Προτυποποίηση μηχανοτρονικών συστημάτων: νέες τάσεις περιλαμβανομένων οικιακών, αγροτικών και ιπτάμενων ρομπότ (UAVs)

Abstract

Robots are far beyond technical apparatuses; they include management of processes and structures that involve organizational and cultural aspects. For that reason there could be viewed as socio-technical systems since their application scenarios depend on close human-robot interaction. Since particular safety standards are in construction and balloting period (Chapter 1) towards domestic, UAVs and agricultural robots, in this thesis, their standards are carried out on the base of system safety engineering, fuzzy inference system and strategic risk assessment.STAMP (Systems-Theoretic Accident Modelling and Processes) which is based on systems thinking encompasses indirect and feedback loops that could absolutely manage the levels of complexity in these mechatronic systems than traditional accident modelling [22] such as system simulation following a risk analysis (such as fault tree analysis (FTA), risk tree, network logic, preliminary hazard, energy barrier, task analysis, subsystem analysis, failure mode and effects analysis) [65]. This new approach is necessary since failures in these high-tech appliances are changing nature and the change of safety to system safety engineering is the response. Many failures that arise from technical, software and computer features result in systemic causal factors and this change requires system approach. STAMP developed by Prof. Nancy Leveson from MIT, is an accident analysis method that considers elements of systems with a holistic approach and as a result it offers a more comprehensive view of accident modelling than it was possible before [1]. Domestic robots could be viewed as a group of single or multiple elements maintained in design equilibrium in terms of adaptive feedback function of actuators, sensors and automation (Chapter 2). Establishing standards for controlling hazards in anthropic environment involves the entire control system and modelling the socio-technical diagram that will enforce the primary constraints in design level. Ineffective control is a consequence of lack of standards or from standards that are not enhanced adequately. The author below applies STAMP on safety requirements of domestic robots [46, 51, 55, 57]. This powerful hazard analysis technique accomplishes the total spectrum management of a system. It goes far beyond covering only component failure, human error and software issues. It includes safety design constraints, management of the system, connection among manufacturer, user and government that results from safety standards, interface from industrial to domestic safety, effect of safety standards on accident/incident investigation. All the aforementioned non-technical aspects of the system could not be ignored. With aim to support the goal of this study, a new accident causation technique based on systems theory is applied involving socio-technical features. Another major recommendation in order to design safety mechatronic systems is to apply STPA (System Theoretic Process Analysis), a hazard analysis technique. The upper goal of STPA is to begin with novel causal factors addressed by STAMP at primary safety analysis including design failures, social and managerial factors that result in accidents [1, 37, 66]. STAMP is applied to create standards for toys-robots, mowing, humanoids, surveillance and domestic robots.Given the prediction that in 2050 agriculture will be doubled due to increasing earth population the noticeable research question that arises is how do we incorporate safety in agricultural robots? Yet, due to the lack of standardization in this domain, the author will review well–established standards such as autonomous farm equipment, cab-less tractors and forestry vehicles. Since these robots have come to reduce skilled labour, input costs and environmental impact, this thesis intend to emphasize the need of standardization and regulation framework that will step–up the successful commercialization of heavy farm machines. The ultimate objective is to establish a strategic safety assessment improving the compliance with standards and taking account the concern of the public trustworthiness in these emerging applications worldwide (Chapter 3). In this dissertation, it is crucial and beneficial to defense a safety strategy and fill the gap of standardization’s efforts and a fuzzy inference system for personal mobile servant robot is thus presented.UAS (Unmanned Aerial Systems) are considered a hot topic operating in dark, fog, and difficult decreased visibility situations. Moreover, this low cost off- the self equipment combines computer vision that is sophisticated for aerial view in confined areas when manned helicopter cannot operate. A diverse array of these appliances includes aeronautical and engineering aspects while some others are capable to access structures using GPS systems. Bridging the gap with this lack of standardization to a certain degree dedicated to drones is like standing in front of the door of future since airworthiness Standards are not available, except for Federal Aviation Administration Modernization and Reform Act of 2012 and Code of Federal Regulations. The objective of this system is to prioritize and quantify risk framework regarding safety constraints via a Fuzzy Inference System (FIS). This contribution is a brief and easily understood overview of drones and fundamental constraints that are being proposed. In fourth part of this dissertation, a defuzzification of safety requirements is following on the base of computer software as MATLAB, since we live in the century of information, with aim to succeed in overall hierarchy of mitigation efforts (Chapter 4).In Chapter 5, statistical elements are presented using questionnaire about how ready are Greek people to accept indoor robotics in their dairy lives and the level of acceptance of human-robot interaction for Greeks.Finally, in Chapter 6, all results of this present thesis are summarized and overall goals that succeeded are presented. To this end, we propose that this thesis could be continued with evaluation and validation of the proposed measures.

