CN106584452B - 机器人通用安全控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人通用安全控制装置，包括机器人控制系统、与机器人控制系统连接的若干驱动器，将驱动器连接到机器人的若干驱动电机；机器人控制系统包括主控制器、以及分别与主控制器连接的安全控制器；主控制器用于对机器人进行路径规划、运动插补运算、人机交互处理；安全控制器用于接收与安全相关的信号，并控制完成机器人的安全保护功能，当机器人处于危险状态或保护状态时，对机器人进行安全状态保护动作；安全控制器包括安全控制板和安全执行板；安全控制板包括两块CPU，输入与输出安全信号，均采用双路冗余设计，可及时对相关错误信息的提示，预防危险发生。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，更具体的说，是涉及一种机器人通用安全控制装置。
背景技术
机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人的动作由执行机构完成，机器人的执行机构通过预先编排好的程序进行运动。
随着机器人的普及，机器人的安全控制问题越来越受到重视，现有的机器人安全功能一般由机器人控制器或专用安全控制模块实现。采用机器人控制器这种方式的缺点是：控制器既要完成运动规划、通信控制等功能，还要完成机器人安全控制功能，如果控制器运行过程中出现问题，机器人将一直处于一种非安全状态；而采用专用安全控制模块的缺点是：需要根据每种类型的机器人量身定制与其配套的安全控制器，如果机器人类型较多，则开发成本较高，且不便于大规模投入使用。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种机器人通用安全控制装置，可以普遍适用于大部分机器人系统，减少研发成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种机器人通用安全控制装置，包括机器人控制系统、与机器人控制系统连接的若干驱动器，将驱动器连接到机器人的若干驱动电机；
所述机器人控制系统包括主控制器、以及与主控制器连接的安全控制器；
所述主控制器用于对机器人进行路径规划、运动插补运算、人机交互处理；
所述安全控制器用于接收与安全相关的信号，并控制完成机器人的安全保护功能，当机器人处于危险状态或保护状态时，对机器人进行安全状态保护动作；
所述安全控制器包括安全控制板和安全执行板；所述安全控制板包括两块CPU，两路IO输入信号分别通过一光耦隔离电路进入到两块CPU，若两路信号不一致，则机器人进入安全保护状态；所述安全执行板包括强制导向继电器，所述两块CPU各自输出IO输出信号，并分别通过光MOS管输出到对应的强制导向继电器，所述强制导向继电器的状态通过光耦隔离电路回馈到相应的CPU中，所述两路IO输出信号串联。
作为优选的，还包括系统IO板、用户IO板，所述系统IO板用于处理与安全无关的信号，所述用户IO板采用信号采集与输出的方式，供用户输入控制信号。
作为优选的，所述安全控制板还包括陀螺传感器，所述陀螺传感器通过I2C电路与两块CPU相连，所述陀螺传感器采集的传感器信号在CPU中进行解析，当通过传感器信号判断出机器人底座、控制柜处于位移状态时，机器人进入安全保护状态。
作为优选的，所述安全执行板还设有手动松抱闸电路、示教盒接口、急停扩展模块接口、控制柜接口、驱动器接口、接触器接口、限位抱闸接口、外部急停安全门接口、IO板接口、执行板接口和安全输出接口，所述安全输出接口连接所述强制导向继电器。
作为优选的，所述两块CPU通过通用异步收发传输器连接。
进一步的，所述两块CPU的所有信息都通过通用异步收发传输器进行验证，若两块CPU的状态信息不一致，则机器进入安全保护状态。
