水下船舶清洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【CAD高清圖紙和文檔】

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(2002, 2004) 使用的心率分析和多生理信號(hào)來(lái)估計(jì)人的壓力水平。Nonaka et al. (2004) 設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬的類人機(jī)器人，并通過(guò)心臟率測(cè)量和主觀反應(yīng)測(cè)量人體的反應(yīng)。Kulic 和 Croft (2005) 兩者都使用的調(diào)查問(wèn)卷和生理傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)估算用戶與工業(yè)機(jī)器人互動(dòng)的過(guò)程中的它們的焦慮和驚喜的級(jí)別。Koay et al.(2005)在線測(cè)量人對(duì)機(jī)器人動(dòng)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(wèn)卷這兩種生理參數(shù)來(lái)評(píng)估有機(jī)器人所造成精神緊張。本文研究了虛擬和現(xiàn)實(shí)工作場(chǎng)所下的機(jī)器人的大小、速度和類型和事故風(fēng)險(xiǎn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的危害和風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)停止期間機(jī)器人的安全等待時(shí)間、機(jī)器人操作的不適當(dāng)?shù)耐Ａ艉蜋C(jī)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(jī)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(lái)檢查閑置時(shí)間和機(jī)器人的工作行程對(duì)亞洲參與者(中國(guó)香港人)危害和風(fēng)險(xiǎn)的人的感知。Duffy et al.(2006)研究了虛擬環(huán)境下安全的機(jī)器人速度的感知，并與其它現(xiàn)實(shí)工業(yè)環(huán)境下發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明：虛擬環(huán)境可模擬用于測(cè)試安全速度的人的感知的條件。Aria et al.(2010)評(píng)估了操作者的精神緊張，相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：操作者和機(jī)器人的距離、機(jī)器人的速度和注意到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的存在。另外，Or et al. (2009)研究了在虛擬環(huán)境中工業(yè)機(jī)器人的安全的閑置時(shí)間的感知，并考慮以下因素：模擬的事故風(fēng)險(xiǎn)、性別、機(jī)器人的速度和大小。也需要對(duì)其它依賴的變量如機(jī)械手最大工作半徑和安全的機(jī)器人閑置時(shí)間的風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)的感知進(jìn)行評(píng)估(Duffy et al.2006)。因此，本文中也考慮了機(jī)械手最大工作半徑和安全的機(jī)器人閑置時(shí)間。Goodrich和Schultz(2007)定義在HRI領(lǐng)域中的習(xí)慣做法；一個(gè)既包括模擬機(jī)器人又包括物理機(jī)器人的試驗(yàn)。由于成本和可靠性的考慮，通常它是不可能用真實(shí)機(jī)器人來(lái)做試驗(yàn)。另一方面，在模擬實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)實(shí)世界中的細(xì)節(jié)情況不能很好地表示。因此，本研究中在真實(shí)和虛擬環(huán)境下進(jìn)行都進(jìn)行了試驗(yàn)。在動(dòng)態(tài)虛擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的分析結(jié)果與使用序貫試驗(yàn)技術(shù)的移動(dòng)危險(xiǎn)源進(jìn)行比較(Snow和Williges 1998)?；谟稍囼?yàn)中獲得的結(jié)果、經(jīng)驗(yàn)的可轉(zhuǎn)換性、從虛擬到現(xiàn)實(shí)的認(rèn)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(xiàng)研究可以證明。1.1安全的機(jī)器人速度涉及機(jī)器人事故的原因可歸因于人的知覺(jué)、身體和心理限制，這些限制包括人感知機(jī)器人大小、速度和運(yùn)動(dòng)范圍，其影響人的行為(Carlsson 1984)。不同的機(jī)器人的運(yùn)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(gè)輸入，在HRI期間，同時(shí)采用一種危險(xiǎn)指數(shù)。因?yàn)闄C(jī)器人快速的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手所施加的力很高。然而，應(yīng)當(dāng)注意：Haddadin et al.(2007)用機(jī)器人和仿真頭進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，以確定在機(jī)器人和人之間碰撞的影響。他們報(bào)道：相對(duì)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(yùn)動(dòng)的機(jī)器人對(duì)于一個(gè)非夾緊頭不可能是危險(xiǎn)的?？梢宰⒁獾狡渌芯繄?bào)道：機(jī)器人速度高達(dá)2.7m/s時(shí)，對(duì)人的胸部、腹部和肩部的沖擊不是危險(xiǎn)的。