CN110605712A

CN110605712A - 机器人系统和安全控制装置

Info

Publication number: CN110605712A
Application number: CN201810613576.3A
Authority: CN
Inventors: 易星; 乔治·罗; 卓越
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2038-06-14
Also published as: CN110605712B

Abstract

本发明提供了一种机器人系统和安全控制装置。所述机器人系统包括：机器人单元；第一控制单元，被构造为生成用于控制机器人单元进行操作的控制命令，并被构造为接收机器人系统的安全相关信息并根据接收的安全相关信息生成第一安全命令；第二控制单元，被构造为接收机器人系统的安全相关信息，并根据接收的安全相关信息生成第二安全命令。机器人单元可以接收来自第一控制单元的第一安全命令和来自第二控制单元的第二控制命令，并可以根据第一安全命令和第二安全命令进行安全相关操作。因此，根据示例性实施例的机器人系统具有改善的安全可靠性。

Description

机器人系统和安全控制装置

技术领域

本发明涉及一种机器人系统和安全控制装置。

背景技术

机器人系统，例如，工业机器人系统通常包括控制单元和受控制单元控制以进行多种操作的机器人单元。机器人单元可以包括用于执行操作的机器人臂等执行机构、以及用于驱动机器人臂的驱动器、以及用于提供功率的电源等。控制单元可以生成用于控制机器人单元的控制命令。

为了保护在工业机器人系统环境中工作的其他设备和人员的安全，要求工业机器人系统具有特定的安全功能。例如，ISO 10218-1等国际标准以及GB 11291.1等的国家标准对于工业机器人的安全功能以及安全功能的可靠性进行了详细规定。

为了满足安全性的需要，现有的工业机器人系统通常采用两种方案。一种方案是为机器人系统配备另外的具有通用计算功能的控制器作为安全控制器，从而满足安全要求所需的全部功能，以为操作者提供可靠的安全控制。但是，机器人系统，例如，工业机器人系统通常包括控制单元和受控制单元控制以进行多种操作的机器人单元。机器人单元可以包括用于执行操作的机器人臂等执行机构、以及用于驱动机器人臂的驱动器、以及用于提供功率的电源等。控制单元可以生成用于控制机器人单元的控制命令。

为了满足安全性的需要，现有的工业机器人系统通常采用两种方案。一种方案是为机器人系统配备另外的具有通用计算功能的控制器作为安全控制器，从而满足安全要求所需的全部功能，以为操作者提供可靠的安全控制。但是，该方案会增加机器人系统的成本。另一种方案是为机器人系统配备专用的逻辑电路从而降低成本。但是，该方案仅能够提供基础的安全功能，且难以适用于不同的工业机器人系统。但是，该方案会增加机器人系统的成本。另一种方案是为机器人系统配备专用的逻辑电路从而降低成本。但是，这样的专用的集成电路因为运算能力有限，所以使得该方案仅能够提供基础的安全功能，且难以适用于不同的工业机器人系统。

发明内容

本发明旨在解决上述和/或其他技术问题并提供一种机器人系统和安全保护装置。

在一个示例性实施例中，一种机器人系统可以包括机器人单元；第一控制单元，被构造为生成用于控制机器人单元进行操作的控制命令，并被构造为接收机器人系统的安全相关信息并根据接收的安全相关信息生成第一安全命令；第二控制单元，被构造为接收机器人系统的安全相关信息，并根据接收的安全相关信息生成第二安全命令；其中，机器人单元接收来自第一控制单元的第一安全命令和来自第二控制单元的第二控制命令，并根据第一安全命令和第二安全命令进行安全相关操作。因此，该机器人系统可以具有改善的安全可靠性。此外，第二控制单元可以被实现为专用处理单元，例如，专用可编程逻辑电路。因此，根据示例性实施例的机器人系统可以以降低的成本来实现可靠的安全性。

第一控制单元还被构造为接收来自第二控制单元的第二安全命令，并确定第一安全命令和第二安全命令是否彼此一致，其中，当第一控制单元确定第一安全命令和第二安全命令彼此一致时，第一控制单元将第一安全命令发送到机器人单元。此外，第一控制单元还被构造为在确定第一安全命令和第二安全命令彼此不一致时，将安全故障控制命令发送到机器人单元。例如，安全故障控制命令包括用于停止机器人单元的操作的停止命令。这时，机器人单元被构造为在接收到安全故障控制命令时执行安全故障操作，即，对于机器人单元来说，安全故障控制命令具有高于第一和第二安全命令以及控制命令的执行优先级。

