CN114055521A - 一种移动机器人缓碰撞方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动机器人监测技术领域，具体涉及一种移动机器人缓碰撞方法及系统，解决了现有技术中移动机器人碰撞停机的方法存在响应时间长、检修成本高的问题；所述方法包括：对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测获得振动加速度测量值，再判断振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，然后根据判断结果输出停机指令控制移动机器人急停；所述系统包括：加速度检测装置，与加速度检测装置连接的数据采集装置，与数据采集装置连接的控制装置和上位机；本发明能够快速识别出移动机器人发生碰撞，大大缩短了从碰撞发生到移动机器人停止动作的响应时长，对移动机器人及机床起到保护作用。

Description

一种移动机器人缓碰撞方法及系统

技术领域

本发明涉及移动机器人监测技术领域，特别地涉及一种移动机器人缓碰撞方法及系统。

背景技术

桁架机械手是一种对工件进行工位调整，或实现工件的轨迹运动等功能的全自动工业设备，作为一种成本低廉、系统结构简单的自动化移动机器人，常被应用于点胶、滴塑、喷涂、码垛、分拣、包装、焊接、金属加工、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业制造领域，在替代人工，提高生产效率，稳定产品质量等方面都具备显著的应用价值。

桁架机械手通过工业控制器对各种输入信号进行分析处理，做出一定的逻辑判断后，对各个输出元件下达执行命令，以此实现一整套的全自动作业流程，比如为其末端工作头处的工装夹具下达夹取工件的指令。但在桁架机械手运行过程中，常常因为外界因素，其工装夹具可能与机床、工件等发生碰撞，若撞击力较大，还可能造成桁架机械手、机床或工件的严重损伤。

目前，在工厂中使用的桁架机械手，一般通过识别电机过载来判断是否发生碰撞，若桁架机械手发生碰撞，其驱动电机的电流会过载，工业控制器识别到驱动电机的电流过载后，才输出停止桁架机械手运行的信号，这种碰撞停机的方式处理碰撞事件，响应时间较长，整个过程至少需要500毫秒才能完成，但此期间，碰撞可能还在继续加大，因此可能还会发生更加严重的碰撞事件，从而造成严重的财产损失。而且，这种碰撞停机方法在后续故障时，只能对整个移动机器人的控制系统进行检修，导致检修成本较大。

因此，针对上述问题，提出一种响应时间较短、检修成本较低的移动机器人缓碰撞方法及系统是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，本发明提供了一种移动机器人缓碰撞方法及系统，解决了现有移动机器人碰撞停机的方法存在响应时间长、检修成本高的问题，通过判断检测的振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令控制移动机器人急停，达到快速识别出移动机器人发生碰撞并立即停机的目的。

本发明采用的技术方案如下：

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种移动机器人缓碰撞方法，所述方法包括：

对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测，以获得振动加速度测量值；

判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令；

根据所述停机指令控制所述移动机器人急停。

根据本发明的实施例，可选的，上述移动机器人缓碰撞方法中，判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，包括：

对所述振动加速度测量值进行滤波处理，判断经过滤波处理后的振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值。

根据本发明的实施例，可选的，上述移动机器人缓碰撞方法中，对所述振动加速度测量值进行滤波处理，包括：

利用高通滤波器滤除掉频率低于预设截止频率的振动加速度测量值，以去除干扰。

根据本发明的实施例，可选的，上述移动机器人缓碰撞方法中，所述方法还包括：

对移动机器人正常运行时和受到模拟碰撞时指定部位的振动加速度分别进行检测，以获得正常运行振动加速度时域数据和模拟碰撞振动加速度时域数据，其中，模拟碰撞为对移动机器人进行的碰撞试验；

利用离散傅里叶变换将所述正常运行振动加速度数据和模拟碰撞振动加速度数据从时域转化为频域，获得相关频谱；

对相关频谱中振动能量集中频带进行对比，得到反映移动机器人发生碰撞的有效频带，其中，所述有效频带为移动机器人正常运行时振动幅值衰减至最低对应的频率到受到模拟碰撞时振动幅值衰减至最低对应的频率；

