基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统及方法，所述系统包括：投影仪，向下投射数字光栅，发出的投影光栅能够覆盖整个生产工作区域；多个视觉探头，每个视觉探头能获取整个生产工作区域的有光栅图像和无光栅图像；防撞控制器，与所述投影仪和所有的所述视觉探头相连，控制所述投影仪工作，读取所有所述视觉探头的图像数据，对数据进行处理得出生产工作区域中机器人与目标的空间位置关系，当机器人与目标的距离小于安全距离时进行报警。本发明专利技术可以有效避免机器人对操作者可能产生的危害，而且对生产过程的影响很小，适应性强，可以用于各种不同形式的机器人生产环境。

Industrial robot collision warning system and method based on digital grating projection

The invention discloses an industrial robot collision prevention and early warning system and method based on digital grating projection. The system comprises a projector, projecting a digital grating downward, and the projection grating emitted can cover the entire production work area; a plurality of visual probes, each of which can obtain a grating in the entire production work area. Image and raster-Free image; anti-collision controller, which is connected with the projector and all the vision probes, controls the projector to work, reads the image data of all the vision probes, and processes the data to obtain the spatial position relationship between the robot and the target in the production area, when the distance between the robot and the target. Alarm is made when the distance is less than the safe distance. The invention can effectively avoid the harm that the robot may cause to the operator, and has little influence on the production process and strong adaptability, and can be used in various forms of robot production environment.

【技术实现步骤摘要】
基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统及方法
本专利技术涉及一种工业机器人防撞预警系统，具体地，是一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统及方法。
技术介绍
在工业生产现场，当人和机器人协作工作时，对人类的实时安全防护至关重要。此时，需要进行实时碰撞检测，并通过控制机器人运行方式避免碰撞。目前在人机协作生产环境中对人的安全监控和保护方法有一下几种：一种是设置安全区域的方法：在机器人容易发生撞击的区域和位置，在机器人的控制程序中增加一个区域限制，一旦机器人的机械手在运行过程中进入设置的这个区域，机器人就会立即停止工作，防止撞击人。但该方案存在位置区域设置无法完全准确的缺点，无法从根本上解决碰撞人的问题。另一种安装力传感器的方法：就是在机器人末端减速器和机械手之间加装合适的防碰撞力传感器，这样在机器人与外界的人或者物发生碰撞的时候，首先会触动这个力传感器，通过传感器输出的电信号控制机器人立刻停止。由于这个力本身就是碰撞力，表明碰撞已经发生，于事无补。还有一种安装测距传感器的方法：主要通过在机器人末端上安装测距传感器(例如超声波传感器、激光测距传感器等)，探测机械臂末端与目标之间的距离，当此距离小于一个安全距离时报警，控制机器人立刻停止。由于测距传感器都是有确定方向的传感器，智能探测某个方向的目标距离，无法避免横向的目标靠近与碰撞。此外有一种视觉探测的方法，通过在机器人工作区域安装视觉探头来检测人与机器人的各自位置，实现防撞检测。但是，利用单目视觉在机械人工作空间进行防撞判，存在明显的精度差、已遮挡、可靠性低的问题。利用双目立体视觉进行防撞判断，也存在匹配不可靠、速度慢、图像处理时间较长等局限性，控制策略较单一，不利于人机协作。
