CN112781583B - 一种用于人机协作环境的路线指引系统及人机协作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域。本发明公开了一种用于人机协作环境的路线指引系统，所述人机协作环境可供至少一个机器人和至少一个移动体协同工作，所述路线指引系统包括机器人方位探测单元、安全分区单元、路线规划单元及路线指引单元；本发明还公开了一种人机协作方法。本发明人机协作环境中，通过机器人的位置信息和动作信息划分不同安全等级的区域，并根据划分的不同安全等级的区域结合所述移动体的起终点、移动速度规划移动移动路线，可以更高效地使用人机协作环境中的空间，使处于人机协作环境中的移动体更高效地穿行机器人的工作区域，进而提高人机协作环境中机器人及工作人员的工作效率。

Description

一种用于人机协作环境的路线指引系统及人机协作方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种用于人机协作环境的路线指引系统及人机协作方法。

背景技术

工业机器人因其负载自重以及高速运行的特点，需要在机器人运动范围周边设置安全围栏以分隔人与机器，保障人身安全。但是安全围栏限制了操作人员实际生产过程中对机器人的示教指导。于是协作机器人的出现使得人与机器能在同一工作区域共存，目前的协作机器人与人之间的人机模式都是被动的防御机制，比如当人进入到机器人附近某一规定区域内(通常是以机器人为圆心的一个半径圆)将触发机器人的防御机制，或是减速运行、或是停止运行。但是随着机器人的动作变化，所产生的危险区域也在发生变化。该方法无法实现人与机器人的最高效配合，仍然不算是完整的协作安全技术。

针对当前协作机器人在作业过程中所产生的危险区域不断变化这一问题，提供一个新的解决方案，在不以牺牲机器人效率的前提下，充分保证作业安全的方法，提高了协作机器人的工作效率。

中国专利公告号CN104723350A于2015年6月24日公开了一种工业机器人安全防护智能控制方法及系统，该方法包括拍摄机器人周围预设区域的检测图像；对当前的检测图像进行待测目标识别；若在当前的检测图像中识别出待测目标，则根据预设参数计算待测目标的当前位置及到机器人之间的当前距离；将当前位置和当前距离按时间顺序存储到时间轴模块中；根据当前距离和当前位置，以及时间轴模块中的前一时间的前一距离和前一位置计算待测目标的移动速度；根据待测目标的当前位置、当前距离、移动速度及机器人的运动状态数据确定待测目标与预设的危险区域及预设的安全区域之间的安全判断关系；根据安全判断关系控制机器人正常运行或停止运行或更改路径，其能有效保证工作人员安全；但是该智能控制方法及系统仅仅只是考虑到机器人与工作人员的距离关系，并没有考虑机器人的动作变化对安全区域及危险区域变化的影响，会出现将某一动作下的安全区域划分为危险区域的情况，这样会造成危险区域过大限制了工作人员的活动，也造成了空间的浪费，安全区域的设置不合理会导致人与协作机器人之间的配合无法达到最佳的效果，也不利于提高协作机器人的工作效率。

发明内容

为解决现有技术中人机协作系统及方法中安全区域划分不合理造成人机协作无法达到最佳效果的问题，本发明提供了一种用于人机协作环境的路线指引系统，其根据机器人的实时位置信息、位置变化信息及实时动作信息、动作变化信息划分不同等级的安全区域，并根据不同等级的安全区域设计移动体的移动路线，在保证人员安全的情况下最大效率利用空间，提高空间利用率，使移动体快速、安全和有效的通过机器人工作区域，使人与协作机器人之间的配合达到最佳效果，提高协作机器人的工作效率。

本发明还提供了一种用于人机环境的人机协作方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于人机协作环境的路线指引系统，所述人机协作环境可供至少一个机器人和至少一个移动体协同工作，

所述路线指引系统包括：

机器人方位探测单元，用于获取所述机器人的位置信息及动作信息；

安全分区单元，根据所述机器人位置信息及动作信息，将所述人机协作环境实时划分为具有不同安全等级的区域；

路线规划单元，根据所述移动体移动的起终点、移动速率及所述不同安全等级的区域，规划所述移动体在所述人机协作环境中的移动路线；

路线指引单元，根据所述移动路线指引所述移动体在所述人机协作环境中进行移动。

上述移动体通常为在人机协作环境中活动的人，也即其中的工作人员，也可以是由操作人员控制的或是自动系统控制的相应的在人机协作环境中活动的机器或摆渡车等能够在控制下移动的物体。

作为优选，所述机器人方位探测单元根据对所述机器人的进行控制的动作程序获取所述机器人的位置信息及动作信息。

作为优选，所述机器人方位探测单元包括传感器，用于探测所述机器人的位置信息及动作信息。

作为优选，所述动作信息包括所述机器人整体或部分的位置变化信息。

作为优选，所述安全分区单元划分的区域包括：

一级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第一预定期间的位置、动作不重合且与所述机器人的最短距离不小于一个预定的阈值；

