CN113885520B - 自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：该确定方法的步骤为：a、获取自主移动机器上的安全防护装置参数；b、获取自主移动机器性能参数；c、根据步骤a的安全防护装置参数和步骤b的自主移动机器性能参数确定总响应时间T；d、确定动态安全距离S_D。本发明提出的动态安全距离确定方法能够用于自主移动机器与人体间安全距离的确定，适用于监控安全防护区域的安全激光扫描仪、安全三维传感器或基于视觉的保护装置等安全设备的监测区域尺寸确定。

Description

自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法

技术领域

本发明属于安全技术领域，尤其涉及自主移动机器的安全距离确定，具体地说是一种自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法。

背景技术

随着物联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术的快速发展，以及与先进制造技术的融合创新，全球兴起了以智能制造为代表的新一轮产业革命，智能制造正促使制造业发生巨大变化。智能制造中大量使用的移动机器人、自动导引车(Automated GuidedVehicle、AGV)、无人叉车等自主移动机器使得人机交互更加复杂。人机交互过程往往伴随着人员受到伤害风险的增加，人体与机器接触产生的挤压、碰撞、冲击等，使自主移动机器成为了对人体产生伤害的危险源。确保人体与危险源足够的安全距离是降低这类风险的重要手段，设置的安全距离过小则会产生碰撞，过大则影响工作效率。在确定了合理的安全距离后如果人体与危险源间距离小于安全距离，则系统采取相关安全防护措施，保护人体免受伤害；如果人体与危险源间距离大于安全距离，则系统正常工作，不采取相关安全防护措施。

自主移动机器运动过程中，如人也处于运动状态时，自主移动机器运行速度与人运行速度的实时改变，会导致所需安全距离实时改变。当前设计自主移动机器安全防护装置时，所采用的安全距离还是固定式机械设备安全距离确定方法，该方法已不能适应这类自主式移动机器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法；该动态安全距离确定方法能够应用于监控安全防护区域的安全激光扫描仪、安全三维传感器或基于视觉的保护装置等设备的监测区域尺寸确定。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：该确定方法的步骤为：

a、获取自主移动机器上的安全防护装置参数；

b、获取自主移动机器性能参数；

c、根据步骤a的安全防护装置参数和步骤b的自主移动机器性能参数确定总响应时间T；d、确定动态安全距离S_D。

所述步骤a中的安全防护装置参数包括安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间t₁、侵入距离C；其中侵入距离C指人体部位在安全防护装置制动之前越过安全防护装置向危险区移动的距离，0≤C≤1200mm。

所述步骤b中的自主移动机器性能参数包括安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间t₂、距离补偿值Z、自主移动机器的实时运行速度v_m；其中距离补偿值Z指因测量系统时间误差而产生的移动距离，0≤Z≤300mm，距离补偿值Z由自主移动机器的制造商提供。

所述步骤c中的总响应时间T为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号最大时间t₁与安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间t₂之和，即T＝t₁+t₂。

所述步骤d中的动态安全距离S_D在能够确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，S_D＝S(t_a)＝S_m1+S_h1+C+Z；其中，S(t_a)为自主移动机器在t_a时刻的动态安全距离；S_m1为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内沿接近方向上的移动距离，

v_m1是自主移动机器在接近方向上的实时运行速度；S_h1为总响应时间T内人体部位在接近方向上的移动距离，

v_h1是人体部位在接近方向上的实时运动速度；C为人体部位的侵入距离，为一设定值；Z为自主移动机器的距离补偿值，为一设定值。

所述步骤d中的动态安全距离S_D在无法确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，S_D＝S(t_a)＝S_m+K×T+C+Z；其中，S(t_a)为自主移动机器在t_a时刻的动态安全距离；S_m为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离；K为根据人体或人体部位接近速度导出的速度参数，1600mm/s≤K≤2000mm/s；C为人体部位的侵入距离，为一设定值；Z为自主移动机器的距离补偿值，为一设定值。

当自主移动机器处于匀速状态时，自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S_m的计算公式为：

式中v_a为自主移动机器在t_a时刻的运行速度，v_R为自主移动机器在工作状态时的正常运行速度，匀速时v_a＝v_R＝v_m(t_a)，v_m为自主移动机器的实时运行速度；a_s为自主移动机器制动时的减速度；t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间；t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

当自主移动机器处于加速状态时，自主移动机器在加速状态时的加速度为a_a，自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a加速到工作状态时的正常运行速度v_R的时间为

v_a≥0；此时v_a＝v_m(t_a)≤v_R且

v_m为自主移动机器的实时运行速度，v_R为自主移动机器在工作状态时的正常运行速度；

如

自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a继续加速到工作状态时的正常运行速度v_R的时间为

则该状态下自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S′_m为：

其中a_s为自主移动机器制动时的减速度，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间，t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间；