作为优选的，所述两块CPU还各自连接有一抱闸电流检测电路，所述抱闸电流通过安全执行板引入抱闸电流检测电路，在安全控制板完成电流采样，CPU检测到采样电流与抱闸电流进行比较，若状态不一致，则机器人进入安全保护状态。
作为优选的，所述装置的通信接口兼容CAN与EaterCat两种通信协议。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、通用性，系统中各个板卡都具有兼容性，总线接口为CAN与EatherCat兼容设计，对于不同的机器人应用可以通过拨码开关进行选择，IO信号采集与输出接口预留了大量的IO节点，并且安全控制信号涵盖范围较广。
2、抱闸电流采集，抱闸电流检测电路的状态检测功能对于安全性的提高有较大作用，通过电流信号与输出控制信号的比较，可以判断出抱闸线路是否故障。
3、双CPU冗余设计，一旦CPU发生故障，系统可以通过冗余校验模块进行检测，并执行安全动作。
4、双路信号冗余设计，对于输入与输出安全信号，均采用双路冗余设计。在输入端可以防止线路故障引起的误信号进入，在输出端带有回馈检测电路，可以防止继电器粘连造成的危险。
6、系统移植方便，整个控制系统提供了机器人需要的所有信号检测及控制接口，可以很方便的移植到不同的机器人应用系统中，缩短了开发的时间，节约设计成本。
附图说明
图1是本发明的安全控制装置及其接入到工业6轴焊接机器人时的示意图；
图2是本发明的安全控制装置的安全控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的机器人通用安全控制装置作进一步说明。
以下是本发明所述的机器人通用安全控制装置的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
图1示出了一种机器人通用安全控制装置接入到工业6轴焊接机器人时的示意图，其中机器人通用安全控制装置包括机器人控制系统、与机器人控制系统连接的若干驱动器，将驱动器连接到机器人的若干驱动电机。
其中，机器人控制系统包括主控制器、以及与主控制器连接的安全控制器；主控制器用于对机器人进行路径规划、运动插补运算、人机交互处理；安全控制器用于接收与安全相关的信号，并控制完成机器人的安全保护功能，当机器人处于危险状态或保护状态时，对机器人进行安全状态保护动作；
图2示出了安全控制器的结构示意图，安全控制器包括安全控制板和安全执行板；安全控制板包括两块CPU，本实施例中两块CPU采用的是DSP28035+CPLD，其采用双CPU冗余设计，两路IO输入信号分别通过一光耦隔离电路进入到两块CPU，若两路信号不一致，说明一路信号发送了错误，则机器人进入安全保护状态；安全执行板包括强制导向继电器，一个输出信号对应两个强制导向继电器；两块CPU各自输出IO输出信号，并分别通过光MOS管输出到对应的强制导向继电器，强制导向继电器的状态通过光耦隔离电路回馈到相应的CPU中，并判断其与输出信号是否一致，若不一致说明继电器有粘连风险，机器人进入安全保护状态；两路IO输出信号串联，即只有当两路信号相同时，才会有有效信号输出。
优选的实施方式中，该机器人通用安全控制装置还包括系统IO板、用户IO板，系统IO板用于处理与安全无关的信号，用户IO板采用信号采集与输出的方式，供用户输入控制信号。
优选的实施方式中，安全控制板还包括陀螺传感器，陀螺传感器通过I2C电路与两块CPU相连，陀螺传感器采集的的传感器信号在CPU中进行解析，当通过传感器信号判断出机器人底座、控制柜处于位移状态时，机器人进入安全保护状态。
优选的实施方式中，安全执行板还设有手动松抱闸电路、示教盒接口、急停扩展模块接口、控制柜接口、驱动器接口、接触器接口、限位抱闸接口、外部急停安全门接口、IO板接口、执行板接口和安全输出接口，安全输出接口连接两个强制导向继电器。
