CN105234963A - 一种机器人的人-机交互安全防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人的人-机交互安全防护系统，属于机器人及人机交互技术领域。该安全防护系统由语音提示装置、安装于机器人摆臂末端执行器上的融合型传感器、覆盖在机器人摆臂末端执行器上的灵敏皮肤及信号传递线路组成；所述融合型传感器由六维力传感器和视觉传感器组成；所述视觉传感器用于对人脸、人手和目标物进行发现和识别；所述六维力传感器用于测量三维直角坐标系中三个力分量和三个力矩分量，通过力信息帮助机器人调整交互操作时的接触力；所述灵敏皮肤采用主动红外接近传感器，并以环状的形式覆盖在末端执行器上。本发明以融合型传感器为基础建立安全防护系统，可以全面、彻底地保证人-机交互操作时人的安全性，同时又兼具语音提示功能，工程实用性强。

Description

一种机器人的人-机交互安全防护系统

技术领域

本发明属于机器人及人机交互技术领域，涉及一种机器人的人-机交互安全防护系统。

背景技术

在现代工业生产领域，一些工作往往需要机器人和人交互操作才能完成。这一过程中，人手和机械人末端执行器的抵近接触非常频繁，人的安全自然成为关注的焦点。因此，如何消除人和机器人之间的非正常接触碰撞已成为首要的安全理念。关于人-机交互操作的安全性，目前没有统一的处理方法。

现有的基于危险指数进行路径及轨迹规划的事前控制方法，虽然有较完善的理论设计。但需要大量的人-机交互信息支撑，实时性要求高，工程实用性不强。

有人提出关节柔顺设计的方法，它通过降低电机转子惯量到连杆的耦合性来提高安全性。但是连杆本身的惯量和能量却无法控制，同时在人-机碰撞时或后续时间，机器人仍为位置控制模式，人-机之间的碰撞力不可控。因此，关节柔顺设计不能从根本上解决安全性问题。

还有人提出在机器人末端执行器包裹黏弹性材料的方法来提高安全性，该法可在一定程度上降低冲击力和伤害程度，但该法过于单一，无法从根本上保证安全。

上述所有方法方式较为单一，没有融合其他有效方法，不能彻底解决安全性问题。且多数目前还仅仅停留在理论研究阶段，其实用性和前景也未知。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机器人的人-机交互安全防护系统，该安全防护系统能够有效确保人-机交互操作时的安全性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种机器人的人-机交互安全防护系统，所述安全防护系统由处于人-机交互环境中的语音提示装置1、安装于机器人摆臂末端执行器上的融合型传感器Ⅰ、覆盖在机器人摆臂末端执行器上的灵敏皮肤4以及信号传递线路组成。

所述融合型传感器Ⅰ由六维力传感器2和视觉传感器3组成；所述视觉传感器3用于对人脸、人手和目标物进行发现和识别；所述六维力传感器2用于测量三维直角坐标系中三个力分量和三个力矩分量，通过力信息帮助机器人调整交互操作时的接触力；所述灵敏皮肤4采用主动红外接近传感器，并以环状的形式覆盖在末端执行器上；所述语音提示装置1用于语音播报当前的状态、操作情况及是否出现错误，同时也可方便更改语音提示器的提示词。

进一步，所述六维力传感器2和视觉传感器3之间采用融合反馈控制算法，所述融合控制算法分为视觉和力觉两路控制信号，为机器人系统提供力和视觉方面的综合性信息。

进一步，所述视觉传感器3采用传感摄像头。

进一步，所述语音提示装置1还可以采用声光报警提示器。

本发明的有益效果在于：本发明所述的安全防护系统基于多传感器系统，并依托融合型反馈控制算法，将视觉、力觉、肤觉传感器全面而充分应用到人-机交互操作的全过程中，全面、彻底地保证人-机交互操作时人的安全性；语音提示系统也使操作人员的操作更加便捷，有效提升人-机之间的安全系数；同时可根据不同的使用环境对该系统进行修改设置，工程实用性强。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述系统的结构示意图；

图2为图1中融合型传感器Ⅰ的局部放大图；

图3为人-机交互安全距离示意图；

图4为传感器系统控制算法框图；

图5为对应于相关事件和状态的提示音示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述系统的结构示意图，图2为图1中融合型传感器Ⅰ的局部放大图，如图所示，所述安全防护系统由处于人-机交互环境中的语音提示装置1、安装于机器人摆臂末端执行器上的融合型传感器Ⅰ、覆盖在机器人摆臂末端执行器上的灵敏皮肤4以及信号传递线路组成。

所述融合型传感器Ⅰ由六维力传感器2和视觉传感器3组成；所述视觉传感器3用于对人脸、人手和目标物进行发现和识别；所述六维力传感器2用于测量三维直角坐标系中三个力分量和三个力矩分量，通过力信息帮助机器人调整交互操作时的接触力；所述灵敏皮肤4采用主动红外接近传感器，并以环状的形式覆盖在末端执行器上；所述语音提示装置1用于语音播报当前的状态、操作情况及是否出现错误，同时也可方便更改语音提示器的提示词。在本实施例中，视觉传感器3采用传感摄像头；进一步，所述语音提示装置1还可以采用声光报警提示器。

