一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法技术

本发明专利技术公开了一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法，通过对重载工业机器人、装配工件、工作环境三者分别建立模型，进而建立虚拟安全空间环境，不仅考虑到工作任务中重载工业机器人、装配工件等动态变换的部分与工作环境之间的干涉，同时也加入了重载工业机器人与装配工件等动态变换部分自身之间的干涉；针对大负载工件的安全空间规划问题提出了安全空间包络面的概念，并在此基础上依次建立冗余安全空间包络面、安全空间缓冲带，通过对安全空间缓冲带的灵活运用来对机器人的运动进行调节。该方法对于在安全空间下进行自动化编程及人机协作任务具有通用性，可根据实际的任务来对虚拟安全空间环境进行规划。任务来对虚拟安全空间环境进行规划。任务来对虚拟安全空间环境进行规划。

【技术实现步骤摘要】
一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法


[0001]本专利技术属于机器人人机协作装配领域，具体涉及一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法。

技术介绍

[0002]机器人本身具有灵巧高效、柔性高、通用性强、成本低及易集成等特点。随着工业机器人硬件的不断优化升级，其绝对定位精度、负载能力以及结构刚度得到了很大的提升，可以满足大重型工件的精密装配。相较于小型工件，工业机器人在大重型工件自动化编程及人机协作装配应用中的安全风险极高。一方面，大负载工件体积大，重量大，运动惯性大的特点会给自动化编程带来一定困扰，编程人员难以估计工件在运动轨迹中的姿态以及发生干涉的危险程度。另一方面，人机协作的操作方式往往通过柔顺控制实现一定的柔性，同时也增加了发生干涉、碰撞的风险。特别的大负载工件，例如飞机装配件通常为单件小批量，装配要求较高、装配步骤繁琐、装配环境复杂。在重载工业机器人辅助装配任务中，不仅需要自动化编程完成工件的放置移动等，还需要人机直接接触进行协作处理完成辅助装配，整个装配任务中存在的安全风险较大。仅依靠机器人自身安全保护装置，发生保护时产生的力已经足以造成一定的破坏，同时装配人员在拖拽机器人移动的过程中也难以观察到大重型工件整体及工作环境的所有细节。因此如何对于重载工业机器人的安全空间进行有效地规划及对干涉判断条件合理设置，使其应用于自动化编程和人机协作装配等多种任务是需要解决的一个重要问题。
[0003]文献CN110802588A公开了一种确定机器人安全线路的方法和装置，通过传感器测量数据确定机器人的作业场景实体空间，并确定该实体空间与机器人允许活动范围的重合空间，在该活动空间下进行安全判断，从而使得机器人的运动轨迹处于安全活动空间内。文献CN104626208A公开了一种航天器机械臂辅助装配安全空间建立及干涉预警方法，通过在控制系统的虚拟环境中导入与实物外形尺寸一致的机械臂，待装配产品及工作环境中其他物体的三维模型，通过模型干涉检查判断机械臂及其附带物体是否达到安全空间边界，并对安全边界做出了冗余处理以消除系统延时的影响。然而上述方法对安全的原则为机械臂在安全空间内完成任务且不与周围物体发生干涉，仅考虑了实体场景与机器人自身允许活动的范围，对于安全空间规划时的考虑不够全面并未考虑到机器人夹持的工件与机械臂自身发生碰撞的风险，对于干涉判断条件的考虑不够全面。且对于发生干涉后的处理并未做出详细规划。
[0004]文献CN105415372A公开了一种安全空间约束下的多关节机器人轨迹规划方法，通过测量或建模等方法确定机器人的安全工作空间后使用示教器设定机器人的安全工作范围，并根据机器人作业任务进行运动轨迹的示教工作，最后在运动的过程中进行干涉判断。一定程度上保证了运动过程中的安全性，且提高了人工示教的效率。然而该专利通过示教器设定安全空间的方法难以满足复杂工作环境下的安全空间要求，灵活性及通用性较差，而且对于操作人员的可视性较差，同时仅考虑了通过示教完成运动轨迹规划，难以满足当
前自动化、柔性化要求较高的复杂任务。
[0005]综上，现有重载工业机器辅助装配安全空间的规划中，仍然较少地考虑到机器人夹持大重型工件在人工拖拽运动过程中的安全问题，且难以灵活地对安全空间进行规划以满足不同任务的需要。因此，如何对重载工业机器人的安全工作空间进行有效规划，并如何进一步利用安全空间满足当前装配任务中日益提高的自动化、柔性化的需求是一个重要的研究问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法，采用的技术方案如下：
[0007]一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S1、建立虚拟安全空间环境及其基坐标系；
[0009]步骤S2、将工作环境中包含的所有实体模型导入到S1建立的虚拟安全空间环境中；
[0010]步骤S3、实际测量或标定工作环境中包含的所有实体间的相对位置和姿态，并根据测量或标定值在S1建立的虚拟安全空间环境中进行实体模型位姿修正；
[0011]步骤S4、在S1建立的虚拟安全空间环境中规划总的安全工作区域；