除了機(jī)器人的速度外，機(jī)器人的質(zhì)量對(duì)頭部傷害指數(shù)的影響也被研究，并據(jù)報(bào)道采用HIC的方法，質(zhì)量大的機(jī)器人對(duì)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(jī)器人操作條件（如速度低于2.7m/s，機(jī)械輸出小于150N等）排除了身體受傷的風(fēng)險(xiǎn)，HRI仍然包含與由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而引起的精神緊張相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是本文側(cè)重于機(jī)器人安全性的認(rèn)知方面。本研究中，試驗(yàn)中所選擇的機(jī)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?yàn)樗砻鳎喝藗儗?duì)速度高于64cm/s的機(jī)器人感到威脅(Karwowski和Rahimi 1991)。Ariaet al.(2010)研究了操作工人在獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)中的精神緊張，在獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)中一個(gè)操作者通過(guò)機(jī)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(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)的結(jié)果，當(dāng)機(jī)器人的速度高于500mm/s時(shí)，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(dá)關(guān)心的最大原因。尤其是對(duì)于大型機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)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(yùn)輸企業(yè)，初始碰撞后，其并不能驅(qū)動(dòng)碰撞的物體相撞在一起。因此，操作者自己反應(yīng)時(shí)間的認(rèn)知可能正受他們感知的安全機(jī)器人速度的影響，而不受僅僅在初始沖擊時(shí)對(duì)傷害的關(guān)心的影響。表2機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)ANSI/RIA R15.06-199美國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)-機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)包括危險(xiǎn)評(píng)估、方法和機(jī)器人系統(tǒng)安全防護(hù)的指導(dǎo)方針CSA 2434:2003加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相似，小幅調(diào)整ISO 12100國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)局-機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)的安全設(shè)計(jì)的基本概念和一般規(guī)則ISO 10218國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)局-工業(yè)機(jī)器人-安全需求工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用的固有安全設(shè)計(jì)、保護(hù)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(xiǎn)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(jī)器人安全指令1.2 安全的機(jī)器人閑置時(shí)間的感知美國(guó)國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（1986）ANSI R15.06建立了美國(guó)機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，美國(guó)的職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）提供了機(jī)器人安全的指導(dǎo)方針(OSHA 1987)。有機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)可能是危險(xiǎn)的。許多事故發(fā)生是因?yàn)闄C(jī)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(bào)告顯示：如果人們誤解機(jī)械手的工作行程并在機(jī)器人操作過(guò)程中進(jìn)入，人們可能會(huì)被機(jī)械手傷到或殺死。1.3模擬的事故可引進(jìn)模擬事故來(lái)改變這種現(xiàn)象，因?yàn)樾畔⑻幚淼念A(yù)期的轉(zhuǎn)變使這項(xiàng)工作進(jìn)入到認(rèn)知領(lǐng)域(Lehto 和 Papastavrou 1993, Park 1997)。Rahimi和Karwoski (1990)提出再設(shè)計(jì)設(shè)施布局和機(jī)器人程序時(shí)必須要考慮閑置時(shí)間。預(yù)期遭受模擬事故將影響兩個(gè)機(jī)器人進(jìn)入工作行程的等待時(shí)間。如Parsons (1986, 1987)所述，已經(jīng)證明模擬的機(jī)器人事故影響訓(xùn)練后的機(jī)器人的操作者(Karwowski et al.1991)。