CN101443163A

CN101443163A - 用于工业机器人的控制系统

Info

Publication number: CN101443163A
Application number: CNA2007800174247A
Authority: CN
Inventors: 伊恩·伯德-拉多洛维奇; 彼得·J·埃里克森
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB AB
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: US20090187277A1; CN101443163B; EP1857229B1; EP1857229A1; WO2007131828A1; US8099193B2; DE602006007823D1

Abstract

本发明涉及一种用于控制工业机器人的控制系统及其方法。控制系统包括：控制单元(12)；具有用来把直流电转换成交流电的开关单元(28)的驱动单元(9)；和用来生成用于机器人的停止信号的安全单元(16，30)。驱动单元响应于接收到停止信号而禁止开关单元。安全单元(16，30)生成具有相对于安全事件的延时的停止信号，电动机在延时期间被电制动。控制系统传送停止信号到制动器，该制动器响应于接收到停止信号而机械地制动电动机，该控制系统对加到驱动单元(9)的停止信号进行延时，以使得在开关单元被禁止之前施加机械制动。

Description

用于工业机器人的控制系统

技术领域

本发明涉及用于控制具有至少一个电动机的工业机器人的控制系统和方法。

背景技术

工业机器人包括：机械结构，也被称为操纵器；和控制系统，用于控制操纵器的运动。操纵器具有可以围绕多个轴互相相对运动的多个臂。轴的运动由被安装在每个轴上的电动机驱动。每个电动机配备有机械制动器，用来当机器人不运动时锁住机器人位置。典型地，机器人包含六个轴。然而，也存在具有其它数目的轴的机器人。

轴的速度和加速度由机器人的控制系统控制，机器人的控制系统包括控制单元，其生成加到电动机的控制信号。加到驱动单元的控制信号确定电动机转矩、电动机速度和用于轴的驱动电流。控制系统还包括驱动单元，其通过根据来自控制单元的控制信号把直流电转换成可变交流电而控制电动机。驱动单元被提供以交流功率。每个驱动单元包括：整流器，用于把供应的交流功率转换成直流功率；以及开关单元，常常称为逆变器，根据来自控制单元的控制信号把直流功率转换成交流功率。电动机配备有角度测量装置，用于提供位置反馈信号。来自角度测量装置的位置反馈信号被传送到驱动单元。

机器人的控制系统还包括安全功能，用来确保操纵器以对于操作员安全的方式操作。安全功能例如包括紧急停止功能和机器人速度监管。控制系统包括安全单元，其适用于响应于出现安全事件而生成至少一个停止信号，用于停止机器人，以及包括制动器，其适用于响应于接收到来自安全单元的停止信号而机械地使电动机制动。

工业机器人的关键特性是，具有当出现某些关键的安全事件时，以安全方式禁止移动机械结构的可能性的能力。这可包括操作员在教导期间按压紧急停止按钮或释放使能装置。传统上，通过打开一个或更多个用于把交流功率供应到整流器的电机械接触器以及打开一个或更多个用于把功率馈送到制动器的接触器而禁止机器人。如果没有进入的功率，驱动单元不能给电动机供电，所以机器人不能移动。例如，通过把两个接触器串联而去除功率，这可以断开交流功率。这给出冗余性水平，这样，如果一个接触器出故障，另一个接触器多半仍旧工作。这种方法的缺点在于，电机械接触器是笨重和昂贵的，且比起其它电子系统具有有限的寿命。

US 6,573,681B2提出响应于接收到停止信号，通过禁止适用于把直流电转换成加到电动机的交流电的逆变器，更具体地说通过关断逆变器的功率晶体管，而停止电动机。藉助于禁止转换器而停止电动机的问题在于：逆变器一被禁止就不可能再控制电动机。当逆变器被禁止时电动机的运动不会立即停止，在减速时间期间电动机不能被控制。这可能是危险的，如果电动机控制机器人的运动的话。如果不可能控制电动机，则由于机器人的机械结构的重力，机械结构将跌落。作为这个问题的解决方案，提出藉助于电枢短路而加速断开操作，以便达到安全停止。然而，这不足以实现工业机器人的安全停止。

发明内容

本发明的目的是响应于出现安全事件而实现工业机器人的安全停止。

按照本发明的一方面，这个目的是通过如在权利要求1中规定的控制系统达到的。

这样的控制系统的特征在于：驱动单元适用于响应于接收到来自安全单元的停止信号而使得开关单元禁止，由此阻止生成加到电动机的交流功率，安全单元适用于生成具有相对于安全事件的延时的停止信号，以及控制单元适用于生成用于控制电动机的控制信号，以使得在延时期间电动机被电制动。该控制系统适用于传送停止信号到制动器，制动器响应于接收到停止信号而机械地制动电动机，以及该控制系统适用于延时加到驱动单元的停止信号，以使得制动器在驱动单元之前接收停止信号，以便确保机械制动在开关单元被禁止之前被应用。

