CN113478508A - 一种基于压力感应的运动机械保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于运动机械，尤其是机械臂、机床等精密设备，基于感应压力变化且具有非特定点的面状限位功能的防护方法。该方法包括气囊、压力感应单元、防护控制单元、防护执行单元；气囊内部的压力感应单元可以实时感应所述气囊的内部压力值变化，进而将参数传递给所述防护控制单元；防护控制单元根据其所具有的控制规律输出保护控制量给所述防护执行单元；防护执行单元收到保护控制量后执行停止机械运动的操作，从而形成对于运动机械的非特定点的面状限位保护功能。本发明的技术方案简单且易于实现，开发及维护成本低，具有很好的实用性。

Description

一种基于压力感应的运动机械保护方法

技术领域

本发明涉及生产制造领域，特别是一种应用于运动机械，尤其是机械臂、机床等精密设备，基于感应压力变化且具有非特定点的面状限位功能的防护方法。

背景技术

运动机械设备在对于物料的操作及运动机械设备自身位置运动变化的过程中，以及运动机械协作操作时，运动机械的工作空间会与工人的工作空间产生交叉干涉，运动机械之间的工作空间也会存在交叉干涉。运动机械在使用操作过程中，需要在空间中进行大范围的移动、执行一些复杂的动作。在这个过程中，运动机械一旦发生碰撞会导致严重结果，将给运动机械带来不同程度的损坏，从而增加维修保养成本和时间。

专利文献CN108436977A公开了一种工业机械臂安全保护装置，通过设置外皮装置中导光栅格位置，从而在碰撞时改变导光栅格光导率，来感知碰撞位置，从而通知机械臂做出响应。专利文献CN207929651U公开了一种防机械臂压篮的保护装置，通过机械臂上检测硅片篮的多个传感器，检测硅片篮是否被提起，传感器与PLC控制器电连接，PLC控制器判断设备是否异常，从而实现保护压篮的功能。两者在一定程度上能够感知外界物体与机械臂的接触，但是第一种装置在发生碰撞后，没有缓冲装置不能很好得保护好机械，并且外皮装置及光栅格的结构复杂，技术实现难度较高；第二种装置只具有对特定点进行限位保护，无法实现对非特定点的面状连续性防护。

发明内容

为达到上述的目的，本发明所采取的技术方案为：

一种应用于运动机械，尤其是机械臂、机床等精密设备，基于感应压力变化且具有非特定点的面状限位功能的防护方法，其特征在于：所述的防护方法是由所述覆盖于运动机械的被保护面的气囊（101）、在气囊内部的压力感应单元（102）、防护控制单元（103）、防护执行单元（104）连接而构成；所述覆盖于运动机械被保护面的气囊（101）的外层是由弹性材料构成的封闭结构，其内部充满流体可以在运动机构部件的碰撞或挤压下产生形变，进而使得内部压力值发生变化；所述气囊内部的压力感应单元（102）可以实时感应所述气囊（101）的内部压力值变化，进而将相应参数传递给所述防护控制单元（103）；所述防护控制单元（103）根据其所具有的控制规律输出保护控制量给所述防护执行单元（104）；所述防护执行单元（104）收到保护控制量后执行停止机械运动的操作，从而形成对于运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

进一步地，根据本发明所述的基于压力感应的运动机械保护方法，所述气囊（101）的内部可以但不限定是气体，也可以是液体等其他流体形式的介质。

根据本发明所述的基于压力感应的运动机械保护方法，所述防护控制单元（103）内部具有的控制规律是基于所述气囊（101）的内部压力值变化而设定，包括：所述气囊（101）由于运动机构部件的碰撞或挤压下产生形变，使得内部压力值发生上升并超过预设值；以及其后由于运动机构部件进一步碰撞或挤压，使得气囊外层破裂，导致所述气囊（101）的内部压力值下降至外部环境压力值，所述防护控制单元（103）内部的控制规律是基于上述内部压力值的实时变化而确定所输出保护控制量。

根据本发明所述的基于压力感应的运动机械保护方法，所述内部控制规律可为单阀值控制、双阀值控制、参考曲线逼近等控制方法。单阀值控制规律为，当气囊内部压力值超过上限阀值时或者气囊内部压力值低于下限阀值时，则输出保护控制量。双阀值控制规律为，当气囊内部压力值超过上限阀值时且随后气囊内部压力值低于下限阀值时，则输出保护控制量。参考曲线逼近控制规律为，当气囊内部压力值在一定时间内与设定的压力值参考曲线误差小于规定范围，则输出保护控制量。通过上述的内部控制规律实现了运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

