CN101351753A - 用于控制至少一台机器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制至少一台机器的装置和方法，该机器例如为工业机器人，其具有用于该机器的驱动单元、安全外设部件和控制单元，并具有安全控制单元。此外，相对于各机器的控制单元、机器驱动单元以及安全外设装置，该安全控制单元具有更高的访问级。由此，实现了以最简单的配置将安全控制回路整合到运行控制回路中。

Description

用于控制至少一台机器的装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制至少一台机器的装置，该机器例如为工业机器人，其分别具有通过第一连接装置与驱动技术单元相连接的机器控制单元，和通过第一安全连接装置与安全控制单元相连接的安全外设部件。此外，本发明还涉及一种用于控制至少一台通过驱动技术单元控制的机器的方法，该机器例如为工业机器人，其分别具有机器人控制单元、安全控制单元和安全外设部件。

背景技术

具有安全保护技术的装置可以将在技术设备运行时产生的危险降至最低限度。例如欧洲标准EN 954-1给出了此种最低限度的标准，由此具有安全保护技术的部件以运行安全性逐渐增加的方式划分为从1到4的安全等级。本发明特别涉及至少满足3级安全等级并且至少确保单错安全性(Einfehlersicherheit)的安全部件或安全性能。此种安全部件的一个例子是在两个部件之间建立安全连接的安全总线。术语“安全”可以理解为与驱动功能有关的方法，所述方法在发生错误的情况下可以满足根据EN 954-1标准划分的属于危险分析的等级要求。术语“安全”的定义可用于所有属于自动化方案的部件，并且可适用于“技术”、“控制”、“连接”和“输入/输出”。

为了在技术设备运行期间确保安全过程，需要进行运行控制安全技术监控，并且在必要时需要在运行过程中进行安全技术干预。此外，通常使用与运行控制回路分离的安全控制回路，其中两个控制回路均和与安全有关的设置相连接。例如，可以在安全控制回路中整合紧急关闭开关，在所述紧急关闭开关的操作中，通常可以通过开启功率输出保护来强制执行技术设备运行的安全性停止。

如果技术设备包含多台彼此独立运行的机器，例如机器人，当一台机器发生安全技术问题时并不希望整个设备都执行安全性停止。另一方面，如果多台机器协同运行，一个机器的停止运行会给其它机器例如相邻的机器带来安全危险。

公知的是，运行控制回路和安全控制回路可以解决这个问题，它们在整个设备中具有更高的级别，并且在安全技术事件发生后通过逻辑连接或运算来划分安全功能单元有安全危险的机器，并使他们转换为安全运行模式，与此同时无危险的机器保持正常运行。这种处于整个设备的较高级别的系统要根据各设备的安全需求进行准确调整，其具有相对复杂但是固定的、与单个部件相匹配的电路逻辑。如果设备有细微的变化，例如单台机器的设置改变了，现有的安全系统可能就不再满足要求。基于这个原因，特别是协同运行的工业机器人，期望的是具有灵活并且便于配置的安全系统，因为在此单个机器人的功能可以在短时间内要变为停止或额外的机器人可能要投入使用。

在多个机器人相互协同共同起作用时，通常不会给出整体系统的功能安全性，因为，例如一台机器人的功能错误可能成为其他相关联的机器人的错误来源。特别是因为此种机器人系统具有多个自由度，例如单个机器人的数量、功能和位置，这些都没有设置在单个机器人的安全要求中，并且不可预见。

根据现有技术，在由实践获知的安全控制单元中，将机器人划分为机器人控制单元，安全外设部件和驱动技术单元。在机器人控制单元和驱动技术单元之间存在连接，通过所述连接能够交换驱动数据。安全外设部件和驱动技术单元之间必须具有以安全技术的方式构造的给定的连接装置。安全外设部件通过安全输入和输出与同它分离布置的外部安全控制单元连接。由于在安全外设部件和驱动技术单元之间存在固定的给定的安全连接，因此能确定与安全相关的特性，但不能进一步进行改变或与单独配置相适应。安全控制单元只能绕过安全外设部件作用于驱动技术单元。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于安全控制一台或多台相关联的机器的装置和方法，该机器尤其是指工业机器人，其避免了上述缺点尤其能够以灵活、简单可配置的方式适应变化的安全要求。

根据本发明，为了通过上述类型的装置来实现该目的，安全外设部件通过安全控制单元与驱动技术单元相连接。为了实现这个目的，提出了此种方法，其中通过安全外设部件获取与安全相关的事件；将由安全外设部件获取的事件作为信号传输给安全控制单元；安全控制单元对该信号进行评估，并根据评估的结果将与安全相关的控制信号直接传输给驱动技术单元。

