CN110394829A - 机器人防撞装置、机器人及机器人防撞方法 - Google Patents
机器人防撞装置、机器人及机器人防撞方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种机器人防撞装置，配置于一机器人上并与该机器人进行通信以协助该机器人的防撞工作，包含：一热感测单元，用于侦测一物件所产生的一热源；一存储器，连接该热感测单元；一传输单元，连接该存储器；及一控制单元，连接该热感测单元、该存储器与该传输单元，控制该热感测单元对该热源所产生的一热影像矩阵信号以储存于该存储器中，并对该热影像矩阵信号进行处理，以判断该物件是否为一人体，当判断该物件为该人体时，计算该人体与该机器人的一相对距离，经由该传输单元传送至该机器人，以协助该机器人进行防撞准备。
Description
技术领域
本发明是关于一种机器人，特别关于一种机器人防撞装置、机器人及机器人防撞方法。
背景技术
目前，机器人概略分为两类，一类是服务型机器人，另一类是工业机器人。无论是服务型机器人或工业机器人，两者的发展速度都非常快。其中，工业机器人另一种称呼为工业机器手臂。由于工业机器人担负了快速生产的重任，因此，目前大多数的工业机器手臂大多被隔离在坚固的安全围篱(safety fences)内，因没有工作人员进入的顾虑，可让工业机器手臂可以高速运作，并且，许多机种也被期望拥有高乘载重量的功能。将工业机器手臂隔离起来，会让工厂浪费许多空间作为作业隔离区，同时也限制人类与机械协作的可能性。
由于客制化产品制造的趋势，使得原来的标准化生产流程，必须时常动态地调整，这也使得生产流程必须能够弹性的调整，同步地，机器人的安全围篱的设计，让工厂的工作流程，无法顺应这种客制化的生产条件。也因此，国际标准组织发表了ISO/TS 15066规范，针对ISO 10218“工业机器人安全要求”，让协作机器人变得更为安全，也有助于提升产线运作效率。例如，ISO 10218-2针对协作机器人的要求条文中，第5.11.3条要求：“在小于 500mm 净空的区域，有额外防护措施，以防止暴露于缠陷或夹伤的危害。”例如，ISO 10218-1协作机器人要求条文中，第5.5条要求：”每一机器人均应具有保护性停止功能及独立的紧急停止功能，此等功能须具备与外部保护装置连线。”第5.5.3条要求：“机器人应具备 1 项以上保护性停止功能，且于设计上可连接外部保护装置。”第5.10.2条要求：“人员位于协同工作空间内时，机器人即停止。” 第5.10.4条要求：“机器人维持既定的速率及分隔距离。”等等。
由于此一工业机器手臂与人类协作的趋势已势不可挡，因此，许多针对工业机器人的防撞技术也日新月益。目前，主流的防撞技术，若要达到ISO 10218-1、ISO 10218-2的前述要求，大都必须搭配许多配件，例如，要达到ISO 10218-2第5.11.3条的净空区域500mm的要求，目前仅能通过净空区的规划，因此，光栅技术成为目前净空区的首选技术方案。例如，要达到ISO 10218-1第5.5条的保护性停止功能及紧急停止功能，目前的主流技术方案为通过机器人手臂上加上防护外壳，通过防护外壳的压力侦测器、接触侦测器、电容侦测器等，来实现碰撞时的保护性停止功能。然而，此一防碰撞技术，严格说来并非防碰撞，而是减低碰撞造成的伤害。
真正的防碰撞技术方案，应该是避免产生碰撞，目前已经有一些具体的解决方案。例如，中国台湾专利第I564128号，其揭示了一种“防撞侦测装置、相应的控制方法及适用其的机械手臂”，其运用了投射电容式感测器具有一定空间感应的功能，来实现于机械手臂朝向预设移动路径时的主动防碰撞技术。此一技术，突破了以往机器人手臂于碰撞后减低碰撞伤害的技术缺点，而实现了主动防止碰撞的功能。然而，此一技术还是无法满足ISO10218-2第5.11.3条的净空区域500mm的要求，运用此技术，还是必须搭配光栅的解决方案。而投射电容式感测器无法实现超过500mm以上的空间感应，也使得此一技术无法应用于须满足ISO 10218-2第5.11.3条的净空区域500mm的工作环境。
中国台湾专利第I608894号，揭露了一种“智慧防撞安全系统及应用其的工具机”，其运用设置于远端的三维影像撷取单元，与三维模型资讯，计算加工头与其他物件的相对距离，当距离低于一预设警告距离时发出警告。然而，此种设于远端的影像撷取单元，有许多的死角，同样无法界定出ISO 10218-2第5.11.3条的净空区域500mm，还是必须搭配光栅的技术方案。也无法实现ISO 10218-1第5.5条的保护性停止功能及紧急停止功能，仅能实现危险情形的监控。
中国专利第CN103192414A(公开)号，揭露了一种基于机器视觉的机器人防撞保护装置及方法，其运用拍摄装置拍摄场所的照片，并与预设照片比较，在不同区域不同时，以不同的警示方式产生警示，如警示灯、蜂鸣器、停止动作等。此一技术方案，类似中国台湾专利第I608894号，仅能达到远端的危险监控，同样无法满足ISO 10218-2第5.11.3条的净空区域500mm要求与ISO 10218-1第5.5条的保护性停止功能及紧急停止功能等要求。
总括来说，目前尚未有完整的防撞技术解决方案，可同步满足以上的各种ISO10218-1、10218-2的防撞安全性要求。总括来说，要满足其要求必须实现三种功能，一个是能对人体进行辨识，另一个是能够主动侦测到与人体之间的相对距离，甚至是绝对距离，接着，通过非接触的方式，直接避免碰撞。因此，如何能提供一种能够同时达到人体辨识，并且能够实现与人体的相对距离的取得的技术方案，方能真正主动地实现机器人手臂的防撞目标。
此外，服务型机器人也有同样的防碰撞要求，特别是，服务型机器人会随时在人体旁边，甚至，会直接接触人体。因此，机器人防撞技术需要进一步深化至主动防撞，其成为未来机器人产业发展的重要里程碑。
