一種機器人的人-機交互安全防護系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于機器人及人機交互技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機器人的人-機交互安全 防護系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，一些工作往往需要機器人和人交互操作才能完成。這一過 程中，人手和機械人末端執(zhí)行器的抵近接觸非常頻繁，人的安全自然成為關(guān)注的焦點。因 此，如何消除人和機器人之間的非正常接觸碰撞已成為首要的安全理念。關(guān)于人-機交互操 作的安全性，目前沒有統(tǒng)一的處理方法。
[0003]現(xiàn)有的基于危險指數(shù)進行路徑及軌跡規(guī)劃的事前控制方法，雖然有較完善的理論 設(shè)計。但需要大量的人-機交互信息支撐，實時性要求高，工程實用性不強。
[0004] 有人提出關(guān)節(jié)柔順設(shè)計的方法，它通過降低電機轉(zhuǎn)子慣量到連桿的耦合性來提高 安全性。但是連桿本身的慣量和能量卻無法控制，同時在人-機碰撞時或后續(xù)時間，機器人 仍為位置控制模式，人-機之間的碰撞力不可控。因此，關(guān)節(jié)柔順設(shè)計不能從根本上解決安 全性問題。
[0005]還有人提出在機器人末端執(zhí)行器包裹黏彈性材料的方法來提高安全性，該法可在 一定程度上降低沖擊力和傷害程度，但該法過于單一，無法從根本上保證安全。
[0006]上述所有方法方式較為單一，沒有融合其他有效方法，不能徹底解決安全性問題。 且多數(shù)目前還僅僅停留在理論研究階段，其實用性和前景也未知。 【實用新型內(nèi)容】
[0007]有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種機器人的人-機交互安全防護系統(tǒng)，該 安全防護系統(tǒng)能夠有效確保人-機交互操作時的安全性。
[0008]為達到上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案：
[0009] -種機器人的人-機交互安全防護系統(tǒng)，所述安全防護系統(tǒng)由處于人-機交互環(huán)境 中的語音提示裝置1、安裝于機器人擺臂末端執(zhí)行器上的融合型傳感器I、覆蓋在機器人擺 臂末端執(zhí)行器上的靈敏皮膚4以及信號傳遞線路組成。
[0010] 所述融合型傳感器I由六維力傳感器2和視覺傳感器3組成;所述視覺傳感器3用于 對人臉、人手和目標(biāo)物進行發(fā)現(xiàn)和識別;所述六維力傳感器2用于測量三維直角坐標(biāo)系中三 個力分量和三個力矩分量，通過力信息幫助機器人調(diào)整交互操作時的接觸力;所述靈敏皮 膚4采用主動紅外接近傳感器，并以環(huán)狀的形式覆蓋在末端執(zhí)行器上;所述語音提示裝置1 用于語音播報當(dāng)前的狀態(tài)、操作情況及是否出現(xiàn)錯誤，同時也可方便更改語音提示器的提 不詞。
[0011] 進一步，所述視覺傳感器3采用傳感攝像頭。
[0012] 進一步，所述語音提示裝置1還可以采用聲光報警提示器。
[0013]本實用新型的有益效果在于：本實用新型所述的安全防護系統(tǒng)基于多傳感器系 統(tǒng)，并依托融合型反饋控制算法，將視覺、力覺、膚覺傳感器全面而充分應(yīng)用到人-機交互操 作的全過程中，全面、徹底地保證人-機交互操作時人的安全性;語音提示系統(tǒng)也使操作人 員的操作更加便捷，有效提升人-機之間的安全系數(shù)；同時可根據(jù)不同的使用環(huán)境對該系統(tǒng) 進行修改設(shè)置，工程實用性強。
【附圖說明】
[0014]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本實用新型提供如下 附圖進行說明：
[0015]圖1為本實用新型所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為圖1中融合型傳感器I的局部放大圖；
[0017]圖3為人-機交互安全距離示意圖；
[0018]圖4為傳感器系統(tǒng)控制算法框圖；
[0019]圖5為對應(yīng)于相關(guān)事件和狀態(tài)的提示音示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面將結(jié)合附圖，對本實用新型的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。
