CN109015644A - 一种机器人安全工作控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人安全工作控制技术领域，尤其涉及一种机器人安全工作控制方法。本发明提供的机器人安全工作控制方法，通过建立机器人的运动模型、操作人员的运动模型，获取二者运动过程中动态安全工作距离，在机器人工作过程中，采集操作人员的立体运动姿态，再获取操作人员与机器人之间的动态工作距离，判断该动态工作距离是否小于上述的动态安全工作距离，如果是，则控制机器人停止工作，以防止机器人和操作人员出现碰撞，可以大大降低安全事故的发生。

Description

一种机器人安全工作控制方法

技术领域

本发明涉及机器人安全工作控制技术领域，尤其涉及一种机器人安全工作控制方法。

背景技术

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

随着制造业的转型升级，以及电子制造产业的发展，协作机器人成为热门话题。协作机器人指被设计成可以在协作区域内与直接进行交互的机器人，协作区域即为机器人与人类可以共同工作的区域。

2017年，协作机器人(cobots)开始引领机器人市场增长。根据BIS Research的研究数据显示，到2021年，协作机器人的市场销量将达到15万台，销售额有望增至20亿美元。一些产业开始将引入协作机器人作为寻求新的自动化未来的一种方式。

协作机器人可以用在很多场合，例如拾取和放置、设备看护、加工作业等。

对工人来说，手动拾取和放置应是当今重复性最高的任务之一了。枯燥乏味的操作很容易导致工人出错，而高度重复的肢体动作也容易导致身体的劳累和损伤。从拾取和放置任务开始应用协作型机器人对于减少工人的重复劳动是一个很好的开始。拾取和放置任务是指将工件拾取并放置在另一地点。实际生产中可以利用这项操作从托盘或传送带上拾取物品，用于包装或分拣。从传送带上拾取还需要先进的视觉***支持。拾放类的协作机器人需要一个末端执行器来抓取物体，可以是夹具或真空吸盘装置。

产品的包装和码垛属于拾取和放置类别里的一个子类。产品离开工厂车间之前需要为运输进行适当准备，包括收缩包装、箱体装配和装载、箱体整理、放置托盘准备发运。这种类型的工作重复率高，且包含一些小型负载，十分适合用协作机器人取代人工作业。快速的产品更换是高低生产量混合的批量生产型企业的业务关键所在。这项应用要求利用传送带跟踪，以同步机器人和传送带的运动。对于外形不一致的产品，应用时还需要结合视觉***。

加工作业是指任何需要利用工具操作工件的作业过程。协作机器人常用于胶合处理、分配和焊接过程。这其中的每种加工任务都要求使用工具重复完成固定路径。这些任务如果使用新员工需要投入大量时间进行训练，才能达到成品要求。而使用协作机器人后，可以通过在一台机器人上完成编程后复制给其他机器人。协作机器人同时还解决了工人完成的精度和重复操作的问题。传统的焊接机器人***，通常需要操作人员具有非常专业的机器人编程和焊接知识。

在协作区域内，机器人和操作人员都处于动态运动过程中，机器人与操作人员容易出现碰撞现象，现有技术中，通常在机器人上设置近距离接触传感器，通过近距离接触传感器接触操作人员与机器人之间的静态距离，来控制机器人动作，防止机器人碰撞到操作人员，以免造成作业事故。但是由于操作人员和机器人都处于动态运动过程中，上述方案很难准确防止机器人碰撞到操作人员。

因此，在机器人与操作人员均在运动状态下，如何防止机器人碰撞到操作人员，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人安全工作控制方法，在机器人与操作人员均在运动状态下，如何防止机器人碰撞到操作人员。

为了实现上述目的，本发明提供了一种机器人安全工作控制方法，所述机器人包括底座、第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节，所述第四转动关节的末端设有第一抓取手爪，所述第二机械臂包括第五转动关节、第六转动关节、第七转动关节、第八转动关节，所述第八转动关节的末端设有第二抓取手爪；

获取第一机械臂和第二机械臂的运动关节点及各运动关节点的运动轨迹，建立第一机械臂和第二机械臂的运动模型；

获取操作人员的身体关节点及各身体关节点的运动轨迹，建立操作人员的运动模型；

建立第一机械臂、第二机械臂、操作人员的活动坐标系，将所述第一机械臂和第二机械臂的运动模型、操作人员的运动模型映射到所述活动坐标系中；

从所述坐标系中获取操作人员在不同的运动过程中与所述第一机械臂、第二机械臂之间的动态安全工作距离；

在所述机器人工作过程，采集操作人员的立体运动姿态，从所述立体运动姿态中获取操作人员与所述机器人的动态工作距离；

若所述动态工作距离小于所述动态安全工作距离时，控制所述机器人停止工作，并发出警报。

优选的，所述第一机械臂的运动关节点包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节、第一抓取手爪的旋转关节和移动关节，所述第二机械臂的运动关节点包括第五转动关节、第六转动关节、第七转动关节、第八转动关节、第二抓取手爪的旋转关节和移动关节。

