原文题目：Human-Robot Iteraction and Future Industrial Robitics Applications
译文题目：
人类与机器人的互动及未来工业机器人的应用 学院名称： 机电工程学院 专业班级： 机械设计制造及其自动化
人类与机器人的互动和未来的工业机器人应用
Clint Heyer 摘要——工业机器人能在相对静止的环境下在大量的工作中快速执行操作。由于工业机器人能反复，准确地进行操作，因此它用于制造业中已经有悠久的历史。在石油和天然气工业中为了提高安全性和效率，减少对环境的影响，工业机器人的使用是必不可少的。人类工作在困难或危险地区进行工作时，可以进行远程控制启用工业机器人进行维护，检查和维修。现今的机器人应用于这种新的领域中还存在一些困难，因为他们没有很好地适应动态环境能力，不能充分与人类的互动，不能以简单的计划为最终用户。此外，开采石油和天然气为机器人提供一个具有挑战性的工作环境，使其接触到变量和极端天气与需要一起爆炸碳氢化合物的安全使用。根据机器人说明，信任和问责制的问题以及它们如何适应的组织结构脱颖而出。如果机器人有太少的自主权，人工操作会浪费时间参加机器人，而不是参加他们的工作任务。如果机器人是高度自治，植物活动的情境意识将会减少。达成一种平衡，需要找到一个适合任务的自主化水平，自动化的实际能力，并需要人工操作，以建设性的方式积极参与。这些问题，还涉及到什么样的形式接口远程或合署办公的机器人控制，信息和活动，以及如何进行远程运营商代表。本文的贡献是一个有关人类与机器人为未来的工业机器人的互动，尤其是石油和天然气行业的问题进行讨论。
一、引言
工业机器人在制造业已成立三十多年，如堆叠任务，铸造，绘画，整理，焊接，组件的焊接等。这种使用环境，突出了工业机器人的核心价值主张：连续，准确地执行人类难以在工作环境和规模的任务。在工厂投产中或当行正在重新负责时，专业工程师计划投入即将到来的工作的机器人。调试可能需要长达两年，并需要长达一年的仔细调整之后开始生产。制度变迁是昂贵的，因为他们经常需要中断生产的实现和测试。机器人系统集成与其他工厂自动化系统，使刚刚在准时化生产和支持经济上可行的定制制造的新水平。一旦编程，一个精心设计的自动化平台生产线，可以创造需求决定了不同的模式和变种之间切换。
从历史上看，机器人的设计和编程事为了相对静止的环境。任何机器人的配置中不明的基本上是无形的，如关节力矩最小的反馈，指导。在大多数情况下，这些原始的感官能力，必须在运行机器人“工作单元”，以脱离人为和其他干扰。一旦编程完成，这是预期的工作环境和文物的机器人仍然很窄的范围内方差进行交互。因此，机器人被隔离在身体以及感官的感觉，在自动化的工厂机器的数量略有不同。
强大的工业机器人和人类一起工作在合作方式下的工作环境有多方面的困难。机器人的工作区域以外的人的安全领域需要划定，通常是用物理或基于传感器的壁垒增强。进行交互或控制机器人的手段是典型的匮乏，如按下一个按钮，激活一个任务，或完全不存在与机器人根据自动化系统的响应。如果人们需要在接近或正在运行的机器人的工作区域内工作，它需要运行速度缓慢，使其损伤的风险降低。由于这些限制，合作的工作往往是通过转一转，采取协议的限制。例如，人类将执行一些工作，另一方面机器人执行一些工作等。在这个描绘，我们看到了人与机器人之间，在各自的自然和独特的功能是充分利用丰富的协同。
由于上述缺点，在模具的限制中，而作为一个通用的工厂自动化援助机器人的潜力尚未完全实现：它不能在动态的世界很差其工作区以外被重新负责和啮合。反过来，这种限制它们用于环境的机器人部署和工作。现今机器人的成本效益比排除了中小型企业的广泛使用，即使机器人本身的单价是不高昂的。 现在，已发现了市售的机器人系统的精度，速度，可重复性和灵巧的可接受的水平，额外的重点一直放在人类与机器人的互动，例如，通过简化编程[1]和减少碰撞的损害[2]。和电脑前景一样，在机器学习进展 中-也不是工业机器人 - 拥有相同的特征如我所描述的。例如，用于移动传输机器人在工厂穿梭材料，设计功能在动态环境中的现代版本能够防止碰撞和在某些情况下，积极主动地绕过障碍物的路线。近年来引进了物美价廉的消费服务和娱乐机器人，如iRobot公司的Roomba和Ugobe Pleo的。他们是物理接地理念设计，他们能够在动态，杂乱无章的环境下成功交谈。