二级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第二预定期间的位置、动作至少部分重合且或与所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中该第二预定期间短于或等于所述第一预定期间；

三级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第三预定期间的位置、动作至少部分重合且或所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中所述第三预定期间短于所述第二预定期间。

本发明中机器人方位探测单元最主要需要获取的是机器人的位置信息和动作信息，并结合机器人的位置信息和动作信息实时地划分不同等级的安全区域；虽然单纯地依据位置信息也能够实现不同安全等级区域的划分，但是仅仅根据机器人的位置信息划分安全区域，没有考虑到机器人的动作也会影响安全区域的改变；按照机器人位置信息划分安全区域，通常存在两个问题，其一就是仅考虑机器人的位置或者仅考虑机器人动作后的位置按圆形区域简单划分不同等级安全区域，会存在危险区域划分过小的问题，在机器人动作的过程中可能存在对其中移动体产生危险的可能，其二就是考虑机器人所有移动过程中所有可能经过的位置并按圆形区域简单划分不同等级安全区域，会存在危险区域划分过大的问题，显然会降低在生产过程中人机协作的效率，进而降低生产效率。本发明路线规划单元根据安全分区单元实时划分的不同等级的安全区域，从其中选择移动体和机器人完全不会产生相互影响的一级安全区域设计相应的移动路线，由于安全区域是在时刻进行变化的，所以这样的一条移动路线即包括空间上的位置信息还包括时间信息，是一条在特定时间上的移动路线，移动体必须在特定的时间范围内到达移动路线上的特定位置，否则可能会导致与所述移动路线偏离。

作为优选，所述路线指引单元通过设置标识所述移动路线的指引装置或向所述移动体发送包含所述移动路线的指引指令，实现指引所述移动体在所述人机协作环境中按照所述移动路线进行移动。

对于移动体为工作人员或是由工作人员驾驶的车辆，可以采用在地面标识移动路线的方式实现路线指引，具体可以为在地面设置的信号灯或是投影的移动路线；而对于移动体为自动控制的车辆等机械时，可以直接向相应的车辆等机械发送包含移动路线的指引指令，直接控制该移动体运行。

作为优选，进一步包括：

警告单元，用于监测所述人机协作环境中所述移动体的实时移动路径，并根据所述移动体的实时移动路径与所述移动路线的重合度给出不同的警告信息。

作为优选，进一步包括：

一个应急处理单元，当所述移动体位置与所述三级安全区域或所述二级安全区域重合时，控制所述机器人执行相应的临时指令避免对所述移动体产生伤害。

所述临时指令包括，降低机器人当前动作的速度、停止所述机器人当前的动作或执行替代动作。

由于本发明中设计的移动路线是一条包含位置信息和时间信息的移动路线，所以此处的所述移动体与规划的所述移动路线的重合度既包括位置信息的重合度还包括时间信息的重合度，其中任一一项出现偏离状况就需要发出警告信息；这种移动体实时移动路径与设计好的移动路线相偏离的状况通常是因为移动体移送速度快于或慢于移动路线设计时的速度造成的，警告单元发出警告以提醒所述移动体相应地加快或减缓速度与所述移动路线匹配。

对于因所述移动体实时移动路径与所述移动路线相偏离的情况，可能会使所述移动体与三级安全区域或二级安全区域重合，可能会发生使所述移动体受伤害的情况；设置应急处理单元，当此种情况发生时，所述应急处理单元控制所述机器人执行相应的临时指令避免对所述移动体产生伤害，具体而言，可以是使机器人减缓动作，也可以是使机器人完全停止当前动作，还可以是使机器人执行另外的替代动作以避免对所述移动体产生伤害。

一种人机协作方法，至少可供一个机器人与至少一个移动体协同工作，包括步骤：

获取所述机器人的位置信息及动作信息；

根据所述机器人的位置信息及动作信息，将所述人机协作环境实时划分为具有不同安全等级的区域；

根据所述移动体移动的起终点、移动速率及所述不同安全等级的区域，规划所述移动体在人机协作环境中的移动路线；

根据所述移动路线指引所述移动体在所述人机协作环境中进行移动。

因此，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明人机协作环境中，通过机器人的位置信息和动作信息划分不同安全等级的区域，并根据划分的不同安全等级的区域结合所述移动体的起终点、移动速度规划移动移动路线，可以更高效地使用人机协作环境中的空间，使处于人机协作环境中的移动体更高效地穿行机器人的工作区域，进而提高人机协作环境中机器人及工作人员的工作效率；

