CN104870147B - 机器人安全工作的***和方法 - Google Patents

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Abstract

在各不同的实施方式中，在机器人和人之间的安全协作通过用处于第一阈值的或低于第一阈值的速度连续操作机器人来获得，在所述第一阈值，与人臂部的任何碰撞不会造成伤害，并且当在机器人周围的危险区内探测到人体躯干或头部时，降低该速度至第二阈值或低于第二阈值，在所述第二阈值，与人体躯干或头部的任何碰撞不会造成伤害。

Description

机器人安全工作的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年8月31日提交的美国临时专利申请第61/695,443号的优先权和权益并将其全文援引纳入本文。
技术领域
本发明涉及机器人工作中的安全性，尤其是在机器人和人共享同一工作空间的情况下。
发明背景
在传统的工业机器人工作中的安全通常利用外设传感器***来实现，外设传感器***由危险状况触发并且在被触发时命令机器人停工或以显著减慢的速度工作。通常，这些传感器被布置成探测进入机器人工作区的人。例如该传感器***可以由地面上的压敏垫、由行经的人所阻断的连续光束或者检测人运动的扫描激光测距仪(包含适当的感知处理功能)构成或者包括它们。这样的***的缺点是在机器人附近的人必然造成机器人工作减慢或甚至完全停止。结果就是显著的效率降低，而限定出在机器人周围的宽广危险区以避免对人的安全威胁的需求使这个问题变得更严重。这个限制条件也阻止人们紧邻机器人例如与机器人协作工作。
这种“全有或全无”的做法的一个替代方式是计算并预测旁边人体各部分和机器人各部分的轨迹、预计可能有的碰撞、评估特定人体部分与特定机器人部分之间的碰撞可能造成的潜在伤害、以及基于该认识作出更精确的安全判定，例如减缓机器人至与计算出的危险相当的速度，而不是关停机器人。但鉴于计算的复杂性和固有不确定性，这种做法的实施实际是有挑战性的：因为准确探测人体部分在哪里并预测它们朝向哪里是困难的，而更困难的是对人体不同部分和具有不同机械形状和硬度的机器人部分之间的碰撞的人伤害承受度建模。而模型精度的任何让步或不确定性都将破坏***安全性或者抵消相比于这种“全有或全无”的做法所获得的收效。
因而，人们期望提供用于机器人安全性的***和方法，它们在避免不必要的机器人工作的中断和迟滞的同时能直接简单地实施。
发明内容
总体上，本发明提供了实现机器人安全性的做法，其依靠直接简单实施的且明确的计算判断并且只要机器人与人协作和/或在人附近全速工作是安全的情况下就允许机器人这样做。确切地说，在各不同的实施方式中，机器人安全操作是在没有过度限制工作速度的情况下通过采用至少两个不同的安全限制来实现的：设定更严格的速度下限以免在人体躯干或头部与机器人之间发生碰撞的情况下受伤(和疼痛)，并且设定更宽松的速度上限以保证在人臂部或手(通常不那么敏感)与机器人之间发生碰撞的情况下不会造成伤害。
当机器人安全***探测到人体躯干和/或头部进入机器人周围的危险区中时触发该速度下限；该区域例如可以被限定为与机器人附器的作用范围即机器人工作空间有同等范围。只要人体躯干和头部在危险区外，则机器人可以在较高速度下工作。这允许当该机器人以高于速度下限的速度工作时，人从危险区外进入机器人工作空间，如为机器人放置新物品或材料或者收走完工的物品或材料。另一方面，没有超出速度上限—它继续全速；因此，在与该上限相容的状况下，进入机器人工作空间在本质上是安全的。这种实现与安全相关的机器人控制的离散(而非连续可变)做法使避免受伤的需要与计算易处理性和确定性相平衡。
可以通过几种方式获得在一方面是人体躯干和头部、另一方面是他的臂部和手部之间的区分。在一些实施方式中，探测人的传感器***能够明确区分臂部和人体其余部分，例如基于照相机图像的分析。在其它实施方式中，相对于躯干和头部，臂部被隐含地地区分出，例如通过固有地不注意臂部的传感器***配置。例如在一个实施方式中，探测区(即传感器所监视的空间区域)被适配为，例如通过适当布置这些传感器，仅与该危险区的一部分重合，从而人体躯干或头部进入危险区被正常探测，而人手即便处于危险区内也能落在探测区外，因此躲过探测。如果传感器探测到比如只在某个高度(例如普通人的胸或肩的大致高度)之上的运动，则如果人手在该高度阈值以下进入危险区是不会被探测到的。