为了便于理解，在本实施例中对人-机交互环境中几个坐标系作简要描述，包括大地坐标系、机器人末端执行器坐标系、六维力传感器坐标系和视觉传感器坐标系。所述大地坐标系的定义如图3所示，x轴水平向左，y轴竖直向上，z轴垂直纸面向外。在人-机交互操作时，人脸沿z向面对机器人，人手携带目标物亦沿z向接近机器人末端执行器。所述其余坐标系为局部坐标系，其中机器人末端执行器坐标系各坐标轴方向由安装位置设定，六维力传感器坐标系和视觉传感器坐标系各坐标轴方向由初始设计而定。

如图3所示，在人-机交互环境中需要确定人的安全作业范围。其中人手距人脸沿z向的安全距离要大于d1，人脸距机器人末端执行器沿z向的距离处于d2_min～d2_max之间。d1、d2_min、d2_max的具体值可根据机器人型号和操作类型确定。本实施例中d1＝90mm，d2_min＝160mm，d2_max＝2500mm。

在人-机交互过程中，要经历人出现、人靠近、人手中目标物接近机器人末端执行器、末端执行器夹紧目标物、离开等不同状态。对应地，在经历上述状态时，融合型传感器可以将采集到的视觉信息、力/力矩信息和肤觉信息可以及时准确传送给机器人系统，以便机器人做出准确的轨迹规划动作，避免伤及到人。先是视觉传感器识别人脸及目标物，并完成信息传送。而后是夹持过程中力传感器的六维力信息传送。每一状态都由不同传感器起主导作用，但不同状态时各传感器均同台协作工作，发挥信息融合效应。所述视觉和力觉传感器保证人员安全的工作原理如下：

所述视觉传感器保证人员安全的工作原理如图1、图3所示，在人及目标物靠近机器人过程中，依据一定的视觉识别算法，视觉传感器可以识别出如图1所示θ角范围内(本实施例取70°)的人脸、人手及目标物。同样，当机器人系统能够探测到人脸时，机器人的运动情况也在人的视野范围之内。机器人有了视觉识别功能，就可以判断出人是否能够跟随机器人的动作并做好应对措施，这具有积极意义。当视觉信息中出现如下情况时，出于保护人员安全起见，视觉识别算法会自动取消机器人所执行任务：1)机器人系统不能探测到人脸；2)人手距人脸沿z向的距离小于安全距离d1＝90mm；3)操作人员手中没有目标物。

所述力传感器保证人员安全的工作原理为：在人手及手中目标物靠近机器人末端执行器的过程中，视觉传感器会辨别人手及手中目标物并展开视觉追踪。当目标物接近机器人末端执行器时，系统根据视觉传感器提供的目标物位姿信息判断出能否抓取目标物并计算出合理的抓取位置。抓取目标物时，六维力传感器会及时反馈夹紧力的大小和方向。融合力视觉传感器位姿信息及力传感器六维力信息，机器人末端执行器便能准确抓取目标物(本实施例中，超过5N的夹紧力即可抓取目标物)。上述过程中，当力传感器所测力超出安全极限情况(本实施例中，沿大地坐标系x、y、z方向的安全极限力均为±30N)，任务立即停止。

作为最后一道屏障，当人处于机器人所能感知视觉以外范围时，为保证人的安全，灵敏皮肤是必不可少的。比如在机器人旋转关节从侧面接近人并进行人机交互时，若人手和机器人末端执行器接近于8mm，灵敏皮肤便会感知到并执行算法，终止当前任务，避免人和机器人末端执行器的碰撞。

所述力传感器2和视觉传感器3之间的融合控制算法如图4所示，所述融合控制算法主体上分为视觉和力觉两路控制信号，所述两路控制信号均为反馈控制。

所述视觉控制信号流程为：

1)机器人系统中定位解算器实时输出机器人末端执行器位姿信息所述其中W表示大地坐标系，^Wx_m、^Wy_m、^Wz_m表示处于W坐标系中x、y、z轴的值，表示处于W坐标系中与x、y、z轴夹角大小；

2)所述步骤1)中位姿信息经坐标变换^ET_W转换为所述^ET_W为大地坐标到机器人末端执行器坐标的变换矩阵。所述其中E表示机器人末端执行器坐标系，^Ex_m、^Ey_m、^Ez_m表示处于E坐标系中x、y、z轴的值， 表示处于E坐标系中与x、y、z轴夹角大小；

