[发明专利]人机协作中基于博弈论的安全控制策略

说明书

基于博弈论的人机协作安全控制策略是为了解决在工业场景中人和机器人处于同一工作空间时确保操作者安全的问题。本发明所述的一种基于博弈论的安全控制策略是在完全且完美信息动态博弈的条件下，通过比较距离危险度大小决定机械臂博弈的先后次序，最后通过逆向归纳法获取每个机械臂的最优策略。本发明除了能保证操作者安全外还考虑了生产效率和多机协作的问题，提高机器人在协作过程中的灵活性。

技术领域

本发明属于人机协作安全防护技术领域，具体涉及一种当人和机器人处于同一工作空间时确保操作者安全的控制策略。

背景技术

在目前工厂生产车间内物理防护依然是预防人机干涉碰撞的主流方式。即根据现场实际情况，结合机器人运动轨迹，划定机器人工作区域并安装围栏使之与外界隔离。这种物理围栏本身安装需要占据一定空间且二次更改灵活性差，更不能满足人机同一空间下工作的条件。为克服物理围栏的弊端将被动防护变机器人主动规避，一套可靠、灵活的人机安全控制策略成为研究热点之一。

博弈论是现代数学的一个新分支也是运筹学的一个重要学科。博弈论考虑游戏中个体的预测行为和实际行为，并研究它们的优化策略，在经济学、金融学、政治学等领域有着广泛的应用。目前在机器人工程领域内对多智能体的任务协调、围捕巡检等方面的策略研究也提供了很大的帮助。本发明将博弈论的思想融合到人机协作安全策略中，为人机协作安全策略的研究提供了新思路。

发明内容

本发明能够实现同一工作空间下人机协作时确保操作者安全的目的，现提供一种基于博弈论的安全控制策略。

一种人机协作中的安全控制策略主要基于博弈论的思想进行设计，主要包括三个部分：人体运动信息的采集与预测、机械臂运动信息采集与轨迹规划、基于博弈论的决策方法选择最优策略。

基于博弈论的决策方法又包括将两个机械臂设为行为人R₁和R₂，两个行为人可选择的策略和收益函数都相同。其中策略集合包括：按照轨迹重规划的路径向前运动一步；沿正常路径减速向前运动一步；沿正常路径匀速向前运动一步。在完全且完美信息动态博弈的条件下两个机械臂根据距离危险度进行序贯博弈，距离危险度大的先进行博弈，通过收益函数可计算出每个行为人采取不同策略产生的收益，最后利用逆向归纳法得出最优解。

基于博弈论的决策方法中的距离危险度是由人机最小安全距离和当前人机最小距离的比值组成，其中人机最小安全距离是由机器人接收到停机指令后，在机器人停机时间段内人和机器人运动距离总和以及可调节的为防止其他干扰设置的常数构成。距离危险度值大于等于1说明当前人机最小距离小于最小安全距离人机发生碰撞的可能性很高所以机械臂停止运动；若值小于1则使用基于博弈论的决策方法进行下一步决策获得最优策略。

基于博弈论的决策方法中的收益函数主要指三个部分的收益：机械臂相对于人的收益，即预测的根据所选策略运动一步后机械臂与人之间距离和当前时刻人机之间距离的差值比上当前时刻人机之间的距离；机械臂相对于另一个机械臂的收益，即预测双机械臂根据所选策略运动一步后之间的距离和当前时刻双机械臂之间距离的差值比上当前时刻双机械臂之间的距离；机械臂相对于目标点的收益，即机械臂当前时刻与目标点之间距离和预测的机械臂根据所选策略运动一步后与目标点之间距离的差值比上当前时刻机械臂与目标点之间距离。

根据一种人机协作中基于博弈论的安全控制策略，该策略包括以下步骤：

步骤1：通过运动捕捉设备获取操作者和机械臂的运动信息，并通过卡尔曼滤波的方法预测操作者未来一段时间内的运动轨迹，根据获取到的运动信息实时计算人机之间最小距离；

步骤2：通过步骤1获取的操作者的运动轨迹判断在未来一段时间内操作者是否会处于机械臂的工作空间，否的话机械臂正常工作，是的话进行下一步；