相应地，在根据本发明的一个优选方案中，安全控制单元绕过安全外设部件直接将与安全相关的控制信号传输给驱动技术单元，其中优选通过安全输入和输出接口进行。

通过本发明，之前在(内部)安全外设部件和驱动技术单元之间的固定连接通过附加的安全控制单元转变成可自由限定的连接，从而在安全外设部件和驱动技术单元之间交换的与安全相关的信息和数据可以通过安全控制单元运行，并能够通过安全控制单元进行评估和产生作用。

连接装置，尤其是安全连接装置，通常由总线系统实现，其原则上也可以由其他方式构成，尤其是非安全连接装置，其可以通过其他布线或无线的方式构成。

除了每个单独构造的机器控制单元，安全控制单元能访问(Zugriff)各机器驱动单元和各机器的安全外设部件，并且由此访问在安全外设部件中实现的安全功能单元。因此，根据本发明实现了单台机器的内在安全性(Eigensicherheit)与高级系统安全性之间的功能分离。标准的安全功能单元可以包括安全停止、安全制动、降速安全移动、和/或具有或没有确认开关(Zustimmschalter)外部控制的绝对位置的安全装载(Einnehmen)。此外，一些前面提到的或其他的安全功能单元也可以在安全控制单元中逻辑确定，并可直接通过访问实行各机器的驱动。根据本发明，这样既可以提高单台机器的内在安全性又可以提高系统安全性。

相对于各台机器的控制，安全控制单元拥有较高级别的对各安全部件和驱动单元的访问权限。只有这样才能实现整体系统的安全运行。此外，安全控制单元可以根据安全功能单元的需求支配一个、多个或全部与安全控制单元相连的机器。根据本发明，引入此种安全等级致使安全功能单元整合在各危险根源的附近，由此可以实现系统改变时最易于匹配的安全控制单元。

安全控制单元通过安全连接实现对各安全外设部件和驱动单元的控制。此外，安全控制单元的接口能固定地与安全外设部件和单台机器的驱动单元连线(verdraht)，为了保证布线安全，必须以至少多通道的方式进行构造。此接口还必须与安全控制单元安全连接，这例如可以通过安全现场总线(Feldbus)来实现。

只要安全控制单元和各安全外设部件或驱动单元之间的连接通过安全总线系统实现，就可以以简单的方式实现安全标准和接线消耗最小化。通过安全总线对安全外设部件或驱动单元的控制必须通过安全接口实现。

按照根据本发明装置的优选方案，安全外设部件通过安全控制单元与机器人控制单元连接。

在优选的改进方案的设置中，安全外设部件只通过安全控制单元而与驱动技术单元和机器人控制单元连接。可以进一步设置成，驱动技术单元和安全控制单元之间的连接通过第二安全连接装置实现，其中尤其以固定的和冗余的布线来实现第一安全连接装置和第二安全连接装置的连接，和/或第一安全连接装置和第二安全连接装置通过安全接口连接。

优选地，机器人控制单元通过扩展的(weiter)通信通道与安全控制单元连接。在所述扩展的通信通道上可以交换用于配置或错误分析所需要的数据。如果涉及与安全相关的数据，第二通信通道也应实现为安全连接，例如安全区域总线。安全控制单元可以在机器人控制的控制箱中的空间里整合，或者可选地作为独立部件布置在控制箱外。

根据本发明，上述的安全总线连接是可扩展的，从而提供用于具有安全控制部件的与安全相关的其他部件的接口，例如紧急关闭开关、确认开关、光栅等。本发明的优点在于：例如仅具有一台机器的任意技术设备可以配备有任意安全措施，并且设备安全逻辑的匹配可以与机器控制单元和由所述机器控制单元控制的安全外设以分离的方式实现。因此根据本发明，与安全相关的操作设备可以与单台机器实际的安全外设脱离。

此外可以设置成，安全控制单元通过扩展的安全连接装置与高级单元安全控制单元(Zellensicherheitssteuerung)连接。在优选的改进设置中，安全控制单元是可自由编程的，其中安全控制单元尤其可根据机器的布置、功能和数量而具有用于控制各安全功能单元的可配置的非实体形式的(nichtphysische)功能单元。

此种可存储编程的控制(SPS)拥有以下优点，通过设置在其中的应用程序尽可能简单并且高性价比地实现已存在的安全系统与新的安全部件和新的安全需求的匹配。此处，根据本发明也可以通过新的程序模块实现用于每台机器的在已有安全外设部件中未曾设置的新的安全功能单元，由此提高运行安全性。但是出于安全考虑，这些设置应该在使用者无法访问的与应用程序分离的运行程序中建立。