发明内容
为达上述目的，本发明提供一种机器人防撞装置、机器人与机器人防撞方法，运用热影像感测单元来感测物件的人体温度并判断是否为人，再进一步判断物件与机器人的相对距离，即可提供机器人此一防撞的基本讯息，让机器人具有视觉与判断的能力，即可实现机器人的主动与智慧防撞。
本发明提供一种机器人防撞装置，配置于一机器人上并与该机器人进行通信以协助该机器人的防撞工作，包含：一热感测单元，用于侦测一物件所产生的一热源；一存储器，连接该热感测单元；一传输单元，连接该存储器；及一控制单元，连接该热感测单元、该存储器与该传输单元，控制该热感测单元对该热源所产生的一热影像矩阵信号以储存于该存储器中，并对该热影像矩阵信号进行处理，以判断该物件是否为一人体，当判断该物件为该人体时，计算该人体与该机器人的一相对距离，经由该传输单元传送至该机器人，以协助该机器人进行防撞准备。
本发明还提供一种机器人，运用本发明的机器人防撞视觉装置，包含：一机器人处理器，经由一连接介面而连接至该传输单元与该控制单元，接收该控制单元所产生的该相对距离，借以进行防碰撞准备。
本发明另提供一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：撷取一热影像矩阵信号；建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型；判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内；将落入该人体温度范围内的该热源，计算出一相对距离；当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号；及当该热源落入该人体温度范围内时，产生一人体进入信号。
本发明又提供一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：撷取一热影像矩阵信号；建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型；判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内；将落入该人体温度范围内的该热源计算出于该热影像矩阵的一热影像占比；当该热影像占比达一警示占比时，产生一人体进入警示范围信号；及当该热源落入该人体温度范围内时，产生一人体进入信号。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数个较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下（实施方式）。
附图说明
图1A-1D，本发明的机器人防撞装置、机器人的立体、上视图等动作示意图。
图2A-2B，本发明的机器人防撞装置的两具体实施例功能方块图。
图3A-3C，本发明的机器人防撞装置的另三个具体实施例功能方块图。
图4A-4E，本发明的机器人防撞装置的另五个具体实施例功能方块图。
图5，本发明将机器人防撞装置配置于机器人的固定部位的感测空间示意图。
图6，本发明将机器人防撞装置配置于机器人的手臂部位的感测空间示意图。
图7，本发明将机器人防撞装置配置于机器人的手臂部位的主动防撞动作示意图。
图8，本发明的相对距离计算，运用热影像模型的面积占比法示意图。
图9-15，本发明的机器人防撞方法的多个具体实施例流程图。
符号说明：
10：机器人
11：具有底座
12：固定座
13：第一旋转部
14：第一旋转轴固定部
15：第一臂
16：第二臂
20、20-1、20-2、20-3、20-4、20-5、20-6、20-7：机器人防撞装置
21：控制单元
22A-1、22A-2：热影像矩阵
22B-1、22B-2：影像感测矩阵
22C-1、22C-2：超音波影像感测矩阵
23A-1、23A-2：第一噪声处理电路
23B-1、23B-2：第二噪声处理电路
23C-1、23C-2：第三噪声处理电路
24A-1、24A-2：镜头组
24B-1、24B-2：镜头组
24C-1、24C-2：镜头组
25：传输单元
26：存储器
27：陀螺仪
28A-1、28A-2：第一模拟数字转换器
28B-1、28B-2：第二模拟数字转换器
28C-1、28C-2：第三模拟数字转换器
101、102、103、104、105、106、107：视角范围
99：人体
D1、D2、D3：距离。
具体实施方式
根据本发明的多个实施例，本发明提供了一种机器人防撞装置、机器人及机器人防撞方法，其运用了一个或多个热影像矩阵来撷取环境的热影像，并通过热影像模型比对技术，来实现对人体与非人体的判断。除了对人体的判断外，通过热影像模型与预储存的人体影像模型的比对，可判断出即时的热影像模型(也就是人体)与防撞装置的相对距离。更甚者，搭配影像撷取单元取得第二感知范围空间模型，或取得相对速度参数等等，可进一步协助防撞装置判断其与人体的相对距离。掌握了人体与相对距离，本发明即可进行一系列的精准的机器人防撞动作，甚至协作动作，实现了主动防撞，更进一步让机器人视觉化、智慧化。