第二控制单元还被构造为接收来自第一控制单元的第一安全命令，并确定第一安全命令和第二安全命令是否彼此一致，其中，当第二控制单元确定第一安全命令和第二安全命令彼此一致时，第二控制单元将第一安全命令发送到机器人单元。第二控制单元还被构造为在确定第一安全命令和第二安全命令彼此不一致时，将安全故障控制命令发送到机器人单元。安全故障控制命令包括用于停止机器人单元的操作的停止命令。机器人单元被构造为在接收到安全故障控制命令时执行安全故障操作，即，对于机器人单元来说，安全故障控制命令具有高于第一和第二安全命令以及控制命令的执行优先级。

因此，根据示例性实施例的机器人系统的第一控制单元和第二控制单元可以实现交叉检查，从而可以在第一控制单元或第二控制单元本身出现故障的情况下仍保证机器人系统的安全性。因此，可以满足ISO 10218-1等国际标准以及GB 11291.1等的国家标准对于工业机器人的安全功能以及安全功能的可靠性的要求或实现更高的安全可靠性。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是示出根据示例性实施例的机器人系统的示意性框图。

附图标记说明

100机器人单元 300第一控制单元 500第二控制单元

10非安全相关信息 30安全相关信息

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1是示出根据示例性实施例的机器人系统的示意性框图。如图1中所示，根据示例性实施例的机器人系统可以包括：机器人单元100、第一控制单元300和第二控制单元500。

机器人系统可以是在工业自动化中使用的工业机器人系统。为此，机器人单元100是工业机器人，其可以包括用于执行操作的执行机构，即，操作机。这样的操作机可以是自动控制的、可重复编程的、多用途的、并可以对三个和三个以上轴进行编程。此外，这样的操作机可以是固定式或移动式的。在一个示例中，机器人单元100的执行机构可以为机器人臂。此外，机器人单元100可以包括用于驱动例如机器人臂的执行结构的驱动器、以及为机器人系统的各个元件进行供电的电源等。

第一控制单元300可以控制机器人单元100进行操作。例如，第一控制单元300可以生成用于控制之机器人单元进行操作的控制命令。换句话说，第一控制单元300可以被构造为机器人系统的控制器。因此，在下文中，第一控制单元也被称为机器人控制单元。

这里，第一控制单元300可以例如通过线缆、输入输出接口(IO)、Profinet(工业以太网)等方式连接到机器人单元100，从而接收来自机器人单元100的信息并将生成的控制命令发送到机器人单元100以控制机器人单元100进行操作。例如，第一控制单元300接收的信息可以包括机器人系统的安全相关信息30和非安全相关信息10。如下面将要详细描述的，安全相关信息30可以包括这样的信息，即，第一控制单元300和第二控制单元500可以根据这样的信息生成用于控制机器人单元100进行安全操作的安全命令，例如，安全相关信息30可以包括与机器人系统的安全相关组件相关的信息。非安全相关信息10可以包括例如用于生成控制机器人单元进行常规操作所需的信息，此外，非安全相关信息10还可以包括除了安全相关信息之外的其他信息。在一个示例中，非安全相关信息可以通过Profinet(工业以太网)和输入输出接口(IO)等方式发送到第一控制单元300，安全相关信息可以通过输入输出接口(IO)发送到第一控制单元300。第一控制单元300可以接收这样的非安全相关信息，并可以根据非安全相关信息生成用于控制之机器人单元100进行操作的控制命令。

根据示例性实施例，第一控制单元300还可以生成用于控制机器人单元100进行安全操作的安全命令。例如，第一控制单元300可以接收机器人系统的安全相关信息30，并根据接收的安全相关信息生成第一安全命令。换句话说，第一控制单元300既可以用于控制机器人单元100进行正常操作，又可以用于控制机器人单元100进行安全操作。为此，根据示例性实施例的第一控制单元300可以包括具备强大计算能力以能够控制机器人系统进行复杂操作的通用或专用的处理单元。例如，西门子公司的ET200SP系列产品能够满足机器人系统中的对于控制单元300的计算能力的需求，可以被用作第一控制单元300。

此外，第二控制单元500也可以接收机器人系统的安全相关信息30，并根据接收的安全相关信息生成第二安全命令。例如，安全相关信息可以通过输入输出接口(IO)发送到第二控制单元500。这里，第二控制单元500可以被构造为专用的安全处理器，以专门用于根据机器人系统的安全相关信息生成第二安全命令。例如，西门子公司的S7-1200系列产品可以被用作第二控制单元500。第二控制单元500可以与第一控制单元300接收相同的安全相关信息，并分别独立地产生第二安全命令和第一安全命令。