假設(shè)1在虛擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，預(yù)期遭受模擬的事故和機(jī)器人的大小、速度和類型的因素將顯著地影響等待時(shí)間（即閑置時(shí)間）。1.4機(jī)械手最大工作半徑機(jī)器人的工作行程被定義為機(jī)械手的最大工作半徑或機(jī)器人的不安全區(qū)。根據(jù)Karwowski (1991)，機(jī)械手的最大工作半徑顯著地受如機(jī)器人事故風(fēng)險(xiǎn)、大小、速度和種類這樣因素的影響。本文系采用來(lái)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(jìn)行比較。Wright (1995)發(fā)表真實(shí)世界的距離認(rèn)知通常是實(shí)際距離的87-90%。Lampton et al.(1995)出示了在虛擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境下有低估距離的趨向，但與真實(shí)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(gè)簡(jiǎn)單的虛擬環(huán)境中如何準(zhǔn)確估計(jì)給定的靜態(tài)信號(hào)標(biāo)定的物體的距離（例如，圓柱體），并通過(guò)參照任務(wù)來(lái)進(jìn)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(gè)靜止的或運(yùn)動(dòng)物體之間的距離?；赪itmer 和 Kline (1998)的結(jié)果，在虛擬和現(xiàn)實(shí)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(jì)的誤差比現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的更大。而且，他們發(fā)現(xiàn)物體的大小（例如圓柱體）顯著地影響估計(jì)的距離，但是底板的我努力和圖案卻不影響估計(jì)的距離。假設(shè)2在虛擬和現(xiàn)實(shí)的工業(yè)工作環(huán)境中，感知機(jī)器人工作行程與機(jī)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(yàn)和數(shù)據(jù)橋接Williges和Williges (1989)提出一個(gè)序貫試驗(yàn)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(lái)構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ停蕴接懖煌淖宰兞康挠绊?，并預(yù)測(cè)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(yàn)研究整合結(jié)果的一種統(tǒng)計(jì)法(Han 1991)。如果來(lái)自共同數(shù)據(jù)點(diǎn)沒(méi)有明顯的差別，為了構(gòu)建該模型，這些數(shù)據(jù)被視為來(lái)自同一試驗(yàn)，并被合并到同一個(gè)數(shù)據(jù)集(Snow和Williges 1998)?；谶@些結(jié)果，如果以虛擬試驗(yàn)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(rèn)為能允許虛擬和真實(shí)試驗(yàn)之間的比較。2.方法2.1機(jī)器人試驗(yàn)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(yàn)的被試者對(duì)機(jī)器人編程和操作有基本的了解。試驗(yàn)需要2h。由于他們的參與，付給每個(gè)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(gè)人。2.3試驗(yàn)（機(jī)器人試驗(yàn)）本文研究了兩個(gè)工業(yè)機(jī)器人(Yaskawa MOTOMAN-K10S和SONY SRX-410)。兩個(gè)機(jī)器人都位于香港科技大學(xué)的CAD/CAM實(shí)驗(yàn)室。Yaskawa MOTOMAN-K10S是一種具有六個(gè)自由度的垂直鉸接機(jī)器人并被安裝在地面上。它的控制器是一個(gè)伺服控制系統(tǒng)。機(jī)器人的有效負(fù)載能力是10kg。機(jī)器人的位置重復(fù)精度為0.1mm。機(jī)器人圍繞其基座可旋轉(zhuǎn)320度。機(jī)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(jī)器人。這是有四軸DC伺服電機(jī)控制的緊湊臺(tái)式設(shè)計(jì)。機(jī)器人的工作行程是600mm（第一臂：350mm；第二臂：250mm）。線性運(yùn)動(dòng)的最大速度為（第一臂和第二臂結(jié)合）5200mm/s。機(jī)器人的重量是60kg（132.2lbs）。它的有效負(fù)載能力為5kg（低速）、3kg（中速）和2kg（高速）。機(jī)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(jī)器人。在動(dòng)態(tài)虛擬世界中使用虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言（VRML）來(lái)模擬兩個(gè)機(jī)器人的真實(shí)工作場(chǎng)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(jì)算機(jī)，Java Script 在VRML環(huán)境中提供動(dòng)畫。在VRML環(huán)境中，通過(guò)使用帶有Cosmo播放器插件的一個(gè)因特網(wǎng)瀏覽器的程序（控制面板的按鈕）來(lái)控制（運(yùn)動(dòng)和停止）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閂RML是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的虛擬系統(tǒng)，故計(jì)算機(jī)需要網(wǎng)絡(luò)連接到因特萬(wàn)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(jī)器人。