下一节介绍了在石油和天然气行业的未来机器人的应用领域，本文其余部分探讨的是人类与机器人的互动关系和迄今为止它的发展背景。
二、在石油和天然气领域的工业机器人
石油和天然气行业通常在物理操纵自动化程度较高，比如自动阀和逻辑操作，控制和管理过程。在陆上工厂，运营商监测和运行过程（从他们的中央控制室与自动化系统），常位于离工厂几公里。外地经营者必须执行检查和维护设备，需要大型团队进行维修和升级。在许多石油和天然气产区，工人暴露在极端气候（图1），有时需要额外的繁琐的防护装备，因为所含的硫化氢水平高。
图
一、一个典型的天然气提炼厂可以覆盖大面积在室外和室内环境的混合物
海上钻井平台有进一步的后勤问题。人们在钻井平台工作是非常昂贵的，因为它们必须在紧急情况下被安置和保护，必须尽可能地迅速疏散人员。随着石油和天然气的勘探推到更冷酷无情,地处偏远地区,这些困难的障碍变得严重财务可行性的安装。随着石油天然气勘探推到荒凉和偏远地区，这些困难对于财务是严重的障碍。很明显，如果机器人可以在危险和恶劣的环境执行普通场经营者的任务是很有好处的。在短期内，机器人可以安装在现有的设施，而不需要系统的变化或广泛的改造。这些可以执行关键任务的已被确定为高风险或高成本。从长远来看，石油和天然气公司计划完全无人设施，从设计开始一直使用机器人。机器人已经应用于石油和天然气行业，例如无人水下机器人通常是用于直观地检查海底结构，如海底井口。使用环境提出了明确的挑战在设计机器人系统时是否在恶劣环境下能够安全和有效的爆炸。
一般情况下机器人在石油和天然气工业中呈现的事其本身。第一，远程检测，关注的是使用移动机器人进行检查的设备，例如寻找故障，可能并不明显的其他仪器，或执行取样。而非安装永久需要的昂贵的仪器，机器人可以移动至有需要的地方。另一种情形，遥操作，关注的是使用移动机器人进行维修，操作和维修。这两种情况下可能发生的一人操作的任何自动或手动控制。机器人的通用性和流动性提供了更好的机会来解决特定的，意想不到的设施生产需求。
三、与机器人的合作
信任与责任是考虑合作的重要因素。目前的自动化设备如阀门传感器是确定结果，要求的行动和几个可能被安装以便提高可靠性。如果一个控制室操作任务的机器人与一个特定的清洗阀，如何操作保证任务完成？一个设备有检查机器人的工作通过一个摄像机，或机器人能够可靠地判断这本身吗？在于确保工作进行并完成安全和正确的责任负责？虽然人们接受了与首选地遥操作机器人一起工作而不是独立的一个人或只是机器，但还是突出了缺乏自治的缺点。物理形态和行为的机器人是很重要的，它是如何感知并应适当地完成任务[ 7]。非人的形式可以视为具有更好的个性和比人更友善，可能是因为他们认为更像机器而不是独立的演员[ 8]。工作时与非人形机器人合作能够有更少的人力，并采取更多的措施以确保任务完成[ 9]。在石油和天然气行业，特别是短期使用的机器人在现有设施，对于人类和机器人的理想的关系，它仍然是一个开放的问题。经营自主进行定期维护，机器人可以视为另一种元素的紧密集成工厂自动化系统。机器人还可以用来在一个更直接的合作方式，例如帮助人们搬运材料，重的物体，对样品进行测试和其他一般的任务。在这种情况下，机器人是能减轻负担的体力劳动，提高能力，如电钻，或发挥作用协作同事另一种工具吗？
每种方法都有很大的不同需求方面的交互设计。已经调查了工业机器人通过显微手术，它有可能比人类的手更好，更加顺利和控制运动。人类的外科医生可以使用代理工具，该机器人系统能进行运动分析，感官和翻译进行实际接触病人[11]。在机器人工具方法中，自主性低，它能以自然的方式与人类来完成工作，。作为一个合作的伙伴，有更高的期望的自主权，为机器人提供积极的协助和帮助。
四、自治与角色
