CN112140102A - 一种工业机器人的避障方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种工业机器人的避障方法、装置和系统，所述避障方法通过实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态，并根据监测对象在分级保护区域内的位置情况，控制工业机器人进行不同的避障运动，并且在发生碰撞时，控制工业机器人产生主动柔顺，从而避免或降低了工业机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机器人的安全性。

Description

一种工业机器人的避障方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及一种工业机器人技术领域，具体涉及一种工业机器人的避障方 法、装置和系统。

背景技术

工业机器人指能自动执行任务的人造机器装置，其是高级整合控制论、机 械电子、计算机、材料和仿生学的产物，在工业、医学、农业、建筑业甚至军 事等领域中均有重要用途。

目前，由于工业机器人的机械臂在运动过程中容易碰撞外物而导致损失， 因此亟需一种避免工业机器人碰撞到外物的方案。

发明内容

本发明实施例提供一种工业机器人的避障方法、装置和系统，避免或降低 了工业机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机器人的安全性。

本发明实施例第一方面提供一种工业机器人的避障方法，包括：

实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态；

在所述监测对象位于所述分级保护区域内的第一区域时，根据所述运动状 态，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工作位置运动；

在所述监测对象位于所述分级保护区域内的第二区域时，根据人工势场法 确定所述工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，并根据所述目标位姿 引力场和和障碍物斥力场，控制所述工业机器人向所述目标工作位置运动，所 述第二区域相对与所述第一区域靠近所述工业机器人；

以及

在所述监测对象与所述工业机器人发生碰撞时，根据机器人的柔顺控制， 控制所述工业机器人产生主动柔顺。

可选地，所述根据所述运动状态，控制所述工业机器人避开所述监测对象 的运动路径向目标工作位置运动，包括：

根据所述运动状态，建立所述工业机器人和所述监测对象的运动关系模型， 生成所述工业机器人的避障路径；

根据所述避障路径和所述工业机器人的当前运动路径，并在所述工业机器 人能够避开所述监测对象时，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路 径向目标工作位置运动。

可选地，所述控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工 作位置运动时，所述方法还包括：

若所述工业机器人无法避开所述监测对象，则控制所述工业机器人进行减 速。

可选地，所述根据人工势场法确定所述工业机器人的目标位姿引力场和障 碍物斥力场，包括：

在所述工业机器人的工作环境中构造人工势场，所述人工势场中包括斥力 极和吸引极,其中，所述斥力极为所述运动路径和所述工业机器人不能进入的 区域，并根据所述斥力极构建所述障碍物斥力场，所述引力极为目标工作位置 及所述工业机器人能够进入的区域,并根据所述引力极和目标工作位置构建所 述目标位姿引力场。

可选地，所述根据机器人的柔顺控制，控制所述工业机器人产生主动柔顺， 具体包括：

根据所述工业机器人的电子皮肤触觉反馈信息和机械臂电流反馈信息，建 立阻抗控制模型，并通过阻抗控制使得所述工业机器人的机械臂产生主动柔顺。

本发明实施例第二方面提供一种工业机器人的避障装置，包括：

实时跟踪单元，用于实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的 运动状态；

第一控制单元，用于在所述监测对象在所述分级保护区域内的第一区域时， 根据所述运动状态，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标 工作位置运动；

第二控制单元，用于在所述监测对象在所述分级保护区域内的第二区域时， 根据人工势场法确定所述工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，并根 据所述目标位姿引力场和和障碍物斥力场，控制所述工业机器人向所述目标工 作位置运动，所述第二区域相对与所述第一区域靠近所述工业机器人；

以及

第三控制单元，用于在所述监测对象与所述工业机器人发生碰撞时，根据 机器人的柔顺控制，控制所述工业机器人产生主动柔顺。

本发明实施例第三方面提供一种工业机器人的避障系统，包括工业机器人、 视觉模块、触觉模块和控制模块；

所述视觉模块用于在建立工业机器人的分级保护区域后，提供跟踪监测对 象在所述分级保护区域内运动时的运动状态信息；

所述触觉模块用于提供所述工业机器人的电子皮肤触觉反馈信息和机械臂 电流反馈信息；

所述控制模块用于根据所述视觉模块和触觉模块提供的信息，控制所述工 业机器人针对所述监测对象进行避障运动。

可选地，所述视觉模块为3D视觉模块，所述触觉模块为电子皮肤。

本发明实施例第四方面提供一种工业机器人，包括关节机械臂、覆盖于所 述关节机械臂上的电子皮肤和控制所述关节机械臂运动的处理芯片，所述处理 芯片能够接收并执行控制指令，所述控制指令为根据如第一方面提供的方法作 出的用于控制所述工业机器人进行避障运动的控制指令。