技术实现思路
本专利技术针对目前在工业机器人的人机协作生产现场缺少可靠的防撞系统的现状，提出一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统和方法，通过投影仪在机器人的生产工作区域形成数字投影光栅，利用视觉探头获取整个工作区域的光栅图像，通过数据处理得出操作者、机器人、操作对象等所有相关目标与背景的空间位置关系，当机械臂与人的距离小于安全距离时进行报警，从而实现防撞预警功能。根据本专利技术的第一方面，提供一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，包括：投影仪，设置在机器人的生产工作区域的中心正上方位置，其光轴为竖直方位，向下投射数字光栅，并且发出的投影光栅能够覆盖整个机器人的生产工作区域；多个视觉探头，分别设置于所述投影仪的两侧或者四周并保持一定距离，所述视觉探头与所述投影仪的高度相同，所述视觉探头的光轴与所述投影仪的光轴呈一定夹角，每个视觉探头能获取整个机器人的生产工作区域的有光栅图像和无光栅图像；防撞控制器，与所述投影仪和所有的所述视觉探头相连，控制所述投影仪工作，读取所有所述视觉探头的图像数据，对数据进行处理得出机器人生产区域中机器人与目标的空间位置关系，当机器人与目标的距离小于安全距离时进行报警，从而实现防撞预警功能。优选地，所述投影仪包括：激光器，用于产生红外激光，进而在机器人的生产工作区域产生红外投影光栅；聚焦镜，汇聚所述激光器的所有光线，产生最高亮度的投影光栅；图案板，用于将所述聚焦镜出射的光线在机器人的生产工作区域产生需要的投影光栅；所述图案板由平面光学玻璃制作，图案板的图案为规则的等间隔条纹或者网格，图案的最小间隔应该保证在机器人的生产工作区域内的光栅间距不超过最小目标尺寸的1/5；放大镜，对所述图案板出来的投影光栅进行放大，获得更大的投影范围，覆盖整个机器人的生产工作。优选地，所述视觉探头包含有相机、镜头、滤光片和视觉探头外壳，其中：所述的相机为工业级相机，通过标准工业通讯接口将所获取的图像中数据传送到防撞控制器之中；所述的滤光片为窄带滤光片，其中心波长与激光器的波长一致。更优选地，所述滤光片为窄带滤光片，其中心波长与所述激光器的波长一致。优选地，所述视觉探头与所述投影仪的距离为机器人的生产工作区域长度的1/4。优选地，所述视觉探头获取整个机器人的生产工作区域的有光栅图像和无光栅图像，并分别传送至防撞控制器；防撞控制器将每个视觉探头的有光栅图像与无光栅图像进行差分处理，滤除环境光的干扰，得出数字光栅图，并对该数字光栅图进行处理，分别计算出机械人、操作者、操作目标在生产工作区域的三维空间坐标；防撞控制器计算机器人与操作者之间的空间最短距离，并与预先设定的极限安全距离进行对比，如果机器人与操作者之间的空间最短距离小于预先设定的极限安全距离，则由防撞控制器向机器人控制器发出预警信号，进行报警。根据本专利技术的第二方面，提供一种基于数字光栅投影的机器人防撞预警方法，所述方法包括：打开投影仪，向机器人的生产工作空间区域投射一幅光栅，覆盖整个机器人的生产工作区域范围，各个视觉探头同步获取整个机器人生产工作空间区域的有光栅图像，并分别传送至防撞控制器；关闭投影仪，各个视觉探头再次同步获取整个机器人的生产工作区域的无光栅图像，并分别传送至防撞控制器；打开与关闭投影仪的次序可以相反；防撞控制器将每个视觉探头的有光栅图像与无光栅图像进行差分处理，滤除环境光的干扰，得出数字光栅图；防撞控制器对上述数字光栅图进行处理，分别计算出机械人、操作者、操作目标在机器人的生产工作区域的三维空间坐标；防撞控制器计算机器人与操作者之间的空间最短距离，并与预先设定的极限安全距离进行对比，如果机器人与操作者之间的空间最短距离小于预先设定的极限安全距离，则由防撞控制器向机器人控制器发出预警信号，进行报警。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术提供的基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统及方法，通过投影仪在机器人的生产工作区域形成数字投影光栅，利用视觉探头获取整个工作区域的光栅图像，通过数据处理得出操作者、机器人、操作对象等所有相关目标与背景的空间位置关系，当机械臂与人的距离小于安全距离时进行报警，从而实现防撞预警功能。