務(wù),而另一半受試者在虛擬環(huán)境中執(zhí)行另一些任務(wù)。一個模擬的事故被出示給一半的受試者(真實小組的16個受試者和虛擬小組的16個受試者)。2.3.1閑置時間試驗試驗是一個六-因素方差分析混合設(shè)計(2性別2意外事故2速度2大小機器人種類2照明水平)。所有的自變量有兩個層次。受試者之間變量是性別(男性或女性),事故風(fēng)險(有或無)。另外四個與受試者相關(guān)的自變量是機器人的速度(10cm/s或90cn/s)、機器人的大?。ù蠡蛐。?、機器人的種類(Sony SRX-410 或Yasakawa MOTOMAN-K10S)和光照條件(亮或暗)。因變量機器人的感知閑置時間是受試者感到進入工作行程對他們來說是安全時間一樣的等待時間。當(dāng)出現(xiàn)一個意外停止,這可能是機器人出現(xiàn)問題。機器人閑置時間是機器人停止和受試者決定進入機器人的工作行程之間的時間(Karwowski 和Pongpatanasuegsa 1990)。2.3.2機械手最大工作半徑試驗本試驗是考慮一種混合方差分析設(shè)計的裝置。它具有受試者之間的變量(性別和事故風(fēng)險)和受試者本身的變量(光照條件、機器人的速度、機器人的大小、機器人的類型和接近角)。所有的因素有兩個層次。感知的機器人最大工作半徑能被定義為機械手相對于實際機器人工作行程的最大工作半徑(Karwowskiet al.1991)。試驗者測量了真實環(huán)境中從機器人底座到受試者趾部前端的距離。在虛擬環(huán)境中,開發(fā)了內(nèi)部測量系統(tǒng)以立即顯示視點X、Y和Z坐標(biāo)。這些坐標(biāo)有助于試驗者計算出機器人的精確的停止位置。2.4試驗程序在試驗的期初階段,受試者填寫并簽了知情同意書并給出他們的個人資料(例如,受試者的年齡、性別、重量和高度),并保證他們在試驗中自愿誠實地參與。如看到參與者戴著矯正視力的眼鏡時,這個參與者存在問題,那么在試驗中將不允許他們進一步參與。也對每個受試者身臨其境的趨勢和個性進行評估。然后,介紹了關(guān)于試驗程序的詳細說明。告知參與者機器人安全性的工業(yè)指導(dǎo)方針和CAD/CAM實驗室和工作車間中的安全條例。在測試場景的預(yù)覽部分,參與者觀察虛擬和現(xiàn)實環(huán)境中機器人運動。而且,如果受試者屬于事故風(fēng)險組,他們將看到模擬的事故。這些受試者能看到具有一個虛擬的預(yù)先創(chuàng)建的模擬事故場景。在該場景中,一個虛擬的人被正在旋轉(zhuǎn)的機器人撞到。圖5出示了虛擬的人體模特被工業(yè)機器人撞倒后的事故場景。2.5閑置時間試驗2.5.1虛擬現(xiàn)實中的試驗機器人運動以四個不同的時間隨機停頓10次:5s(4次)、10s(3次)、15s(2次)和20s(1次)。對于每次停頓,指示受試者估計停頓的閑置時間。受試者對三個選擇的時間估計的答案畫圈:大于10s、小于10s或說不上來。然后,受試者被告知下一個停頓可能是一個預(yù)定程序的停止或由于系統(tǒng)故障的停止。要求他們進入機器人的工作行程以進行診斷檢測。只要受試者認為機器人將不再運動,他們就等著。在受試者進入機器人的工作行程之前,他們口頭通知試驗者他們的決定。除了測量機器人停頓和受試者決定進入工作行程之間所用時間,試驗者將切斷機器人的主電源以保證機器人不在運動。然后,允許受試者進入機器人的工作行程。當(dāng)受試者的視角離機器人更近時,在虛擬環(huán)境中的受試者能觀察到放置在機器人基底的兩個診斷按鈕。試驗者指示受試者按下這兩個按鈕中的一個。在受試者按下按鈕后,顯示在屏幕上的信息要么是故障,要么是預(yù)定程序的停止。