[发明专利]机器人安全工作的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年8月31日提交的美国临时专利申请第61/695,443号的优先权和权益并将其全文援引纳入本文。

技术领域

本发明涉及机器人工作中的安全性，尤其是在机器人和人共享同一工作空间的情况下。

发明背景

在传统的工业机器人工作中的安全通常利用外设传感器系统来实现，外设传感器系统由危险状况触发并且在被触发时命令机器人停工或以显著减慢的速度工作。通常，这些传感器被布置成探测进入机器人工作区的人。例如该传感器系统可以由地面上的压敏垫、由行经的人所阻断的连续光束或者检测人运动的扫描激光测距仪(包含适当的感知处理功能)构成或者包括它们。这样的系统的缺点是在机器人附近的人必然造成机器人工作减慢或甚至完全停止。结果就是显著的效率降低，而限定出在机器人周围的宽广危险区以避免对人的安全威胁的需求使这个问题变得更严重。这个限制条件也阻止人们紧邻机器人例如与机器人协作工作。

这种“全有或全无”的做法的一个替代方式是计算并预测旁边人体各部分和机器人各部分的轨迹、预计可能有的碰撞、评估特定人体部分与特定机器人部分之间的碰撞可能造成的潜在伤害、以及基于该认识作出更精确的安全判定，例如减缓机器人至与计算出的危险相当的速度，而不是关停机器人。但鉴于计算的复杂性和固有不确定性，这种做法的实施实际是有挑战性的：因为准确探测人体部分在哪里并预测它们朝向哪里是困难的，而更困难的是对人体不同部分和具有不同机械形状和硬度的机器人部分之间的碰撞的人伤害承受度建模。而模型精度的任何让步或不确定性都将破坏系统安全性或者抵消相比于这种“全有或全无”的做法所获得的收效。

因而，人们期望提供用于机器人安全性的系统和方法，它们在避免不必要的机器人工作的中断和迟滞的同时能直接简单地实施。

发明内容

总体上，本发明提供了实现机器人安全性的做法，其依靠直接简单实施的且明确的计算判断并且只要机器人与人协作和/或在人附近全速工作是安全的情况下就允许机器人这样做。确切地说，在各不同的实施方式中，机器人安全操作是在没有过度限制工作速度的情况下通过采用至少两个不同的安全限制来实现的：设定更严格的速度下限以免在人体躯干或头部与机器人之间发生碰撞的情况下受伤(和疼痛)，并且设定更宽松的速度上限以保证在人臂部或手(通常不那么敏感)与机器人之间发生碰撞的情况下不会造成伤害。

当机器人安全系统探测到人体躯干和/或头部进入机器人周围的危险区中时触发该速度下限；该区域例如可以被限定为与机器人附器的作用范围即机器人工作空间有同等范围。只要人体躯干和头部在危险区外，则机器人可以在较高速度下工作。这允许当该机器人以高于速度下限的速度工作时，人从危险区外进入机器人工作空间，如为机器人放置新物品或材料或者收走完工的物品或材料。另一方面，没有超出速度上限—它继续全速；因此，在与该上限相容的状况下，进入机器人工作空间在本质上是安全的。这种实现与安全相关的机器人控制的离散(而非连续可变)做法使避免受伤的需要与计算易处理性和确定性相平衡。

可以通过几种方式获得在一方面是人体躯干和头部、另一方面是他的臂部和手部之间的区分。在一些实施方式中，探测人的传感器系统能够明确区分臂部和人体其余部分，例如基于照相机图像的分析。在其它实施方式中，相对于躯干和头部，臂部被隐含地地区分出，例如通过固有地不注意臂部的传感器系统配置。例如在一个实施方式中，探测区(即传感器所监视的空间区域)被适配为，例如通过适当布置这些传感器，仅与该危险区的一部分重合，从而人体躯干或头部进入危险区被正常探测，而人手即便处于危险区内也能落在探测区外，因此躲过探测。如果传感器探测到比如只在某个高度(例如普通人的胸或肩的大致高度)之上的运动，则如果人手在该高度阈值以下进入危险区是不会被探测到的。