CN107813308A - 一种机器人的人机协作系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种机器人的人机协作系统，包括：内置力感应系统，包括柔性机构、测力传感器、处理器；区域监控系统，包括激光距离传感器；急停系统，包括与所述激光距离传感器连接的伺服减速电机；语音识别系统，包括语音采集单元，语音识别单元和控制输出单元。有以下有益效果：机器人的工作设置正常工作模式和人机协作模式，避免了因人机协作速度慢，影响了正常的工作效率；另外设置“硬安全+软安全”的双保险模式，在人进入人机协作区间后，机器人的工作速度和力降低，且带有弹性挡圈的机械手臂与人柔性接触；通过语音识别与急停系统连接，在人遇到危险需要紧急停止时，通过语音输出使机器尽快停止运行。

Description

一种机器人的人机协作系统
技术领域
本发明属于工业机器人的生产加工技术领域，具体涉及一种机器人的人机协作系统。
背景技术
目前，机器人多利用其快速、准确的特点来负责重复性的工作，而由于人类的工作范围是柔性，触觉，灵活性要求比较高的工序；工作中将两者结合，则需要协作机器人。
比如组装键盘，可以由机器人把键帽放置到位，人来进行卡扣的工作；再比如组装手机/电脑，机器人负责把主要零配件、螺丝放到合适的位置，人来负责排线安装，卡扣，拧螺丝的工作。
但是如果二者要合作，中间还要隔一个栅栏就太不方便了，人和机器人之间要进行交互，还要先通过安全门，整体效率还不如单独使用人来得高。这个时候就需要一些额外的技术来保证机器人与人类可以安全的在同一个区域工作，而不需要栅栏这样碍事的东西挡在中间，即要求机器人具有安全协作的特性。
各大机器人厂商的机器人都配备有各自的安全技术，例如ABB的SafeMove， Fanuc的DCS，KUKA的KUKA.safe，但其安全功能本身还比较初级，例如将物理的围栏换成了虚拟围栏、检测到有人靠近时自动停止，仍然不算是完整的协作安全技术。
按照协作程度从低到高，提出了四种人机协作方式(Methods)，分别是：
Safety-rated monitored stop(安全级监控停止)；Hand guiding(手动引导)；Speed and separation monitoring(速度和距离监控)；Power and force limiting(功率和力限制)，前三种方式并不允许人与机器人进行直接接触，而第四种方式更为本质、更为高级、更为安全的协作功能，即对机器人本身所能输出的能力和力进行限制，从根源上避免伤害事件的发生。在该模式下，允许机器人系统(包括工件)与人体之间发生故意或者无意的物理接触。
此外，由于为了控制力和碰撞能力，协作机器人的运行速度比较慢，通常只有传统机器人的三分之一到二分之一，降低了速度影响工作效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种机器人的人机协作系统，包括机械本体单元，控制单元，驱动单元，所述机械本体单元包括机械手臂，包括：
内置力感应系统，包括位于机器人的机械手臂上的柔性机构，所述柔性机构上设置测力传感器，所述测力传感器与处理器连接，所述处理器与所述控制单元连接；
区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述控制单元连接，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低；
急停系统，包括与所述激光距离传感器连接的伺服减速电机；
语音识别系统，包括语音采集单元，语音识别单元和控制输出单元，所述控制输出单元与急停系统连接。
优选地，所述柔性机构设置为多片柔性挡圈，所述柔性挡圈套于机械手臂上。
优选地，所述机器人和所述柔性挡圈的与人接触的区域，表面设置圆滑倒角。
优选地，所述最内侧的安全域的速度设定为1.5m/s左右，且机械手臂的力的最大值控制在150N左右。
优选地，所述急停系统激活时，机器人的电源不断开，所述伺服减速电机用于中断当前动作，在恢复启动时，机器人复位所有动作。
本发明有以下有益效果：机器人的工作设置正常工作模式和人机协作模式，避免了因人机协作速度慢，影响了正常的工作效率；另外设置“硬安全+软安全”的双保险模式，在人进入人机协作区间后，机器人的工作速度和力降低，且带有弹性挡圈的机械手臂与人柔性接触；通过语音识别与急停系统连接，在人遇到危险需要紧急停止时，通过语音输出使机器尽快停止运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明一种机器人的人机协作系统的机械手臂的正视图；
图2为本发明一种机器人的人机协作系统的机械手臂的侧视图；
图3为本发明操作区域的示意图；
其中，1、机械手臂；2、弹性挡圈；R1、安全域监控范围1；R2、安全域监控范围2；R3、安全域监控范围3；S1、操作域；S2、协作域；S3、降速域；S4、警示域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-图3所示，本发明提出了一种机器人的人机协作系统，包括机械本体单元，控制单元，驱动单元等，所述机械本体单元包括机械手臂1，机械抓手等，发明内容包括：
内置力感应系统、区域监控系统、急停系统和语音识别系统，所述各个系统均与机器人的控制单元连接，用于判断机器人的运动是否停止。
内置力感应系统，包括位于机器人的机械手臂1上的柔性机构，所述柔性机构上设置测力传感器，所述测力传感器与处理器连接，所述处理器与所述控制单元连接，用于判断机器人对外输出的力是否超过限制；