请参考图1A-1D，本发明的机器人防撞装置、机器人的立体、上视图等动作示意图。本发明的机器人10具有底座11、固定座12、第一旋转部13、第一旋转轴固定部14、第一臂15与第二臂16。在机器人10的固定座12配置有4个机器人防撞装置20-1、20-2、20-3、20-4，在机器人的第二臂16上配置有三个机器人防撞装置20-5、20-6、20-7。由图1B-1D可知，在机器人10的固定座12上配置的4个机器人防撞装置20-1、20-2、20-3、20-4，不会随着机器人10的第一旋转部13或者第一臂15与第二臂16的旋转、移动而改变其视角，其视角的范围如图5所示，分别为视角范围101、102、103、104。当人体99进入视角范围101时，将会被机器人防撞装置20-1侦测到。而在机器人的第二臂16上配置的三个机器人防撞装置20-5、20-6、20-7，则会随着机器人10的第一旋转部13或者第一臂15与第二臂16的旋转、移动而改变其视角。机器人防撞装置20-5、20-6、20-7的视角范围，请参考图6，当人体99进入视角范围105时，将会被机器人防撞装置20-5侦测到。而机器人防撞装置20-6的视角范围106与机器人防撞装置20-7的视角范围107则不会看到人体99。在此实施例中，人体99移动时，同时被机器人防撞装置20-1、20-5所侦测到。由于有两个机器人防撞装置20-1、20-5同时侦测到，而机器人防撞装置20-1、20-5会产生热影像差，并且，两者的距离已知，本发明即可据以判断人体99与机器人防撞装置20-1、20-5的相对距离。换言之，本发明可通过两个机器人防撞装置来计算出物件的相对距离。
本发明通过热感测单元当中的一个热影像矩阵或两个以上的热影像矩阵来实现人体的辨识与相对距离的计算。以下，将列举数个实施例来说明本发明的各个功能方块。
请参考图2A-2B，本发明的机器人防撞装置的两个具体实施例功能方块图。首先，图2A的实施例中，本发明的机器人防撞装置20A，配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、热感测单元采用了热影像矩阵22A-1、镜头组24A-1、第一模拟数字转换器28A-1、第一噪声处理电路23A-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。其中，热影像矩阵22A-1用于侦测物件所产生的热源，存储器26连接热影像矩阵22A -1、第一模拟数字转换器28A-1、第一噪声处理电路23A-1、传输单元25与控制单元21。控制单元21则连接了第一噪声处理电路23A-1、第一模拟数字转换器28A-1、热影像矩阵22A-1 、存储器26、传输单元25与陀螺仪27等。为了图式的简洁起见，图式部分连接关系未绘出。热影像矩阵22A-1、第一模拟数字转换器28A-1、第一噪声处理电路23A-1受控于控制单元21而对环境进行扫描与侦测。当扫描到一物件(为热源)时，热影像矩阵22A-1即产生一热影像矩阵信号，随即储存于存储器26。而此热影像矩阵信号由第一模拟数字转换器28A-1与第一噪声处理电路23A-1处理过后，将噪声滤除，并转换为数字信号。控制单元21即可将此干净的数字信号进行分析与判断、计算等处理动作，即可判断物件是否为一人体。当判断该物件为人体时，计算人体与机器人的一相对距离 ，接着，即可经由传输单元25将有人体出现，人体的相对距离等两个基本讯息传送至机器人，以协助机器人进行防撞准备。对机器人来说，机器人本身定义有其绝对座标，以便进行各种精准定位的工作。本发明所指的相对距离的概念，是指相对于本发明所界定的人体与机器人之间的相对距离。对机器人来说，此一相对距离会转换为绝对座标。换言之，将此相对距离取得后，换算为机器人本身所使用的绝对座标(取得的精度视本发明的不同实施例而可取得不同的精度)，也就是，物件/人体的绝对座标，其成为机器人可资运用的距离参数。
在取得热影像矩阵的热影像矩阵信号后，控制单元21判断该物件是否为人体的方式，系将热感测矩阵22A-1所感测的热源所对应的热影像矩阵信号建立一感知范围空间模型，并比对存储器26 中预先储存的数个人体空间模型，当即时建立的感知范围空间模型符合人体空间模型其中之一时，即可判断该物件为人体。在本发明中，存储器26可以运用各种不同的存储器，例如，动态随机存取存储器(DRAM)、快闪存储器(Flash Memory)、固态硬碟(SSD)、静态随机存取存储器(SRAM)不等。此外，本发明可以存储器26中预先规划存储器空间，让存储器26工作更有效率。例如，未处理的热影像资料、已处理的热影像资料(感知范围空间模型)、比对用的热影像资料(人体空间模型)、比对后简化的热影像资料等不同的区块。
其中，计算人体与机器人的相对距离的方式，可将数次的感知范围空间模型与人体空间模型进行比对，依据感知范围空间模型与人体空间模型的比例及相对位置，估算相对距离。另外，则可通过陀螺仪27等元件来协助计算相对距离。
在图2A的实施例中，配置了一个陀螺仪27的元件。此元件即为速度参数取得单元，其功用在于撷取速度参数，以产生本发明想要获取的第三轴参数数据，也就是，除了热影像矩阵22A-1(两平面轴)的外的第三轴参数数据。借由此第三轴参数数据，本发明即可准确地通过热影像矩阵22A-1所撷取到的热影像矩阵信号的变化(感知范围空间模型的变化)以及第三轴参数数据的变化来共同计算得物件与机器人的相对速度，进而协助运算得出较为精准的机器人与物件的相对距离。
其中，除了陀螺仪27外，速度参数取得单元也可以是一加速度计、一霍尔感测器 ，或者机器人的手臂角速度 、加速度感测元件等，其目的皆在于产生一角速度值或一加速度值，借以作为第三轴参数数据。其中，霍尔感测器可配置于机器人手臂的关节两端，靠感应上下臂的开角速度变化的来得知速度变化。机器人手臂的角速度、加速度感测元件可运用机器人本身的伺服马达电流，换言之，每颗伺服马达于运作时的电流感测元件所取得的电流值，即可掌握到目前机器人手臂运动的速度、角速度等参数。。
若不运用陀螺仪27等速度参数取得元件，本发明的另一种计算得相对距离的方式为占比法。请参考图8，本发明的相对距离计算，运用热影像模型的面积占比法示意图。其中，计算人体与机器人的相对距离，系将数次感知范围空间模型与人体空间模型进行比对，依据感知范围空间模型占据热感测矩阵的比例大小，估算相对距离。此法系依据经验法则，换言之，存储器26当中的人体空间模型对热感测距阵22A-1的占比与相对距离，可制作为一对照表，控制单元21即可以查表法得知不同的人体空间模型与热影像矩阵22A-1占比的相对距离关系，进而推断，符合特定人体空间模型的感知范围空间模型，其与热影像矩阵22A-1的占比所对应的相对距离。