[0012]步骤S5、分别对S2中导入的实体模型中的静止模型建立静止模型包络体，所述静止模型包括装配体模型和工作环境中相关的静止实体模型；
[0013]步骤S6、根据S5中的静止模型包络体构建安全空间的静态部分，对S5中所有静止模型包络体的并集取其相对于总的安全工作区域的补集，并将生成的补集与总的安全工作区域的交集作为安全空间的静态部分；
[0014]步骤S7、分别对步S2中的导入的实体模型中的运动模型进行型面分割，获得多个截面数据，所述运动模型包括机器人模型和装配工件模型；
[0015]步骤S8、根据S7中运动模型的截面数据，利用自适应采样点方法对各截面分别进行离散化，生成对应的离散点模型；
[0016]步骤S9、实时检测运动模型对应实体的位姿数据；
[0017]步骤S10、根据S9中获取的运动模型的实时位姿数据，在S1的虚拟安全空间环境中生成相应姿态下的离散点模型，对离散点模型建立相应的包络体，构建安全空间的动态部分，安全空间的动态部分是对所有离散点模型的包络体取并集后形成的空间集合；
[0018]步骤S11、根据S6中安全空间的静态部分及S10中安全空间的动态部分在S1的虚拟安全空间环境中生成总的安全空间，将安全空间的动态部分相对于总的安全工作区域的补集与安全空间的静态部分的交集作为总的安全空间；
[0019]步骤S12、根据总的安全空间生成安全空间包络面，并以此生成冗余安全空间包络面；安全空间包络面是总的安全空间表面的点所形成的集合，冗余安全空间包络面为总的安全空间的子集空间的表面点所形成的集合；
[0020]步骤S13、根据S12中生成的安全空间包络面及冗余安全空间包络面，建立安全空间缓冲带；安全空间缓冲带为安全空间包络面和冗余安全空间包络面之间的空间集合，且具有设定的最小宽度；
[0021]步骤S14、实时获取机器人机械臂上多维力传感器的数据，当其超过设定的门限阈值时，安全停止机器人运动；
[0022]步骤S15、设置干涉判断条件，在虚拟安全空间环境中实时监测是否发生干涉；
[0023]步骤S16、当发生干涉时，根据不同的干涉情况控制机器人机械臂的运动。
[0024]进一步地，步骤S8中所述自适应采样点方法具体为：
[0025]在利用等步长采样法选择点之后，先选择当前采样点P
i
，再选择接下来的两个采样点P
i+1
,P
i+2
，计算三个点之间的距离，利用余弦公式得出线段P
i
P
i+1
和线段P
i
P
i+2
之间的夹角α，将夹角α与设定的角度判断值α'进行比较：若α＞α'，则表明当前位置的曲率变化较大，采样点P...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重载工业机器人辅助装配安全空间的规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、建立虚拟安全空间环境及其基坐标系；步骤S2、将工作环境中包含的所有实体模型导入到S1建立的虚拟安全空间环境中；步骤S3、实际测量或标定工作环境中包含的所有实体间的相对位置和姿态，并根据测量或标定值在S1建立的虚拟安全空间环境中进行实体模型位姿修正；步骤S4、在S1建立的虚拟安全空间环境中规划总的安全工作区域；步骤S5、分别对S2中导入的实体模型中的静止模型建立静止模型包络体，所述静止模型包括装配体模型和工作环境中相关的静止实体模型；步骤S6、根据S5中的静止模型包络体构建安全空间的静态部分，对S5中所有静止模型包络体的并集取其相对于总的安全工作区域的补集，并将生成的补集与总的安全工作区域的交集作为安全空间的静态部分；步骤S7、分别对步S2中的导入的实体模型中的运动模型进行型面分割，获得多个截面数据，所述运动模型包括机器人模型和装配工件模型；步骤S8、根据S7中运动模型的截面数据，利用自适应采样点方法对各截面分别进行离散化，生成对应的离散点模型；步骤S9、实时检测运动模型对应实体的位姿数据；步骤S10、根据S9中获取的运动模型的实时位姿数据，在S1的虚拟安全空间环境中生成相应姿态下的离散点模型，对离散点模型建立相应的包络体，构建安全空间的动态部分，安全空间的动态部分是对所有离散点模型的包络体取并集后形成的空间集合；步骤S11、根据S6中安全空间的静态部分及S10中安全空间的动态部分在S1的虚拟安全空间环境中生成总的安全空间，将安全空间的动态部分相对于总的安全工作区域的补集与安全空间的静态部分的交集作为总的安全空间；步骤S12、根据总的安全空间生成安全空间包络面，并以此生成冗余安全空间包络面；安全空间包络面是总的安全空间表面的点所形成的集合，冗余安全空间包络面为总的安全空间的子集空间的表面点所形成的集合；步骤S13、根据S12中生成的安全空间包络面及冗余安全空间包络面，建立安全空间缓冲带；安全空间缓冲带为安全空间包络面和冗余安全空间包络面之间的空间集合，且具有设定的最小宽度；步骤S14、实时获取机器人机械臂上多维力传感器的数据，当其超过设定的门限阈值时，安全停止机器人运动；步骤S15、设置干涉判断条件，在虚拟安全空间环境中实时监测是否发生干涉；步骤S16、当发生干涉时，根据不同的干涉情况控制机器人机械臂的运动。2.如权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：田威，刘明轩，段晋军，李鹏程，王品章，沈烨，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：