优选的，所述第一机械臂和第二机械臂的运动模型中，各运动关节点的坐标系原点均位于机器人的关节轴线上，机器人的基座与地面的安装点为固定关节点。

优选的，所述获取操作人员的身体关节点及各身体关节点的运动轨迹，包括：图像采集操作人员的人体图像，从所述人体图像中获取多个骨骼节点，获取每个骨骼节点的立体坐标数据，并跟踪每个骨骼节点的运动轨迹，构建人体骨骼节点运动链，骨骼节点运动链采用树形结构表征，每一对相邻的骨骼节点形成树形结构的一个分支，每个分支代表一条运动链。

优选的，所述采集操作人员的立体运动姿态，包括在所述机器人的底座上设置有立体摄像头，通过所述立体摄像头获取操作人员的立体运动姿态。

优选的，所述第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节相邻处设有伺服电机和谐波减速机，由所述伺服电机和谐波减速机驱动相邻的转动关节进行旋转或平移。

优选的，所述第一抓取手爪和所述第二抓取手爪为五爪手爪。

本发明提供的机器人安全工作控制方法，通过建立机器人的运动模型、操作人员的运动模型，获取二者运动过程中动态安全工作距离，在机器人工作过程中，采集操作人员的立体运动姿态，再获取操作人员与机器人之间的动态工作距离，判断该动态工作距离是否小于上述的动态安全工作距离，如果是，则控制机器人停止工作，以防止机器人和操作人员出现碰撞，可以大大降低安全事故的发生。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例提供的机器人安全工作控制方法的流程示意图；

图2为本发明一种具体实施例提供的机器人的结构示意图；

其中，图1-图2中：

第一转动关节1、第二转动关节2、第三转动关节3、第四转动关节4、第一抓取手爪5、第五转动关节6、第六转动关节7、第七转动关节8、第八转动关节9、第二抓取手爪10、底座11。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

请参看图1、图2，图1为本发明一种具体实施例提供的机器人安全工作控制方法的流程示意图；图2为本发明一种具体实施例提供的机器人的结构示意图。

如图1、图2所示，本发明提供的机器人安全工作控制方法，其中，所述机器人包括底座11、第一机械臂和第二机械臂，第一机械臂和第二机械臂可旋转地安装在所述底座上，在伺服电机的驱动下，第一机械臂和第二机械臂可以在预设的角度范围内进行旋转。

所述第一机械臂包括第一转动关节1、第二转动关节2、第三转动关节3、第四转动关节4，所述第四转动关节4的末端设有第一抓取手爪5，所述第二机械臂包括第五转动关节6、第六转动关节7、第七转动关节8、第八转动关节9，所述第八转动关节9的末端设有第二抓取手爪10。

第一转动关节1与第二转动关节2之间形成一个自由度，第二转动关节2与第三转动关节3之间形成一个自由度，第三转动关节3与第四转动关节4之间形成一个自由度。

同样，第二机械臂也具有4个自由度，第一机械臂和第二机械臂可以在相应的自由度内进行运动，以实现不同的空间和位置的操作。

获取第一机械臂和第二机械臂的运动关节点及各运动关节点的运动轨迹，建立第一机械臂和第二机械臂的运动模型；获取操作人员的身体关节点及各身体关节点的运动轨迹，建立操作人员的运动模型；建立第一机械臂、第二机械臂、操作人员的活动坐标系，将所述第一机械臂和第二机械臂的运动模型、操作人员的运动模型映射到所述活动坐标系中；从所述坐标系中获取操作人员在不同的运动过程中与所述第一机械臂、第二机械臂之间的动态安全工作距离；在所述机器人工作过程，采集操作人员的立体运动姿态，从所述立体运动姿态中获取操作人员与所述机器人的动态工作距离；若所述动态工作距离小于所述动态安全工作距离时，控制所述机器人停止工作，并发出警报。

本发明提供的机器人安全工作控制方法，通过建立机器人的运动模型、操作人员的运动模型，获取二者运动过程中动态安全工作距离，在机器人工作过程中，采集操作人员的立体运动姿态，再获取操作人员与机器人之间的动态工作距离，判断该动态工作距离是否小于上述的动态安全工作距离，如果是，则控制机器人停止工作，以防止机器人和操作人员出现碰撞，可以大大降低安全事故的发生。