受試者被要求重復(fù)前面的步驟直到他們完成所有的試驗。在虛擬試驗結(jié)束時,受試者回答額外的問題來測試他們的現(xiàn)場感覺。2.5.2真實環(huán)境中的試驗在5min的機器人運動期間,四個不同時間間隔內(nèi)隨機形成10個停頓。在此之后,試驗者指示受試者通過選擇三個選擇的一個來估計每次停頓的時間:大于10s、小于10s或說不上來。然后,受試者被告知下一個停頓可能是一個預(yù)定程序的停止或由于系統(tǒng)故障的停止。試驗者要求受試者進入機器人的工作行程以進行診斷檢測,并指示只要受試者認為機器人將不再運動,他們就等著。在受試者真正進入機器人的工作行程之前,他們口頭與試驗者交流并通知試驗者他們已決定進入工作行程。試驗者測量在機器人停止和受試者決定進入機器人危險工作區(qū)之間的時間。試驗者指示受試者打開箱子并檢索文件以確定停止是否是一個故障或預(yù)定程序的停止。對每次試驗,參與者評估他們的感知和精神負擔(dān),然后再次重復(fù)前面的步驟直到完成所有的試驗。2.6機械手最大工作半徑試驗2.6.1虛擬現(xiàn)實中的試驗參與者被指示沿著接近機器人的一個角度移動。然后受試者敲擊控制面板的啟動按鈕,受試者的視角接近機器人直到受試者按下停止按鈕以停止他們的運動。他們的停止位置是他們認為機械手最大工作半徑。通過使用內(nèi)部測量系統(tǒng),試驗者記錄屏幕左上角所顯示的值。顯示的值是各視點(X/Y和Z坐標(biāo))的坐標(biāo)值。然后參與者被要求返回到原來安全屏障后的地方,且對其它剩余的接近角,他們重復(fù)前面的步驟知道他們完成所有接近角的測試。然后,試驗者改變視點來觀察其它機器人。對其它的接近角和機器人的速度,重復(fù)本試驗直到所有的試驗完成。2.6.2在真實環(huán)境中的試驗當(dāng)機器人運動完成后并停止在一個特定的位置,為了避免機器人再次運動,試驗者關(guān)閉了機器人電源。然后,指示受試者沿著兩個接近角的一個向機器人運動,他們認為這將是機械手最大工作半徑。試驗者測量并記錄受試者的停止位置和機器人工作行程之間的距離。受試者被要求回答每次試驗的困難等級,并被指示返回到安全屏障外的初始位置。前面的步驟被重復(fù)直到受試者完成所有的試驗。3結(jié)果和討論3.1閑置時間試驗3.1.1虛擬部分出示了關(guān)于虛擬試驗的閑置時間數(shù)據(jù),其符合正態(tài)分布(表3)。對于在閑置時間試驗中閑置時間的感知(VR組),方差分析測試表明速度(F(1,28)=117.522, p50.001) 和大小 (F(1,28)=107.914, p0.05)出示閑置時間的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布(表3)。根據(jù)方差分析測試的結(jié)果,閑置時間也分別受機器人速度(F(1,28)=34.347, p0.001)和類型(F(1,28)=5.499, p=0.026)的顯著影響。同樣地,在這部分試驗中閑置時間的感知也沒有出現(xiàn)雙因子交互的作用(VR組)。機器人速度的主要影響表明:快的機器人速度的閑置時間的感知比慢的機器人速度的時間更長。這表現(xiàn)出與VR組的結(jié)果相似的現(xiàn)象(閑置時間試驗)。在他們表明決定之前,真實環(huán)境中的受試者表現(xiàn)出對Motoman K-10s機器人等待的時間比Sony SRX-410機器人的更長。因為在現(xiàn)實環(huán)境中機器人的大小不能被隔離,據(jù)報道不考慮機器人大小,本試驗中的機器人類型對感知閑置時間有重要的影響。