(2)本发明中的人机协作方法，能够在保证安全性的前提下，提高人机协作环境中空间使用率，进而提高人机协作环境中机器人及工作人员的工作效率。

附图说明

图1为单机器人情况下人机协作环境及工作人员穿行起终点示意图；

图2为单机器人情况下工作人员根据本发明路线指引系统穿行人机协作环境的示意图；

图3为双机器人情况下人机协作环境及工作人员穿行起终点示意图；

图4为双机器人情况下工作人员根据本发明路线指引系统穿行人机协作环境的示意图；

图中：人机协作区域1，机器人2，工作人员3，移动路线4；工作人员穿行起点A，工作人员穿行终点B。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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做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。

实施例

一种用于人机协作环境的路线指引系统，所述人机协作环境可供至少一个机器人和至少一个移动体协同工作，

所述路线指引系统包括：

机器人方位探测单元，用于获取所述机器人的位置信息及动作信息；所述机器人方位探测单元根据对所述机器人的进行控制的动作程序获取所述机器人的位置信息及动作信息，所述机器人方位探测单元包括传感器，用于探测所述机器人的位置信息及动作信息；所述动作信息包括所述机器人整体或部分的位置变化信息；

安全分区单元，根据所述机器人位置信息及动作信息，将所述人机协作环境实时划分为具有不同安全等级的区域；

所述安全分区单元划分的区域包括：

一级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第一预定期间的位置、动作不重合且与所述机器人的最短距离不小于一个预定的阈值；

二级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第二预定期间的位置、动作至少部分重合且或与所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中该第二预定期间短于或等于所述第一预定期间；

三级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第三预定期间的位置、动作至少部分重合且或所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中所述第三预定期间短于所述第二预定期间；

路线规划单元，根据所述移动体移动的起终点、移动速率及所述不同安全等级的区域，规划所述移动体在所述人机协作环境中的移动路线；

路线指引单元，根据所述移动路线指引所述移动体在所述人机协作环境中进行移动，所述路线指引单元通过设置标识所述移动路线的指引装置或向所述移动体发送包含所述移动路线的指引指令，实现指引所述移动体在所述人机协作环境中按照所述移动路线进行移动；

警告单元，用于监测所述人机协作环境中所述移动体的实时移动路径，并根据所述移动体的实时移动路径与所述移动路线的重合度给出不同的警告信息。

应急处理单元，当所述移动体位置与所述三级安全区域或所述二级安全区域重合时，控制所述机器人执行相应的临时指令避免对所述移动体产生伤害，所述临时指令包括，降低机器人当前动作的速度、停止所述机器人当前的动作或执行替代动作。

上述移动体通常为在人机协作环境中活动的人，也即其中的工作人员，也可以是由操作人员控制的或是自动系统控制的相应的在人机协作环境中活动的机器或摆渡车等能够在控制下移动的物体。

一种人机协作方法，至少可供一个机器人与至少一个移动体协同工作，包括步骤：

获取所述机器人的位置信息及动作信息；

根据所述机器人的位置信息及动作信息，将所述人机协作环境实时划分为具有不同安全等级的区域；

根据所述移动体移动的起终点、移动速率及所述不同安全等级的区域，规划所述移动体在人机协作环境中的移动路线；

根据所述移动路线指引所述移动体在所述人机协作环境中进行移动。

以下具体实施方式中，通俗的采用安全区指代一级安全区域，过渡区指代二级安全区域，危险区指代三级安全区域，并将其中的移动体设定为工作人员；区域具体划分方式为，将与所述机器人的实时位置及接下来机器人四个动作时间内发生动作的位置不重合且与所述机器人最短距离不小于50cm的范围划分为安全区，将与所述机器人的实时位置及接下来机器人四个动作时间内发生动作的位置至少部分重合且与所述机器人最短距离小于50cm的范围划分为过渡区，将与所述机器人的实时位置及接下来机器人两个动作时间内发生动作的位置至少部分重合且与所述机器人最短距离小于50cm的范围划分为危险区。

在单机器人人机协作环境中，人机协作环境及工作人员穿行起终点如图1所示，其中A点为工作人员穿行起点，B点为工作人员穿行终点；如图2所示，机器人方位探测单元获取机器人的位置信息及动作信息，安全分区单元将人机环境实时划分为具有不同安全等级的区域，路线规划单元根据工作人员的起终点和移动速率在安全区中规划供工作人员穿行的移动路线，路线指引单元在地面上指引出该移动路线，工作人员根据指引从A点移动到B点。