2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)在本研究中，四個(gè)試驗(yàn)?zāi)鼙环殖蓛纱箢悾海?）閑置時(shí)間試驗(yàn)和（2）機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)。每種試驗(yàn)有兩個(gè)部分：一種是是虛擬部分，另一種是真實(shí)部分。為了測(cè)試公共點(diǎn)，需要屬于現(xiàn)實(shí)組的所有參與者執(zhí)行一些虛擬試驗(yàn)以滿足序貫試驗(yàn)的數(shù)據(jù)橋接。對(duì)于真實(shí)組，一半被試者（16個(gè)被試者）在真實(shí)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(gè)模擬的事故被出示給一半的受試者（真實(shí)小組的16個(gè)受試者和虛擬小組的16個(gè)受試者）。2.3.1閑置時(shí)間試驗(yàn)試驗(yàn)是一個(gè)六-因素方差分析混合設(shè)計(jì)（2性別2意外事故2速度2大小機(jī)器人種類2照明水平）。所有的自變量有兩個(gè)層次。受試者之間變量是性別（男性或女性），事故風(fēng)險(xiǎn)（有或無(wú)）。另外四個(gè)與受試者相關(guān)的自變量是機(jī)器人的速度（10cm/s或90cn/s）、機(jī)器人的大小（大或?。C(jī)器人的種類（Sony SRX-410 或Yasakawa MOTOMAN-K10S）和光照條件（亮或暗）。因變量機(jī)器人的感知閑置時(shí)間是受試者感到進(jìn)入工作行程對(duì)他們來(lái)說(shuō)是安全時(shí)間一樣的等待時(shí)間。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)意外停止，這可能是機(jī)器人出現(xiàn)問(wèn)題。機(jī)器人閑置時(shí)間是機(jī)器人停止和受試者決定進(jìn)入機(jī)器人的工作行程之間的時(shí)間(Karwowski 和Pongpatanasuegsa 1990)。2.3.2機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)本試驗(yàn)是考慮一種混合方差分析設(shè)計(jì)的裝置。它具有受試者之間的變量（性別和事故風(fēng)險(xiǎn)）和受試者本身的變量（光照條件、機(jī)器人的速度、機(jī)器人的大小、機(jī)器人的類型和接近角）。所有的因素有兩個(gè)層次。感知的機(jī)器人最大工作半徑能被定義為機(jī)械手相對(duì)于實(shí)際機(jī)器人工作行程的最大工作半徑（Karwowskiet al.1991）。試驗(yàn)者測(cè)量了真實(shí)環(huán)境中從機(jī)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(cè)量系統(tǒng)以立即顯示視點(diǎn)X、Y和Z坐標(biāo)。這些坐標(biāo)有助于試驗(yàn)者計(jì)算出機(jī)器人的精確的停止位置。2.4試驗(yàn)程序在試驗(yàn)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(gè)人資料（例如，受試者的年齡、性別、重量和高度），并保證他們?cè)谠囼?yàn)中自愿誠(chéng)實(shí)地參與。如看到參與者戴著矯正視力的眼鏡時(shí)，這個(gè)參與者存在問(wèn)題，那么在試驗(yàn)中將不允許他們進(jìn)一步參與。也對(duì)每個(gè)受試者身臨其境的趨勢(shì)和個(gè)性進(jìn)行評(píng)估。然后，介紹了關(guān)于試驗(yàn)程序的詳細(xì)說(shuō)明。告知參與者機(jī)器人安全性的工業(yè)指導(dǎo)方針和CAD/CAM實(shí)驗(yàn)室和工作車間中的安全條例。在測(cè)試場(chǎng)景的預(yù)覽部分，參與者觀察虛擬和現(xiàn)實(shí)環(huán)境中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。而且，如果受試者屬于事故風(fēng)險(xiǎn)組，他們將看到模擬的事故。這些受試者能看到具有一個(gè)虛擬的預(yù)先創(chuàng)建的模擬事故場(chǎng)景。在該場(chǎng)景中，一個(gè)虛擬的人被正在旋轉(zhuǎn)的機(jī)器人撞到。圖5出示了虛擬的人體模特被工業(yè)機(jī)器人撞倒后的事故場(chǎng)景。2.5閑置時(shí)間試驗(yàn)2.5.1虛擬現(xiàn)實(shí)中的試驗(yàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以四個(gè)不同的時(shí)間隨機(jī)停頓10次：5s（4次）、10s（3次）、15s（2次）和20s（1次）。對(duì)于每次停頓，指示受試者估計(jì)停頓的閑置時(shí)間。受試者對(duì)三個(gè)選擇的時(shí)間估計(jì)的答案畫圈：大于10s、小于10s或說(shuō)不上來(lái)。然后，受試者被告知下一個(gè)停頓可能是一個(gè)預(yù)定程序的停止或由于系統(tǒng)故障的停止。要求他們進(jìn)入機(jī)器人的工作行程以進(jìn)行診斷檢測(cè)。只要受試者認(rèn)為機(jī)器人將不再運(yùn)動(dòng)，他們就等著。在受試者進(jìn)入機(jī)器人的工作行程之前，他們口頭通知試驗(yàn)者他們的決定。除了測(cè)量機(jī)器人停頓和受試者決定進(jìn)入工作行程之間所用時(shí)間，試驗(yàn)者將切斷機(jī)器人的主電源以保證機(jī)器人不在運(yùn)動(dòng)。然后，允許受試者進(jìn)入機(jī)器人的工作行程。當(dāng)受試者的視角離機(jī)器人更近時(shí)，在虛擬環(huán)境中的受試者能觀察到放置在機(jī)器人基底的兩個(gè)診斷按鈕。