CN109551477B - 一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统，包括防碰撞装置和防爆控制箱，防碰撞装置包括喷枪加长杆、喷枪安装支架、喷枪及触须传感器单元，所述喷枪加长杆的一端通过第一法兰与外部机器人末端的驱动机构连接，其另一端与喷枪安装支架螺纹连接，所述喷枪设置在喷枪安装支架的前部，触须传感器单元分别设置在喷枪的周围且固定在喷枪安装支架上，所述触须传感器单元与防爆控制箱线路连接；受环境约束小。与红外或超声波等非接触式传感器相比，在黑暗、粉尘、烟雾、潮湿及强电磁干扰等恶劣环境下，触须传感器受环境的影响较小。

Description

一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统

技术领域

本发明创造属于机器人技术领域，尤其是涉及一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，视觉、力觉、触觉等传感器对机器人至关重要。非接触式传感器对环境要求较高，在一些能见度低、恶劣环境下，触觉传感器更加适用，其具有灵敏度高、对被测物体影响小、准确度高等优点。

由于工业机器人重量及体积通常较大，以及机器人转速较高，喷涂、喷砂等机器人在作业过程中与工件之间发生碰撞会造成严重后果。传统的机器人防碰撞设计多采用红外等非接触式传感器，但在机器人喷涂、喷砂等多漆雾、粉尘的恶劣环境下，该种传感器已不再适用。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种可广泛应用于喷涂、喷砂等恶劣环境作业的基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统包括防碰撞装置和防爆控制箱，其特征在于：防碰撞装置包括喷枪加长杆、喷枪安装支架、喷枪及触须传感器单元，所述喷枪加长杆的一端通过第一法兰与外部机器人末端的驱动机构连接，其另一端与喷枪安装支架螺纹连接，所述喷枪设置在喷枪安装支架的前部，触须传感器单元分别设置在喷枪的周围且固定在喷枪安装支架上，所述触须传感器单元与防爆控制箱线路连接。

进一步的，所述触须传感器单元包括侧触须传感器单元和前触须传感器阵列单元。

进一步的，所述前触须传感器阵列单元包括第二法兰、若干个传感器安装座及触须传感器。第二法兰通过一法兰支架安装在所述喷枪安装支架的顶端；所述传感器安装座分别设置在第二法兰的边侧且与其螺纹连接；每个传感器安装座上分别匹配一触须传感器且与其螺纹连接。

进一步的，所述第二法兰为U型法兰，所述传感器安装座均安装在法兰的弧形边侧；法兰的平口侧与喷枪的喷头同向，从而实现喷头正常工作。

进一步的，所述第二法兰的一端平面上还设有一沿轴向固定的触须传感器，其通过传感器安装座与第二法兰连接。

进一步的，所述侧触须传感器单元包括侧传感器安装支架、传感器安装座及触须传感器，侧触须传感器单元上的侧传感器安装支架分别设置于喷枪外部下端的左右两侧且固定在喷枪安装架上，每个侧传感器安装支架上分别设有两个传感器安装座且与其螺纹连接，每个传感器安装座上分别匹配一触须传感器且与其螺纹连接。

进一步的，所述防爆控制箱包括断路器、切换旋钮、控制按钮、指示灯及中间继电器，断路器与切换旋钮的信号输入端连接，切换旋钮的信号输出端与控制按钮、指示灯线路连接，中间继电器的信号输入端与控制按钮连接。

进一步的，所述控制按钮包括急停按钮和启动停止按钮。

进一步的，所述切换旋钮的一信号输出端与急停按钮连接，急停按钮的信号输出端与其中一触须传感器线路连接，若干个触须传感器之间依次串联连接；

切换按钮的另一信号输出端分别与启动停止按钮、就地指示灯及报警指示灯连接，启动停止按钮的信号输出端与中间继电器连接，中间继电器的信号输出端与触须传感器连接。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统具有以下优势：

