Designing Optimally Safe Robot Surface Properties for Minimizing the Stress Characteristics of Human-Robot Collisions

Modeling of low severity soft-tissue injury due to unwanted collisions of a robot in collaborative settings is an important aspect to be treated in safe physical Human-Robot Interaction (pHRI). Up to now, safety evaluations for pHRI were mainly conducted by using safety criteria related with impact forces and head accelerations. These indicate severe injury in the robotics context and leave out low severity injury such as contusions and lacerations. However, for the design of an intrinsically safer robot arm, a reliable evaluation of the collision between a human and a robot that is based on skin injury criteria is essential. In this paper, we propose a novel human-robot collision model with and without covering, which is based on the impact stress distribution. The reliability of the proposed collision model is verified by a comparison with various cadaver experiments taken from existing biomechanical literature. Since the stress characteristics acting on the human head can be analyzed with this new collision model, the occurrence of certain soft-tissue injury can be estimated. Furthermore, the method serves for selecting the appropriate covering parameters, as e.g. elastic modulus and thickness, by evaluating the chosen skin injury indices

Simulación por elementos finitos del impacto Humano-Robot

En este Trabajo Fin de Grado (TFG), se pretende analizar la colisión entre un robot y un ser humano. Para ello se desarrollan dos modelos, que representan la dinámica de una zona específica del cuerpo humano (cabeza) y de un robot simplificado. El objetivo principal de este proyecto es caracterizar el impacto (distribución de fuerza, área de contacto, presión, etc), para así poder recomendar parámetros de seguridad en el diseño de un robot que comparta espacio con los seres humanos. Primero se introducen los aspectos más importantes del planteamiento: la motivación, los objetivos principales, así como la estructura y la planificación del proyecto y el presupuesto. Donde se exponen a grandes rasgos las condiciones más importantes sobre las que se desarrolla el conjunto. Después mediante el estado del arte, se estudian las características históricas de los robots, desde sus comienzos hasta nuestros días. Así se situó el contexto sobre el que se realiza este trabajo, asimilando el desarrollo de la robótica en su conjunto. Entonces se caracterizaron las condiciones para realizar dos modelos de estudio: un modelo analítico de contacto con las ecuaciones matemáticas, y un modelo computacional de elementos finitos (EF). Estos se desarrollaron hasta cierto punto, se comparan entre sí para mostrar la validez del computacional, y se prosigue hasta desarrollar por completo el modelo computacional, obteniendo parámetros interesantes de la mecánica de contacto y estudiando la lesión leve que engloba contusiones y laceraciones en la piel. Por último con el modelo computacional explicado y contrastado, se plantean barridos de parámetros que consisten en analizar el modelo cambiando los valores de un parámetro a intervalos regulares para observar su variación en la presión máxima, dado que está relacionada con la magnitud de la lesión. Además, se añade al modelo computacional unas capas que representen a la piel y un recubrimiento de seguridad alrededor del brazo robótico para estudiar sus beneficios.In this Bachelor Thesis, the goal is to analyze the collision between a robot and a human. This is developed in two models, representing the dynamics of a specific area of the human body (head) and a simplified robot. The main objective of this project is to characterize the impact (force distribution, contact area, pressure, etc.), in order to recommend security parameters in the design of a robot that share space with humans. First the most important aspects of the approach are introduced: the motivation, the main objectives, the structure as well as the planning and the budget of the project. This outlines the most important conditions on which all unfolds. After through the state of art, the historic features of the robots are studied, from its beginnings to the present day. So the context on which this work is done stood, taking in the development of robotics as a whole. Conditions were characterized to study two models: an analytical contact model with mathematics equations, and a computational model of finite element (FE). These were developed to some extent, and then compared with each other to show the validity of the computerized, to proceed to fully develop the computational model, obtaining interesting parameters of mechanical contact and studying the slight injury that includes bruises and lacerations on the skin. Finally, with the computational model explained and contrasted, parameter sweeps are posed. These consist in analyzing the model by changing one parameter at regular intervals to observe the variation in the maximum pressure. Also to the computational model, layers representing skin and safety coating around the robotic arm are added and studied its benefits.Ingeniería en Tecnologías Industriale

