1 Uvod
V industriji narekujeta povečevanje učinkovitosti
proizvodnje in uvajanje novih tehnologij tesnejše
sodelovanje robota in človeka. Roboti v prihodnosti ne
bodo delovali za varovalnimi ograjami ali varnostnimi
zavesami, ampak bodo sodelovali z ljudmi. Glavno
vprašanje, ki se poraja, je, kako zagotoviti varno fizično
interakcijo med robotom in človekom.
Naše raziskovalno delo obravnava sodelovanje robota in
človeka. Primer sodelovanja človeka in robota v
industrijski montažni celici je kompleksno sestavljanje
oz. montaža izdelkov. Človek opravlja zahtevne
operacije (npr.: vstavljanje gibljivih, fleksibilnih
Prejet 15. oktober, 2009
Odobren 18. januar, 2010
64     Povše, Koritnik, Bajd, Munih
elementov), medtem ko robot vstavlja toge sestavne
elemente, ki jih je treba vgraditi z veliko natančnostjo.
V predlagani industrijski celici je skupni delovni prostor
človekove roke in robota definiran, kot je prikazano na
sliki 1 [1]. Do trka lahko pride le med robotskim
orodjem in podlaktema sodelujočega človeka. Smrtno
nevarne situacije niso mogoče; v najslabšem primeru
lahko pride do zloma kosti podlakti (ulna, radius). Cilj
našega raziskovalnega dela je odgovoriti na vprašanje,
ali je mogoče zagotoviti varno fizično interakcijo med
človekom in malim standardnim šestosnim
industrijskim robotom.
Za določanje stopnje varnosti fizične interakcije robota
in človeka so bili predlagani različni pristopi [2 - 4]. Trk
med robotom in človekom ter rezultirajoče poškodbe so
raziskovali predvsem na inštitutu za robotiko in
mehatroniko, DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und
Raumfahrt) [5, 6]. Za določanje stopnje poškodbe
mehkega tkiva so predlagali gostoto energije udarca.
Poškodbe mehkega tkiva nastanejo pri udarcih z gostoto
energije, višjo od 2,52 J/cm2 [7].
V predstavljenem delu obravnavamo predvsem
bolečino, ki jo človek čuti med udarcem. V robotski
celici, kjer sodelujeta robot in človek, ne smemo
dovoliti bolečih trkov. Nekateri trki med robotom in
človekom ne povzročijo poškodbe mehkega tkiva, ker je
gostota energije udarca manjša od omenjene vrednosti, a
je kljub temu udarec za človeka boleč. Stopnja občutene
bolečine bi morala biti strožji kriterij za načrtovanje
varne robotske celice kot gostota energije udarca. S
pomočjo eksperimentov smo poskušali določiti
korelacijo med občuteno bolečino in gostoto energije
udarca za različna robotska orodja.
Varen niz poskusov, ki vključujejo sodelovanje
prostovoljcev, smo določili s preliminarnimi poskusi na
enem od avtorjev tega prispevka. Z vsakim udarcem
robotskega orodja smo večali pojemek vrha robota do 5
m/s2 in globino prodiranja robotskega orodja v mehko
tkivo podlakti do 30 mm. Testna oseba je po vsakem
udarcu določila občuteno bolečino. Udarci z orodjem za
ravninski dotik s hitrostmi do 2 m/s niso povzročili
znatne bolečine. Med udarci z robotskim orodjem za
premi dotik je bila stopnja bolečine določena kot blaga
bolečina. Ocenili smo tudi, da so za eksperimente s
prostovoljci udarci z orodjem za točkasti dotik
prenevarni. Izveden je bil le varen nabor eksperimentov
z robotskima orodjema za ravninski in premi dotik.
Prostovoljci so morali med poskusom po vsakem udarcu
oceniti občuteno bolečino na lestvici od 0 (brez
bolečine) do 100 (neznosna bolečina). Občutena
bolečina je bila tudi merilo, ali smemo eksperiment
nadaljevati, ali ga je treba za trenutno sodelujočo testno
osebo prekiniti. Pričakovano je bilo, da bolečina udarca
ne bo presegala blage bolečine. Poskuse smo opravili na
petih različnih osebah moškega spola, starih od 25 do 60
let.
Vsi prostovoljci so po seznanitvi s potekom in drugimi
podrobnostmi poskusa podpisali privolitev za
sodelovanje v eksperimentu. Pridobili smo tudi soglasje
komisije za medicinsko etiko.
