I nte rna t io na l   J o urna l   of   Ro bo t ics   a nd   Aut o m a t io n   ( I J R A)   Vo l. 9 ,   No . 4 ,   Dec em b er   2 0 2 0 ,   pp.   3 0 0 ~ 3 1 0   I SS N:   2089 - 4 8 5 6 ,   DOI :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i jr a . v9 i 4 . p p 3 0 0 - 3 1 0     300       J o ur na l   ho m ep a g e :   h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   A   sim ula te d risk   a ss ess ment of hu ma n - ro bo int eractio n in  the  do mes tic  env iro n ment       T a m a nn a   E   K a o na in 1 ,   M o hd   Aziz i   Abd ul   Ra hm a n 2 ,   M o hd   Hatta   M o ha mm ed   Arif f 3 ,   K uh eli   M o n da l 4   1, 2, 3 Ad v a n c e d   Ve h icle   S y ste m   Re se a rc h   G ro u p ,   Un i v e rsiti   Tek n o l o g i   M a lay sia ,   K u a la   Lu m p u r,   M a lay sia   4 De p a rtme n t   M e c h a n ica l   P re c isio n   En g i n e e rin g ,   M JIIT,   UTM KL,   M a lay sia       Art icle   I nfo     AB S T RAC T     A r ticle   his to r y:   R ec eiv ed   J u n   14 ,   2 0 2 0   R ev is ed   Oct   6 ,   2020   Acc ep ted   Oct   19 ,   2 0 2 0       In   h u m a n - ro b o i n tera c ti o n ,   t h e   u se   o c o ll a b o ra ti v e   ro b o ts  o r   c o b o ts  in   m a n y   in d u stries   is  o m a jo imp o rta n c e   to   re se a rc h e rs  in   h u m a n - ro b o in tera c ti o n   (HRI).  Th e   in tera c ti o n   b e twe e n   h u m a n   ro b o c a rries   se v e ra c h a l len g e s,  th e   g re a tes b e in g   t h e   risk   o f   h u m a n   i n ju r y .   I n   a d d it i o n   t o   re d u c in g   t h e   p ro x imity   b e twe e n   ro b o ts  a n d   h u m a n s,   in c r e a se d   d iffi c u lt y   o h u m a n - ro b o e n c o u n ters   ra ise th e   li k e li h o o d   o f   a c c id e n ts  o n l y .   T h is  p a p e p ro p o se a   v irt u a l   c o ll a b o ra ti v e   ro b o i n   t h e   sim u l a ted   n o n - i n d u strial  wo rk sp a c e .   Th e   sa fe ty   d u ri n g   h u m a n - ro b o in tera c ti o n   u sin g   sim u latio n   so ftwa re   wa i n v e stig a ted   b y   m e a su rin g   th e   risk f o p lan n i n g   a n d   c o n tro l .   re a c ti v e   ro b o t   c o n tro ll e wa fo rm u late d   to   m in imiz e   t h e   risk   d u r in g   h u m a n - r o b o in te ra c ti o n .   G a z e b o   so ftwa re   is  u se d   in   th i a rti c le,  writt e n   in   P y t h o n   lan g u a g e ,   t o   re p li c a te  c o m p lex   e n v iro n m e n ts  th a t   a   ro b o c a n   fa c e .   Th is   p a p e a lso   in v e stig a te d   t h e   ro b o t’s  s p e e d .   I c a n   b e   re d u c e d   b e fo re   a   c o ll is io n   wi th   a   h u m a n   a b o u t o   h a p p e n ,   a n d   it   m i n imiz e d   th e   risk   o f   th e   c o ll i si o n   o re d u c e d   th e   d a m a g e   o th e   ris k .   Afte t h e   su c c e ss fu sim u latio n ,   th is   c a n   b e   a p p l ied   to   th e   re a ro b o in   a   p ra c ti c a d o m e s ti c   e n v ir o n m e n t.   K ey w o r d s :   C o b o ts   Hu m an - r o b o t   in ter ac tio n   R o b o t   o p er atin g   s y s tem   Saf ety     T h is   is   an   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r   th e   CC   BY - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mo h d   Aziz i   Ab d u l   R ah m an ,   Ad v an ce d   Veh icle   Sy s tem   R e s ea r ch   Gr o u p ,   Un iv er s iti   T ek n o lo g i   Ma la y s ia,   J alan   Su ltan   Yah y a   Petr a,   5 4 1 0 0   Ku ala   L u m p u r ,   Ma lay s ia.   E m ail:   az izi. k l@ u tm . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   r o b o tic  s y s tem   is   s o f twar e - en h an cin g   d ev ice  co n s is tin g   o f   co m p lex   an d   u n p r ed icta b le  s ettin g   with   d is tr ib u ted ,   h eter o g e n eo u s   s o f twar co m p o n en ts .   T h p r im ar y   in d u s tr ial  r o b o s af et y   s tan d ar d   in   No r th   Am er ica  is   th A N S I /RI A   1 5 . 0 6   S ta n d a r d   fo r   I n d u s tr i al   R o b o ts   and   R o b o t   S ystems S a fety   R eq u ir eme n ts   [ 1 ,   2] .   T h is   s tan d ar d   is   ex p licitl y   wr itten   f o r   in d u s tr ial  r o b o ts   an d   d o es  n o ap p ly   to   a u to n o m o u s   o r   s er v ice   r o b o ts .   T h er e f o r e,   th s af ety   o f   h u m an - r o b o in ter ac tio n   is   af f ec ted   b y   is o latin g   th r o b o f r o m   h u m a n s   [ 3 5 ] I n   ef f ec t,  t h er is   n o   i n ter ac tio n .   As  r o b o tic   ap p licatio n s   t r an s itio n   f r o m   is o lated ,   s tr u ctu r ed ,   in d u s tr ial  e n v ir o n m en ts   t o   i n ter ac tiv e,   u n s tr u ctu r ed ,   h u m an   wo r k s p ac es,  th is   ap p r o ac h   is   n o   lo n g er   ten a b le  [ 3 ,   6 ] .   Ho wev er ,   in   u n s tr u ctu r e d   en v ir o n m en ts   s u ch   as  d o m esti ar ea s ,   m ec h an ical  d esig n   a lo n is   n o ad eq u ate  to   en s u r s af an d   h u m an - f r ien d ly   i n ter ac tio n .   A d d itio n al  s af ety   m ea s u r es,  u tili zin g   s y s tem   co n tr o an d   p lan n in g ,   ar n ec ess ar y .   T o   en s u r s ec u r e   in ter ac tio n ,   th r o b o m u s t b ab le  t o   ass ess   th lev el  o f   d a n g er   in   its   cu r r e n en v ir o n m e n an d   ac to   m in im ize   th at  d an g er .   Saf ety   ca n   f u r th e r   b e   en h an ce d   if   t h r o b o t   ca n   a n ticip ate  p o ten tial  h az ar d s   in   ad v an ce   an d   p la n   to   av o id   th o s h az ar d s .   T h is   s tu d y   f o cu s es   o n   co llab o r ativ r o b o ts   o r   co b o ts   s af ety   th at  h as   b ee n   m ain l y   lim ited   to   wo r k p lace   en v ir o n m en ts .   Ho wev er ,   co b o ts   s till   n ee d   to   u n d er g o   s af ety   ass ess m en t s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4 8 5 6       A   s imu la ted   r is k   a s s es s men t   of   h u ma n - r o b o t   in tera ctio n   in   th e   d o mestic   en viro n men t   ( Ta m a n n a   E   K a o n a i n )   301   b ef o r e   im p lem en tatio n   in   r e al  en v ir o n m en t.   T h is   ca n   b e   a ch iev ed   b y   u s in g   s en s o r s   an d   r ed u cin g   th e   r o b o t’ s   m o tio n   s p ee d   i n   its   tr ajec to r y   d u r in g   h u m a n - r o b o t in te r ac tio n .   T h o b jectiv es o f   th e   r esear ch   ar e :     to   d esig n   an d   d ev el o p   th e   s af e ty   co n f ig u r atio n   of   an   ar m   r o b o t   in   th e   s im u lated   n o n - i n d u s tr ial   wo r k s p ac e ,     to   in v esti g ate   an d   e v alu ate   th e   in ter ac tio n s   b etwe en   co b o ts   a n d   h u m an s   in   d o m esti c   en v ir o n m en ts .   