不同的附加特征可以进一步增强安全性和/或工作效率。在一些实施方式中，机器人(尤其是其附器)的形状和材料被选择成能最大化可被允许的最高速度(即速度上限)，其仍避免在碰撞上人臂部或人手时造成伤害。例如机器人附器的边缘和/或角可以被倒圆或衬覆有柔性材料，并且机器人表面可以相似地覆有柔性材料以在碰撞情况下最小化冲击力。此外，机器人可以包括碰撞检测***，其在碰撞时停止机器人运动以避免进一步碰撞。另外，在一些实施方式中，机器人以直观方式发信号表示其内部状态和意图(即其计划接着要做的动作、如在特定方向上运动)，允许人们判断机器人接下来要做什么，并因此就像他们能避免撞到另一人那样轻易地避免碰撞到机器人。该机器人安全***也可以提供反馈给附近的人以帮助他们评估他们的存在和动作如何影响机器人工作，于是使得他们能调整其动作以最大化机器人性能。例如，人可以被警告(例如以可视或可听的方式)其位于危险区内，位于危险区内导致机器人工作的减缓，并且若可行，该人可以用离开危险区作为回应。
在各不同实施方式中，该机器人在可让在危险区外的人容易且安全地够到的地方配备有一个或多个基于触摸的控制机构或机械控制机构，允许人通过触摸或操纵任何其中一个所述控制机构而切换机器人至训练模式。在训练模式中，人可以进入危险区以指示该机器人执行某些任务，一般通过直接的身体互动(如引导机器人附器)。为了安全地实施训练模式，机器人只响应于来自用户的这样做的指令而移动，并且在该情况下它以未超出该速度下限(或甚至以更低的第三速度下限或小于该更低的第三速度下限)的速度移动，直到它确定用户已足够远离该机器人。
最后，机器人安全***可以实施自我一致性检查以监视其安全传感器并保证所有传感器正确工作；如果它探测到故障，则该安全***停止机器人工作。为了保证在电力故障情况下的安全停工，机器人可以具有以缓慢且安全的方式被动降低其臂的附加能力，避免对人造成伤害的任何可能性。
因此，在一个方面中，本发明涉及一种机器人，其包括躯体和一个或多个与该躯体连接且可相对于躯体运动的附器以及用于探测在机器人周围的探测区内的人的传感器***。所述附器的一个或多个角或边缘可以被倒圆或者衬覆有柔性材料。该传感器***可以包括一个或多个声呐传感器。作为替代或补充，该传感器***可以包括一个或多个照相机和相关的图像处理装置，其可以被配置用于区分人体躯干或头部与人臂部。该机器人还包括计算装置，用于(i)限定至少部分在探测区内的危险区，(ii)以处于第一阈值的或低于第一阈值的速度操作该机器人，在所述第一阈值，在所述附器和人臂部之间的碰撞不会伤害到该人，和(iii)响应于在危险区内探测到人体躯干或头部，以处于第二阈值的或低于第二阈值的速度操作该机器人，在所述第二阈值，在所述至少一个附器和人体躯干或头部之间的碰撞不会伤害到该人，所述第二阈值小于第一阈值。该机器人还可以包括可由人操作以将机器人切换至训练模式的切换机构；计算装置可以被配置成在被切换至训练模式时以处于第三阈值的或低于第三阈值的速度操作该机器人，所述第三阈值小于第一阈值且最好小于第二阈值。计算装置可以至少部分嵌设在机器人躯体或者附器(或者其它的机器人身体部件)内，或者设置在与机器人通讯的单独装置中。
该危险区的边界可以至少部分基于所述附器的作用范围；在一些实施方式中，该危险区与所述附器的作用范围有同等范围，而在其它实施方式中，其外边界以安全边际超出所述附器的作用范围。在各不同的实施方式中，该危险区的至少一部分在探测区外。探测区在空间上可以由高度下边界来限定，从而在危险区内但在探测区下方的动作不会改变机器人工作；高度下边界可以随着距机器人的距离而变。
该机器人还可以包括一个或多个输出机构用于发信号表示机器人动作即将发生的位置的方向、人靠近机器人的邻近度、机器人是否已探测到该区域中有人的指示和/或机器人发生故障的指示。另外，该机器人可以具有碰撞检测***；该计算装置可以响应于碰撞检测***并在探测到碰撞时终止机器人工作。机器人还可以包括紧急电路，用于在电力故障情况下安全停止机器人工作。