根据本发明的方法的进一步改进，尤其是在使用多台机器例如机器人期间可以进行如下设置，高级单元安全控制单元将额外的与安全相关的信号发送至多台机器的安全控制单元，其中与其他控制单元，特别是与高级单元安全控制单元相比，优先对所述安全控制单元的与安全相关的信号通过机器的所述机器控制单元，安全外设部件和/或驱动技术单元进行处理，以导入安全状态。

附图说明

以下参照附图根据优选实施例详细描述本发明，其中：

图1是根据本发明装置的第一种变形的方框图，该装置具有在机器人的安全控制单元和安全外设部件之间，驱动单元和可选的机器人控制单元之间的安全布线；

图2是根据本发明装置的第二种变形的方框图，该装置借助安全总线使安全控制单元和安全外设部件之间，驱动单元和可选的机器人控制单元之间形成连接；

图3是多个根据本发明装置的方框图，所述装置具有高级单元安全控制单元。

具体实施方式

图1示出了根据本发明装置的第一种变形的方框图，该装置具有在机器人的安全控制单元S1和安全外设部件A2之间、驱动单元A3和可选的机器人控制单元A1之间的安全布线。根据本发明，优选地，可自由配置的安全控制单元S1整合在机器人的控制箱E0中，或者可独立地连接到该控制箱E0上。安全控制单元S1通过被固定布线的第一安全连接装置V3与安全外设部件A2连接。另外，安全控制单元S1通过被固定布线的第二安全连接装置V5与驱动技术单元A3连接。在安全外设部件A2和驱动技术单元A3之间没有直接的安全连接；优选地，甚至完全可以取消此连接。作为补充，安全控制单元S1通过安全连接装置V4或者通过非安全连接装置V2与机器人控制单元A1相连接。为了控制机器人，在机器人控制单元A1和驱动技术单元A3之间还需要连接装置V1。此连接装置V1也可以非安全技术实现。示出的安全外设部件A2通过安全连接装置V3与安全控制单元S1之间的直接连接可以由机器人控制单元A1和安全外设部件A2之间额外的安全连接装置来替代。此外，安全控制单元S1与机器人控制单元A1需通过安全连接装置V4连接。由此，通过机器人控制单元A1实现了在安全控制单元S1和安全外设部件A2之间的间接连接，并且可以取消安全连接装置V5。

图2示出了根据本发明装置的第二种变形的方框图，其借助安全总线形式的连接装置V2、V3、V5在安全控制单元S1和安全外设部件A2之间、驱动技术单元A3和可选的机器人控制单元A1之间具有连接。安全控制单元S1通过安全连接装置V6与安全输入输出接口S2连接。安全输入输出接口S2将安全外设部件A2和驱动技术单元A3连接到安全控制单元S1上。安全外设部件A2通过第一安全连接装置V3连接到安全输入输出接口S2上。驱动技术单元A3通过第二安全连接装置V5连接到安全输入输出接口S2上。在此种变形中，安全外设部件A2和驱动技术单元A3之间没有直接的安全连接，优选可以完全取消这种连接。作为补充，安全控制单元S1可以再次通过安全连接装置V4或通过非安全连接装置V2与机器人控制单元A1连接。为了控制机器人，在机器人控制单元A1和驱动技术单元A3之间还需要连接装置V1。此连接装置V1也可以以非安全技术实现。示出的安全外设部件A2通过安全输入输出接口S2借助安全连接装置V3和V6与安全控制单元S1之间的连接可以由机器人控制单元A1与安全外设部件A2之间的额外的安全连接装置替代。此外，安全控制单元S1与机器人控制单元A1之间需要通过安全连接装置V4连接。由此，在安全控制单元S1与安全外设部件A2之间通过机器人控制单元A1形成间接连接，并且可以取消安全连接装置V3和V6。

图3示出了多个根据本发明的装置，所述装置具有高级单元安全控制单元。在示出的例子中，三个机器人连接到共用的单元安全控制单元S6上。以图1中本发明第一种变形的例子构造了图3中的机器人控制单元E01至E03。以类似的方法也可以根据图2中第二种变形的例子构造机器人控制单元E01至E03。显然，也可以根据图1中第一种变形的机器人控制单元以及图2中第二种变形的机器人控制单元进行任意组合。每个机器人控制单元E01至E03通过各自的安全连接装置V7与高级单元安全控制单元S6通信。

不仅在作为实施例示出的变形中，在所有的根据本发明的变形中，用来建立高级系统安全的根据本发明的安全控制单元S1具有安全部件，所述安全部件在优选实施例中是可自由配置的，从而能够使系统的各种安全需求实现简单和高性价比的匹配。例如，其可以具有诸如可自由编程模块的非实体形式的功能单元。

通过借助连接装置V3实现的、根据本发明设置的与机器人安全外设部件A2连接的安全通信通道，使得安全控制单元S1能对每个安全功能单元进行访问。此外，通过由连接装置建立的、与机器人的驱动单元A3连接的安全通信通道，使得还可以确定安全控制单元S1的在安全外设部件A2中的其他安全功能单元。这些可以以可编程的程序模块的形式出现，出于安全原因使用者对所述模块应没有访问权。