試驗(yàn)者指示受試者按下這兩個(gè)按鈕中的一個(gè)。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(yàn)。在虛擬試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，受試者回答額外的問(wèn)題來(lái)測(cè)試他們的現(xiàn)場(chǎng)感覺(jué)。2.5.2真實(shí)環(huán)境中的試驗(yàn)在5min的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)期間，四個(gè)不同時(shí)間間隔內(nèi)隨機(jī)形成10個(gè)停頓。在此之后，試驗(yàn)者指示受試者通過(guò)選擇三個(gè)選擇的一個(gè)來(lái)估計(jì)每次停頓的時(shí)間：大于10s、小于10s或說(shuō)不上來(lái)。然后，受試者被告知下一個(gè)停頓可能是一個(gè)預(yù)定程序的停止或由于系統(tǒng)故障的停止。試驗(yàn)者要求受試者進(jìn)入機(jī)器人的工作行程以進(jìn)行診斷檢測(cè)，并指示只要受試者認(rèn)為機(jī)器人將不再運(yùn)動(dòng)，他們就等著。在受試者真正進(jìn)入機(jī)器人的工作行程之前，他們口頭與試驗(yàn)者交流并通知試驗(yàn)者他們已決定進(jìn)入工作行程。試驗(yàn)者測(cè)量在機(jī)器人停止和受試者決定進(jìn)入機(jī)器人危險(xiǎn)工作區(qū)之間的時(shí)間。試驗(yàn)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(gè)故障或預(yù)定程序的停止。對(duì)每次試驗(yàn)，參與者評(píng)估他們的感知和精神負(fù)擔(dān)，然后再次重復(fù)前面的步驟直到完成所有的試驗(yàn)。2.6機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)2.6.1虛擬現(xiàn)實(shí)中的試驗(yàn)參與者被指示沿著接近機(jī)器人的一個(gè)角度移動(dòng)。然后受試者敲擊控制面板的啟動(dòng)按鈕，受試者的視角接近機(jī)器人直到受試者按下停止按鈕以停止他們的運(yùn)動(dòng)。他們的停止位置是他們認(rèn)為機(jī)械手最大工作半徑。通過(guò)使用內(nèi)部測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)者記錄屏幕左上角所顯示的值。顯示的值是各視點(diǎn)（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(lái)安全屏障后的地方，且對(duì)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(cè)試。然后，試驗(yàn)者改變視點(diǎn)來(lái)觀察其它機(jī)器人。對(duì)其它的接近角和機(jī)器人的速度，重復(fù)本試驗(yàn)直到所有的試驗(yàn)完成。2.6.2在真實(shí)環(huán)境中的試驗(yàn)當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)完成后并停止在一個(gè)特定的位置，為了避免機(jī)器人再次運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)者關(guān)閉了機(jī)器人電源。然后，指示受試者沿著兩個(gè)接近角的一個(gè)向機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，他們認(rèn)為這將是機(jī)械手最大工作半徑。試驗(yàn)者測(cè)量并記錄受試者的停止位置和機(jī)器人工作行程之間的距離。受試者被要求回答每次試驗(yàn)的困難等級(jí)，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(yàn)。3結(jié)果和討論3.1閑置時(shí)間試驗(yàn)3.1.1虛擬部分出示了關(guān)于虛擬試驗(yàn)的閑置時(shí)間數(shù)據(jù)，其符合正態(tài)分布（表3）。對(duì)于在閑置時(shí)間試驗(yàn)中閑置時(shí)間的感知（VR組），方差分析測(cè)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(shí)間的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布（表3）。根據(jù)方差分析測(cè)試的結(jié)果，閑置時(shí)間也分別受機(jī)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(yàn)中閑置時(shí)間的感知也沒(méi)有出現(xiàn)雙因子交互的作用（VR組）。機(jī)器人速度的主要影響表明：快的機(jī)器人速度的閑置時(shí)間的感知比慢的機(jī)器人速度的時(shí)間更長(zhǎng)。這表現(xiàn)出與VR組的結(jié)果相似的現(xiàn)象（閑置時(shí)間試驗(yàn)）。在他們表明決定之前，真實(shí)環(huán)境中的受試者表現(xiàn)出對(duì)Motoman K-10s機(jī)器人等待的時(shí)間比Sony SRX-410機(jī)器人的更長(zhǎng)。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)環(huán)境中機(jī)器人的大小不能被隔離，據(jù)報(bào)道不考慮機(jī)器人大小，本試驗(yàn)中的機(jī)器人類型對(duì)感知閑置時(shí)間有重要的影響。