在另一方面，本发明涉及一种安全操作机器人的方法，该机器人具有至少一个活动的附器。以处于第一阈值的或低于第一阈值的速度操作该机器人，在所述第一阈值，在所述附器和人臂部之间的碰撞不会伤害到该人。该方法牵涉到采用传感器***来监视在机器人周围的探测区以探测其中的人(例如基于运动的探测)；响应于在至少部分位于探测区中的危险区内探测到人体躯干或头部，以处于第二阈值的或低于第二阈值的速度操作该机器人，在所述第二阈值，在所述至少一个附器和人体躯干或头部之间的碰撞不会伤害到该人，所述第二阈值小于第一阈值。
在一些实施方式中，该危险区的至少一部分在探测区外。该探测区可以部分由高度下边界限定，从而在探测区下方的危险区内的活动不会改变机器人工作。监视该探测区可以包括或由下述两部分组成，即获得探测区的图像和处理所述图像以识别其中的人体躯干或头部。该方法还可以包括在人操作切换机构将机器人切换到训练模式，并且在被切换到训练模式时以处于第三阈值的或低于第三阈值的速度操作该机器人，所述第三阈值小于第一阈值。另外，该方法可以牵涉到在发生碰撞时终止机器人工作和/或在电力故障情况下安全停止机器人工作。
附图简介
从以下的本发明具体描述中，以上内容将更容易理解，尤其当结合附图来考虑时，其中：
图1是概念性地示出了根据各不同实施方式的机器人的功能组成部件的框图。
图2A和2B是根据一个实施方式的示例性机器人的透视图；
图3A和3B是示出了根据各不同实施方式的机器人的探测区和危险区的示意俯视图和透视图；和
图4是示出了根据各不同实施方式的、用于监视机器人周围区域且据此在机器人速度极限之间切换的方法的流程图。
具体实施方式
图1概念性地示出了机器人100的主要功能***组成部件，该机器人根据不同的实施方式能与人类安全共享其工作空间和/或与人类协作。这样的机器人100通常包括一个或多个附器102，每个附器通常(但不一定)包括通过活动接头(如铰链或回转接头)相连的多个连杆机构和末端执行器(例如平行的双指夹持器、吸盘式夹持器或多指巧手)以操纵和移动物体或执行其它有用工作。附器102的运动通过一个或多个控制器来控制，其通常包括高级机器人控制器104，该高级机器人控制器监视并改变机器人位置、运动学、动力学和力，并且与高级控制器104通讯并接受其指令，还包括一个或多个关节级控制器106，其驱动与接头相关的独立马达和致动器以便如所指挥地移动机器人的附器102或其它活动部件。附器100也可具有一个或多个集成的力传感器108，其测量从外部施加于所述附器的力(所述力例如由使用者在指导机器人臂时或者在碰撞上人或物体时施加)。
为了监视机器人100周围的空间并且探测例如接近机器人100的人，机器人100还包括用于监视机器人环境的一个或多个传感器110，例如但不限于声呐传感器、光学距离传感器、一个或多个摄像机(最好具有深度检测能力和例如在可见光范围或红外线范围内工作)和/或麦克风(如依据特征声音模式探测人)。另外，机器人可以包括多个传感器112用于监视机器人100本身的状态，例如像用于跟踪其附器102的位置、取向和形态的加速度计或陀螺仪。此外，机器人100通常包括用户界面114，其具有一个或多个用户输入装置116(例如像按钮、拨盘或其它机械控制机构；触摸板；小键盘或文字输入键盘等)以及提供信息给使用者的输出装置118(例如像一个或多个屏幕、指示灯、扬声器等)。通过用户输入装置116提供的用户输入和用传感器110、112获得的信号可以被发送至计算装置120并在该计算装置中进行处理。根据传感器信号和用户输入结合例如在计算装置120上执行的程序，计算装置120指挥机器人工作。计算装置120比如可以与机器人控制器104通讯或包括该机器人控制器并由此掌控机器人运动。另外，它可以提供控制信号和/或数据至输出装置118(如点亮或关闭指示灯，或者在屏幕上显示文字或图像)。
计算装置120可以用硬件、软件或两者组合的形式实施。在各不同的实施方式中，它包括至少一个处理器122和相关的存储器124以及一个或多个总线126，所述总线促成处理器和存储器之间的通讯和/或与传感器110、112、机器人控制器104和用户界面114的通讯。例如计算装置120可以设置在通用计算机上，该通用计算机包括中央处理单元(CPU)、***存储器、非易失数据存储装置、用户输入/输出装置和可选地包括用于连接至其它装置的接口或端口。或者，计算装置120也可采用各种其它处理装置中的任何一种，包括但不限于专用计算机、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或可编程门阵列(PGA)。在一些实施方式中采用多种不同的处理装置的组合。计算装置120可以实体嵌设在机器人中(例如与机器人控制器104一起集成在一个装置中)，或者通过有线连接或无线连接与机器人100远程通讯(如通过以太网、蓝牙、无线局域网(WLAN)、互联网等)。另外，在一些实施方式中，计算装置120和/或机器人控制器104的整体控制功能被分布在被实体集成在机器人中的多个组成部件和与机器人通讯的外设部件之间。