在双机器人人机协作环境中，工作人员穿行人机协作环境的情况也大致类似。人机协作环境及工作人员穿行起终点如图3所示，其中A点为工作人员穿行起点，B点为工作人员穿行终点；如图4所示，机器人方位探测单元获取机器人的位置信息及动作信息，安全分区单元将人机环境实时划分为具有不同安全等级的区域，路线规划单元根据工作人员的起终点和移动速率在安全区中规划供工作人员穿行的移动路线，路线指引单元在地面上指引出该移动路线，工作人员根据指引从A点移动到B点。

在整个工作人员穿行人机协作环境过程中，工作人员需按照路线指引单元给出的指引及时地进行移动，使其自身实时移动路径与路线指引单元给出的移动路线相重合；若其中因某些因素发生工作人员的实时移动路径与路线指引单元给出的移动路线发生偏离但仍处于安全区，则警告单元发出警告信息提醒工作人员调整自己的移动使实时移动路径与路线指引单元给出的移动路线相重合；若其中的工作人员难以调整自己的实时移动路径与所述移动路线相重合进而导致工作人员处于人机协作环境中的过渡区或危险区，则应急处理单元启动，控制机器人执行相应的临时指令以避免对工作人员产生伤害；具体可以为，当工作人员处于过渡区时，降低机器人当前动作的速度，但工作人员处于危险区时，停止机器人当前的动作；当然根据具体情况，机器人也可以执行其他替代动作以实现避免对工作人员产生伤害的目的。

应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于人机协作环境的路线指引系统，所述人机协作环境可供至少一个机器人和至少一个移动体协同工作，其特征在于：

所述路线指引系统包括：

机器人方位探测单元，用于获取所述机器人的位置信息及动作信息；

安全分区单元，根据所述机器人位置信息及动作信息，将所述人机协作环境实时划分为具有不同安全等级的区域；

路线规划单元，根据所述移动体移动的起终点、移动速率及所述不同安全等级的区域，规划所述移动体在所述人机协作环境中的移动路线；

路线指引单元，根据所述移动路线指引所述移动体在所述人机协作环境中进行移动；

所述安全分区单元划分的区域包括：

一级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第一预定期间的位置、动作不重合且与所述机器人的最短距离不小于一个预定的阈值；

二级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第二预定期间的位置、动作至少部分重合且或与所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中该第二预定期间短于或等于所述第一预定期间；

三级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第三预定期间的位置、动作至少部分重合且或所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中所述第三预定期间短于所述第二预定期间。

2.根据权利要求1所述的一种路线指引系统，其特征在于：

所述机器人方位探测单元根据对所述机器人的进行控制的动作程序获取所述机器人的位置信息及动作信息。

3.根据权利要求1所述的一种路线指引系统，其特征在于：

所述机器人方位探测单元包括传感器，用于探测所述机器人的位置信息及动作信息。

4.根据权利要求1所述的一种路线指引系统，其特征在于：

所述动作信息包括所述机器人整体或部分的位置变化信息。

5.根据权利要求1所述的一种路线指引系统，其特征在于：

所述路线指引单元通过设置标识所述移动路线的指引装置或向所述移动体发送包含所述移动路线的指引指令，实现指引所述移动体在所述人机协作环境中按照所述移动路线进行移动。

6.根据权利要求1所述的一种路线指引系统，其特征在于：

进一步包括：

警告单元，用于监测所述人机协作环境中所述移动体的实时移动路径，并根据所述移动体的实时移动路径与所述移动路线的重合度给出不同的警告信息。

7.根据权利要求6所述的一种路线指引系统，其特征在于：

进一步包括：

一个应急处理单元，当所述移动体进入所述三级安全区域或所述二级安全区域时，控制所述机器人执行相应的临时指令避免对所述移动体产生伤害。

8.根据权利要求7所述的一种路线指引系统，其特征在于：

所述临时指令包括，降低机器人当前动作的速度、停止所述机器人当前的动作或执行替代动作。

9.一种用于人机环境的人机协作方法，所述人机环境至少可供一个机器人与至少一个移动体协同工作，其特征在于，包括步骤：

获取所述机器人的位置信息及动作信息；

根据所述机器人的位置信息及动作信息，将所述人机协作环境实时划分为具有不同安全等级的区域；

根据所述移动体移动的起终点、移动速率及所述不同安全等级的区域，规划所述移动体在人机协作环境中的移动路线；

根据所述移动路线指引所述移动体在所述人机协作环境中进行移动；

所述不同安全等级的区域的划分方法如下：

一级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第一预定期间的位置、动作不重合且与所述机器人的最短距离不小于一个预定的阈值；

二级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第二预定期间的位置、动作至少部分重合且或与所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中该第二预定期间短于或等于所述第一预定期间；

三级安全区域，其与所述机器人的实时位置、实时动作及未来第三预定期间的位置、动作至少部分重合且或所述机器人的最短距离小于所述预定的阈值，其中所述第三预定期间短于所述第二预定期间。

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