T h e   s ig n if icatio n s   of   th e   r esear ch   ar e   th at   a   h u m an   m o n ito r in g   s y s tem   f o r   esti m atin g   th e   p o s itio n   a n d   o r ien tatio n   of   th e   h u m a n   p ar t icip an t   an d   f o r   esti m atin g   th e   h u m a n   a f f ec tiv e   s tate   d u r i n g   HR I .   T h e   h u m an   m o n ito r in g   in f o r m atio n   is   th en   in c o r p o r ated   in to   th e   p lan n i n g   an d   co n tr o l   s y s tem   an d   also   t h e   im p lem en tatio n   an d   test in g   of   an   ex em p lar   HR I   s y s tem .   T h is   p ap er   is   o r g a n ized   with   a   s ec tio n   of   th e   r esear ch   b ac k g r o u n d   a n d   th e   p r o b lem s   d i s cu s s ed   in   Sectio n   1.   In   Sectio n   2,   a   b r ief   liter atu r e   r e v iew   on   t h e   r elat ed   wo r k s   is   illu s tr ated .   T h e   s y s tem   d esig n   of   th e   m o d el   a n d   an aly s is   of   th e   p r o p o s ed   m o d el   ar e   d is cu s s ed   in   Sectio n   3.   T h e   in itial   r esu lt s   wer e   an aly ze d   in   Sectio n   4.   T h e   p ap er   is   co n clu d ed   in   Sectio n   5.       2.   RE L AT E D   WO RK S   T h e   r esear c h   wo r k s   on   a   co ll ab o r atio n   of   HR I   th at   is   in cr e asin g   g r a d u ally   in   t h is   ad v a n ce d   wo r l d .   Ad d in g   th e   s af ety   f ac to r   an d   t h e   d an g er   lev el   d u r i n g   HR I   h av e   b ec o m e   th e   ce n tr e   of   th e   attr ac tio n   am o n g   all   r esear ch er s .   Still ,   th er e   is   v er y   little   f o cu s   on   HR I   in   th e   in d o o r   e n v ir o n m en t.   In   f ac t,   th e   s y s tem ic   an aly s es   of   HR I   in   th e   d o m esti c   en v ir o n m en t   ar e   n o t   y et   co n d u cte d .   In   r ea lity ,   th er e   is   a   lack   of   a war en ess   of   th e   r ea l   th r ea ts   an d   th e   s ec u r ity   p r io r iti es   in v o lv ed   d u r in g   HR I .   L iter atu r e   o v er v iews   on   th is   cr itical   is s u e   ar e   d escr ib ed   b r ie f ly   b elo w.     L er a   et   a l.   [ 7 ]   d ev elo p e d   a   tax o n o m y   class if y in g   cy b er - s ec u r ity   th r ea ts   tar g eted   at   t h e   p r o t ec tio n   an d   s ec u r ity   of   s er v ice   r o b o ts .   T h e   p r o p o s ed   tax o n o m y   d if f er e n tiates   th e   r is k s   ac co r d in g   to   th e   ty p e   of   u s er   f o r   s af ety   th r ea ts .   T h e   esti m ated   r is k s   f o r   each   u s er   f o r m   s h all   be   d ef in e d   by   th e   p h y s ical   i m p ac t   lev el   an d   th e   s o u r ce   of   th e   r is k .   On ly   u n d er   th e   r o b o t   f ea tu r e   a n d   f o r m   of   s en s o r   f itted   with   th e   r o b o t,   s ec u r ity   th r ea ts   ar e   ca teg o r ized .   B o n ac i   et   a l.   [ 8 ]   ad d r ess ed   s ec u r ity   r is k s   f o r   th e   R av en   I I ,   an   ad v an c ed   s u r g ical   d ev ice,   teleo p er ated   s u r g ical   r o b o t.   T h e   au th o r s   d em o n s tr ated   th at   in tr u d er s   c o u ld   co n tr o l   a   wid e   r an g e   of   r o b o t   f u n ctio n s   m alicio u s ly   by   p er f o r m in g   i n ter r u p tio n s   an d   m an ip u latio n   attac k s   a g ain s t   th e   wir eless   co m m u n icatio n   co n n ec tio n   b etwe en   th e   s u r g eo n   an d   th e   r o b o t.   T h e   attac k s   a r e   b ased   on   th e   m id d le   m an   m o d el   an d   h av e   e f f ec tiv ely   af f ec ted   th e   p r o tectio n   a n d   u s ab ilit y   of   th e   o p er atin g   r o b o t,   w h ich   m ay   r esu lt   in   leg al   b r ea c h es   an d   p r iv ac y .   O lawo y in   [ 9 ]   r esear ch ed   s af ety   an d   a u to m atio n   in   a   c o llab o r a tiv e   r o b o t   n etwo r k   in   th e   wo r k in g   en v ir o n m e n t   a n d   co n clu d e d   th at   p er f o r m an c e   n ee d s   to   be   im p r o v e d   to   av o id   s af ety   co n s tr ain ts   in   au to m atio n   an d   r o b o tics - r e lated   is s u es.   Do m b r o wsk i   et   a l.   [ 1 0 ]   em p h asized   s p ec if ic   s ig n if ican ce   in   th e   au to m ated   f ac t o r y   s y s tem s   to   p r ep ar h u m a n - r o b o t   co o p er at io n   ( HR C ) .   W eits ch at   an d   As ch em an n   [ 1 1 ]   h av e   d ev elo p e d   a   n ew   a p p r o ac h   t h at   s till   m ee ts   th e   in ter n atio n al   s af ety   s tan d ar d s   of   co llab o r ativ e   r o b o tics   f o r   r o b o t   p er f o r m an ce   en h an ce m en ts .   T h e   attac k s   a r e   b ased   on   a   m an - in - th e - m i d d le   p ar a d ig m .   T h ey   h av e   ef f ec tiv ely   im p ac ted   th e   s u r g i ca l   r o b o t' s   p r o tectio n   an d   u s ab ilit y ,   wh ich   co u ld   p o ten tially   lead   to   v io latio n s   of   law   an d   p r iv ac y .   L o u k as   et   a l.   [ 1 2 ]   ar g u ed   th at   th e   r estricte d   r u le - b ased   or   lig h tweig h t   m ac h in e   lear n in g   tech n iq u es   u s ed   in   cy b er - p h y s ical   v eh icle   in tr u s io n   d etec tio n   co u ld   be   r ep lace d   by   more   s o p h is ticated   me th o d s   u s in g   clo u d   co m p u ta tio n al   o f f lo ad in g .   T h e   im p r o v ed   co m p u tin g   p o wer   is   u s ed   to   in tr o d u ce   an   in - d ep th   m u ltil ay er   p er ce p tio n   a n d   r ec u r r en t   n eu r al   n etwo r k   a r ch itectu r e   th at   r ec ei v es   th e   c y b er - p h y s ical   d ata   co llected   in   th e   r o b o tic   v e h icle   in   r ea l - tim e   a n d   an aly ze s   it   f o r   i n tr u s io n   d etec tio n .   B atso n   et   a l.   [ 1 3 ]   ca r r ied   out   a   s tu d y   to   id en tify   r i s k s   an d   wea k n ess es   in   th e   u n m an n e d   tactica l   au to n o m o u s   co n tr o l   an d   co m m u n icatio n   f r a m ewo r k   f o r   th e   s y s tem .   J o n es   an d   S tr au b   [ 1 4 ]   im p lem en ted   a   t wo - s tag e   in tr u s io n   d etec tio n   s y s tem   in   au to n o m o u s   r o b o ts   f o r   d etec tin g   n etwo r k   in tr u s io n s   an d   m alwa r e.   T h e   au th o r s   u s ed   a   d ee p   n eu r al   n etwo r k   a n d   tau g h t   it   to   d etec t   co m m an d s   th at   d ev iate   f r o m   p lan n e d   b eh a v io r .   Vu o n g   et   a l.   [ 1 5 ]   h av s u g g ested   two   s ep ar ate  m eth o d s   f o r   id e n tify in g   r o b o tic  v eh icle  attac k s .   T h e   f ir s t   ap p r o ac h   was   b ased   on   th e   u s e   of   d ec is io n   tr ee s ,   an d   th e   s ec o n d   was   b ased   on   th e   u s e   of   p r o f o u n d   lear n i n g .   Dem ir   an d   Du r d u   [ 1 6 ]   d em o n s tr ated   h o w   h u m a n   an d   r o b o t   in ter ac tio n   c o u ld   be   m o n ito r   in   an   in d o o r   p lace .   