机器人单元100可以接收来自第一控制单元300的第一安全命令和来自第二控制单元500的第二控制命令，并可以根据第一安全命令和第二安全命令进行安全相关操作。例如，机器人单元100可以通过两个输入输出接口(IO)分别连接到第一控制单元300和第二控制单元500，从而分别接收第一安全命令和第二安全命令。通常情况下，机器人单元100分别从第一控制单元300和第二控制单元500接收的命令是彼此一致的，因此，机器人单元100可以根据第一安全命令和/或第二安全命令进行安全相关操作。下文中将详细描述机器人单元100分别从第一控制单元300和第二控制单元500接收的命令彼此不同的示例性实施例。

这里，机器人系统的安全相关信息可以包括与机器人系统的安全相关组件相关的信息。机器人系统的安全相关组件可以包括制动器、驱动器(例如，伺服驱动器)、示教器、急停功能相关组件(例如，安装在示教器上的急停按钮等)、安全笼、等等。机器人系统的安全相关信息可以包括制动器的制动状态信号、伺服驱动器的报错监视信号、零速检测(ZeroSpeed Detection，ZSP)监视信号、示教器的钥匙开关状态、示教器的使能开关状态、来自示教器的急停信号、来自机笼的急停信号、来自外部的急停信号、安全笼的门锁开关状态、等等。可以包括安装在机器人单元100的不同位置处的多个传感器来感测或通过设置在机器人单元100处的接口来接收安全相关信息。

机器人单元100的安全相关的操作可以包括例如驱动器的安全扭矩关闭(STO，Safe Torque Off)操作和限速(SLIM，Speed Limit)操作、以及电源的(AC power)关闭操作等。

因此，根据示例性实施例的机器人系统可以通过机器人控制单元(第一控制单元)和独立的安全控制单元(第二控制单元)生成的安全命令进行安全操作，从而提高机器人系统的安全可靠性。因此，根据示例性实施例的机器人系统可以满足机器人系统的安全需求，例如，满足ISO 10218-1等国际标准以及GB 11291.1等的国家标准对于工业机器人的安全功能以及安全功能的可靠性的要求。另外，独立的安全控制单元可以被实现为专用处理单元，例如，专用可编程逻辑电路。因此，根据示例性实施例的机器人系统可以以降低的成本来实现更为可靠的安全性。

如图1中所示，第一控制单元300和第二控制单元500可以彼此连接，例如通过输入输出接口(IO)连接。这样，第一控制单元300可以将第一安全命令发送到第二控制单元500，第二控制单元500也可以将第二安全命令发送到第一控制单元300。

当第一控制单元300接收到来自第二控制单元500的第二安全命令时，第一控制单元300可以确定第一安全命令和第二安全命令是否彼此一致。当第一控制单元300确定第一安全命令和第二安全命令彼此一致时，第一控制单元300将第一安全命令发送到机器人单元100。这里，因为第一安全命令和第二安全命令彼此一致，所以第一控制单元300可以任意地选择将第一安全命令或者第二安全命令发送到机器人单元100，例如，将第二安全命令发送到机器人单元100。

然而，当第一控制单元300确定第一安全命令和第二安全命令彼此不一致时，第一控制单元300可以将安全故障控制(fail safe control)命令发送到机器人单元100。这里，当机器人系统本身或机器人系统的安全功能出现了错误或故障时，例如，当发送到第一控制单元300和第二控制单元500的安全相关信息不一致时，或者当第二控制单元500不能正常工作时，第一控制单元300和第二控制单元500生成的第一安全命令和第二安全命令可能彼此不一致。这时，第一控制单元300可以将安全故障控制命令发送到机器人单元100。例如，安全故障控制命令可以包括用于使机器人单元100停止当前正在进行的所有操作的停止命令。

如上所述，机器人单元100通过独立的两个输入输出接口(IO)分别连接到第一控制单元300和第二控制单元500。因此，存在这样的情况，即，机器人单元100通过一个输入输出接口接收到来自第一控制单元300的安全故障控制命令，并同时通过另一个输入输出接口接收到来自第二控制单元500的第二安全命令。这时，机器人单元100可以根据安全故障控制命令来执行安全故障控制操作，例如，停止当前正在进行的所有操作，而不根据第二安全命令执行安全相关操作。换句话说，对于机器人单元100来说，安全故障控制命令具有高于安全命令和控制命令的执行优先级。因此，可以满足例如国际或国家标准所要求的或者实现更高的机器人系统的安全可靠性。

