CN106926239A - 一种模块化传感组件、包含模块化传感组件的机器人安全保护系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化传感组件、包含模块化传感组件的机器人安全保护系统及其工作方法。属于机器人领域。安全性能高、能够精确判断接触点的位置和接触力的大小。包括若干传感单元和设于所述传感单元外侧的保护层，其特征在于，若干所述传感单元均布于所述保护层内呈矩阵排列；每个所述传感单元分别通过垂直方向的列线和水平方向的行线引出，处于同一垂直线上的传感单元共用一根列线，处于同一水平线上的传感单元共用一根行线，若干所述行线连接行多路选择开关，若干所述列线连接列多路选择开关，所述行多路选择开关和列多路选择开关连接测控单元。安全性能高、能够精确判断接触点的位置和接触力的大小。

Description

一种模块化传感组件、包含模块化传感组件的机器人安全保 护系统及其工作方法

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种视觉/触觉混合的机器人安全保护系统及其工作方法。

背景技术

传统工业机器人能在相对固定且被隔离的工作环境中完成单一重复性工作，已成功应用于制造行业，如装配、焊接、喷涂、搬运和加工等。为了确保安全，传统工业机器人必须远离人类，在保护围栏或者其他屏障之后，以避免人类受到机器人的伤害。随着工业自动化水平的提高和人口红利的逐渐消失，一些劳动密集型行业（如3C行业、医药食品及物流等行业）寻求自动化解决方案，其产品种类多，体积小，对操作的灵活度/柔性要求高，机器人不可能在所有工位都能代替人工，只能部分替代，需要人工与机器人协作完成：由人工负责触觉、灵活性要求高的工作，机器人完成重复性工作。这就导致了机器人与人之间必须协作，要求机器人具有安全协作的特性，而传统的工业机器人不能满足这种安全性需求。

协作机器人是机器人的最新发展趋势，能通过人—机器人协作把人类的灵活性、适应性和解决问题的能力与机器人的力量、耐久性和动作的准确性结合起来，为生产装配环节带来模式创新。人机协作还被认为是下一代机器人必须拥有的属性，通过实现“人机协作”使机器人真正走入家庭。安全性是人与机器人协作的首要考虑因素，因此协作机器人必须具备较强的环境感知能力，根据环境的变化改变自身的行为，例如，当机器人手臂与人类手臂碰撞时，机器人可根据触觉感知到人类手臂的存在，及时做出停止、远离或其他保护人类安全的动作。

目前协作机器人发展迅速，国内外的知名机器人公司纷纷推出了自己的协作机器人，如：ABB公司的YuMi双臂机器人具有视觉、触觉和力传感器技术，能应对从机械手表到手机、平板电脑零件的操作；KUKA公司的协作机器人LBRiiwa共拥有7个关节扭矩传感器，适用于柔性、灵活度和精准度要求较高的行业。然而这类协作机器人的触觉传感是间接触觉方式，即通过检测关节力矩来实现接触力感知，当接触力施加在靠进机器人末端的轴时灵敏度较好，在其它轴时灵敏度下降，这是通过关节力矩检测接触力协作机器人的共同问题，同时这种间接式触觉方式很难精确判断接触点的位置和接触力的大小。

协作机器人与人或其它机器人协作时可能出现最坏的情况就是发生碰撞，包括机器人与人或机器人之间的碰撞，可能会造成人员受伤或机器人受损，因此本发明采用直接式软触觉传感器，实现机器人的触觉感知与避让。同时，软触觉传感器能给接触者提供类生物接触的感受。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种安全性能高、能够精确判断接触点的位置和接触力的大小的模块化传感组件、包含模块化传感组件的机器人安全保护系统及其工作方法。

本发明的技术方案是：一种模块化传感组件，包括若干传感单元和设于所述传感单元外侧的保护层，其特征在于，若干所述传感单元均布于所述保护层内呈矩阵排列；

每个所述传感单元分别通过垂直方向的列线和水平方向的行线引出，处于同一垂直线上的传感单元共用一根列线，处于同一水平线上的传感单元共用一根行线，若干所述行线连接行多路选择开关，若干所述列线连接列多路选择开关，所述行多路选择开关和列多路选择开关连接测控单元。