T h e   o b jectiv e   of   th eir   p r o p o s al   was   th e   h u m an - r o b o t   r elatio n s h ip s   d e f in e   th e   m o d els   of   p eo p le' s   r o b o t   in ter ac t io n   ex p ec tatio n s   to   d ir ec t   r o b o t   d esig n   an d   alg o r i th m ic   cr ea tio n ,   wh ich   will   m ak e   th e   in ter ac tio n   b etwe en   p eo p le   an d   r o b o tics   more   n atu r al   an d   ef f ec tiv e.     Ku m ar   et   a l.   [ 1 7 ]   p r o p o s ed   t h e   o p tim u m   m o v em e n t   co n tr o l   an d   tr ajec to r y   p la n n in g   ap p r o ac h   to   v ar io u s   r o b o t   f r ee d o m s   with   s o f t   ap p licatio n s   co m p u tin g   tec h n iq u es   an d   c o m p a r ativ e   an al y s is   also   ev alu ated   an d   s h o w ed   d if f er en t   d e g r ee s   of   r o b o tic   ar m   f r ee d o m   to   co m p en s ate   f o r   s u ch   u n ce r t ain ties   r o b o tic   ar m   m o v em en t   an d   ten s io n   b ef o r e   tim e   s ettlin g ,   o p tim izatio n ,   th e   ar m   m o tio n   of   t h e   r o b o t ,   i.e .   its   k i n em atics   b eh av io r .   Sh en awy   et   a l.   [ 1 8 ]   ex p lo r ed   m u lti   r o b o tics   team wo r k   d u r i n g   th e   ex p l o r atio n   p h ase   an d   co m p ar e d   an d   ev alu ated   th e   s u cc ess   of   v ar io u s   m u lti - r o b o t   ex p l o r ati o n   p o licies   f o r   d if f er en t   en v ir o n m en ts   an d   team   s izes.   In   co m b in ato r ial   m eth o d ,   th e   au th o r   [ 1 9 ]   a n aly ze d   s ev er al   tech n iq u es   of   r e p r esen tat io n   of   th e   s p ac e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n J   R o b   &   A u to m Vo l.   9 ,   N o .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 0   :    3 0 0     310   302   u s in g   p r e v io u s   r esear c h   an d   it s   f in d in g s   with   v ar io u s   p ar am eter s ,   s u ch   as   o p tim ality ,   co m p leten ess ,   s tab ilit y ,   m em o r y   u tili za tio n ,   ef f ec tiv e   tim e   an d   co m p u ter   tim e   etc.   T h e   p r o g r am m in g   by   d em o n s tr atio n   s y s tem   was   p r esen ted   by   Am ar   et   a l.   [ 2 0 ]   on   a   tr ajec to r y   lev el   to   r ep r o d u ce   h a n d /to o l   m o v e m en t   with   a   r o b o t   m an ip u lato r ,   wh ich   was   ac h ie v ed   with   th e   Ar T o o lk it,   tr ac k in g   u s er   m o v em en t   a n d   th e   tr ajec to r ies   with   th e   lim ited   cu b ic   s p in e   r ewo r k ed .   Attam im i   et   a l.   [ 2 1 ]   p r o v id e d   in   a   f r ee   p lay   s ce n ar io   a   w ay   to   esti m ate   th e   co n ce n tr atio n   of   an   i n f an t,   o n e   of   th e   m o s t   cr itical   m e n tal   s tates.   I n ter ac tio n   b etwe en   ch il d   an d   r o b o t   ( C R I ) .   First,   th ey   d ev elo p ed   a   s y s tem   to   f ee l   th e   v er b al   an d   no - v er b al   m u ltimo d al   s ig n al   of   a   c h ild ,   in clu d in g   g az e,   f ac ial   ex p r ess io n   an d   p r o x im ity ,   to   m ak e   a   ca r ef u l   esti m ate   in   th is   CRI   s ce n ar io .   In   o r d er   to   d eter m in e   an   in d iv id u al   atten tio n   lev el,   th e   o b s er v ed   in f o r m atio n   was   th en   u s ed   to   tr ain   a   m o d el   b ased   on   a   v ec to r   s u p p o r t   m ec h an is m   ( SVM) .   So m e   d r a wb ac k s   of   th e   p r ev io u s   r esear ch er   can   be   d is cu s s ed   b r ief ly   b elo w .     I n d u s tr ial   r o b o tic   s y s tem s :   r o b o ts   ar e   m o s tly   ca g ed   an d   is o lated   f r o m   h u m a n s   in   a   s af ety   g u ar d   en v ir o n m en t.     Un s tr u ctu r ed   en v ir o n m e n ts   ( d o m esti c   ar ea ) :   Me ch an ical   d esig n   alo n e   is   not   ad eq u ate   to   en s u r e   s af e   an d   h u m an - f r ien d l y   in ter ac tio n .     Saf ety   m ea s u r es,   u tili zin g   s y s tem   co n tr o l   a n d   p lan n in g ,   ar e   n ec ess ar y .     Saf e   in ter ac tio n :   a   r o b o t   m u s t   ass es s   th e   lev el   of   d an g er   in   its   cu r r en t   en v ir o n m en t,   a n d   a ct   to   m in im ize   th at   d an g er .   T h u s ,   th is   h as   m o tiv ated   th i s   r esear ch   s tu d y   to   p r o p o s e   a   s af ety   h u m an - c o b o t   co llab o r atio n   m eth o d   by   im p lem en tin g   th e   alg o r ith m   u s in g   a   Gaz eb o   s im u lato r   in   R OS.       3.   RE S E ARCH   M E T H O D   A   m eth o d o lo g y   f o r   s o f twar e   d ev elo p m en t   is   a   f r a m ewo r k   u s ed   to   o r g a n ize,   s ch ed u le,   an d   m o n ito r   a   s y s tem ' s   s o f twar e   d ev elo p m en t   p r o ce s s .   T h is   in v o lv es   p r e d ef in in g   u n iq u e   d eliv er ab les   an d   o b jects   th at   a   p r o ject   team   is   d ev elo p in g   an d   co m p letin g   to   cr e ate   or   m an ag e   an   ap p licatio n   [ 2 2 ] .   W h ile   s u cc ess f u l   tech n iq u es   f o r   th e   p r o d u ctio n   of   s af ety - cr itical   s o f twar e   ar e   well   es tab lis h ed   in   th e   av i o n ics   in d u s tr y ,   f o r   ex am p le,   t h ese   tech n iq u es   ar e   ty p ically   d esig n ed   f o r   p r o j ec ts   with   a   lo n g   tim e   s ca le   an d   h i g h   le v el   of   p er s o n n el.   T h is   m a y   be   u n s u itab le   f o r   u s e   in   th e   f ield   of   g r o u n d b r ea k in g   r o b o tic s   r esear ch   with o u t   ad ap tatio n ,   wh er e   tim escale   is   s h o r ter   an d   h u m an   r eso u r ce s   an d   f in an cial   ex p en d itu r e   u s u ally   m u ch   lo wer   [ 2 3 ] .   T y p ically ,   one   h as   to   d e al   with   a   wid e   r a n g e   of   s en s o r s   an d   ac tu ato r s   with   v a r y in g   ab ilit y   lev els   in   th e   r o b o tics   d o m ain .   Ad d in g   to   t h is   d if f icu lty   of   m ak in g   h eter o g en eo u s   h ar d war e   s y s tem s ,   r o b o ts   h av e   lim ited   r eso u r ce s   to   d ea l   with   o p en - en d ed   en v ir o n m en ts   [ 2 4 ] .   In   o th er   ar ea s ,   th er e   is   a   g r o win g   n ee d   to   tailo r   v alid ated   s o f twar e   en g in ee r in g   ap p r o ac h es   to   th e   r o b o tics   r eq u ir em en ts .   In   t h is   d ir ec tio n ,   a   m eth o d o lo g y   is   r eq u ir ed   th at   d o es   n o t   co n s tr ai n   an y   p ar ticu lar   ar c h itectu r e.     3 . 1 .   Sy s t em   o v er v iew   Fig u r e   1   s h o ws  th s y s tem   o v er v iew  o f   h u m a n - r o b o in ter ac tio n .   T h u s er   is s u es  co m m an d   to   s tar th co n tact  with   th r o b o t.   