CN110682314A - 一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，包括末端执行器延长连杆、红外线发射器底座、红外线接收传感器底座、红外线发射器安装支架、红外线接收传感器安装支架、红外线发射器及红外线接收传感器，所述红外线发射/接收传感器底座安装在末端执行器延长连杆的前端，所述红外线发射/接收传感器安装支架与红外线发射/接收传感器安装底座，所述红外线发射/接收传感器安装在红外线发射/接收传感器安装支架上。本发明具有结构简单、便于装卸、触发灵敏且误触发率低，能够对机器人手臂或连杆部分进行环绕式全方位防碰撞保护，适用于各种不同型号的关节式工业机器人等优点。

Description

一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统

技术领域

本发明创造属于机器人技术领域，尤其是涉及基于红外线传感阵列的环绕式机器人连杆及手臂防碰撞系统。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，工业机器人在生产制造领域的应用越来越广泛，工业机器人重量和体积通常很大，刚度高，工作时移动速度快，一旦在作业过程中与工件或其他物体发生碰撞会造成严重后果。

传统的工业机器人防碰撞设计通常仅考虑机器人末端的防护，即在机器人末端执行器周围设计、安装一个（或多个）接触式（或接近式）传感器，一旦末端执行器靠近或接触异物，则传感器触发报警和机器人急停信号，避免严重的伤害发生。

实际上，机器人运动过程中可能发生干涉的区域不仅包含末端扫略过的空间，也包含安装末端执行器的安装支架（或延长杆）、机器人本体（即各段关节臂）扫过的空间，这些部位一旦与工件、人体或周边环境中的物体发生碰撞，后果同样非常严重。

然而，目前绝大多数的工业机器人系统中，这些部位的安全防撞都被忽略，部分原因是因为这些部位相对末端传感器来说尺寸大、形状不规则，理论上任何一个部位都有可能发生碰撞，而单个接触式（或接近式）传感器的作用范围和角度都是有限的，因此依靠安装接触式（或接近式）传感器的方法难以实现全方位的保护。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种基于红外线传感器的，可以安装在关节式工业机器人的手臂或连杆上，对这些部位进行全方位保护的安全防碰撞系统。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，包括碰撞检测装置和防爆控制箱，其特征在于：碰撞检测装置包括末端执行器延长连杆、红外线发射器底座、红外线接收传感器底座、红外线发射器安装支架、红外线接收传感器安装支架、红外线发射器及红外线接收传感器，所述红外线发射/接收传感器底座通过螺栓紧固安装在末端执行器延长连杆的前端，所述红外线发射/接收传感器安装支架与红外线发射/接收传感器安装底座通过T型槽与螺纹连接，所述红外线发射/接收传感器安装在红外线发射/接收传感器安装支架上，所述红外线发射/接收传感器间用航空插头连接并于防爆控制箱线路连接。

进一步的，所述红外线发射/接收传感器安装底座为抱箍，抱箍侧平面有T型槽，所述红外线发射/接收传感器安装支架通过T型螺栓安装在底座侧平面上，周向布置，支架安装方向与末端执行器延长连杆平行，多个红外线发射/接收传感器可装在同一T型槽中，可根据需要调整红外线发射/接收传感器的数量。

进一步的，所述红外线发射/接收传感器安装支架为L型，所述红外线发射/接收传感器安装在支架内侧。

进一步的，所述红外线发射/接收传感器上设T型槽，红外线发射/接收传感器可在支架上移动调整位置。

进一步的，所述红外线发射/接收传感器安装支架上开有腰型孔，可调节其上的红外线发射/接收传感器的位置，与红外线发射/接收传感器间用螺纹连接。

进一步的，所述红外线发射器与红外线接收传感器对称布置且一一对应。

进一步的，所述防爆控制箱包括断路器、复位按钮、模式选择旋钮、控制按钮、指示灯及中间继电器，断路器与模式选择按钮的信号输入端连接，模式选择按钮的信号输出端与控制按钮、指示灯线路连接，中间继电器与控制按钮连接。

