人机安全防护系统及安全防护方法技术方案

本发明专利技术提供一种人机安全防护系统及安全防护方法，采用的普通的摄像头，将摄像头置于机器人顶端，通过过滤掉机器人本体的像素点，利用前景提取的方法判断是否有物体进入用户规定的检测范围，如果出现移动的物体即使机器人减速或者停止，保证机器人和操作者的安全。本发明专利技术采用普通RGB摄像头，成本低廉；无需标定摄像头并且可以根据用户需求规定检测范围，维护方便，配置灵活，效率较高。

【技术实现步骤摘要】
人机安全防护系统及安全防护方法
本专利技术涉及人机安全防护
，特别是涉及一种人机安全防护系统及安全防护方法。
技术介绍
传统工业机器人生产作业是通常在其周围设置隔离栅栏或者通过外设传感器来实现机器人与人的隔离。传统的传感器例如压敏传感器或者扫描激光测距仪成本较高并且维护麻烦，在现场环境变化时需要重新安装调试，效率较低；而较为先进的触觉和力觉传感器价格也相当昂贵，此类接触式的传感器是以人和机器人之间产生力的接触为前提的，若机器人运行速度过快或者执行末端较为锋利时，机器人仍具有一定地的危险性。视觉传感器比力学传感器和其他传统的传感器提供了更加丰富的信息，目前，视觉传感器的普及使廉价以视觉传感器为基础的人机安全系统成为可能。通过对现有的文件检索发现，在机器人与人安全交互方面主要有如下几种方法：中国专利申请号为2013800564474，名称为“机器人安全工作的系统和方法”采用将声呐与视觉相机结合的方法。该方法将声呐和视觉相机声呐装在机器人上，声呐用于检测是否有人，相机用于识别人体躯干、头部与手臂。由于安装位置的限制，机器人感知周围环境时视角会受到限制，如若人从传感器安装位置的反方向靠近机器人，机器人就可能检测不到而导致危险发生。中国专利申请号为2013101032541，名称为“人机协作装置及实现人机协作的方法”通过Kinect相机实现人机安全。该专利技术采用深度图进行计算，当人与机器人在深度图中有重叠时，可能难以识别人体骨骼信息，甚至出现误判；同时，Kinect传感器成本较高而且每次安装后需要进行标定，不方便修改维护。中国专利申请号为2015107774898，名称为“一种机器人的人-机交互安全防护系统”，采用结合语音提示装置，视觉传感器、灵敏皮肤及信号传递线路等组成安全防护系统。该系统将视觉传感器安装于机器人末端，限制了视觉传感器的功能，同时多传感融合导致成本比较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种人机安全防护系统及安全防护方法，采用的普通的摄像头，将摄像头置于机器人顶端，通过过滤掉机器人本体的像素点，利用前景提取的方法判断是否有物体进入用户规定的检测范围，如果出现移动的物体即使机器人减速或者停止，保证机器人和操作者的安全。本专利技术解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种人机安全防护系统，包括机器人、摄像头和计算机，所述摄像头安装在机器人上方，且所述机器人和摄像头均与计算机连接，工作区域内的机器人的数量可以为一个或多个，每个机器人具有至少一个可移动的执行部件；摄像头的安装位置位于机器人工作区域的上方，高度能够使摄像头拍摄到工作区域内的所有机器人。所述摄像头用于拍摄机器人周围环境的检测范围内的图像，并将拍摄的图像发送至计算机；其中，检测范围指摄像头所能拍摄到的机器人周围的所有区域。所述计算机用于通过鼠标在图像上限定安全区域，并根据摄像头拍摄的图像判断是否有人或物进入该安全区域，以控制机器人的运动状态。其中，安全区域是指用户根据机器人的有效工作空间以及安全距离，通过鼠标规定的用于判断是否存在移动障碍物的区域。一种人机安全防护方法，包括上述的人机安全防护系统，还包括以下步骤：S1：搭建系统，将摄像头固定于机器人上方，并将机器人和摄像头与计算机连接，启动计算机上的人机安全防护系统软件，打开摄像头；其中，人机安全防护系统软件主要由GUI界面和内部算法组成。GUI界面主要包括视频显示窗口和用户操作按钮，内部算法即区域选择算法和前景提取算法。功能主要是通过摄像头读回图像，经过算法处理判定，给机器人发送是否有障碍物的信号。S2：摄像头拍摄的画面显示在计算机上，用户通过鼠标在计算机上确定安全区域，并选择安全区域的保护类型；S3：安全区域以及保护类型选取成功之后，启动前景提取算法，对安全区域图像进行前景提取，所述前景提取即从摄像头采集的序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来，然后，对前景区域进行去除孔洞优化处理并统计前景区域像素值，像素值若大于设定阈值即判断该区域存在移动物体，并实时通过以太网Ethenet给机器人发送减速或停止命令；S4：计算机实时接收摄像头拍摄的图像，对每一帧图像进行检测，且计算机一直进行循环检测，若安全区域内出现人或者其他障碍物则计算机通过网口给机器人发送减速或者停止命令，当人或者障碍物消失后，机器人则恢复正常运行状态。步骤2中安全区域选择具体包括以下步骤：S2.1：打开计算机上的人机安全防护系统软件，通过鼠标在区域选择界面上移动确定安全区域的范围，并通过OpenCV库中的鼠标事件回调函数记录用户在区域选择界面上鼠标移动的坐标，生成安全区域轮廓参数；S2.2：利用安全区域轮廓参数生成安全区域的“蒙版”；建立“蒙版”的原理是，首先生成一张与原始图像(摄像头所拍摄的图像)大小相同的RGB值全为0的蒙版图像，利用轮廓参数在蒙版图像上画出RGB值全为255的填充区域，即生成“蒙版”。S2.3：将“蒙版”与摄像头所拍摄的图像进行“与”操作过滤掉非安全区域像素点；“与”操作即对两幅图像每个像素点进行按位与操作，原始图像中对应蒙版图像RGB值为255的区域的像素值保留，而对应蒙版图像中RGB值为0的区域像素值均变为0，这个步骤使图像安全区域的像素值保留，而非安全区域像素值均变为0。“与”操作的目的就是过滤掉非安全区域的像素点，即在后续的前景提取的算法中，非安全区域的像素点会均被作为背景像素处理，当非安全区出现移动物体时也不会判定为障碍物而使机器人减速。在步骤S2中安全区域的范围类型包括矩形、圆形或任意形状，安全区域的保护类型包括减速和/或停止。在步骤S2的安全区域选择时，若用户选取的安全区域不符合要求(如区域不闭合)系统会提示错误并重新选取。检测移动的障碍物需要对图像进行前景提取，可以采用对比背景差分法、混合高斯法，均值法和Vibe算法等背景建模方法，综合考虑算法的实时性和鲁棒性，本专利技术选择Vibe算法来对图像进行前景提取，在步骤3中前景提取的具体步骤如下：S3.1采用Vibe算法获得二值图，具体步骤如下：S3.1.1：每个像素存储一个含有20个样本值的背景样本集，样本集中采样值就是该像素邻居点的像素值；S3.1.2：将下一帧该像素值的新像素值和样本集进行比较来判断是否是前景点；S3.1.3：每一个背景点有一定概率去更新自己的模型样本值和邻近点的模型样本值，以此规律对背景样本集进行更新再进行下一帧的比较和判断；S3.2：通过Vibe算法处理后的图像为二值图，在此基础上，采用区域生长法进行孔洞填充和小区域去除，步骤如下：S3.2.1：选取图像中的一点种子点；S3.2.2：在种子点处进行邻域扩展，如果考虑的像素和种子点的灰度值差的绝对值下于某个阈值，则将该像素包括进种子像素所在区域；S3.2.3：当不再有像素满足加入区域时，区域停止生长；通过以上算法可以高效实时地检测安全区域内的移动障碍物，满足系统要求。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种人机安全防护系统及安全防护方法，采用普通RGB摄像头，成本低廉；无需标定摄像头并且可以根据用户需求规定检测范围，维护方便，配置灵活，效率较高，可以直接作为示教盒或者其他第三方平台的扩展，实现人机安全交互。附图说明下面结合附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人机安全防护系统，其特征在于：包括机器人、摄像头和计算机，所述摄像头安装在机器人上方，且所述机器人和摄像头均与计算机连接，所述摄像头用于拍摄检测范围内的图像，并将拍摄的图像发送至计算机；所述计算机用于通过鼠标在图像上限定安全区域，并根据摄像头拍摄的图像判断是否有人或物进入该安全区域，以控制机器人的运动状态。