如果机器人代替现场操作人员，或包含一些外地经营者的任务，机器人的控制室操作员，领班和该组织的其他部分是什么关系？如今，控制室操作员往往会要求现场访问某个特定的仪器或机器的领域，例如调查一个问题或澄清一个仪表读数。经营领域的推销，找到该项目，并通过无线电报告。在未来无人的情况下，以前一个“场”的运营商可能会收到指令，但这一次使用机器人远程走动的设备和采取的读数。如今能够实现经营者会分析和报告然后返回到控制室操作员。在这种情况下，控制室操作员是比较不了解的机器人系统和以前一样，这就奠定了判断和专业的经营领域和有一些变化的信任和工作流程和实践的微小变化。
另一种选择是，控制室操作员自己命令机器人研究的问题，并接收返回完成一个自动分析。这意味着不同的作用，控制室操作员，他现在还必须指挥或控制一个机器人以及执行分析的计算机生成分析。初步研究石油和天然气的工作描述一个复杂的环境，可能会严重妨碍可行性等自动化[12]。回到信任和责任的问题，如果控制室操作员不能取决于机器人执行检查任务的可靠和准确，这将需要较低层次的自动化。现在，当现场的操作人员进行日常巡查工厂，他们监视特定问题（如蜡积累）也是问题但并他们不知道他们在巡查什么。在许多重复检查过程中，运营商获得的是什么是期望的，什么不是，和使用这种意识在工作场所展开广泛的活动。这有可能用相当先进的模式识别技术可以辨别所有人类运营商普遍使用的线索。在风险中，然而，是丰富的“知道”厂的感知。根据安德斯里和卡伯的认证，当人类出循环时恢复错误或缺点在一个自动化系统会产生较多问题[13]。
一种自适应，变量的，自动化的方法已被建议作为一种交易方式一权衡各种利益和成本的自动控制和手动控制，重要的是再机器人系统把人作为积极地参与者
[14]。一个完全手动系统可以准确控制，不过是劳动密集和不可导致有效利用机器人资产。更复杂的接口和自动援助，可以进一步提高效率。一个完全自动化的系统能更好地利用机器人，但是限制在高层次的规划和执行任务可能需要频繁的人为干预。人类指导机器人的任务和目标，使其中的一些缺点加以解决[ 15 , 16]，和帮助人们解决低层次的问题如关节方向。可接受的自动化水平也必须克服的问题是通信延迟[ 17 ]和[ 18 ]多机器人控制。控制机器人也造成的关键问题。在一对一的比例中人类运营商操纵机器人，它们之间得重点转移是必要的或是他们成功的团队吗？人类运营商会通过机器人资源一起合作吗？石油和天然气行业，像其他的工作场所应用，有一个大致的层次结构。例如，工艺工程师一般与控制室操作员相互联系，那些控制室操作员大多以经营领域，与维修人员和工艺设备相关。信息和状态的各种组织之间的水平，往往通过调解信息文物工作证等。在什么水平是一个机器人或机器人小组？在机器人资源分享中，该行业已经通过管理的分布式控制系统有现有的规范和技术以获得和释放独家控制远程设备。目前，工人不用被实时跟踪，无线通信提供足够的信号以确定每个人所处的位置。移动机器人将不会参加这个无线通信，因此还需要研究如何认识自己的位置和活动可以有效地分散在整个班组。
五、陈述
机器人资源如何代表用户将在很大程度上取决于用户自主经营的程度。对于手动控制靠近用户自主权，在控制下更加重视和考虑机器人。有一种让用户看不到的可能性“摘要”的机器人系统。除非在所有可能发生的一种物理机器人操作的变化的世界自治系统是非常先进的管理，这种做法有其局限性。在出现一些错的时候躲藏机器人就是唯一可见的：例如碰撞或“扣押”引起的焊接不良和路径规划。这不仅减少了对这些问题的认识（如何发生的问题），但也限制了人力运营商能够运用他们的经验和技巧的能力在避免问题发生之前。
早期的遥操作接口使用多个二维视图，每个都有不同的表现，例如一个显示前线摄像头的视频，一个显示视频从后方摄像头，另一个显示读数仪等。多个摄像头显示对态势感知是有益的，特别的如果视频包括一些接地，地标等功能 [19]。二维的显示是特别有用的精确的空间导航和推算，如判断的相对定位，三维视图在三维空间和感受三维地层的导航很有用处[ 20]。有大量用户的意见感知一个状态[21 , 22]，当问题变得更加困难时，控制多个机器人。计算合并的意见结合视频，一个代表性的机器人，状态信息和三维几何显示在一个单一的视为一种有效的选择减少认知负荷，但仍保持利益的不同表示方法[23]。
