《Applied Ergonomics》：Perceived safety during human-robot interaction with an autonomous mobile robot
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本研究通过虚拟现实CAVE系统模拟人机协作场景，分析自主移动机器人（AMR）货架高度、移动速度和轨迹路径对工人安全感知、心理负荷、机器人信任度、近距离行为及任务绩效的影响。结果表明，速度和轨迹路径对任务结果影响显著，而高度影响较小，个人特征无显著影响。
贾斯汀·M·哈尼（Justin M. Haney）| 道格拉斯·阿蒙斯（Douglas Ammons）| 姜熙善（HeeSun Choi）
美国西弗吉尼亚州莫根敦市国家职业安全与健康研究所（National Institute for Occupational Safety and Health, Morgantown, WV, USA）
摘要
自主移动机器人（AMRs）正在制造业和仓储行业中得到快速应用。相关研究有助于我们更好地理解工人在与AMRs互动时的安全感知和行为，从而改进碰撞避免策略和更安全的互动标准。在本研究中，我们考察了AMR的货架高度、移动速度和路径对感知安全、心理负担、对机器人的信任感、身体距离行为以及模拟装卸任务中的任务表现的影响。总体而言，AMR的速度和路径对任务结果的影响最大，而不同高度条件下的变化较小。本研究的结果可以为设计AMRs及其使用设施提供参考。
引言
自主移动机器人（AMR）可以通过使用传感器和碰撞避免技术来规划无障碍路径，在无需人工干预的情况下导航环境并执行任务（Alatise和Hancke，2020；Haney和Liang，2024；Tzafestas，2018）。这些机器人在制造业和仓储工作场所的应用日益增多，在这些场所内运输各种类型的货物是核心任务之一。工人们经常在共享通道中与AMRs相遇，并在从机器人上取货或向机器人上放置货物时与其发生物理接触。与机器人相关的职业危害和风险可能源于工人与机器人之间的无意接触，以及与机器人系统互动带来的工作压力（Gualtieri等人，2021；Murashov等人，2016）。
在人类工人附近操作的机器人会影响工人的安全感知，进而影响他们的安全相关行为（Haney和Liang，2024；Johnson等人，2019）。总体而言，较低的感知安全性会导致保持更大的安全距离、更多的犹豫和更慢的动作（Haney和Liang，2024），而较高的潜在碰撞风险则会导致人们在AMR周围行走速度减慢（Chen等人，2018）。此外，相对于AMR的突然动作变化可能会直接增加碰撞风险或使接触力达到可能导致严重伤害的水平（Cheng等人，2018）。因此，工人安全感知的变化及其相关的行为反应可能导致人机协作效率低下和工人表现不佳。然而，现有的工业标准和技术创新主要集中在改进机器人导航和碰撞避免上，往往忽视了人类行为的影响（Cheng等人，2024）。全面系统的调查有助于建立关于工人在与AMRs互动时的安全感知和行为的知识，以优化碰撞避免方法和更安全的互动标准。
越来越多的文献研究了AMR用户在人与机器人交互（HRI）实验中的感知、态度和行为（Haney和Liang，2024；Rubagotti等人，2022）。AMR的物理特性、移动特性和通信特性会影响用户的感知和接受度（Haney和Liang，2024；Rubagotti等人，2022）。研究表明，AMR的外观、大小、接近方向或经过侧边、距离、噪音以及社交礼貌或意图提示是影响用户感知安全和相关行为结果的重要因素（Akalin等人，2022；Fiore等人，2013；Gervasi等人，2024；Thomas和Vaughan，2019；Weistroffer等人，2013）。AMR的高度可能对感知安全有特别显著的影响，因为其在运行过程中会根据所携带的负载而发生变化。例如，当AMR靠近时，人们倾向于认为较高的AMR比较低的AMR更不安全（Joosse等人，2021；Jost等人，2021）。
AMR的速度可能会根据任务需求的变化而变化。先前的研究已经探讨了某些移动特性（如停止距离、速度和接近方向）对人类信任、感知安全及由此产生的行为的影响，包括可接受的安全距离、物理避让、行走速度和加速度（Bortot等人，2012；Leichtmann和Nitsch，2020；Lichtenth?ler和Kirsch，2013；Lo等人，2019；MacArthur等人，2017；Takayama和Pantofaru，2009）。研究发现，较大的安全距离通常会提高舒适度和感知安全性（Neggers等人，2018，2022；Pacchierotti等人，2006）。此外，更快的移动速度会导致较低的感知安全性、增加的焦虑感和工作负担，以及更短的可接受安全距离（Akalin等人，2022；Bergman和van Zandbeek，2019；Chen等人，2018；Koppenborg等人，2017；?lajpah等人，2021；Weistroffer等人，2013）。
