專利名稱：一種避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種避免工人和工業(yè)機器人在工作區(qū)域發(fā)生碰撞的方法，特別涉及一種通過判別工人的運動趨勢，避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)機器人應(yīng)用中存在的一個問題為工業(yè)機器人需要在一個封閉的、隔離的工作區(qū)域內(nèi)操作，為了避免工人意外遭到工業(yè)機器人的傷害，工人需要遠離工業(yè)機器人的該工作區(qū)域。如何讓工業(yè)機器人能夠判別工人的運動趨勢，避免碰撞工人，是使工業(yè)機器人和工人能夠在同一個工作區(qū)域內(nèi)協(xié)作完成任務(wù)的關(guān)鍵問題。目前，已經(jīng)提出了許多基于不同原理的防止碰撞的技術(shù)和方法，以避免工業(yè)機器人和同屬一個工作區(qū)域的移動物體或是靜止物體發(fā)生碰撞?，F(xiàn)有方法主要是通過對工業(yè)機器人和物體的碰撞時間和距離的估計，確定工業(yè)機器人的停止時間。例如，專利號為US 6，212，444的美國專利公開了一種通過設(shè)置公共區(qū)域防止碰撞的方法，在該公共區(qū)域內(nèi)，工業(yè)機器人的操作區(qū)域和其它工業(yè)機器人或裝置的操作區(qū)域彼此重疊。當(dāng)該工業(yè)機器人上的預(yù)定參考點在公共區(qū)域內(nèi)時，會向其它工業(yè)機器人或裝置輸出第一進入禁止信號，以禁止其它工業(yè)機器人或裝置進入該公共區(qū)域；當(dāng)其它工業(yè)機器人或裝置的可移動部分在公共區(qū)域內(nèi)時，又會向該工業(yè)機器人或裝置輸出第二進入禁止信號，以禁止該工業(yè)機器人或裝置的預(yù)定參考點進入該公共區(qū)域。公開號為CN 101512453A的中國專利申請公開了一種防止碰撞的方法，其通過估計工業(yè)機器人與物體之間在發(fā)生碰撞之前的剩余時間確定工業(yè)機器人的停止時間，將估計的發(fā)生碰撞之前的剩余時間與工業(yè)機器人的停止時間進行比較，以及在所估計的發(fā)生碰撞之前的剩余時間接近工業(yè)機器人的停止時間時，停止工業(yè)機器人或者物體。該種方法的不足之處是工人在工作區(qū)域內(nèi)的運動軌跡或運動趨勢是無法預(yù)知的，因而難以估計工業(yè)機器人與工人之間在發(fā)生碰撞之前的剩余時間，也就無法通過估計工業(yè)機器人與物體之間在發(fā)生碰撞之前的剩余時間確定工業(yè)機器人的停止時間。由于現(xiàn)有方法沒有考慮工人的運動特性，如速度和方向等非確定性因素，因而，工人仍然存在和工業(yè)機器人發(fā)生碰撞的風(fēng)險。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明以保證工人的安全性和增強工人運動的自由性為目標(biāo)，提供一種通過判別工人的運動狀態(tài)避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法為，在工人正常進入工作區(qū)域后，完成如下步驟步驟a2 監(jiān)控計算機通過視覺單元實時監(jiān)控工人的運動狀態(tài)，并將視覺單元采集到的工作區(qū)域圖像輸入至工人運動特性識別單元中計算工人運動特性參數(shù)，并由安全防護區(qū)域計算模塊根據(jù)所述工人運動特性參數(shù)計算工人的安全防護區(qū)域，所述安全防護區(qū)域計算模塊將獲得的安全防護區(qū)域輸入至工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元中，其中，所述安全防護區(qū)域為工人在運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)保證其安全的最小區(qū)域；步驟a3 安全防護區(qū)域計算模塊根據(jù)工業(yè)機器人的預(yù)定的運動軌跡，計算其防護區(qū)域，并將其輸入至工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元中，其中，所述防護區(qū)域表示工業(yè)機器人的每個關(guān)節(jié)均不會碰撞到其它物體的空間區(qū)域；步驟a4:當(dāng)安全防護區(qū)域和防護區(qū)域有重疊部分時，表示工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)存在碰撞工人的危險，則所述工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元在線調(diào)整工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和速度，避免工業(yè)機器人的任何一個關(guān)節(jié)碰撞到工作區(qū)域內(nèi)的工人。