计算装置120的功能可以被规划到不同模块中(如多个独立的互联电路或者如图所示存储在存储器124内的多个软件应用或程序模块)。例如任务模块130可以控制机器人来完成其工作，例如根据已被编程或被训练去完成的任务。传感器数据处理模块132可以处理从传感器110、112收到的传感器读数以便例如探测在机器人环境中发生的运动，计算任何被探测到的物体的范围和/或处理图像以识别并定位其中的人(和可选地区分不同的身体部分)，这取决于所用传感器的类型。经过处理的传感器数据可被速度控制模块134利用，该速度控制模块例如基于存储在存储器124内的区域定义来确定人何时进入或离开危险区(以他的头部或躯干)，并且相应地在不同的最高速度设定之间切换。碰撞检测模块136可以监视机器人来发现不希望有的碰撞(例如基于来自嵌设在机器人中的力传感器的信号和/或连续更新的机器人自模型)，并且响应于碰撞命令机器人立即中断工作。训练模块138可以在训练模式中掌控机器人工作并且处理用户输入，该训练模式有助于在机器人100和用户之间的例如为了训练目的的身体互动。最后，故障响应模块140可以监视机器人传感器112以检查其读数的相互一致性，检测任何传感器故障或机器人操作故障并且在任何故障状态情况下发出警报、中断机器人工作和/或启动安全关停程序。在一些实施方式中，故障响应模块140由应急电池供电并且在电力故障情况下进一步控制安全关停。除了这些据此专用于机器人控制的不同模块外，如果该计算装置例如由通用计算机提供，其可以包括传统的操作***142(如Gentoo Linux)，该***指导低级基础***功能的执行如存储器分配、文件管理和大容量存储器的操作。当然，如同本领域技术人员所容易理解的那样，不同的功能可以被分组到或多或少的模块中，或者大体以许多其它方式来规划。总体上，如果以软件形式来实现，则各种不同模块可以用任何合适的编程语言来编程，包括但不限于高级语言如C、C++、C#、Ada、Basic、Cobra、Fortran、Java、Lisp、Perl、Python、Ruby或ObjectPascal或者低级汇编语言。在一些实施方式中，不同的模块用不同的语言来编程。
图2A和图2B示出了根据本发明的一个实施方式的示例性的机器人200。该机器人包括(固定的或带滚的)底座202、躯体204、带有用于操纵物体的夹持器208的双臂206和具有液晶显示(LCD)屏幕212的头部210。LCD屏幕212可以绕经过头部210中心的竖轴线回转。它可以在不同的屏幕部分上交替或同时显示文字、显示由其中一个机器人集成照相机所拍摄的静止图像或视频帧或者计算机生成的图形(如脸)。在如图2B所示的状态中，该屏幕显示眼睛，所显示的眼睛可以通过它们凝视的方向表明机器人想要运动的方向，或者给人提供直观理解的相似的视觉提示。
集成到头部210中的声呐传感器环214是用于探测在机器人环境中移动的物体或人；探测移动物体而不是静止物体有助于区分人和无生命物体，例如保持完全静止的物体不太可能是人。声呐环214发出声脉冲(在次声、可闻或超声的范围内)并且收听源自该环境中的物体反射的回声。根据声音信号的渡越时间即总的往返时间，可以推断出物体距离。而且，声呐环214可以包括多个沿其周边的单独的发射传感器，允许确定出被测物体的方向。由所有传感器接收的(基本时间相关的)信号可以被集中处理以探测和/或跟踪运动，例如当人离开一个传感器的探测区(或视野)进入相邻传感器的探测区时。为了区分人和其它活动物体，运动的速度和形式在一些实施方式中被分析并与典型的人类运动对比。声呐环还包括指示灯216，其指示在哪个方向上已探测到人，其可作为对被探测到的人和其它人的反馈并且例如可以提示被探测到的人离开机器人，直到指示灯216关闭。适用于实施这些功能的装置在尚在审查的申请序列号13/159,047(双马达系列弹性致动器)和13/440,653(目标跟踪的视觉指示)中陈述，其全部公开内容兹被援引纳入。