所述测控单元包括信号转换器、模数转换器和信号处理单元，所述信号转换器通过模数转换器与所述信号处理单元连接，所述行多路选择开关和列多路选择开关分别连接信号转换器。

所述传感单元包括敏感材料层，所述敏感材料层的两侧分别设有电极，所述敏感材料层采用超弹性膜状软材料制成。

所述传感单元包括感应材料层，所述感应材料层设于所述基底内，所述感应材料包括感应片一和感应片二，所述基底内设有空腔，所述空腔的上壁上设有感应片一，所述空腔的下壁上设有感应片二，所述感应片一置于所述感应片二的正下方，所述感应片一和所述感应片二上分别设有电极，所述基底采用超弹性膜状软材料制成。

一种包含模块化传感组件的机器人安全保护系统，包括设于机器人上的立体视觉系统、模块化传感组件、机器人控制系统，所述立体视觉系统和模块化传感组件分别连接所述机器人控制系统；

所述模块化传感组件均匀的包覆在所述机器人上，所述模块化传感组件通过通信模块连接机器人控制系统。

所述立体视觉系统包括设于所述机器人上的至少两个摄像头，所述摄像头连接所述视觉处理模块，所述视觉处理模块连接所述机器人控制系统；

所述视觉处理模块包括微处理器，所述微处理器分别连接所述摄像头和所述机器人控制系统。

一种包含模块化传感组件的机器人安全保护系统的工作方法，其特征在于，包括距离/速度控制模式和接触避让控制模式两种工作方法；

所述距离/速度控制模式的工作方法的步骤为：

1.1）三维场景重建；

1.2）设定距离最小值；

1.3）判定是否接近设定值，若接近，转步骤1.4）否则继续运动；

1.4）降低速度并报警；

1.5）判断是否可保持最小距离绕过物体，若是，转步骤1.6）否则停止运行；

1.6）重新规划路径，继续运动；

1.7）判断是否完成任务，若完成则停止运动，否则转步骤1.3）；

所述接触避让控制模式的工作方法为按如下步骤进行工作，

2.1）三维场景重建；

2.2）设定距离最小值；

2.3）判定是否接近设定值，若接近，转步骤2.4）否则继续运动；

2.4）降低速度并报警；

2.5）判断是否有接触信息，若是，转步骤2.6）否则继续运动；

2.6）判断是否可避让若是则转步骤2.7）否则停止运行，

2.7）重新规划路径，继续运动；

2.8）判断是否完成任务，若完成则停止运动，否则转步骤2.3）。

所述三维场景重建的步骤如下：

1）图像采集，利摄像头采集实时图像；

2）图像预处理；利用微处理器将采集到的图像进行数据化处理；

3）图像分割；采集到的实时图像进行分割；

4）目标识别；微处理器提取图像，识别目标；

5）特征提取；通过特征点，得出特征点参数，

6）立体匹配；利用特征点构建三维图像，与实时图像进行匹配，修正三维图像参数；

7）模型三维重建，建立精确的三维模型场景，完毕。

本发明中模块化传感组件利用若干传感单元均布于所述保护层内呈矩阵排列，便于在使用过程中对模块化传感组件进行分区定位，从而能够方便的判断位置。传感单元的敏感材料层利用超弹性膜状软材料制成。超弹性膜状软材料具有良好的弹性且本身具有应变片的效果,使用中经过拉伸后可以均匀覆在在机器人的表面，不会形成空包。传感单元能够紧贴机器人表面，从而使得测量结果受到的干扰小，更加精确。

本发明中一种包含模块化传感组件的机器人安全保护系统，模块化传感组件经拉伸后均匀包覆在机器人表面，在超弹性软材料的作用下，传感单元与机器人表面贴合紧密，不会形成鼓泡、空腔等，传感精度高。测控单元控制行多路选择开关和列多路选择开关，通过行多路选择开关和列多路选择开关逐行、逐列扫描传感单元，扫描速度快，同一时间只扫描同一个传感单元，干扰小，更精确，能精确定位碰撞位置，为机器人实现避让动作提供足够的判定依据。形成了网格状的坐标系。方便碰撞时碰撞点的定位。电极可以设置成蜂窝状，这样在单位面积上就能够排布尽量多的电极，这样，判定碰撞位置时更加精确。

