CN104755233B - 用于控制机器人的方法和机器人驱动单元 - Google Patents

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Abstract

为了以安全方式来控制机器人(65)，计算出用于期望的机器人运动所需的最高电压。基于最高电压来设定DC母线(30)上的电压水平，并且从DC母线(30)将电流供给至机器人轴处的马达(60)。即使在控制马达电流的整流器(40)错误地试图比操作者所期望的更快地驱动马达(60)的情况中，通过将DC母线(30)上的电压水平限制为与用于各瞬间期望的机器人运动的实际需要相对应，防止了不必要的快速机器人运动。

Description

用于控制机器人的方法和机器人驱动单元
技术领域
本发明涉及通过限制将电流供给至机器人轴处的马达的DC母线上的电压水平而提高工业机器人的母线安全性。
背景技术
很多工业机器人具有至少两个不同的操作模式：具有正常操作速度的自动模式，以及具有减小的速度的示教模式。不同的操作模式典型地用装配有具有不同电压水平的两个电压输出的三相变压器来实现。将电流供给至机器人轴处的马达的DC母线相应地具有用于自动模式的标称电压水平，和用于示教模式的减小的电压水平。对于在示教机器人中使用的DC母线上的较低电压水平，通过防止马达以高速运动而增加了机器人的安全性。两个电压水平通过变压器的物理构造来确定，并且它们不能被容易地改变。
示教模式中的电压水平需要设定成对应于“最坏情况”运动，即在示教序列期间所需的最大马达电压。作为结果，示教模式电压水平仍然比大多数的示教序列运动所需的高很多。在实际中，自动模式电压水平可以是460V并且示教模式电压水平为50V。尽管示教模式中的最大速度被显著地减小，但50V仍然可能引起人们体验为快速的机器人运动，并且这可能引起对操作者造成严重的伤害。
仍然期望通过防止不必要的快速机器人运动来进一步提高机器人安全性。
发明内容
发明的一个目的是提供一种具有提高的安全性的用于控制机器人的方法以及相应的机器人驱动单元。
该目的通过根据用于控制机器人的方法和机器人驱动单元来实现。
发明基于以下认识：即使在控制马达电流的逆变器错误地试图比操作者所期望的更快地驱动马达的情况中，通过将机器人驱动单元的DC母线上的电压水平限制为与用于在各瞬间期望的机器人运动的实际需要相对应，可以防止不必要的快速机器人运动。
根据发明的第一方面，提供有一种用于控制机器人的方法。方法包括以下步骤：计算出用于期望的机器人运动所需的最高电压；基于最高电压来设定DC母线上的第一电压水平；和从DC母线供给电流至机器人轴处的马达。基于最高所需电压来设定DC母线上的电压水平有助于避免不必要的快速机器人运动。
根据发明的一个实施例，方法进一步包括以下步骤：将第一电压水平设定为比计算出的最高电压高至多50％，例如比计算出的最高电压高至多30％、至多20％或至多10％。计算出的最高电压上方的余量确保了即使计算不太精确也总是可得到所需的电压。
根据发明的一个实施例，方法进一步包括以下步骤：提供超过一个的操作模式，各操作模式具有与余下的操作模式的最大电压水平不同的DC母线上的预定的最大电压水平；以及如果计算出的最高电压超过当前操作模式的最大电压水平，则将第一电压水平设定为等于当前操作模式的最大电压水平。该措施确保了永远不会超过用于某个操作模式的预定的最大电压水平。
根据发明的一个实施例，方法进一步包括以下步骤：从DC母线测量电压；以及如果电压超过当前操作模式的最大电压水平，则开启紧急停止。该措施提供了独立于DC母线上的主动受控电压水平的附加安全功能。即使计算单元和/或整流器未能限制DC母线上的电压水平，电压测量也使得能够以DC母线上具有减小的电压水平的操作模式来避免危险的快速机器人运动。
根据发明的一个实施例，方法进一步包括以下步骤：每秒至少一次地设定第一电压水平，例如一秒至少两次、至少五次、至少十次或者至少二十次。越频繁地设定电压水平，可以越更好地进行与各瞬间的电压需要相对应。
根据发明的一个实施例，操作模式的数量为三。
根据发明的一个实施例，操作模式中的一个具有与用于使无负载的机器人抵抗重力扭矩保持处于静止所需的最大电压相对应的最大电压水平。当DC母线上的电压水平甚至不允许机器人抵抗重力的运动时，进一步提高了安全性。
根据发明的第二方面，提供有一种机器人驱动单元，其包括将电流供给至机器人轴处的马达的DC母线。机器人驱动单元进一步包括被配置成计算出用于期望的机器人运动所需的最高电压的计算单元，和基于最高电压来设定DC母线上的第一电压水平的电压源。基于最高所需电压来设定DC母线上的电压水平有助于避免不必要的快速机器人运动。
