一種機(jī)器人的人-機(jī)交互安全防護(hù)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于機(jī)器人及人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種機(jī)器人的人-機(jī)交互安全 防護(hù)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(jī)器人和人交互操作才能完成。這一過(guò) 程中，人手和機(jī)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(diǎn)。因 此，如何消除人和機(jī)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(jī)交互操 作的安全性，目前沒(méi)有統(tǒng)一的處理方法。
[0003]現(xiàn)有的基于危險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)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(jì)。但需要大量的人-機(jī)交互信息支撐，實(shí)時(shí)性要求高，工程實(shí)用性不強(qiáng)。
[0004] 有人提出關(guān)節(jié)柔順設(shè)計(jì)的方法，它通過(guò)降低電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量到連桿的耦合性來(lái)提高 安全性。但是連桿本身的慣量和能量卻無(wú)法控制，同時(shí)在人-機(jī)碰撞時(shí)或后續(xù)時(shí)間，機(jī)器人 仍為位置控制模式，人-機(jī)之間的碰撞力不可控。因此，關(guān)節(jié)柔順設(shè)計(jì)不能從根本上解決安 全性問(wèn)題。
[0005]還有人提出在機(jī)器人末端執(zhí)行器包裹黏彈性材料的方法來(lái)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(guò)于單一，無(wú)法從根本上保證安全。
[0006]上述所有方法方式較為單一，沒(méi)有融合其他有效方法，不能徹底解決安全性問(wèn)題。 且多數(shù)目前還僅僅停留在理論研究階段，其實(shí)用性和前景也未知。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提供一種機(jī)器人的人-機(jī)交互安全防護(hù)系統(tǒng)，該 安全防護(hù)系統(tǒng)能夠有效確保人-機(jī)交互操作時(shí)的安全性。
[0008]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：
[0009] -種機(jī)器人的人-機(jī)交互安全防護(hù)系統(tǒng)，所述安全防護(hù)系統(tǒng)由處于人-機(jī)交互環(huán)境 中的語(yǔ)音提示裝置1、安裝于機(jī)器人擺臂末端執(zhí)行器上的融合型傳感器I、覆蓋在機(jī)器人擺 臂末端執(zhí)行器上的靈敏皮膚4以及信號(hào)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(jué)傳感器3組成;所述視覺(jué)傳感器3用于 對(duì)人臉、人手和目標(biāo)物進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和識(shí)別;所述六維力傳感器2用于測(cè)量三維直角坐標(biāo)系中三 個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量，通過(guò)力信息幫助機(jī)器人調(diào)整交互操作時(shí)的接觸力;所述靈敏皮 膚4采用主動(dòng)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(yǔ)音提示裝置1 用于語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前的狀態(tài)、操作情況及是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，同時(shí)也可方便更改語(yǔ)音提示器的提 不詞。
[0011] 進(jìn)一步，所述視覺(jué)傳感器3采用傳感攝像頭。
[0012] 進(jìn)一步，所述語(yǔ)音提示裝置1還可以采用聲光報(bào)警提示器。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果在于：本實(shí)用新型所述的安全防護(hù)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(jué)、力覺(jué)、膚覺(jué)傳感器全面而充分應(yīng)用到人-機(jī)交互操 作的全過(guò)程中，全面、徹底地保證人-機(jī)交互操作時(shí)人的安全性;語(yǔ)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(jī)之間的安全系數(shù)；同時(shí)可根據(jù)不同的使用環(huán)境對(duì)該系統(tǒng) 進(jìn)行修改設(shè)置，工程實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本實(shí)用新型提供如下 附圖進(jìn)行說(shuō)明：