優(yōu)選地，在所述步驟a2之前完成如下步驟步驟al 監(jiān)控計算機通過視覺單元實時監(jiān)測工作區(qū)域的邊界，判斷工人是否正常進入工作區(qū)域；步驟all 若工人沒有進入工作區(qū)域，則監(jiān)控計算機控制工業(yè)機器人按照預(yù)定的程序完成操作，并返回步驟al ；步驟al2 若工人正常進入工作區(qū)域，則監(jiān)控計算機轉(zhuǎn)換為工人和工業(yè)機器人共同在工作區(qū)域內(nèi)工作的協(xié)作工作模式，并進入步驟a2 ；步驟al3 如果工人非正常進入工作區(qū)域，則監(jiān)控計算機根據(jù)工人所進入的工作區(qū)域的防護等級，通過報警單元給出與防護等級相對應(yīng)的報警信息，并返回步驟al。優(yōu)選地，所述視覺單元包括安裝于工作區(qū)域的周邊上的傳感器陣列，通過傳感器陣列形成位于工作區(qū)域外、且位于工作區(qū)域周邊的第一檢測區(qū)域和位于工作區(qū)域內(nèi)、且位于工作區(qū)域周邊的第二檢測區(qū)域；步驟al中監(jiān)控計算機通過視覺單元實時監(jiān)測工作區(qū)域的邊界的方法為步驟bl 監(jiān)控計算機通過傳感器陣列判斷工人是否進入第一檢測區(qū)域，如果位于第一檢測區(qū)域上的傳感器的第一檢測信號受阻，則受控于第一檢測信號的報警裝置向工人給出語音提示，并將工人已進入第一檢測區(qū)域的信息通過總線傳達給監(jiān)控計算機，并繼續(xù)進入步驟1^2 ；步驟Μ 監(jiān)控計算機通過傳感器陣列判斷工人是否進入第二檢測區(qū)域，如果位于第二檢測區(qū)域上的傳感器的第二檢測信號受阻，則受控于第二檢測信號的報警裝置向工人給出警報提示，并將工人已進入第二檢測區(qū)域的信息通過總線傳達給監(jiān)控計算機，并繼續(xù)進入步驟b3 ；步驟b3 監(jiān)控計算機根據(jù)工業(yè)機器人的任務(wù)情況，判斷工人是否按照需求正常進入工作區(qū)域；如果不是正常進入，控制工業(yè)機器人停止運動，并完成步驟al3;如果是正常進入，則完成步驟al2。優(yōu)選地，所述的工人運動特性識別單元計算工人運動特性參數(shù)的步驟為步驟cl 對輸入的工作區(qū)域圖像建立工作區(qū)域背景建模，獲得工作區(qū)域背景模型；步驟c2 檢測工作區(qū)域背景模型中的工人運動變化，獲得工人區(qū)域；步驟c3 輸入工人區(qū)域，根據(jù)預(yù)先假設(shè)的工人的預(yù)測位置分布，分析工人的當(dāng)前位置分布，預(yù)測工人的運動趨勢；步驟c4 輸入預(yù)測的工人的運動趨勢，通過工人朝向的驗證，確定工人的運動趨勢，并對工人的下一位置和下一朝向進行預(yù)測。優(yōu)選地，工人的安全防護區(qū)域的確定方法為為以當(dāng)前位置為中心，以下一位置到當(dāng)前位置的距離為半徑，以當(dāng)前朝向與下一朝向之間的夾角為圓心角的扇形底面所形成的高度為工人高度的柱形區(qū)域。優(yōu)選地，工業(yè)機器人地防護區(qū)域的確定方法為工業(yè)機器人的第j關(guān)節(jié)的防護區(qū)域Sj是以&為半徑的球形區(qū)域；&二[.|(~_明)2<。2}其中，rj = |民(1+1)-民⑴I，~表示第j關(guān)節(jié)在空間中能到達的位置，Rj (i)表示第j關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置，Rj(i+1)表示第j關(guān)節(jié)的下一位置；所述防護區(qū)域A2為工業(yè)機器人的所有關(guān)節(jié)的防護區(qū)域的集合A2 = S1 U S2 U ... Sn其中，η為工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)的數(shù)量，η為自然數(shù)，1彡j彡η。優(yōu)選地，所述工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元在線調(diào)整工業(yè)機器人運動軌跡的目標(biāo)位置和速度的方法為步驟dl 判斷第j關(guān)節(jié)的防護區(qū)域。與安全防護區(qū)域是否有重疊的部分，如果有， 則調(diào)整第j關(guān)節(jié)的下一位置民(1+1)和在當(dāng)前位置處的關(guān)節(jié)速度、(i)；步驟d2 計算第j關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置民⑴和安全防護區(qū)域間的最短距離…⑴dj(i) = min|Rj(i)-pk其中，Pk為安全防護區(qū)域的柱形區(qū)域的表面上的點；步驟d3:調(diào)整工業(yè)機器人的第j關(guān)節(jié)的當(dāng)前速度Vj (i)，新的當(dāng)前速度為V' j(i)