3)所述步骤2)中机器人末端执行器实时位姿信息和理想状态下位姿信息进行“差”运算，得到的值。所述由经坐标变换^ET_C得到，所述^ET_C为视觉传感器坐标到机器人末端执行器坐标的变换矩阵。所述为视觉传感器3输出的机器人末端执行器理想状态下位姿信息，所述其中C表示视觉传感器坐标系，^Cx_v、^Cy_v、^Cz_v表示处于C坐标系中x、y、z轴的值，表示处于C坐标系中与x、y、z轴夹角大小。所述其中E表示机器人末端执行器坐标系，^Ex_v、^Ey_v、^Ez_v表示处于E坐标系中x、y、z轴的值， 表示处于E坐标系中与x、y、z轴夹角大小；

4)所述步骤3)中的值经比例系数S相乘后输出给位姿控制器，位姿控制器处理后再向外输出。所述比例系数S由视觉传感器3经特征提取辨别后输出给视觉控制流程中，和S的乘积为下式(1)，其中S₁～S₆＝1或0。

$S\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{X}=\left[\begin{array}{cccccc}{S}_1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& S_2& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& S_3& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& S_4& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& S_5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& S_6\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_x\\ {\mathrm{\ΔP}}_y\\ {\mathrm{\ΔP}}_z\\ {\mathrm{\ΔR}}_x\\ {\mathrm{\ΔR}}_y\\ {\mathrm{\ΔR}}_z\end{array}\right]---\left(1\right)$

所述力觉控制信号流程为：

1)机器人系统中力传感器2实时输出六维力信息所述 其中E表示机器人末端执行器坐标系，^EF_sx、^EF_sy、^EF_sz表示传感器自身坐标系中x、y、z向力的大小，^EM_sx、^EM_sy、^EM_sz表示传感器自身坐标系中绕x、y、z向力矩大小；

2)所述步骤1)六维力信息经坐标变换^ET_S转换为所述^ET_S为传感器坐标到机器人末端执行器坐标的变换矩阵。所述其中E表示机器人末端执行器坐标系，^EF_mx、^EF_my、^EF_mz表示处于E坐标系中x、y、z向力的大小，^EM_mx、^EM_my、^EM_mz表示处于E坐标系中绕x、y、z向力矩大小；

3)所述步骤2)中传感器六维力信息和安全极限力信息进行“差”运算，得到的值，所述可根据具体情况调整设置；

4)所述步骤3)中的值经比例系数1-S相乘后输出给力控制器，力控制器处理后再向外输出。所述比例系数1-S由视觉传感器3经特征提取辨别后输出给力觉控制流程中，和1-S的乘积为下式(2)，其中S₁～S₆＝1或0。

$(1-S)\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{F}=\left[\begin{array}{cccccc}1-S_1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1-S_2& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1-S_3& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1-S_4& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1-S_5& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1-S_6\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{F}_x\\ {\mathrm{\ΔF}}_y\\ {\mathrm{\ΔF}}_z\\ {\mathrm{\ΔM}}_x\\ {\mathrm{\ΔM}}_y\\ {\mathrm{\ΔM}}_z\end{array}\right]---\left(2\right)$

在所述视觉控制信号流程和所述力觉控制信号流程中，需要将视觉控制信号流程中位姿控制器的输出和力觉控制信号流程中力控制器的输出做“和”运算，得到的值并传送给机器人系统，机器人系统分别依托视觉和力觉系统进行反馈运算。

本实施例中，S值取0还是1由视觉传感器3的辨别追踪情况决定。当人和手中目标物未接触到机器人末端执行器时，S＝1；当人手中目标物开始接触机器人末端执行器时，S＝0。其他更多工况时S的取值可灵活设定。

图4所示控制算法中，机器人系统设置有语音提示器。它可以语音播报当前的状态、操作情况及是否出现错误，非常适合人-机交互作业。语音提示器使人及时知晓机器人当前正在做的事情并从容应对工作过程中出现的错误，有效提升人-机之间的安全系数，尤其是盲人或正专注于操作的人员。同时语音提示器的提示词更改也较为方便，改进提升空间较大。本实施例中机器人主要的工作状态及对应的提示音如图5所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述安全防护系统由处于人-机交互环境中的语音提示装置(1)、安装于机器人摆臂末端执行器上的融合型传感器、覆盖在机器人摆臂末端执行器上的灵敏皮肤(4)以及信号传递线路组成；所述融合型传感器由六维力传感器(2)和视觉传感器(3)组成；所述视觉传感器(3)用于对人脸、人手和目标物进行发现和识别；所述六维力传感器(2)用于测量三维直角坐标系中三个力分量和三个力矩分量，通过力信息帮助机器人调整交互操作时的接触力；所述灵敏皮肤(4)采用主动红外接近传感器，并以环状的形式覆盖在末端执行器上；所述语音提示装置(1)用于语音播报当前的状态、操作情况及是否出现错误。

2.根据权利要求1所述的一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述六维力传感器(2)和视觉传感器(3)之间采用融合反馈控制算法，所述融合控制算法分为视觉和力觉两路控制信号，为机器人系统提供力和视觉方面的综合性信息。

3.根据权利要求1所述的一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述视觉传感器(3)采用传感摄像头。

4.根据权利要求1所述的一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述语音提示装置(1)还可以采用声光报警提示器。