3.2機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)3.2.1虛擬部分表3 KolmogorovSmirnov關(guān)于虛擬和真實(shí)組閑置時(shí)間感知的結(jié)果虛擬組KolmogorovSmirnov測(cè)試的一個(gè)樣本閑置時(shí)間N256正常參數(shù)ab平均值22.3849SD8.9185最為極大值絕對(duì)值0.049偏差正值0.049負(fù)值-0.026KolmogorovSmirnov Z0.784約等于信號(hào) (雙側(cè)的)0.570真實(shí)組閑置時(shí)間N128正常參數(shù)ab平均值24.0889SD7.5296最為極大值絕對(duì)值0.047偏差正值0.047負(fù)值-0.029KolmogorovSmirnov Z0.531約等于信號(hào)(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(duì)機(jī)器人工作行程的感知的影響是顯著的，但性別、事故風(fēng)險(xiǎn)和角度卻不是那么顯著。而且，兩因子交互的影響也不明顯。基于機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)的主要效果圖的結(jié)果（VR組），受試者在低速條件下接近機(jī)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(duì)地面安裝型Motoman K10s機(jī)器人，受試者對(duì)臺(tái)式型的Sony SRX-410機(jī)器人感知更大的工作行程。機(jī)器人大小的主要影響表明大機(jī)器人的感知工作行程明顯比小機(jī)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(jī)器人時(shí)，他們感到更安全。3.2.2現(xiàn)實(shí)部分方差分析的結(jié)果表明：感知的機(jī)械手的最大工作半徑明顯受5%水平的事故風(fēng)險(xiǎn)(F(1,28)=4.388,p=0.045)、機(jī)器人速度(F(1,28)=20.419,p0.001)和機(jī)器人的類型(F(1,28)=302.125,p0.001)的影響。同樣地，在機(jī)器人類型和事故之間的交互影響出示了對(duì)機(jī)器人工作行程的感知距離的顯著影響。對(duì)有模擬的事故組的機(jī)器人工作行程的感知距離比對(duì)沒(méi)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?cè)谡鎸?shí)環(huán)境中的感知距離。對(duì)于事故風(fēng)險(xiǎn)，受試者感到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)是更危險(xiǎn)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)的更快速的速度時(shí)，受試者選擇更高的機(jī)械手最大工作半徑。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度更低時(shí)，受試者感到安全和更舒適。對(duì)MOTOMAN K10S機(jī)器人的機(jī)械手最大工作半徑的感知比對(duì)SONY SRX410機(jī)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(shí)間試驗(yàn)中的真實(shí)組（共同數(shù)據(jù)點(diǎn)：機(jī)器人的速度=10cm/s，機(jī)器人的類型=MOTOMAN K10S，機(jī)器人的大小=大型和輕的條件=輕型）。通過(guò)采用方差分析測(cè)試方法，它表明在感知閑置時(shí)間的虛擬試驗(yàn)中共同的數(shù)據(jù)點(diǎn)(F(1,56)=0.958,p=0.332)時(shí)，在VR和真實(shí)組之間沒(méi)有明顯的差異。因此，在同樣的試驗(yàn)條件下，這些數(shù)據(jù)能被集合成一個(gè)共同的數(shù)據(jù)集。3.3.2比較在機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)中虛擬和真實(shí)組的虛擬部分（共同數(shù)據(jù)點(diǎn)：機(jī)器人的速度=25cm/s，機(jī)器人的類型=MOTOMAN K10S，機(jī)器人的大小=大型和接近角=77.1）。從方差分析測(cè)試的結(jié)果可以看出，在共同數(shù)據(jù)點(diǎn)(F(1,56)=0.159,p=0.691)的感知的機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)的虛擬試驗(yàn)中，虛擬組和真實(shí)組之間沒(méi)有明顯的差異。把這些數(shù)據(jù)結(jié)合成一個(gè)共同數(shù)據(jù)集是合理的。因此，真實(shí)和虛擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可進(jìn)行比較。3.4虛擬與真實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果它能表明：相對(duì)于機(jī)器人的速度，虛擬環(huán)境下安全的閑置時(shí)間的感知稍大于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的安全閑置時(shí)間的感知。而且，在機(jī)器人閑置時(shí)間試驗(yàn)中，在虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的閑置時(shí)間的感知存在一個(gè)相似的趨向。Witmer 和Kline (1998)得出結(jié)論：在虛擬和真實(shí)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(jì)的誤差趨向更大于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的距離估計(jì)誤差。圖7舉例說(shuō)明在機(jī)械手的最大工作半徑試驗(yàn)中，虛擬和真實(shí)試驗(yàn)之間的感知機(jī)械手最大工作半徑存在一個(gè)大的偏差，并且在虛擬試驗(yàn)中，感知機(jī)械手最大工作半徑比真實(shí)試驗(yàn)中的更大。