接下来，请参考图2B，本发明的机器人防撞装置20B，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、热感测单元采用了热影像矩阵22A-1与热影像矩阵22A-2，镜头组24A-1与镜头组24A-2，第一模拟数字转换器28A-1与第一模拟数字转换器28A-2，第一噪声处理电路23A-1与第一噪声处理电路23A-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。其中，图2B的实施例采用了两个热影像矩阵，热影像矩阵22A-1与热影像矩阵22A-2。运用这两个热影像矩阵 的绝对距离(于电路板上的距离)，以及其同时产生两组即时的感知范围空间模型，比对两组感知范围空间模型的差异，即可准确地计算机器人与人体的相对距离。具体的做法，是通过两组感知范围空间模型的叠合后所产生的一个叠合后的感知范围空间模型，即可通过此叠合后的感知范围空间模型，取得两个不同感知范围空间模型的像素差，再辅以两个热影像矩阵的绝对距离，即可以三角测量法计算得人体与机器人的眼睛(也就是机器人防撞装置20B)的相对距离。其余与图2A的实施例说明相同，不再赘述。
除了通过热影像矩阵进行人体的识别与判断外，本发明亦可通过影像撷取单元来撷取影像，来辅助判断是否为人体与计算人体与机器人的相对距离。
请参考图3A-3C，本发明的机器人防撞装置的另三个具体实施例功能方块图。请参考图3A，本发明的机器人防撞装置20C，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、影像感测矩阵22B-1，镜头组24B-1，第二模拟数字转换器28B-1，第二噪声处理电路23B-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与图2A的实施例不同的是，图3A采用了影像感测矩阵22B-1及与其对应的镜头组24B-1、第二模拟数字转换器28B-1与第二噪声处理电路23B-1。影像感测矩阵22B-1连接控制单元21，产生影像数据，使控制单元21借以经由连续计算产生的多个影像数据转换为多个第二感知范围空间模型。将第二感知范围空间模型与影像的人体空间模型比对后，即可计算出人体与机器人的相对距离。
接着，请参考图3B，本发明的机器人防撞装置20D同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、影像感测矩阵22B-1、影像感测矩阵22B-2，镜头组24B-1、镜头组24B-2，第二模拟数字转换器28B-1、第二模拟数字转换器28B-2，第二噪声处理电路23B-1、第二噪声处理电路23B-2、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与图2B的实施例不同的是，图3B采用了两个影像感测矩阵22B-1、22B-2。借由两个不同的影像数据的像差，本发明即可达到有效的人体与机器人的相对距离计算。具体的计算方法，同图2B的说明，不再赘述。
接着，请参考图3C，本发明的机器人防撞装置20E，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、热影像矩阵22A-1、影像感测矩阵22B-1，镜头组24A-1、镜头组24B-1，第一模拟数字转换器28A-1、第二模拟数字转换器28B-1，第一噪声处理电路23A-1、第二噪声处理电路23B-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与其他的实施例不同的是，图3C采用了一个影像感测矩阵22B-1与一个热影像矩阵22A-1。借由热影像矩阵信号所建立的第一感知范围空间模型与影像矩阵信号所建立的第二感知范围空间模型的比对，本发明即可达到有效的人体判断与人体与机器人的相对距离计算。
其中， 图3A-3C的影像感测矩阵22B-1、22B-2可以是CMOS影像撷取单元、CCD影像撷取单元。
请参考图4A-4E，本发明的机器人防撞装置的另五个具体实施例功能方块图。请参考图4A ，本发明的机器人防撞装置20F，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、超音波影像感测矩阵22C-1，镜头组24C-1，第三模拟数字转换器28C-1，第三噪声处理电路23C-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与图2A、图3A的实施例不同的是，图4A的实施例采用了超音波影像感测矩阵22C-1及与其对应的镜头组24C-1、第三模拟数字转换器28C-1与第三噪声处理电路23C-1。超音波影像感测矩阵22C-1连接控制单元21，产生超音波影像矩阵信号，使控制单元21借以经由连续计算产生的多个超音波影像矩阵信号转换为多个第二感知范围空间模型。将第二感知范围空间模型与影像的人体空间模型比对后，即可计算出人体与机器人的相对距离。
接着，请参考图4B，本发明的机器人防撞装置20G，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、超音波影像感测矩阵22C-1、超音波影像感测矩阵22C-2，镜头组24C-1、镜头组24C-2，第三模拟数字转换器28C-1、第三模拟数字转换器28C-2，第三噪声处理电路23C-1、第三噪声处理电路23C-2 、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与图2B、图3B的实施例不同的是，图4B采用了两个超音波影像感测矩阵22C-1、22C-2。借由两个不同的超音波影像矩阵信号的像差，本发明即可达到有效的人体与机器人的相对距离计算。更甚者，超音波影像矩阵信号，可借由超音波影像矩阵信号的深度计算，直接得出是否为人体判断。
