CN114074322A - 一种确保机器人功率边界限制的安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确保机器人功率边界限制的安全系统，工业机器人包括：本体，可连接工具以执行工作任务；安全控制系统，包括第一安全模块以及设置模块，所述设置模块用于设置所述机器人的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述机器人对外做功的功率范围：所述第一安全模块包括：第一获取模块，用于根据工业机器人本体的总电功率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人的对外做功功率；第一控制模块，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。本发明的有益效果是：工业机器人对外做功功率获取简便，安全性判断可靠性好。

Description

一种确保机器人功率边界限制的安全系统

技术领域

本发明涉及一种工业机器人领域，特别是涉及一种工业机器人及其安全控制方法。

背景技术

随着社会的发展，机器人开始广泛应用于多个领域，例如家用机器人、工业机器人、服务机器人等。工业机器人是主要面对工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，工业机器人包括传统的工业机器人以及协作机器人。协作机器人作为工业机器人中的轻型机器人，能够与人协作高效的完成工作，可以高精度和高效率的完成危险环境的工作，因此受到越来越多用户的青睐。

协作机器人在工作中，需要与人近距离的互动合作，对于机器人而言，人的动作范围较为灵活，因此，在协作机器人运行过程中，很难通过预先规划路径的方式避免与人的接触，尤其在一些场景中，协作机器人需要与人近距离互动及配合方能完成工作，与人的接触很难避免，为保证使用者的工作安全性，协作机器人的安全性成为一重要指标。常规的协作机器人已经具有多项安全性监测机制，例如速度监控、力矩监控等，但对于协作机器人的工作场景而言，这些监测机制不足以保证机器人与人协作工作时的安全性。

因此，有必要设计一种对机器人对外做功功率进行安全性检测及判断的工业机器人及其控制方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种对机器人对外做功功率进行安全性检测及判断的工业机器人及其控制方法。

本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人，其特征在于，所述工业机器人包括：本体，所述本体可连接工具以执行工作任务；安全控制系统，包括第一安全模块以及设置模块，所述设置模块用于设置所述机器人的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述机器人对外做功的功率范围；所述第一安全模块包括：第一获取模块，用于根据工业机器人本体的总电功率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人的对外做功功率；第一控制模块，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

进一步的，所述安全控制系统包括与所述第一安全模块不同的第二安全模块，所述第二安全模块包括：第二获取模块，用于根据机器人的实际关节转矩与机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩作差，并结合关节的转速获取该关节的关节对外做功功率；第二控制模块，用于累积机器人各关节的所述关节对外做功功率以获取机器人的对外做功功率，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

进一步的，所述第一控制模块和所述第二控制模块的判断结果均为未超过外部功率边界时，控制所述机器人正常运行。

进一步的，所述预设动作包括：控制机器人减速、停机、报警至少其一。

进一步的，所述机器人对外做功功率为机器人对除所连接工具以外的外部物体的做功功率。

本发明还可采用如下技术方案：一种工业机器人的安全控制方法，所述工业机器人包括：本体，所述本体可连接工具以执行工作任务；安全控制系统，包括第一安全模块，所述控制方法包括：S1、设置所述机器人的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述工业机器人对外做功的功率范围；S2、第一安全模块根据机器人本体的总电功率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人的对外做功功率；S3、第一安全模块判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

进一步的，所述安全控制系统包括第二安全模块，所述第二安全模块与所述第一安全模块不同，所述控制方法包括通过第二安全模块执行：S4、根据机器人的实际关节转矩与机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩作差，并结合关节的转速获取该关节的关节对外做功功率；S5、基于所述关节的关节对外做功功率，累积获得机器人的对外做功功率；S6、判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

进一步的，所述预设动作包括：控制机器人减速、停机、报警至少其一。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：提供一种便于获取机器人对外做功功率的工业机器人，并分别采用第一安全模块和第二安全模块两路独立获取、判断机器人对外做功功率，以及基于独立判断的结果独立执行控制，使得机器人的对外做功功率的安全性检测可靠性好。

