合力视觉传感器位姿信息及力传感器六维力信息，机器人末端执行器便能准确抓取目标物 (本实施例中，超过5N的夹紧力即可抓取目标物）。上述过程中，当力传感器所测力超出安 全极限情况（本实施例中，沿大地坐标系X、y、z方向的安全极限力均为±30N)，任务立即 停止。
[0029] 作为最后一道屏障，当人处于机器人所能感知视觉以外范围时，为保证人的安全， 灵敏皮肤是必不可少的。比如在机器人旋转关节从侧面接近人并进行人机交互时，若人手 和机器人末端执行器接近于8_，灵敏皮肤便会感知到并执行算法，终止当前任务，避免人 和机器人末端执行器的碰撞。
[0030] 所述力传感器2和视觉传感器3之间的融合控制算法如图4所示，所述融合控制 算法主体上分为视觉和力觉两路控制信号，所述两路控制信号均为反馈控制。
[0031] 所述视觉控制信号流程为：
[0032] 1)机器人系统中定位解算器实时输出机器人末端执行器位姿信息
所述
其中W表示大地坐标系，乂、\、wz"表示处 于W坐标系中X、y、z轴的值，
表示处于W坐标系中与X、y、z轴夹角大 小；
[0033] 2)所述步骤1)中位姿信息
经坐标变换ETW转换为
所述ETW为大地坐标 到机器人末端执行器坐标的变换矩阵。所述
其 中E表示机器人末端执行器坐标系，EXni、Eyni、、"表示处于E坐标系中x、y、z轴的值，Εψ:?、 E?9m、E<pm表示处于Ε坐标系中与x、y、ζ轴夹角大小；
[0034] 3)所述步骤2)中机器人末端执行器实时位姿信息E^m和理想状态下位姿信息 Ε?ν进行"差"运算，得到Λ?的值。所述哩>由。1经坐标变换％得到，所述ET C为视觉 传感器坐标到机器人末端执行器坐标的变换矩阵。所述v为视觉传感器3输出的机器人 末端执行器理想状态下位姿信息，所述
其中C表 示视觉传感器坐标系/xv、Vv、ezv表示处于C坐标系中x、y、z轴的值， εψν、eSv、表示 处于C坐标系中与x、y、z轴夹角大小。所述
其中E 表示机器人末端执行器坐标系，EXv、Eyv、Ez v表示处于E坐标系中x、y、z轴的值，Εψν.、E# v、 表示处于Ε坐标系中与x、y、ζ轴夹角大小；
[0035] 4)所述步骤3)中的值经比例系数S相乘后输出给位姿控制器，位姿控制器 处理后再向外输出。所述比例系数S由视觉传感器3经特征提取辨别后输出给视觉控制流 程中，ΔΧ和S的乘积为下式（1)，其中Si~S 6= 1或0。
[0037] 所述力觉控制信号流程为：
[0038] 1)机器人系统中力传感器2实时输出六维力信息1 所述
其中E表示机器人末端执行器坐标系，EF SX、EFsy、 EFSZ表示传感器自身坐标系中x、y、z向力的大小，EMsx、 EMsy、EMsz表示传感器自身坐标系中绕 X、y、z向力矩大小；
[0039] 2)所述步骤1)六维力信息经坐标变换ETS转换为 F?m, 所述ETS为传感器坐标到机器人末端执行器坐标的变换矩阵。所述
其中E表示机器人末端执行器坐标系，￥"、 ly、^表示处于E坐标系中X、y、Z向力的大小，EMnx、EM ny、\2表示处于E坐标系中绕X、 y、z向力矩大小；
[0040] 3)所述步骤2)中传感器六维力信息嗜^和安全极限力信息E^d进行"差"运算， 得到Δ?的值，所述 E^d可根据具体情况调整设置；
[0041] 4)所述步骤3)中厶？的值经比例系数1-S相乘后输出给力控制器，力控制器处理 后再向外输出。所述比例系数l-s由视觉传感器3经特征提取辨别后输出给力觉控制流程 中，ΛΧ和1-S的乘积为下式（2)，其中Si-Sei 1或0。
[0043] 在所述视觉控制信号流程和所述力觉控制信号流程中，需要将视觉控制信号流程 中位姿控制器的输出和力觉控制信号流程中力控制器的输出做"和"运算，得到l a的值并 传送给机器人系统，机器人系统分别依托视觉和力觉系统进行反馈运算。
[0044] 本实施例中，S值取0还是1由视觉传感器3的辨别追踪情况决定。当人和手中 目标物未接触到机器人末端执行器时，S = 1 ;当人手中目标物开始接触机器人末端执行器 时，S = 0。其他更多工况时S的取值可灵活设定。
[0045] 图4所示控制算法中，机器人系统设置有语音提示器。它可以语音播报当前的状 态、操作情况及是否出现错误，非常适合人-机交互作业。语音提示器使人及时知晓机器人 当前正在做的事情并从容应对工作过程中出现的错误，有效提升人-机之间的安全系数， 尤其是盲人或正专注于操作的人员。同时语音提示器的提示词更改也较为方便，改进提升 空间较大。本实施例中机器人主要的工作状态及对应的提示音如图5所示。
[0046] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述安全防护系统由处于 人-机交互环境中的语音提示装置（1)、安装于机器人摆臂末端执行器上的融合型传感器、 覆盖在机器人摆臂末端执行器上的灵敏皮肤（4)以及信号传递线路组成；所述融合型传感 器由六维力传感器（2)和视觉传感器（3)组成；所述视觉传感器（3)用于对人脸、人手和目 标物进行发现和识别；所述六维力传感器（2)用于测量三维直角坐标系中三个力分量和三 个力矩分量，通过力信息帮助机器人调整交互操作时的接触力；所述灵敏皮肤（4)采用主 动红外接近传感器，并以环状的形式覆盖在末端执行器上；所述语音提示装置（1)用于语 音播报当前的状态、操作情况及是否出现错误。2. 根据权利要求1所述的一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述 六维力传感器（2)和视觉传感器（3)之间采用融合反馈控制算法，所述融合控制算法分为 视觉和力觉两路控制信号，为机器人系统提供力和视觉方面的综合性信息。3. 根据权利要求1所述的一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述 视觉传感器（3)采用传感摄像头。4. 根据权利要求1所述的一种机器人的人-机交互安全防护系统，其特征在于：所述 语音提示装置（1)还可以采用声光报警提示器。
【专利摘要】本发明涉及一种机器人的人-机交互安全防护系统，属于机器人及人机交互技术领域。该安全防护系统由语音提示装置、安装于机器人摆臂末端执行器上的融合型传感器、覆盖在机器人摆臂末端执行器上的灵敏皮肤及信号传递线路组成；所述融合型传感器由六维力传感器和视觉传感器组成；所述视觉传感器用于对人脸、人手和目标物进行发现和识别；所述六维力传感器用于测量三维直角坐标系中三个力分量和三个力矩分量，通过力信息帮助机器人调整交互操作时的接触力；所述灵敏皮肤采用主动红外接近传感器，并以环状的形式覆盖在末端执行器上。本发明以融合型传感器为基础建立安全防护系统，可以全面、彻底地保证人-机交互操作时人的安全性，同时又兼具语音提示功能，工程实用性强。
【IPC分类】B25J19/06
【公开号】CN105234963
【申请号】CN201510777489
【发明人】赵克转, 徐泽宇
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年11月13日