如

则根据实时采样速度v″_m分为两个阶段，第一阶段的实时采样速度v″_m为v_a＜v″_m≤v_R-a_at₁，此加速阶段自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a继续加速最高到v″_m＝v_R-a_at₁，处于该加速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″_m为：

第二阶段的实时采样速度v″_m为v_R-a_at₁＜v″_m＜v_R，处于该加速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″_m与S′_m相同，为：

当自主移动机器处于减速状态时，处于该减速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″′_m为：

式中v_a为自主移动机器在t_a时刻的运行速度，a_d为自主移动机器在减速状态时的减速度，a_s为自主移动机器制动时的减速度，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间，t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的方法不但能够在确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，确定自主移动机器与人体间的动态安全距离；还能够在无法确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，通过将自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内沿接近方向上的移动距离简化为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离、总响应时间T内人体在接近方向上的移动距离简化为根据人体或人体部位接近速度导出的速度参数K与总响应时间T的乘积，从而方便快捷地确定自主移动机器与人体间的动态安全距离；该动态安全距离确定方法适用于监控安全防护区域的安全激光扫描仪、安全三维传感器或基于视觉的保护装置等安全设备的监测区域尺寸确定。

附图说明

附图1为本发明的总响应时间构成示意图；

附图2为本发明的自主移动机器与人体接近示意图；

附图3为本发明的自主移动机器与人体间的时间-速度-距离曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示：一种自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其具体步骤为：

a、获取自主移动机器上的安全防护装置参数；

安全防护装置参数包括安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间t₁、侵入距离C；其中侵入距离C指人体部位在安全防护装置制动之前越过安全防护装置向危险区移动的距离(如在接近机器时手臂前伸)，0≤C≤1200mm，如850mm为标准的手臂触及范围。

b、获取自主移动机器性能参数；

自主移动机器性能参数包括安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间t₂、距离补偿值Z、自主移动机器的实时运行速度v_m；其中距离补偿值Z指因测量系统时间误差而产生的移动距离，包括由监测机器和人体部位的速度与位置传感器精度产生的误差，0≤Z≤300mm，距离补偿值Z由自主移动机器的制造商提供。

c、根据步骤a的安全防护装置参数和步骤b的自主移动机器性能参数确定总响应时间T；

总响应时间T指安全防护装置探测到人体或人体部位时的物理起动到危险机器功能终止之间的时间间隔。该时间间隔或过程至少由以下两个时间阶段构成：

T＝t₁+t₂ (1)

式(1)中，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间；t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间；t₁和t₂之间的关系如图1所示。图1中的t_a时刻安全防护装置发现人体部位；t_b时刻安全防护装置输出停机信号；t_c时刻自主移动机器的危险机器功能终止(即安全状态，指危险参数降低到不能导致身体伤害或损害健康的水平时所达到的条件，如自主移动机器停止或速度降低到不能对人体产生伤害的值)。

d、确定动态安全距离S_D；

自主移动机器与人体间的接近示意图如图2所示，图2中的v_m为自主移动机器的实时运行速度，v_h为人体部位的实时运动速度，v_m1是自主移动机器在接近方向上的实时运行速度，v_h1是人体部位在接近方向上的实时运动速度；v_m1、v_h1根据间隔距离可以增大或减小，v_m1、v_h1的方向可以是正或负。

在能够确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，与人体部位接近速度相关的自主移动机器与人体间动态安全距离计算公式如下：

S_D＝S(t_a)＝S_m1+S_h1+C+Z (2)

式(2)中，S(t_a)为自主移动机器在t_a时刻的动态安全距离；S_m1为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内沿接近方向上的移动距离，

v_m1是自主移动机器在接近方向上的实时运行速度；S_h1为总响应时间T内人体部位在接近方向上的移动距离，

v_h1是人体部位在接近方向上的实时运动速度；C为人体部位的侵入距离，0≤C≤1200mm；Z为自主移动机器的距离补偿值，0≤Z≤300mm。

当无法确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，通过将自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内沿接近方向上的移动距离简化为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离、总响应时间T内人体在接近方向上的移动距离简化为根据人体或人体部位接近速度导出的速度参数K与总响应时间T的乘积，故式(2)简化为如下形式：

S_D＝S(t_a)＝S_m+K×T+C+Z (3)

式(3)中，S(t_a)为自主移动机器在t_a时刻的动态安全距离；S_m为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离；K为根据人体或人体部位接近速度导出的速度参数，1600mm/s≤K≤2000mm/s，该值是经过实际验证的步行速度或上肢运行速度；C为人体部位的侵入距离，0≤C≤1200mm；Z为自主移动机器的距离补偿值，0≤Z≤300mm。