接着，请参考图4C，本发明的机器人防撞装置20H，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、热影像矩阵22A-1、超音波影像感测矩阵22C-1，镜头组24A-1、镜头组24C-1，第一模拟数字转换器28A-1、第三模拟数字转换器28C-1，第一噪声处理电路23A-1 、第三噪声处理电路23C-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与其他的实施例不同的是，图4C采用了一个超音波影像感测矩阵22C-1与一个热影像矩阵22A-1。借由热影像矩阵信号所建立的第一感知范围空间模型与超音波影像矩阵信号所建立的第二感知范围空间模型的比对，本发明即可达到有效的人体判断与人体与机器人的相对距离计算。
接着，请参考图4D，本发明的机器人防撞装置20I，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、影像感测矩阵22B-1、超音波影像感测矩阵22C-1，镜头组24B-1、镜头组24C-1，第二模拟数字转换器28B-1、第三模拟数字转换器28C-1，第二噪声处理电路23B-1、第三噪声处理电路23C-1、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与其他的实施例不同的是，图4D采用了一个超音波影像感测矩阵22C-1与一个影像感测矩阵22B-1。借由影像感测矩阵信号与超音波影像感测矩阵所建立的不同的感知范围空间模型的比对，本发明即可达到有效的人体判断与人体与机器人的相对距离计算。
接着，请参考图4E，本发明的机器人防撞装置20J，同样可配置于机器人上并与机器人进行通信以协助机器人的防撞工作，包含：控制单元21、热影像矩阵22A-1、影像感测矩阵22B-1、超音波影像感测矩阵22C-1，镜头组24A-1、镜头组24B-1、镜头组24C-1，第一模拟数字转换器28A-1、第二模拟数字转换器28B-1、第三模拟数字转换器28C-1，第一噪声处理电路23A-1、第二噪声处理电路23B-1、第三噪声处理电路23C-1 、传输单元25、存储器26与陀螺仪27等。与其他的实施例不同的是，图4E采用了一个热感测矩阵22A-1、一个超音波影像感测矩阵22C-1与一个影像感测矩阵22B-1。借由热影像矩阵信号所建立的第一感知范围空间模型与影像感测矩阵、超音波影像矩阵信号所建立的两个第二感知范围空间模型的比对，本发明即可达到更精准而有效的人体判断与人体与机器人的相对距离计算。
其中，以上的影像感测矩阵、超音波矩阵等统称为影像撷取单元。
由图1A-4E的实施例可知，本发明可通过多种不同的机器人防撞装置的配置，包括于机器人的不同位置，让机器人拥有多个”不同的眼睛”，再借由多个不同的眼睛看到的不同的物件大小，并借由以预先掌握到的不同眼睛之间的绝对距离(机器人的各机器人防撞装置的空间配置的距离)，不同眼睛与物件的速度等，即可准确地计算出物件是否为人体，其与机器人各部件之间的相对距离，甚至是绝对距离。掌握了机器人各部件与人体的相对距离或绝对距离后，即可进行各种的机器人防撞控制。
接着，请参考图7，本发明将机器人防撞装置配置于机器人的手臂部位的主动防撞动作示意图。在此实施例中，人体99已经进入了机器人10的机器人防撞装置20-5的“视觉范围”，并且，持续往机器人一动中。在此实施例中，本发明界定了几种预设距离，距离D3为机器人侦测范围的距离，距离D2为警示距离，距离D1为危险距离。由于本发明的机器人防撞装置20-5可提供手臂与人体99的相对距离，因此，当人体99逐渐往警示距离D2时，机器人10已然知道人体99进入警示距离D2内。当人体99超过警示距离D2而达危险距离时D1时，机器人10即可控制第一旋转部13 旋转，以闪避人体，让其不会超过危险距离D1。如此，即可达到主动防撞的目的。在此，无论是机器人10原先的手臂动作为接近或远离人体，皆可于达到危险距离时进行闪避，而闪避的方法可以是上、下、左、右、旋转、退后等动作。
由于本发明可掌握机器人与人体的相对距离，本发明的机器人防撞装置可执行以下的动作，来协助机器人，或者直接给机器人对应的动作指令。
控制单元21于判断物件为该人体时，产生一人体进入警示信号。控制单元21产生人体进入警示信号后，机器人10于接收人体警示信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。控制单元21于计算相对距离后，依据相对距离达一警戒距离时，产生一人体进入警戒范围信号。控制单元21产生人体进入警戒范围信号后，机器人10接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。控制单元21产生人体进入警戒范围信号后，产生一机器人停止动作模式指令给机器人10。控制单元21于计算相对距离后，依据相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号。控制单元21产生人体进入警戒范围信号后，产生一回避动作模式指令给机器人10。控制单元21产生人体进入危险范围信号后，机器人10接收人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。
除了以上的动作外，还有更多的机器人协作模式可执行。其系因为本发明提供了机器人”视觉”，而让机器人掌握了其与人体的相对距离，而可以主动地执行各项的防撞功能。
接下来，本发明将详述各种本发明的多种机器人防撞方法的动作流程。
