[发明专利]一种动态环境下双臂服务机器人作业的事前安全预测方法

说明书

本发明属于服务机器人的安全预测领域，并公开了一种动态环境下双臂服务机器人作业的事前安全预测方法。该方法包括：(a)获取待预测对象的骨骼模型和点云图，以此获得待预测对象的空间位置信息；(b)构建双臂机器人的运动学模型和三维结构模型，以此获取双臂机器人的空间位置信息；将待预测对象和双臂机器人的位置信息统一到同一个世界坐标系中；(c)对于待预测对象选择球形包围盒或胶囊形包围盒构建其包围盒模型，对于双臂机器人选择胶囊形包围盒代表每个部分其包围盒模型；(d)计算待预测对象和双臂机器人包围盒模型之间的距离，根据距离值判断预测对象是否安全。通过本发明，提高计算效率低、缩短计算时间长，提高计算精度。

技术领域

本发明属于服务机器人的安全预测领域，更具体地，涉及一种动态环境下双臂服务机器人作业的事前安全预测方法。

背景技术

服务机器人作为人工智能、物联网等高新技术的载体，或将成为下一个互联网终端。所以服务机器人在未来的应用场景会非常的广泛，并且目前社会的人口老龄化问题逐渐严重，老年人群体对于护理、陪伴、康复医疗等方面有着巨大的需求，然而与之相反的是人力成本保持着较高的增长趋势，进一步扩大对服务机器人的需求，但是，服务机器人还不能真正的进入人类的生活之中，其中主要的原因之一就是服务机器人的安全性问题。

目前对于服务机器人安全性问题的解决方案大致可分为两种类型：一种为事后安全控制，即在人与机器人发生碰撞后采取控制策略来消除碰撞会对人体造成的伤害；另一种为事前安全控制，即在人与机器人发生碰撞之前主动采取相应的安全措施来避免或者降低人机碰撞的危害。

针对服务机器人的事后安全控制方案，UR机器人与ABB机器人通过采集机器人各关节的电流来估算关节实时力矩，以此判断机器人是否发生碰撞。该方法由于在碰撞前没有任何安全措施，所以对于机器人的运行速度有着较大的限制，同时为了降低冲撞力，对机器人的质量以及刚度也有很大的限制，另外由于是通过电流推算出电机的输出力矩，由于需要通过减速机构连接负载端，会因为减速机构的摩擦导致理论的关节力矩与实际的关节力矩有较大的误差，从而导致判断机器人是否发生碰撞时会出现误判的情况。博世机器人采取的方案是给机器人的所有关节都穿上一层保护衣，这些外衣实质就是触觉传感器，能够检测到任何外界非正常的碰撞力，并实施的将检测信息反馈给控制系统，从而实现机器人的安全策略。但是这种方法的数据处理量非常大，对于计算机的硬件要求较高，而且传感器成本很高，经济性并不好。

针对服务机器人的事前安全控制方案，ABB公司利用激光传感器为固定工作空间的机器人建立虚拟栅栏，以此检测是否有人员进入机器人工作空间。该方法对人与机器人的工作空间有着极大的限制，有学者研究使用红外传感器与超声传感器分别进行人体的粗定位与精定位。该方法依然存在限制人与机器人工作空间的问题，并且红外传感器与超声波传感器易受环境影响，且测量精度不高。有学者使用体感相机对人机的骨架进行定位，将人机简化为球体模型进行距离检测，该方法可以使得距离检测计算精度大大提高，但是由于球体模型较多，计算效率较低，不能满足系统对于实时性的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种动态环境下双臂服务机器人作业的事前安全预测方法，通过获取待预测对象与双臂机器人的空间位置信息后，然后根据这些信息建立待预测对象与双臂机器人的包围盒模型，最后通过计算包围盒模型之间的距离获得待预测对象与双臂机器人之间的距离，以此判断待预测对象是否处于安全距离之内，该过程中采用包围盒模型代替待预测对象和双臂机器人，一方面大大地简化了二者的三维结构，另一方面也极大地简化了求解二者之间的距离时的计算，且计算过程中也不需要限制机器人的工作空间、质量、刚度、工作速度等情况，由此解决事前预测安全中的计算效率低、计算时间长，以及计算精度差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种动态环境下双臂服务机器人作业的事前安全预测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：