CN115351785A - 一种移动机器人立体防护方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种移动机器人立体防护方法、系统及存储介质 Download PDF

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CN115351785A CN202210922763.6A CN202210922763A CN115351785A CN 115351785 A CN115351785 A CN 115351785A CN 202210922763 A CN202210922763 A CN 202210922763A CN 115351785 A CN115351785 A CN 115351785A
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Abstract

本发明公开了一种移动机器人立体防护方法、系统及存储介质，系统包括：传感器单元，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；控制单元，用于通过传感器单元测量得到的机器人前进方向和机器人机身其他方向的障碍物位置信息，结合以机器人为参照划分的区域标准，判断障碍物所处区域；通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作；导航单元，用于机器人在预警区时，通过算法发出避障信号给机器人使得机器人逐渐减速并完成避障；声光报警单元，用于机器人在危险区时，发出警报信号。本发明利用多传感器完成障碍物信息获取，结合360°范围检测，完成预警及规划路径，提高移动机器人防护效果。

Description

一种移动机器人立体防护方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种移动机器人立体防护方法、系统及存储介质。
背景技术
随着工业生产自动化的需求不断增大，越来越多的移动机器人被用于工业场景，这其中，移动机器人的安全防护是一个重要的问题。移动机器人在作业过程中，需要对障碍物进行实时防护。现有移动机器人防护方法主要存在问题为：
1.只采用单一传感器，此时机器人的防护方法受到传感器精度等自身属性限制；
2.只针对前进方向进行检测，此时无法获取周围其他方向障碍物信息，无法应对突发状况；
针对越来越丰富的移动机器人应用场景，亟待需要一种融合多传感器，可360°范围防护，且防护等级可选择的防护方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种移动机器人立体防护方法、系统及存储介质，解决现有移动机器人防护方法大多存在采用单一传感器，只对前进方向进行检测及未结合机械臂防护等问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种移动机器人立体防护方法，包括以下步骤：
步骤1，移动机器人本体安装不同类型传感器，包括但不限于红外传感器、视觉传感器和超声传感器，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；
步骤2，以机器人本体中心为坐标原点，将机器人本体周边区域分为安全区、预警区及危险区；
步骤3，获取机器人前进方向的障碍物坐标信息，确定障碍物所处区域；
步骤4，通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作，具体为：
障碍物位于安全区，控制单元输出正常信号，机器人匀速前进；
障碍物位于预警区，控制单元发出减速信号，机器人逐渐减速；
障碍物位于危险区，控制单元发出零信号，机器人停止运动；
步骤5，当障碍物位于预警区或危险区时，引入时间变量Δt，在Δt时间内，机器人持续重复步骤1到步骤4，如在该时间段内检测到障碍物移动到安全区，则机器人恢复匀速前进状态，否则执行步骤6；
步骤6，经过Δt时间后，如障碍物位置不在安全区，则通过此时障碍物位置确定控制单元、导航单元、声光报警单元工作状态，具体为：
障碍物位于预警区，控制单元发出减速信号，导航单元通过算法发出避障信号，机器人逐渐减速并完成避障；
障碍物位于危险区，控制单元发出零信号，机器人停止运动，且声光报警单元发出警报信号；
步骤7，在机器人具备前进方向预警及避障的功能基础上，还对机器人机身其他方向范围内可能出现的危险进行预判及处理，具体方法为：
重复步骤1，获取机器人除前进方向外其他方向障碍物位置信息；
将机器人除前进方向外其他方向的区域分为安全区与预警区，安全区与预警区边界为xl；
重复步骤3，提取障碍物最近距离xmin，并与xl对比，判断障碍物所处区域；
当障碍物位于预警区时，机器人减速前进，反之正常运行。
进一步的，所述通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息，具体方法为：