照相机218可以安装在屏幕212上，并监视机器人环境。结合合适的图像处理软件(如在图1中所示的计算装置120中实施)，照相机218提供用于探测机器人附近的人的替代手段或补充手段。在某些实施方式中，基于图像的探测有助于与人运动无关地识别人，例如依据其典型体型大小和身形、脸部的独特特征和/或典型肤色。另外，它可以实现在各不同的身体部分如躯干、头部、臂、手和腿之间的明确区分。这样的探测、识别和区分功能可以由本领域技术人员已知的各种常见的图像处理算法来提供，包括但不限于边缘探测和其它特征识别方法、对图像模板关联，主成分分析，颜色/纹理分析等。图像处理软件也可跟踪被测人的活动，提供另一种区分人与静止物体的方式并允许机器人向人提供早期警报，例如当他将要进入危险区时。被测人距机器人的距离可以通过各种方式来确定。在一种做法中，针对人脸分析这些图像，从人脸尺寸可以推断出距人的大致距离。或者，可以从立体摄像机所获得的两幅图像计算出距离，或者可以利用任何其它类型的光学深度传感器来测量距离。在各不同的实施方式中，声呐测量和照相机图像在一些组合中被使用以探测在机器人环境中的人。例如声呐环214可以首先被用来探测运动，而脸部识别技术可以随后被用来确认运动物体是否是人。当然，其它类型的动作和距离传感器也可被用来监视机器人周围的空间区域。
机器人200还包括若干用户互动点：在肩部上的触摸板(或"注意按钮")220，其在被人触摸时指示人相对于机器人的位置并使机器人中断其动作并使其臂206缓慢到达人所站立的侧面；用于提供用户输入给机器人的一个或多个"导航器"222即机械控制部件组；和触敏腕口224，用户可借此抓住机器人臂。无论何时人触摸这些用户界面组成部件220、222、224，机器人切换至训练模式；在此模式中，它将仅根据使用者的明确请求运动(而且仅缓慢地运动)。训练模式允许使用者与机器人身体互动，例如为了向机器人示范执行各项任务。比如，使用者可以抓住机器人臂206的腕口224并通过某些动作指导它拿取、移动或者操纵物体。在训练模式中的机器人的示例性特性和操作例如在美国专利申请第13/621,517号(“用于机器人训练的用户界面”)和第13/621,657号(“训练和操作工业机器人”)中有所描述，其全文兹被援引纳入。
作为直接嵌设在机器人中的可由用户操纵的控制机构的替代或补充，机器人也可以包括用于通过遥控装置、例如像智能手机无线通讯的收发器。例如，智能手机应用可以允许用户将机器人遥控切换至训练模式(或接通或关闭)，而不需与机器人的任何身体接触。在各不同的实施方式中，这样的遥控功能可以具备有用的、额外的安全层。在生产车间，比如人们通常可以通过机器人上的控制机构与机器人互动，但监督者可以具有允许他在察觉到危险的任何时候遥控关停机器人或将其切换到另一模式的智能手机(或者其它遥控装置)。(智能手机是一种具有先进的计算能力的手机，其通常能够通过互联网、显示网页和执行需要与遥控装置数据交换的互动应用来通讯。智能手机包括例如iPhonesTM(可从加利福尼亚的库珀缇诺的苹果公司购得)、黑莓TM(可从加拿大安大略省的沃特卢的RIM购得)，或者配备有安卓TM平台(可以从加利福尼亚州的山景城的谷歌公司获得)的任何手机。)
如图2A和图2B所示，机器人臂206的某些表面且尤其是其尖锐角覆有柔性橡胶垫226(或者概括地说，任何类型的柔性减震或阻尼结构)，其减少可能发生的任何冲击的严重性。在机器人能工作的任何速度(其总是处于或低于速度上限)，“柔性”臂206不会在其碰撞到人时造成任何伤害。另外，机器人臂206在遭遇所不希望有的冲击时停止，因此，任何碰撞的持续时间很有限。这两个因素使得当机器人正全速工作时人能安全地以其臂部伸入机器人工作空间。另一方面，当人体躯干或头部不注意进入机器人臂206的范围内时，使机器人减速至很低速度(处于或者低于两个速度限制中的较低者)，以该速度碰撞人的头部不会造成任何伤害并且通常低于疼痛阈值。
通常，据此，该速度下限在探测到人进入机器人周围的危险区时被触发。危险区可以根据与特定针对应用场合(即机器人类型、其执行的任务类型和其工作环境)的安全风险相关的实际考虑来限定。例如在一些实施方式中，该危险区与机器人周围(且随之一起移动)的空间区域有同等范围，在该空间区域内可能发生碰撞；该区域的外限大体对应于机器人附器(或者其它活动部件)的作用范围。在一些实施方式中，如果撞上固定部件被认为是无害的话，则在最差情况下可与不移动的(或很缓慢地运动的)机器人部件(如机器人本体和头部)但不与附器发生碰撞的区域被排除在危险区外。在例如机器人通常整体运动的某些实施方式中，危险区可以包括超出碰撞区边界的安全边际，从而针对附器的速度下限在人进入其作用范围之前被触发。安全边际的深度可能取决于机器人整体运动速度。如本领域技术人员容易认识到的那样，可以通过许多不同方式来限定该危险区。
