专利名称：一种避免工业机器人碰撞工人的方法
技术领域：
本发明涉及一种避免工人和工业机器人在工作区域发生碰撞的方法，特别涉及一种通过判别工人的运动趋势，避免工业机器人碰撞工人的方法。
背景技术：
工业机器人应用中存在的一个问题为工业机器人需要在一个封闭的、隔离的工作区域内操作，为了避免工人意外遭到工业机器人的伤害，工人需要远离工业机器人的该工作区域。如何让工业机器人能够判别工人的运动趋势，避免碰撞工人，是使工业机器人和工人能够在同一个工作区域内协作完成任务的关键问题。目前，已经提出了许多基于不同原理的防止碰撞的技术和方法，以避免工业机器人和同属一个工作区域的移动物体或是静止物体发生碰撞。现有方法主要是通过对工业机器人和物体的碰撞时间和距离的估计，确定工业机器人的停止时间。例如，专利号为US 6，212，444的美国专利公开了一种通过设置公共区域防止碰撞的方法，在该公共区域内，工业机器人的操作区域和其它工业机器人或装置的操作区域彼此重叠。当该工业机器人上的预定参考点在公共区域内时，会向其它工业机器人或装置输出第一进入禁止信号，以禁止其它工业机器人或装置进入该公共区域；当其它工业机器人或装置的可移动部分在公共区域内时，又会向该工业机器人或装置输出第二进入禁止信号，以禁止该工业机器人或装置的预定参考点进入该公共区域。公开号为CN 101512453A的中国专利申请公开了一种防止碰撞的方法，其通过估计工业机器人与物体之间在发生碰撞之前的剩余时间确定工业机器人的停止时间，将估计的发生碰撞之前的剩余时间与工业机器人的停止时间进行比较，以及在所估计的发生碰撞之前的剩余时间接近工业机器人的停止时间时，停止工业机器人或者物体。该种方法的不足之处是工人在工作区域内的运动轨迹或运动趋势是无法预知的，因而难以估计工业机器人与工人之间在发生碰撞之前的剩余时间，也就无法通过估计工业机器人与物体之间在发生碰撞之前的剩余时间确定工业机器人的停止时间。由于现有方法没有考虑工人的运动特性，如速度和方向等非确定性因素，因而，工人仍然存在和工业机器人发生碰撞的风险。
发明内容
为了解决上述问题，本发明以保证工人的安全性和增强工人运动的自由性为目标，提供一种通过判别工人的运动状态避免工业机器人碰撞工人的方法。本发明采用的技术方案为一种避免工业机器人碰撞工人的方法为，在工人正常进入工作区域后，完成如下步骤步骤a2 监控计算机通过视觉单元实时监控工人的运动状态，并将视觉单元采集到的工作区域图像输入至工人运动特性识别单元中计算工人运动特性参数，并由安全防护区域计算模块根据所述工人运动特性参数计算工人的安全防护区域，所述安全防护区域计算模块将获得的安全防护区域输入至工业机器人目标位置和速度调整单元中，其中，所述安全防护区域为工人在运动状态或静止状态保证其安全的最小区域；步骤a3 安全防护区域计算模块根据工业机器人的预定的运动轨迹，计算其防护区域，并将其输入至工业机器人目标位置和速度调整单元中，其中，所述防护区域表示工业机器人的每个关节均不会碰撞到其它物体的空间区域；步骤a4:当安全防护区域和防护区域有重叠部分时，表示工业机器人的关节存在碰撞工人的危险，则所述工业机器人目标位置和速度调整单元在线调整工业机器人各个关节的目标位置和速度，避免工业机器人的任何一个关节碰撞到工作区域内的工人。优选地，在所述步骤a2之前完成如下步骤步骤al 监控计算机通过视觉单元实时监测工作区域的边界，判断工人是否正常进入工作区域；步骤all 若工人没有进入工作区域，则监控计算机控制工业机器人按照预定的程序完成操作，并返回步骤al ；步骤al2 若工人正常进入工作区域，则监控计算机转换为工人和工业机器人共同在工作区域内工作的协作工作模式，并进入步骤a2 ；步骤al3 如果工人非正常进入工作区域，则监控计算机根据工人所进入的工作区域的防护等级，通过报警单元给出与防护等级相对应的报警信息，并返回步骤al。优选地，所述视觉单元包括安装于工作区域的周边上的传感器阵列，通过传感器阵列形成位于工作区域外、且位于工作区域周边的第一检测区域和位于工作区域内、且位于工作区域周边的第二检测区域；步骤al中监控计算机通过视觉单元实时监测工作区域的边界的方法为步骤bl 监控计算机通过传感器阵列判断工人是否进入第一检测区域，如果位于第一检测区域上的传感器的第一检测信号受阻，则受控于第一检测信号的报警装置向工人给出语音提示，并将工人已进入第一检测区域的信息通过总线传达给监控计算机，并继续进入步骤1^2 ；步骤Μ 监控计算机通过传感器阵列判断工人是否进入第二检测区域，如果位于第二检测区域上的传感器的第二检测信号受阻，则受控于第二检测信号的报警装置向工人给出警报提示，并将工人已进入第二检测区域的信息通过总线传达给监控计算机，并继续进入步骤b3 ；步骤b3 监控计算机根据工业机器人的任务情况，判断工人是否按照需求正常进入工作区域；如果不是正常进入，控制工业机器人停止运动，并完成步骤al3;如果是正常进入，则完成步骤al2。