CN110794805A - 一种机器人安全电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人安全电路及其控制方法，包括信号获取电路、控制电路、逻辑运算电路、机器人急停电路和检测电路。本发明采用双控制芯片控制与硬电路继电器直接控制相结合的方法，危险信号发生时，采用断开动力电源、驱动器掉使能等措施停止机器人系统运行，并提示报警指示信息，通过多路冗余设计解决因部分元器件失效导致安全功能失效的问题；并通过对处理后的危险信号进行监测保障人身及设备的安全，消除了安全隐患，通过多节点保护，达到硬保护、软控制的效果，极大的提高了机器人的安全可靠性。

Description

一种机器人安全电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机器人安全电路及其控制方法。

背景技术

随着工业自动化的不断推进，大多生产产线实现自动化，各式工业机器人被运用到不同的产线适用不同的应用场景，从而节省了大量人力、财力，也提高了工作效率。工业机器人的安全工作成为研发设计中的重中之重，在机器人工作过程出现的危险情况也不尽相同，当出现紧急危险情况时，需要安全模块电路紧急停止机器人，保证机器人的安全性。

现有的安全模块功能实现过程为首先检测危险信号，判断危险信号是否被处理；然后在规定时间，危险信号未被处理，则安全模块动作，若在规定时间内危险信号被处理，则安全模块不动作；这种处理危险信号的方式存在以下问题：未对处理后的结果进行检测，无法做到可靠的保护，通过软件控制硬件电路的断开容易出现主芯片损坏，导致安全模块功能失效，机器人处于危险状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种机器人安全电路及其控制方法，采用双控制芯片控制与硬电路继电器直接控制相结合的方法，解决因元器件失效导致安全功能失效的问题，并通过对处理后的危险信号进行监测保障人身及设备的安全，极大的提高了机器人的安全可靠性。

本发明的目的通过以下两个方面的技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种机器人安全电路，包括

信号获取电路：用于获取机器人的各类危险触发信号，任意危险触发信号时，输出危险触发信号F；

控制电路：所述控制电路的输入端连接所述信号获取电路的输出端，至少包括三路控制模块，其中三路控制模块分别为第一控制芯片、第二控制芯片和一路硬件电路，所述控制电路接收所述危险触发信号F后，三路控制模块同时发出控制信号C；

逻辑运算电路：所述逻辑运算电路的输入端连接所述控制电路的输出端，所述逻辑运算电路获取任意数量的控制信号C后，对所述控制信号C执行逻辑“或”运算，输出一路控制执行信号Ce；

机器人急停电路：所述机器人急停电路的输入端连接所述逻辑运算电路的输出端，所述机器人急停电路接收所述控制执行信号Ce后，切断动力电开关，让驱动器掉使能，使机器人紧急停止；

检测电路，所述检测电路的输入端连接所述机器人急停电路的输出端，所述检测电路的输出端连接所述信号获取电路的输入端，所述检测电路用于检测机器人急停电路是否正常工作，并将机器人急停电路的工作情况反馈至信号获取电路。

进一步的，所述信号获取电路将机器人的各个危险信号通过常闭开关串联，任意一个危险信号触发时，所述信号获取电路都会处于断开状态，所述信号获取电路的状态改变从而输出危险触发信号F。

进一步地，所述信号获取电路通过与其连接的上拉电阻输出高电平危险触发信号F，或通过下拉电阻输出低电平危险触发信号F。

进一步地，所述硬件电路通过继电器控制，所述硬件电路接收高电平或低电平的危险触发信号F后输出控制信号C。

进一步地，所述第一芯片和所述第二芯片之间通过通讯的方式进行信号校验，确保输出的控制信号C状态一致。

进一步地，所述第一控制芯片和所述第二控制芯片均为任意可实现I/O监测并输出控信号的芯片，所述第一控制芯片和所述第二控制芯片可以为相同的芯片，也可以为不同的芯片。

进一步地，所述第一控制芯片为ARM、FPGA、单片机中的一种，所述第二芯片也为ARM、FPGA、单片机中的一种。

进一步地，所述逻辑运算电路可以为逻辑或门执行逻辑“或”运算、多个逻辑门组合形成逻辑“或”运算、纯硬件电路实现逻辑“或”运算中的一种。

进一步地，所述检测电路为电压检测电路或电流检测电路。

第二方面，本发明还提供一种机器人安全电路的控制方法，所述控制方法通过第一方面所述的机器人安全电路实现，包括：

通过信号获取电路获取机器人的各类危险信号，并监测机器人的运行状态，机器人出现危险情况输出危险触发信号F至控制电路；

控制电路通过三路冗余设计同时获取危险触发信号F并输出控制信号C，逻辑运算电路对控制信号C执行逻辑“或”运算，任意一路控制信号C有效时输出控制执行信号Ce至机器人急停电路；