然而，相對(duì)于機(jī)器人的類型，在虛擬和真實(shí)試驗(yàn)之間的機(jī)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(shí)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(cè)試3.5.1假設(shè)1的結(jié)果 在虛擬組中，機(jī)器人的速度和大小顯著影響安全閑置時(shí)間的感知。當(dāng)機(jī)器人以更快的速度（90cm/s）運(yùn)行時(shí)，受試者明顯等待更長(zhǎng)(p0.05)的時(shí)間。如不考慮機(jī)器人的大小(p0.05)，在真實(shí)試驗(yàn)中，機(jī)器人的類型對(duì)感知閑置時(shí)間有顯著的影響。該假設(shè)部分成立（表4）。性別也沒(méi)顯示出對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)的明顯影響。3.5.2假設(shè)2的結(jié)果在虛擬和真實(shí)環(huán)境中，機(jī)械手的最大工作半徑的感知明顯受機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)類型。在低速下，受試者更接近機(jī)器人的工作行程。另外，在虛擬試驗(yàn)中，機(jī)器人的大小對(duì)閑置時(shí)間和機(jī)器人工作行程的感知始終是一個(gè)重要的因素（表5）。有模擬事故組機(jī)器人工作行程的感知距離明顯比沒(méi)有模擬事故組的感知距離要大（表5）。3.6比較我們機(jī)器人試驗(yàn)的結(jié)果與Karwowski的結(jié)果研究在虛擬和真實(shí)環(huán)境下閑置時(shí)間和機(jī)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(shí)上，本研究中我們的機(jī)器人試驗(yàn)的方法模仿了Karwowski的研究方法。在真實(shí)環(huán)境下，Karwowski的研究結(jié)果與我表4閑置時(shí)間試驗(yàn)匯總閑置時(shí)間虛擬真實(shí)機(jī)器人速度顯著的顯著的機(jī)器人大小顯著的不顯著的機(jī)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(xiǎn)不顯著的不顯著的表5機(jī)器人最大工作半徑試驗(yàn)匯總機(jī)械手最大工作半徑虛擬真實(shí)機(jī)器人速度顯著的顯著的機(jī)器人大小顯著的不顯著的機(jī)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(xiǎn)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(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)中真實(shí)試驗(yàn)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(jī)器人速度（25cm/s）下感知機(jī)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(shí)環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。模擬事故組的機(jī)械手最大工作半徑的感知比對(duì)無(wú)事故組的更高。而且，當(dāng)接近角是77.1時(shí)，Karwowski et al.(1991)發(fā)現(xiàn)受試者稍微低估機(jī)械手最大工作半徑，并闖入到機(jī)器人的工作行程中。然而，我們的發(fā)現(xiàn)表明：一般來(lái)說(shuō)，受試者始終高估真實(shí)環(huán)境下機(jī)械手的真實(shí)工作行程?；趦身?xiàng)研究的方差分析測(cè)試，在Karwowski的研究中，機(jī)械手最大工作半徑的感知明顯受機(jī)器人速度、事故風(fēng)險(xiǎn)和接觸角的影響。圖6比較機(jī)器人試驗(yàn)II中真實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果與Karwowski的結(jié)果感知機(jī)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(jí)P50機(jī)器人K10S機(jī)器人意見機(jī)器人的速度25cm/s10.25cm2.05cm在Karwowsk的研究中，機(jī)器人速度(p0.05)、事故風(fēng)險(xiǎn)(p0.001)和接近角(p0.001)顯著影響機(jī)械手最大工作半徑的人的認(rèn)知。在我們的研究中，感知的機(jī)器人工作行程顯著受5%水平的事故風(fēng)險(xiǎn)(F=4.388,p=0.045)和機(jī)器人速度(F=20.419,p0.001)的影響。90cm/s11.57cm18.64cm事故風(fēng)險(xiǎn)有事故21.9cm19.25cm無(wú)事故-0.09cm1.44cm接近角77.1-0.41cm10.34cm感知的機(jī)械手最大工作半徑明顯受事故風(fēng)險(xiǎn)(F(1,28)=4.388, p=0.045)和機(jī)器人速度(F(1,28)=20.419,p0.001)的影響。Karwowski的試驗(yàn)和我們的研究之間的差別被討論如下：（1）Karwowski的試驗(yàn)測(cè)試了六個(gè)接近角。然而，由于布局的限制，在機(jī)械手最大工作半徑試驗(yàn)中，真實(shí)試驗(yàn)只能使用一個(gè)接近角。（2）在Karwowski的研究中，在執(zhí)行試驗(yàn)部分之前，受試者被給一個(gè)15min的預(yù)演部分，但是在我們的研究中，給受試者一個(gè)2min的預(yù)演部分。（3）Karwowski的研究與最大臂展的試驗(yàn)之間的機(jī)器人編程的碼垛系統(tǒng)任務(wù)中的差別。（4）兩個(gè)研究中受試者的知識(shí)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(gè)試驗(yàn)條件重復(fù)兩次，但在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試最大臂展的試驗(yàn)只重復(fù)一次。