该危险区至少部分在探测区中，即在传感器***所监视的区域(或“视野”)中。探测区一般由某最大范围来限定，超过该最大范围，该传感器***无法或者无法可靠地探测人和/或运动；该范围通常取决于所采用的传感器***的类型(如声呐vs基于图像的***)。而且，紧邻机器人的区域可以被排除在传感器***的视野外(例如由于传感器位置、取向和/或配置和由其它机器人部分引起的任何障碍)，并因此落在探测区之外。结果，危险区的一些部分可能落在探测区外。在一些实施方式中，故意使探测区适配于从覆盖范围排除危险区的某些部分，如以下关于图3B所解释的那样。
图3A和图3B分别以从机器人200上方看的平面图和从侧面看的立视图示出了用于图2A和图2B的机器人200的探测区和危险区。如图3A所示，外边界300(在所示的两维中呈圆形)限定出探测区302的外限(即声呐***能可靠探测运动的区域)。内边界304(同样呈圆形)限定出声呐探测区302的内限；针对机器人声呐***的探测，在该边界304中的点非常靠近机器人200。肾形区306限定出机器人臂作用范围的极限并且在此实施例中与危险区有同等范围。如图所示，机器人臂无法任意靠近机器人躯体和头部；相反，臂作用范围由机器人周围的安全区域限定，该安全区域用于防止机器人自身碰撞。当然不必在所有实施方式中都是这样的情况。另外，危险区可以延伸超过臂作用范围并且例如包括可能发生与机器人躯体或头部碰撞的区域。因此，该危险区可以是立体空间区域(例如球或半球)，其由围绕机器人的单一闭合边界、在内和外(如球形)边界之间形成的一定厚度的轮廓或者如图所示的围绕但没有完全包围该机器人的不规则造型的空间区域来限定。
图3B示出了与机器人200互动的人并示出了探测区302的竖向延伸范围。探测区302可以具有由声呐束312形成的上边界和下边界308、310，所述声呐束由声呐环214的独立发射传感器所发出；这些束312可以基本上呈圆锥形，获得围绕机器人的环形探测区。声呐传感器被这样定向，以便探测区的下边界310随着距机器人的距离减小而提升，并且声呐传感器被这样定位，从而人的身体和头部(如普通身材的直立成人的身体和头部)可以在探测区302内的任何地方被探测到。如果在与危险区306重合的探测区部分中探测到人，则机器人200做出减慢其运动的反应。但当探测到人在危险区外时，机器人继续以正常速度(全速)工作。因此，机器人速度不完全仅基于是否探测到人来控制，也基于任何被探测到的人所处地点来控制，尤其是基于她距机器人200的距离(例如利用如上所述的渡越时间测量或其它深度感测方法所确定的距离)。如图3B所示，刚好在危险区306外的人通常能够将手或臂部在声呐探测区的下边界310下方伸入危险区306中，进而与机器人200互动和/或在机器人工作空间内操作而不触发速度下限。因而，由于声呐传感器布置和所造成的探测区形状，可以在探测时顺带实现人的头部和上半身与他的手之间的区分。在依据照相机图像探测人的实施方式中，可以故意模拟声呐环的环形探测区302，并且只有当在危险区内被发现的活动物超过肩部高度时才触发速度下限。或者，人体躯干和人手之间的区分可以基于形状和尺寸来完成，例如以便在探测到大致呈柱形的大型物体(像躯干)时引起切换至较低速度。
图4总结了根据不同实施方式的、用于控制机器人速度设定以保证在机器人与人一起工作或并排工作的空间内的安全性的方法。这些方法涉及连续监视机器人周围的探测区(步骤400)(如利用声呐环214或其它传感器110结合传感器数据处理模块132)以探测其中的人，比如基于他们的运动(步骤402)。一旦探测到有人，则确定(如借助处理模块132)该人或者确切说她的躯干或头部是否在危险区内(步骤404)。如果该人在危险区内，则机器人最高速度限制被切换至(或保持在)速度设定中的较低速度(步骤406)；否则，它保持在较高设定下(步骤408)。当然，当机器人以较低速度工作且人员随后离开危险区时，速度限制被切换回到较高设定(步骤408)。在一些实施方式中，在训练模式中采用甚至更低的第三速度设定；即，当机器人通过在其躯体上的任何机械控制部件(如控制机构220、222、224)收到使用者输入(步骤410)时，这可能在人体躯干和头部在危险区之内或之外的情况下发生，机器人切换至它以很低速度工作且一般只直接响应于使用者输入的模式。该控制方案有助于在机器人单独工作(以最高速度)、与人协同工作(以较低速度)和在训练模式中与人互动(以最低速度)之间的无缝切换。