附图说明

以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：

图1是本发明的一个实施例的工业机器人的示意图

图2是本发明的一个实施例的安全控制系统的模块示意图

图3是本发明的又一实施例的安全控制系统的模块示意图

图4是本发明的一个实施例的工业机器人的工作流程图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明保护一种工业机器人，参图1，图1示例性的给出了本发明一个实施例的工业机器人100的示意图，更具体的，图1所示的为协作机器人，协作机器人为工业机器人中的轻型机器人。所述工业机器人100包括本体，所述本体可用于连接工具以执行工作，所述本体包括：底座110，用于支撑所述工业机器人100以及将所述工业机器人100安装至预定的工作位置；机械臂，所述机械臂120是工业机器人100的主要组成部分，所述机械臂120一端连接于底座110，另一端为工具端，所述工具端用于连接工具200以执行具体的工作任务，所述机械臂120包括多个机械臂部分以及关节，关节用于连接相邻的机械臂部分，且所述机械臂部分能够基于关节的转动而具有不同的工作姿态。所述工业机器人100包括安全控制系统300，所述安全控制系统300用于确保所述机器人对外部物体做功的外部功率的安全性，参图2，所述安全控制系统300包括第一安全模块以及设置模块310，所述设置模块310用于设置所述机器人100的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述机器人100对外做功的功率范围，即所述工业机器人100的对外做功功率需要小于或者至多等于所述外部功率边界，以确保所述工业机器人100的对外做功功率的安全性。所述第一安全模块320包括：第一获取模块321，用于根据工业机器人100本体的总电功率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人100的对外做功功率；第一控制模块322，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人100执行预设动作。具体的，所述设置模块310通过接收机器人100的外部设备的输入以设定所述机器人100的外部功率边界，所述外部设备示例性的包括机器人示教器、个人便携设备，所述外部设备能够接收用户设定的外部功率边界，所述工业机器人100能够与外部设备建立通信，所述工业机器人100能够接收所述外部设备传输的所述外部功率边界信息，设置模块310为该工业机器人100设置外部功率边界以限制机器人的对外做功功率的范围。具体的，所述第一获取模块321在获取所述机器人的对外做功功率前还包括，获取工业机器人100的总电功率、电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率，示例性的，通过机器人的电压和电流获取总电功率，分别与机器人的电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取机器人100的对外做功功率，具体的，所述电能损耗包括电的线路损耗、伺服和编码器电路板自身电能损耗，线路损耗可以根据机器人100本体的电流而计算，而伺服和编码器电路板自身电能耗损是固定的。具体的，所述机械摩擦损耗可以通过关节的摩擦力矩和关节转速获取。即，以上各参数的均可直接或间接的获取，获取较为容易。在本实施例中，所述安全控制系统300包括第一安全模块和设置模块310，所述第一安全模块和设置模块310为并列存在的关系，在本发明的其他实施例中，所述第一安全模块可以包括该设置模块310。所述第一控制模块322用于，根据所述第一获取模块321所获取的机器人100对外做功功率，判断其是否超过所述外部功率边界，当判断结果为超过时，表示机器人100存在安全性风险，控制所述机器人100执行预设动作，当未超过时，控制所述机器人100正常运行。当工业机器人100执行工作时，由于接触到外部的物体，例如接触到旁边用户的肢体，需要限制其对该外部物体做功的功率，通过计算机器人做功的总电功率获取机器人的对外做功功率，对该参数的的获取较为容易，即通过机器人的电流、电压等可直接测得的参数即可综合获知该对外做功功率，且能够限制所述工业机器人100的对外做功功率的大小，提升所述机器人的安全性。具体的，所述机器人的对外做功功率为机器人对除所连接工具200以外的外部物体的做功功率，即机器人从未接触外部物体状态到接触外部物体状态的变化，检测机器人接触外部物体的对外做功功率，由此衡量机器人与外部物体共存时的安全性，以避免对外部物体可能的伤害。