优选的实施方式中，两块CPU通过通用异步收发传输器连接。进一步的，两块CPU的所有信息都通过通用异步收发传输器进行验证，若两块CPU的状态信息不一致，则机器进入安全保护状态。
优选的实施方式中，两块CPU还各自连接有一抱闸电流检测电路，抱闸电流通过安全执行板引入抱闸电流检测电路，在安全控制板完成电流采样，CPU检测到采样电流与抱闸电流进行比较，若状态不一致，则说明抱闸电路存在问题，则机器人进入安全保护状态。
在本实施例中，装置的通信接口兼容CAN与EaterCat两种通信协议，通过硬件拨码开光选择实际使用的通信接口，两路通信信息分别送入两块CPU中，在CPU中分别进行解析，控制IO输出端口状态，采集IO输入端口状态。
本实施例中，将机器人信号分为两组，与安全相关的信号接入安全控制器，与安全无关的信号接入系统IO板，系统IO板连接的机器人系统中的信号。用户IO板作为供用户使用的IO接口电路，当机器人用户需要自己连接一些信号进行控制时，采用该单元信号采集与输出。
本实施例中机器人通用安全控制装置应用于工业6轴焊接机器人时的连接方式如图2所示，机器人本体的接口说明如下表：
(1)安全输入
| 端子号 | 功能描述 |
| SIN0 | 限位1 |
| SIN1 | 限位2 |
| SIN2 | 限位3 |
| SIN3 | 示教盒急停 |
| SIN4 | 柜门急停 |
| SIN5 | 外部急停 |
| SIN6 | 安全门 |
| SIN7 | Deadman |
| SIN8 | 驱动器报错 |
| SIN9 | 抱闸板报错 |
(2)安全输出
| 端子号 | 功能描述 |
| SOUT0 | 上动力电 |
| SOUT1 | 驱动器STO |
| SOUT2 | 抱闸1 |
| SOUT3 | 抱闸2 |
| SOUT4 | 抱闸3 |
(3)非安全输入
| 端子号 | 功能描述 |
| SIN0 | 示教盒上电 |
| SIN1 | 柜门启动 |
| SIN2 | 柜门暂停 |
| SIN3 | 本地 |
| SIN4 | 远程 |
| SIN5 | 驱动器BRK |
| SIN6 | 驱动器RDY |
| SIN7 | 驱动器STO反馈 |
| SIN8 | 限位4 |
| SIN9 | 上电应答 |
| SIN10—SIN31 | 预留 |
(2)非安全输出
| 端子号 | 功能描述 |
| SOUT0 | 报警灯 |
| SOUT1 | 上电灯 |
| SOUT2 | 运行灯 |
| SOUT3 | 暂停灯 |
| SOUT4—SOUT31 | 预留 |
安全输出部分：
上电：两路输出信号分别连接两个上电继电器，并将二者串接，只有当二者均为有效电平时，系统才通电；
STO：两路输出信号串联后，输出到驱动器STO接口；
抱闸1、2、3：三路抱闸信号，分别控制机器人的三个轴抱闸信号，抱闸信号输出到电机抱闸接口；
安全输入部分：
限位1、2、3：将机器人本体的三个限位开关接入安全控制器的输入接口；
示教盒急停：将双触点的示教盒急停接入安全控制器的输入接口；
柜门急停、外部急停：将二者分别接入安全控制器的输入接口，若外部急停不存在，可以将该接口短接。
安全门：将安全门的双触点信号接入安全控制器的输入接口；
Deadman：将示教盒的Deadman接口接入安全控制器的输入接口；
抱闸板报错：若存在该信号则将其接入安全控制器的输入接口，若不存在则将该接口短接。
驱动器报错：若存在该信号则将其接入安全控制器的输入接口，若不存在则将该接口短接；
非安全输入：
示教盒上电、柜门急停、柜门暂停：将三个按钮的触点接入系统IO板的IO输入接口；
本地、远程：将两个开关的触点接入系统IO板的IO输入接口；
BRK、RDY、STO反馈：驱动器的三个IO输入接口，若存在则接入系统IO板的IO接口，若不存在则将其短接；
限位4、上电应答：若存在则接入系统IO板的IO接口，若不存在则将其短接；