在某些实施方式中，该机器人能给在附近的任何人提供各种不同的视觉提示。例如在屏幕212上所显示的脸可以包含眼睛图像，人可以借此来估计所表达的注视方向。机器人可以转移其视线至它将要运动的方向或者它正要执行下个动作的地点。比如，如果机器人正要伸向一物体，其所显示的眼睛可以首先盯住它将要移动其臂所至的地点。一旦机器人的夹持器抓住物体，它可以转移其视线至它将放下该物体的地方。这样一来，人可以预测机器人的下个动作。因为机器人被编程来模仿人们在相似情况下将如何移动其眼睛，故通常不需要训练观察的人解读机器人眼，人们能直观理解机器人在转移其视线时意味着什么。除了用眼睛来表示意图外，机器人脸整体也可以提供重要的视觉提示。例如机器人脸可以在探测到危险区内有人的任何时候变红，提供直观警报。
声呐传感器环214也可以兼作视觉指示件，因为它可包括绕机器人头部的周界间隔的一圈多个黄灯。所述灯在该***已探测到运动的任何方向上点亮，无论该运动是被声呐环本身探测到或例如通过在来自机器人头部照相机218的图像流中运行的脸部检测算法被探测到。所述灯向人指示该机器人是否能“看到”她。机器人可以进一步包括在其头部上的纯色光圈或者“光环”，该光圈或光环在机器人发生故障情况下改变颜色和/或闪烁，如从绿色(指示正常工作)变为红色。颜色改变给人以机器人出现有不对情况的直观警告。所述光晕也可以提供关于机器人状态的更具体的信息。例如在一个实施方式中，纯绿色的光晕表示机器人正常工作；绿色闪光意味着它处于训练模式；纯黄色(伴随所有声呐灯同时闪黄色，从而色盲人能看到与纯绿色光晕的区别)表示机器人是困惑的并且不会移动直到它得到帮助；很缓慢的脉冲黄色(例如伴随每次6秒的脉冲持续时间)意味着机器人正在休眠(因此不准备移动)；和快速闪烁的红色信号表示机器人损坏并且因此不会运动。
当机器人确实经历功能故障时，其内部安全行为保证了它安全关停。问题可以例如可以依据来自监视机器人工作的传感器112的传感器读数被检测出。可以依据以下限制条件来检查来自不同传感器的读数的相互一致性(在一定误差范围内)，所述限制条件描述在正常机器人工作中保持的各种被测数量之间的物理关系。违反这些限制条件中的任何一个表明传感器失效、异常且有问题的机器人行为或者两者，并且可能触发安全协议的启用，例如自动关停或者至少暂时中止机器人工作。(传感器一致性检查和合适的反应在2013年8月28日提交的美国专利申请第14/012,389号中有详细描述，该文献的全文兹被援引纳入本文)。在探测到碰撞的情况下机器人也被停止；在各不同的实施方式中，碰撞探测依赖嵌设在附器中的测力传感器的检测结果。停止或暂时中断机器人工作通常牵涉到使接头失效，并且可以通过以下方式来实现，切断输入接头马达的电力，短接马达中的线圈以提供利用机电阻尼作用消散机器人四肢内的机械能的动态制动作用，或者将该***主动制动至零速状态。在电力故障情况下，用于机器人臂102的电子急停制动电路造成所述臂缓慢降低，例如通过短路一个或多个马达绕组；制动电路可以例如由蓄电电路被供电。合适的电路***例如在2012年4月13日提交的美国专利申请第13/446,650号(“用于机器人臂的电子急停制动电路”)中有描述，该文献的全文兹被援引纳入本文。
虽然已经就特定的特征和实施方式描述了本发明，但本领域技术人员将会明白可以采用包含本文所述概念的其它实施方式而没有脱离本发明的精神和范围。例如机器人可以包括除了上述之外的其它替代的或额外的传感器或传感器位置和布置用于探测人的存在和所处位置。而且，机器人可以按照除了上述之外的其它方式通知探测到人员及其意图，例如包括利用声音。因此，所述的实施方式应在所有方面只被认为是示范性的，而不是限制性的。

Claims (22)

1.一种机器人，包括：
躯体和能相对该躯体运动地与该躯体连接的至少一个附器；
传感器***，其用于探测在该机器人周围的探测区内的人；和