本专利技术系统与方法可以有效避免机器人对操作者可能产生的危害，而且对生产过程的影响很小，适应性强，可以用于各种不同形式的机器人生产环境。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本专利技术一较优实施例中机器人防撞预警系统结构示意图；图2是本专利技术一较优实施例中投影仪内部结构示意图；图3是本专利技术一较优实施例中图案板两种图案示意图；图4是本专利技术一较优实施例中视觉探头组成示意图；图5是本专利技术一较优实施例中视觉探头与投影仪布局示意图；图中，1-投影仪，2-视觉探头，3-防撞控制器，4-机器人，5-操作者，6-激光器，7-聚焦镜，8-图案板，9-放大镜，10-投影仪外壳，11-相机，12-镜头，13-滤光片，14-视觉探头外壳。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统的优选实施例示意图，包括：投影仪1、视觉探头2、防撞控制器3，其中：所述投影仪1，设置于机器人4生产区本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：包括：投影仪，设置在机器人的生产工作区域的中心上方某个位置，其光轴为竖直方位，向下投射数字光栅，并且发出的投影光栅能够覆盖整个生产工作区域；多个视觉探头，分别设置于所述投影仪的两侧或者四周并保持一距离，所述视觉探头与所述投影仪的高度相同，所述视觉探头的光轴与所述投影仪的光轴呈一夹角，每个视觉探头能获取整个生产工作区域的有光栅图像和无光栅图像；防撞控制器，与所述投影仪和所有的所述视觉探头相连，控制所述投影仪工作，读取所有所述视觉探头的图像数据，对数据进行处理得出机器人生产工作区域中机器人与目标的空间位置关系，当机器人与目标的距离小于安全距离时进行报警，从而实现防撞预警功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：包括：投影仪，设置在机器人的生产工作区域的中心上方某个位置，其光轴为竖直方位，向下投射数字光栅，并且发出的投影光栅能够覆盖整个生产工作区域；多个视觉探头，分别设置于所述投影仪的两侧或者四周并保持一距离，所述视觉探头与所述投影仪的高度相同，所述视觉探头的光轴与所述投影仪的光轴呈一夹角，每个视觉探头能获取整个生产工作区域的有光栅图像和无光栅图像；防撞控制器，与所述投影仪和所有的所述视觉探头相连，控制所述投影仪工作，读取所有所述视觉探头的图像数据，对数据进行处理得出机器人生产工作区域中机器人与目标的空间位置关系，当机器人与目标的距离小于安全距离时进行报警，从而实现防撞预警功能。2.根据权利要求1所述的基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：所述投影仪包括：激光器，用于产生红外激光，进而在机器人的生产工作区域产生红外投影光栅；聚焦镜，汇聚所述激光器的所有光线，以产生最高亮度的投影光栅；图案板，用于将所述聚焦镜出射的光线在机器人的生产工作区域产生需要的投影光栅；所述图案板由平面光学玻璃制作，图案板的图案为规则的等间隔条纹或者网格，图案的最小间隔应该保证在机器人的生产工作区域内的光栅间距不超过最小目标尺寸的1/5；放大镜，对所述图案板出来的投影光栅进行放大，获得更大的投影范围，覆盖整个机器人的生产工作区域。3.根据权利要求2所述的基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：所述视觉探头包含有相机、镜头、滤光片，其中：所述的相机为工业级相机，通过标准工业通讯接口将所获取的图像中数据传送到防撞控制器之中；所述的滤光片为窄带滤光片，其中心波长与激光器的波长一致。4.根据权利要求3所述的基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：所述滤光片为窄带滤光片，其中心波长与所述激光器的波长一致。5.根据权利要求1-4任一项所述的基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：所述视觉探头与所述投影仪的距离为机器人的生产工作区域长度的1/4。6.根据权利要求1-4任一项所述的基于数字光栅投影的工业机器人防撞预警系统，其特征在于：所述视觉探头获取整个机器人生产工作空间区域的有...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶卫，赵辉，吕娜，刘沅秩，何旺贵，李智，陈潇，刘凯媚，邹良旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31