CN111300491A - 基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，包括图像采集终端、人机碰撞检测系统、驱控一体工业机器人控制系统、机器人本体、协作人员及通信系统，图像采集终端与人机碰撞检测系统连接，驱控一体工业机器人控制系统由机器人控制模块和机器人驱动模块组成，机器人控制模块由末端负载辨识模块和轨迹规划与优化模块组成，机器人控制模块向机器人驱动模块发送控制指令，机器人驱动模块驱动机器人本体，系统之间通过通信系统交换数据。本发明能够实时监测人与机器人本体之间的空间位置关系，通过数据交互，驱控一体工业机器人控制系统对机器人本体做出轨迹规划，驱动机器人避免碰撞的发生，显著提高人机协作过程中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，属于人机协作安全技术领域。
技术背景
本发明要解决的技术问题是提供一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，解决人与机器人协作作业过程中的安全性问题，克服现有技术的不足，同时相较于人机时空隔离的作业模式本发明显著提高生产效率，降低生产成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，解决人与机器人协作作业过程中的安全性问题，克服现有技术的不足，同时相较于人机时空隔离的作业模式本发明显著提高生产效率，降低生产成本。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于：包括图像采集终端、人机碰撞检测系统、驱控一体工业机器人控制系统、机器人本体、协作人员及通信系统，图像采集终端与人机碰撞检测系统连接，人机碰撞检测系统与驱控一体工业机器人控制系统连接，人机碰撞检测系统由人工智能算法模块和人机碰撞规避策略专家库组成，驱控一体工业机器人控制系统由机器人控制模块和机器人驱动模块组成，机器人控制模块由末端负载辨识模块和轨迹规划与优化模块组成，机器人控制模块向机器人驱动模块发送控制指令，机器人驱动模块驱动机器人本体，系统之间通过通信系统交换数据；
所述图像采集终端采集人与机器人协同作业场景监控图像；
所述人机碰撞检测系统通过人工智能算法模块分析监控图像，计算人与机器人之间空间位置关系，预判人机碰撞趋势，通过人机碰撞规避策略专家库推荐人机碰撞安全隐患场景的规避策略；
所述人机碰撞检测系统将预判的人机碰撞信息传输到驱控一体工业机器人控制系统；
所述驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人机碰撞信息，通过末端负载辨识模块感知机器人末端负载重量，通过轨迹规划与优化模块重新对机器人末端做运动轨迹规划；
所述机器人驱动模块接收机器人控制模块控制指令，驱动机器人本体机械运动，规避人机碰撞。
所述驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人和机器人之间的空间位置关系数据、碰撞规避策略，结合机器人末端负载辨识模块识别负载重量，通过建立动力学模型，利用轨迹规划与优化模块对末端运动轨迹做出重新的规划调整。
所述人机碰撞检测系统的人工智能算法模块，采用卷积神经网络检测人体关节坐标，将人体关节坐标转换为三维空间坐标，同时通过空间包围盒估计人、机器人的空间位置，通过计算人体包围盒与机器人末端之间的欧式距离估计人机碰撞情况。
所述通过计算人体关节和机器人末端运动方向和运动速度，判断人与机器人之间的位置变化趋势。
所述机器人控制系统采用驱动系统和控制系统一体化的设计。
所述动力学模型，通过目标位置、速度、加速度的规划和负载变化的检测，得到满足安全需要的速度和加速度。
所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于所述图像采集终端为普通3D监控摄像机，采集三维图像。
本发明优点：
（1）提出一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，解决人与机器人协作作业过程中的安全性问题，同时相较于人机时空隔离的作业模式本发明显著提高生产效率，降低生产成本。
（2）融合了协作化驱控一体机器人，避免了控制器、驱动器分离设计采用串行总线式数据交换方式，联动控制相应时间慢无法适应安全性快速相应的需求。
（3）采用机器视觉实时检测人和机器人之间的空间位置关系，无需人员的主动配合，操作人员无需佩戴任何穿戴设备，在操作人员非受控的正常作业情况下即可快速识别预测人机碰撞情况，对机器人运行轨迹重新规划，迅速避免碰撞，实现了系统即开即用、应用功能快速相应的设计需求。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图。
图2是本发明实施例中的协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统工作示意图。
具体实施方式
请参见图1，图1揭示的是一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，包括图像采集终端、人机碰撞检测系统、驱控一体工业机器人控制系统、机器人本体和协作人员及通信系统，图像采集终端与人机碰撞检测系统连接，人机碰撞检测系统与驱控一体工业机器人控制系统连接，人机碰撞检测系统由人工智能算法模块和人机碰撞规避策略专家库组成，驱控一体工业机器人控制系统由机器人控制模块和机器人驱动模块组成，机器人控制模块由末端负载辨识模块和轨迹规划与优化模块组成，机器人控制模块向机器人驱动模块发送控制指令，机器人驱动模块驱动机器人本体，系统之间通过通信系统交换数据；
本发明中，所述图像采集终端采集人与机器人协同作业场景监控图像；所述人机碰撞检测系统通过人工智能算法模块分析监控图像，计算人与机器人之间空间位置关系，预判人机碰撞趋势，通过人机碰撞规避策略专家库推荐人机碰撞安全隐患场景的规避策略；
所述人机碰撞检测系统将预判的人机碰撞信息传输到驱控一体工业机器人控制系统；
所述驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人机碰撞信息，通过末端负载辨识模块感知机器人末端负载重量，通过轨迹规划与优化模块重新对机器人末端做运动轨迹规划；