通过使得用于生成加到电动机的交流电的开关单元禁止，移动机器人的机械结构的可能性被禁止。这允许在现有技术中使用的接触器从控制系统移除。由此，用于控制系统的硬件成本被减小，控制系统的可靠性提高，控制系统的尺寸减小。

按照本发明，电动机的停止是通过一系列操作而完成的，操作的时序对于实现安全停止是关键的。当出现安全性事件时，控制单元生成以电子方式制动电动机的控制信号，机械制动在延时后被施加，开关单元在进一步的延时后被禁止，以便允许制动器被完全啮合。

机械制动在开关单元被禁止之前被应用。由此，确保机器人的机械结构在开关单元被禁止时不会由于重力而跌落。而且，加到制动器的停止信号是在相对于安全事件的延时之后生成的；生成加到驱动单元的控制信号，以使得在延时期间电动机被电制动。这使得有可能在施加机械制动之前减小电动机的速度，由此使得在机械结构上的应力最小化，并且使得机械结构有可能保持在预编程的路径上。

因此，通过电制动、施加机械制动和禁止开关单元的组合而以安全的方式停止机器人，上述的每个措施在检测到安全事件以后的不同的时间点被应用。

按照本发明的实施例，驱动单元适用于响应于接收到停止信号而禁止控制信号加到开关单元。来自控制单元的控制信号控制开关单元的开关。如果加到开关单元控制信号被禁止，开关单元不能被接通或关断，因此开关单元不可能进行开关。如果开关单元不能开关，则它不能被使用来生成脉冲串，所以无法控制电动机或生成转矩。这有效地阻挡交流电源加到电动机。

按照本发明的实施例，驱动单元包括光开关，其适用于把控制信号传送到开关单元，驱动单元适用于响应于接收到停止信号而关断光开关，由此禁止控制信号被加到开关单元。光开关是广泛使用的标准部件，并适合于使用来使得加到开关单元的控制信号被禁止。

按照本发明的实施例，控制系统包括：受控整流器，用于给驱动单元提供直流功率；安全单元适用于响应于出现安全事件而生成第二停止信号；整流器适用于响应于接收到第二停止信号而被关断。由此，整流器把功率从交流侧传送到控制系统的直流侧的能力被停止。这个实施例提供去除加到机器人的电动机的功率的两个分开的、因而也是冗余的方式。第一方式关断用于给开关单元提供直流功率的整流器，第二方式关断用于把直流功率转换成加到电动机的交流功率的开关单元。优选地，整流器应当在施加制动之前和在关断开关单元之前被关断。这个实施例还提高控制系统的安全性。

按照本发明的实施例，控制单元、驱动单元和安全单元被合并到一个物理单元中。所谓合并被理解为控制单元、驱动单元和安全单元被合并在同一个板上，并共用重要的硬件，诸如电源和通信电子器件。这个实施例减小用于控制系统的尺寸和硬件成本。

按照本发明的另一方面的目的是通过如在权利要求6中规定的方法实现的。

容易看到，如在所附的方法权利要求中规定的、按照本发明的方法适用于通过具有当在处理器单元上运行时相应于本发明的方法的步骤的指令的计算机程序来执行。

按照本发明的再一方面，目的是通过如在权利要求8中规定的计算机程序产品达到的。计算机程序在计算机可读介质上或通过网络被提供。

按照本发明的另一方面的目的是通过如在权利要求9中规定的计算机可读介质实现的。

附图说明

现在通过对本发明的不同的实施例的说明和参照附图更详细地说明本发明。

图1显示按照本发明的第一实施例的、包括驱动单元的机器人控制系统的框图。

图2显示图1所示的驱动单元的框图。

图3显示说明响应于出现安全事件而在生成的信号之间的关系的时序图。

图4显示按照本发明的第二实施例的机器人控制系统的框图。

具体实施方式

图1显示按照本发明的第一实施例的、用于工业机器人的控制系统。工业机器人包括用来控制机器人的位置和速度的多个电动机1。每个电动机1配备有机械制动器2。制动器2由电磁铁控制，以使得当具有用于制动的功率时制动器将被打开，以及当制动功率被去除时制动器将啮合。按照本发明的实施例，加到制动器1的电源由功率电子开关(图上未示出)控制。