2 Metodologija
2.1 Robotska orodja
Industrijski roboti so glede na nalogo, ki jo opravljajo,
opremljeni z orodji in prijemali različnih oblik. Za
ovrednotenje čim širšega spektra dotikov
je treba v eksperiment vključiti robotska orodja, ki
povzročijo točkasti, premi in ravninski dotik. Zaradi
varnosti pa sta bili v poskus vključeni le orodji za
ravninski in premi dotik.
Slika 1: Skupni delovni prostor robota in človekove roke
Figure 1. Common human arm and robot workspace.
Slika 2:  Robotska orodja različnih oblik za ravninski, premi
in točkasti dotik
Figure 2. Differently-shaped robot end-effectors for a plane,
line and point impact.
Trk robota s človekom: zveza med energijsko gostoto trka in občuteno bolečino 65
2.2 Merilni sistem
V raziskavi smo uporabili merilni sistem, ki vključuje
triosni senzor sil in navorov (JR3, Inc.) in optični
merilni sistem Optotrak Certus (Northern Digital, Inc.).
Med trkom robotskega orodja s podlaktjo smo merili
lego podlakti oz. robotskega orodja in silo med vrhom
robota ter orodjem. Izmerjene vrednosti sile smo zajeli z
xPC target računalnikom. Podlaket in robotsko orodje
smo opremili z infrardečimi markerji ter njuno trenutno
pozicijo beležili z optičnim merilnim sistemom
Optotrak.
2.3 Trk robotskega orodja s podlaktjo
Pri izvajanju eksperimentov je robot trčil v podlaket
pravokotno s konstantnim pojemkom. Točka trka je bila
na sredini med zapestjem in komolcem na dorzalni
strani podlakti. Z različnimi robotskimi orodji so bili
izvedeni eksperimenti pri različnih pojemkih robotskega
orodja ter različnih globinah končne točke glede na
površino podlakti. Najvišja hitrost robotskega orodja je
bila 2 m/s. Pojemek robotska orodja pa smo spreminjali
od 1 m/s2 do 5 m/s2 s korakom 1 m/s2. Globino končne
točke smo spreminjali glede na površino dorzalne strani
podlakti s korakom 10 mm od 10 mm do 30 mm. Pri
nastavitvi pojemka 1 m/s2 so bili izvedeni trije
eksperimenti s končnimi točkami robotskega orodja
izbranimi na vseh treh globinah. Eksperimente smo
ponovili še pri pojemkih robotskega orodja 2 m/s2, 3
m/s2, 4 m/s2 in 5 m/s2. Za vsako robotsko orodje je bilo
torej opravljenih 15 različnih eksperimentov. Po vsakem
trku je moral prostovoljec postaviti podlaket v isto lego.
Pri tem mu je bila v pomoč struktura sestavljena iz
aluminijastih profilov in dveh žic. Podlaket je bilo
potrebno po vsakem udarcu postaviti v položaj, v
katerem se je dotikala obeh žic (slika 3).
2.4 Določanje stopnje bolečine
Testna oseba je po vsakem udarcu ocenila občuteno
stopnjo bolečine z grafičnim vmesnikom,
programiranim v programskem okolju Visual Studio.
Oseba je drsnik na zaslonu premaknila na mesto, ki je
najbolje ustrezalo občuteni stopnji bolečine med trkom.
Vzdolž drsnika je bila prikazana linearna lestvica
stopnje bolečine z razponom od 0 (brez bolečine) do
100 (neznosna bolečina) [8, 9]. Lestvica je bila
razdeljena v naslednjih pet razredov:
-    0 … 20      brez bolečine
-  20 … 40      blaga bolečina
-  40 … 60      zmerna bolečina
-  60 … 80      močna bolečina
-  80 … 100    neznosna bolečina
Zanesljivo ocenjevanje bolečine je bilo zagotovljeno z
naključnim vrstnim redom izvajanja udarcev z
različnimi parametri. Rezultate smo primerjali z gostoto
energije udarca. Domnevali smo, da višja gostota
energije udarca povzroči močnejšo bolečino. Gostota
energije udarca je definirana kot
_
_
trk stop
trk start
s
s
A
dotik
F ds
e
A
⋅
=
∫
. (1)
V enačbi (1) je F sila, izmerjena med robotskim
orodjem in podlaktjo; strk_start in strk_stop sta položaja vrha
robotskega orodja na začetku in na koncu trka, Adotik pa
pomeni površino dotika med robotskim orodjem in
podlaktjo. Sila F je bila izmerjena s triosnim senzorjem
sil in navorov. Integracijski interval [strk_start, strk_stop] je
bil določen z meritvami položaja infrardečih markerjev,
pritrjenih na robotsko orodje in podlaket. Med trkom se
kinetična energija robotskega orodja pretvarja v
notranjo in prožnostno energijo mehkega tkiva podlakti
Slika 4: Grafični uporabniški vmesnik za ocenjevanje
stopnje občutene bolečine
Figure 4. Graphical user interface for pain-intensity
assessment.