以有效频带的最小值设定截止频率。

根据本发明的实施例，可选的，上述移动机器人缓碰撞方法中，判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令，包括：

判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，若超出，则判断当前振动为移动机器人受到碰撞振动，若未超出，则判断当前振动为移动机器人正常运行振动；

当判断当前振动为移动机器人受到碰撞振动时，输出停机指令，以控制所述移动机器人急停。

根据本发明的实施例，可选的，上述移动机器人缓碰撞方法中，根据所述停机指令控制所述移动机器人急停包括：

根据所述停机指令控制移动机器人的驱动电机停转，以实现移动机器人急停。

第二方面，本发明提供了一种基于上述移动机器人缓碰撞方法的移动机器人缓碰撞系统，所述系统包括：

加速度检测装置，用于检测移动机器人的振动加速度，以获得振动加速度测量值；

数据采集装置，与所述加速度检测装置连接，用于接收移动机器人的振动加速度测量值，并判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令；

控制装置，与所述数据采集装置连接，用于根据所述数据采集装置输出的停机指令控制所述移动机器人急停。

根据本发明的实施例，可选的，上述移动机器人缓碰撞系统中，所述系统还包括：

上位机，与所述数据采集装置连接，用于设定振动加速度门限值和截止频率。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

1.本发明提供的一种移动机器人缓碰撞方法及系统，通过对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测获得振动加速度测量值，再判断振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，然后根据判断结果输出停机指令控制移动机器人急停，能够快速识别出移动机器人发生碰撞，并立即采取停机措施，相比现有通过判断移动机器人电流过载进行碰撞停机的方法，大大缩短了从碰撞发生到移动机器人停止动作的响应时长，可以有效减少碰撞对移动机器人、机床和工件造成的损伤，对移动机器人及机床起到保护作用。

2.本发明提供的一种移动机器人缓碰撞方法，利用高通滤波器滤除掉频率低于预设截止频率的振动加速度测量值，以去除干扰，可以防止正常运行时的数据对后续判断振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值造成干扰，提升了撞击判断的准确性。

3.本发明提供的一种移动机器人缓碰撞系统，减少了移动机器人发生碰撞到停止动作的时间，可以避免发生更严重的撞击事故，对应地，也降低了维修移动机器人和机床的成本；该系统中各个装置独立，当系统存在故障时，只需要对存在故障的装置进行检修即可，不需要对整个移动机器人进行全面排查和检修，进一步降低了设备维修成本和难度。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1为本发明实施例一提供的一种移动机器人缓碰撞方法的流程示意图。

图2为本发明实施例一提供的一种移动机器人缓碰撞方法的步骤1.2中桁架机械手正常运行时的振动频谱图；

图3为本发明实施例一提供的一种移动机器人缓碰撞方法的步骤1.2中桁架机械手受到模拟碰撞时的振动频谱图；

图4为本发明实施例二提供的一种移动机器人缓碰撞系统的连接示意图。

上述图中，1.左夹爪、2.右夹爪、3.横梁、4.加速度检测装置、5.数据采集装置、6.上位机、7.控制装置、8.驱动电机。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种移动机器人缓碰撞方法，其中，移动机器人的工装夹具会根据特定的工艺要求或工件的形状、大小、材质等有不同形式，包括吸取式的真空吸盘、托取式的卡盘、夹取式的夹爪和插取式的针头中的至少一种，从而使移动机器人能满足于不同领域、不同工况的应用要求。

本实施例以采用夹爪的桁架机械手为例进行说明，但是不限于此，所述方法包括以下步骤：

步骤1：设定振动加速度门限值和截止频率；

步骤1.1：对移动机器人正常运行时和受到模拟碰撞时指定部位的振动加速度分别进行检测，以获得正常运行振动加速度数据和模拟碰撞振动加速度数据，其中，模拟碰撞为对移动机器人进行的碰撞试验；