优选地，所述的工人运动特性识别单元计算工人运动特性参数的步骤为步骤cl 对输入的工作区域图像建立工作区域背景建模，获得工作区域背景模型；步骤c2 检测工作区域背景模型中的工人运动变化，获得工人区域；步骤c3 输入工人区域，根据预先假设的工人的预测位置分布，分析工人的当前位置分布，预测工人的运动趋势；步骤c4 输入预测的工人的运动趋势，通过工人朝向的验证，确定工人的运动趋势，并对工人的下一位置和下一朝向进行预测。优选地，工人的安全防护区域的确定方法为为以当前位置为中心，以下一位置到当前位置的距离为半径，以当前朝向与下一朝向之间的夹角为圆心角的扇形底面所形成的高度为工人高度的柱形区域。优选地，工业机器人地防护区域的确定方法为工业机器人的第j关节的防护区域Sj是以&为半径的球形区域；&二[.|(~_明)2<。2}其中，rj = |民(1+1)-民⑴I，~表示第j关节在空间中能到达的位置，Rj (i)表示第j关节的当前位置，Rj(i+1)表示第j关节的下一位置；所述防护区域A2为工业机器人的所有关节的防护区域的集合A2 = S1 U S2 U ... Sn其中，η为工业机器人的关节的数量，η为自然数，1彡j彡η。优选地，所述工业机器人目标位置和速度调整单元在线调整工业机器人运动轨迹的目标位置和速度的方法为步骤dl 判断第j关节的防护区域。与安全防护区域是否有重叠的部分，如果有， 则调整第j关节的下一位置民(1+1)和在当前位置处的关节速度、(i)；步骤d2 计算第j关节的当前位置民⑴和安全防护区域间的最短距离…⑴dj(i) = min|Rj(i)-pk其中，Pk为安全防护区域的柱形区域的表面上的点；步骤d3:调整工业机器人的第j关节的当前速度Vj (i)，新的当前速度为V' j(i)
权利要求
1.一种避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，在工人正常进入工作区域后，完成如下步骤步骤a2 监控计算机通过视觉单元实时监控工人的运动状态，并将视觉单元采集到的工作区域图像输入至工人运动特性识别单元中计算工人运动特性参数，并由安全防护区域计算模块根据所述工人运动特性参数计算工人的安全防护区域，所述安全防护区域计算模块将获得的安全防护区域输入至工业机器人目标位置和速度调整单元中，其中，所述安全防护区域为工人在运动状态或静止状态保证其安全的最小区域；步骤a3:安全防护区域计算模块根据工业机器人的预定的运动轨迹，计算其防护区域，并将其输入至工业机器人目标位置和速度调整单元中，其中，所述防护区域表示工业机器人的每个关节均不会碰撞到其它物体的空间区域；步骤a4:当安全防护区域和防护区域有重叠部分时，表示工业机器人的关节存在碰撞工人的危险，则所述工业机器人目标位置和速度调整单元在线调整工业机器人各个关节的目标位置和速度，避免工业机器人的任何一个关节碰撞到工作区域内的工人。
2.根据权利要求1所述的避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，在所述步骤 a2之前完成如下步骤步骤al 监控计算机通过视觉单元实时监测工作区域的边界，判断工人是否正常进入工作区域；步骤all 若工人没有进入工作区域，则监控计算机控制工业机器人按照预定的程序完成操作，并返回步骤al ；步骤al2 若工人正常进入工作区域，则监控计算机转换为工人和工业机器人共同在工作区域内工作的协作工作模式，并进入步骤a2 ；步骤al3 如果工人非正常进入工作区域，则监控计算机根据工人所进入的工作区域的防护等级，通过报警单元给出与防护等级相对应的报警信息，并返回步骤al。
3.根据权利要求2所述的避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述视觉单元包括安装于工作区域的周边上的传感器阵列，通过传感器阵列形成位于工作区域外、且位于工作区域周边的第一检测区域和位于工作区域内、且位于工作区域周边的第二检测区域；步骤al中监控计算机通过视觉单元实时监测工作区域的边界的方法为步骤bl 监控计算机通过传感器阵列判断工人是否进入第一检测区域，如果位于第一检测区域上的传感器的第一检测信号受阻，则受控于第一检测信号的报警装置向工人给出语音提示，并将工人已进入第一检测区域的信息通过总线传达给监控计算机，并继续进入步骤1^2 ；步骤监控计算机通过传感器阵列判断工人是否进入第二检测区域，如果位于第二检测区域上的传感器的第二检测信号受阻，则受控于第二检测信号的报警装置向工人给出警报提示，并将工人已进入第二检测区域的信息通过总线传达给监控计算机，并继续进入步骤b3 ；步骤b3 监控计算机根据工业机器人的任务情况，判断工人是否按照需求正常进入工作区域；如果不是正常进入，控制工业机器人停止运动，并完成步骤al3 ；如果是正常进入， 则完成步骤al2。