机器人急停电路接收控制执行信号Ce后，切断机器人动力电开关、让驱动器掉使能，从而使机器人紧急停止；

通过检测电路监测机器人是否停止，并将检测信息反馈至信号获取电路。

本发明的有益效果是：本发明提供一种机器人安全电路及其控制方法，采用双控制芯片控制与硬电路继电器直接控制相结合的方法，危险信号发生时，采用断开动力电源、驱动器掉使能等措施停止机器人系统运行，并提示报警指示信息，通过多路冗余设计解决因部分元器件失效导致安全功能失效的问题；并通过对处理后的危险信号进行监测保障人身及设备的安全，消除了安全隐患，通过多节点保护，达到硬保护、软控制的效果，极大的提高了机器人的安全可靠性。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一个实施例的机器人安全电路的工作原理图。

图2是本发明的一个实施例的机器人安全点路与主控制器的工作原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的一种机器人安全电路，包括

信号获取电路：用于获取机器人的各类危险触发信号，任意危险触发信号时，输出危险触发信号F；

控制电路：所述控制电路的输入端连接所述信号获取电路的输出端，至少包括三路控制模块，其中三路控制模块分别为第一控制芯片、第二控制芯片和一路硬件电路，所述控制电路接收所述危险触发信号F后，三路控制模块同时发出控制信号C；

逻辑运算电路：所述逻辑运算电路的输入端连接所述控制电路的输出端，所述逻辑运算电路获取任意数量的控制信号C后，对所述控制信号C执行逻辑“或”运算，输出一路控制执行信号Ce；

机器人急停电路：所述机器人急停电路的输入端连接所述逻辑运算电路的输出端，所述机器人急停电路接收所述控制执行信号Ce后，切断动力电开关，让驱动器掉使能，使机器人紧急停止；

检测电路，所述检测电路的输入端连接所述机器人急停电路的输出端，所述检测电路的输出端连接所述信号获取电路的输入端，所述检测电路用于检测机器人急停电路是否正常工作，并将机器人急停电路的工作情况反馈至信号获取电路。

其中，所述信号获取电路同时获取机器人的多个危险信号，只要有任意一个危险信号就需要改变其输出状态，因此，所述信号获取电路可以将机器人的各个危险信号通过常闭开关串联，每个常闭开关代表一个危险信号,由于所有的常闭开关处于串联状态，所以信号获取电路获取到任意一个危险信号时，都会使所述信号获取电路由闭合状态变为断开状态，所述信号获取电路的状态改变从而输出危险触发信号F。

所述信号获取电路还可以通过多个常开开关并联的方式组成，每个常开开关代表一个危险信号，由于所有的常开开关处于并联状态，所以信号获取电路获取到任意一个危险信号时，都会使所述信号获取电路由断开状态变为闭合状态，所述信号获取电路的状态改变从而输出危险触发信号F。

本实施例的信号获取电路采用多个常闭开关串联的方式，信号获取电路连接的下拉电阻，在没有危险信号的时候，信号获取电路输出高电平；当有危险信号的时候，通过下拉电阻使信号获取电路输出低电平危险触发信号F。

其中，控制电路的三路控制模块获取同一个危险信号，通过硬件和软件设置，应该使三路控制模块在有危险触发信号F输入时输出相同的控制信号C.