本实施例中，通过振动加速度传感器对桁架机械手横梁、左夹爪和右夹爪的振动加速度分别进行检测，先在桁架机械手正常运行时进行检测，得到正常运行振动加速度时域数据；

为了确定检测桁架机械手振动加速度的最佳指定部位和设定截止频率，对桁架机械手进行模拟碰撞，使用1500N的力进行敲击，再通过振动加速度传感器对桁架机械手横梁、左夹爪和右夹爪的振动加速度分别进行检测，得到模拟碰撞振动加速度时域数据；

步骤1.2：利用离散傅里叶变换将所述正常运行振动加速度数据和模拟碰撞振动加速度数据从时域转化为频域，获得相关频谱，其中离散傅里叶变换公式为：

其中，X(k)表示频域数据、x(n)表示时域数据，N为频域数据X(k)的长度，n为时域数据x(n)的长度，k＝0,1,…,N-1；

本实施例中，利用离散傅里叶变换将正常运行振动加速度数据从时域转化为频域得到如图2所示桁架机械手正常运行时的振动频谱图；

利用离散傅里叶变换将模拟碰撞振动加速度数据从时域转化为频域得到如图3所示桁架机械手受到模拟碰撞时的振动频谱图；

步骤1.3：对相关频谱中振动能量集中频带进行对比，得到反映移动机器人发生碰撞的有效频带，其中，所述有效频带为移动机器人正常运行时振动幅值衰减至最低对应的频率到受到模拟碰撞时振动幅值衰减至最低对应的频率；

本实施例中，由图2和图3可看出，桁架机械手正常运行时，横梁的振动能量主要集中在2000Hz以内，左夹爪和右夹爪的振动能量主要集中在500Hz以内，振动能量主要集中在较低且较窄的频带内；当桁架机械手受到模拟碰撞时，横梁的振动能量主要集中在500Hz以内，左夹爪和右夹爪的振动能量主要集中在4000Hz以内，振动能量主要集中在较宽的频带；

还可看出，桁架机械手的左夹爪和右夹爪受到模拟碰撞时比正常运行时的振动幅值更高，且能量频带也更宽，而桁架机械手的横梁虽然在本次模拟碰撞中，受到模拟碰撞时比正常运行时的振动幅值更低，但由于真实碰撞中的碰撞力肯定大于本次模拟碰撞的作用力，因此若在真实碰撞中，横梁受到碰撞时比正常运行时的振动幅值也会更高，但由于横梁受到模拟碰撞时比正常运行时的能量频带更窄，说明将振动加速度传感器设置在横梁处容易导致误触发，因此，确定检测桁架机械手振动加速度的最佳指定部位为左、右夹爪，即振动加速度传感器应设置在桁架机械手的左夹爪和右夹爪处，因此，本实施例只对左夹爪和右夹爪正常运行时和受到模拟碰撞时的频谱中振动能量集中频带进行对比；

本实施例中，桁架机械手正常运行时振动幅值衰减至最低对应的频率为500Hz，受到模拟碰撞时振动幅值衰减至最低对应的频率为4000Hz，受到模拟碰撞时振动幅值衰减至最低对应的频率远高于正常运行时振动幅值衰减至最低对应的频率，因此，得到本实施例反映桁架机械手发生碰撞的有效频带为500～4000Hz；

步骤1.4：以有效频带的最小值设定截止频率；

本实施例中，根据步骤1.3得到的有效频带500～4000Hz，以有效频带的最小值500Hz设定本实施例的截止频率为500Hz；

对截止频率设为500Hz进行验证，再次敲击桁架机械手，获得桁架机械手左夹爪和右夹爪的振动加速度数据，远大于正常运行时产生的振动加速度数据，说明，截止频率以下的振动加速度数据对判断桁架机械手是否受到比模拟敲击更严重的碰撞没有任何作用，反而可能造成干扰，因此，需要过滤掉截止频率以下的振动加速度数据，去除该部分的干扰；