式(3)表明，可仅根据自主移动机器的实时运行速度v_m(或称为实时采样速度)确定动态安全距离，当自主移动机器的安全防护装置探测到人体到达该距离时即采取减速/停止、绕行等响应措施，而不考虑人体速度及接近方向。

进一步地，自主移动机器在运动过程中有匀速、加速、减速三种状态，在这三种状态下自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离不同。

当自主移动机器处于匀速状态时，自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S_m的计算公式为：

式(4)中，v_a为自主移动机器在t_a时刻的运行速度，v_R为自主移动机器在工作状态时的正常运行速度，匀速时v_a＝v_R＝v_m(t_a)，v_m为自主移动机器的实时运行速度；a_s为自主移动机器制动时的减速度；t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间；t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

当自主移动机器处于加速状态时，自主移动机器在加速状态时的加速度为a_a，自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a加速到工作状态时的正常运行速度v_R的时间为

v_a≥0；此时v_a＝v_m(t_a)≤v_R且

v_m为自主移动机器的实时运行速度，v_R为自主移动机器在工作状态时的正常运行速度。

如

自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a继续加速到工作状态时的正常运行速度v_R的时间为

此过程中的实时采样速度为v′_m，则该状态下自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S′_m为：

式(5)中，a_s为自主移动机器制动时的减速度，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间，t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

如

则根据实时采样速度v″_m分为两个阶段：

第一阶段的实时采样速度v″_m为v_a＜v″_m≤v_R-a_at₁，此加速阶段自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a继续加速最高到v″_m＝v_R-a_at₁，处于该加速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″_m为：

第二阶段的实时采样速度v″_m为v_R-a_at₁＜v″_m＜v_R，处于该加速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离采用公式(5)计算。

当自主移动机器处于减速状态时，处于该减速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″′_m为：

式(7)中，v_a为自主移动机器在t_a时刻的运行速度，a_d为自主移动机器在减速状态时的减速度，a_s为自主移动机器制动时的减速度，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间，t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

实际上，当自主移动机器处于减速状态时，为提高安全性能，可直接采用公式(4)来计算减速状态时的动态安全距离。

本发明的自主移动机器在匀速运行和加速运行时，自主移动机器与人体间的时间-速度-距离曲线示意图如图3所示，在图3中，v_m(t)为自主移动机器处于匀速状态时的速度曲线；v′_m(t)为自主移动机器处于加速状态、且

时，自主移动机器的速度曲线；v″_m(t)为自主移动机器处于加速状态、且

时，自主移动机器的速度曲线；S(t)为自主移动机器处于匀速状态时的自主移动机器与人体间距离曲线；S′(t)为自主移动机器处于加速状态、且

时的自主移动机器与人体间距离曲线；S″(t)为自主移动机器处于加速状态、且

时的自主移动机器与人体间距离曲线；S(t_a)为自主移动机器处于匀速状态时、t_a时刻的自主移动机器与人体间距离，即t_a时刻的动态安全距离；S′(t_a)为自主移动机器处于加速状态且

时、t_a时刻的自主移动机器与人体间距离，即t_a时刻的动态安全距离；S″(t_a)为自主移动机器处于加速状态且

时、t_a时刻的自主移动机器与人体间距离，即t_a时刻的动态安全距离。

实施例

某自主移动机器AGV，在运行过程中无法实时获取人体距离AGV的位置及接近速度，AGV动态安全距离计算步骤如下：

步骤a、获取安全防护装置参数。该AGV采用安全激光扫描仪探测人体存在，其响应的最大时间t₁＝0.08s，该AGV采用的安全激光扫描仪探测物体最小直径为70mm，该AGV上部集成有机械臂，如人手臂平伸会触及到机械臂，因此计算安全距离时取侵入距离C＝850mm。

步骤b、获取AGV的性能参数。由机器制造商提供的距离补偿值Z由3部分组成，具体为Z＝Z₁+Z₂+Z_gc；其中Z₁为安全激光扫描仪测量误差，Z₁＝100mm；Z₂为背景反射光造成的额外误差，本工作场所无背景反射光，Z₂＝0；Z_gc为AGV底部和地面之间空隙不足的安全系数，Z_gc＝50mm。该AGV加速度a_a＝1000mm/s²，制动减速度a_s＝2000mm/s²。AGV从安全防护装置输出停机信号或自主移动机器产生制动的t_b时刻的实时运行速度v_m(t_b)减速到速度为0的时间

步骤c、计算总响应时间T。

步骤d、计算安全距离S_D。

当AGV匀速运行时，其在工作状态时的正常运行速度v_R＝1800mm/s，采用式(4)和式(3)计算出动态安全距离S_D＝3522mm。

当AGV加速运行时，在AGV加速运行至工作状态时的正常运行速度v_R＝1800mm/s的过程中，当AGV的实时运动速度为0＜v_m≤1720(mm/s)时，采用式(6)和式(3)计算动态安全距离；当AGV的实时运动速度为1720＜v_m≤1800(mm/s)时，采用式(5)和式(3)计算动态安全距离。如AGV的实时运动速度时v_m＝312mm/s，S_D＝1443mm；AGV的实时运动速度v_m＝1337mm/s时，S_D＝2837mm；AGV的实时运动速度v_m＝1752mm/s时，S_D＝3483mm。