本实施例的硬件电路通过电磁继电器实现控制，电磁继电器包括一个线圈和一组常开触点开关，线圈接收信号获取电路的信号，经过电路处理，当有低电平危险触发信号F输入继电器时，继电器线圈得电使常开触点开关闭合；常开触点开关一端连接电源，另一端连接逻辑运算电路的一个输入端，当常开触点开关闭合时，硬件电路输出一个高电平控制信号C至逻辑运算电路。

本实施例的第一控制芯片和第二控制芯片均为任意可实现I/O监测并输出控信号的芯片，所述第一控制芯片和所述第二控制芯片可以为相同的芯片，也可以为不同的芯片。

可实现I/O监测并输出控信号的芯片包括ARM、FPGA、单片机等，在本实施例中，第一控制芯片和第二控制芯片均采用STM32F407单片机，STM32F407为一种高性能、低成本、低功耗单片机。

第一控制芯片和第二控制芯片都通过一个I/O口获取低电平危险触发信号F后，通过软件设置，第一控制芯片和第二控制芯片均输出高电平控制信号C至逻辑运算电路，在工作过程中，第一控制芯片和第二控制芯片通过通讯的方式对各自接收和发送的数据进行校验，确保输出的信号一致，确保机器人保护的精度；并通过两路控制芯片的冗余设计，防止由于一个控制芯片失效后导致安全电路失效。

其中，本实施例的逻辑运算电路可以为逻辑或门执行逻辑“或”运算、多个逻辑门组合形成的电路执行逻辑“或”运算、纯硬件电路实现逻辑“或”运算中的一种，以上三种方式均可以实现逻辑“或”运算，在本实施例中，选用一个三输入或门执行逻辑“或”运算。

通过三输入或门同时获取硬件电路和两路控制芯片输出的控制信号，当任何一路输出的控制信号C为高电平时，三输入或门都将输出高电平控制执行信号Ce；即使两路控制模块都出现故障时，本实施例的安全电路都会触发。

其中，本实施例的机器人急停电路可以控制机器人的动力电源开关、驱动器使能端、功率器件控制端等，正常情况下，机器人急停电路与逻辑或门的输出端连接的端口为低电平，当机器人急停电路与逻辑或门连接的端口为高电平时，即逻辑或门输出控制执行信号Ce时，机器人急停电路断开机器人的动力电源开关和驱动器件的开关，并使驱动器掉使能，通过这一系列安全响应，从而使机器人紧急停止。

其中，本实施例的检测电路用于监测机器人的运行状态，可以为电压检测电路、电流检测电路等，本实施例的检测电路为电流检测电路。

当机器人正常运行时，电流检测电路检测到机器人的动力电源正常供电，驱动器正常使能，电流检测电路输出高电平信号至信号获取电路；当机器人停止时，电流检测电路检测到机器人的动力电源断开，驱动器掉使能，电流检测电路输出低电平信号至信号获取电路。

如图2所示，本实施例的安全电路还连接至机器人主控制器，其中，主控制器的一个输出端连接机器人急停电路的输入端，用于控制机器人的停止和运行；主控制器的另一个输出端连接至安全电路，获取安全电路的运行状态，当外部危险信号发生后，通过安全电路对其断电，断使能等操作，紧急制动机器人，同时安全电路将危险触发信号F发送至主控制器，主控制根据危险触发信号F发出报警信号。

通过电流检测电路对当前动力电源开关等电路输出的信号检测并反馈至安全模块进行监测时，若外部危险信号发生后，电流检测电路仍输出高电平信号至信号获取电路，表示安全电路异常，此情况下，安全电路发出异常信号至主控制器，通过主控制器断开动力电源开关、驱动器掉使能等电路。

本实施例的工作原理：当机器人出现危险信号时，通过信号获取电路获取到该危险信号，并输出危险触发信号F至控制电路；所述控制电路包括三路控制模块，三路控制模块分别为继电器控制的硬件电路、第一控制芯片和第二控制芯片，控制电路获取到危险触发信号F后，三路控制模块都输出高电平控制信号C至逻辑或门，通过逻辑或门输出高电平控制执行信号Ce，通过三路控制模块的冗余设计，有效保障了安全电路的有效运行；机器人急停电路获取到高电平的控制执行信号Ce后，断开机器人的动力电源开关、让驱动器掉使能，使机器人紧急停止；通过电流检测电路获取机器人的运行状态反馈至信号获取电路。

在危险信号发生后，若机器人停止，同时安全电路将危险触发信号F发送至主控制器，主控制根据危险触发信号F发出报警信号；在危险信号发生后，若电流检测电路仍检测到机器人未停止，则安全电路发出异常信号至主控制器，通过主控制器断开动力电源开关、驱动器掉使能等电路。