在工作时行多路选择开关和列多路选择开关也可以全部闭合，当发生碰撞时，碰撞点的传感单元的电容值发生变化，产生电流信息，通过行多路选择开关和列多路选择开关传递的电流信息经测控单元转换后传输给中央处理器，中央处理器即可得出撞击点所在的位置，依据撞击点所在位置和立体视觉系统综合制定避让方案，实现避让。同时，依据电流值的大小，可以进一步判定撞击力的大小，从而能够更加精准合理的制定避让方案。进一步缩短了反应时间，提高机器人的反应速度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图2是本发明中模块化传感组件结构示意图，

图3是本发明中传感单元结构示意图一，

图4是本发明中传感单元结构示意图二，

图5是本发明中测控单元结构示意框图，

图6是本发明工作状态流程图；

图中1是传感单元阵列，11是传感单元，111是敏感材料层，112是电极，113是保护层，114是基底，115是感应片一，116是感应片二，2是行多路选择开关，21是行线，3是列多路选择开关，31是列线，4是测控单元。

具体实施方式

本发明如图1-5所示一种模块化传感组件，包括若干传感单元和设于所述传感单元外侧的保护层，若干所述传感单元均布于所述保护层内呈矩阵排列；便于在使用过程中对模块化传感组件进行分区定位，从而能够方便的判断位置。

每个所述传感单元分别通过垂直方向的列线和水平方向的行线引出，处于同一垂直线上的软传感单元共用一根列线，处于同一水平线上的软传感单元共用一根行线。建立一个网格坐标系，便于在使用过程中对模块化传感组件进行分区定位，从而能够方便的判断位置。

若干所述行线连接行多路选择开关，若干所述列线连接列多路选择开关，所述行多路选择开关和列多路选择开关连接测控单元。测控单元用于采集传感单元传感的初步信号，并将初步信号转换为机器人控制系统能够识别的信号并进行模数转换，使得机器人控制系统能够直接读取和处理传感信号，缩短机器人控制系统的处理时间，提高反应速度。

测控单元包括信号转换器、模数转换器和信号处理单元，所述信号转换器通过模数转换器与所述信号处理单元连接，所述行多路选择开关和列多路选择开关分别连接信号转换器。信号转换器将传感单元采集到的信号转换为机器人控制系统能够处理的信号，例如传感单元传输的原始信号是连续的电压值信号（电压模拟信号），其取值范围是-5V到5V，而机器人控制系统仅能甄别0V到5V的方波信号，此时将原始信号通过信号转换器转换为0V到5V的连续信号，再经过模数转换器将0V到5V的连续信号转换为高电平为5V，低电平为0V的方波信号，最后信号处理单元将方波信号压缩后通过通信模块传输给机器人控制系统，提高传输速度。方便机器人控制系统进行直接处理，减少了机器人控制系统的处理步骤，缩短了机器人控制系统的反应时间，提高反应速度。

所述传感单元包括敏感材料层，所述敏感材料层的两侧分别设有电极，所述敏感材料层采用超弹性膜状软材料制成。超弹性膜状软材料具有良好的弹性且本身具有应变片的效果,使用中经过拉伸后可以均匀覆在在机器人的表面，不会形成空包。传感单元能够紧贴机器人表面，从而使得测量结果受到的干扰小，更加精确。受到压力时超弹性膜状软材料产生形变，设于超弹性膜状软材料的电极检测到电容值的变化，从而使得压力值信号转换为电信号输出。

所述传感单元包括感应材料层，所述感应材料层设于所述基底内，所述感应材料包括感应片一和感应片二，所述基底内设有空腔，所述空腔的上壁上设有感应片一，所述空腔的下壁上设有感应片二，所述感应片一置于所述感应片二的正下方，所述感应片一和所述感应片二上分别设有电极，所述基底采用超弹性膜状软材料制成。超弹性膜状软材料具有良好的弹性，使用中经过拉伸后可以均匀覆在在机器人的表面不会形成空包。使得传感单元能够紧贴机器人表面，从而使得测量结果受到的干扰小，更加精确。使用时，感应片一和感应片二外部的压力值变化从而使得压力信号转化为电信号输出，测量精确，若干传感单元之间独立，测量时受到的干扰小，测量精确。

一种包含模块化传感组件的机器人安全保护系统，包括设于机器人上的立体视觉系统、模块化传感组件、机器人控制系统，所述立体视觉系统和模块化传感组件分别连接所述机器人控制系统；