【技术特征摘要】
1.一种人机安全防护系统，其特征在于：包括机器人、摄像头和计算机，所述摄像头安装在机器人上方，且所述机器人和摄像头均与计算机连接，所述摄像头用于拍摄检测范围内的图像，并将拍摄的图像发送至计算机；所述计算机用于通过鼠标在图像上限定安全区域，并根据摄像头拍摄的图像判断是否有人或物进入该安全区域，以控制机器人的运动状态。2.一种人机安全防护方法，其特征在于：包括权利要求1所述的人机安全防护系统，还包括以下步骤：S1：搭建系统，将摄像头固定于机器人上方，并将机器人和摄像头与计算机连接，启动计算机上的人机安全防护系统软件，打开摄像头；S2：摄像头拍摄的画面显示在计算机上，用户通过鼠标在计算机上确定安全区域，并选择安全区域的保护类型；S3：安全区域以及保护类型选取成功之后，启动前景提取算法，对安全区域图像进行前景提取，所述前景提取即从摄像头采集的序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来，然后，对前景区域进行去除孔洞优化处理并统计前景区域像素值，像素值若大于设定阈值即判断该区域存在移动物体，并实时通过Ethenet给机器人发送减速或停止命令；S4：计算机对图像进行循环检测，若安全区域内出现人或者其他障碍物则计算机通过网口给机器人发送减速或者停止命令，当人或者障碍物消失后，机器人则恢复正常运行状态。3.如权利要求2所述的人机安全防护方法，其特征在于：步骤2中安全区域选择具体包括以下步骤：S2.1：打开计算机上的人机安全防护系统软件，通过鼠标在区域选择界面上移动确定安...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明洋，彭季超，吴建华，
申请(专利权)人：上海节卡机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31