T h co m m a n d   tr an s lato r   c o n v e r ts   th in s tr u ctio n   in   th n atu r al  lan g u ag e   in to   a   s er ies  o f   tar g et  p o s itio n s   an d   ac ts   ( XYZ   p lan e) .   T h is   h u m a n - r o b o in ter ac tio n   m o d el  ca n   b d iv id ed   i n to   a   g lo b al  co n tr o ller   an d   lo ca co n tr o ller .   T h g lo b al  co n tr o l ler   s eg m en b eg in s   d esig n in g   g eo m etr ic  co u r s e   f o r   th r o b o o v er   lar g task   s eg m en ts .   Seg m en en d p o in ts   a r s p ec if ied   b y   th lo ca tio n s   wh er th r o b o will  s to p   an d   p er f o r m   m an eu v er   f o r   g r ip   o r   r elea s e.   Fo r   ex am p le,   it  d ef in e s   o n p at h   s eg m e n f r o m   th r o b o t' s   in itial  lo ca tio n   to   th e   o b ject  t o   b p ick ed   u p .   T h l o ca p l an n er   g en er ates  th tr ajec to r y   alo n g   t h g lo b ally   p lan n ed   p ath   b ased   o n   in f o r m atio n   o b tain ed   i n   r ea l - tim d u r in g   th ex ec u tio n   o f   th m is s i o n .   At  ev er y   c o n tr o l   p o in t,  th e   lo ca p la n n er   p r o d u ce s   th co n tr o s ig n al  r e q u ir e d .   Sin ce   th l o ca p lan n er   m a k es  u s o f   r ea l - tim e   in f o r m atio n ,   th tr ajec to r y   is   p r o d u ce d   in   s h o r s eg m en ts .   T h u s er   is   tr ac k ed   d u r in g   th in ter ac tio n   to   d eter m in th u s er ' s   ap p r o v al  l ev el  f o r   c o b o b eh av i o r .   T h e   lo ca l   c o n tr o ller   s eg m en t   u s es   th is   in f o r m atio n   to   m o d if y   th e   r o b o t' s   v elo city   alo n g   th e   ex p ec ted   p ath .   At - co n tr o l   p h ase,   th e   s a f ety   co n tr o l   m o d u le   ass ess es   th e   s af ety   of   t h e   p la n   cr ea te d   by   th e   t r ajec to r y   p lan n er .   If   an   e n v ir o n m en tal   ch an g e   is   i d en tifie d ,   wh ich   t h r ea ten s   th e   s af ety   of   th e   in te r ac tio n ,   a   d ev iatio n   f r o m   th e   p lan n e d   p ath   is   tr ig g er ed   by   t h e   s ec u r ity   co n tr o l   m o d u le.   T h e   d ev iatio n   wo u ld   p u s h   th e   co b o t   to   a   more   s ec u r e   s p o t.   C o n cu r r en tly ,   a   re - ev alu atio n   of   th e   p r o g r am   will   be   co n d u cted   by   th e   r eh ab ilit atio n   ev alu ato r   an d   re - p lan n in g ,   if   n ec ess ar y .     3 . 2 .   Sa f et y   s t a t e   dia g ra m   Fig u r e   2   illu s tr ates   th e   s tep s   or   p r o ce s s   of   s af ety   d u r in g   HR I .   In   o r d er   to   lo ca te   th e   s af est   co n f ig u r atio n ,   t h e   ar m   r o b o t   n ee d s   to   m o n ito r   a n d   go   th r o u g h   all   th e   p r o ce s s es   an d ,   in   th e   en d ,   re - p la n   h is   n ex t   s tep .   If   th e   ar m   r o b o t   n o t   in   ac tio n   its   ch ec k s   th e   d a n g er   lev el.   If   th e   d an g er   lev e l   is   g r ea ter   th an   th e   th r esh o ld ,   th e n   it   is   ac tiv atin g   its   ac tio n .   Af ter   th e   co b o t   f ig u r es   out   th e   d a n g er   le v el,   it   r ed u ce s   h is   s p ee d   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4 8 5 6       A   s imu la ted   r is k   a s s es s men t   of   h u ma n - r o b o t   in tera ctio n   in   th e   d o mestic   en viro n men t   ( Ta m a n n a   E   K a o n a i n )   303   s lo ws   d o wn ,   an d   if   th er e   is   no   v el o cit y ,   th e n   th e   co b o t   re - p lan   a n d   wait   up   to   r ec eiv e   a   n ew   p lan .   T h e   alg o r ith m   of   th e   m et h o d   of   th i s   r esear ch   is   as   f o llo ws   an d   illu s tr ated   in   Fig u r e   3 .     Step   1:   I n itializatio n   I n itially ,   th e   ar m   r o b o t   s ea r ch   f o r   an y   o b s tacle s ,   if   it   ca n n o t   f in d   an y   o b s tacle s   it   h as   gone   f o r war d .     Step   2:   R ec o g n itio n   If   it   f in d s   a n y   b a r r ier   t h en   it   c an   an aly s e   wh ich   k in d   of   b ar r ier   is   it,   if   it   is   non - h u m an ,   it   is   m o v in g   b ac k war d .     Step   3:   C o m p u tatio n   W h en   it   is   h u m an ,   it   r e d u ce s   its   s p ee d   an d   ch ec k s   th e   r is k   f ac to r   of   its   in ter ac tio n .       Step   4:   R ec o n ciliatio n   T h e   r o b o t   r ed u ce s   its   s p ee d   an d   s to p s   f o r   a   wh ile   wh e n   th e   in ter ac tio n   is   not   s af e,   but   if   th e   in ter ac tio n   is   s af e,   th en   it   g o es   on.       Step   5:   C o m p letio n   At   th e   en d   of   th e   d ay ,   th is   alg o r ith m   test s   th e   s tu d y   tar g et,   if   th e   alg o r ith m   d o es   not   ac h ie v e   th e   g o al,   but   if   it   ac h iev es   th e   g o al,   th e   alg o r ith m   will   go   s m o o th ly .           Fig u r e   1.   Sy s tem   o v er v iew   f o r   HR I           Fig u r e   2.   State   d iag r am   of   s af ety   f o r   h u m a n   an d   r o b o t   in ter a ctio n     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n J   R o b   &   A u to m Vo l.   9 ,   N o .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 0   :    3 0 0     310   304       Fig u r e   3.   T h e   alg o r ith m   of   th e   p r o p o s ed   s im u latio n   p r o ce s s       4.   P AT H   P L ANN I NG   AND   A NALYS I S   Saf ety   p ath   p lan n i n g   is   v ital  co m p o n e n o f   s tab le  p o licy   o v er all  f o r   h u m a n - r o b o in ter ac tio n .   B y   h av in g   s af ety   cr iter ia   at  th p lan n in g   le v el,   th e   r o b o ca n   b b etter   r esp o n d   to   u n ex p ec te d   s af ety   in ci d en ts .   Plan n in g   is   u s ed   to   im p r o v co n tr o o u tco m es  b y   u s in g   s m o o th   r o u te   d esig n   [ 2 5 ,   2 6 ]   t o   e n h an c e   m o n ito r in g .   s im ilar   s tr ateg y   is   ad o p ted   to   r ep licate  th o u tco m [ 2 7 ,   2 8 ] .   Nev er th ele s s ,   th p o ten tial  r is k   cr iter ia  ar d e f in ed   an d   ev al u ated   u s in g   th p r o p o s ed   m eth o d   o f   m o tio n   p lan n in g   [ 2 9 ,   3 0 ] .   I n   d e cid in g   h az ar d s ,   th at  cr iter ia  ex p licitly   co n s id er   th in er tia  m an ip u l ato r   o f   th u s er   an d   th m ass   ce n ter .   two - s tag p lan n in g   s tr ateg y   is   in ten d ed   t o   r eso lv p o ten tial  co n f lictin g   p lan n in g   cr iter ia.   T h p r o p o s ed   p lan   is   test ed   in   s im u latio n   to   co m p ar th p ar am eter s   an d   s h o t h eir   o u t p u t in   r ea l - tim s ce n ar i o .     4 . 1 .   Appro a ch   T h is   r esear ch   was   ap p lied   to   s p ac e   p lan n in g   f o r   th e   co b o t   m o v em en t.   