Slika 3: Prostovoljec in  antropomorfni robot z orodjem za
premi dotik
Figure 3. Human volunteer and a six-axis robot with a line
end-effector.
66     Povše, Koritnik, Bajd, Munih
0 20 40 60 80 100 120
-10
0
10
20
30
40
50
čas [ms]
si
la
[N
]
prostovoljec 1
prostovoljec 2
prostovoljec 3
prostovoljec 4
prostovoljec 5
Slika 6: Sila trka med vrhom robota in podlaktjo za različne
prostovoljce (pojemek 5 m/s2, globina končne točke 30
mm, ravninski dotik)
Figure 6. Force during the contact of the robot end-effector
and lower arm for different volunteers (deceleration of 5
m/s
2
, stop-point depth 30 mm, plane impact).
od točke dotika orodja s kožo podlakti (strk_start) do
točke, ko je razdalja med robotskim orodjem in trdno
oporo mehkega tkiva roke (kost ulna, radius) najmanjša
(strk_stop). Potem se kinetična energija robotskega orodja
prenaša v kinetično energijo podlakti, ker začne vrh
robota potiskati podlaket [10]. Površino dotika med
orodjem in podlaktjo smo določili z meritvijo površine
odtisa, ki ga na koži podlakti pusti orodje, namočeno v
črnilo. Gostoto energije udarca pomeni energija, ki jo je
prejelo mehko tkivo podlakti, deljena s površino dotika
med orodjem in podlaktjo (1).
3 Rezultati
3.1 Trk robotskega orodja s podlaktjo
Pri poskusih se je robot premaknil proti roki
prostovoljca pod pravim kotom z najvišjo hitrostjo, pri
čemer smo spreminjali pojemek in končno točko
robotskega orodja. Na slikah 5 in 6 so prikazani poteki
sil trkov z različnimi prostovoljci za premi in ravninski
dotik. Odvisnost najvišje sile udarca od globine končne
točke oz. od pojemka robotskega orodja je prikazana na
slikah 7 in 8.
3.2 Ocenjena stopnja bolečine
Rezultati ocen stopnje bolečine petih prostovoljcev so
prikazani na slikah 9 in 10. Škatlični diagrami z brki
pomenijo vrednosti 5., 25., 50., 75. in 95. percentila v
vsakem koraku. Ozka črtica na sredini vsakega
škatličnega diagrama torej pomeni mediano petih ocen
bolečine za izbrani eksperiment. Zgornja vodoravna os
prikazuje poskuse, urejene glede na naraščajočo gostoto
energije udarca. Pod številko 1 je torej zbranih pet
eksperimentov; za vsakega prostovoljca je prikazan
poskus z najmanjšo gostoto energije udarca. Pripadajoče
ocene stopnje bolečine pa so prikazane v škatličnem
diagramu nad isto številko. Spodnja vodoravna os deli
eksperimente v tri skupine glede na  vrednost gostote
energije udarca. Za primer vzemimo skupine
eksperimentov od 1 do 5 na sliki 10. Pri teh
petindvajsetih poskusih je izračunana gostota energije
udarca v območju od 0 do 0.125 J/cm2.
10 20 30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
si
la
[N
]
globina končne točke [mm]
prostovoljec 1
prostovoljec 2
prostovoljec 3
prostovoljec 4
prostovoljec 5
Slika 7: Največja sila trka med vrhom robota in podlaktjo
pri različnih globinah končne točke (pojemek 5 m/s2, premi
dotik)
Figure 7. Maximal robot end-effector and lower-arm
contact force at different stop-point depths (deceleration of
5 m/s
2
, line impact).
0 20 40 60 80 100 120
-10
0
10
20
30
40
50
čas [ms]
si
la
[N
]
prostovoljec 1
prostovoljec 2
prostovoljec 3
prostovoljec 4
prostovoljec 5
Slika 5: Sila trka med vrhom robota in podlaktjo za različne
prostovoljce (pojemek 5 m/s2, globina končne točke 30
mm, premi dotik)
Figure 5. Force during the contact of the robot end-effector
and lower arm for different volunteers (deceleration of 5
m/s
2
, stop-point depth 30 mm, line impact).
Trk robota s človekom: zveza med energijsko gostoto trka in občuteno bolečino 67
Na navpični osi je prikazana stopnja bolečine v območju
od 0 do 100. Za poskuse z ravninskim in točkastim
dotikom smo izračunali Spearmanov korelacijski faktor
ro, s čimer smo določili stopnjo korelacije med oceno
občutene bolečine in gostoto energije udarca.