所述模块化传感组件均匀的包覆在所述机器人上，模块化传感组件经拉伸后均匀包覆在机器人表面，在超弹性软材料的作用下，传感单元与机器人表面贴合紧密，不会形成鼓泡、空腔等，传感精度高。

测控单元控制行多路选择开关和列多路选择开关，通过行多路选择开关和列多路选择开关逐行、逐列扫描传感单元，扫描速度快，同一时间只扫描同一个传感单元，干扰小，更精确，能精确定位碰撞位置，为机器人实现避让动作提供足够的判定依据。同时侧空单元进行信号的处理和转换，方便机器人控制系统直接读取和比对，缩短机器人控制系统的反应时间，提高反应速度。这样，机器人控制系统需要的算法就不是太复杂，可以采用单片机，成本低，易于控制。

若干所述传感单元呈阵列排布在机器人的表面。形成N×M矩阵式传感单元阵列，其中N和M均为≥1的自然数。传感单元阵列的每个传感单元的两侧电极分别通过垂直方向的列线和水平方向的行线引出，其中，一侧处于同一垂直线上的软传感单元共用一根列线，共有M条列线；另一侧处于同一水平线上的软传感单元共用一根行线，共有N条行线。形成了网格状的坐标系。方便碰撞时碰撞点的定位。电极可以设置成蜂窝状，这样在单位面积上就能够排布尽量多的电极，这样，判定碰撞位置时更加精确。

所述立体视觉系统包括设于所述机器人上的至少两个摄像头，所述摄像头连接所述视觉处理模块，所述视觉处理模块连接所述机器人控制系统；所述视觉处理模块包括微处理器，所述微处理器分别连接所述摄像头和所述机器人控制系统。利用视觉处理模块处理摄像头拍摄的图像，将实时图像转换为三维模型传输至和视觉处理模块连接的机器人控制系统，作为机器人控制系统制定避让方案的依据。

测控单元包括信号转换器、模数转换器和信号处理单元，所述信号转换器通过模数转换器与所述信号处理单元连接，所述行多路选择开关和列多路选择开关分别连接信号转换器。当机器人工作时，行多路选择开关和列多路选择开关顺序闭合，对若干传感单元进行逐行扫描，在发生碰撞时能够及时定位，用时时间短，反应速度快。

在工作时行多路选择开关和列多路选择开关也可以全部闭合，当发生碰撞时，碰撞点的传感单元的电容值发生变化，产生电流信息，通过行多路选择开关和列多路选择开关传递的电流信息经测控单元转换后传输给中央处理器，中央处理器即可得出撞击点所在的位置，依据撞击点所在位置和立体视觉系统综合制定避让方案，实现避让。同时，依据电流值的大小，可以进一步判定撞击力的大小，从而能够更加精准合理的制定避让方案。

一种机器人安全保护系统的工作方法，其特征在于，包括距离/速度控制模式和接触避让控制模式两种工作方法；

所述距离/速度控制模式的工作方法的步骤为：

1.1）三维场景重建；利用立体视觉系统建立三维场景，通过三维场景判定距离，同时实时监控机器人运动轨迹。

1.2）设定距离最小值利用最小值做比对基准，与实际值比对，便于判定；

1.3）判定是否接近设定的最小值，若接近，转步骤1.4）否则继续运动；

1.4）降低速度并报警；

1.5）判断是否可保持最小距离绕过物体，若是，转步骤1.6）否则停止运行；在并未发生碰撞时绕开物体，既能够完成预定任务又能够避免事故发生。

1.6）重新规划路径，继续运动；

1.7）判断是否完成任务，若完成则停止运动，否则转步骤1.3）；

所述接触避让控制模式的工作方法为按如下步骤进行工作，

2.1）三维场景重建；

2.2）设定距离最小值；

2.3）判定是否接近设定值，若接近，转步骤2.4）否则继续运动；

2.4）降低速度并报警；

2.5）判断是否有接触信息，若是，转步骤2.6）否则继续运动；

2.6）判断是否可避让若是则转步骤2.7）否则停止运行，

2.7）重新规划路径，继续运动；

2.8）判断是否完成任务，若完成则停止运动，否则转步骤2.3）。

所述三维场景重建的步骤如下：

1）图像采集，利摄像头采集实时图像；

2）图像预处理；利用微处理器将采集到的图像进行数据化处理；

3）图像分割；在整个图像中找出目标（单个部件），进行分割；

4）目标识别；微处理器提取图像，识别目标；

5）特征提取；提取目标的特征点，得出特征点参数，

6）立体匹配；利用特征点构建三维图像，与实时图像进行匹配，修正三维图像参数；

7）模型三维重建，建立精确的三维模型场景，完毕。

Claims (8)