本发明的方法不但能够在确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，确定自主移动机器与人体间的动态安全距离；还能够在无法确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，通过将自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内沿接近方向上的移动距离简化为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离、总响应时间T内人体在接近方向上的移动距离简化为根据人体或人体部位接近速度导出的速度参数K与总响应时间T的乘积，从而方便快捷地确定自主移动机器与人体间的动态安全距离；该动态安全距离确定方法适用于监控安全防护区域的安全激光扫描仪、安全三维传感器或基于视觉的保护装置等安全设备的监测区域尺寸确定。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：该确定方法的步骤为：

a、获取自主移动机器上的安全防护装置参数；

b、获取自主移动机器性能参数；

c、根据步骤a的安全防护装置参数和步骤b的自主移动机器性能参数确定总响应时间T；总响应时间T为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间t₁与安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间t₂之和，即T＝t₁+t₂；

d、确定动态安全距离S_D；

所述步骤d中的动态安全距离S_D在能够确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，S_D＝S(t_a)＝S_m1+S_h1+C+Z；其中，S(t_a)为自主移动机器在t_a时刻的动态安全距离；S_m1为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内沿接近方向上的移动距离，

v_m1是自主移动机器在接近方向上的实时运行速度；S_h1为总响应时间T内人体部位在接近方向上的移动距离，

v_h1是人体部位在接近方向上的实时运动速度；C为人体部位的侵入距离，为一设定值；Z为自主移动机器的距离补偿值，为一设定值；

所述步骤d中的动态安全距离S_D在无法确定自主移动机器和人体部位的接近方向以及在接近方向上的速度时，S_D＝S(t_a)＝S_m+K×T+C+Z；其中，S(t_a)为自主移动机器在t_a时刻的动态安全距离；S_m为自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离；K为根据人体或人体部位接近速度导出的速度参数，1600mm/s≤K≤2000mm/s。

2.根据权利要求1所述的自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：所述步骤a中的安全防护装置参数包括安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间t₁、侵入距离C；其中侵入距离C指人体部位在安全防护装置制动之前越过安全防护装置向危险区移动的距离，0≤C≤1200mm。

3.根据权利要求1所述的自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：所述步骤b中的自主移动机器性能参数包括安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间t₂、距离补偿值Z、自主移动机器的实时运行速度v_m；其中距离补偿值Z指因测量系统时间误差而产生的移动距离，0≤Z≤300mm，距离补偿值Z由自主移动机器的制造商提供。

4.根据权利要求1所述的自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：当自主移动机器处于匀速状态时，自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S_m的计算公式为：

式中v_a为自主移动机器在t_a时刻的运行速度，v_R为自主移动机器在工作状态时的正常运行速度，匀速时v_a＝v_R＝v_m(t_a)，v_m为自主移动机器的实时运行速度；a_s为自主移动机器制动时的减速度；t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间；t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

5.根据权利要求1所述的自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：当自主移动机器处于加速状态时，自主移动机器在加速状态时的加速度为a_a，自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a加速到工作状态时的正常运行速度v_R的时间为

v_a≥0；此时v_a＝v_m(t_a)≤v_R且

v_m为自主移动机器的实时运行速度，v_R为自主移动机器在工作状态时的正常运行速度；

如

自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a继续加速到工作状态时的正常运行速度v_R的时间为

则该状态下自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S′_m为：

其中a_s为自主移动机器制动时的减速度，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间，t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间；

如

则根据实时采样速度v″_m分为两个阶段，第一阶段的实时采样速度v″_m为v_a＜v″_m≤v_R-a_at₁，此加速阶段自主移动机器由t_a时刻的运行速度v_a继续加速最高到v″_m＝v_R-a_at₁，处于该加速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″_m为：

第二阶段的实时采样速度v″_m为v_R-a_at₁＜v″_m＜v_R，处于该加速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″_m与S′_m相同，为：

6.根据权利要求1所述的自主移动机器与人体间动态安全距离确定方法，其特征在于：当自主移动机器处于减速状态时，处于该减速阶段的自主移动机器在t_a时刻起的总响应时间T内的移动距离S″_m为：

式中v_a为自主移动机器在t_a时刻的运行速度，a_d为自主移动机器在减速状态时的减速度，a_s为自主移动机器制动时的减速度，t₁为安全防护装置发现人体部位到输出停机信号的最大时间，t₂为安全防护装置输出停机信号后自主移动机器终止危险功能所需的最大时间。

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