3.2機械手最大工作半徑試驗3.2.1虛擬部分表3 KolmogorovSmirnov關(guān)于虛擬和真實組閑置時間感知的結(jié)果虛擬組KolmogorovSmirnov測試的一個樣本閑置時間N256正常參數(shù)ab平均值22.3849SD8.9185最為極大值絕對值0.049偏差正值0.049負值-0.026KolmogorovSmirnov Z0.784約等于信號 (雙側(cè)的)0.570真實組閑置時間N128正常參數(shù)ab平均值24.0889SD7.5296最為極大值絕對值0.047偏差正值0.047負值-0.029KolmogorovSmirnov Z0.531約等于信號(雙側(cè)的)0.941從方差分析的結(jié)果可以看出,速度(F(1,28)=6.808,p=0.014)、類型 (F(1,28)=10.812,p=0.003)和大小(F(1,28)=4.722,p=0.038)對機器人工作行程的感知的影響是顯著的,但性別、事故風(fēng)險和角度卻不是那么顯著。而且,兩因子交互的影響也不明顯?;跈C械手最大工作半徑試驗的主要效果圖的結(jié)果(VR組),受試者在低速條件下接近機器人工作行程的距離明顯比其在高速下的更近。結(jié)果表明:相比于對地面安裝型Motoman K10s機器人,受試者對臺式型的Sony SRX-410機器人感知更大的工作行程。機器人大小的主要影響表明大機器人的感知工作行程明顯比小機器人的工作行程要大。在虛擬環(huán)境下,當(dāng)受試者操作小尺寸的機器人時,他們感到更安全。3.2.2現(xiàn)實部分方差分析的結(jié)果表明:感知的機械手的最大工作半徑明顯受5%水平的事故風(fēng)險(F(1,28)=4.388,p=0.045)、機器人速度(F(1,28)=20.419,p0.001)和機器人的類型(F(1,28)=302.125,p0.001)的影響。同樣地,在機器人類型和事故之間的交互影響出示了對機器人工作行程的感知距離的顯著影響。對有模擬的事故組的機器人工作行程的感知距離比對沒有模擬的事故組的更高。這明顯表明虛擬事故的暴露影響他們在真實環(huán)境中的感知距離。對于事故風(fēng)險,受試者感到機器人運動是更危險的。在受試者暴露于模擬的事故之后,他們變得更警惕。結(jié)果表明:在機器人運動的更快速的速度時,受試者選擇更高的機械手最大工作半徑。當(dāng)機器人運動速度更低時,受試者感到安全和更舒適。對MOTOMAN K10S機器人的機械手最大工作半徑的感知比對SONY SRX410機器人的更小。3.3數(shù)據(jù)橋接3.3.1比較VR中虛擬部分和閑置時間試驗中的真實組(共同數(shù)據(jù)點:機器人的速度=10cm/s,機器人的類型=MOTOMAN K10S,機器人的大小=大型和輕的條件=輕型)。通過采用方差分析測試方法,它表明在感知閑置時間的虛擬試驗中共同的數(shù)據(jù)點(F(1,56)=0.958,p=0.332)時,在VR和真實組之間沒有明顯的差異。因此,在同樣的試驗條件下,這些數(shù)據(jù)能被集合成一個共同的數(shù)據(jù)集。3.3.2比較在機械手最大工作半徑試驗中虛擬和真實組的虛擬部分(共同數(shù)據(jù)點:機器人的速度=25cm/s,機器人的類型=MOTOMAN K10S,機器人的大小=大型和接近角=77.1)。從方差分析測試的結(jié)果可以看出,在共同數(shù)據(jù)點(F(1,56)=0.159,p=0.691)的感知的機械手最大工作半徑試驗的虛擬試驗中,虛擬組和真實組之間沒有明顯的差異。把這些數(shù)據(jù)結(jié)合成一個共同數(shù)據(jù)集是合理的。