步骤1-1、规定机器人工作区域为矩形，设定位置1、2、3、4为工作区四角端点，设定位置1为基准坐标系原点，防护围栏系统位于工作区边缘，在位置1、2、3、4分别安装有红外传感器和接收器，用于检测是否有障碍物进入工作区；在位置1和位置2的上方均安装有图像采集设备，用于检测工作区障碍物位置信息，其中包括彩色相机和深度相机；通过红外传感器检测是否有障碍物进入工作区，当检测到有障碍物进入工作区后，发送控制信号到位置1和位置2的图像采集设备；
步骤1-2、位置1和位置2的图像采集设备分别对工作区进行图像采集，其中彩色相机图像用于障碍物标定，深度相机图像用于获取障碍物到相机的距离信息；
步骤1-3、控制系统预设有样本数据训练模型，通过对位置1和位置2彩色相机拍摄的图像分别进行特征提取，对障碍物进行识别并标定；
步骤1-4、通过深度相机分别对标定的障碍物距离信息进行测量，分别测量得到障碍物到相机的距离d1、d2；
步骤1-5相机到地面高度均为h，计算得到障碍物相对位置1距离为
Figure BDA0003778315360000031
相对位置2距离为
Figure BDA0003778315360000032
且通过三角关系，求得障碍物相对于工作区边界1的夹角
Figure BDA0003778315360000033
其中L为边界1的长度；
步骤1-6计算障碍物在基准坐标系0的坐标(l1 cosθ，l1 sinθ)；
步骤1-7根据障碍物的坐标信息，控制系统提前对机器人进行减速避障处理。
进一步的，还包括机械臂安全防护，具体为：
步骤S1，以机械臂底座为基准坐标系1，建立机械臂工作区域，并标定坐标边界(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)，(x5,y5,z5)，(x6,y6,z6)，(x7,y7,z7)，(x8,y8,z8)；
步骤S2，通过安装在机械臂底座的多个传感器，获取障碍物不同位置信息，得到其在基准坐标系2内坐标(xb1,yb1,zb1)，(xb2,yb2,zb2)，(xb3,yb3,zb3)，(xb4,yb4,zb4)，(xb5,yb5,zb5)，(xb6,yb6,zb6)，(xb7,yb7,zb7)，(xb8,yb8,zb8)；
步骤S3，将上述坐标通过坐标转换得到其在基准坐标系1内坐标(xa1,ya1,za1)，(xa2,ya2,za2)，(xa3,ya3,za3)，(xa4,ya4,za4)，(xa5,ya5,za5)，(xa6,ya6,za6)，(xa7,ya7,za7)，(xa8,ya8,za8)；
步骤S4，判断(xa1,ya1,za1)，(xa2,ya2,za2)，(xa3,ya3,za3)，(xa4,ya4,za4)，(xa5,ya5,za5)，(xa6,ya6,za6)，(xa7,ya7,za7)，(xa8,ya8,za8)是否位于机械臂工作区域内；
步骤S5，当障碍物处于机械臂工作区域时，检测障碍物是否与当前工作路径冲突，当路径冲突时，通过内部自适应路径规划完成避障处理，如无法进行避障处理，则机械臂停止工作并发出预警信号，等待障碍物移动到机械臂工作区域外后恢复运行，反之正常运行；
步骤S6，当机械臂无法避障或障碍物移动过快等工况使两者发生碰撞时，通过机械臂内部电机电流数值获取碰撞力大小，当超过安全阈值时机械臂停止工作。
本发明还提供一种移动机器人立体防护系统，包括传感器单元、控制单元、导航单元、声光报警单元，所述控制单元与传感器单元、导航单元、声光报警单元电连接，其中：
传感器单元，包括但不限于红外传感器、视觉传感器和超声传感器，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；
控制单元，用于通过传感器单元测量得到的机器人前进方向和机器人机身其他方向的障碍物位置信息，结合以机器人为参照划分的区域标准，判断障碍物所处区域；通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作；其中以机器人为参照划分的区域标准分为安全区、预警区及危险区三部分，安全区与预警区边界为xl，预警区与危险区边界为xh；
导航单元，用于机器人在预警区时，通过算法发出避障信号给机器人使得机器人逐渐减速并完成避障；
声光报警单元，用于机器人在危险区时，发出警报信号。
进一步的，所述传感器单元还安装在机器人机械臂末端，用于检测获取障碍物不同部位的位置信息。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述移动机器人立体防护方法的步骤。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种移动机器人立体防护方法及系统，利用多传感器完成障碍物信息获取，结合360°范围检测，完成预警及规划路径，提高移动机器人防护效果。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的机器人工作区域模型图。
