14、人机协作在工业机器人中的安全应用及技术解析

人机协作在工业机器人中的安全应用及技术解析

1. 引言

在当今工业领域，实现人类操作员与机器人协作完成共同目标的任务是一个具有挑战性的研究方向。目前，工业机器人通常被隔离在有围栏的工作空间内，以避免与人发生碰撞，但这种配置错失了开发更灵活工业任务的机会。实际上，人类和机器人各有优势，工业机器人擅长执行重复性任务，而人类则能完成需要智能或灵巧性的专业任务。因此，让人类和机器人在同一工作空间内协作，能显著提升工业任务的效率和质量。

要实现这一协作，需要开发一个人机交互系统，该系统主要由两部分组成：人类跟踪系统和机器人控制系统。人类跟踪系统负责在工业环境中精确实时定位人类操作员，它结合了惯性运动捕捉系统和超宽带定位系统，并通过卡尔曼滤波算法融合两者的数据。机器人控制系统则基于视觉伺服技术，能根据环境变化调整机器人的行为，以避免碰撞。

2. 人类跟踪系统

2.1 人类跟踪系统的组件

人类操作员在工业工作场所需要被精确定位，主要有两个原因：一是有助于开发安全行为，保障人类在与机器人交互时的身体安全；二是可以根据人类的位置调整机器人的运动，实现更灵活的人机交互任务。

人类定位系统所需的精度取决于交互任务的类型和人机之间的距离。在一些大型产品装配任务中，全局定位系统可能就足够了，但在大多数交互任务中，需要对人机的肢体和关节进行定位。

为了实现这一目标，采用了惯性运动捕捉套装（如Animazoo的GypsyGyro - 18）。该系统具有诸多优点，如不受磁干扰、不受光学遮挡影响精度且穿戴舒适。其核心是带有18个惯性测量单元（IMU）的莱卡套装，每个IMU包含3个微机电系统（MEMS）陀螺仪、3个加速度计和3个