步骤1.5：根据工作人员经验在上位机上设置振动加速度门限值；

本实施例中，设置振动加速度门限值为150m/s²；

步骤2：对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测，以获得振动加速度测量值；

本实施例中，根据步骤1确定的桁架机械手最佳检测位置为左夹爪和右夹爪，分别在左夹爪和右夹爪处设置振动加速度传感器，获得振动加速度测量值；

步骤3：判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令；

步骤3.1：对所述振动加速度测量值进行滤波处理，具体利用高通滤波器滤除掉频率低于预设截止频率的振动加速度测量值，以去除干扰；

本实施例中，根据步骤1.4设定的截止频率，利用高通滤波器滤除掉频率低于500Hz的振动加速度测量值，以去除干扰，提升撞击判断的准确性；

步骤3.2：判断经过滤波处理后的振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，若超出，则判断当前振动为移动机器人受到碰撞振动，若未超出，则判断当前振动为移动机器人正常运行振动；

本实施例中，根据步骤1.5设定的振动加速度门限值，经过步骤3.2滤波处理后的振动加速度测量值若超出150m/s²，则判断当前振动为桁架机械手受到碰撞的振动，当判断当前振动为正常运行振动时，返回步骤2继续对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测；

步骤3.3：当判断当前振动为移动机器人受到碰撞振动时，输出停机指令，以控制所述移动机器人急停；

本实施例中，步骤3.2判断当前振动为桁架机械手受到碰撞的振动，输出停机指令给桁架机械手的控制器；

步骤4：根据所述停机指令控制移动机器人的驱动电机停转，以实现移动机器人急停；

本实施例中，桁架机械手的控制器根据步骤3.3输出的停机指令控制其驱动电机停止转动，从而夹爪停止工作，实现了桁架机械手的急停。

本实施例提供的移动机器人缓碰撞方法，通过对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测获得振动加速度测量值，再判断振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，然后根据判断结果输出停机指令控制移动机器人急停，能够快速识别出移动机器人发生碰撞，并立即采取停机措施，相比现有通过判断移动机器人电流过载进行碰撞停机的方法，大大缩短了从碰撞发生到移动机器人停止动作的响应时长，可以有效减少碰撞对移动机器人、机床和工件造成的损伤，对移动机器人及机床起到保护作用；解决了现有移动机器人碰撞停机的方法存在响应时间长、检修成本高的问题。

实施例二

请参阅图4，本实施例基于实施例一的移动机器人缓碰撞方法提供了一种移动机器人缓碰撞系统，本实施例仍然以采用夹爪的桁架机械手为例进行说明，但是不限于此，所述系统包括：

加速度检测装置4，用于检测移动机器人的振动加速度，以获得振动加速度测量值；

数据采集装置5，与所述加速度检测装置4连接，用于接收移动机器人的振动加速度测量值，并判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令；

上位机6，与所述数据采集装置5连接，用于设定振动加速度门限值和截止频率；

控制装置7，与所述数据采集装置5连接，用于根据所述数据采集装置5输出的停机指令控制所述移动机器人急停。

本实施例中，如图4所示为桁架机械手的缓碰撞系统的连接示意图；桁架机械手包括驱动电机8、由驱动电机8控制在横移轨道上移动的横梁3、以及设置在横梁3上的工装夹具，所述工装夹具包括左夹爪1和右夹爪2。

本实施例中，所述加速度检测装置4采用振动加速度传感器，分别设置在桁架机械手的工装夹具的左夹爪1和右夹爪2处，总共设置四个振动加速度传感器，均通过传感线连接至数据采集装置5；

所述上位机6通过网线与数据采集装置5连接，用户在上位机6上对数据采集装置5进行编程，以实现接收桁架机械手的振动加速度测量值，并判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，以及根据判断结果输出停机指令的功能，还通过上位机6设定振动加速度门限值，并显示数据采集装置5接收到的桁架机械手的振动加速度测量值的曲线图；

当数据采集装置5判断振动加速度测量值超出预设振动加速度门限值后，输出停机指令给控制装置7，控制装置7接收到停机指令后，通过380V动力线传送给驱动电机8，控制驱动电机8停转。