图2是本发明的机器人工作区域区域划分图。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明提供了一种移动机器人立体防护方法，包括以下步骤：
步骤1，移动机器人本体安装不同类型传感器，包括但不限于红外传感器、视觉传感器和超声传感器，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；
步骤2，除通过防护围栏系统获取障碍物信息并避障外，为应对突发情况，移动机器人本体安装有超声传感器对移动方向进行实时探测，并将探测区域距离为xl内的范围标记为预警区，探测区域距离为xh内的范围标记为危险区；即以机器人本体为边界，将机器人前进方向区域分为安全区、预警区及危险区三部分，安全区与预警区边界为xl，预警区与危险区边界为xh；
步骤3，通过步骤1中获取机器人前进方向测量得到的障碍物位置信息，提取最近距离xmin，与步骤2中xl和xh进行对比判断，确定障碍物所处区域，具体判断方法为：
当xmin＞xl时，障碍物位于安全区；
当xh＜xmin≤xl时，障碍物位于预警区；
当0＜xmin≤xh时，障碍物位于危险区；
步骤4，通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作，具体为：
障碍物位于安全区，控制单元输出正常信号，机器人匀速前进；
障碍物位于预警区，控制单元发出减速信号，机器人逐渐减速；
障碍物位于危险区，控制单元发出零信号，机器人停止运动；
步骤5，当障碍物位于预警区或危险区时，引入时间变量Δt，在Δt时间内，机器人持续重复步骤1到步骤4，如在该时间段内检测到障碍物移动到安全区，则机器人恢复匀速前进状态，否则执行步骤6；
步骤6，经过Δt时间后，如障碍物位置不在安全区，则通过此时障碍物位置确定控制单元、导航单元、声光报警单元工作状态，具体为：
障碍物位于预警区，控制单元发出减速信号，导航单元通过算法发出避障信号，机器人逐渐减速并完成避障；
障碍物位于危险区，控制单元发出零信号，机器人停止运动，且声光报警单元发出警报信号；
步骤7，在机器人具备前进方向预警及避障的功能基础上，还对机器人机身其他方向范围内可能出现的危险进行预判及处理，具体方法为：
重复步骤1，获取机器人除前进方向外其他方向障碍物位置信息；
将机器人除前进方向外其他方向的区域分为安全区与预警区，安全区与预警区边界为xl；
重复步骤3，提取障碍物最近距离xmin，并与xl对比，判断障碍物所处区域；
当障碍物位于预警区时，机器人减速前进，反之正常运行。
本实施例中，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息，具体方法为：
步骤1-1、规定机器人工作区域为矩形，设定位置1、2、3、4为工作区四角端点，设定位置1为基准坐标系原点，防护围栏系统位于工作区边缘，在位置1、2、3、4分别安装有红外传感器和接收器，用于检测是否有障碍物进入工作区；在位置1和位置2的上方均安装有图像采集设备，用于检测工作区障碍物位置信息，其中包括彩色相机和深度相机，且两者处于同一位置及同一偏转角度；通过红外传感器检测是否有障碍物进入工作区，当检测到有障碍物进入工作区后，发送控制信号到位置1和位置2的图像采集设备，如图2所示；
步骤1-2、位置1和位置2的图像采集设备分别对工作区进行图像采集，其中彩色相机图像用于障碍物标定，深度相机图像用于获取障碍物到相机的距离信息；
步骤1-3、控制系统预设有样本数据训练模型，通过对位置1和位置2彩色相机拍摄的图像分别进行特征提取，对障碍物进行识别并标定；
步骤1-4、通过深度相机分别对标定的障碍物距离信息进行测量，分别测量得到障碍物到相机的距离d1、d2；
步骤1-5相机到地面高度均为h，计算得到障碍物相对位置1距离为
Figure BDA0003778315360000071
相对位置2距离为
Figure BDA0003778315360000072
且通过三角关系，求得障碍物相对于工作区边界1的夹角
Figure BDA0003778315360000073
其中L为边界1的长度；
步骤1-6计算障碍物在基准坐标系0的坐标(l1 cosθ，l1 sinθ)；
步骤1-7根据障碍物的坐标信息，控制系统提前对机器人进行减速避障处理。
本实施例中，还包括机械臂安全防护，具体为：
步骤S1，以机械臂底座为基准坐标系1，建立机械臂工作区域，并标定坐标边界(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)，(x5,y5,z5)，(x6,y6,z6)，(x7,y7,z7)，(x8,y8,z8)；