在稀疏或没有感应的环境下，有一个更大的依赖于机器人的能力以提供态势感知的远程操作。狭窄领域的观点提供了传统的做法已被定性为“锁孔”效应[ 25]，容
易错过事件和障碍以外的这一领域。
六、相互作用
除了已经讨论了的屏幕上的遥操作接口，还有其他的输入方式，可以提供简单的或更自然的互动与合作或遥远的机器人。服务机器人语音已审查[ 26]，但就其有效性仍然存在悬而未决的问题[ 27]。多模态接口可以被用来利用每个组合方式各自的特点[ 28 , 29]。丰富的互动将使机器人控制流动性和减少繁琐的手工操作。这取决于系统设计，有可能是不同的阶段与互动的机器人，例如编程或教学阶段，和一个执行阶段，以前的程序开展行动，或执行的用户直接操纵。利用一个机器人的多用性，它应该有可能进行现场操作的程序来执行任务，在特设的基础上，然后可以定期或根据需要不断重复。例如，偶尔天然气泄漏可能发生在一个出口的压缩机，使操作者可以计划机器人用气体探测器定期地检查压缩机室。经过一段时间的机器人执行这项任务，一个图像可以用来确定泄漏的位置。在另一案例中，也许一个故障已被发现在几个仪器外壳，所以维修主管要做一次所有外壳的检查。一场算
符可以计划机器人识别仪器外壳来找故障。因为不是所有需要的机器人将被称为先验，手工直接操作费时，最终用户可编程性将是一个有用的和具有挑战性的议程和交互设计研究。一个简单的例子方法最终用户编程的机器人“示教编程”，其中一个机器人系统观察和重复人类活动[ 30]。
手势是一种人们自然地使用社会沟通体现形式的互动。手势被用来检测，通过增强手套或计算机视觉，远程控制和合作机器人[31,32,33]。而不是行使直接控制，这表示手势对高级指挥机器人活动特别有用[ 31]。一个例子是手势交互系统，允许人们用他们的手指，点一下他们想拿起一个对象，然后指出它们的位置[34]。互动与同位机器人，这种方法的优点是它允许人们表达的意图与参考的实际环境，而不是一个象征。
当控制机器人时，它会因为用户对他们的要求没有明确而不会完成。例如，当操纵工业机器人时，关节不能转动任何进一步的，或是防止运动奇异性不会明显显示。同样的遥控机器人，从屏幕上的代表性障碍，和驾驶任何接近会导致碰撞也可能不会明显显示。各种形式的告警可以用来通知用户的这些条件，包括触觉。触觉反馈可以提供物理力反馈给用户，例如通过振动，或物理限制运动的机械手，这两者都
是有用的[
35、
36、37]。
七、结论
从石油和天然气行业的趋势表明：一个不断增长的世界必须增强机器人自动化。机器人自动化的增强可以在现有设施上为人类服务，以便于在困难环境代替进行操作，从而改善工人的安全和效率。当今，工业机器人已有一个历史悠久的记录可在制造业中提供可靠，准确，高效率的服务。这些特点也将显现并收益于石油和天然气行业，以及它对自动化的需求。在本文中，讨论了几个有关工业机器人传统方法的问题。主要是贫困的人机互动方式。共设机器人依赖于建模的环境和限制特设的
任务再分配功能。
工业机器人若应用于石油和天然气工业中须考虑到一些悬而未决的问题及事项的存在。目前，石油和气体的物理环境是暴露的变量，经常面对严重的气候，以及有毒易爆物品。虽然新的发展计划正对机器人部署，特别考虑机器人走动的过程及对其进行交互，但是机器人也在已经大量投资的基础设施中收益。工业机器人在应用领域可分为两类：远程检查和遥操作。远程检查允许远程操作可以进行检查和抽样，而遥操作允许维护和修理进行了机器人的援助。两者一起可在操作危险的地方为人类工作。这些活动的自动化程度取决于任务，但通过自动化的现实功能缓和。太少的自主权将会减少在手任务的重点。太多的自主权，人类将失去事态感知能力。机器人如何适合到现有的组织结构,以及如何问责该组织，在安全可靠运行方面还有待确定。如今，与机器人的相互作用，用更丰富，更流畅的方式进行成为一种可能，例如通过充分利用替代方式。多维信息综合显示，可用于辅助操纵和指挥机器人以及支持远程态势感知。由于这是一个新的应用领域，其中许多问题目前无法圆满解决，虽然结果从机器人的应用空间，军事搜索和救援情境是进口。
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