安全控制单元S1的安全总线连接装置V3和V5是可任意扩展的，从而实现用于扩展的安全部件S3输入或输出的安全通信通道。此处，涉及用于激活安全功能单元的开关或传感器，例如紧急关闭开关、确认开关、光栅或保护门。

在本发明的另一个优选实施例中，在机器人的机器人控制单元A1和安全控制单元S1之间设置有扩展的通信通道V2。由此，使这两个部件之间能够交换运行数据。如果涉及与安全相关的数据，那么应该设置安全连接装置V4，例如安全总线。

图1和图2示出的本发明实施例仅用来控制一个机器人，在本发明其他优选实施形式中也可以是任意数量的机器人，如图3所示。可以理解，本发明的优点主要表现在，在大量机器人协同运行期间或者当多个机器人的关联性(Verbund)被扩展或改变为其他形式的设置时，可由此改变系统的安全需求。在具有多台机器人的优选实施例中，在具有相应安全控制单元S1的各个机器人的各自部件之间以如图1和图2所示的方式实现连接。

附图标记一览表

A1         机器人控制单元

A2         安全外设部件

A3         驱动技术单元

E01-E03    机器人控制单元

S1         安全控制单元

S2         输入输出接口

S3         安全部件

V1-V7      连接装置

Claims (17)

1.一种用于控制至少一台机器(1)的装置，所述机器为工业机器人一样的机器，通过驱动技术单元(A3)进行控制，其分别具有机器人控制单元(A1)和安全外设部件(A2)，所述机器人控制单元(A1)通过第一连接装置(V1)与所述驱动技术单元(A3)连接，所述安全外设部件(A2)通过第一安全连接装置(V3；V6)与安全控制单元(S1)连接，其特征在于，所述安全外设部件(A2)通过所述安全控制单元(S1)与所述驱动技术单元(A3)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述安全外设部件(A2)通过所述安全控制单元(S1)与所述机器控制单元(A1)连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述安全外设部件(A2)只通过所述安全控制单元(S1)而与所述驱动技术单元(A3)和所述机器控制单元(A1)连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述驱动技术单元(A3)和所述安全控制单元(S1)通过第二安全连接装置(V5)连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一安全连接装置(V3；V6)和所述第二安全连接装置(V5)为固定和冗余的布线。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一安全连接装置(V3，V4)和所述第二安全连接装置(V5，V6)被引导到安全接口(S2，S4)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述机器控制单元(A1)通过扩展的通信通道(V2，V4)与所述安全控制单元(S1)连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述扩展的通信通道(V4)实施为安全连接。

9.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一连接装置(V1)至少被引导到所述安全连接装置(V5)或扩展的通信通道(V4，V2或V5-V6-V4)。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述安全控制单元(S1)通过扩展的安全连接装置(V7)与高级单元安全控制单元(S3)连接。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述安全控制单元(S1)是可自由编程的。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述安全控制单元(S1)具有预配置的、非实体形式的功能单元，根据所述机器(1)的布置、功能和数量提供所述功能单元，并且所述功能单元是可调用的，以控制各安全功能单元。

13.一种用于控制至少一台机器(1)的方法，所述机器为工业机器人一样的机器，由驱动技术单元(A3)控制，所述机器各具有机器控制单元(A1)、安全控制单元(S1)和安全外设部件(A2)，其特征在于，

通过所述安全外设部件(A2)获得与安全相关的事件；

将由所述安全外设部件(A2)获得的事件作为信号传输给所述安全控制单元(S1)；

所述安全控制单元(S1)对所述信号进行评估，并且根据评估的结果将与安全相关的控制信号直接传输给所述驱动技术单元(A3)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述安全控制单元(S1)绕过所述安全外设部件(A2)直接把所述与安全相关的控制信号传输给所述驱动技术单元(A3)。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述安全控制单元(S1)通过安全输入输出接口(S2)，特别地绕过所述安全外设部件(A2)，将所述与安全相关的控制信号传输给所述驱动技术单元(A3)。

16.根据权利要求13到15中任一项所述的方法，其特征在于，通过一个高级单元安全控制单元(S3)将额外的与安全相关的信号发送至多台机器(1)的安全控制单元(S1)。

17.根据权利要求13到16中任一项所述的方法，其特征在于，与其他控制单元，特别是高级单元安全控制单元(S3)相比，优先对所述安全控制单元(S1)的与安全相关的信号通过机器(1)的所述机器控制单元(A1)，安全外设部件(A2)和/或驱动技术单元(A3)进行处理，以导入安全状态。

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