用于电动机1的驱动系统包括：交流电源4；整流器6，其用于把来自电源的交流功率转换成直流功率；电容器8，其能够在短时间间隔内存储直流功率，以及驱动单元9，其响应于控制信号τ_ref把直流功率转换成交流电。控制信号τ_ref是根据包括用于机器人的运动指令的控制程序而被生成的。

控制系统包括控制单元12，其包括一个或更多个计算机。控制单元12适用于运行控制程序和根据在控制程序中的运动指令生成运动路径。控制单元生成包括电动机位置、速度和加速度的期望值的参考值，它们被变换成用于驱动单元9的控制信号τ_ref。驱动单元9负责响应于来自控制单元12的控制信号τ_ref控制电动机电流和电动机位置。控制单元接收包括位置信息的来自电动机的反馈信号。控制单元例如在测试制动器期间和当机器人被命令保持静止时，把条件制动命令提供到制动器2。

控制系统还包括安全单元16，它确保机器人以对于操作员安全的方式运行，并且用于安全信号的输入，诸如紧急停止和教导模式按键选择器。安全单元16接收来自控制单元的无条件停止命令。安全单元16的任务是执行从控制单元12接收的停止命令。响应于接收到来自控制单元12的停止命令，安全单元16生成停止信号B，该信号用于停止机器人的运动并施加到机械制动器2。停止信号在它被传送到驱动单元9之前在延时单元18中被延时。延时的停止信号B被表示为B_d。可替选地，停止信号B的延时可以在安全单元16或在驱动单元9中执行。来自安全单元的延时的停止信号B_d阻止驱动单元9生成加到电动机1的交流电。停止信号B被连接到制动器1的功率电子开关，由此控制制动器功率。

图2更详细地显示驱动单元9。来自控制单元12的参考信号τ_ref由电流控制单元20接收，该电流控制单元创建电压参考值V_ref，该电压参考值被馈送到脉冲宽度调制(PWM)生成器。来自PWM生成器22的信号是脉冲串，它被馈送到缓冲器24，在本例中是光耦合器。缓冲器24配备有使能电路，这使得有可能根据被连接到使能电路的控制信号接通和关断缓冲器24。在本发明的实施例中，延时的停止信号B_d被连接到缓冲器24的使能电路。当缓冲器被接通时，来自PWM生成器的脉冲串被传送到门驱动器26，然后还传送到开关单元28。当缓冲器24被关断时，来自PWM生成器22的脉冲串被阻止传送到开关单元28。因此，缓冲器24的功能根据信号B_d来接通和关断开关单元。因此，来自缓冲器的信号G_c是控制开关单元28的开关的控制信号。来自缓冲器的信号G_c被来自安全单元的延时的停止信号B_d禁止。

开关单元28，也表示为逆变器，把来自电容器8的直流功率转换成交流功率，该交流功率被馈送到电动机。传统上，开关单元包括六个开关器件，诸如IGBT，它们根据来自PWM生成器的脉冲串被接通和关断。开关图案，即，脉冲宽度调制(PWM)被选择为使得输出电压类似于正弦波，它被使用来控制电动机。开关单元包括用于根据控制信号接通和关断开关单元的电路。如果来自PWM生成器的脉冲串被禁止以使得它不能传播到驱动单元9来接通开关单元28，则开关单元28不可能进行开关，由此不可能生成加到电动机的交流电。如果开关单元不能进行开关，则无法控制电动机或生成转矩。这有效地阻止功率加到电动机，由此禁止移动机器人的机械结构的可能性。

机器人的机械结构包括由电动机控制的多个机械关节。即使在电动机处在休息状态时，由于重力关系仍旧有很大的力作用在关节上。只要制动器不被啮合，这个力就必须由电动机克服。这仅仅在开关单元是工作的且直流功率对于开关单元是可得到时才能做到。这对于完全伸展的固定机器人特别成为问题，因为这代表了其中重力转矩将是它的最高值的情形。

禁止开关单元的缺点在于，开关单元一被禁止就不可能控制电动机。这意味着，停止电动机的唯一方法是经由机械制动器。然而，希望在施加机械制动之前电动机速度是低的，否则为了停止机器人需要更有力的制动器，机器人结构上的机械应力变高。所以，希望在施加机械制动之前减小电动机的速度。由于加到开关单元的直流电源仍旧不变，所以有能量源来保持电动机控制工作。全部所需要的是在开关单元被关断之前施加制动。按照本发明的这个实施例，这是通过安全信号B实现的，该安全信号首先激励制动器2，然后在经过延时单元18后禁止开关单元28。延时单元18必须被选择成使得在开关单元28被禁止之前制动器被完全啮合。所需要的延迟时间取决于电动机性能、制动器性能和机械结构。延迟时间可以是固定的延迟时间，或取决于机器人速度的可变的延迟时间。如果机器人以低速度运动，则所需要的延迟时间短于如果机器人以高速度运动时所需要的延迟时间。