Diseño, modelado y fabricación de robots blandos

Con el objetivo de mejorar la interacción entre los robots y las personas, se ha desarrollado un actuador robótico blando basado en un sistema de fuelles. El cuerpo principal del actuador está constituido por un material elastómero. El movimiento es realizado por una actuación neumática, al introducir aire a presión en su interior el actuador se enrolla sobre sí mismo. La naturaleza de este movimiento permite que combinando varios actuadores se puedan coger objetos con distintas formas. También es usado para la recuperación de movilidad en los dedos de las manos. Las características más destacables de este actuador es que es capaz de adaptarse a la forma de los objetos y su capacidad para manipular objetos delicados debido a que ejerce una fuerza de alrededor de 1N sobre los objetos con los que contacta. Está pensado para crear una herramienta combinando varios actuadores para permitir el agarre de distintos objetos por un brazo robótico. La aplicación de materiales blandos en robótica no sólo se debe a su capacidad de adaptarse a entornos desconocidos y cambiantes, sino a que permiten una interacción segura entre robots y humanos. En los brazos robóticos los componentes más peligrosos son los extremos de los brazos robóticos debido a que alcanzan una mayor velocidad lineal cuando se produce el movimiento del brazo. Al introducir componentes blandos en los extremos de los brazos robóticos se puede mejorar la seguridad en caso de impacto. En este trabajo se realizó el diseño, modelado y fabricación de distintos prototipos de este actuador blando llamado “PneuNet”. Los objetivos son conocer que características morfológicas deben ser utilizadas en el diseño de estos actuadores y cómo mejorar el proceso de fabricación. El diseño ha sido realizado mediante el paquete de software de diseño asistido por ordenador, SolidWorks. El modelado ha sido realizado mediante el paquete de software de simulación basado en el método de elementos finitos, Abaqus. Los resultados obtenidos a partir del modelado y la fabricación del actuador permiten llegar a diferentes conclusiones sobre cómo mejorar su rendimiento. El moldeado de diferentes tipos de actuador permitió llegar a la conclusión de cómo afectan ciertas propiedades morfológicas al rendimiento del actuador. Una mayor altura de las cámaras, un mayor número de cámaras y un menor espesor de muro hacen que el actuador necesite una menor presión para realizar una actuación completa. En el proceso de fabricación encontramos varios detalles que se deben mejorar. Se requiere una impresora más precisa para lograr que las paredes de las cámaras tengan exactamente 1mm. de espesor. Por lo que debe usarse un espesor de muro de 2mm preferiblemente. Además a pesar de utilizar una cámara de vacío para que las burbujas interiores asciendan a la superficie del molde, se pueden observar burbujas en el cuerpo del actuador. Esto provoca que las paredes tengan puntos más débiles por donde se pueden producir roturas. Las soluciones que se han encontrado a este problema son dos. En primer lugar se debe aumentar la presión de la cámara de vacío. En segundo lugar una vez mezcladas los dos componentes del elastómero se debe verter en el molde e introducir en la cámara de vacío tan rápido cómo sea posible. De esta forma se evita que el elastómero empiece a curarse y se vuelva más denso, lo que provoca que las burbujas no puedan salir a la superficie.In order to improve interaction between robots and people, it has developed a robotic soft actuator based on bellows. The main actuator body is constituted by an elastomeric material. The movement is performed by a pneumatic action, introducing compressed air inside the actuator, it wound on itself. The nature of this movement allows that combining several actuators a tool can pick up objects with different shapes. It is also used for the recovery of mobility in human fingers. The main features of this actuator is that it is able to adapt to the shape of objects and also their ability to handle delicate objects because it exerts a force of about 1N to the objects that contact. It is designed to create a tool combining several actuators to allow grip different objects by a robotic arm. The application of soft materials in robotics is not only its ability to adapt to unknown and changing environments, also they allow for secure interaction between robots and humans. Robotic arms in the most dangerous parts are the ends of the robotic arms due to reaching greater linear velocity when movement of the arm occurs. By introducing soft components at the ends of the robotic arms, safety can improve in case of impact. In this work the design, modeling and manufacturing of different prototypes of the soft actuator called "PneuNet" was held. The objectives are to know the morphological characteristics that should be used in the design of these actuators and to improve the manufacturing process. The design has been performed using the software package Computer-aided design, SolidWorks. The modeling was performed using the simulation software package based on the finite element method, Abaqus. The results obtained from the modeling and fabrication of the actuator allows to reach different conclusions on how to improve their performance. The molding of different types of actuator allowed to conclude how certain morphological affect actuator performance properties. A height greater than the chambers, a greater number of chambers and a lower wall thickness cause the actuator require a lower pressure for a full performance. In the manufacturing process are many details that need improvement. A more precisely printer is required to ensure that the walls of the chambers have exactly 1mm. thick. So a wall thickness of 2 mm should preferably be used. Furthermore despite using a vacuum chamber so that the bubbles flow from the inside to the mold surface, bubbles can be observed in the actuator body. Because of that, the walls have weak points where breakage can occur. The solutions we found to this problem are twofold. First you should increase the pressure of the vacuum chamber. Secondly once mixed the two elastomer components, the mixture should be poured into the mold and introduced into the vacuum chamber as quickly as possible. Thus prevents the elastomer begins to heal and become more dense, causing the bubbles can not rise to the surface.Ingeniería en Tecnologías Industriale