本发明实施例第五方面提供一种计算机可读存储介质，包括程序，所述程 序能够被处理芯片执行以实现如第一方面提供的方法。

本发明实施例提供的工业机器人的避障方法，通过实时跟踪监测对象在工 业机器人的分级保护区域内的运动状态，并根据监测对象在分级保护区域内的 位置情况，控制工业机器人进行不同的避障运动，并且在发生碰撞时，控制工 业机器人产生主动柔顺，从而避免或降低了工业机器人碰撞外物后带来的损失， 保证了工业机器人的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的工业机器人的避障方法；

图2为本发明实施例提供的工业机器人的分级保护区域的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电子皮肤的模块示意图；

图4为本发明实施例提供的电子皮肤的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的避障装置的模块示意图；

图6为本发明实施例提供的避障系统的模块示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实 施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很 多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫 不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他 元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说 明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没， 而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据 说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合 形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技 术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各 种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有 说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的 对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说 明，均包括直接和间接连接(联接)。

参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的工业机器人的避障方法，图2 为本发明实施例提供的工业机器人的分级保护区域的示意图，如图1和图2所 示，该避障方法包括：

S10：实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态；

具体地，可以通过3D摄像头，或者两个2D摄像头,或者深度摄像头等摄像 装置，来实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态，监测 对象可以是用户或使用者，在此不做限制；

S20：在监测对象位于分级保护区域内的第一区域时，根据运动状态，控制 工业机器人避开监测对象的运动路径向目标工作位置运动；

具体地，由于通过S10获取到了监测对象的运动状态，故可以确定检测对 象的运动路径，同时根据工业机器人机械臂的实时运动路径，将工业机器人机 械臂的实时运动路径避让开监测对象的运动路径，，即能够控制工业机器人避开 监测对象的运动路径向目标工作位置运动，实现工业机器人的避障运动，从而 避免或降低了工业机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机器人的安全性；

在具体实施过程中，监测对象和工业机器人之间的安全距离可以根据实际 情况进行设定，在此不做限制；

S30：在监测对象位于分级保护区域内的第二区域时，根据人工势场法确定 工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，并根据目标位姿引力场和和障 碍物斥力场，控制工业机器人向目标工作位置运动，第二区域相对与第一区域 靠近工业机器人；

具体地，在监测对象位于第二区域的时候，可能会因为遮挡而导致无法实 时跟踪监测对象的运动状态，所以本实施例提供一种根据人工势场法来控制工 业机器人向目标工作位置运动的方案，首先，在工业机器人的工作环境中构造 一个人工势场，人工势场中包括斥力极和吸引极，其中，斥力极为运动路径和 工业机器人不能进入的区域，并根据斥力极构建障碍物斥力场，引力极为目标 工作位置及工业机器人能够进入的区域,并根据引力极和目标工作位置构建目 标位姿引力场，这样，即可以根据目标位姿引力场和障碍物斥力场，控制工业 机器人向目标工作位置运动，从而避免或降低了工业机器人碰撞外物后带来的 损失，保证了工业机器人的安全性；

S40：在监测对象与工业机器人发生碰撞时，根据机器人的柔顺控制，控制 工业机器人产生主动柔顺；

具体地，在监测对象与工业机器人发生碰撞时，可以根据工业机器人的电 子皮肤触觉力反馈和机械臂电流反馈的信息，建立阻抗控制模型，通过阻抗控 制使机械臂产生主动柔顺，减小碰撞力产生缓冲效果，从而避免或降低了工业 机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机器人的安全性。

可以看出，由于通过实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的 运动状态，并根据监测对象在分级保护区域内的位置情况，控制工业机器人进 行不同的避障运动，并且在发生碰撞时，控制工业机器人产生主动柔顺，从而 避免或降低了工业机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机器人的安全性。