根据本发明所述的基于压力感应的运动机械保护方法，所述气囊（101）是外层由弹性材料构成的封闭结构，其内部压力值大于外部环境压力值，且覆盖于运动机械的被保护面，因此在运动机构部件的非正常碰撞或挤压下，所述气囊（101）会产生形变而具有一定反弹力，进而反向阻碍运动机构部件的运动，从而增强了对于该运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

根据本发明所述的基于压力感应的运动机械保护方法，其特征在于，所述气囊（101）可以是一个或多个，相应的压力感应单元（102）也可以是一个或多个。

根据本发明所述的基于压力感应的运动机械保护方法，其特征在于，所述气囊（101）与机械本体粘结可以是物理粘结，也可以是化学产品粘结。

本发明的有益效果是：

（1）通过引入内部充满流体的气囊，并覆盖于运动机械的被保护面，压力传感器置于气囊内部，实时感知气囊内部压力值的变化并传输给防护控制单元，防护控制单元接收压力数据后进行转换和处理，用户可根据需求设置控制单元内部控制规律，将保护控制量输送给防护执行单元自动执行，可实现对于运动机械表面轮廓上的非特定点的面状连续限位保护功能；本发明的技术方案简单且易于实现。

（2）运动机械在发生非正常碰撞时，本发明中气囊产生弹性形变而具有一定的反弹力，增强了对于该运动机械的保护功能；从而能够实现电气自动感应控制和物理运动阻碍的双重防护功能。

（3）本发明可以采用成熟的压力传感、便洁的流体传递、可编程的自动控制策略等技术，气囊外层可使用橡胶、塑料、金属薄膜等弹性材料构成，整体系统的开发及维护成本较低。

（4）本发明的技术创新能够广泛应用于工业生产中的工业机械臂、数控机床、精密高速加工设备等，因此应用前景非常广阔，具有很高的实用性。

附图说明

图1为本发明的防护方法工作流程示意图；

图2为实施例中机械臂防护方法装置的整体机构示意图；

图3为实施例中机械臂防护方法装置电路图；

图4为实施例中单阈值控制的气囊内部压力值曲线；

图5为实施例中单阈值控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。在本实施例中，所述运动机械采用了串联型机械臂为例。

参考图1至图5。其中，图1为本发明的防护方法工作流程示意图，图2为实施例中机械臂防护方法装置的整体机构示意图，图3为实施例中机械臂防护方法装置电路图，图4为实施例中单阈值控制的气囊内部压力值曲线，图5为实施例中单阈值控制流程图。

本发明提供的一种基于感应压力变化且具有非特定点的面状限位功能的运动机械防护方法的流程，如图1所示，包括气囊（101）、压力感应单元（102）、防护控制单元（103）、防护执行单元（104）

如图1所示，运动机械在发生碰撞或挤压时，气囊（101）产生形变，进而使得内部压力值发生变化；所述气囊内部的压力感应单元（102）可以实时感应所述气囊（101）的内部压力值变化，进而将相应参数传递给所述防护控制单元（103）；所述防护控制单元（103）根据其所具有的控制规律输出保护控制量给所述防护执行单元（104）；所述防护执行单元（104）收到保护控制量后驱动执行元件，停止运动机械，从而形成对于运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

如图2所示，在本实施例中，机械臂防护方法装置包括了气囊（101）、压力感应单元（102）、防护控制单元（103）、防护执行单元（104）、机械臂（105）、总线线缆（106）。

如图2所示气囊（101）与机械臂（105）的被保护面紧密粘结贴合，粘结方式使用魔术贴物理粘结方式。气囊（101）外层由弹性材料构成的封闭结构，气囊（101）的内部充满空气，其内部压力值大于外部环境压力值，气囊内部压力值初始设为200kPa，且覆盖于机械臂（105）的被保护面。

机械臂（105）发生非正常碰撞时，通过挤压气囊（101），气囊（101）内部压力值上升；若进一步挤压导致气囊（101）外层破裂，内部压力值下降至外部环境压力值。压力感应单元（102）放置于气囊（101）内部，压力感应单元（102）采用了集成芯片FXPS7550A4，能够实现在20kPa至550kPa的压力范围内工作。

压力感应单元（102）通过总线电缆（106）与防护控制单元（103）连接，将压力数据的模拟量通过总线电缆（106）传输至防护控制单元（103），防护控制单元（103）采用STC12C5410AD单片机系统进行压力数据的A/D转换及数据处理分析。

防护控制单元（103）依据其内部编程写入的控制规律将转换后的实时压力数据与预设值进行对比。本实施例中采用了单阈值控制算法，预设值分为上限阀值及下限阀值，上限阀值为400kPa，下限阀值为105kPa。

当压力传感器（102）检测到的气囊内部压力值大于或等于上限阀值400kPa时，防护控制单元（103）便将输出保护信号通过总线电缆（106）传输给防护执行单元（104），防护执行单元（104）进而使得机械臂（105）掉电并停止工作；当压力传感器（102）感应到的气囊内部压力值小于或等于下限阀值105kPa时，也能触发防护控制单元（103）产生输出保护信号给防护执行单元（104），也使得机械臂（105）掉电并停止工作。