在施加制动以及开关单元被禁止之前，电动机的速度必须减小。这是通过在生成加到制动器的停止信号B和加到驱动单元9的B_D之前以电子方式制动电动机而实现的。当出现安全事件时，控制单元被命令生成用来电制动电动机的参考信号τ_ref，机械制动在一个延时后被应用，开关单元在进一步的延时后被禁止，以便使得制动器完全地啮合。因此，通过电制动和机械制动的组合停止机器人。采用电制动的原因在于，当机器人仍旧以全速运行时，不应当应用制动器，因为这将磨损制动器并给机械构件带来过应力。所以，最好允许驱动器尽可能地进行制动。从安全观点看来，应当尽可能快地应用制动器，以便不会有控制器在制动器被啮合之前失去电转矩的风险。然而，从机械观点看来，最好晚一些应用制动器，这样机器构件上的应力可以最小化。仅仅在开关单元被激励并且有足够的功率可用于克服重力作用在机器人结构上的力时，电制动才作用。

从安全单元中去除接触器的优点在于，有可能把轴控制、安全控制和驱动控制合并到单个单元中，或由少量单元组成的子系统中。在图1所公开的实施例中，控制单元12、驱动单元9和安全单元12合并到一个单个单元中，如虚线所示。

图3显示了说明参照图1和2描述的不同信号之间的关系的时序图。响应于检测到安全事件，控制单元生成停止命令，该停止命令被传送到安全单元16。响应于接收到停止命令，安全单元16生成停止信号B，该停止信号相对于从控制单元接收的停止命令被延迟一个时间间隔D1。停止信号B被连接到制动器的功率电子开关，当该停止信号变为高电平时，关断加到制动器的功率。延时D1是电动机被电制动到对于施加制动足够低的速度所需要的时间。来自控制单元12的、关于电动机转矩的参考信号τ_ref控制电动机的速度。在生成停止命令的同时，参考信号τ_ref变为负的，由此开始减小电动机的速度。在延时D1期间，在机器人的速度变为零之前，生成减小电动机的速度的负的参考信号τ_ref。当机器人的速度变为零时以及在施加机械制动之前，参考信号τ_ref是正的，以便克服对机械结构的重力作用。当施加制动时，参考信号τ_ref变为零。

图3还显示电动机的速度v_m。如从图上看到的，电动机速度在延时D1期间被减小。当电动机速度几乎为零时施加制动。停止信号B在它被传送到开关单元的开关使能电路之前，被延迟一个时间间隔D2。加到开关单元的禁止信号，即，延时的停止信号B，被表示为B_D。因此，开关单元在施加制动后被禁止。

为了提高安全性，缓冲器的禁止应当以冗余的方式完成。这可以以许多不同的方式实现。例如，安全单元可以生成两个停止信号B，以及驱动单元9可包括串联连接的两个光耦合器。

图4显示按照本发明的控制系统的第二实施例，它具有响应于出现安全事件而进行的对于电动机的冗余的禁止。标准二极管整流器将总是允许功率从交流侧流到直流侧。然而，在本实施例中，标准二极管整流器由可以响应于控制信号被电子地接通和关断的器件所替代。于是，有可能断开连接加到电动机1的功率流。安全单元30响应于接收到来自控制单元的停止命令而生成第二停止信号R。安全单元16被连接到整流器32。信号R是整流器禁止信号，该信号从安全单元被传送到整流器。

除了第一停止信号B以外，整流器禁止信号R被用作为第二冗余安全信号。这个概念的优点在于，只要电容器8具有一定的存储功率，就有可能控制电动机。当需要停止事件时，整流器可被禁止，电动机可以被命令通过使用传统的速度控制器而减速度到静止。在减速期间，电动机中的某些动能被转换成电容器中的电能。这意味着，在施加机械制动和开关单元被禁止之前，开关单元可被使用来使电动机减速。这是重要的，因为机械制动的应用是生硬地和快速的，并且给机器人机械构件带来很大的震动。所以最好是当施加机械制动时电动机应当以低速度运动。