请参考图9，本发明的机器人防撞方法的一具体实施例流程图，本实施例即为图2A的实施例的操作流程说明。本发明的机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S101：撷取一热影像矩阵信号。
步骤S102：建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型，并判断该感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一。
步骤S103：判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内。一般而言，此处的人体温度 范围为人体的体表温度，非人体的核心温度，约在大于摄氏28度至34度 的范围。
步骤S104：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，计算与该热源的相对距离。在机器人工厂内，有许多热源，其皆有可能达到人体温度范围。本发明借由同时满足人体温度范围与人体空间模型两者，来鉴别是否为人体，可避免掉仅用人体温度范围可能造成的误判。
步骤S105：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S106 ：当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S107 ：当该相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S108 ：当接收该人体进入警示范围信号时，产生一机器人停止动作指令。
步骤S109：当接收人体进入危险范围信号时，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
接着，请参考图10，本发明的机器人防撞方法的又一具体实施例流程图，本实施例即为图2A的实施例的操作流程说明。一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S111：撷取一热影像矩阵信号。
步骤S112：建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型，并判断该感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一
步骤S113：判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内。
步骤S114：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，计算出于该热影像矩阵的一热影像占比。
步骤S115：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S116 ：当该热影像占比达一警示占比时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S117 ：当该热影像占比达一危险占比时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S118 ：当接收该人体进入警示范围信号后，产生一机器人停止动作指令。
步骤S119：当接收该人体进入危险范围信号后，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
接着，请参考图11，本发明的机器人防撞方法的再一具体实施例流程图，本实施例即为图3C、图4C的实施例的操作流程说明。一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S121：撷取一热影像矩阵信号。
步骤S122：建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型，并判断该感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一。
步骤S123：判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内。
步骤S124 ：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S125 ：启动一第二感测器以撷取一第二影像信号。其中该第二感测器系选自CMOS影像撷取单元、CCD影像撷取单元、超音波矩阵影像撷取单元。
步骤S126 ：依照该第二影像信号，建立一第二感知范围空间模型以贴合该第一感知范围空间模型。
步骤S127 ：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，依照该第一感知范围空间模型与该第二感知范围空间模型计算并产生该相对距离。相对距离的产生方式，同样可采用将第一感知范围空间模型与该第二感知范围空间模型所贴合后的叠合的感知范围空间模型所产生的像差数据，以及热影像感测矩阵与第二感测器的绝对距离共同计算出相对距离。
步骤S128 ：当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S129 ：当该相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S130 ：当接收该人体进入警示范围信号时，产生一机器人停止动作指令。
步骤S131：当接收人体进入危险范围信号时，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