在具体实施过程中，根据运动状态，控制工业机器人避开监测对象的运动 路径向目标工作位置运动，包括：根据运动状态，建立工业机器人和监测对象 的运动关系模型，生成工业机器人的避障路径；根据避障路径和工业机器人的 当前运动路径，并在工业机器人能够避开监测对象时，控制工业机器人避开监 测对象的运动路径向目标工作位置运动。

具体来讲，在获取到了监测对象的运动状态后，可以对检测对象进行运动 状态分析，建立人体运行速度和运动轨迹的路线模型，同时根据工业机器人机 械臂的实时运动状态，即能够建立起工业机器人和监测对象的运动关系模型， 然后，通过相遇原理和监测对象和工业机器人之间的安全距离确定出会发生碰 撞的障碍物路径，从而确定出不会发生碰撞的避障路径，这样，将工业机器人 机械臂的当前运动路径上叠加上避障路径，即能够控制工业机器人避开监测对 象的运动路径向目标工作位置运动，实现工业机器人的避障运动，从而避免或 降低了工业机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机器人的安全性。

在具体实施过程中，若工业机器人无法避开监测对象，则控制工业机器人 进行减速，一方面给监测对象以反应时间，另一方面也能够降低碰撞的能量， 减小监测对象在碰撞时受到的伤害。

在具体实施过程中，根据机器人的柔顺控制，控制工业机器人产生主动柔 顺，具体包括：根据工业机器人的电子皮肤触觉反馈信息和机械臂电流反馈信 息，建立阻抗控制模型，并通过阻抗控制使得工业机器人的机械臂产生主动柔 顺。

在一种可能实现方式中，参见图3，图3为本发明实施例提供的电子皮肤的 模块示意图，如图3所示，电子皮肤安全模块02包括电容感应单元021及电容 控制单元022，下面具体说明。

电容感应单元021，设置于机器人主体04的外表面，用于与接近机器人主 体04的障碍物体构成电容，电容控制单元022，用于根据电容感应单元021传 输的电容计算出障碍物体与机器人的距离，在距离达到预设阈值时发出接近觉 信号。

在其中一种可能实现方式中，电子皮肤安全模块02还包括柔性介质，用于 缓冲碰撞。

在本发明实施例中，电子皮肤安全模块02可以为柔性电子皮肤，柔性电子 皮肤可以包括分布式传感单元阵列。电子皮肤安全模块02基于自电容距离检测 原理，以接地的导电体为人体，参见图4，图4为本发明实施例提供的电子皮肤 的结构示意图，电容感应单元021设置于机器人主体04的外表面，且位于绝缘 层如屏障的外表面，电子皮肤安全模块02通过检测被检测物(手)和检测电极 之间电容的变化，来测量接近觉信息(距离)的传感装置。

需要说明的是，电容感应单元021的数量为多个，若干电容感应单元021 呈阵列式地设置于绝缘支撑件的外表面。每一个电容感应单元021能够独立感 知电容感应层对应区域的电容变化信号(即电容Cx的电容量变化)，并将电容变 化信号发送给电容控制单元022。每一个电容感应单元021有且只有一个电容变 化信号，即无论接地物体靠近某一个电容感应单元021的任意区域或者接地物 体覆盖某一个电容感应单元021的任意区域大小，对应的电容感应单元021仅 产生唯一一个电容变化信号。

下面详细说明电子皮肤安全模块02工作原理：

自电容距离检测原理为当人的身体部位或者其他接地的物体靠近传感器的 时候，会因电容的效应而改变Cx处的电容数值。通过电容、电介质常数、两极 板面积和正对距离以及静电力常数的建模模型及卡尔曼滤波器的设计优化，我 们可以通过Cx准确预测物体与传感器的距离。其判断接近觉信息(距离)是通 过电容的决定式C＝εS/4πkd倒推所得，其中ε是介质的介电常数，S为电容 极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。获得电容C之后， 可以估算被检测物体和检测电极之间的距离d。