權(quán)利要求
1.一種避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，在工人正常進入工作區(qū)域后，完成如下步驟步驟a2 監(jiān)控計算機通過視覺單元實時監(jiān)控工人的運動狀態(tài)，并將視覺單元采集到的工作區(qū)域圖像輸入至工人運動特性識別單元中計算工人運動特性參數(shù)，并由安全防護區(qū)域計算模塊根據(jù)所述工人運動特性參數(shù)計算工人的安全防護區(qū)域，所述安全防護區(qū)域計算模塊將獲得的安全防護區(qū)域輸入至工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元中，其中，所述安全防護區(qū)域為工人在運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)保證其安全的最小區(qū)域；步驟a3:安全防護區(qū)域計算模塊根據(jù)工業(yè)機器人的預(yù)定的運動軌跡，計算其防護區(qū)域，并將其輸入至工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元中，其中，所述防護區(qū)域表示工業(yè)機器人的每個關(guān)節(jié)均不會碰撞到其它物體的空間區(qū)域；步驟a4:當(dāng)安全防護區(qū)域和防護區(qū)域有重疊部分時，表示工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)存在碰撞工人的危險，則所述工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元在線調(diào)整工業(yè)機器人各個關(guān)節(jié)的目標(biāo)位置和速度，避免工業(yè)機器人的任何一個關(guān)節(jié)碰撞到工作區(qū)域內(nèi)的工人。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，在所述步驟 a2之前完成如下步驟步驟al 監(jiān)控計算機通過視覺單元實時監(jiān)測工作區(qū)域的邊界，判斷工人是否正常進入工作區(qū)域；步驟all 若工人沒有進入工作區(qū)域，則監(jiān)控計算機控制工業(yè)機器人按照預(yù)定的程序完成操作，并返回步驟al ；步驟al2 若工人正常進入工作區(qū)域，則監(jiān)控計算機轉(zhuǎn)換為工人和工業(yè)機器人共同在工作區(qū)域內(nèi)工作的協(xié)作工作模式，并進入步驟a2 ；步驟al3 如果工人非正常進入工作區(qū)域，則監(jiān)控計算機根據(jù)工人所進入的工作區(qū)域的防護等級，通過報警單元給出與防護等級相對應(yīng)的報警信息，并返回步驟al。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述視覺單元包括安裝于工作區(qū)域的周邊上的傳感器陣列，通過傳感器陣列形成位于工作區(qū)域外、且位于工作區(qū)域周邊的第一檢測區(qū)域和位于工作區(qū)域內(nèi)、且位于工作區(qū)域周邊的第二檢測區(qū)域；步驟al中監(jiān)控計算機通過視覺單元實時監(jiān)測工作區(qū)域的邊界的方法為步驟bl 監(jiān)控計算機通過傳感器陣列判斷工人是否進入第一檢測區(qū)域，如果位于第一檢測區(qū)域上的傳感器的第一檢測信號受阻，則受控于第一檢測信號的報警裝置向工人給出語音提示，并將工人已進入第一檢測區(qū)域的信息通過總線傳達給監(jiān)控計算機，并繼續(xù)進入步驟1^2 ；步驟監(jiān)控計算機通過傳感器陣列判斷工人是否進入第二檢測區(qū)域，如果位于第二檢測區(qū)域上的傳感器的第二檢測信號受阻，則受控于第二檢測信號的報警裝置向工人給出警報提示，并將工人已進入第二檢測區(qū)域的信息通過總線傳達給監(jiān)控計算機，并繼續(xù)進入步驟b3 ；步驟b3 監(jiān)控計算機根據(jù)工業(yè)機器人的任務(wù)情況，判斷工人是否按照需求正常進入工作區(qū)域；如果不是正常進入，控制工業(yè)機器人停止運動，并完成步驟al3 ；如果是正常進入， 則完成步驟al2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述視覺單元還包括安裝于工作區(qū)域外的外部監(jiān)測攝像頭，在步驟al中，監(jiān)控計算機通過所述外部監(jiān)測攝像頭和傳感器陣列實時監(jiān)控工作區(qū)域的邊界。