人机协作中人体安全评估方法及系统技术方案

一种人机协作中人体安全评估方法及系统；该方法包括以下步骤：(1)获取人体在全局坐标系下的位姿；(2)获取机器人在全局坐标系下的位姿；(3)根据所获取的位姿信息，计算人体与机器人之间的距离以及机器人的运动速度；(4)根据所计算的人体与机器人之间的距离以及机器人的运动速度，判断人机协作中人体的安全等级；所述系统包括第一获取模块、第二获取模块、计算模块和评估模块。本发明专利技术在人机协作过程中，通过监控机器人与人体之间的距离和机器人的运行速度确定当前人体的安全状态，根据不同安全状态做出下一步工作计划，有效避免危险情况发生，使人机协作更安全更高效。

Human safety assessment method and system in human-computer cooperation

【技术实现步骤摘要】
人机协作中人体安全评估方法及系统
本专利技术涉及人机协作领域，具体而言涉及在协作型机器人与人协作过程中的人体安全评估方法及系统。
技术介绍
机器人行业的快速发展对人与机器人密切协作提出了新要求，逐渐催生出协作型机器人。传统工业机器人设计有围栏隔离，在机器人工作时不允许工作人员进入，或者在工作人员进入时，机器人必须停止工作，这种方法不仅浪费工作空间，而且降低了整体的工作效率。而协作型机器人，可以实现与人协同工作，不再需要防护栏进行隔离，将人的“知识、分析、决策”能力与机器人的“力量、精度、可重复性”结合在一起。协作型机器人与人共同处于同一工作空间，协作等级不断加强，二者紧密协调，不仅节省了工作空间，而且大大提高了工作效率，并且在确保人员安全的前提下，机器人能够自主提高技能，实现与人自然交互协作。根据阿西莫夫机器人三定律，不管何种机器人，在任何情况和环境下都不应伤害人类及机器人自身，所以安全性是机器人在人类生产生活领域应用的首要问题和强制性约束，但机器人本身并没有安全意识，人与机器人协同工作时如果发生碰撞，处于弱势地位的操作人员安全隐患相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种人机协作中人体安全评估方法，其特征是，包括以下步骤：/n(1)获取人体在全局坐标系下的位姿；/n(2)获取机器人在全局坐标系下的位姿；/n(3)根据所获取的位姿信息，计算人体与机器人之间的距离以及机器人的运动速度；/n(4)根据所计算的人体与机器人之间的距离以及机器人的运动速度，判断人机协作中人体的安全等级。/n

【技术特征摘要】
1.一种人机协作中人体安全评估方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)获取人体在全局坐标系下的位姿；
(2)获取机器人在全局坐标系下的位姿；
(3)根据所获取的位姿信息，计算人体与机器人之间的距离以及机器人的运动速度；
(4)根据所计算的人体与机器人之间的距离以及机器人的运动速度，判断人机协作中人体的安全等级。


2.根据权利要求1所述的人机协作中人体安全评估方法，其特征是：所述步骤(1)获取人体在全局坐标系下的位姿的具体过程是：
选取人体行走时静止一侧脚踝为人体的基坐标系原点，人行走时，基坐标系原点在左右脚之间切换，首先通过脚踝位置推算出盆骨的位置，再根据盆骨位置推算全身各躯干的位姿；上半身放置5块惯性测量单元，分别置于上身躯干、左右大臂和左右小臂，用于获取上半身的位姿信息；下半身放置6块惯性测量单元，分别置于左右大腿、左右小腿和左右脚背，用于获取下半身的位姿信息；
使用坐标系符号说明：
G：全局坐标系；
B：人体基坐标系；
S：惯性测量单元坐标系；
获取人体基坐标系与全局坐标系之间的姿态关系，所建立的人体基坐标系与全局坐标系姿态一致，人体基坐标系在全局坐标系中的姿态表示为获取惯性测量单元坐标系与全局坐标系之间的姿态关系，惯性测量单元坐标系在全局坐标系中的姿态表示为获取人体基坐标系与惯性测量单元坐标系的姿态通过坐标系之间的变换：



得



在开始运动之前，受试者保持校准姿势，这个校准过程是在所有的惯性测量单元上进行的，其中每个惯性测量单元都与一个具有预定义的坐标系的身体部分相关联，将其用于实时运动捕捉中；
获取人体的姿态：人体肢体长度是确定已知的，对惯性测量单元进行标定之后放置在上身躯干上，以人体直立静止时为初始状态；人在行走时，总会保持一只脚触地，取该侧脚踝为人体基坐标系原点，人体静止时，令每个惯性测量单元坐标系与其参照坐标系之间的旋转矩阵为单位矩阵，人体运动时，通过惯性测量单元返回的四元数(ε1ε2ε3ε4)，实时得到身体每一躯干的姿态以及位置信息；
左脚触地时，基坐标系(左脚踝坐标系)作为左小腿的参照坐标系，已知人体静止时，在人体基坐标系中左膝盖的坐标为通过四元数表示的旋转矩阵Rε1为:



则人体姿态发生变换后的左膝盖坐标为:
P′L1＝Rε1PL1；
以左膝盖为坐标系原点建立坐标系，坐标系姿态与人体基坐标系一致，并以此坐标系作为左大腿惯性测量单元运动的参照坐标系。人体静止时，令左大腿惯性测量单元坐标系与左膝盖坐标系之间的旋转矩阵为单位矩阵，在左膝盖坐标系中，左髋关节的坐标为通过左大腿惯性测量单元传回的四元数表示的旋转矩阵Rε2，实时得到左大腿的姿态以及位置信息；
则人体姿态发生变换后的左髋关节坐标为：
P′L2＝Rε2PL2，
同时得左髋关节相对于人体基坐标系的坐标：
P″L2＝P′L1+P′L2，
以左髋关节为坐标系原点建立坐标系，坐标系姿态与人体基坐标系一致，假设人在移动过程中，盆骨的姿态不发生变化，则盆骨在左髋关节坐标系中的位置固定，同时得盆骨在人体基坐标系中的位置；
以盆骨中心作为坐标系的原点建立坐标系，坐标系姿态与人体基坐标系一致，右髋关节在盆骨坐标系中的位置固定不变，同时得到右髋关节在人体基坐标系中的位置；
以右髋关节为坐标系原点建立坐标系，坐标系姿态与人体基坐标系一致，以右髋关节坐标系作为右大腿惯性测量单元的参照坐标系，人体静止时，令右大腿惯性测量单元坐标系与右髋关节坐标系之间的旋转矩阵为单位矩阵，在右髋关节坐标系中，通过右大腿惯性测量单元传回的四元数表示的旋转矩阵，实时得到右大腿的姿态以及位置信息，根据坐标变换，获得人体基坐标系下的右膝盖位置坐标；
以右膝盖为坐标系原点建立坐标系，坐标系姿态与人体基坐标系一致，以右膝盖坐标系作为右小腿惯性测量单元的参照坐标系，人体静止时，令右小腿惯性测量单元坐标系与右膝盖坐标系之间的旋转矩阵为单位矩阵，在右膝盖坐标系中，通过右小腿惯性测量单元传回的四元数表示的旋转矩阵，实时得到右小腿的姿态以及位置信息，根据坐标变换，获得人体基坐标系下的右脚踝位置坐标；
右脚触地时，以右脚脚踝为原点，建立人体基坐标系，腿关节坐标系建立方法同上；
同时，以盆骨坐标系作为上身躯干的参照坐标系，人体静止时，令上...

【专利技术属性】
技术研发人员：周乐来，李雪，李贻斌，田新诚，徐小龙，杨苗，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37