4.根据权利要求3所述的避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述视觉单元还包括安装于工作区域外的外部监测摄像头，在步骤al中，监控计算机通过所述外部监测摄像头和传感器阵列实时监控工作区域的边界。
5.根据权利要求1所述的避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述视觉单元包括安装于工作区域内的内部监测摄像头，在步骤a2中，监控计算机通过所述内部监测摄像头实时监控工人的运动状态。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于， 所述的工人运动特性识别单元计算工人运动特性参数的步骤为步骤cl 对输入的工作区域图像建立工作区域背景建模，获得工作区域背景模型； 步骤c2 检测工作区域背景模型中的工人运动变化，获得工人区域； 步骤c3 输入工人区域，根据预先假设的工人的预测位置分布，分析工人的当前位置分布，预测工人的运动趋势；步骤c4:输入预测的工人的运动趋势，通过工人朝向的验证，确定工人的运动趋势，并对工人的下一位置和下一朝向进行预测。
7.根据权利要求6所述的一种通过判别工人的运动状态以避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，工人的安全防护区域的确定方法为为以当前位置为中心，以下一位置到当前位置的距离为半径，以当前朝向与下一朝向之间的夹角为圆心角的扇形底面所形成的高度为工人高度的柱形区域。
8.根据权利要求7所述的一种避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，工业机器人地防护区域的确定方法为工业机器人的第j关节的防护区域h是以&为半径的球形区域； 小ι“-明)2《}其中，rj = iRja+l)-!^⑴I，~表示第j关节在空间中能到达的位置，Rj (i)表示第j 关节的当前位置，Rj(i+1)表示第j关节的下一位置；所述防护区域A2为工业机器人的所有关节的防护区域的集合 A2 = S1 U S2 U ... Sn其中，η为工业机器人的关节的数量，η为自然数，1彡j彡η。
9.根据权利要求8所述的一种避免工业机器人碰撞工人的方法，其特征在于，所述工业机器人目标位置和速度调整单元在线调整工业机器人运动轨迹的目标位置和速度的方法为步骤dl 判断第j关节的防护区域h与安全防护区域是否有重叠的部分，如果有，则调整第j关节的下一位置民(1+1)和在当前位置处的关节速度、(i)；步骤d2 计算第j关节的当前位置民“)和安全防护区域间的最短距离+(υ dj(i) = min|Rj(i)-pk|其中，Pk为安全防护区域的柱形区域的表面上的点；步骤d3:调整工业机器人的第j关节的当前速度Vj (i)，新的当前速度为V' j(i)v’d~f其中，T为在步骤C4得到的工人的下一位置与当前位置在时间轴上的时间间隔；步骤d4:调整工业机器人的第j关节的下一位置民(1+1)，新的下一位置为R' j(i+l) R' j(i+l) =
全文摘要
本发明公开了一种避免工业机器人碰撞工人的方法，该方法由监控计算机将视觉单元采集到的工作区域图像输入至工人运动特性识别单元中进行场景建模、区域分析和工人运状态势预测，之后，工人运动特性识别单元将据此生成的工人运动特性参数输入至安全防护区域计算单元中；安全防护区域计算单元根据工人运动特性参数检测工业机器人的当前运动特性，计算出工人的安全防护区域，并将其输入至工业机器人目标位置和速度调整单元中；工业机器人目标位置和速度调整单元根据安全防护区域计算出工业机器人的安全运动范围，判断工业机器人的每个关节的运动是否进入该安全防护区域，在线调整工业机器人的目标位置和速度，以避免工业机器人碰撞工人。
文档编号G05D1/02GK102323822SQ20111011816
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者乔红, 苏建华, 郑碎武 申请人:无锡引域智能机器人有限公司