所述机器人驱动模块接收机器人控制模块控制指令，驱动机器人本体机械运动，规避人机碰撞。
优选的，所述驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人和机器人之间的空间位置关系数据、碰撞规避策略，结合机器人末端负载辨识模块识别负载重量，通过建立动力学模型，利用轨迹规划与优化模块对末端运动轨迹做出重新的规划调整。
优选的，所述人机碰撞检测系统的人工智能算法模块，采用卷积神经网络检测人体关节坐标，将人体关节坐标转换为三维空间坐标，同时通过空间包围盒估计人、机器人的空间位置，具体的是通过计算人体包围盒与机器人末端之间的欧式距离估计人机碰撞情况。
优选的，本发明通过计算人体关节和机器人末端运动方向和运动速度，判断人与机器人之间的位置变化趋势。
优选的，本发明中，机器人控制系统采用驱动系统和控制系统一体化的设计。
优选的，所述动力学模型，通过目标位置、速度、加速度的规划和负载变化的检测，得到满足安全需要的速度和加速度。
优选的，所述图像采集终端为普通3D监控摄像机，采集三维图像。
请参见图2，如图2所示是一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统的具体方式，在协作人员和机器人工作区域架设3D图像摄像机，使图像采集终端视场范围覆盖工作区域Wa，图像采集终端通过以太网与人机碰撞检测系统连接，人机碰撞检测系统通过以太网与驱控一体工业机器人控制系统连接，驱动一体工业机器人控制系统直接驱动控制机器人本体。
对于图像采集终端，可扩充外部光源，以改善工作区间的光照环境，为人机碰撞检测系统图像处理提供更高质量的图像。
生产过程中，图像采集终端实时采集工作区域Wa的监控图像，通过以太网将监控图像传输给人机碰撞检测系统。
人机碰撞检测系统接收到监控图像后，通过人工智能算法模块检测协作人员图像位置，并将人体图像位置转换到实际的三维空间，预测出协作人员的运动轨迹a，结合机器人本体末端的实时移动路径b，通过空间包围盒估计人、机器人的空间位置，计算人体包围盒与机器人末端之间的欧式距离估计人机碰撞情况，输出预判基于轨迹a和路径b的人机碰撞区域Ar，人机碰撞规避策略专家库根据人体和机器人末端移动速度、运动趋势提供避碰策略。
人机碰撞检测系统将预判的碰撞信息和避碰策略发送给驱控一体工业机器人控制系统。
对于人工智能算法的人体检测采用卷积神经网络检测人体关节坐标，将人体关节坐标转换为三维空间坐标，并基于关节点位置坐标判断人的位置变化趋势。
驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人机碰撞信息，机器人控制模块通过末端负载辨识模块感知机器人末端负载重量，结合人和机器人之间的空间位置关系数据、碰撞规避策略，通过建立动力学模型，利用轨迹规划与优化模块对末端运动轨迹做出重新的规划调整，得到满足安全需要的机器人运动速度和加速度，形成新的移动路径c。
机器人控制模块将实时规划的机器人末端避碰路径c数据发送给机器人驱动模块，机器人驱动模块接收机器人控制模块控制指令，驱动机器人本体机械运动，规避人机碰撞。
上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于：包括图像采集终端、人机碰撞检测系统、驱控一体工业机器人控制系统、机器人本体和协作人员及通信系统，图像采集终端与人机碰撞检测系统连接，人机碰撞检测系统与驱控一体工业机器人控制系统连接，人机碰撞检测系统由人工智能算法模块和人机碰撞规避策略专家库组成，驱控一体工业机器人控制系统由机器人控制模块和机器人驱动模块组成，机器人控制模块由末端负载辨识模块和轨迹规划与优化模块组成，机器人控制模块向机器人驱动模块发送控制指令，机器人驱动模块驱动机器人本体，系统之间通过通信系统交换数据；
所述图像采集终端采集人与机器人协同作业场景监控图像；
所述人机碰撞检测系统通过人工智能算法模块分析监控图像，计算人与机器人之间空间位置关系，预判人机碰撞趋势，通过人机碰撞规避策略专家库推荐人机碰撞安全隐患场景的规避策略；
所述人机碰撞检测系统将预判的人机碰撞信息传输到驱控一体工业机器人控制系统；
所述驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人机碰撞信息，通过末端负载辨识模块感知机器人末端负载重量，通过轨迹规划与优化模块重新对机器人末端做运动轨迹规划；
所述机器人驱动模块接收机器人控制模块控制指令，驱动机器人本体机械运动，规避人机碰撞。
2.根据权利要求1所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于，所述驱控一体工业机器人控制系统接收人机碰撞检测系统传输的人和机器人之间的空间位置关系数据、碰撞规避策略，结合机器人末端负载辨识模块识别负载重量，通过建立动力学模型，利用轨迹规划与优化模块对末端运动轨迹做出重新的规划调整。
3.根据权利要求1所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于，所述人机碰撞检测系统的人工智能算法模块，采用卷积神经网络检测人体关节坐标，将人体关节坐标转换为三维空间坐标，同时通过空间包围盒估计人、机器人的空间位置，通过计算人体包围盒与机器人末端之间的欧式距离估计人机碰撞情况。
4.根据权利要求1所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于，通过计算人体关节和机器人末端运动方向和运动速度，判断人与机器人之间的位置变化趋势。
5.根据权利要求1所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于，机器人控制系统采用驱动系统和控制系统一体化的设计。
6.根据权利要求1所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于，所述动力学模型，通过目标位置、速度、加速度的规划和负载变化的检测，得到满足安全需要的速度和加速度。
7.根据权利要求1所述的基于协作化驱控一体机器人的人机协作安全系统，其特征在于，所述图像采集终端为普通3D监控摄像机，采集三维图像。
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