步骤S2，通过安装在机械臂底座的多个传感器，获取障碍物不同位置信息，得到其在基准坐标系2内坐标(xb1,yb1,zb1)，(xb2,yb2,zb2)，(xb3,yb3,zb3)，(xb4,yb4,zb4)，(xb5,yb5,zb5)，(xb6,yb6,zb6)，(xb7,yb7,zb7)，(xb8,yb8,zb8)；
步骤S3，将上述坐标通过坐标转换得到其在基准坐标系1内坐标(xa1,ya1,za1)，(xa2,ya2,za2)，(xa3,ya3,za3)，(xa4,ya4,za4)，(xa5,ya5,za5)，(xa6,ya6,za6)，(xa7,ya7,za7)，(xa8,ya8,za8)；
步骤S4，判断(xa1,ya1,za1)，(xa2,ya2,za2)，(xa3,ya3,za3)，(xa4,ya4,za4)，(xa5,ya5,za5)，(xa6,ya6,za6)，(xa7,ya7,za7)，(xa8,ya8,za8)是否位于机械臂工作区域内；
步骤S5，当障碍物处于机械臂工作区域时，检测障碍物是否与当前工作路径冲突，当路径冲突时，通过内部自适应路径规划完成避障处理，如无法进行避障处理，则机械臂停止工作并发出预警信号，等待障碍物移动到机械臂工作区域外后恢复运行，反之正常运行；
步骤S6，当机械臂无法避障或障碍物移动过快等工况使两者发生碰撞时，通过机械臂内部电机电流数值获取碰撞力大小，当超过安全阈值时机械臂停止工作。
本发明还提供一种移动机器人立体防护系统，包括传感器单元、控制单元、导航单元、声光报警单元，控制单元与传感器单元、导航单元、声光报警单元电连接，其中：
传感器单元，包括但不限于红外传感器、视觉传感器和超声传感器，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；
控制单元，用于通过传感器单元测量得到的机器人前进方向和机器人机身其他方向的障碍物位置信息，结合以机器人为参照划分的区域标准，判断障碍物所处区域；通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作；其中以机器人为参照划分的区域标准分为安全区、预警区及危险区三部分，安全区与预警区边界为xl，预警区与危险区边界为xh；
导航单元，用于机器人在预警区时，通过算法发出避障信号给机器人使得机器人逐渐减速并完成避障；
声光报警单元，用于机器人在危险区时，发出警报信号。
本实施例中，传感器单元还安装在机器人机械臂末端，用于检测获取障碍物不同部位的位置信息。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述移动机器人立体防护方法的步骤。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种移动机器人立体防护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，移动机器人本体安装不同类型传感器，包括但不限于红外传感器、视觉传感器和超声传感器，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；
步骤2，以机器人本体中心为坐标原点，将机器人本体周边区域分为安全区、预警区及危险区；
步骤3，获取机器人前进方向的障碍物坐标信息，确定障碍物所处区域；
步骤4，通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作，具体为：
障碍物位于安全区，控制单元输出正常信号，机器人匀速前进；
障碍物位于预警区，控制单元发出减速信号，机器人逐渐减速；
障碍物位于危险区，控制单元发出零信号，机器人停止运动；
步骤5，当障碍物位于预警区或危险区时，在设定Δt时间内，机器人持续重复步骤1到步骤4，如在该时间段内检测到障碍物移动到安全区，则机器人恢复匀速前进状态，否则执行步骤6；
步骤6，经过Δt时间后，如障碍物位置不在安全区，则通过此时障碍物位置确定控制单元、导航单元、声光报警单元工作状态，具体为：
障碍物位于预警区，控制单元发出减速信号，导航单元通过算法发出避障信号，机器人逐渐减速并完成避障；
障碍物位于危险区，控制单元发出零信号，机器人停止运动，且声光报警单元发出警报信号。
2.如权利要求1所述的一种移动机器人立体防护方法，其特征在于，还包括步骤7，获取机器人除前进方向外其他方向障碍物位置信息；当障碍物位于预警区时，机器人减速前进，反之正常运行。
3.如权利要求1所述的一种移动机器人立体防护方法，其特征在于，进一步包括：
步骤1-1，设定机器人工作区域为矩形，设定位置1、2、3、4为工作区四角端点，设定位置1为基准坐标系0原点，防护围栏系统位于工作区边缘，在位置1、2、3、4分别安装有红外传感器和接收器，用于检测是否有障碍物进入工作区；在位置1和位置2的上方均安装有图像采集设备，用于检测工作区障碍物位置信息，其中包括彩色相机和深度相机；通过红外传感器检测是否有障碍物进入工作区，当检测到有障碍物进入工作区后，发送控制信号到位置1和位置2的图像采集设备；