在其中一种可能实现方式中，电容控制单元022通过串口RS485将距离与 接近觉信号传输给安全控制模块03。

为满足实时信号处理要求，电子皮肤安全模块02直接通过串口RS485，将 接近觉距离信息和接触力信息传输给机器人安全控制模块03，机器人安全控制 模块03内置解决自主避障单元031、紧急避障单元032和柔顺控制单元033， 快速响应电子皮肤的信息并转换成相应的安全控制。

在另一种可能实现方式中，电子皮肤也可以由金属或非金属碎料压制而成， 这种材料能对微小的压力和触感进行测量并通过电阻值的变化反馈给电路，另 外，电子皮肤还可以在橡胶聚合体里面加入电传感石墨薄片。当受到触碰的时 候，它的电阻会发生变化，这些变化立即被藏在皮肤表层下面的一系列晶体管 察觉到，在此就不再赘述了。

在实际应用中，阻抗控制模型的具体实现有多种方法，例如可以是通过基 于动力学模型的阻抗控制方法，也可以是基于位置的阻抗控制方法，还可以是 本领域技术人员知晓的其他阻抗控制方法等等，本领域技术人员可以根据实际 情况，选择合适的阻抗控制模型，并通过阻抗控制来使得工业机器人的机械臂 产生主动柔顺，在此就不再赘述了。

通过上述部分可以看出，由于通过实时跟踪监测对象在工业机器人的分级 保护区域内的运动状态，并根据监测对象在分级保护区域内的位置情况，控制 工业机器人进行不同的避障运动，并且在发生碰撞时，控制工业机器人产生主 动柔顺，从而避免或降低了工业机器人碰撞外物后带来的损失，保证了工业机 器人的安全性。

基于同一发明构思，本发明实施例第二方面还提供一种工业机器人的避障 装置，请参考图5，图5为本发明实施例提供的工业机器人的避障装置的模块图， 如图5所示，该避障装置包括：

实时跟踪单元402，用于实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内 的运动状态；

第一控制单元404，用于在监测对象在分级保护区域内的第一区域时，根据 运动状态，控制工业机器人避开监测对象的运动路径向目标工作位置运动；

第二控制单元406，用于在监测对象在分级保护区域内的第二区域时，根据 人工势场法确定工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，并根据目标位 姿引力场和和障碍物斥力场，控制工业机器人向目标工作位置运动，第二区域 相对与第一区域靠近工业机器人；

以及

第三控制单元408，用于在监测对象与工业机器人发生碰撞时，根据机器人 的柔顺控制，控制工业机器人产生主动柔顺。

基于同一发明构思，本发明实施例第三方面还提供一种工业机器人的避障 系统，请参考图6，图6为本发明实施例提供的避障系统的模块图，如图6所示， 该避障系统包括工业机器人502、视觉模块504、触觉模块506和控制模块508；

视觉模块504用于在建立工业机器人的分级保护区域后，提供跟踪监测对 象在分级保护区域内运动时的运动状态信息；

触觉模块506用于提供工业机器人的电子皮肤触觉反馈信息和机械臂电流 反馈信息；

控制模块508用于根据视觉模块和触觉模块提供的信息，控制工业机器人 针对监测对象进行避障运动。

由于在前实施例中，已经详细介绍了工业机器人的避障系统中各个部分的 信息传递以及处理过程，在此为了说明书的简洁，就不再赘述了。

在具体实施过程中，视觉模块为3D视觉模块，触觉模块为电子皮肤。

基于同一发明构思，本发明实施例第四方面还提供一种工业机器人，包括 关节机械臂、覆盖于关节机械臂上的电子皮肤和控制关节机械臂运动的处理芯 片，处理芯片能够接收并执行控制指令，控制指令为根据第一方面的方法作出 的用于控制工业机器人进行避障运动的控制指令。本实施例中的工业机器人即 第三方面介绍的避障系统中的工业机器人，在此就不再赘述了。

基于同一发明构思，本发明实施例第五方面还提供一种计算机可读存储介 质，其特征在于，包括程序，程序能够被处理芯片执行以实现第一方面的方法。

通过上述部分可以看出，本发明实施例中的技术方案由于通过实时跟踪监 测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态，并根据监测对象在分级保 护区域内的位置情况，控制工业机器人进行不同的避障运动，并且在发生碰撞 时，控制工业机器人产生主动柔顺，从而避免或降低了工业机器人碰撞外物后 带来的损失，保证了工业机器人的安全性。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可 以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式 中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机 可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、 硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的 存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。 另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程 序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储 介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进 行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中 全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不 用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想， 还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种工业机器人的避障方法，其特征在于，包括：