接着，请参考图12，本发明的机器人防撞方法的另一具体实施例流程图，本实施例即为图2A的另一实施例的操作流程说明。一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S141：撷取一热影像矩阵信号。
步骤S142：建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型，并判断该感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一。
步骤S143：判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内。
步骤S144 ：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S145 ：撷取一速度参数，以建立一第三轴空间参数。其中该速度参数系由一陀螺仪、一加速度计、一霍尔感测器或该机器人的手臂角速度与加速度感测元件所取得，产生一角速度值或一加速度值，借以作为该第三轴空间参数。
步骤S146 ：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，计算与热源所对应的人体的相对运对速度。
步骤S147 ：依据该第一感知范围空间模型与该相对运动速度，将落入该人体温度范围内的该热源，计算出该相对距离。
步骤S148 ：当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S150 ：当该相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S150 ：当接收该人体进入警示范围信号时，产生一机器人停止动作指令。
步骤S151：当接收人体进入危险范围信号时，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
接着，请参考图13，本发明的机器人防撞方法的另一具体实施例流程图，本实施例即为图3C、图4C的另一实施例的操作流程说明。一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S201：撷取一热影像矩阵信号。
步骤S202：建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型，并判断该感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一。
步骤S203：判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内。
步骤S204 ：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S205 ：撷取一速度参数，以建立一第三轴空间参数。
步骤S206 ：当该热源落入该人体温度范围内且符合预设的人体空间模型，计算与热源所对应的人体的相对运对速度。
步骤S207 ：启动一第二感测器以撷取一第二影像信号。
步骤S208 ：依照该第二影像信号，建立一第二感知范围空间模型以贴合该第一感知范围空间模型。
步骤S209 ：依照第一感知范围空间模型与第二感知范围空间模型、该相对运动速度计算并产生一相对距离。
步骤S210 ：当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S211 ：当该相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S212 ：当接收该人体进入警示范围信号时，产生一机器人停止动作指令。
步骤S213：当接收人体进入危险范围信号时，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
接着，请参考图14，本发明的机器人防撞方法的另一具体实施例流程图，本实施例即为图2B的实施例的操作流程说明。一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S301：撷取第一热影像矩阵与第二热影像矩阵信号。
步骤S302：建立一热源于第一、第二热影像矩阵信号中的两个感知范围空间模型，并判断感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一。此步骤主要是要判断是否有人，具体做法可以是，只要其中一个感知范围空间模型符合人体空间模型其中之一，即可判断为该物件为人。另一种状况为，同时有多人进入第一热影像矩阵与第二热影像矩阵。若人体空间模型有此种多人的人体空间模型，同样地，只要两个感知范围空间模型其中之一符合人体空间模型，即可判断有人进入。
步骤S303：判断该第一热影像矩阵、第二热影像矩阵的第一热源与第二热源是否落于人体温度范围内。
步骤S304：当第一热源、第二热源落入人体温度范围且符合预设的人体空间模型时，计算得出相对距离。在此步骤中，控制单元会将两个感知范围空间模型重建为一个叠合的感知范围空间模型，再借由此叠合的感知范围空间模型与两个热影像矩阵本身的电路板的距离计算，即可取得人体与电路板(也就是本发明的机器人防撞装置)的相对距离。
步骤S305：当该第一热源、该第二热源落入人体温度范围内时且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S306：当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S307 ：当该相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S308 ：当接收该人体进入警示范围信号时，产生一机器人停止动作指令。