(1)受环境约束小。与红外或超声波等非接触式传感器相比，在黑暗、粉尘、烟雾、潮湿及强电磁干扰等恶劣环境下，触须传感器受环境的影响较小；

(2)防碰撞可靠性较高。该专利中采用多个触须传感器阵列安装于机器人上，多方位布局，可360°防止机械臂与外界工件发生碰撞。每个传感器支架上有凹槽设计，当传感器受到冲击碰撞受力过大时，安装支架的凹槽处发生断裂，避免传感器与工件持续接触造成破坏；

(3)传感器便于安装及拆卸。触须传感器体积较小，其通过传感器上的两螺母固定安装于传感器支架上，传感器支架与安装于机器人上的支架螺钉连接，便于传感器的安装及拆卸；

(4)机器人轨迹示教时双重安全保护。该防碰撞系统操作可分为机器人示教运行模式及正常运行模式。轨迹调试过程中，其控制系统使得急停装置及触须传感器同时起到保护作用，发生碰撞时触须传感器有信号输入或拍下急停按钮，均可停止机器人动作。在正常工作模式下急停按钮起到保护作用，触须传感器被屏蔽，可根据设备的运行状态随时停止机器人动作；

(5)控制系统运行模式切换方便。在切换机器人示教运行模式及正常工作模式时，只需将防爆控制箱上的两档旋转按钮切换即可进行不同模式下的作业，切换方便易操作。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的防碰撞装置结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的前触须传感器阵列单元左侧示意图；

图3为本发明创造实施例所述的前触须传感器阵列单元右侧示意图；

图4为本发明创造实施例所述的传感器安装座结构示意图；

图5为本发明创造实施例所述的侧触须传感器单元示意图；

图6为本发明创造实施例所述的防爆控制箱模块示意图。

附图标记说明：

1、第一法兰；2、喷枪加长杆；3、喷枪安装支架；4、喷枪；5、侧触须传感器单元；6、前触须传感器阵列单元；7、法兰支架；8、第二法兰；9-传感器安装座；10-触须传感器；11-侧传感器安装支架；12、喷头。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种基于触须传感器阵列的机器人防碰撞系统包括防碰撞装置和防爆控制箱，防碰撞装置包括喷枪加长杆2、喷枪安装支架3、喷枪4及触须传感器单元，所述喷枪加长杆2的一端通过第一法兰1与外部机器人末端的驱动机构连接，其另一端与喷枪安装支架3螺纹连接，所述喷枪4设置在喷枪安装支架3的前部，触须传感器单元分别设置在喷枪4的周围且固定在喷枪4安装支架3上，所述触须传感器单元与防爆控制箱线路连接。

所述触须传感器单元包括侧触须传感器单元5和前触须传感器阵列单元6。

所述前触须传感器阵列单元6包括第二法兰8、若干个传感器安装座9及触须传感器10。第二法兰8通过一法兰支架7安装在所述喷枪安装支架3的顶端；所述传感器安装座9分别设置在第二法兰8的边侧且与其螺纹连接；每个传感器安装座9上分别匹配一触须传感器10且与其螺纹连接。

所述第二法兰8为U型法兰，所述传感器安装座9均安装在法兰的弧形边侧；法兰的平口侧与喷枪4的喷头12同向，从而实现喷头12正常工作。

所述第二法兰8的一端平面上还设有一沿轴向固定的触须传感器10，其通过传感器安装座9与第二法兰8连接。

所述侧触须传感器单元5包括侧传感器安装支架11、传感器安装座9及触须传感器10，侧触须传感器10单元5上的侧传感器安装支架11分别设置于喷枪4外部下端的左右两侧且固定在喷枪4安装架上，每个侧传感器安装支架11上分别设有两个传感器安装座9且与其螺纹连接，每个传感器安装座9上分别匹配一触须传感器10且与其螺纹连接。

所述防爆控制箱包括断路器、切换旋钮、控制按钮、指示灯及中间继电器，断路器与切换旋钮的信号输入端连接，切换旋钮的信号输出端与控制按钮、指示灯线路连接，中间继电器的信号输入端与控制按钮连接。