实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态；

在所述监测对象位于所述分级保护区域内的第一区域时，根据所述运动状态，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工作位置运动；

在所述监测对象位于所述分级保护区域内的第二区域时，根据人工势场法确定所述工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，并根据所述目标位姿引力场和和障碍物斥力场，控制所述工业机器人向所述目标工作位置运动，所述第二区域相对与所述第一区域靠近所述工业机器人；

以及

在所述监测对象与所述工业机器人发生碰撞时，根据机器人的柔顺控制，控制所述工业机器人产生主动柔顺。

2.如权利要求1所述的避障方法，其特征在于，所述根据所述运动状态，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工作位置运动，包括：

根据所述运动状态，建立所述工业机器人和所述监测对象的运动关系模型，生成所述工业机器人的避障路径；

根据所述避障路径和所述工业机器人的当前运动路径，并在所述工业机器人能够避开所述监测对象时，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工作位置运动。

3.如权利要求2所述的避障方法，其特征在于，所述控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工作位置运动时，所述方法还包括：

若所述工业机器人无法避开所述监测对象，则控制所述工业机器人进行减速。

4.如权利要求1所述的避障方法，其特征在于，所述根据人工势场法确定所述工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，包括：

在所述工业机器人的工作环境中构造人工势场，所述人工势场中包括斥力极和吸引极,其中，所述斥力极为所述运动路径和所述工业机器人不能进入的区域，并根据所述斥力极构建所述障碍物斥力场，所述引力极为目标工作位置及所述工业机器人能够进入的区域,并根据所述引力极和目标工作位置构建所述目标位姿引力场。

5.如权利要求1所述的避障方法，其特征在于，所述根据机器人的柔顺控制，控制所述工业机器人产生主动柔顺，具体包括：

根据所述工业机器人的电子皮肤触觉反馈信息和机械臂电流反馈信息，建立阻抗控制模型，并通过阻抗控制使得所述工业机器人的机械臂产生主动柔顺。

6.一种工业机器人的避障装置，其特征在于，包括：

实时跟踪单元，用于实时跟踪监测对象在工业机器人的分级保护区域内的运动状态；

第一控制单元，用于在所述监测对象在所述分级保护区域内的第一区域时，根据所述运动状态，控制所述工业机器人避开所述监测对象的运动路径向目标工作位置运动；

第二控制单元，用于在所述监测对象在所述分级保护区域内的第二区域时，根据人工势场法确定所述工业机器人的目标位姿引力场和障碍物斥力场，并根据所述目标位姿引力场和和障碍物斥力场，控制所述工业机器人向所述目标工作位置运动，所述第二区域相对与所述第一区域靠近所述工业机器人；

以及

第三控制单元，用于在所述监测对象与所述工业机器人发生碰撞时，根据机器人的柔顺控制，控制所述工业机器人产生主动柔顺。

7.一种工业机器人的避障系统，其特征在于，包括工业机器人、视觉模块、触觉模块和控制模块；

所述视觉模块用于在建立工业机器人的分级保护区域后，提供跟踪监测对象在所述分级保护区域内运动时的运动状态信息；

所述触觉模块用于提供所述工业机器人的电子皮肤触觉反馈信息和机械臂电流反馈信息；

所述控制模块用于根据所述视觉模块和触觉模块提供的信息，控制所述工业机器人针对所述监测对象进行避障运动。

8.如权利要求7所述的避障系统，其特征在于，所述视觉模块为3D视觉模块，所述触觉模块为电子皮肤。

9.一种工业机器人，其特征在于，包括关节机械臂、覆盖于所述关节机械臂上的电子皮肤和控制所述关节机械臂运动的处理芯片，所述处理芯片能够接收并执行控制指令，所述控制指令为根据如权利要求1-5中任一项所述的方法作出的用于控制所述工业机器人进行避障运动的控制指令。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括程序，所述程序能够被处理芯片执行以实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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