By   ch o o s in g   s af er   co n f ig u r atio n s   at   th e   p lan n i n g   lev el,   p o s s ib le   h az a r d s   can   be   av o id e d .   Fig u r e   4   illu s tr ates   HR I   in   a   d i f f er en t   p o s itio n   in   a   s im u lated   en v i r o n m en t,   an d   th e   c o m p u tatio n al   lo ad   f o r   h az ar d   r esp o n s e   d u r in g   r ea l - tim e   m o n ito r in g   can   be   r ed u ce d .   T h e   co b o t   h as   th e   s am e   en d - ef f ec to r   lo ca tio n   in   b o th   p an els.   Saf p r ep a r atio n   is   an   ess en tial  p ar o f   th Secu r ity   Stra teg y .   Fo r   ex am p le,   if   th e   p ath   to   f o llo w   is   d esig n ed   u s in g   g e n er al  p at h   p lan n i n g   p r o ce s s ,   th r o b o will  s p en d   m o s o f   its   co n f i g u r atio n s   with   h ig h   in er tia.   W h en   th c o n s u m er   u n ex p ec ted ly   m o v es  clo s er   to   t h r o b o t,  th e   p o s s ib le  im p a ct  f o r ce   o f   th co llis io n   wo u ld   b e   m u c h   h i g h er   t h an   if   th r o b o h a d   b ee n   in   lo w   in er tia  s ettin g ,   r eg a r d less   o f   th e   r ea l - tim co n tr o ller   u s ed   to   d ea l w ith   p o ten tial im p ac t in cid en ts .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4 8 5 6       A   s imu la ted   r is k   a s s es s men t   of   h u ma n - r o b o t   in tera ctio n   in   th e   d o mestic   en viro n men t   ( Ta m a n n a   E   K a o n a i n )   305   Fig u r e   5   illu s tr ates   th e   s im u latio n   of   an   ar m   r o b o t   w h ich   ca lls   as   an   ag en t,   an d   Fig u r e   6   d is p lay s   all   th e   jo in ts   of   an   ar m   r o b o t.   T h e   ar m   r o b o t   h as   s p ec if ied ,   r ewa r d ed   f r o m   th e   f i g u r e   d ep en d i n g   on   th e   en v ir o n m en t,   an d   th e   ag e n t   tak es   th e   r eq u ir ed   ac tio n   an d   d i s cu s s es   b r ief ly   b elo w.   Her e,   th e   en v ir o n m en t   is   wh er e   th e   two   ar m   jo in ts   ar e   in   s p ac e.   T h e   r ewa r d   is   th e   n eg ativ e   of   th e   f in g e r   to   g o al   d if f er en ce .   T h e   ac tio n s   co n s is t   of   a   s p ec if ic   m o v em en t   u p war d s   or   d o wn war d s   on   one   of   th e   two   jo in ts .   State   f o r ce   lifts   th e   cu p ,   h o ld s   a   cu p ,   lo wer   cu p   u s ed   f o r   d ef en s e   ac tiv atio n .               Fig u r e   4 .   A   s im u lated   HR I             Fig u r e   5 .   Simu lated   a r m   r o b o t     Fig u r e   6 .   J o in ts   of   ar m   r o b o t       4 . 2 .   K inem a t ics   m o del   f o r   t he   s ev en‐ DO F   of   an   a rm   r o bo t   T h e   k in e m atics   m o d el   f o r   th e   7 DOF   co n s is ts   of   s ev e n   d eg r ee s   of   f r ee d o m   of   an   a r m   r o b o t   in     Fig u r e   7   an d   th e   s ch em atic   d i ag r am   s h o wn   in   Fig u r e   8 .   T h e   s ev en - DOF   m o d els   an d   ea c h   jo in t   ar e   r o tatin g .   T h e   b lo ck   d ia g r am   of   a   s ev en - d eg r ee   r ea l   DOF   m o d el   is   p r esen ted   in   Fig u r e   7 .   C o o r d in ate   f r a m es   ar e   ass ig n ed   f o r   th is   7 DOF   ( Fra m e   0   to   Fra m e   7 ) .   1   a n d   an y   jo in t   ax is   p er p en d icu lar   to   th e   p lan e   is   o r ien te d .   Fra m e   0   is   s et   to   b ase   an d   alig n s   with   f r am e   1,   wh er e   th e   in itial   jo in ts   of   ±1   ar e   0   an d   f r am e   E   is   th e   en d   ef f ec to r   f r am e.   Fra m e   0   is   th e   r ef er en ce   f r a m e.   T a b le   1   s h o ws   th e   co r r esp o n d in g   lin k   p ar am eter s   f o r   th e     7 - DOF   ar m .   E ac h   k n o wn   h o m o g en o u s   tr an s f o r m atio n   De n av it Har ten b e r g   m atr i x   1   [ 3 1 ,   3 2 ]   can   be   d er iv ed   f r o m   th e   tr an s f o r m atio n   m atr ix   of   th e   7 - DOF   ar m   m o d el.   Ob tain in g   th e   p lace   v ec to r   th r o u g h   th e   f o r war d   k in em atics   will   not   be   h ar d .       T ab le   1.   L in k   p ar a m eter s   of   th e   7 d o f   m o d el   F r a me   Li n k   i 1   a i 1   d i   q i   q m i n   q m a x   0 1         0   d 1   q 1   2 7 0     2 7 0   1 2       9 0     0   0   q 2   1 1 0     1 1 0   2 3       9 0     0   d 3   q 3   1 8 0     1 8 0   3 4       9 0     0   0   q 4   1 1 0     1 1 0   4 5       9 0     0   d 5   q 5   1 8 0     1 8 0   5 6       9 0     0   0   q 6   9 0     90   6 7       9 0     0   0   q 7   2 7 0     2 7 0   7   En d       0   d 7   0         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n J   R o b   &   A u to m Vo l.   9 ,   N o .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 0   :    3 0 0     310   306       Fig u r e   7.   T h e   k in e m atics   m o d el   of   s ev en DOF   of   an   ar m   r o b o t       Fig u r e   8.   Sch em atic   d iag r am   of   s ev en DOF   of   an   ar m   r o b o t         4 . 2 . 1 .   I nv er s e   K inem a t ics   A   wid esp r ea d   r ev er s e   of   J ac o b ian   m atr ix ,   p s eu d o in v er s e     =   ( ) 1   is   wid ely   u s ed   f o r   a   r o b o t   an d   its   d r awb ac k   is   th at   th e   p s eu d o in v er s e   o f te n   lead s   th e   r o b o t   in to   s in g u la r ities   [ 3 3 ] .   A n o th er   g e n er alize d   r ev er s e   is   th e   in er tia−w eig h te d   p s eu d o i n v er s e     = 1 ( 1 ) 1   a   s o r t   of   s o lv ed   m o tio n   r ate   co n tr o l   tech n iq u e   p r o p o s ed   in   wo r k   [ 3 4 ] ,   wh ich   is   u s ed   to   m in im ize   en er g y   by   u s in g   th e   in er tia   m atr ix   as   th e   weig h tin g   m atr ix .   T h is   will   m ea s u r e   wh at   each   jo in t   v ar ia b le   will   be   if   we   wan t   th e   h a n d   to   be   p lace d   at   a   p ar ticu lar   p o in t   a n d   h av e   a   s p ec if ic   lo ca tio n .   T h e   e n d   ef f ec t o r s   lo ca tio n   an d   o r ien tatio n   r elativ e   to   th e   b ase   f r am e,   m ea s u r e   all   p o s s ib le   jo in t   an g le   s ets   an d   lin k   g eo m et r ies   to   u s e   Ac h iev e   a   g i v en   e n d   ef f ec t o r   p o s itio n   an d   o r ie n tatio n   [ 3 5 ,   3 6 ] .   T h e   in v er s e   k in em atics   s o lu tio n   f o r   th e   clo s ed lo o p   d escr ib es   h er e.   Su p p o s e   a   task   s p ac e   tr ajec to r y   ( ( ) , ( ) )   ̇ is   g iv en ,   an d   th e   o b jectiv e   is   to   f in d   a   f ea s ib le   j o in t   s p ac e   tr ajec to r y   ( ( ) , ( ) ) ̇   th at   r ep r o d u ce s   th e   tr ajec to r y   g iv e n .   