进一步地，所述系统还可以包括报警装置，与所述数据采集装置5连接，用于根据所述数据采集装置5判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值的结果对应进行报警提示，提示用户及时关注移动机器人运行状况，在移动机器人受到碰撞时能及时采取补救措施。

其中，所述上位机6可以是手机、电脑、平板电脑或工业电脑等；

所述控制装置7包括处理器，用于根据停机指令控制驱动电机8停转，所述处理器可以是专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、数字信号处理设备(Digital SignalProcessing Device，简称DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，简称PLD)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现。

综上，本发明提供的一种移动机器人缓碰撞方法和系统，通过对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测获得振动加速度测量值，再判断振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，然后根据判断结果输出停机指令控制移动机器人急停，能够快速识别出移动机器人发生碰撞，并立即采取停机措施，相比现有通过判断移动机器人电流过载进行碰撞停机的方法，大大缩短了从碰撞发生到移动机器人停止动作的响应时长，可以有效减少碰撞对移动机器人、机床和工件造成的损伤，对移动机器人及机床起到保护作用。

需要说明的是，由于说明书附图不得着色和涂改，所以本发明附图中部分区别明显的地方比较难以显示，若有必要，可提供彩色图片。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统和方法实施例仅仅是示例性的。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种移动机器人缓碰撞方法，其特征在于，包括：

对移动机器人指定部位的振动加速度进行检测，以获得振动加速度测量值；

判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令；

根据所述停机指令控制所述移动机器人急停。

2.根据权利要求1所述的移动机器人缓碰撞方法，其特征在于，判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，包括：

对所述振动加速度测量值进行滤波处理，判断经过滤波处理后的振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值。

3.根据权利要求2所述的移动机器人缓碰撞方法，其特征在于，对所述振动加速度测量值进行滤波处理，包括：

利用高通滤波器滤除掉频率低于预设截止频率的振动加速度测量值，以去除干扰。

4.根据权利要求3所述的移动机器人缓碰撞方法，其特征在于，所述方法还包括：

对移动机器人正常运行时和受到模拟碰撞时指定部位的振动加速度分别进行检测，以获得正常运行振动加速度数据和模拟碰撞振动加速度数据，其中，模拟碰撞为对移动机器人进行的碰撞试验；

利用离散傅里叶变换将所述正常运行振动加速度数据和模拟碰撞振动加速度数据从时域转化为频域，获得相关频谱；

对相关频谱中振动能量集中频带进行对比，得到反映移动机器人发生碰撞的有效频带，其中，所述有效频带为移动机器人正常运行时振动幅值衰减至最低对应的频率到受到模拟碰撞时振动幅值衰减至最低对应的频率；

以有效频带的最小值设定截止频率。

5.根据权利要求1所述的移动机器人缓碰撞方法，其特征在于，判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令，包括：

判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，若超出，则判断当前振动为移动机器人受到碰撞振动，若未超出，则判断当前振动为移动机器人正常运行振动；

当判断当前振动为移动机器人受到碰撞振动时，输出停机指令，以控制所述移动机器人急停。

6.根据权利要求1所述的移动机器人缓碰撞方法，其特征在于，根据所述停机指令控制所述移动机器人急停包括：

根据所述停机指令控制移动机器人的驱动电机停转，以实现移动机器人急停。

7.一种基于权利要求1-6中任意一项所述的移动机器人缓碰撞方法的移动机器人缓碰撞系统，其特征在于，包括：

加速度检测装置(4)，用于检测移动机器人的振动加速度，以获得振动加速度测量值；

数据采集装置(5)，与所述加速度检测装置(4)连接，用于接收移动机器人的振动加速度测量值，并判断所述振动加速度测量值是否超出预设振动加速度门限值，根据判断结果输出停机指令；

控制装置(7)，与所述数据采集装置(5)连接，用于根据所述数据采集装置(5)输出的停机指令控制所述移动机器人急停。

8.根据权利要求7所述的移动机器人缓碰撞系统，其特征在于，所述系统还包括：

上位机(6)，与所述数据采集装置(5)连接，用于设定振动加速度门限值和截止频率。

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