根据发明的一个实施例，机器人驱动单元具有三个操作模式，各操作模式具有与余下的操作模式的最大电压水平不同的预定的最大电压水平，并且机器人驱动单元进一步包括用于选择操作模式的模式选择器。操作模式的选择使得能够建立独立于DC母线上的主动受控电压水平的附加安全功能。
根据发明的一个实施例，电压源被配置成：如果计算出的最高电压超过当前操作模式的最大电压水平，则将第一电压水平设定为等于当前操作模式的最大电压水平。该措施确保永远不会超过用于某个操作模式的预定最大电压水平。
根据发明的一个实施例，机器人驱动单元进一步包括：用于从DC母线测量电压的电压传感器，和将测量出的电压与当前操作模式的最大电压水平进行比较的安全模块，安全模块被配置成：如果电压超过当前操作模式的最大电压水平，则开启紧急停止。该措施提供了独立于DC母线上的主动受控电压水平的附加安全功能。即使计算单元和/或整流器未能限制住DC母线上的电压水平，电压测量也使得能够以DC母线上具有减小的电压水平的操作模式来避免危险的快速机器人运动。
附图说明
将参照附图更详细地说明发明，其中，
图1示意性地图示了根据发明的一个实施例的机器人驱动单元和机器人。
具体实施方式
参见图1，机器人驱动单元10包括将AC电源25中的三相交流电流(AC)转换成DC母线30上的直流电流(DC)的整流器20。逆变器40将DC转换成在用于驱动机器人轴处的马达60的马达线缆50上的AC。机器人65可以包括六个轴以及由六个逆变器40控制的相应的六个马达60，所有马达60由相同的DC母线30供给电流。
逆变器40接收指令以控制马达电流并由此以期望的方式驱动各个马达60。指令可以源自机器人程序(自动模式)或者源自示教器单元130(示教模式)。发送至逆变器40的相同指令或者可选地(指令所源自的)机器人程序或控制信号还被发送至包括了机器人65的动态模拟模式的计算单元70。模拟模式考虑到像速度、加速度、重力、摩擦和磁场削弱等的因素。基于给定的信息，计算单元70连续地计算出马达60处所需的最高电压以完成期望的机器人运动。优选地，计算单元70独立于发送至逆变器40的指令而进行计算。计算每秒发生若干次，优选每12毫秒一次。计算出的最高电压信息被进一步发送至整流器20，整流器将DC母线30上的电压水平设定为高于计算出的最高电压20％，20％代表假设所需的电压总是可得到的余量。
根据发明的一个实施例，机器人驱动单元10具有三个操作模式80：具有正常操作速度的自动模式、具有减小的速度的示教模式以及具有将机器人65保持静止的能力的安全模式。各操作模式80具有与余下的操作模式80的最大电压水平不同的预定的最大电压水平。自动模式具有460V的最大电压水平，示教模式具有50V的最大电压水平，并且安全模式具有17V的最大电压水平。机器人驱动单元10包括设定用于各操作模式80的预定的最大电压水平的模式选择器90。操作者可以通过主动选择来输入某个操作模式80，并且机器人驱动单元10可以基于传感器输入来自动地改变操作模式80。当前操作模式80被通信至计算单元70。在计算出的最高电压超过当前操作模式80的最大电压水平的情况下，计算单元70就将电压水平设定为与当前操作模式80的最大电压水平相等。
借助于电压传感器100从DC母线30测量电压。测量结果被发送至还从模式选择器90接收当前操作模式80的信息的安全模块110。如果测量出的电压超过当前操作模式80的最大电压水平，则开启立即使马达60变成静止的紧急停止。在实际中，开启紧急停止等于起动如下的预定紧急停止序列：其可以牵涉到以受控的方式使马达60变成静止、启动机械制动并且通过开启开关120中断供给至马达60的电流。
当选择示教模式时，模式选择器90将最大电压水平设定为50V。计算单元70基于来自示教器单元的信号连续地计算出用于期望的机器人运动所需的最大电压。在某个瞬间所需的电压可以是仅10V，并且计算单元70将DC母线30上的电压水平设定为12V以具有计算值的20％余量。现在，即使到达逆变器40的指令将错误地试图使机器人65以与操作者所期望的速度相比两倍的速度运动，或者逆变器40自身将经历具有相同结果的故障，这样的不必要的高速也因为DC母线30上的减小的电压水平而不会完成。
当选择安全模式时，模式选择器90将最大电压水平设定为17V。根据本示例，该电压水平仅够使无负载的机器人65抵抗重力扭矩在任何位置保持处于静止。
发明不限于上面示出的实施例，而是本领域技术人员可以在由权利要求所限定的发明的范围内以多种方式对它们进行修改。

