[发明专利]一种协作机器人本质安全设计方法

权利要求书

1.一种协作机器人本质安全设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：对协作机器人工作性能分析，依据机器人的作业任务确定机器人的工作性能指标参数值；

步骤二：协作机器人上层设计，依据步骤一确定的工作性能指标参数值对机器人进行优化；

步骤三：对协作机器人进行风险分析，确定安全风险类型和安全性评价指标；

步骤四：进行机器人工作性能与安全性能相关性分析，确定对协作机器人工作性能与安全性能存在耦合影响的指标；通过构建协作机器人工作性能与安全性能耦合矩阵图，确定优化参数为机器人速度及有效质量；

步骤五：建立人机交互撞击模型，并依据人机交互撞击模型绘制基于人体生物力学限制指标危险等级安全表，根据该安全表确定步骤四中存在耦合影响的指标参数范围；

通过建立人机交互撞击模型获得机器人相对速度与机器人有效质量的关系：

上式(9)中，ν_rel为机器人与人碰撞前的相对速度、F_lim为人体生物力学限制指标，m_R为机器人有效质量，m_H为人类撞击部位的有效质量，k为胡克系数，其中F_lim、k、m_H数值根据步骤三中确定的安全风险类型获得，依据上式(9)绘制基于人体生物力学限制指标危险等级安全表，并依据该安全表选择机器人有效质量和速度性能参数范围为机器人有效质量和速度性能在设计区间边界上的组合点；

步骤六：根据步骤五中获得的耦合指标参数范围，在步骤二优化后的协作机器人基础上进安全设计，且设计完成后需通过步骤三中的安全性评价指标进行安全评价。

2.根据权利要求1所述的协作机器人本质安全设计方法，其特征在于：步骤一中，依据机器人作业类型，将机器人分为低负荷、中负荷以及高负荷机器人。

3.根据权利要求1所述的协作机器人本质安全设计方法，其特征在于：步骤二中，先对协作机器人进行构型优化，再对协作机器人进行精度优化。

4.根据权利要求1所述的协作机器人本质安全设计方法，其特征在于：步骤三中，安全风险类型分析包括撞击类型、人员受力类型、人员受伤部位。

5.根据权利要求1所述的协作机器人本质安全设计方法，其特征在于：步骤三中的安全性能评价指标为：

上式(1)中，N为所设计机器人的安全性能参数，N_C为人体生物力学限制参数。

6.根据权利要求1所述的协作机器人本质安全设计方法，其特征在于：人机交互撞击模型建立过程如下：

人机交互撞击时产生的转移能量为：

上式(2)和(3)中，μ为人机碰撞时的两者的有效质量，ν_rel为机器人与人碰撞前的相对速度，C_R为弹性恢复系数， m_R为机器人有效质量，m_H为人类撞击部位的有效质量；

假设机器人与人撞击时为无弹性接触，即C_R＝0，则人机交互撞击时产生的转移能量为：

假设人体的碰撞部位为无阻尼线性弹簧，则线性弹簧所储存的弹性势能为：

上式(5)中，Δx为接触产生的压缩量，k为胡克系数，F为接触产生的冲击力；

假设碰撞产生的转移能量全部以弹性势能的形式储存在线性弹簧中,则：

ΔW＝E (6)；

即

则人机交互过程中相对速度与冲击力之间的关系为：

将式(3)代入式(8)得到相对速度与机器人有效质量的关系为：