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，所述模式选择旋钮的一个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个红外线接收传感器线路连接，若干个红外线接收传感器之间依次串联连接；

模式选择旋钮的另一信号输出端分别与启动/停止按钮及报警指示灯连接，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红外线接收传感器连接。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种基于红外线传感阵列的环绕式机器人连杆及手臂防碰撞系统具有以下优势：

(1) 可对机器人的手臂或连杆部位进行全面的防护。利用若干红外线发射/接收传感器，用红外线将机器人的手臂或连杆包裹起来，相当于其外围包裹了一层隐性的防护网，任何异物在与防护网内的手臂或连杆发生碰撞之前都会先接触到这层隐性防护网，阻断红外线，从而触发报警信号，解决了现有碰撞检测装置仅检测机器人末端而无法检测到机器人手臂是否发生碰撞的问题，机器人系统运行更加安全可靠；

(2) 触发动作灵敏且可靠。红外线发射和接收端之间形成了一条隐形的防护线，其可靠性体现在两个方面。一方面，红外线接收端接收不到红外线就会触发报警，这意味着只要有异物侵入防护网，必然会阻断光线、触发报警，动作灵敏；另一方面，这种触发方式只有异物侵入才会阻断光线、触发报警，红外传感器为光敏元器件，不受环境温湿度、速度加速度、振动的影响，不会误触发信号。而依靠物理原理的碰撞传感器，如触须式、拉线式等等，则非常容易受振动和加速度的影响，形成误触发，造成不必要的急停。

(2) 传感器便于安装及拆卸。红外线传感器体积小，通过滑轨和螺母固定安装在传感器支架上，传感器支架与安装于末端执行器延长连杆上的底座螺钉连接，便于传感器的安装及拆卸；

(3) 卡箍具有一定的适应能力，可以适应一定直径范围的机器人手臂，可以很便捷的安装到各种需要保护的区域，如工业机器人手臂、末端执行器安装支架、机器人手臂延长杆上进行防护（如图6所示对一种典型6轴工业机器人手臂进行防碰撞防护）；

(4) 机器人运行中的双重安全保护。该防碰撞系统分为机器人示教工作模式及自动工作模式。示教运行模式中，其控制系统使得急停装置起到保护作用，红外线传感器可以被屏蔽，可根据设备的运行状态随时停止机器人动作。在自动运行模式下人通常不在旁边监管，红外线传感器起到保护作用，此时若发生碰撞，被碰撞检测装置检测到，自动停止机器人当前动作；

(5) 控制系统运行模式切换方便。在切换机器人示教工作模式及自动工作模式时，只需将防爆控制箱上的模式选择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当异物侵入时的结构示意图；

图3为本发明创造实施例所述的红外线发射器阵列左侧示意图；

图4为本发明创造实施例所述的红外线发射器阵列右侧示意图；

图5为本发明创造实施例所述的红外线传感器安装支架结构示意图；

图6为本发明创造实施例所述的将防碰撞装置装在一种典型6轴工业机器人上的示意图。

图7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、延长杆安装法兰；2、红外线接收传感器阵列；3、末端执行器延长连杆；4、红外线发射器阵列；5、末端执行器安装支架；6、末端执行器；7、红外线发射器底座；8、红外线发射器安装支架；9、红外线发射器；10、红外线接收传感器底座；11、红外线接收传感器安装支架；12、红外线接收传感器。

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。

一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，包括碰撞检测装置和防爆控制箱，碰撞检测装置包括末端执行器延长连杆3、红外线发射器底座7、红外线接收传感器底座10、红外线发射器安装支架8、红外线接收传感器安装支架11、红外线发射器9及红外线接收传感器12，所述红外线发射器底座5通过螺栓紧固安装在末端执行器延长连杆的前端，所述红外线接收传感器底座2通过螺栓紧固安装在末端执行器延长连杆3的末端，所述红外线发射/接收传感器安装支架（8和11）与红外线发射/接收传感器安装底座（7和10）通过T型槽与螺纹连接，所述红外线发射/接收传感器（9和12）安装在红外线发射/接收传感器安装支架（8和11）上，所述红外线发射/接收传感器（9和12）间用航空插头连接并于防爆控制箱线路连接。