Claims (18)

1.一种用于控制机器人(65)的方法，所述方法包括以下步骤：
-计算出用于期望的机器人运动所需的最高电压；
-基于所述最高电压来设定DC母线(30)上的第一电压水平，以将所述DC母线(30)上的电压水平限制为与用于在各瞬间期望的机器人运动的实际需要相对应；和
-从所述DC母线(30)供给电流至机器人轴处的马达(60)。
2.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-将所述第一电压水平设定为比计算出的最高电压高至多50％。
3.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-将所述第一电压水平设定为比计算出的最高电压高至多30％。
4.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-将所述第一电压水平设定为比计算出的最高电压高至多20％。
5.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-将所述第一电压水平设定为比计算出的最高电压高至多10％。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-提供超过一个的操作模式(80)，各操作模式(80)具有不同于余下的操作模式(80)的最大电压水平的所述DC母线(30)上的预定的最大电压水平；和
-如果计算出的最高电压超过当前操作模式(80)的最大电压水平，则将所述第一电压水平设定为等于当前操作模式(80)的最大电压水平。
7.根据权利要求6所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-从所述DC母线(30)测量电压；和
-如果所述电压超过当前操作模式(80)的最大电压水平，则开启紧急停止。
8.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-每秒至少一次地设定所述第一电压水平。
9.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-一秒至少两次地设定所述第一电压水平。
10.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-一秒至少五次地设定所述第一电压水平。
11.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-一秒至少十次地设定所述第一电压水平。
12.根据权利要求1所述的用于控制机器人的方法，所述方法进一步包括以下步骤：
-一秒至少二十次地设定所述第一电压水平。
13.根据权利要求6所述的用于控制机器人的方法，其中所述操作模式(80)的数量为三。
14.根据权利要求6所述的用于控制机器人的方法，其中所述操作模式(80)中的一个具有与用于使无负载的机器人(65)抵抗重力扭矩保持处于静止所需的最大电压相对应的最大电压水平。
15.一种机器人驱动单元(10)，包括将电流供给至机器人轴处的马达(60)的DC母线(30)，其特征在于，所述机器人驱动单元(10)进一步包括：被配置成计算用于期望的机器人运动所需的最高电压的计算单元(70)，和基于所述最高电压来设定所述DC母线(30)上的第一电压水平的电压源，所述DC母线(30)上的电压水平限制为与用于在各瞬间期望的机器人运动的实际需要相对应。
16.根据权利要求15所述的机器人驱动单元(10)，其中所述机器人驱动单元(10)具有三个操作模式(80)，各操作模式(80)具有与余下的操作模式(80)的最大电压水平不同的预定的最大电压水平，并且所述机器人驱动单元(10)进一步包括用于选择操作模式(80)的模式选择器(90)。
17.根据权利要求16的所述的机器人驱动单元(10)，其中所述电压源被配置成：如果计算出的最高电压超过当前操作模式(80)的最大电压水平，则将所述第一电压水平设定为等于所述当前操作模式(80)的最大电压水平。
18.根据权利要求16至17中的任一项所述的机器人驱动单元(10)，其中所述机器人驱动单元(10)进一步包括：用于从所述DC母线(30)测量电压的电压传感器(100)，和将测量出的电压与当前操作模式(80)的最大电压水平进行比较的安全模块(110)，所述安全模块(110)被配置成：如果所述电压超过当前操作模式(80)的最大电压水平，则开启紧急停止。
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