Korelacijski faktor za eksperimente z orodjem za
ravninski dotik znaša ro = 0.31 (p < 0.01) in za premi
dotik ro = 0.67 (p < 0.01). Oba korelacijska faktorja
nakazujeta ustrezno stopnjo korelacije med oceno
občutene bolečine in gostoto energije udarca.
4 Sklep
Z eksperimenti na prostovoljcih smo poskušali določiti
povezavo med gostoto energije udarca in stopnjo
občutene bolečine za trke različnih robotskih orodij s
podlaktjo. Poskuse smo izvedli z robotskim orodjem za
premi in ravninski dotik. Gostoto energije udarca smo
izračunali iz podatkov o sili udarca, kontaktni površini
in trenutnem položaju podlakti oz. vrha robota. Največja
sila udarca se za različne prostovoljce pri posameznem
poskusu razlikuje za največ 30 odstotkov. Pri udarcih z
orodjem za ravninski dotik je bila največja gostota
energije 0,09 J/cm2 s pripadajočo najvišjo oceno
občutene bolečine 30, kar ustreza blagi bolečini. Za
udarce z orodjem za premi dotik je bila največja gostota
energije enaka 0,375 J/cm2 in najvišja ocena stopnje
občutene bolečine 44, kar je v območju zmerne
bolečine. Iz rezultatov raziskave lahko sklepamo, da bi
udarci z gostoto energije v velikostnem razredu 2,52
J/cm2 [7] povzročili visoko stopnjo bolečine za obe
obravnavani robotski orodji. To je nesprejemljivo v
varni industrijski robotski celici, namenjeni sodelovanju
robota in človeka. Treba bi bilo določiti še sprejemljivo
stopnjo bolečine udarca in glede na to vrednost
preračunati dovoljeno območje gostote energije udarca z
uporabo rezultatov raziskave. Pri načrtovanju robotske
celice omogoča podatek o dovoljenem območju
vrednosti gostote energije udarca izbiro nekaterih
lastnosti robotske celice, kot so pojemek vrha robota,
najvišja hitrost vrha robota in najmanjša kontaktna
površina dotika.
Izziv za prihodnje raziskave je ovrednotenje robotskega
orodja za točkasti dotik v obliki povezave med gostoto
energije udarca in stopnjo občutene bolečine. Treba je
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
le
st
vi
ca
s
to
p
n
je
b
o
le
č
in
e
[0
..b
re
z
b
o
le
č
in
e
; 1
0
0
..n
e
zn
o
sn
a
b
o
le
č
in
a
]
eksperiment
0 0.125 0.25 0.375
gostota energije udarca [J/cm
2
]
Slika 10: Ocene stopenj občutene bolečine, premi dotik
Figure 10. Volunteer pain assessment, line impact end-
effector.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0
5
10
15
20
25
30
le
st
vi
ca
s
to
p
n
je
b
o
le
č
in
e
[0
..b
re
z
b
o
le
č
in
e
; 1
0
0
..n
e
zn
o
sn
a
b
o
le
č
in
a
]
eksperiment
0 0.03 0.06 0.09
gostota energije udarca [J/cm
2
]
Slika 9: Ocene stopenj občutene bolečine, ravninski dotik
Figure 9. Volunteer pain assessment, plane impact end-
effector.
1 2 3 4 5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
si
la
[N
]
pojemek [m/s
2
]
prostovoljec 1
prostovoljec 2
prostovoljec 3
prostovoljec 4
prostovoljec 5
Slika 8: Največja sila trka med vrhom robota in podlaktjo
pri različnih pojemkih vrha robota (globina končne točke
30 mm, premi dotik)
Figure 8. Maximal robot end-effector and lower-arm
contact force at different end-effector decelerations (stop-
point depth 30 mm, line impact).
68     Povše, Koritnik, Bajd, Munih
določiti varen obseg poskusov, ki ne povzročijo
poškodbe mehkega tkiva in so hkrati zadosten vzorec
trkov za proučevanje točkastega dotika.
Rezultati eksperimentov bodo uporabljeni za
načrtovanje in testiranje zaščitnih oblog na robotu oz.
zaščitnih oblek na rokah človeka. Zaščitni elementi
bodo omogočali varnejšo fizično interakcijo robota in
človeka.