[0021]圖1為本實用新型所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為圖1中融合型傳感器I的局部放大 圖，如圖所示，所述安全防護系統(tǒng)由處于人-機交互環(huán)境中的語音提示裝置1、安裝于機器人 擺臂末端執(zhí)行器上的融合型傳感器I、覆蓋在機器人擺臂末端執(zhí)行器上的靈敏皮膚4以及信 號傳遞線路組成。
[0022] 所述融合型傳感器I由六維力傳感器2和視覺傳感器3組成;所述視覺傳感器3用于 對人臉、人手和目標(biāo)物進行發(fā)現(xiàn)和識別;所述六維力傳感器2用于測量三維直角坐標(biāo)系中三 個力分量和三個力矩分量，通過力信息幫助機器人調(diào)整交互操作時的接觸力;所述靈敏皮 膚4采用主動紅外接近傳感器，并以環(huán)狀的形式覆蓋在末端執(zhí)行器上;所述語音提示裝置1 用于語音播報當(dāng)前的狀態(tài)、操作情況及是否出現(xiàn)錯誤，同時也可方便更改語音提示器的提 示詞。在本實施例中，視覺傳感器3采用傳感攝像頭;進一步，所述語音提示裝置1還可以采 用聲光報警提示器。
[0023]為了便于理解，在本實施例中對人-機交互環(huán)境中幾個坐標(biāo)系作簡要描述，包括大 地坐標(biāo)系、機器人末端執(zhí)行器坐標(biāo)系、六維力傳感器坐標(biāo)系和視覺傳感器坐標(biāo)系。所述大地 坐標(biāo)系的定義如圖3所示，X軸水平向左，y軸豎直向上，z軸垂直紙面向外。在人-機交互操作 時，人臉沿z向面對機器人，人手攜帶目標(biāo)物亦沿z向接近機器人末端執(zhí)行器。所述其余坐標(biāo) 系為局部坐標(biāo)系，其中機器人末端執(zhí)行器坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向由安裝位置設(shè)定，六維力傳 感器坐標(biāo)系和視覺傳感器坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向由初始設(shè)計而定。
[0024]如圖3所示，在人-機交互環(huán)境中需要確定人的安全作業(yè)范圍。其中人手距人臉沿z向的安全距離要大于dl，人臉距機器人末端執(zhí)行器沿z向的距離處于d2min~d2max之間。dl、 d2min、d2max的具體值可根據(jù)機器人型號和操作類型確定。本實施例中dl=90mm，d2min= 160mm，d2max = 2500mm。
[0025]在人-機交互過程中，要經(jīng)歷人出現(xiàn)、人靠近、人手中目標(biāo)物接近機器人末端執(zhí)行 器、末端執(zhí)行器夾緊目標(biāo)物、離開等不同狀態(tài)。對應(yīng)地，在經(jīng)歷上述狀態(tài)時，融合型傳感器可 以將采集到的視覺信息、力/力矩信息和膚覺信息可以及時準確傳送給機器人系統(tǒng)，以便機 器人做出準確的軌跡規(guī)劃動作，避免傷及到人。先是視覺傳感器識別人臉及目標(biāo)物，并完成 信息傳送。而后是夾持過程中力傳感器的六維力信息傳送。每一狀態(tài)都由不同傳感器起主 導(dǎo)作用，但不同狀態(tài)時各傳感器均同臺協(xié)作工作，發(fā)揮信息融合效應(yīng)。所述視覺和力覺傳感 器保證人員安全的工作原理如下：
[0026]所述視覺傳感器保證人員安全的工作原理如圖1、圖3所示，在人及目標(biāo)物靠近機 器人過程中，依據(jù)一定的視覺識別算法，視覺傳感器可以識別出如圖1所示Θ角范圍內(nèi)（本實 施例取70°)的人臉、人手及目標(biāo)物。同樣，當(dāng)機器人系統(tǒng)能夠探測到人臉時，機器人的運動 情況也在人的視野范圍之內(nèi)。機器人有了視覺識別功能，就可以判斷出人是否能夠跟隨機 器人的動作并做好應(yīng)對措施，這具有積極意義。當(dāng)視覺信息中出現(xiàn)如下情況時，出于保護人 員安全起見，視覺識別算法會自動取消機器人所執(zhí)行任務(wù):1)機器人系統(tǒng)不能探測到人臉； 2)人手距人臉沿z向的距離小于安全距離dl=90mm;3)操作人員手中沒有目標(biāo)物。
[0027]所述力傳感器保證人員安全的工作原理為:在人手及手中目標(biāo)物靠近機器人末端 執(zhí)行器的過程中，視覺傳感器會辨別人手及手中目標(biāo)物并展開視覺追蹤。當(dāng)目標(biāo)物接近機 器人末端執(zhí)行器時，系統(tǒng)根據(jù)視覺傳感器提供的目標(biāo)物位姿信息判斷出能否抓取目標(biāo)物并 計算出合理的抓取位置。抓取目標(biāo)物時，六維力傳感器會及時反饋夾緊力的大小和方向。融 合力視覺傳感器位姿信息及力傳感器六維力