因此,真實和虛擬實驗的結(jié)果可進行比較。3.4虛擬與真實試驗的結(jié)果它能表明:相對于機器人的速度,虛擬環(huán)境下安全的閑置時間的感知稍大于現(xiàn)實環(huán)境中的安全閑置時間的感知。而且,在機器人閑置時間試驗中,在虛擬和現(xiàn)實之間的閑置時間的感知存在一個相似的趨向。Witmer 和Kline (1998)得出結(jié)論:在虛擬和真實環(huán)境中,人們通常低估他們與物體之間的距離,但是在虛擬環(huán)境中,距離估計的誤差趨向更大于現(xiàn)實環(huán)境中的距離估計誤差。圖7舉例說明在機械手的最大工作半徑試驗中,虛擬和真實試驗之間的感知機械手最大工作半徑存在一個大的偏差,并且在虛擬試驗中,感知機械手最大工作半徑比真實試驗中的更大。然而,相對于機器人的類型,在虛擬和真實試驗之間的機械手最大工作半徑的感知的趨向是相似的。我們的發(fā)現(xiàn)與Witmer 和Kline (1998)的結(jié)果相似。相比于那些在真實環(huán)境下中的受試者的距離判斷,虛擬環(huán)境下的受試者的距離判斷是高度低估的。3.5假設(shè)的測試3.5.1假設(shè)1的結(jié)果 在虛擬組中,機器人的速度和大小顯著影響安全閑置時間的感知。當(dāng)機器人以更快的速度(90cm/s)運行時,受試者明顯等待更長(p0.05)的時間。如不考慮機器人的大小(p0.05),在真實試驗中,機器人的類型對感知閑置時間有顯著的影響。該假設(shè)部分成立(表4)。性別也沒顯示出對事故風(fēng)險的明顯影響。3.5.2假設(shè)2的結(jié)果在虛擬和真實環(huán)境中,機械手的最大工作半徑的感知明顯受機器人的速度和類型的影響;這可給我們一些跡象感知的工作半徑距離取決于機器人的運動類型。在低速下,受試者更接近機器人的工作行程。另外,在虛擬試驗中,機器人的大小對閑置時間和機器人工作行程的感知始終是一個重要的因素(表5)。有模擬事故組機器人工作行程的感知距離明顯比沒有模擬事故組的感知距離要大(表5)。3.6比較我們機器人試驗的結(jié)果與Karwowski的結(jié)果研究在虛擬和真實環(huán)境下閑置時間和機械手最大工作半徑的感知。本節(jié)將討論我們的結(jié)果與以前研究結(jié)果的比較。事實上,本研究中我們的機器人試驗的方法模仿了Karwowski的研究方法。在真實環(huán)境下,Karwowski的研究結(jié)果與我表4閑置時間試驗匯總閑置時間虛擬真實機器人速度顯著的顯著的機器人大小顯著的不顯著的機器人類型不顯著的顯著的性別不顯著的不顯著的事故風(fēng)險不顯著的不顯著的表5機器人最大工作半徑試驗匯總機械手最大工作半徑虛擬真實機器人速度顯著的顯著的機器人大小顯著的不顯著的機器人類型顯著的顯著的接近角不顯著的不顯著的性別不顯著的不顯著的事故風(fēng)險不顯著的顯著的們的研究結(jié)果之間存在相似性和差別。表6總結(jié)了機械手最大工作半徑試驗中真實試驗的結(jié)果與Karwowski et al的結(jié)果(1991)。從表6中可看出,受試者在低的機器人速度(25cm/s)下感知機械手最大工作半徑的距離比在高的速度(90cm/s)下的更近。在虛擬環(huán)境中,由于遭受虛擬的模擬事故,受試者更注意真實環(huán)境下機器人運動。模擬事故組的機械手最大工作半徑的感知比對無事故組的更高。而且,當(dāng)接近角是77.1時,Karwowski et al.(1991)發(fā)現(xiàn)受試者稍微低估機械手最大工作半徑,并闖入到機器人的工作行程中。