所述控制按钮包括急停按钮和启动停止按钮。

所述切换旋钮的一信号输出端与急停按钮连接，急停按钮的信号输出端与其中一触须传感器线路连接，若干个触须传感器之间依次串联连接；

切换按钮的另一信号输出端分别与启动停止按钮、就地指示灯及报警指示灯连接，启动停止按钮的信号输出端与中间继电器连接，中间继电器的信号输出端与触须传感器连接。

本发明的具体工作原理：

如图1所示，触须传感器单元安装于在机器人喷枪的加长杆组件上，防碰撞装置包括第一法兰(加长杆安装法兰)1、喷枪加长杆2、喷枪安装支架3、喷枪4、侧触须传感器单元5和前触须传感器阵列单元6。

加长杆安装法兰1与机器人末端驱动机构通过螺钉连接。喷枪加长杆2一端通过螺钉与加长杆安装法兰1连接，另一端通过螺钉与喷枪安装支架3连接。喷枪4安装于喷枪安装支架3前端，其安装方向根据需求可进行调整。

其中，前端触须传感器阵列单元6通过螺钉固定安装于喷枪安装支架3前部，用于防止喷枪加长杆组件前部及侧部与喷涂工件的碰撞；侧部触须传感器单元5分别通过螺钉固定安装于喷枪安装支架3两侧，用于防止喷枪加长杆组件侧部结构与喷涂工件的碰撞。

侧部触须传感器单元5及前端触须传感器阵列单元6将喷枪前部及侧部进行包围，起到了有效地避障作用。

如图2、3所示，喷枪前端触须传感器阵列单元包括法兰支架7、传感器安装法兰8、传感器安装座9、触须传感器10。

所述法兰支架7的一端通过螺钉固定安装于喷枪安装支架3前端，另一端通过螺钉与第二法兰(传感器安装法兰)8连接。第二法兰8用于喷枪前端的传感器安装，其结构形状可根据实际需要进行设计，不限于此。多个触须传感器呈一定角度圆周阵列安装于第二法兰8的周边上，实现机器人喷枪末端侧部的包围避障；此外，一个触须传感器单元安装于第二法兰8的前部，用于机器人喷枪末端前部的避障。其中，触须传感器10通过两螺母固定于传感器安装座9上，传感器安装座9通过两个螺钉与第二法兰8连接，便于传感器的安装与拆卸。图4为传感器安装座结构示意图。传感器安装座9为一L型架，安装有触须传感器10的板架根部开一凹槽，用于减小板架的强度，当触须传感器发生冲击碰撞受力过大时，板架凹槽处断裂，避免了触须传感器与工件间的持续接触，以避免喷涂工件表面受到破坏。

如图5所示，包括侧传感器安装支架11及两个传感器安装座9、两个触须传感器10。侧传感器安装支架11通过螺钉固定安装于喷枪安装支架3两侧，传感器安装座9通过螺钉呈一定角度安装于传感器安装支架11上，传感器安装支架11的形状不限于此，可根据实际需要进行设计。喷枪侧面触须传感器单元5安装于喷枪后部的周围，有效防止加长杆组件的结构与工件的直接碰撞。

如图6所示，防爆控制箱中包括断路器、两档旋转按钮、急停按钮、启动停止按钮、就地指示灯、报警指示灯、中间继电器。其中，各个元器件的功能如表1所示。

元器件	功能
		断路器	保护控制回路
两档旋转按钮	切换急停按钮(远程控制模式)与触须传感器(就地控制模式)的信号
		急停按钮	发生紧急情况时人工紧急停止机器
启动停止按钮	触须传感器控制回路上电、下电
		就地指示灯	切换到触须传感器(就地)的指示
报警指示灯	触须传感器报警指示
		中间继电器	输入回路和输出回路之间的互动

表1

本发明所述的防碰撞系统主要的应用环境为机器人自动工作场景以及机器人调整场景。

其中，总电气控制柜与防爆控制箱线路连接，从而达到远程控制的信号

输入输出。

(1)在正常机器人自动工作场景下，本发明切换旋钮切换到远程控制挡(即急停按钮一侧)，当遇到紧急状况时，人工按下急停按钮，急停信号通过串联在一起的触须传感器，其中，所述触须传感器可以看作为常闭开关，在不带电的情况下，触须传感器可以看作为一根导线，将急停信号通过控制回路中其他元件，上传到断路器，然后断路器自动切断机器人供电电流，机器人停止当前的动作；