优选的方案中，所述第一机械臂的运动关节点包括第一转动关节1、第二转动关节2、第三转动关节3、第四转动关节4、第一抓取手爪5的旋转关节和移动关节，所述第二机械臂的运动关节点包括第五转动关节6、第六转动关节7、第七转动关节8、第八转动关节9、第二抓取手爪10的旋转关节和移动关节。以上各点均为可以运动的节点，可以反映出第一机械臂和第二机械臂的不同位置的运动状态。

优选的方案中，所述第一机械臂和第二机械臂的运动模型中，各运动关节点的坐标系原点均位于机器人的关节轴线上，机器人的基座与地面的安装点为固定关节点。

优选的方案中，所述获取操作人员的身体关节点及各身体关节点的运动轨迹，包括：采集操作人员的人体图像，从所述人体图像中获取多个骨骼节点，获取每个骨骼节点的立体坐标数据，并跟踪每个骨骼节点的运动轨迹，构建人体骨骼节点运动链，骨骼节点运动链采用树形结构表征，每一对相邻的骨骼节点形成树形结构的一个分支，每个分支代表一条运动链。这种方案可以准确点表征操作人员的身体不同部位的运动状态。

具体的方案中，可以采用3D视觉传感器采集操作人员的人体骨骼特征，从所述骨骼特征中提取多个骨骼节点。

优选的方案中，所述采集操作人员的立体运动姿态，包括在所述机器人的底座上设置有立体摄像头，通过所述立体摄像头获取操作人员的立体运动姿态。

优选的方案中，所述第一转动关节1、第二转动关节2、第三转动关节3、第四转动关节4相邻处设有伺服电机和谐波减速机，由所述伺服电机和谐波减速机驱动相邻的转动关节进行旋转或平移。

所述第五转动关节5、第六转动关节6、第七转动关节7、第八转动关节8相邻处设有伺服电机和谐波减速机，由所述伺服电机和谐波减速机驱动相邻的转动关节进行旋转或平移。

优选的方案中，所述第一抓取手爪5、所述第二抓取手爪10可以为三爪手爪、四爪手爪、五爪手爪，优选，可以采用五爪手爪，以模仿人工操作。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (7)

1.一种机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述机器人包括底座、第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节，所述第四转动关节的末端设有第一抓取手爪，所述第二机械臂包括第五转动关节、第六转动关节、第七转动关节、第八转动关节，所述第八转动关节的末端设有第二抓取手爪；

获取第一机械臂和第二机械臂的运动关节点及各运动关节点的运动轨迹，建立第一机械臂和第二机械臂的运动模型；

获取操作人员的身体关节点及各身体关节点的运动轨迹，建立操作人员的运动模型；

建立第一机械臂、第二机械臂、操作人员的活动坐标系，将所述第一机械臂和第二机械臂的运动模型、操作人员的运动模型映射到所述活动坐标系中；

从所述坐标系中获取操作人员在不同的运动过程中与所述第一机械臂、第二机械臂之间的动态安全工作距离；

在所述机器人工作过程，采集操作人员的立体运动姿态，从所述立体运动姿态中获取操作人员与所述机器人的动态工作距离；

若所述动态工作距离小于所述动态安全工作距离时，控制所述机器人停止工作，并发出警报。

2.根据权利要求1所述的机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述第一机械臂的运动关节点包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节、第一抓取手爪的旋转关节和移动关节，所述第二机械臂的运动关节点包括第五转动关节、第六转动关节、第七转动关节、第八转动关节、第二抓取手爪的旋转关节和移动关节。

3.根据权利要求2所述的机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述第一机械臂和第二机械臂的运动模型中，各运动关节点的坐标系原点均位于机器人的关节轴线上，机器人的基座与地面的安装点为固定关节点。

4.根据权利要求3所述的机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述获取操作人员的身体关节点及各身体关节点的运动轨迹，包括：图像采集操作人员的人体图像，从所述人体图像中获取多个骨骼节点，获取每个骨骼节点的立体坐标数据，并跟踪每个骨骼节点的运动轨迹，构建人体骨骼节点运动链，骨骼节点运动链采用树形结构表征，每一对相邻的骨骼节点形成树形结构的一个分支，每个分支代表一条运动链。

5.根据权利要求1所述的机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述采集操作人员的立体运动姿态，包括在所述机器人的底座上设置有立体摄像头，通过所述立体摄像头获取操作人员的立体运动姿态。

6.根据权利要求1所述的机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节、第四转动关节相邻处设有伺服电机和谐波减速机，由所述伺服电机和谐波减速机驱动相邻的转动关节进行旋转或平移。

7.根据权利要求1所述的机器人安全工作控制方法，其特征在于，所述第一抓取手爪和所述第二抓取手爪为五爪手爪。