然而,我們的發(fā)現(xiàn)表明:一般來說,受試者始終高估真實環(huán)境下機械手的真實工作行程?;趦身椦芯康姆讲罘治鰷y試,在Karwowski的研究中,機械手最大工作半徑的感知明顯受機器人速度、事故風(fēng)險和接觸角的影響。圖6比較機器人試驗II中真實試驗的結(jié)果與Karwowski的結(jié)果感知機械手的最大工作半徑平均值Karwowsk的結(jié)果我們的結(jié)果因素等級P50機器人K10S機器人意見機器人的速度25cm/s10.25cm2.05cm在Karwowsk的研究中,機器人速度(p0.05)、事故風(fēng)險(p0.001)和接近角(p0.001)顯著影響機械手最大工作半徑的人的認知。在我們的研究中,感知的機器人工作行程顯著受5%水平的事故風(fēng)險(F=4.388,p=0.045)和機器人速度(F=20.419,p0.001)的影響。90cm/s11.57cm18.64cm事故風(fēng)險有事故21.9cm19.25cm無事故-0.09cm1.44cm接近角77.1-0.41cm10.34cm感知的機械手最大工作半徑明顯受事故風(fēng)險(F(1,28)=4.388, p=0.045)和機器人速度(F(1,28)=20.419,p0.001)的影響。Karwowski的試驗和我們的研究之間的差別被討論如下:(1)Karwowski的試驗測試了六個接近角。然而,由于布局的限制,在機械手最大工作半徑試驗中,真實試驗只能使用一個接近角。(2)在Karwowski的研究中,在執(zhí)行試驗部分之前,受試者被給一個15min的預(yù)演部分,但是在我們的研究中,給受試者一個2min的預(yù)演部分。(3)Karwowski的研究與最大臂展的試驗之間的機器人編程的碼垛系統(tǒng)任務(wù)中的差別。(4)兩個研究中受試者的知識背景是不同的。Karwowski招募了12為工業(yè)工人作為受試者。然而,64位工科學(xué)生參與我們的研究。(5)在Karwowski的研究中,每個試驗條件重復(fù)兩次,但在真實環(huán)境中測試最大臂展的試驗只重復(fù)一次。這些結(jié)果有助于測量人的感知和實現(xiàn)改善HRI安全性(Duffy和Salvendy 2000)。在工業(yè)中,HRI可視為兩種類型;(1)第一種類型,人工操作者和機器人作業(yè)在一個分離的區(qū)域和(2)第二種類型,機器人作業(yè)更接近人工操作者,替代其被孤立在機器人作業(yè)場所。在第二種類型的HRI,工業(yè)機器人能使操作者更擔(dān)心、驚嚇和不舒服,且這種精神緊張可影響HRI的安全性和生產(chǎn)率降低(Aria et al.2010)。因此,對第二種類型的HRI,必須要考慮人的安全性感知。從本研究中學(xué)的經(jīng)驗有可能轉(zhuǎn)換到其它更側(cè)重于制造的領(lǐng)域。例如,美國麻省理工學(xué)院在機械工程中的控制,儀器儀表和機器人領(lǐng)域?qū)で笱芯亢徒逃⒓{入基本確定原則和方法,使系統(tǒng)具有智能化,目標(biāo)導(dǎo)向的行為,并制定創(chuàng)新的手段來監(jiān)視、操縱和控制系統(tǒng)(MIT 2010)。隨著服務(wù)行業(yè)的需要,其包括醫(yī)療、安全和教育,麻省理工學(xué)院的Newman研究室的研究人員以研發(fā)出超級肌肉驅(qū)動器,在壓力、能量、密度、效率、反應(yīng)速度和自由度方面超過生物肌肉。進一步深入了解HRI以獲得這些潛在應(yīng)用的影響是重要的。