非安全输出：
报警灯、上电灯、运行灯、急停灯：这些灯的控制端接入系统IO板的IO输出接口。
综上所述，本发明提供的机器人通用安全控制装置，其有益效果在于：
1、通用性，系统中各个板卡都具有兼容性，总线接口为CAN与EatherCat兼容设计，对于不同的机器人应用可以通过拨码开关进行选择，IO信号采集与输出接口预留了大量的IO节点，并且安全控制信号涵盖范围较广。
2、抱闸电流采集，抱闸电流检测电路的状态检测功能对于安全性的提高有较大作用，通过电流信号与输出控制信号的比较，可以判断出抱闸线路是否故障。
3、双CPU冗余设计，一旦CPU发生故障，系统可以通过冗余校验模块进行检测，并执行安全动作。
4、双路信号冗余设计，对于输入与输出安全信号，均采用双路冗余设计。在输入端可以防止线路故障引起的误信号进入，在输出端带有回馈检测电路，可以防止继电器粘连造成的危险。
5、系统移植方便，整个控制系统提供了机器人需要的所有信号检测及控制接口，可以很方便的移植到不同的机器人应用系统中，缩短了开发的时间，节约设计成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种机器人通用安全控制装置，其特征在于，包括机器人控制系统、与机器人控制系统连接的若干驱动器，将驱动器连接到机器人的若干驱动电机；
所述机器人控制系统包括主控制器、以及与主控制器连接的安全控制器；
所述主控制器用于对机器人进行路径规划、运动插补运算、人机交互处理；
所述安全控制器用于接收与安全相关的信号，并控制完成机器人的安全保护功能，当机器人处于危险状态或保护状态时，对机器人进行安全状态保护动作；
所述安全控制器包括安全控制板和安全执行板；所述安全控制板包括两块CPU，两路IO输入信号分别通过一光耦隔离电路进入到两块CPU，若两路信号不一致，则机器人进入安全保护状态；所述安全执行板包括强制导向继电器，所述两块CPU各自输出IO输出信号，并分别通过光MOS管输出到对应的强制导向继电器，所述强制导向继电器的状态通过光耦隔离电路回馈到相应的CPU中，所述两路IO输出信号串联；
所述两块CPU还各自连接有一抱闸电流检测电路，所述抱闸电流通过安全执行板引入抱闸电流检测电路，在安全控制板完成电流采样，CPU检测到采样电流与抱闸电流进行比较，若状态不一致，则机器人进入安全保护状态。
2.根据权利要求1所述的机器人通用安全控制装置，其特征在于，还包括系统IO板、用户IO板，所述系统IO板用于处理与安全无关的信号，所述用户IO板采用信号采集与输出的方式，供用户输入控制信号。
3.根据权利要求1所述的机器人通用安全控制装置，其特征在于，所述安全控制板还包括陀螺传感器，所述陀螺传感器通过I2C电路与两块CPU相连，所述陀螺传感器采集的传感器信号在CPU中进行解析，当通过传感器信号判断出机器人底座、控制柜处于位移状态时，机器人进入安全保护状态。
4.根据权利要求1所述的机器人通用安全控制装置，其特征在于，所述安全执行板还设有手动松抱闸电路、示教盒接口、急停扩展模块接口、控制柜接口、驱动器接口、接触器接口、限位抱闸接口、外部急停安全门接口、IO板接口、执行板接口和安全输出接口，所述安全输出接口连接所述强制导向继电器。
5.根据权利要求1所述的机器人通用安全控制装置，其特征在于，所述两块CPU通过通用异步收发传输器连接。
6.根据权利要求5所述的机器人通用安全控制装置，其特征在于，所述两块CPU的所有信息都通过通用异步收发传输器进行验证，若两块CPU的状态信息不一致，则机器进入安全保护状态。
7.根据权利要求1所述的机器人通用安全控制装置，其特征在于，所述装置的通信接口兼容CAN与 EtherCat两种通信协议。
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