在本发明的一个实施例中，所述安全控制系统包括第二安全模块340，参图3，所述第二安全模块340包括第二获取模块341和第二控制模块342，所述第二获取模块341用于获取机器人的关节对外做功功率，第二控制模块342用于累积机器人各关节的关节130对外做功功率以获取机器人的对外做功功率，并基于该机器人的对外做功功率判断其是否超过所述外部功率边界，当超过时，控制所述机器人执行预设动作，当未超过时，控制机器人正常运行。具体的，第二获取模块341用于根据机器人的实际关节130转矩与机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩作差，并结合关节130的转速获取该关节130的关节对外做功功率，即通过所述实际关节转矩与所述理论关节转矩作差，而后与所述关节的转速作乘积以获取关节130的关节对外做功功率。其中，所述机器人实际关节转矩为机器人某一待监测时刻的实际转矩值，所述机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩为机器人在未接触外部物体的理论关节转矩值，该理论关节转矩值根据机器人状态及动力学模型可计算获得，即该理论关节转矩实质为机器人未接触外部物体的理论转矩。工业机器人100包括多个关节，机器人100的对外做功功率为机器人100的所有关节130的关节对外做功功率的累积，即第二控制模块342通过累积机器人100各关节的所述关节对外做功功率，以获取所述机器人100的对外做功功率，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，当判断结果为超过时，控制所述机器人100执行预设动作，当判断结果为未超过时，控制机器人100正常运行。所述第一安全模块320和第二安全模块340并行工作，即所述第一安全模块320和第二安全模块340中任一模块判断机器人100对外做功功率超过外部功率边界时，相应的控制模块控制机器人100执行预设动作，以及，当所述第一安全模块320和第二安全模块340均判断机器人100的对外做功功率未超过外部功率边界时，控制机器人100正常运行。通过第一安全模块320和第二安全模块340均独立检测及判断所述工业机器人100的对外做功功率，两检测结果及判断过程均独立进行，避免相互干扰，且仅在两者检测均未超过外部功率边界时才控制机器人正常运行，使得机器人的对外做功功率的安全性判断较为准确，避免在只采用一种检测/判断手段时可能会出错导致机器人的安全性判断有误，进一步的提高了机器人100安全性判断的可靠性。所述第一安全模块320和第二安全模块340独立工作，并能够基于不同的处理方法判断机器人100目标位置运行参数是否满足安全性要求，避免了单一检测结果不准确、以及使用不同模块检测安全性可能存在互相干扰的问题，使得机器安全性判断较为可靠。

本发明的一个实施例中，参图4，图4是本发明一个实施例的工业机器人100的工作流程图，设置模块设置所述工业机器人100的外部功率边界，所述第一安全模块320和第二安全模块340分别基于自身获取的机器人对外做功功率，判断其是否超出上述外部功率边界，并在任一判断结果为超过外部功率边界时，控制所述机器人执行预设动作，在两者判断均未超过外部功率边界时，控制机器人正常运行。需要说明的是，工业机器人100通常具有多个安全性指标，安全控制系统基于外部功率边界的判断在确定对外做功功率超过外部功率边界时，控制机器人执行预设动作，例如减速、停机、报警等；当第一安全模块320和第二安全模块340均判断为未超过外部功率边界时，控制机器人正常运行，此处控制机器人正常运行表示对机器人对外做功功率的判断结果为正常运行，但机器人仍然存在其他安全性判断条件，其他的安全性判断结果可能判断为机器人需要执行减速、停机等动作，所以机器人的实际输出为减速、停机等动作，但不排除机器人基于对外做功功率的判断输出结果为机器人正常运行。

以上实施例的有益效果是：工业机器人100的第一安全模块320和第二安全模块340独立运行，彼此通过不同的方法获取机器人的对外做功功率并执行判断，使得机器人基于对外做功功率的安全性判断可靠性好，同时提供了一种简便易操作的获取机器人对外做功功率的方法。

本发明还用于提供，一种工业机器人100的安全控制方法，应用于前文所述的任一种工业机器人100，所述工业机器人的组成此处不再赘述。工业机器人的安全控制系统包括第一安全模块320，所述控制方法包括：

S1、设置所述机器人的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述工业机器人对外做功的功率范围；

即通过外部设备等方式获取人工输入的外部功率边界，所述外部设备示例性的包括机器人示教器、个人便携设备等。获取所述外部功率边界后设置机器人的外部功率边界，以限制机器人的运行中的对外做功的功率范围，即正常运行时，机器人的对外做功的功率不得超过该外部功率边界。