步骤1-2，位置1和位置2的图像采集设备分别对工作区进行图像采集，其中彩色相机图像用于障碍物标定，深度相机图像用于获取障碍物到相机的距离信息；
步骤1-3，控制系统预设有样本数据训练模型，通过对位置1和位置2彩色相机拍摄的图像分别进行特征提取，对障碍物进行识别并标定；
步骤1-4，通过深度相机分别对标定的障碍物距离信息进行测量，分别测量得到障碍物到相机的距离d1、d2；
步骤1-5，相机到地面高度均为h，计算得到障碍物相对位置1距离为
Figure FDA0003778315350000021
相对位置2距离为
Figure FDA0003778315350000022
且通过三角关系，求得障碍物相对于工作区边界1的夹角
Figure FDA0003778315350000023
其中L为边界1的长度；
步骤1-6，计算障碍物在基准坐标系0的坐标(l1 cosθ，l1 sinθ)；
步骤1-7，根据障碍物的坐标信息，控制系统提前对机器人进行减速避障处理。
4.权利要求1所述的一种移动机器人立体防护方法，其特征在于，还包括机械臂安全防护，包括：
步骤S1，以机械臂底座为基准坐标系1，建立机械臂工作区域，并标定坐标边界(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)，(x4,y4,z4)，(x5,y5,z5)，(x6,y6,z6)，(x7,y7,z7)，(x8,y8,z8)；
步骤S2，通过安装在机械臂底座的多个传感器，获取障碍物不同位置信息，得到其在基准坐标系2内坐标(xb1,yb1,zb1)，(xb2,yb2,zb2)，(xb3,yb3,zb3)，(xb4,yb4,zb4)，(xb5,yb5,zb5)，(xb6,yb6,zb6)，(xb7,yb7,zb7)，(xb8,yb8,zb8)；
步骤S3，将上述坐标通过坐标转换得到其在基准坐标系1内坐标(xa1,ya1,za1)，(xa2,ya2,za2)，(xa3,ya3,za3)，(xa4,ya4,za4)，(xa5,ya5,za5)，(xa6,ya6,za6)，(xa7,ya7,za7)，(xa8,ya8,za8)；
步骤S4，判断(xa1,ya1,za1)，(xa2,ya2,za2)，(xa3,ya3,za3)，(xa4,ya4,za4)，(xa5,ya5,za5)，(xa6,ya6,za6)，(xa7,ya7,za7)，(xa8,ya8,za8)是否位于机械臂工作区域内；
步骤S5，当障碍物处于机械臂工作区域时，检测障碍物是否与当前工作路径冲突，当路径冲突时，通过内部自适应路径规划完成避障处理，如无法进行避障处理，则机械臂停止工作并发出预警信号，等待障碍物移动到机械臂工作区域外后恢复运行，反之正常运行；
步骤S6，当机械臂无法避障或障碍物移动过快等工况使两者发生碰撞时，通过机械臂内部电机电流数值获取碰撞力大小，当超过安全阈值时机械臂停止工作。
5.一种移动机器人立体防护系统，其特征在于，包括传感器单元、控制单元、导航单元、声光报警单元，所述控制单元与传感器单元、导航单元、声光报警单元电连接，其中：
传感器单元，包括但不限于红外传感器、视觉传感器和超声传感器，通过不同类型传感器获取机器人不同方向的障碍信息；
控制单元，用于通过传感器单元测量得到的机器人前进方向和机器人机身其他方向的障碍物位置信息，结合以机器人为参照划分的区域标准，判断障碍物所处区域；通过判断障碍物所处位置区域，机器人控制单元输出不同指令操作；其中以机器人为参照划分的区域标准分为安全区、预警区及危险区三部分；
导航单元，用于机器人在预警区时，通过算法发出避障信号给机器人使得机器人逐渐减速并完成避障；
声光报警单元，用于机器人在危险区时，发出警报信号。
6.如权利要求5所述的一种移动机器人立体防护系统，其特征在于：所述传感器单元还安装在机械臂底座的不同位置，用于检测获取障碍物的位置信息。
7.如权利要求5所述的一种移动机器人立体防护系统，其特征在于：在一矩形区域的四个端点设置有红外传感器和接收器，用于检测是否有障碍物进入工作区；设定位置1为基准坐标系0原点，在相邻的位置1和位置2的上方均安装有图像采集设备，用于检测工作区障碍物位置信息，所述图像采集设备包括彩色相机和深度相机，其中彩色相机图像用于障碍物标定，深度相机图像用于获取障碍物到相机的距离信息；当检测到有障碍物进入工作区后，发送控制信号到位置1和位置2的图像采集设备；
所述控制单元设有样本数据训练模型，通过对位置1和位置2彩色相机拍摄的图像分别进行特征提取，对障碍物进行识别并标定；通过深度相机分别对标定的障碍物距离信息进行测量，分别测量得到障碍物到相机的距离，计算得到障碍物在基准坐标系0的坐标；根据障碍物的坐标信息，控制系统提前对机器人进行减速避障处理。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述移动机器人立体防护方法的步骤。
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