T h e   d if f er en tial   k in em atics   eq u atio n   estab lis h es   a   lin ea r   m ap p i n g   b etwe en   c o m m o n   s p ac e   v elo cities   an d   task   s p ac e   v elo cities,   in   ter m s   of   eith er   th e   g eo m etr ic   or   th e   an aly tic al   J ac o b ian   an d   can   be   u s ed   to   s o lv e   jo in t   v elo cities   u s in g   k in em atic   e q u atio n .   T h en   th e   e q u atio n   f o r   d if f er en tial   k in em atics   tak es   th e   f o r m   as   f o llo ws:       ̇ = ( ) ̇   ( 1 )     T h e   s im p le   r e v er s e   s o lu tio n   to   ( 1 )   can   be   o b tain e d   by   u s in g   th e   p s eu d o in v er s e     of   t h e   m atr ix   J   d u e   to   th e   n o n s q u a r e   J ac o b ian   m atr ix   f o r   s ev en DOF   m o d el   a n d   t   an d   th e   r ev er s e   s o lu tio n   can   be   wr itten   as   f o llo ws :     ̇ = ( ) ̇   ( 2 )     wh er th e   p s eu d o in v er s   ca n   b e   co m p u ted   as    =   ( ) 1   Fo r   a   k i n em atics  s ev en DOF  m o d el,   n o n em p ty   n u ll  s p ac e   ex is ts   d u to   th e   ex ce s s   o f   in p u s p ac e   r elativ e   to   s p ac e   > ,   wh ich   is   av ailab le  to   s et  u p   s y s tem atic  p r o ce d u r es f o r   e f f ec tiv h an d lin g   o f   DOFs   [ 37 38 ] .   T h n u ll  s p ac is   s et  o f   ta s k   s p ac s p ee d s   th at  g en er at n u ll  jo i n s p ac s p ee d s   in   t h cu r r en t   co n f ig u r atio n   o f   th e   r o b o t,  a n d   th ese  task   s p ee d s   ar e   p ar t   o f   th e   o r th o g o n al  c o m p lem e n to   th e   v ia b le  task   s p ac s p ee d .   A   c o m m o n   m eth o d   of   in clu d in g   th e   n u ll   s p ac e   in   a   s o lu tio n   is   th e   f o r m u latio n   in   [ h ] ,   ̇ =   ̇ + (   ) ,   wh er e   z R n .   T h e   f ir s t   ter m   is   a   p ar ticu lar   s o lu tio n   to   th e   i n v er s e   p r o b lem   ̇ = ̇   ,   an d   th e   s ec o n d   ter m   r ep r esen ts   th e   h o m o g e n e o u s   s o lu tio n   to   th e   p r o b lem   ̇ = 0 .   T h u s ,   th e   g en er al   in v e r s e   s o lu tio n   can   be   wr itten   as :     ̇ = ( ) ̇ + ( ( ) ( ) ) 0 ̇   ( 3 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4 8 5 6       A   s imu la ted   r is k   a s s es s men t   of   h u ma n - r o b o t   in tera ctio n   in   th e   d o mestic   en viro n men t   ( Ta m a n n a   E   K a o n a i n )   307   wh er e   th e   m atr ix   ( ( ) ( ) )   is   a   p r o jecto r   of   th e   j o in t   v ec to r   0 ̇   o n to   N ( J) .   Sin ce   n u m er ical   in te g r atio n ,   o p en - lo o p   s o lu tio n s   with   jo in t   v ar iab les   ev en tu ally   lead   to   s o lu tio n s   th at   d r if t   an d   th en   wo r k p lace   m is tak es   to   s o lv e   th ese   d is ad v an tag es.     4 . 2 . 2 .   F o rwa rd   k inem a t ics     T h e   f o r war d   k i n em atic   asp ec t   is   th at,   to g eth er   with   all   th e   in f o r m atio n   on   jo in ts   of   th e   ar ticu lated   m o d el,   ce r tain   p ar ts   of   th e   m o d el   ar e   co m p u te d   at   a   s p ec if ic   tim e   f r o m   th e   p o s itio n   an d   o r ien tatio n   of   th e   o b ject.   T h e   p o s itio n   of   th e   th u m b   en d   will   be   d eter m in e d   f r o m   th e   an g le   of   th e   s h o u l d er ,   elb o w,   wr is t,   p alm ,   an d   k n u ck le   jo i n ts ,   if   th o b j ec to   b an im ate d   is   an   ar m   with   th s h o u ld er   r em ain in g   o n   f i x ed   p o s itio n .   T h r ee   of   th ese   jo i n ts th e   s h o u ld er ,   wr is t,   a n d   b ase   of   th e   t h u m b ar e   f r ee   to   a   g r ea ter   th an   one   d e g r ee .   T h e   p o s itio n   of   th e   s h o u ld e r   wo u l d   also   be   d eter m i n ed   f r o m   a n o th er   m o d el   ch a r ac ter is tics ,   if   th e   m o d el   was   a   h u m an   b ein g   in   its   en tire ty   [ 3 9 ,   4 0 ] .   T h e   f o r war d   k in e m atics   s o lu tio n   is   g iv en   b elo w   [ 4 1 ] .     = 1 ( ( 5 + 7 6 ) 3 4 + 7 ( 4 5 3 + 3 5 ) 6 ) + 1 ( 2 ( 3 + 4 ( 5 + 7 6 ) 7 5 4 6 ) + 2 ( 3 ( 5 + 7 6 ) 4 + 7 ( 3 4 5 3 5 ) 6 ) ) ;     = 1 ( ( 5 + 7 6 ) 3 4 + 7 ( 4 5 3 + 3 5 ) 6 ) + 1 ( 2 ( 3 + 4 ( 5 + 7 6 ) 7 5 4 6 )       + 2 ( 3 ( 5 + 7 6 ) 4 + 7 ( 3 4 5 3 5 ) 6 ) ) ;     = 1 + 7 2 3 5 6 3 2 ( ( 5 + 7 6 ) 4 + 7 4 5 6 ) + 2 ( 3 + 4 ( 5 + 7 6 ) 7 5 4 6 )     4 . 3 .   Sim ula t io n   a s s ess m ent   A   s im u latio n   en v ir o n m e n t   wa s   d ev elo p ed   to   e v alu ate   v ar io u s   co b o t   ar ch itectu r es   f o r   t h e   p lan n in g   alg o r ith m s .   T h e   co b o ts   ar e   m o d eled   in   a   d o m esti c   ar ea   by   s im u lated   o n lin e   s o f twar e.   Fig u r e   9   s h o ws   th e   ex p ec ted   m o v e m en t   of   a   3 - lin k   p lan ar   r o b o t   u s in g   th e   b asic   alg o r ith m ,   with   th e   s u m - b ased   h az ar d   cr iter io n .   T h e   co b o t   aim s   to   r ed u ce   th e   s p ee d   af ter   d etec tin g   th e   le v el   of   d an g er   d u r in g   th e   i n ter ac tio n .   T h e   s am e   f u n ctio n   is   s h o wn   as   ex p ec te d   by   th e   h az a r d   cr iter ia   b ased   on   th e   co m m o d ity   in   Fig u r e   10   wh en   th e   h u m an   is   in   a   b ac k war d   p o s itio n .   I n   b o th   ca s es,  o n ly   tar g et   an d   h az a r d   cr iter io n   co s f u n ctio n s   ar u s ed   to   e x p lain   th e   ef f ec t o f   th e   h az ar d   cr iter io n .   Fig u r es   9   an d   10   d em o n s tr ate   th e   d if f er en ce s   b etwe en   th e   two   v er s io n s   of   th e   h az ar d   cr it er io n .   T h e   s u m - b ased   h az ar d   cr iter io n   m ea n s   th at   th e   h az ar d - i n f lu en ci n g   v ar iab les   s h o u ld   be   v iewe d   s ep ar ately   wh en   d eter m in in g   h az ar d   r ates.   On e   b en ef it   of   th e   s u m - b ased   cr ite r io n   is   th at   th e   d ef in itio n   is   s im ilar   an d   d is tan ce - b ased   to   o t h er   q u ad r atic   c o s t   f u n ctio n s   c o m m o n ly   u s ed   in   th e   p o ten tial   f ield   m et h o d.   In   t h is   p r o p o s ed   ap p r o ac h ,   th e   co b o t   is   u n ab le   to   lo ca te   an   o b s tacle .   It   s h o u ld   d eter m in e   wh at   k in d   of   h u r d le   if   it   is   h u m a n ,   th e   r o b o t   can   l o wer   its   s p ee d   an d   p o wer ,   with o u t   co m p licati o n s ,   th e   r is k   f ac to r   of   its   co n tact.   