1.一种模块化传感组件，包括若干传感单元和设于所述传感单元外侧的保护层，其特征在于，若干所述传感单元均布于所述保护层内呈矩阵排列；

每个所述传感单元分别通过垂直方向的列线和水平方向的行线引出，处于同一垂直线上的传感单元共用一根列线，处于同一水平线上的传感单元共用一根行线，若干所述行线连接行多路选择开关，若干所述列线连接列多路选择开关，所述行多路选择开关和列多路选择开关连接测控单元。

2.根据权利要求1所述的一种模块化传感组件，其特征在于，所述测控单元包括信号转换器、模数转换器和信号处理单元，所述信号转换器通过模数转换器与所述信号处理单元连接，所述行多路选择开关和列多路选择开关分别连接信号转换器。

3.根据权利要求2所述的一种模块化传感组件，其特征在于，所述传感单元包括敏感材料层，所述敏感材料层的两侧分别设有电极，所述敏感材料层采用超弹性膜状软材料制成。

4.根据权利要求2所述的一种模块化传感组件，其特征在于，所述传感单元包括感应材料层，所述感应材料层设于所述基底内，所述感应材料包括感应片一和感应片二，所述基底内设有空腔，所述空腔的上壁上设有感应片一，所述空腔的下壁上设有感应片二，所述感应片一置于所述感应片二的正下方，所述感应片一和所述感应片二上分别设有电极，所述基底采用超弹性膜状软材料制成。

5.一种包含权利要求2所述模块化传感组件的机器人安全保护系统，其特征在于，包括设于机器人上的立体视觉系统、模块化传感组件、机器人控制系统，所述立体视觉系统和模块化传感组件分别连接所述机器人控制系统；

所述模块化传感组件均匀的包覆在所述机器人上，所述模块化传感组件通过通信模块连接机器人控制系统。

6.据权利要求5所述的机器人安全保护系统，其特征在于，所述立体视觉系统包括设于所述机器人上的至少两个摄像头，所述摄像头连接所述视觉处理模块，所述视觉处理模块连接所述机器人控制系统；

所述视觉处理模块包括微处理器，所述微处理器分别连接所述摄像头和所述机器人控制系统。

7.一种包含模块化传感组件的机器人安全保护系统的工作方法，其特征在于，包括距离/速度控制模式和接触避让控制模式两种工作方法；

所述距离/速度控制模式的工作方法的步骤为：

1.1）三维场景重建；

1.2）设定距离最小值；

1.3）判定是否接近设定值，若接近，转步骤1.4）否则继续运动；

1.4）降低速度并报警；

1.5）判断是否可保持最小距离绕过物体，若是，转步骤1.6）否则停止运行；

1.6）重新规划路径，继续运动；

1.7）判断是否完成任务，若完成则停止运动，否则转步骤1.3）；

所述接触避让控制模式的工作方法为按如下步骤进行工作，

2.1）三维场景重建；

2.2）设定距离最小值；

2.3）判定是否接近设定值，若接近，转步骤2.4）否则继续运动；

2.4）降低速度并报警；

2.5）判断是否有接触信息，若是，转步骤2.6）否则继续运动；

2.6）判断是否可避让若是则转步骤2.7）否则停止运行，

2.7）重新规划路径，继续运动；

2.8）判断是否完成任务，若完成则停止运动，否则转步骤2.3）。

8.根据权利要求7所述的包含模块化传感组件的机器人安全保护系统的工作方法，其特征在于，所述三维场景重建的步骤如下：

1）图像采集，利摄像头采集实时图像；

2）图像预处理；利用微处理器将采集到的图像进行数据化处理；

3）图像分割；采集到的实时图像进行分割；

4）目标识别；微处理器提取图像，识别目标；

5）特征提取；通过特征点，得出特征点参数，

6）立体匹配；利用特征点构建三维图像，与实时图像进行匹配，修正三维图像参数；

7）模型三维重建，建立精确的三维模型场景，完毕。