5 Literatura
[1] N. Klopčar, M. Tomšič, J. Lenarčič, “A Kinematic Model of
Shoulder Complex to Evaluate the Arm-Reachable Workspace,”
J. Biomechanics, vol. 40, pp. 86-91, 2007.
[2] K. Ikuta, H. Ishii, M. Nokata, “Safety Evaluation Method of
Design and Control for Human-Care Robots,” Int. J. of Robotics
Research, vol. 22, no. 5, pp. 281–298, 2003.
[3] J. Heinzmann, A. Zelinsky, “Quantitative Safety Guarantees for
Physical Human-Robot Interaction,” Int. J. of Robotics
Research, vol. 22, no. 7-8, pp. 479–504, 2003.
[4] H. -O. Lim, K. Tanie, “Human Safety Mechanisms of Human-
Friendly Robots: Passive Viscoelastic Trunk and Passively
Movable Base,” Int. J. of Robotics Research, vol. 19, no. 4, pp.
307–335, 2000.
[5] S. Haddadin, A. Albu-Schäffer, G. Hirzinger, “Safety Evaluation
of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing,”
Robotics: Science and Systems Conference (RSS2007), Atlanta,
USA, 2007.
[6] S. Haddadin, A. Albu-Schäffer, G. Hirzinger, “Requirements for
Safe Robots: Measurements, Analysis and New Insights,” The
Int. J. of Robotics Research, vol. 28, no. 11-12, pp. 1507-1527,
2009.
[7] S. Haddadin, A. Albu-Schäffer, G. Hirzinger, “Safe Physical
Human-Robot Interaction: Measurements, Analysis & New
Insights,” International Symposium on Robotics Research
(ISRR2007), Hiroshima, Japan, 2007.
[8] J. Katz, R. Melzack, “Measurement of Pain,” Surgical Clinics of
North America, vol. 79, pp. 231- 252, 1999.
[9] S. L. Collins, R. A. Moore, H. J. McQuay, “The Visual
Analogue Pain Intensity Scale: What is Moderate Pain in
Millimeters?,” Pain, vol. 72, pp. 95- 97, 1997.
[10] B. Povše, D. Koritnik, T. Maver, R. Kamnik, T. Bajd, M. Munih,
“Cooperation of Small Industrial Robot and Human Operator,”
18th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube
Region (RAAD 2009), pp. 1339-1349, Brasov, Romunia, 2009.
Zahvala
»Operacijo delno financira Evropska unija, in sicer iz
Evropskega socialnega sklada.«
Borut Povše je diplomiral leta 2007 na Fakulteti za
elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Istega leta se je zaposlil v
podjetju Dax, d.o.o., Trbovlje. Od leta 2008 je mladi
raziskovalec iz gospodarstva. Raziskovalno delo opravlja na
sedežu podjetja Dax v Trbovljah in v Laboratoriju za robotiko
in biomedicinsko tehniko na Fakulteti za elektrotehniko
Univerze v Ljubljani. Njegovo raziskovalno delo zajema
proučevanje fizične interakcije med robotom in človekom.
Darko Koritnik je direktor podjetja Dax, d.o.o., v Trbovljah.
Diplomiral je leta 1979 na Fakulteti za elektrotehniko
Univerze v Ljubljani. Po končanem študiju se je zaposlil v
podjetju Iskra polprevodniki v Trbovljah, kjer je delal do leta
1991 kot razvojni inženir in vodja področja za opremo in
informatiko. Leta 1991 je ustanovil podjetje Dax, d.o.o.,
Trbovlje, leta 1993 pa RR-enoto v okviru podjetja. Registriran
raziskovalec je od leta 1982. Deluje na področju
avtomatizacije in robotike v elektroindustriji ter razvoja
merilnih sistemov za potrebe industrije. Pri izvedbi projektov
je sodeloval in se izobraževal pri Epson Industrial
Automation, Seiko Instruments, Philips Semiconductors,
Bosch-Siemens, ASM, Lumonics, Textronics, BTU, Ismeca,
Disco, ETI, BSH, ETA Cerkno, Domel, Lama, FC-Group,
Gorenje.
Tadej Bajd je redni profesor na Fakulteti za elektrotehniko
Univerze v Ljubljani in redni član SAZU. Njegovo
raziskovalno področje dela sta analiza in sinteza gibanja pri
človeku in stroju.
Marko Munih je diplomiral leta 1986, magistriral leta 1989
in doktoriral leta 1993, vse na Fakulteti za elektrotehniko
Univerze v Ljubljani, kjer je zdaj redni profesor. Odmevno je
raziskoval na University College London. Usmerjenost
Laboratorija za biomedicinsko tehniko na Fakulteti za
elektrotehniko je s področja FES privedel na področje
rehabilitacijske robotike oz. haptičnih robotov.