(2)在机器人调整场景下，防爆控制箱中的切换旋钮旋转到就地控制挡(即启停按钮侧)，然后按下启动按钮，同时就地指示灯点亮，触须传感器上电，首先在调整机器人姿态时，当其中任意一个触须传感器产生碰撞信号，碰撞信号输出至中间继电器，然后传输至断路器自动切断机器人供电电流，机器人自动停止工作，报警指示灯点亮；

(3)由于机器人在进行喷砂、喷漆工作或者调整轨迹时，触须传感器必须下电，所以防爆控制箱上的旋转按钮调整到应急按钮一侧，然后根据机器人的姿态进行在线轨迹调整，然后再将防爆控制箱上的旋转按钮调整到就地控制模式，查看碰撞信号直至触须传感器输入信号消失，触须传感器离开报警范围。

该防碰撞系统不限于用于机器人末端的避障，还可根据需要布置于机器人关节等易发生碰撞的部位，以实现机器人整体结构的避障。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于触须传感器阵列的防碰撞系统，包括防碰撞装置和防爆控制箱，其特征在于：防碰撞装置包括喷枪加长杆、喷枪安装支架、喷枪及触须传感器单元，所述喷枪加长杆的一端通过第一法兰与外部机器人末端的驱动机构连接，其另一端与喷枪安装支架螺纹连接，所述喷枪设置在喷枪安装支架的的前部，触须传感器单元分别设置在喷枪的周围且固定在喷枪安装支架上，所述触须传感器单元与防爆控制箱线路连接；

所述触须传感器单元包括侧触须传感器单元和前触须传感器阵列单元；所述侧触须传感器单元设置在喷枪外部下端左右两侧，前触须传感器单元设置在喷枪安装支架顶端，前触须传感器单元的第二法兰端面设置一沿轴向固定的触须传感器；

所述前触须传感器阵列单元包括第二法兰、若干个传感器安装座及触须传感器；第二法兰通过一法兰支架安装在所述喷枪安装支架的顶端；所述传感器安装座分别设置在第二法兰的边侧且与其螺纹连接；每个传感器安装座上分别匹配一触须传感器且与其螺纹连接；

所述侧触须传感器单元包括侧传感器安装支架、传感器安装座及触须传感器，侧触须传感器单元上的侧传感器安装支架分别设置于喷枪外部下端的左右两侧且固定在喷枪安装架上，每个侧传感器安装支架上分别设有两个传感器安装座且与其螺纹连接，每个传感器安装座上分别匹配一触须传感器且与其螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于触须传感器阵列的防碰撞系统，其特征在于：所述第二法兰为U型法兰，所述传感器安装座均安装在法兰的弧形边侧；法兰的平口侧与喷枪的喷头同向，从而实现喷头正常工作。

3.根据权利要求1所述的一种基于触须传感器阵列的防碰撞系统，其特征在于：所述第二法兰的一端平面上还设有一沿轴向固定的触须传感器，其通过传感器安装座与第二法兰连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于触须传感器阵列的防碰撞系统，其特征在于：所述防爆控制箱包括断路器、切换旋钮、控制按钮、指示灯及中间继电器，断路器与切换旋钮的信号输入端连接，切换旋钮的信号输出端与控制按钮、指示灯线路连接，中间继电器的信号输入端与控制按钮连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于触须传感器阵列的防碰撞系统，其特征在于：所述控制按钮包括急停按钮和启动停止按钮。

6.根据权利要求5所述的一种基于触须传感器阵列的防碰撞系统，其特征在于：所述切换旋钮的一信号输出端与急停按钮连接，急停按钮的信号输出端分别与触须传感器连接；

切换按钮的另一信号输出端分别与启动停止按钮、就地指示灯及报警指示灯连接，启动停止按钮的信号输出端与中间继电器连接，中间继电器的信号输出端与触须传感器连接。

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