计算装置，用于(i)限定至少部分在该探测区内的危险区，(ii)以处于第一阈值或低于第一阈值的速度操作该机器人，在所述第一阈值，在所述至少一个附器和人臂部之间的碰撞不会伤害到该人，和(iii)响应于在该危险区内探测到人体躯干和头部中的至少一个，以处于第二阈值的或低于第二阈值的速度操作该机器人，在所述第二阈值，在所述至少一个附器和所述人体躯干或头部之间的碰撞不会伤害到该人，所述第二阈值低于所述第一阈值。
2.根据权利要求1所述的机器人，其中，该危险区的至少一部分在该探测区外。
3.根据权利要求1所述的机器人，其中，该危险区的边界至少部分基于所述至少一个附器的作用范围。
4.根据权利要求3所述的机器人，其中，该危险区的外边界以安全边际超出所述至少一个附器的作用范围。
5.根据权利要求3所述的机器人，其中，该探测区在空间上受高度下边界所限制，从而低于该探测区的在该危险区内的动作不会改变该机器人的操作。
6.根据权利要求5所述的机器人，其中，该高度下边界随着距该机器人的距离而变。
7.根据权利要求1所述的机器人，其中，该传感器***包括至少一个声呐传感器。
8.根据权利要求1所述的机器人，其中，该传感器***包括至少一个照相机和相关的图像处理装置。
9.根据权利要求8所述的机器人，其中，该图像处理装置被构造用于区分人体躯干或头部与人臂部。
10.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述至少一个附器的角或边缘中的至少一个是被倒圆或用柔性材料垫衬中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的机器人，还包括至少一个输出装置用于发信号表示以下情况中的至少一个，指向机器人动作正要发生的位置的方向，人与机器人的接近度，该机器人是否已探测到该区域内有人的指示，或者机器人发生故障的指示。
12.根据权利要求1所述的机器人，还包括切换机构，它能由人操作以将该机器人切换到训练模式，该计算装置被构造成当被切换到训练模式时以处于第三阈值或低于第三阈值的速度操作该机器人，该第三阈值小于第一阈值。
13.根据权利要求1所述的机器人，还包括碰撞检测***，该计算装置响应于该碰撞检测***并且在探测到碰撞时终止机器人的操作。
14.根据权利要求1所述的机器人，还包括用于在电力故障情况下安全停止机器人工作的紧急电路。
15.一种安全操作机器人的方法，该机器人具有至少一个活动的附器，该方法包括：
以处于第一阈值的或低于第一阈值的速度操作该机器人，在所述第一阈值，在所述至少一个附器和人臂部之间的碰撞不会伤害到该人；
利用传感器***来监视机器人周围的探测区来探测其中的人；
响应于在至少部分位于该探测区内的危险区中探测到人体躯干或头部中的至少一个，以处于第二阈值的或低于第二阈值的速度操作该机器人，在所述第二阈值，在所述至少一个附器和人体躯干或头部之间的碰撞不会伤害到该人，所述第二阈值小于所述第一阈值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该危险区的至少一部分在该探测区外。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，该探测区部分由高度下边界所限定，从而在该探测区下方的危险区内的活动不会改变该机器人的操作。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，监视该探测区包括探测该探测区内的运动。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，监视该探测区包括获得其图像并且处理该图像以识别其中的人体躯干或头部。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括在人操作切换机构时将该机器人切换到训练模式，并且当被切换到训练模式时以处于第三阈值的或低于第三阈值的速度操作该机器人，所述第三阈值小于所述第一阈值。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括当发生碰撞时终止机器人工作。
22.根据权利要求15所述的方法，还包括在电力故障情况下安全停止机器人工作。
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