然而，先前的研究表明，在AMR接近人的情况下，机器人速度对信任和感知安全的影响可能因场景而异（Haney和Liang，2024）。例如，MacArthur等人（2017）报告称较慢的接近速度会增加对机器人的信任感，而Brandl等人（2016）则表明较慢的机器人接近速度会导致更近的可接受距离；然而，其他研究则认为接近或移动速度不会影响感知安全性和舒适度（Joosse等人，2021；Shomin等人，2015）或安全距离（Jost等人，2021；Lauckner等人，2014）。此外，AMR移动的可预测性而非其速度可能决定了安全感知和行为（Alves等人，2022；Lo等人，2019；Shrestha等人，2018）。例如，高度不稳定的移动（如突然的速度变化）可能会引发不安全感和不信任感。先前的研究表明，当AMR的导航方式类似于人类或能够传达其意图时，参与者会感受到更高的安全性和信任度，从而提高其移动的可预测性（Alves等人，2022；Chadalavada等人，2015；Mavrogiannis等人，2019）。
尽管先前的研究已经探讨了人与机器人交互（HRI）过程中人类的感知和行为，但研究结果存在一定的一致性和不确定性（Haney和Liang，2024；Rubagotti等人，2022）。因此，关于工人在机器人工特性相关情况下的安全感知和行为变化的知识空白还有待进一步探索，因为工人在碰撞或接近碰撞情况下的行动可能会放大或减轻碰撞风险和冲击力。
本研究的目的是探讨AMR的物理和移动属性对感知安全、心理负担、对机器人的信任感、身体距离行为以及模拟装卸任务中的任务表现的影响。我们使用沉浸式虚拟现实（VR）Cave自动虚拟环境（CAVE）进行了HRI实验。利用VR评估HRI场景使研究人员能够以低成本和最小风险进行高度可控和可重复的实验（Atkinson和Clark，2014；Weistroffer等人，2013）。先前的研究表明，使用VR进行HRI实验产生的感知安全性和行为反应与与实体机器人互动时观察到的结果相似（Mitchell等人，2020）。对于本研究，我们提出了以下问题：
问题1：更高的高度和更快的移动速度是否会导致更低的感知安全性和对机器人的信任感、更慢的行走速度、更大的安全距离以及更长的任务完成时间？
问题2：与直线路径相比，曲线路径是否会影响感知安全性？
问题3：不同的物理和移动特性之间有何相互作用，以及它们对感知安全性和行为的影响是什么？
问题4：个人特征（包括年龄、性别、相关工作经验年限以及与机器人工作的经验）如何影响对AMR的感知安全性和行为？
实验设置
实验在基于投影的VR CAVE中进行（MechDyne Corporation，美国爱荷华州马歇尔敦）。VR CAVE由三面墙（宽3.96米；高3.05米）和一个地面屏幕组成。参与者佩戴了一副主动立体声快门眼镜（Volfoni 3D，加利福尼亚州洛杉矶），使环境看起来具有三维效果。使用位置跟踪系统（Advanced Realtime Tracking，德国拜恩州韦尔海姆）来跟踪参与者在VR CAVE中的头部、手部和身体位置。
结果
附录中的表A1总结了混合效应模型中的p值，这些模型研究了AMR货架高度、AMR速度和路径以及所有双向和三向交互对因变量的影响。讨论
本研究的目的是探讨AMR的大小、移动速度和路径如何影响人与机器人交互（HRI）过程中的感知安全性、心理负担、对机器人的信任感、身体距离行为和任务表现。速度和路径对任务结果的影响最为显著。货架高度影响了任务表现和心理负担，但对人类行为、感知安全性和对机器人的信任感没有影响。个人特征对任务结果没有影响。
作者贡献声明
贾斯汀·M·哈尼（Justin M. Haney）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、项目管理、方法论、调查、数据分析、概念化。道格拉斯·阿蒙斯（Douglas Ammons）：撰写——审稿与编辑、方法论。姜熙善（HeeSun Choi）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、概念化。
免责声明
本报告中的发现和结论仅代表作者的观点，并不一定代表国家职业安全与健康研究所（NIOSH）或疾病控制与预防中心（CDC）的官方立场。提及任何公司或产品并不构成NIOSH或CDC的认可。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家职业安全与健康研究所的支持。本报告中的发现和结论仅代表作者的观点，并不一定代表国家职业安全与健康研究所（NIOSH）或疾病控制与预防中心（CDC）的官方立场。提及任何公司或产品并不构成NIOSH或CDC的认可。作者感谢Darlene Weaver在参与者方面的协助。