也有可能仅仅通过禁止整流器而不用禁止开关单元而实现使得机械结构禁止运动。冗余性可以通过具有两个禁止整流器信号而实现。在另一个实施例中，电动机速度在施加机械制动之前减小到零。这可以通过顺序调节延迟时间而实现。

Claims

1.一种用于控制具有至少一个电动机(1)和适用于制动所述电动机的制动器(2)的工业机器人的控制系统，其中该控制系统包括：

-至少一个控制单元(12)，用于生成用来控制电动机的控制信号(τ_ref)，

-至少一个驱动单元(9)，用于控制电动机，该驱动单元具有开关单元(28)，其适用于根据所述控制信号把直流电转换成加到电动机的交流电，以及

-安全单元(16，30)，其适用于响应于出现安全事件而生成用于停止机器人的至少一个停止信号(B)，

所述驱动单元适用于响应于接收到所述停止信号而禁止所述开关单元，由此阻止生成加到电动机的交流功率，其特征在于：

-安全单元(16，30)适用于生成具有相对于安全事件的延时(D1)的所述停止信号，所述控制单元(12)适用于生成用于所述控制信号(τ_ref)，以使得在所述延时期间电动机被电制动，

-该控制系统适用于传送所述停止信号到所述制动器，该制动器响应于接收到停止信号而机械地制动电动机，以及

-该控制系统适用于延时(D2)加到驱动单元(9)的停止信号，以使得制动器在驱动单元之前接收停止信号，以便确保机械制动在开关单元被禁止之前应用。

2.按照权利要求1的控制系统，其中所述驱动单元(9)适用于响应于接收到所述停止信号而禁止控制信号加到开关单元，由此阻止开关单元进行开关。

3.按照权利要求1或2的控制系统，其中所述驱动单元(9)包括光开关，其适用于把所述控制信号传送到开关单元，以及驱动单元适用于响应于接收到所述停止信号而关断光开关，由此禁止控制信号加到开关单元。

4.按照前述权利要求的任一项的控制系统，其中该控制系统包括受控整流器(6)，其用于给驱动单元(9)提供直流功率，所述安全单元(30)适用于响应于出现安全事件而生成第二停止信号(R)，以及所述整流器适用于响应于接收到所述第二停止信号而被关断。

5.按照前述权利要求的任一项的控制系统，其中控制单元(12)、驱动单元(9)和安全单元(16，30)被合并到一个物理单元中。

6.一种用于控制具有至少一个电动机(1)、适用于机械制动该电动机的制动器(2)和控制系统的工业机器人的方法，所述控制系统包括生成用于控制电动机的控制信号(τ_ref)的控制单元(12)，具有适用于根据所述控制信号把直流电转换成加到电动机的交流电的开关单元(28)的至少一个驱动单元(9)，其中该方法包括：

-响应于出现安全事件而生成用于施加机械制动的信号(B)，其中用于施加制动的信号以相对于安全事件的延时(D1)被生成，

-生成所述控制信号(τ_ref)，以使得电动机在所述延时期间被电制动，以及

-响应于出现安全事件而生成用于禁止所述开关单元的信号(Bd)，由此阻止生成加到电动机的交流功率，其中用于禁止所述开关单元的信号以相对于用来施加机械制动的信号(B)的延时而被生成，以使得制动器在开关单元接收用于禁止该开关单元的信号之前接收用于施加制动的信号，以便确保在开关单元被禁止之前电动机被机械制动。

7.按照权利要求6的方法，其中通过禁止控制信号加到所述开关单元(28)而禁止该开关单元，由此阻止开关单元进行开关。

8.一种直接装载到工业机器人的控制系统的计算机的内部存储器中的计算机程序产品，该工业机器人具有至少一个电动机(1)、适用于制动该电动机的制动器(2)，具有适用于根据控制信号(τ_ref)把直流功率转换成交流功率的开关单元(28)的、生成加到电动机的交流功率的至少一个驱动单元(9)，该计算机程序产品包括执行以下方法的软件：

-响应于出现安全事件而生成用于施加制动的信号(B)，其中用于施加制动的信号以相对于安全事件的延时(D1)被生成，

-响应于出现安全事件而生成用于禁止所述开关单元的信号(Bd)，由此阻止生成加到电动机的交流功率，其中用于禁止所述开关单元的信号以相对于用于施加机械制动的信号(B)的延时被生成，以使得制动器在开关单元接收用于禁止开关单元的信号之前接收用于施加制动的信号，以便确保在开关单元被禁止之前电动机被机械制动。

9.一种计算机可读的介质，具有记录在其上的程序，其中当所述程序在计算机上运行时该程序使得计算机执行如权利要求6或7的步骤。