尤其是在人的重復(fù)性作業(yè)方面,人機交互的認知方面將對設(shè)計者更好地增強與新的機器人技術(shù)方面的個人能力是重要的(Krebs et al.2003, Fasoli et al.2004, Reiner et al.2006, Volpe et al.2009)。4結(jié)論本文研究了機器人的大小、速度、類型和事故風(fēng)險對人感知機器人運動的危害和危險、在系統(tǒng)停止和機器人運行出現(xiàn)故障期間的機器人安全等待時間和虛擬和真實工作場所下機械手的最大工作半徑的影響。基于試驗中取得的結(jié)果,可估計從虛擬到真實世界的經(jīng)驗和認知的可轉(zhuǎn)換性。虛擬和真實環(huán)境中分析結(jié)果的比較表明:如時間這樣的變量可從虛擬轉(zhuǎn)換倒真實,然而,僅僅在臺式虛擬的環(huán)境中,感知的距離仍然顯示出顯著的差異。因為訓(xùn)練可能對識別危害和風(fēng)險有影響(Duffy 2003, Duffyet al. 2004a),預(yù)期進一步測試的結(jié)果可被用到在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中工業(yè)訓(xùn)練,以降低工作場所中的危險。企業(yè)可使用VR來培養(yǎng)工人關(guān)于機器人的安全知識。而且,由于發(fā)現(xiàn)事故風(fēng)險對安全性的認知有重要影響,培訓(xùn)計劃中可提供事故的例子。通過VR培訓(xùn)計劃,工人可獲取關(guān)于機器人運動和機器人事故的經(jīng)驗。也能夠通過開發(fā)預(yù)測能力來把虛擬模型整合到數(shù)字化人體模型(Duffy et al.2003, Duffy 2007)和設(shè)計分析(Duffy et al.2004b)中。未來的研究中,可分析從機器人試驗收集的其它數(shù)據(jù),以找出危險認知、機械手最大工作半徑、閑置時間和個性之間的關(guān)系。本研究中,試驗通過學(xué)生群體來執(zhí)行,該學(xué)生群體基本理解機器人編程和操作。在將來的研究中,可通過有經(jīng)驗的工人來執(zhí)行以概括試驗結(jié)果。上世紀(jì)80年代末,機器人的使用領(lǐng)域擴大,機器人已經(jīng)從工業(yè)類輔助機器人來到人們的日常生活中,其支持老人或殘疾人、手術(shù)設(shè)備和玩具(Goodrich和Schultz 2007, Laschi et al.2007, Pervez和Ryu 2008)。不像大多數(shù)工業(yè)機器人,服務(wù)機器人可與人類緊密身體接觸。因此,為了在人的環(huán)境中接納機器人作為我們的伙伴和同事,必須實現(xiàn)對安全性的真實認知 (Bartneck et al.2009)。在將來的研究中,涉及到如機器人大小、速度、類型和遭受虛擬的事故的這類參數(shù)的影響,我們可研究服務(wù)機器人的安全性認知。致謝本研究部分由來自HKUST/ CERG6168/98E和HKUST/ CERG6211/99E的研究資助局(RGC)的研究用途補助金(CERG)的資助。因為Calvin OR、Vivian LAU和Tracy CHEUNG、Gilbert Leung、Denil Chan、K.C. Tin和Colleen Duffy在整個軟件開發(fā)和手稿的準(zhǔn)備,作者對他們表示誠摯的感謝。作者還要感謝由國際交流管理委員會管理的學(xué)者管理的福布萊特計劃,感謝他們的支持,并感謝授權(quán)這種合作和結(jié)果的傳播。
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