所述红外线发射器阵列4包括传感器支架8、红外线发射器9、传感器安装底座7。

所述传感器安装底座（7和10）为抱箍，抱箍侧平面有T型槽，所述传感器安装支架（8和11）通过T型螺栓安装在传感器安装底座（7和10）侧平面上，周向布置，支架安装方向与末端执行器延长连杆（3）平行，多个红外线发射/接收传感器（9和12）可装在同一T型槽中，可根据需要调整红外线发射/接收传感器（9和12）的数量。

所述红外线发射/接收传感器安装支架（8和11）为L型，所述红外线发射/接收传感器（9和12）安装在支架内侧。

所述红外线发射/接收传感器（9和12）上设T型槽，红外线发射/接收传感器可在支架上移动调整位置。

所述红外线发射/接收传感器安装支架（8和11）上开有腰型孔，可调节其上的红外线发射/接收传感器（9和12）的位置，与红外线发射/接收传感器（9和12）间用螺纹连接。

所述红外线发射器9与红外线接收传感器12对称布置且一一对应。

所述防爆控制箱包括断路器、复位按钮、模式选择旋钮、控制按钮、指示灯及中间继电器，断路器与模式选择按钮的信号输入端连接，模式选择按钮的信号输出端与控制按钮、指示灯线路连接，中间继电器与控制按钮连接。

所述控制按钮包括急停按钮和启动/停止按钮。

所述模式选择旋钮的一个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个红外线接收传感器线路连接，若干个红外线接收传感器之间依次串联连接；

模式选择旋钮的另一信号输出端分别与启动/停止按钮及报警指示灯连接，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红外线接收传感器连接。

本发明的具体工作原理：

如图1所示，红外线发射器阵列4和红外线接收传感器阵列2分别安装于在机器人末端执行器的加长杆组件上，防碰撞装置包括末端执行器延长连杆3、红外线发射器底座7、红外线接收传感器底座10、红外线发射器安装支架8、红外线接收传感器安装支架11、红外线发射器9及红外线接收传感器12。

延长杆安装法兰1与机器人末端法兰通过螺钉连接。末端执行器加长杆2一端通过螺钉与延长杆安装法兰1连接，另一端安装末端执行器6。

红外发射/接收器安装底座（7和10）为抱箍，通过螺钉安装在末端执行器加长杆上，上面安装有红外线发射器阵列4和红外线接收传感器阵列2，用于防止末端执行器加长杆与周边环境内的障碍物、工件或人体的碰撞。

红外线发射器阵列4和红外线接收传感器阵列2组成的红外线防护网包围住整个末端执行器加长杆，能起到有效的防护避障作用。

红外发射/接收传感器底座侧平面有T型槽，所述传感器安装支架（8和11）通过T型螺栓安装在传感器安装底座（7和10）侧平面上，周向布置，支架安装方向与末端执行器延长连杆3平行，多个红外线发射/接收传感器（9和12）可装在同一T型槽中，可根据需要调整红外线发射/接收传感器（9和12）的数量。

所述红外线发射/接收传感器（9和12）上设T型槽，红外线发射/接收传感器（9和12）可在支架上移动调整位置。

所述红外线发射/接收传感器安装支架（8和11）上开有腰型孔，可调节其上的红外线发射/接收传感器（9和12）的位置，与红外线发射/接收传感器（9和12）间用螺纹连接。可以根据实际防护需要或成本需要调整红外发射/接收传感器（9和12）的密度和位置，图3为红外线发射器阵列示意图，可以对红外线发射器的数量进行调整。也可以对红外发射/接收传感器底座（7和10）进行再设计，以适应不同的机器人手臂，图6是将此防碰撞装置安装在一种典型6轴工业机器人上进行防护的示意图。红外线发射/接收传感器（9和12）体积很小，可以极大减小加入此防护装置后对机器人操作空间的影响，安装在机器人手臂上也不会对末端执行器的工作产生影响。