具体的，由于面积越小，压强越大，柔性机构设置为多片柔性挡圈2，所述柔性挡圈2套于机械手臂1上，所述柔性挡圈2如图1和图2所述，使机械手臂 1在撞击到人类的同时，柔性挡圈2发生形变，不至于对人类产生伤害；此外，机器人和所述柔性挡圈2的与人接触的区域，表面设置圆滑倒角，避免出现尖锐边缘导致工作过程中误伤到人类；
柔性挡圈2上的测力传感器，构成力感应系统，在机器人运动过程中，可实时感应手臂是否与人或物体有碰触，一旦跟人接触后，柔性挡圈2发生形变，形变反馈到测力传感器，处理器根据内置力传感器传输过来的信号，判断是否有碰触，然后将信号传输到机器人的控制单元中，判断形变的大小，当超过阈值时对机器人停止对应的运动。
区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述控制单元连接，用于监测人的位置，从而判断系统的运转速度，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低，从而使人不在时，高速运转提高生产效率，人在的时候慢速运行保障人的安全；
具体地，激光距离传感器产生安全光幕，将操作区域由内向外区分为操作域 S1、协作域S2、降速域S3、警示域S4，机械人所在位置标定为操作域S1，人机协作的区域标定为协作域S2，当人进入警示域S4前，机器人保持正常的工作速度，当人进入警示域S4时，机器人引起警戒，激活急停系统和激光距离传感器的安全光幕，当人进入到降速域S3时，机器人的工作速度降低，当人进入到协作域 S2时，机器人的工作速度降低到限定值内。
若人进入到协作域S2前，机器人尚无法将速度降到足够低，或人进入到降速域S3前，机器人系统还没有为降速做好准备，则触发保护停止，由急停系统触发急停。
此外，为了防范人进入安全域内而激光距离传感器未动作，或其他的失效，多个所述安全域的地面铺设压敏地毯，所述压敏地毯通过铺设在地面上的地毯中的压力传感器，感知到人的进入，从而激活急停系统，便于检修激光距离传感器的故障，通过双保险的形式保障了人的安全。
根据国际标准：协作机器人设计标准ISO 15066，机器与人发生碰撞时，能够保证人体不受疼痛/伤害影响的值是才是安全的，因此将协作域S2的速度设定为1.5m/s左右，且机械手臂1的力的最大值控制在150N左右，是一个相对安全的数值。
急停系统，包括与所述激光距离传感器连接的伺服减速电机，所述急停系统用于在机构发生失效等故障时，保障人员的安全；
具体地，急停系统激活时，机器人的电源不断开，使急停过程受控；所述伺服减速电机用于中断当前动作，在恢复启动时，机器人复位所有动作，即该急停系统存在中断功能和复位功能；
由于实际的工作中，只需要暂停操作过程，而不是终止操作，所以需要电机仍处于通电状态，急停后不切断驱动单元电源；另外，如果只是断开电源，由于惯性反而会使机器人进一步伤害人类。
语音识别系统，包括语音采集单元，语音识别单元和控制输出单元，所述控制输出单元与急停系统连接。
具体地，在操作过程中，随时的中断机器人的操作是必须的，而频繁的通过按键的方式操作繁琐，因此设置语音识别系统，使人在操作过程中，通过输入“停”，“暂停”等词汇的语音输入，机器人暂停当前的动作，在人继续输入“开始”，“继续”等词汇时，复位之前的操作，需要注意的是，为了提高语音识别的速度，以及为了题高语音识别的精准度，因此在操作之前，需要提供词库的清单，使用者学习语音识别的词库后开始操作，且词库的内容设置简单，满足生产的必须操作即可，从而题高语音识别检索的速度，从而题高从语音输入停止到机器人的控制单元控制驱动单元停止的时间。
额外地，通过减轻机器人的机身重量，也可以有效地降低其对人体的冲击，从而确保人机协作的安全。
当人机协作完成时，人类离开到达警示域S4时，机器人恢复加工速度到初始速度，当人类离开警示域S4时，人机协作系统处于待机状态，从而节能，压敏地毯一直处于开启状态，保障生产安全。
对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种机器人的人机协作系统，包括机械本体单元，控制单元，驱动单元，所述机械本体单元包括机械手臂，其特征在于，包括：
内置力感应系统，包括位于机器人的机械手臂上的柔性机构，所述柔性机构上设置测力传感器，所述测力传感器与处理器连接，所述处理器与所述控制单元连接；
区域监控系统，包括位于操作区域中央的激光距离传感器，所述激光距离传感器与所述控制单元连接，所述操作区域由内向外标定多个安全域，所述不同安全域对应的机器人的工作速度不同，最内侧的安全域的工作速度最低；
急停系统，包括与所述激光距离传感器连接的伺服减速电机；
语音识别系统，包括语音采集单元，语音识别单元和控制输出单元，所述控制输出单元与急停系统连接。
2.根据权利要求1所述的机器人的人机协作系统，其特征在于:所述柔性机构设置为多片柔性挡圈，所述柔性挡圈套于机械手臂上。
3.根据权利要求1或2所述的机器人的人机协作系统，其特征在于:所述机器人和所述柔性挡圈的与人接触的区域，表面设置圆滑倒角。
4.根据权利要求1所述的机器人的人机协作系统，其特征在于:所述最内侧的安全域的速度设定为1.5m/s左右，且机械手臂的力的最大值控制在150N左右。
5.根据权利要求1所述的机器人的人机协作系统，其特征在于:所述急停系统激活时，机器人的电源不断开，所述伺服减速电机用于中断当前动作，在恢复启动时，机器人复位所有动作。
6.根据权利要求1所述的机器人的人机协作系统，其特征在于:多个所述安全域的地面铺设压敏地毯。
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