S2、第一安全模块320根据机器人本体的总电动率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人的对外做功功率；

S3、第一判断模块判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

即所述机器人的对外做功功率的获取和判断均由第一安全模块320执行，获取机器人的对外做功功率后，将该对外做功功率与外部功率边界比较，比较超过外部功率边界时，控制机器人执行预设动作，比较未超过外部功率边界时，控制机器人正常运行。

在本发明的一个实施例中，安全控制系统包括第二安全模块340，所述第二安全模块340为与所述第一安全模块320不同的模块，所述控制方法包括，通过第二安全模块340执行：

S4、根据机器人的实际关节转矩与机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩作差，并结合关节的转速获取该关节的关节对外做功功率；

即此处通过实际关节转矩和理论关节转矩作差后，与关节的转速作乘积以获取关节的关节对外做功功率。

S5、基于所述关节的关节对外做功功率，累积获得机器人的对外做功功率；

即机器人通常具有多个关节，分别获取每个关节的关节对外做功功率，累积可获得机器人的对外做功功率。

S6、判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

即将累积各关节的关节对外做功功率所获得的机器人的对外做功功率与外部功率边界比较，比较为超过外部功率边界时，控制机器人执行预设动作，比较为未超过外部功率边界时，控制机器人正常运行。即所述第一安全模块320和第二安全模块340分别执行获取机器人的对外做功功率和判断是否超过外部功率边界的动作，两者并行执行，当两者种任一获取并判断所述机器人的对外做功功率超过外部功率边界时，控制机器人执行预设动作，以及，当两者均判断所述机器人的对外做功功率未超过外部功率边界时，控制机器人正常运行。所述预设动作包括：控制机器人减速停机、报警至少其一。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种工业机器人，其特征在于，所述工业机器人包括：

本体，所述本体可连接工具以执行工作任务；

安全控制系统，包括第一安全模块以及设置模块，所述设置模块用于设置所述机器人的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述机器人对外做功的功率范围；

所述第一安全模块包括：

第一获取模块，用于根据工业机器人本体的总电功率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人的对外做功功率；

第一控制模块，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述安全控制系统包括与所述第一安全模块不同的第二安全模块，所述第二安全模块包括：

第二获取模块，用于根据机器人的实际关节转矩与机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩作差，并结合关节的转速获取该关节的关节对外做功功率；

第二控制模块，用于累积机器人各关节的所述关节对外做功功率以获取机器人的对外做功功率，判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

3.根据权利要求2所述的工业机器人，其特征在于，所述第一控制模块和所述第二控制模块的判断结果均为未超过外部功率边界时，控制所述机器人正常运行。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的工业机器人，其特征在于，所述预设动作包括：控制机器人减速、停机、报警至少其一。

5.根据权利要求1或2所述的工业机器人，其特征在于，所述机器人对外做功功率为机器人对除所连接工具以外的外部物体的做功功率。

6.一种工业机器人的安全控制方法，所述工业机器人包括：

本体，所述本体可连接工具以执行工作任务；

安全控制系统，包括第一安全模块，所述控制方法包括：

S1、设置所述机器人的外部功率边界，所述外部功率边界用于限制所述工业机器人对外做功的功率范围；

S2、第一安全模块根据机器人本体的总电功率与电能损耗、机械摩擦损耗以及机器人动能和势能增加的速率作差，以获取所述机器人的对外做功功率；

S3、第一安全模块判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述安全控制系统包括第二安全模块，所述第二安全模块与所述第一安全模块不同，所述控制方法包括通过第二安全模块执行：

S4、根据机器人的实际关节转矩与机器人状态及动力学模型所计算出的理论关节转矩作差，并结合关节的转速获取该关节的关节对外做功功率；

S5、基于所述关节的关节对外做功功率，累积获得机器人的对外做功功率；

S6、判断所述对外做功功率是否超过所述外部功率边界，判断为超过时，控制所述机器人执行预设动作。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，所述预设动作包括：控制机器人减速、停机、报警至少其一。

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