Ho wev er ,   th e   d an g er   of   th is   in ter ac tio n   b ei n g   p u s h ed   a h ea d   an d   f o r   th e   s af est   way   f o r   n eig h b o r i n g   a r ea s   it   s h o u ld   f o llo w   th is   s tep s :   1 )   test in g   th e   s af et y   of   th e   in ter ac tio n   can   be   m i n im ized   by   an y   h ar m ,   2 )   lo wer s   its   s p ee d   3 )   s to p s   s o m ewh at   af ter war d ,   but   if   it   is   s af e,   it   g o es   ah ea d .   T h is   alg o r ith m   u ltima tely   ch ec k s   th r esear ch   p u r p o s e.   s am p le  o f   t h p s eu d o co d is   g iv en   i n   Fig u r e   1 1 .   I n   a   p r o g r am m in g   la n g u a g e,   p s eu d o co d is   u s ed   to   lo g   th e   alg o r ith m ,   b u t   it  is   in ten d ed   f o r   h u m a n   r ea d in g   r ath e r   th a n   m ac h i n r ea d in g .   T h e   f o llo w in g   p s eu d o co d e   alg o r ith m   is   d em o n s tr ated   in   Fig u r e   1 1 .   I n   th g az eb o   s im u lato r ,   th ar m   r o b o in s tallatio n   is   id en tifie d .   T h e   Gaz eb o   s im u lato r   h as  s ev er al  lib r ar y   f u n ctio n s   th at  ar u s ed   f o r   m o u n tin g   th ar m   r o b o . T h er ar s o m g az eb o   s af ety   p ar am eter s   a cc o m p an ied   b y   th a r m   r o b o t.               Fig u r e   9 .   Simu lated   HR I   f r o n t   v iew   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4 8 5 6   I n J   R o b   &   A u to m Vo l.   9 ,   N o .   4 ,   Dec em b er   2 0 2 0   :    3 0 0     310   308           Fig u r e   10 .   Simu lated   HR I   b ac k war d   v iew           Fig u r e   11 .   Py th o n - s ty le  p s eu d o co d e       5.   CO NCLU SI O N     Dete r m in atio n   can   be   th e   f ir s t   s tep   to war d s   s tu d y   o u tco m es   b ef o r e   an y   r ea l - wo r ld   im p le m en tatio n .   No w,   with o u t   co n s id er i n g   th e   ac tu al   en v ir o n m en tal   im p lem en tatio n ,   it   can   be   f in ally   f o c u s ed   on   g e n er atin g ,   p r o p a g atin g ,   a n d   u s in g   s en s o r   v alu es   an d   co r r esp o n d i n g   a ctu ato r   ev e n ts .   To   ac h iev e   th e   o b jectiv e   of   th is   r esear ch   s tu d y ,   a   s y s tem atic   m eth o d   will   be   estab lis h ed   to   en s u r e   s af ety   in   a   d o m esti c   en v ir o n m en t   d u r in g   HR I ,   b ased   on   an   e x p licit   q u an tific atio n   of   th e   le v el   of   d an g er   in   in ter ac tio n   u s in g   R OS   b ased   g az eb o   s im u lato r .   A   f r am ewo r k   will   be   d ev elo p ed   f o r   ev alu atin g   r is k   lev els   at   b o th   th e   p r ep ar atio n   an d   c o n tr o l   s tag es.   T h e   ass es s m en t   tr ajec t o r y   f itn ess   will   be   ap p lied   to   a cc o m p lis h   th e   d esire d   task   of   m o v in g   to wa r d   th e   tar g et   with   a   lik elih o o d   of   co ll is io n   with   th e   p er s o n .   T h e   n o v el   ap p r o ac h   will   be   in v esti g ated   in to   co m p o n e n ts   of   th e   p h y s ical   f r am ewo r k   in c o r p o r ate d   an d   ch ec k e d   d u r in g   r ea l - tim e   HR I   on   a   r o b o t   p latf o r m   an d   ev alu ated .       ACK NO WL E DG E M E NT S     T h wo r k   p r esen ted   in   th is   p ap er   is   f u n d ed   b y   th Min is tr y   o f   Hig h er   E d u ca tio n ,   Ma l ay s ia,   an d   Un iv er s iti T ek n o lo g i M ala y s ia    u n d e r   r esear ch   g r an t N o .   0 9 G2 2 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n J   R o b   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4 8 5 6       A   s imu la ted   r is k   a s s es s men t   of   h u ma n - r o b o t   in tera ctio n   in   th e   d o mestic   en viro n men t   ( Ta m a n n a   E   K a o n a i n )   309   RE F E R E NC E S     [1 ]   P.   I.   C o rk e ,   S a fe ty   of   a d v a n c e d   ro b o ts   in   h u m a n   e n v ir o n m e n t s.   A   d isc u ss io n   p a p e r   fo r   IARP, ”  In ter n a ti o n a l   Ad v a n c e d   Ro b o t ics   Pro g r a mm e ,   1 9 9 9 .   [2 ]   C.   W.   Lee ,   et   al . ,   Re p o rt   on   t h e   F irst   IART/IE EE - RAS   Jo in t   Wo rk s h o p :   Tec h n ica l   C h a ll e n g e   fo r   De p e n d a b le   Ro b o ts   in   Hu m a n   E n v ir o n m e n ts, ”  IART/IE EE - RAS ,   2 0 0 1 .   [3 ]   S o n y   Ori o ,   On li n e :   h tt p :/ /www . so n v . n e t/ S o n v In f o /QRIO/tec h n o lo g v /i n d e x 5 . h tml.   [4 ]   C.   Ha rp e r   a n d   G.   Virk ,   To w a rd s   th e   De v e lo p m e n t   of   I n tern a ti o n a l   S a fe ty   S tan d a rd s   fo r   Hu m a n   Ro b o t   In tera c ti o n , ”  I n ter n a ti o n a l   J o u r n a l   of   S o c i a l   R o b o ti c s ,   v o l .   2,   n o .   3,   pp.   2 2 9 2 3 4 ,   2 0 1 0 .   [5 ]   Ame ric a n   Na t io n a l   S t a n d a r d   f o r   In d u stria l   Ro b o ts   a n d   Ro b o t   S y st e ms   -   S a fety   Req u ire me n ts ,   RIA/ AN S I   R1 5 . 0 6 ,   Am e rica n   Na ti o n a l   S tan d a rd s   In st it u te ,   Ne w   Yo r k ,   1 9 9 9 .   [6 ]   Y.   Ya m a d a ,   et   al .,   Hu m a n - ro b o t   c o n tac t   in   th e   sa fe g u a r d in g   sp a c e , ”  IEE E/ AS M E   T ra n sa c ti o n s   on   M e c h a tro n ics ,   v o l.   2,   n o .   4,   pp.   2 3 0 - 2 3 6 ,   1 9 9 7 .   [7 ]   F.   J.   R.   Lera ,   et   al . ,   Cy b e rse c u rit y   of   Ro b o ti c s   a n d   Au t o n o m o u s   S y ste m s:   P riv a c y   a n d   S a fe ty , ”  R o b o ti c s   -   L e g a l ,   Et h ica l   a n d   S o c i o e c o n o mic   Imp a c ts ,   2 0 1 7 .   [8 ]   T.   B o n a c i,   et   al . ,   To   M a k e   a   Ro b o t   S e c u re :   An   Ex p e rime n t a l   An a ly sis   of   Cy b e r   S e c u r it y   Th re a ts   Ag a in st   Tele o p e ra ted   S u rg ica l   R o b o ts, ”  a rXiv   p re p r in t   a rXiv :1 5 0 4 . 0 4 3 3 9 ,   2 0 1 5 .   [9 ]   R.   Ola wo y i n ,   S a fe t y   a n d   Au t o m a ti o n   of   C o ll a b o ra ti v e   Ro b o t   S y ste m   in   W o rk   En v ir o n m e n t, ”  Ro b o t ics   &   Au to m a ti o n   E n g in e e rin g   J o u r n a l ,   v o l .   3,   n o .   3,   2 0 1 8 ,   d o i : 1 0 . 1 9 0 8 0 / RAEJ.2 0 1 8 . 0 3 . 5 5 5 6 1 3 .   [1 0 ]   U.   Do m b ro ws k i,   T.   S tefa n a k ,   a n d   A.   Re ime r,   S imu lati o n   of   h u m a n - ro b o t   c o ll a b o ra ti o n   by   m e a n s   of   p o we r   a n d   fo rc e   li m it in g , ”  Pro c e d i a   M a n u f a c tu rin g ,   v o l.   1 7 ,   p p .   1 3 4 1 4 1 ,   2 0 1 8 .   [1 1 ]   R.   Weitsc h a t   a n d   H.   As c h e m a n n ,   S a fe   a n d   Eff icie n t   Hu m a n Ro b o t   Co ll a b o ra ti o n   P a rt   II :   Op ti m a l   G e n e ra li z e d   Hu m a n - in - t h e - Lo o p   Re a l - Ti m e   M o ti o n   G e n e ra ti o n , ”  IEE E   Ro b o ti c s   a n d   Au t o ma t io n   L e tt e rs ,   v o l.   3,   n o .   4,   pp.   3 7 8 1 - 3 7 8 8 ,   2 0 1 8 .   [1 2 ]   G.   Lo u k a s,   et   al .,   Clo u d - Ba se d   Cy b e r - P h y sic a l   I n tru si o n   De tec t io n   f o r   Ve h icle s   Us in g   De e p   Le a rn in g , ”  IEE E   Acc e ss ,   v o l.   6,   pp.   3 4 9 1 - 3 5 0 8 ,   2 0 1 8 .   [1 3 ]   V.   Ba tso n ,   T.   Lo u is ,   D.   R.   Wi m m e r   Jr,   Un m a n n e d   Tac ti c a l   Au to n o m o u s   C o n tr o l   a n d   Co l lab o ra t io n   T h re a t   a n d   Vu ln e ra b il i ty   As se ss m e n t, ”  P h D   Th e sis,   Na v a l   P o stg ra d u a te   S c h o o l,   M o n tere y ,   Ca li f o rn ia,   2 0 1 5 .   [1 4 ]   A.   Jo n e s   a n d   J.   S trau b ,   Us in g   d e e p   lea rn in g   to   d e tec t   n e two rk   in tru si o n s   a n d   m a lwa re   in   a u to n o m o u s   ro b o ts, ”  Cy b e r   S e n sin g   2 0 1 7 ,   2 0 1 7 .   [1 5 ]   T.   Vu o n g ,   Cy b e r - p h y sic a l   In tr u s io n   De tec ti o n   f o r   Ro b o ti c   Ve h icle s, ”  P h D   T h e sis,   Un i v e rsity   of   G re e n wic h ,   2 0 1 7 .   [1 6 ]   S.   De m ir   a n d   A.   Du rd u ,   Hu m a n   Ro b o t   In tera c ti o n   in   I n d o o r , ”  In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   of   En g in e e ri n g   S c ien c e   a n d   Co mp u t in g ,   v o l .   9,   n o .   6,   pp.   2 2 9 6 3 2 2 9 6 6 ,   2 0 1 9 .   [1 7 ]   S .   Ku m a r,   K .   Ra n i ,   a n d   V.   K.   Ba n g a ,   Ro b o ti c   Arm   M o v e m e n t   Op t imiz a ti o n   Us i n g   S o ft   C o m p u ti n g , ”  IA E S   In ter n a t io n a l   J o u rn a l   of   R o b o ti c s   and   A u t o ma ti o n   (IJ RA ) ,   v o l.   6,   n o .   1,   p p .   1 - 1 4 ,   2 0 1 7 ,   doi :   1 0 . 1 1 5 9 1 /i jra.v 6 i 1 . p p 1 - 14.   [1 8 ]   A .   El   S h e n a wy ,   K .   M o h a m e d ,   a n d   H .   M.   Ha rb ,   Ex p lo ra ti o n   S tr a teg ies   of   Co o rd i n a ted   M u lt i - R o b o t   S y ste m :   A   Co m p a ra ti v e   S tu d y , ”  IAE S   In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   of   R o b o ti c s   a n d   A u to ma ti o n   (IJ RA ) ,   v o l.   7,   n o .   1 ,   p p .   48 - 58 ,   2 0 1 8 ,   doi :   1 0 . 1 1 5 9 1 / ij ra . v 7 i1 . p p 4 8 - 5 8 .   [1 9 ]   S .   K .   De b n a th ,   R .   Om a r,   a n d   N .   B .   Ab d u l   Lati p ,   Co m p a riso n   of   d iffere n t   c o n fi g u ra ti o n   sp a c e   re p r e se n tatio n s   f o r   p a th   p la n n i n g   u n d e r   c o m b in a t o ri a l   m e th o d , ”  In d o n e sia n   J o u rn a l   of   El e c trica l   En g i n e e rin g   a n d   C o mp u ter   S c ien c e ,   v o l.   1 4 ,   no.   1,   2 0 1 9 ,   pp.   1 - 8,   d o i:   1 0 . 1 1 5 9 1 /i jee c s.v 1 4 . i 1 . p p 1 - 8.   [2 0 ]   R .   H .   El h a c h e m i   Am a r,   et   al . ,   Traje c to ry   re c o n stru c ti o n   f o r   ro b o t   p ro g ra m m in g   by   d e m o n stra ti o n , ”  In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   of   E lec trica l   a n d   Co mp u ter   E n g i n e e rin g   (IJ ECE ) ,   v o l.   1 0 ,   n o .   3,   p p .   3 0 6 6 - 3 0 7 3 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 /i jec e . v 1 0 i 3 . p p 3 0 6 6 - 3 0 7 3   [2 1 ]   M.   Attam imi   a n d   T.   Om o ri,   T h e   stu d y   of   a tt e n ti o n   e stim a ti o n   f o r   c h il d - ro b o t   i n tera c ti o n   sc e n a ri o s, ”  Bu ll e ti n   of   El e c trica l   En g in e e rin g   a n d   In f o r ma ti c s   (BE EI) ,   v o l.   9,   no.   3,   p p .   1 2 2 0 1 2 2 8 ,   2 0 2 0 ,   d o i :   1 0 . 1 1 5 9 1 /e e i. v 9 i 3 . 2 0 3 5 .   [2 2 ]   S e lec ti n g   a   d e v e l o p m e n t   a p p ro a c h ,   Web   Article ,   F e b .   2 0 0 5 .   [O n li n e ].   A v a il a b le:   h tt p s:/ /www . c m s.g o v /res e a rc h - sta ti stics - d a ta - a n d - sy ste m s/c m sin fo rm a ti o n - tec h n o l o g y / x lc/d o wn l o a d s/se lec ti n g d e v e l o p m e n tap p ro a c h . p d f   [2 3 ]   P.   Va rley ,   Tec h n iq u e s   fo r   d e v e lo p m e n t   of   sa fe ty - re late d   so ftwa re   fo r   su r g ica l   ro b o ts , ”  IEE E   T r a n sa c ti o n s   on   In fo rm a t io n   T e c h n o l o g y   in   Bi o me d icin e ,   v o l .   3,   n o .   4,   p p .   2 6 1 - 2 6 7 ,   1 9 9 9 .   [2 4 ]   C.   S c h leg e l ,   et   al . ,   Ro b o ti c   so f t wa re   sy ste m s:   F ro m   c o d e - d riv e n   to   m o d e l - d riv e n   d e sig n s, ”  in   2 0 0 9   In ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   on   Ad v a n c e d   R o b o ti c s ,   M u n ich ,   2 0 0 9 ,   p p .   1 - 8   [2 5 ]   J.   Be rg   a n d   G.   Re in h a rt,   An   I n teg ra ted   P lan n i n g   a n d   P ro g ra m m in g   S y ste m   fo r   Hu m a n - Ro b o t - Co o p e ra ti o n , ”  Pro c e d ia   CIR P ,   v o l .   6 3 ,   p p .   95 1 0 0 ,   2 0 1 7 ,   d o i:   1 0 . 1 0 1 6 /j . p ro c ir . 2 0 1 7 . 0 3 . 3 1 8   [2 6 ]   S.   M a c fa rlan e   a n d   E.   A.   Cro ft,   Je rk - b o u n d e d   m a n i p u lato r   traje c to ry   p la n n i n g :   d e si g n   fo r   re a l - ti m e   a p p li c a ti o n s, ”  IEE E   T ra n sa c ti o n s   on   Ro b o t ics   a n d   A u t o ma ti o n ,   v o l.   1 9 ,   n o .   1,   p p .   42 - 5 2 ,   2 0 0 3 .   [2 7 ]   K.   Erk o rk m a z   a n d   Y.   Alt in tas ,   Hig h   s p e e d   CNC   sy ste m   d e si g n .   P a rt   I:   jerk   li m it e d   traje c to r y   g e n e ra ti o n   a n d   q u i n ti c   sp l in e   i n terp o latio n , ”  In ter n a ti o n a l   J o u rn a l   of   M a c h i n e   T o o ls   a n d   M a n u fa c tu re ,   v o l.   41,   no.   9,   p p .   1 3 2 3 1 3 4 5 ,   2 0 0 1 .   [2 8 ]   M.   No k a ta,   K.   Ik u ta ,   a n d   H.   I sh ii ,   S a fe ty - o p ti m izi n g   m e th o d   of   h u m a n - c a re   ro b o t   d e sig n   a n d   c o n tr o l, ”  in   Pro c e e d in g s   2 0 0 2   IEE E   In ter n a ti o n a l   C o n fer e n c e   on   R o b o ti c s   a n d   A u to m a ti o n   (C a t.   N o . 0 2 CH3 7 2 9 2 ) ,   Was h in g to n ,   DC,   USA ,   2 0 0 2 ,   p p .   1 9 9 1 - 1 9 9 6 .   [2 9 ]   A.   Ou sta lo u p ,   et   al . ,   P a th   p lan n i n g   by   fra c ti o n a l   d iffere n ti a ti o n , ”  Ro b o ti c a ,   v o l.   2 1 ,   n o .   1,   p p .   59 6 9 ,   2 0 0 3 .   [3 0 ]   O.   Bro c k   a n d   O.   K h a ti b ,   El a st ic   S tri p s:   A   F ra m e wo rk   fo r   M o ti o n   G e n e ra ti o n   in   Hu m a n   En v i ro n m e n ts, ”  T h e   In ter n a t io n a l   J o u rn a l   of   R o b o ti c s   Res e a rc h ,   v o l.   2 1 ,   n o .   1 2 ,   p p .   1 0 3 1 1 0 5 2 ,   2 0 0 2 .   [3 1 ]   J.   J.   Cra ig ,   I n tro d u c ti o n   to   ro b o ti c s:   me c h a n ics   a n d   c o n tro l ,   3 rd   e d .   Ne w   Yo rk :   P re n ti c e ‐Ha ll ,   2 0 0 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.