本实施例还提供一种机器人安全电路的控制方法，所述控制方法通过本实施例的机器人安全电路实现，包括：

通过信号获取电路获取机器人的各类危险信号，并监测机器人的运行状态，当机器人出现危险情况输出危险触发信号F至控制电路；

控制电路通过三路冗余设计同时获取危险触发信号F并输出控制信号C，逻辑或门对控制信号C执行逻辑“或”运算，任意一路控制信号C为高电平时输出高电平控制执行信号Ce至机器人急停电路；

机器人急停电路接收控制执行信号Ce后，切断机器人动力电开关、让驱动器掉使能、让功率器件电路断电，从而使机器人紧急停止；

通过检测电路监测机器人是否停止，并将检测信息反馈至信号获取电路。

本实施例提供一种机器人安全电路及其控制方法，采用双控制芯片控制与硬电路继电器直接控制相结合的方法，危险信号发生时，采用断开动力电源、驱动器掉使能等措施停止机器人系统运行，并提示报警指示信息，通过多路冗余设计解决因部分元器件失效导致安全功能失效的问题；并通过对处理后的危险信号进行监测保障人身及设备的安全，消除了安全隐患，通过多节点保护，达到硬保护、软控制的效果，极大的提高了机器人的安全可靠性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种机器人安全电路，其特征在于，包括

信号获取电路：用于获取机器人的各类危险信号，获取到任意危险信号时，输出危险触发信号F；

控制电路：所述控制电路的输入端连接所述信号获取电路的输出端，至少包括三路控制模块，其中三路控制模块分别为第一控制芯片、第二控制芯片和一路硬件电路，所述控制电路接收所述危险触发信号F后，三路控制模块同时发出控制信号C；

逻辑运算电路：所述逻辑运算电路的输入端连接所述控制电路的输出端，所述逻辑运算电路获取任意数量的控制信号C后，对所述控制信号C执行逻辑“或”运算，输出一路控制执行信号Ce；

机器人急停电路：所述机器人急停电路的输入端连接所述逻辑运算电路的输出端，所述机器人急停电路接收所述控制执行信号Ce后，切断动力电开关，让驱动器掉使能，使机器人紧急停止；

检测电路，所述检测电路的输入端连接所述机器人急停电路的输出端，所述检测电路的输出端连接所述信号获取电路的输入端，所述检测电路用于检测机器人急停电路是否正常工作，并将机器人急停电路的工作情况反馈至信号获取电路。

2.如权利要求1所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述信号获取电路将机器人的各个危险信号通过常闭开关串联，任意一个危险信号触发时，所述信号获取电路都会处于断开状态，所述信号获取电路的状态改变从而输出危险触发信号F。

3.如权利要求2所述的一种，其特征在于，所述信号获取电路通过与其连接的上拉电阻输出高电平危险触发信号F，或通过下拉电阻输出低电平危险触发信号F。

4.如权利要求1所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述硬件电路通过继电器控制，所述硬件电路接收高电平或低电平的危险触发信号F后输出控制信号C。

5.如权利要求1所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述第一芯片和所述第二芯片之间通过通讯的方式进行信号校验，确保输出的控制信号C状态一致。

6.如权利要求1所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述第一控制芯片和所述第二控制芯片均为任意可实现I/O监测并输出控信号的芯片，所述第一控制芯片和所述第二控制芯片可以为相同的芯片，也可以为不同的芯片。

7.如权利要求6所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述第一控制芯片为ARM、FPGA、单片机中的一种，所述第二芯片也为ARM、FPGA、单片机中的一种。

8.如权利要求1所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述逻辑运算电路可以为逻辑或门执行逻辑“或”运算、多个逻辑门组合形成逻辑“或”运算、纯硬件电路实现逻辑“或”运算中的一种。

9.如权利要求1所述的一种机器人安全电路，其特征在于，所述检测电路为电压检测电路或电流检测电路。

10.一种机器人安全电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过权利要求1至9任意一项所述的机器人安全电路实现，包括：

通过信号获取电路获取机器人的各类危险信号，并监测机器人的运行状态，机器人出现危险情况输出危险触发信号F至控制电路；

控制电路通过三路冗余设计同时获取危险触发信号F并输出控制信号C，逻辑运算电路对控制信号C执行逻辑“或”运算，任意一路控制信号C有效时输出控制执行信号Ce至机器人急停电路；

机器人急停电路接收控制执行信号Ce后，切断机器人动力电开关、让驱动器掉使能，从而使机器人紧急停止；

通过检测电路监测机器人是否停止，并将检测信息反馈至信号获取电路。

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