基于TOF和安全皮肤的机械臂全域安全系统

时间： 2024-10-29 来源：D-Robotics官网

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（一）产品介绍

与传统工业机器人相比，协作机器人面临着更为复杂的运行环境。它们需要在高度非结构化和动态变化的环境中操作，涉及大量的机器间协作以及人机交互。这种新型应用场景对机器人的安全防护提出了前所未有的挑战。

目前，传统的机器人安全防护技术主要依赖于碰撞避免策略，通过各种传感器划定安全区域。常见的解决方案包括基于安全光幕的安全控制、使用激光雷达进行作业区域监控，以及固定区域的侵入体报警系统。这些方法价格昂贵，功能单一，无法柔性调整。难以满足协作机器人的高度安全需求。

因此，我们团队设计了一种基于TOF与安全皮肤的机器人全域感知安全系统。这套系统由TOF相机和安全皮肤组成，相比传统方案具备由远及近的全域感知能力，通过一系列识别的算法和规则，可以针对不同的事件实现更加精细的应对。

（二）系统架构

我们使用了两块RDKX3，分别用于视觉感知和决策、控制的实现。触觉感知模块通过接近觉触觉传感器感知环境，搭配STM32对触觉信号进行片上解析，并通过MicroROS与决策模块通信。视觉感知模块通过TOF相机感知环境，搭配部署在RDK X3上的YOLO网络对视觉信号进行实时处理，并通过TROS与决策模块通信。控制模块使用Moveit2控制机械臂。

（三）硬件系统

我们为操作人员设计了一款安全手环，它的原理是一个小型信号发生器。我们的接近觉传感器会检测到这些信号。从而通过幅值推断距离，通过频率区分人员。

信号采集系统整体硬件主要由两大部分构成：信号发生电路部分和信号采集电路构成。

信号发生电路部分是为了产生频率可调的正弦波信号，单片机通过按键电路设置正弦波频率，控制DDS芯片AD9850产生正弦波信号，经过一级放大滤波电路进行初级放大后输入至增益可调的二级放大电路中进一步将正弦信号放大至幅值为20V左右的正弦信号输出。

信号采集电路是将感应线圈产生的模拟感应电压信号进行AD采集并转换为UART信号输出。信号采集电路AD采集有三路完全一致的采集通道，感应线圈产生的感应电压通过电压跟随器隔离后输入至单片机ADC采集引脚并将采集到的电压信号通过UART口输出至上位机。电压跟跟随器电路具有高输入阻抗，低输出阻抗的特点，可以起到隔绝前后端电路的作用，保护后级单片机电路，且提高采样精度。

（四）特色功能

功能一：提前防范（视觉，20cm-10m）

无人环境下，机械臂正常高速运行。有人闯入时，机械臂减速运行。

功能二：自主绕行（接近觉，0-20cm）

当人进一步阻碍机械臂运行时，机械臂会尝试绕行。

功能三：主动躲避（接近觉，0-20cm）

当人更进一步靠近机械臂时，机械臂会自主的远离

功能三：主动躲避（触觉，-5-0mm）

当人按压机械臂时，机械臂会主动远离。

功能四：人员安全级别设定

我们的触觉感知模块，可以区分人员。通过对不同人员设定不同的安全级别。可以实现人员的分类管理。

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