步骤S309：当接收人体进入危险范围信号时，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
接着，请参考图15，本发明的机器人防撞方法的另一具体实施例流程图，本实施例即为图2B的实施例的操作流程说明。一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，包含：
步骤S311：撷取第一热影像矩阵与第二热影像矩阵信号。
步骤S312：建立各热源于该第一、第二热影像矩阵信号中的两个感知范围空间模型 ，并判断这两个感知范围空间模型是否符合数个预设的人体空间模型其中之一。
步骤S313：判断该第一热影像矩阵、第二热影像矩阵的第一热源与第二热源是否落于人体温度范围内。
步骤S314：当第一热源、第二热源落入人体温度范围且符合预设的人体空间模型时，计算出其于热影像矩阵的第一热影像占比与第二热影像占比。
步骤S315：当第一热源、第二热源落入人体温度范围且符合预设的人体空间模型，产生一人体进入信号。
步骤S316：当该热影像占比达一警示占比时，产生一人体进入警示范围信号。
步骤S317 ：当该热影像占比达一危险占比时，产生一人体进入危险范围信号。
步骤S318 ：当接收该人体进入警示范围信号后，产生一机器人停止动作指令。
步骤S319：当接收该人体进入危险范围信号后，产生一机器人远离动作指令。
此外，还包含了以下的步骤：该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。该机器人接收该人体进入警戒范围信号后，进入一机器人停止动作模式。该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。其中，该回避动作模式包含：一闪避动作、一倒退动作或一旋转动作。
虽然本发明的技术内容已经以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神所作些许的更动与润饰，皆应涵盖于本发明的范畴内，因此本发明的保护范围当视的权利要求所界定者为准。
Claims (10)
1.一种机器人防撞装置，配置于一机器人上并与该机器人进行通信以协助该机器人的防撞工作，其特征在于，其包含：
一热感测单元，用于侦测一物件所产生的一热源；
一存储器，连接该热感测单元；
一传输单元，连接该存储器；及
一控制单元，连接该热感测单元、该存储器与该传输单元，控制该热感测单元对该热源所产生的一热影像矩阵信号以储存于该存储器中，并对该热影像矩阵信号进行处理，以判断该物件是否为一人体，当判断该物件为该人体时，计算该人体与该机器人的一相对距离，经由该传输单元传送至该机器人，以协助该机器人进行防撞准备。
2.如权利要求1所述的机器人防撞装置，其特征在于，判断该物件是否为该人体，是将该热感测矩阵所感测的该热源所对应的该热影像矩阵信号建立一感知范围空间模型，并比对该存储器中预先储存的数个人体空间模型，当该感知范围空间模型符合该些人体空间模型其中之一时，判断该物件为该人体。
3.如权利要求2所述的机器人防撞装置，其特征在于，其还包含：
一速度参数取得单元，连接该控制单元产生一第三轴参数数据，使该控制单元借以经由连续计算产生的多个该感知范围空间模型与该第三轴参数数据混和计算出该相对距离。
4.如权利要求3所述的机器人防撞装置，其特征在于，其还包含：
一影像撷取单元，连接该控制单元，产生一影像数据，使该控制单元借以经由连续计算产生的多个该感知范围空间模型与多个该影像数据进行比对计算后，计算出该相对距离。
5.一种机器人，运用权利要求1的机器人防撞视觉装置，其特征在于，其包含：
一机器人处理器，经由一连接介面而连接至该传输单元与该控制单元，接收该控制单元所产生的该相对距离，借以进行防碰撞准备。
6.一种机器人防撞方法，运用于一机器人上以协助该机器人的防撞工作，其特征在于，其包含：
撷取一热影像矩阵信号；
建立一热源于该热影像矩阵信号中的一感知范围空间模型；
判断该热影像矩阵的该热源是否落于一人体温度范围内；
将落入该人体温度范围内的该热源，计算出一相对距离；
当该相对距离达一警示距离时，产生一人体进入警示范围信号；及
当该热源落入该人体温度范围内时，产生一人体进入信号。
7.如权利要求6所述的机器人防撞方法，其特征在于，其还包含：
当接收该人体进入警示范围信号时，产生一机器人停止动作指令。
8.如权利要求6所述的机器人防撞方法，其特征在于，其还包含：
当该相对距离达一危险距离时，产生一人体进入危险范围信号；及
产生一机器人远离动作指令。
9.如权利要求6所述的机器人防撞方法，其特征在于，其还包含：
该机器人接收该人体进入信号后，进入一人机协作模式或一人员进入警戒模式。
10.如权利要求6所述的机器人防撞方法，其特征在于，其还包含：
该机器人接收一人体进入危险范围信号后，进入一回避动作模式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20200914 Address after: 6 / F, 1-1 Nanjing West Road, Zhongshan District, Taipei, Taiwan, China Applicant after: Fengtai Instrument Co., Ltd Address before: Innovation and development center R229, Central University, 300 Zhongda Road, Zhongli District, Taoyuan City, Taiwan, China Applicant before: Foresee Technology Corp. |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20191101 |