面向人机协作安全保障的工业机器人路径规划研究与实现

摘要

工业机器人已在汽车、航天、医药等多制造领域广泛应用，给人们的生产和生活带来了极大的便利。随着工业机器人技术的不断发展，工业机器人不再是完全替代人，而是需要与人协同工作，共同完成复杂的任务。人机协作的一个关键因素是工业机器人安全性，即工业机器人在正常工作或故障情况下，都不会直接或间接伤害处在其工作空间之内的人。因此，对工业机器人的主动避碰和路径规划方法展开研究，可以有效提高工业机器人系统的安全性。 针对传统工业机器人的避障研究主要是研究物体的避碰，而未考虑人是障碍物的问题，本文深入研究人机协作环境下的工业机器人避障路径规划及其实现。本文的主要研究内容如下： （1）工业机器人运动学建模与碰撞检测研究。根据工业机器人运动学相关理论及其本体数学参数，建立工业机器人的运动学模型，推导出运动学正解，并求解工业机器人的工作空间。通过分析包围球、AABB、OBB和K-Dops等常见包围盒的性能，并结合实际的人机协作环境，提出基于圆柱体和包围球的碰撞模型作为人机碰撞检测模型，该模型简单高效，可以提高系统的实时性。 （2）人机协作安全策略与实时路径规划研究。提出改进的人工势场法作为工业机器人路径规划方法，在引力势函数中引入关节角度距离，使规划出的路径更加平滑。将工业机器人末端点与目标点之间的距离引入斥力势函数，解决传统人工势场法的目标不可达问题。对于局部极小点问题，采用建立虚拟目标点的方法解决。改进的人工势场法计算速度快，实时性好，更适用于动态的人机协作环境。针对人机协作中的安全问题，提出基于精确运动速度控制的安全策略。在划分工业机器人工作空间的基础上，利用人机距离实时调整工业机器人的运行速度，提高系统的安全性。 （3）工业机器人路径规划系统设计与实现。基于IRB1200工业机器人系统、Kinect V2传感器等实验设备，结合虚拟仿真技术，设计和开发工业机器人路径规划系统。利用双Kinect系统准确采集人体骨架信息，并建立虚拟仿真系统验证算法性能，调整算法相关参数。仿真和实验结果表明，本文提出的算法可以实现工业机器人整体的避障，且规划出的路径平滑，说明算法是有效可行的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景、目的和意义

1.3 相关领域国内外研究现状分析

1.3.1 人机协作安全策略研究现状

1.3.2 工业机器人路径规划算法研究现状

1.4 本文主要研究工作和组织结构

1.4.1 本文研究的主要内容

1.4.2 本文结构安排

第2章 工业机器人运动学建模与碰撞检测

2.1 工业机器人运动学模型

2.1.1 位置及位姿描述

2.1.2 连杆描述与D-H模型

2.1.3 运动学分析及仿真

2.2 人-工业机器人碰撞检测

2.2.1 基于双Kinect的人体结构信息采集

2.2.2 人-工业机器人包围盒的选取

2.2.3 基于圆柱体与包围球的碰撞检测

2.2.4 碰撞检测实验与数据分析

2.3 本章小结

第3章 人机协作安全策略与实时路径规划

3.1 人机协作安全策略

3.1.1 工业机器人主动避碰的人机协作模型

3.1.2 工业机器人避碰空间划分

3.1.3 基于精确运动速度控制的安全策略

3.2 基于改进的人工势场路径规划算法

3.2.1 算法分析

3.2.2 搜索空间

3.2.3 势场函数的改进

3.2.4 局部极小点

3.2.5 算法流程

3.3 实验仿真与数据分析

（1）无障碍物仿真实验

（2）有障碍物仿真实验

（3）不同路径规划算法性能

3.4 本章小结

第4章 工业机器人路径规划系统设计与实现

4.1 工业机器人路径规划系统总体设计

4.1.1 系统结构框架

4.1.2 系统开发及运行环境

4.2 系统功能模块设计与实现

4.2.1 数据采集模块

4.2.2 网络传输模块

4.2.3 算法模块

4.2.4 虚拟仿真模块

4.2.5 机器人控制模块

4.3 实例验证与性能分析

4.3.1 实验结果

4.3.2 数据分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文工作总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录 研究生期间发表论文