另一方面，当第二控制单元500接收来自第一控制单元300的第一安全命令时，第二控制单元500可以确定第二安全命令和第一安全命令是否彼此一致。当第二控制单元500确定第二安全命令和第二安全命令彼此一致时，第二控制单元500将第一安全命令或第二安全命令发送到机器人单元100。这里，因为第一安全命令和第二安全命令彼此一致，所以第二控制单元500可以任意地选择将第一安全命令或者第二安全命令发送到机器人单元100，例如，将第一安全命令发送到机器人单元100。

然而，当第二控制单元500确定第一安全命令和第二安全命令彼此不一致时，第二控制单元500可以将安全故障控制(fail safe control)命令发送到机器人单元100。这里，当机器人系统本身或机器人系统的安全功能出现了错误或故障时，例如，当发送到第一控制单元300和第二控制单元500的安全相关信息不一致时，或者当第一控制单元300不能正常工作时，第一控制单元300和第二控制单元500生成的第一安全命令和第二安全命令可能彼此不一致。这时，第二控制单元500可以将安全故障控制命令发送到机器人单元100。例如，安全故障控制命令可以包括用于使机器人单元100停止当前正在进行的所有操作的停止命令。

如上所述，机器人单元100通过独立的两个输入输出接口(IO)分别连接到第一控制单元300和第二控制单元500。因此，存在这样的情况，即，机器人单元100通过一个输入输出接口接收到来自第二控制单元500的安全故障控制命令，并同时通过另一个输入输出接口接收到来自第一控制单元300的第一安全命令。这时，机器人单元100可以根据安全故障控制命令来执行安全故障控制操作，例如，停止当前正在进行的所有操作，而不根据第二安全命令执行安全相关操作。换句话说，对于机器人单元100来说，安全故障控制命令具有高于安全命令和控制命令的执行优先级。

如上所述，根据示例性实施例的机器人系统的第一控制单元和第二控制单元可以实现交叉检查，从而可以在第一控制单元或第二控制单元本身出现故障等导致第一控制单元和第二控制单元的输出彼此不一致的情况下仍保证机器人系统的安全性。因此，可以满足ISO10218-1等国际标准以及GB 11291.1等的国家标准对于工业机器人的安全功能以及安全功能的可靠性的要求或实现更高的安全可靠性。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.机器人系统，其特征在于，所述机器人系统包括：

机器人单元(100)；

第一控制单元(300)，被构造为生成用于控制机器人单元进行操作的控制命令，并被构造为接收机器人系统的安全相关信息并根据接收的安全相关信息生成第一安全命令；

第二控制单元(500)，被构造为接收机器人系统的安全相关信息，并根据接收的安全相关信息生成第二安全命令；

其中，机器人单元(100)接收来自第一控制单元(300)的第一安全命令和来自第二控制单元(500)的第二控制命令，并根据第一安全命令和第二安全命令进行安全相关操作。

2.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，第一控制单元(300)还被构造为接收来自第二控制单元(500)的第二安全命令，并确定第一安全命令和第二安全命令是否彼此一致，

其中，当第一控制单元(300)确定第一安全命令和第二安全命令彼此一致时，第一控制单元(300)将第一安全命令发送到机器人单元。

3.如权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，第一控制单元(300)还被构造为在确定第一安全命令和第二安全命令彼此不一致时，将安全故障控制命令发送到机器人单元。

4.如权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，安全故障控制命令包括用于停止机器人单元的操作的停止命令。

5.如权利要求3所述的机器人系统，其特征在于，机器人单元(100)被构造为在接收到安全故障控制命令时执行安全故障操作。

6.如权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，第二控制单元(500)还被构造为接收来自第一控制单元(300)的第一安全命令，并确定第一安全命令和第二安全命令是否彼此一致，

其中，当第二控制单元(500)确定第一安全命令和第二安全命令彼此一致时，第二控制单元(500)将第一安全命令发送到机器人单元。

7.如权利要求要求6所述的机器人系统，其特征在于，第二控制单元(500)还被构造为在确定第一安全命令和第二安全命令彼此不一致时，将安全故障控制命令发送到机器人单元。

8.如权利要求7所述的机器人系统，其特征在于，安全故障控制命令包括用于停止机器人单元的操作的停止命令。

9.如权利要求7所述的机器人系统，其特征在于，机器人单元(100)被构造为在接收到安全故障控制命令时执行安全故障操作。