[0015]圖1為本實(shí)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(jī)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(duì)應(yīng)于相關(guān)事件和狀態(tài)的提示音示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0021]圖1為本實(shí)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(hù)系統(tǒng)由處于人-機(jī)交互環(huán)境中的語(yǔ)音提示裝置1、安裝于機(jī)器人 擺臂末端執(zhí)行器上的融合型傳感器I、覆蓋在機(jī)器人擺臂末端執(zhí)行器上的靈敏皮膚4以及信 號(hào)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(jué)傳感器3組成;所述視覺(jué)傳感器3用于 對(duì)人臉、人手和目標(biāo)物進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和識(shí)別;所述六維力傳感器2用于測(cè)量三維直角坐標(biāo)系中三 個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量，通過(guò)力信息幫助機(jī)器人調(diào)整交互操作時(shí)的接觸力;所述靈敏皮 膚4采用主動(dòng)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(yǔ)音提示裝置1 用于語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前的狀態(tài)、操作情況及是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，同時(shí)也可方便更改語(yǔ)音提示器的提 示詞。在本實(shí)施例中，視覺(jué)傳感器3采用傳感攝像頭;進(jìn)一步，所述語(yǔ)音提示裝置1還可以采 用聲光報(bào)警提示器。
[0023]為了便于理解，在本實(shí)施例中對(duì)人-機(jī)交互環(huán)境中幾個(gè)坐標(biāo)系作簡(jiǎn)要描述，包括大 地坐標(biāo)系、機(jī)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(jué)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(jī)交互操作 時(shí)，人臉沿z向面對(duì)機(jī)器人，人手?jǐn)y帶目標(biāo)物亦沿z向接近機(jī)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(jī)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(jué)傳感器坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸方向由初始設(shè)計(jì)而定。
[0024]如圖3所示，在人-機(jī)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(jī)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(jī)器人型號(hào)和操作類型確定。本實(shí)施例中dl=90mm，d2min= 160mm，d2max = 2500mm。
[0025]在人-機(jī)交互過(guò)程中，要經(jīng)歷人出現(xiàn)、人靠近、人手中目標(biāo)物接近機(jī)器人末端執(zhí)行 器、末端執(zhí)行器夾緊目標(biāo)物、離開(kāi)等不同狀態(tài)。對(duì)應(yīng)地，在經(jīng)歷上述狀態(tài)時(shí)，融合型傳感器可 以將采集到的視覺(jué)信息、力/力矩信息和膚覺(jué)信息可以及時(shí)準(zhǔn)確傳送給機(jī)器人系統(tǒng)，以便機(jī) 器人做出準(zhǔn)確的軌跡規(guī)劃動(dòng)作，避免傷及到人。先是視覺(jué)傳感器識(shí)別人臉及目標(biāo)物，并完成 信息傳送。而后是夾持過(guò)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(shí)各傳感器均同臺(tái)協(xié)作工作，發(fā)揮信息融合效應(yīng)。所述視覺(jué)和力覺(jué)傳感 器保證人員安全的工作原理如下：
[0026]所述視覺(jué)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(jī) 器人過(guò)程中，依據(jù)一定的視覺(jué)識(shí)別算法，視覺(jué)傳感器可以識(shí)別出如圖1所示Θ角范圍內(nèi)（本實(shí) 施例取70°)的人臉、人手及目標(biāo)物。同樣，當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)能夠探測(cè)到人臉時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 情況也在人的視野范圍之內(nèi)。機(jī)器人有了視覺(jué)識(shí)別功能，就可以判斷出人是否能夠跟隨機(jī) 器人的動(dòng)作并做好應(yīng)對(duì)措施，這具有積極意義。當(dāng)視覺(jué)信息中出現(xiàn)如下情況時(shí)，出于保護(hù)人 員安全起見(jiàn)，視覺(jué)識(shí)別算法會(huì)自動(dòng)取消機(jī)器人所執(zhí)行任務(wù):1)機(jī)器人系統(tǒng)不能探測(cè)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(méi)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(jī)器人末端 執(zhí)行器的過(guò)程中，視覺(jué)傳感器會(huì)辨別人手及手中目標(biāo)物并展開(kāi)視覺(jué)追蹤。當(dāng)目標(biāo)物接近機(jī) 器人末端執(zhí)行器時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)視覺(jué)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(jì)算出合理的抓取位置。抓取目標(biāo)物時(shí)，六維力傳感器會(huì)及時(shí)反饋夾緊力的大小和方向。融 合力視覺(jué)傳感器位姿信息及力傳感器六維力