Στόχος της παρούσας Διατριβής είναι να γεφυρώσει το χάσμα ανάμεσα στην έρευνα και την προτυποποίηση της ασφάλειας των ρομπότ που αλληλεπιδρούν με τον άνθρωπο στην καθημερινή ζωή. Στρέφεται η προσοχή σε επιμέρους κατηγορίες και στην ταξινόμηση στα οικιακά, τα μη επανδρωμένα ιπτάμενα συστήματα και στα αγροτικά ρομπότ. Γίνεται ανασκόπηση στα ήδη υπάρχοντα πρότυπα και CE κανονισμούς που υφίστανται, ήδη ώστε να ιεραρχηθούν νέες προτάσεις σε πρότυπα. Στη συνέχεια, περιγράφονται εμπορικά διαθέσιμα μοντέλα με ομοιότητες, διαφορές και επικαλύψεις μεταξύ των μοντέλων των κατηγοριών.Στο πλαίσιο αυτό, δίνονται λύσεις που στοχεύουν στη συγκρότηση κατευθυντήριων οδηγιών και απαιτήσεων ασφαλείας στον τομέα σχεδιασμού των ρομπότ με χρήση των μεθόδων STAMP/ STPA (Συστημική Θεώρηση Ανάλυσης Συστημάτων και Διαδικασιών) που εφευρέθηκαν στο ΜΙΤ από την Prof. Nancy Leveson. Η μέθοδος STAMP εφαρμόστηκε, επιτυχώς, στην ιεράρχηση των προτάσεων για τα πρότυπα σε οικιακά ρομπότ, χορτοκοπτικά, δίποδα, ανθρωποειδή και ρομπότ επιτήρησης. Σχεδιάζεται το μοντέλο κοινωνικοτεχνικού ελέγχου, αναλύονται σενάρια ατυχημάτων, προσδιορίζονται οι αιτιατοί παράγοντες και ιεραρχούνται οι περιορισμοί στην ασφάλεια. Αν και η μέθοδος STAMP δεν έχει ακόμα ωριμάσει ή κορεστεί ή, με άλλα λόγια, δεν έχει εξαπλωθεί παγκοσμίως και δεν παρέχει οδηγίες για τη συγκρότηση των μοντέλων και εχέγγυα για το αν δίνει ολοκληρωμένη και εμπεριστατωμένη διαχείριση της επικινδυνότητας, αποτελεί καθοριστικό εργαλείο στη διατριβή αυτή. Η αποτελεσματικότητά της έγκειται στο συνδυασμό διαφορετικών παραγόντων των αλληλεπιδράσεων των στοιχείων που καταλήγουν σε ατυχήματα, των πολύπλοκων ρόλων των ατόμων και των μη γραμμικών σχέσεων ανάμεσα σε δράσεις, λάθη και γεγονότα.Ο στόχος που επιχειρεί να πετύχει η διατριβή αυτή, είναι η εφαρμογή της συστημικής μεθόδου στην ιεράρχηση των απαιτήσεων ασφαλείας των ρομποτικών συστημάτων που αλληλεπιδρούν με τον άνθρωπο σε μη δομημένα περιβάλλοντα, λαμβάνοντας υπόψη τεχνικές παραμέτρους και μη. Απώτερος σκοπός είναι να εξαλειφθούν οι ελαττωματικές διαδικασίες που οδηγούν σε ατυχήματα, να σχεδιαστεί και να ελεγχθεί το ρομποτικό σύστημα. Τα αποτελέσματα της STPA παρουσιάστηκαν με χρήση A-STPA εργαλείου. Το Α-STPA tοοl είναι λογισμικό που ανήκει στους Asim Abdulkhaleq και W. Stefan, Πανεπιστήμιο Στουτγάρδης [87]. Η διατριβή προσδιορίζει την ανάλυση των αιτιών, με την ασφάλεια να θεωρείται αναδυόμενη ιδιότητα του συστήματος, επισημαίνοντας τους κοινωνικοτεχνικούς παράγοντες και σχεδιάζοντας διαγραμματικά σύμβολα για τη μοντελοποίηση του προβλήματος.Ξεχωριστό ενδιαφέρον παρουσιάζει η αποσαφήνιση των απαιτήσεων ασφάλειας σε αυτοκινούμενα ρομπότ-σερβιτόρους και σε μικρά μη επανδρωμένα ρομπότ σταθερών πτερυγίων με χρήση λογισμικού πακέτου simulink του Matlab. Το ασαφές συμπερασματικό σύστημα σχεδιάζεται με πολλούς κανόνες και παραμέτρους που βοηθούν στη λήψη αποφάσεων. Το σύστημα αυτό υπολογίζει τον κίνδυνο ως το γινόμενο της σοβαρότητας επί την πιθανότητα αποφυγής του ατυχήματος επί τη συχνότητα του ατυχήματος.Προτείνεται στρατηγική σε θέματα ασφάλειας όσον αφορά στα ρομπότ που καθαρίζουν παράθυρα και στα προσωπικά ρομπότ, και διαφορετική στρατηγική για τα αγροτικά ρομπότ στη διαχείριση επικινδυνότητας και την ιεράρχηση των στόχων ασφάλειας .Η στρατηγική περιλαμβάνει [138]:•Διαχείριση της επικινδυνότητας για κάθε κίνδυνο βασιζόμενη σε εδραιωμένα πρότυπα σε συναφείς περιοχές όπως το ISO 14121:2007 με ορθές μηχανολογικές πρακτικές βιομηχανικών ρομπότ, ασφάλεια του σπιτιού, ασφάλεια μηχανών, ασφάλεια ηλεκτρολογικού εξοπλισμού και συσκευών, νομικές απαιτήσεις),•αναγνώριση των κινδύνων, από το ρομπότ, από ανθρώπινο λάθος ή κακομεταχείριση και προσδιορισμός του επιπέδου σοβαρότητας των πιθανών τραυματισμών,•τήρηση των απαιτήσεων ασφαλείας,•εξάλειψη των υπολειπόμενων κινδύνων σε επίπεδο ασφάλειας,•μείωση του κινδύνου με επανασχεδιασμό.Τέλος, συνοψίζονται στατιστικά στοιχεία για την αλληλεπίδραση ατόμου-ρομπότ με χρήση ερωτηματολογίου που αφορά στο επίπεδο αποδοχής των ρομπότ οικιακού χώρου από τους Έλληνες.