如图2所示，当有异物侵入或即将碰撞到障碍物时，红外线的光路被遮挡，此时红外线接收传感器12无法接收到红外信号，发出警报，控制系统发出急停指令，有效保护机器人工作安全。排除故障后，按复位按钮系统继续正常运行。

如图7所示，防爆控制箱中包括断路器、复位按钮、模式选择按钮、急停按钮、启动/停止按钮、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。

表1

本发明所述的防碰撞系统主要的应用环境为机器人示教时以及机器人自动工作环境。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的输入输出。

（1）在机器人示教工作模式下，本发明模式选择旋钮切换到急停按钮一侧，当遇到紧急状况时，人工按下急停按钮，此时红外线接收传感器可以看作为常闭开关，在不上电时，红外线接收传感器可以看作为一根导线，将急停信号通过控制回路上传到断路器，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）在机器人自动工作模式下，防爆控制箱中的模式选择旋钮钮旋转到启动/停止按钮侧，红外线接收传感器上电，机器人自动工作过程中，当其中任意一个红外线接收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，报警指示灯亮起；

（3）自动模式下，机器人停止工作后，对故障进行检修，排除安全隐患后，按下复位按钮，碰撞检测控制系统恢复原位置，此时可以启动机器人继续工作。

该防碰撞系统不仅适用于末端执行器延长连杆的防碰撞保护，也可以根据需要布置于机器人各个手臂部位，实现机器人手臂部分的全方位防碰撞保护，并适用于目前市面上大多数型号的工业机器人。

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 (9)

1.一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，包括末端执行器延长连杆、红外线发射器底座、红外线接收传感器底座、红外线发射器安装支架、红外线接收传感器安装支架、红外线发射器及红外线接收传感器，所述红外线发射/接收传感器底座通过螺栓紧固安装在末端执行器延长连杆的前端，所述红外线发射/接收传感器安装支架与红外线发射/接收传感器安装底座通过T型槽与螺纹连接，所述红外线发射/接收传感器安装在红外线发射/接收传感器安装支架上，所述红外线发射/接收传感器间用航空插头连接并于防爆控制箱线路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述红外线发射/接收传感器安装底座为抱箍，抱箍侧平面有T型槽，所述红外线发射/接收传感器安装支架通过T型螺栓安装在底座侧平面上，周向布置，支架安装方向与末端执行器延长连杆平行，多个红外线发射/接收传感器可装在同一T型槽中，可根据需要调整红外线发射/接收传感器的数量。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述红外线发射/接收传感器安装支架为L型，所述红外线发射/接收传感器安装在支架内侧。

4.根据权利要求3所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述红外线发射/接收传感器上设T型槽，红外线发射/接收传感器可在支架上移动调整位置。

5.根据权利要求3所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述红外线发射/接收传感器安装支架上开有腰型孔，可调节其上的红外线发射/接收传感器的位置，与红外线发射/接收传感器间用螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述红外线发射器与红外线接收传感器对称布置且一一对应。

7.根据权利要求1所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述防爆控制箱包括断路器、复位按钮、模式选择旋钮、控制按钮、指示灯及中间继电器，断路器与模式选择按钮的信号输入端连接，模式选择按钮的信号输出端与控制按钮、指示灯线路连接，中间继电器与控制按钮连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述控制按钮包括急停按钮和启动/停止按钮。

9.根据权利要求7所述的一种基于红外线传感阵列的机器人连杆及手臂防碰撞系统，其特征在于：所述模式选择旋钮的一个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个红外线接收传感器线路连接，若干个红外线接收传感器之间依次串联连接；模式选择旋钮的另一信号输出端分别与启动/停止按钮及报警指示灯连接，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红外线接收传感器连接。

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