【摘 要】
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经过半个多世纪的发展与应用,工业机器人在多个领域的生产过程中逐渐替代人力,各项技术逐渐成熟,显著提高了生产效率和产品质量水平。然而,传统的工业机器人只能在无人环境中工作,需要栅栏将机器人与操作人员隔离开,机器人无法摆脱安全围栏对工作范围的限制,影响了机器人与工人一起完成各项任务的能力。随着制造业的转型升级,如今更需要人机共同完成工作,对机器人的灵活性和安全性要求越来越高。因此,本文面向人机协作安全
【基金项目】
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沈阳市科技计划项目,项目名称:七自由度人机协作机械臂工作单元的研制（项目编号:No.17-81-0-00）；
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经过半个多世纪的发展与应用,工业机器人在多个领域的生产过程中逐渐替代人力,各项技术逐渐成熟,显著提高了生产效率和产品质量水平。然而,传统的工业机器人只能在无人环境中工作,需要栅栏将机器人与操作人员隔离开,机器人无法摆脱安全围栏对工作范围的限制,影响了机器人与工人一起完成各项任务的能力。随着制造业的转型升级,如今更需要人机共同完成工作,对机器人的灵活性和安全性要求越来越高。因此,本文面向人机协作安全性的需求,设计搭建了人机协作机器人的安全控制系统,从事前和事后安全两方面进行安全性研究,在控制系统搭建、运动学分析、人体检测、运动规划和安全实验等方面主要开展以下工作:（1）设计了机器人控制系统的硬件架构,给出了机器人PC+运动控制卡的控制方案,对软件系统进行功能模块划分,基于ROS设计了机器人的上位机软件系统以及与下位机运动控制卡的通信;利用D-H参数法进行机械臂的运动学分析,建立机械臂的运动学方程和速度雅克比矩阵;分析机器人的任务和安全需求,给出了机器人控制系统总体的混合式控制方法。（2）分别从硬件与软件两部分介绍了机器人视觉系统的组成;利用Kinect采集人体的骨架数据并提取指定关节点位置数据;利用ROS的标定功能包标定相机的内参,利用最小二乘法标定的原理,设计并完成了相机的手眼标定实验,得到了变换矩阵;在机器人坐标系下以人为中心建立了风险场,描述了在空间中一点的风险指数。（3）对比了快速拓展随机树法（RRT）及其改进算法,ROS下设定规划场景实现笛卡尔空间的运动规划;编写各功能模块节点并建立节点之间的通信关系,通过编写脚本实现机械臂的运动规划,并将规划结果发送到下位机实现对机器人的运动控制。（4）搭建了人机协作机器人实验平台,针对事前安全控制设计进行了基于Kinect的安全级监控停止实验;针对事后安全控制设计了基于气囊的安全碰撞实验,验证了人机协作的安全性。
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