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述視覺單元包括安裝于工作區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部監(jiān)測攝像頭，在步驟a2中，監(jiān)控計算機通過所述內(nèi)部監(jiān)測攝像頭實時監(jiān)控工人的運動狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于， 所述的工人運動特性識別單元計算工人運動特性參數(shù)的步驟為步驟cl 對輸入的工作區(qū)域圖像建立工作區(qū)域背景建模，獲得工作區(qū)域背景模型； 步驟c2 檢測工作區(qū)域背景模型中的工人運動變化，獲得工人區(qū)域； 步驟c3 輸入工人區(qū)域，根據(jù)預(yù)先假設(shè)的工人的預(yù)測位置分布，分析工人的當(dāng)前位置分布，預(yù)測工人的運動趨勢；步驟c4:輸入預(yù)測的工人的運動趨勢，通過工人朝向的驗證，確定工人的運動趨勢，并對工人的下一位置和下一朝向進行預(yù)測。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種通過判別工人的運動狀態(tài)以避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，工人的安全防護區(qū)域的確定方法為為以當(dāng)前位置為中心，以下一位置到當(dāng)前位置的距離為半徑，以當(dāng)前朝向與下一朝向之間的夾角為圓心角的扇形底面所形成的高度為工人高度的柱形區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，工業(yè)機器人地防護區(qū)域的確定方法為工業(yè)機器人的第j關(guān)節(jié)的防護區(qū)域h是以&為半徑的球形區(qū)域； 小ι“-明)2《}其中，rj = iRja+l)-!^⑴I，~表示第j關(guān)節(jié)在空間中能到達的位置，Rj (i)表示第j 關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置，Rj(i+1)表示第j關(guān)節(jié)的下一位置；所述防護區(qū)域A2為工業(yè)機器人的所有關(guān)節(jié)的防護區(qū)域的集合 A2 = S1 U S2 U ... Sn其中，η為工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)的數(shù)量，η為自然數(shù)，1彡j彡η。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元在線調(diào)整工業(yè)機器人運動軌跡的目標(biāo)位置和速度的方法為步驟dl 判斷第j關(guān)節(jié)的防護區(qū)域h與安全防護區(qū)域是否有重疊的部分，如果有，則調(diào)整第j關(guān)節(jié)的下一位置民(1+1)和在當(dāng)前位置處的關(guān)節(jié)速度、(i)；步驟d2 計算第j關(guān)節(jié)的當(dāng)前位置民“)和安全防護區(qū)域間的最短距離+(υ dj(i) = min|Rj(i)-pk|其中，Pk為安全防護區(qū)域的柱形區(qū)域的表面上的點；步驟d3:調(diào)整工業(yè)機器人的第j關(guān)節(jié)的當(dāng)前速度Vj (i)，新的當(dāng)前速度為V' j(i)v’d~f其中，T為在步驟C4得到的工人的下一位置與當(dāng)前位置在時間軸上的時間間隔；步驟d4:調(diào)整工業(yè)機器人的第j關(guān)節(jié)的下一位置民(1+1)，新的下一位置為R' j(i+l) R' j(i+l) =
全文摘要
本發(fā)明公開了一種避免工業(yè)機器人碰撞工人的方法，該方法由監(jiān)控計算機將視覺單元采集到的工作區(qū)域圖像輸入至工人運動特性識別單元中進行場景建模、區(qū)域分析和工人運狀態(tài)勢預(yù)測，之后，工人運動特性識別單元將據(jù)此生成的工人運動特性參數(shù)輸入至安全防護區(qū)域計算單元中；安全防護區(qū)域計算單元根據(jù)工人運動特性參數(shù)檢測工業(yè)機器人的當(dāng)前運動特性，計算出工人的安全防護區(qū)域，并將其輸入至工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元中；工業(yè)機器人目標(biāo)位置和速度調(diào)整單元根據(jù)安全防護區(qū)域計算出工業(yè)機器人的安全運動范圍，判斷工業(yè)機器人的每個關(guān)節(jié)的運動是否進入該安全防護區(qū)域，在線調(diào)整工業(yè)機器人的目標(biāo)位置和速度，以避免工業(yè)機器人碰撞工人。
文檔編號G05D1/02GK102323822SQ20111011816
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者喬紅, 蘇建華, 鄭碎武 申請人:無錫引域智能機器人有限公司