面向人机协作安全保障的工业机器人路径规划研究与实现

发布时间：2020-06-25 07:34

【摘要】：工业机器人已在汽车、航天、医药等多制造领域广泛应用,给人们的生产和生活带来了极大的便利。随着工业机器人技术的不断发展,工业机器人不再是完全替代人,而是需要与人协同工作,共同完成复杂的任务。人机协作的一个关键因素是工业机器人安全性,即工业机器人在正常工作或故障情况下,都不会直接或间接伤害处在其工作空间之内的人。因此,对工业机器人的主动避碰和路径规划方法展开研究,可以有效提高工业机器人系统的安全性。针对传统工业机器人的避障研究主要是研究物体的避碰,而未考虑人是障碍物的问题,本文深入研究人机协作环境下的工业机器人避障路径规划及其实现。本文的主要研究内容如下:(1)工业机器人运动学建模与碰撞检测研究。根据工业机器人运动学相关理论及其本体数学参数,建立工业机器人的运动学模型,推导出运动学正解,并求解工业机器人的工作空间。通过分析包围球、AABB、OBB和K-Dops等常见包围盒的性能,并结合实际的人机协作环境,提出基于圆柱体和包围球的碰撞模型作为人机碰撞检测模型,该模型简单高效,可以提高系统的实时性。(2)人机协作安全策略与实时路径规划研究。提出改进的人工势场法作为工业机器人路径规划方法,在引力势函数中引入关节角度距离,使规划出的路径更加平滑。将工业机器人末端点与目标点之间的距离引入斥力势函数,解决传统人工势场法的目标不可达问题。对于局部极小点问题,采用建立虚拟目标点的方法解决。改进的人工势场法计算速度快,实时性好,更适用于动态的人机协作环境。针对人机协作中的安全问题,提出基于精确运动速度控制的安全策略。在划分工业机器人工作空间的基础上,利用人机距离实时调整工业机器人的运行速度,提高系统的安全性。(3)工业机器人路径规划系统设计与实现。基于IRB 1200工业机器人系统、Kinect V2传感器等实验设备,结合虚拟仿真技术,设计和开发工业机器人路径规划系统。利用双Kinect系统准确采集人体骨架信息,并建立虚拟仿真系统验证算法性能,调整算法相关参数。仿真和实验结果表明,本文提出的算法可以实现工业机器人整体的避障,且规划出的路径平滑,说明算法是有效可行的。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242.2
【图文】：

人机协作,方式,机器人,协作型

速度与距离监控功率和力的限制图 1-1 ISO 10218 的四种人机协作方式身结构的限制，传统的工业机器人可以通过制定相关，解决安全保障问题。协作型机器人通过改进机械结机器人的灵活性和智能性。例如，KUKA 的 LBR 关节都配备了扭矩传感器，力反馈和力控制十分方便的物理接触；ABB 的 Yu Mi[5]机器人的臂身被软垫包嵌入式安全系统，能够和人“并肩作战”。尽管协作小进步，但由于技术和成本的限制，大多数协作型机负载能力，降低运行速度以及增加额外传感器的方式了效率差、精度低等问题。目前，协作型机器人仍处的使用还有很长一段路要走，而全球各地已经部署了器人，在未来的很长一段时间内，传统工业机器人在位。因此，本文对传统工业机器人的避碰路径规划展

工业机器人,应用实例

这种皮肤不仅可以测量接触点的位置，还可以测量作用力的三个分量并估计出冲击力矢量。实验结果表明，轻型机器人在有意或无意的人机接触情况下，能够采取适当的避碰行为，控制机器人与人的相互作用，保证人员安全尽管协作型机器人具有更好的机械结构和传感设备，但由于其生产成本高技术不够成熟，目前并未得到大范围的推广。在实际工业制造、军事以及航空等领域更多的是采用传统的工业机器人，如图 1-3 所示。（a）汽车生产线上的工业机器人（b）排爆机器人

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