這些結(jié)果有助于測(cè)量人的感知和實(shí)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(jī)器人作業(yè)在一個(gè)分離的區(qū)域和（2）第二種類型，機(jī)器人作業(yè)更接近人工操作者，替代其被孤立在機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)所。在第二種類型的HRI，工業(yè)機(jī)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(duì)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(yàn)有可能轉(zhuǎn)換到其它更側(cè)重于制造的領(lǐng)域。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院在機(jī)械工程中的控制，儀器儀表和機(jī)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(lái)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(jí)肌肉驅(qū)動(dòng)器，在壓力、能量、密度、效率、反應(yīng)速度和自由度方面超過(guò)生物肌肉。進(jìn)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(jī)交互的認(rèn)知方面將對(duì)設(shè)計(jì)者更好地增強(qiáng)與新的機(jī)器人技術(shù)方面的個(gè)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(jī)器人的大小、速度、類型和事故風(fēng)險(xiǎn)對(duì)人感知機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的危害和危險(xiǎn)、在系統(tǒng)停止和機(jī)器人運(yùn)行出現(xiàn)故障期間的機(jī)器人安全等待時(shí)間和虛擬和真實(shí)工作場(chǎng)所下機(jī)械手的最大工作半徑的影響?；谠囼?yàn)中取得的結(jié)果，可估計(jì)從虛擬到真實(shí)世界的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知的可轉(zhuǎn)換性。虛擬和真實(shí)環(huán)境中分析結(jié)果的比較表明：如時(shí)間這樣的變量可從虛擬轉(zhuǎn)換倒真實(shí)，然而，僅僅在臺(tái)式虛擬的環(huán)境中，感知的距離仍然顯示出顯著的差異。因?yàn)橛?xùn)練可能對(duì)識(shí)別危害和風(fēng)險(xiǎn)有影響(Duffy 2003, Duffyet al. 2004a)，預(yù)期進(jìn)一步測(cè)試的結(jié)果可被用到在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中工業(yè)訓(xùn)練，以降低工作場(chǎng)所中的危險(xiǎn)。企業(yè)可使用VR來(lái)培養(yǎng)工人關(guān)于機(jī)器人的安全知識(shí)。而且，由于發(fā)現(xiàn)事故風(fēng)險(xiǎn)對(duì)安全性的認(rèn)知有重要影響，培訓(xùn)計(jì)劃中可提供事故的例子。通過(guò)VR培訓(xùn)計(jì)劃，工人可獲取關(guān)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人事故的經(jīng)驗(yàn)。也能夠通過(guò)開發(fā)預(yù)測(cè)能力來(lái)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(jì)分析(Duffy et al.2004b)中。未來(lái)的研究中，可分析從機(jī)器人試驗(yàn)收集的其它數(shù)據(jù)，以找出危險(xiǎn)認(rèn)知、機(jī)械手最大工作半徑、閑置時(shí)間和個(gè)性之間的關(guān)系。本研究中，試驗(yàn)通過(guò)學(xué)生群體來(lái)執(zhí)行，該學(xué)生群體基本理解機(jī)器人編程和操作。在將來(lái)的研究中，可通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的工人來(lái)執(zhí)行以概括試驗(yàn)結(jié)果。上世紀(jì)80年代末，機(jī)器人的使用領(lǐng)域擴(kuò)大，機(jī)器人已經(jīng)從工業(yè)類輔助機(jī)器人來(lái)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(jī)器人，服務(wù)機(jī)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(jī)器人作為我們的伙伴和同事，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)安全性的真實(shí)認(rèn)知 (Bartneck et al.2009)。在將來(lái)的研究中，涉及到如機(jī)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(jī)器人的安全性認(rèn)知。致謝本研究部分由來(lái)自HKUST/ CERG6168/98E和HKUST/ CERG6211/99E的研究資助局（RGC）的研究用途補(bǔ)助金（CERG）的資助。因?yàn)镃alvin OR、Vivian LAU和Tracy CHEUNG、Gilbert Leung、Denil Chan、K.C. Tin和Colleen Duffy在整個(gè)軟件開發(fā)和手稿的準(zhǔn)備，作者對(duì)他們表示誠(chéng)摯的感謝。作者還要感謝由國(guó)際交流管理委員會(huì)管理的學(xué)者管理的福布萊特計(jì)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。