防护执行单元（104）通过总线电缆（106）以继电器开关形式控制机械臂（105）的电源，防护执行单元（104）接收到防护控制单元（103）发出的输出保护信号后执行断电操作，从而自动停止机械臂（105）运动，起到了对于机械臂（105）的非特定点的面状限位保护功能。

气囊（101）外层可由橡胶、塑料、金属薄膜等弹性材料构成封闭结构，机械臂（105）在非正常碰撞或挤压下，气囊（101）会产生形变，并且由于其材料特性，使气囊（101）有一定的反弹力，进而反向阻碍机械臂（105）的运动，起到一定的缓冲作用，从而增强了对于机械臂（105）的非特定点的面状限位保护功能。

如图3所示，机械臂防护方法装置电路包括了气囊（101）、压力感应单元（102）、防护控制单元（103）、防护执行单元（104）、总线线缆（106）。

如图3所示压力感应单元（102）可以贴合于所述气囊（101）的内壁，其输出的模拟量压力数值通过总线线缆（106）传输给防护控制单元（103），防护控制单元（103）由带A/D转换功能的单片机系统构成，防护控制单元（103）经过内部计算及与控制规律分析对比，输出保护控制量给防护执行单元（104），防护执行单元（104）由继电器进一步执行对机械臂（105）电源的通断控制。

如图4所示，横坐标为时间，纵坐标为气囊内部压力值。由于本实施例中采用了单阈值控制算法，当运动机械发生干涉或碰撞，导致气囊内部压力值超过上限阀值时，则触发执行机构的保护动作；或者随后气囊内部压力值低于下限阀值时，也会触发执行机构的保护动作；从而确保实现了运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

如图5所示，当运动机械工作时，防护控制单元（103）自动循环地实时检测气囊（101）内部压力大小，先将压力值与上限阀值进行对比，压力值超过上限阀值时则输出保护控制量；若压力值未超过上限阀值，则继续将此压力值与下限阀值进行对比，若压力值低于下限阀值则也会输出保护控制量，从而基于单阈值控制算法实现了对于该机械臂的非特定点的面状限位保护功能。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想，但本发明的保护范围并不局限于此。应当指出，以上所述仅为本专利的较佳实施例而已，并不用以限制本专利；凡在本专利的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于运动机械，尤其是机械臂、机床等精密设备，基于感应压力变化且具有非特定点的面状限位功能的防护方法，其特征在于：

所述的防护方法是由所述覆盖于运动机械的被保护面的气囊（101）、压力感应单元（102）、防护控制单元（103）、防护执行单元（104）连接而构成；所述覆盖于运动机械被保护面的气囊（101）的外层是由弹性材料构成的封闭结构，其内部充满气体可以在运动机构部件的碰撞或挤压下产生形变，进而使得内部压力值发生变化；所述气囊内部的压力感应单元（102）可以实时感应所述气囊（101）的内部压力值变化，进而将相应参数传递给所述防护控制单元（103）；所述防护控制单元（103）根据其所具有的控制规律输出保护控制量给所述防护执行单元（104）；所述防护执行单元（104）收到保护控制量后执行停止机械运动的操作，从而形成对于运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

2.根据权利要求1所述的基于压力感应的运动机械保护方法，其特征在于，所述气囊（101）的内部可以但不限定是气体，也可以是液体等其他流体形式介质。

3.根据权利要求1所述的基于压力感应的运动机械保护方法，其特征在于，所述防护控制单元（103）内部具有的控制规律是基于所述气囊（101）的内部压力值变化而设定，包括：所述气囊（101）由于运动机构部件的碰撞或挤压下产生形变，使得内部压力值发生上升并超过预设值；以及其后由于运动机构部件进一步碰撞或挤压，使得气囊外层破裂，导致所述气囊（101）的内部压力值下降至外部环境压力值，所述防护控制单元（103）内部的控制规律是基于上述内部压力值的实时变化而确定并输出保护控制量。

4.根据权利要求1所述的基于压力感应的运动机械保护方法，其特征在于，所述气囊（101）是外层由弹性材料构成的封闭结构，其内部压力值大于外部环境压力值，且覆盖于运动机械的被保护面，因此在运动机构部件的非正常碰撞或挤压下，所述气囊（101）会产生形变而具有一定反弹力，进而反向阻碍运动机构部件的运动，从而增强了对于该运动机械的非特定点的面状限位保护功能。

5.根据权利要求1所述的基于压力感应的运动机械保护方法，其特征在于，所述气囊（101）可以是一个或多个，相应的压力感应单元（102）也可以是一个或多个。

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