CN114074325B - 一种确保机器人力边界限制的安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确保机器人力边界限制的安全系统，工业机器人包括：底座；机械臂，包括多个机械臂部分以及连接相邻机械臂部分的关节；安全控制系统，包括：设置模块设置所述工业机器人的力边界，以限制所述工业机器人安全运行时目标力的范围；检测模块检测所述机器人的实时关节转矩；控制模块，包括第一控制模块和第二控制模块，第一控制模块用于根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人的实时关节转矩超过所述关节转矩时，控制所述机器人执行预设动作；第二控制模块用于根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力超过力边界时，控制所述机器人执行预设动作。本发明的有益效果是：工业机器人目标力的安全性判断的可靠性较好。

Description

一种确保机器人力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。

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向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，为了更好的实现人机协作，同时能够保障使用者的人身安全，协作机器人的安全性能是一项核心指标。常规的协作机器人具有安全检测系统，例如通过不正常转矩对碰撞障碍物的检测，通过电容传感器对人体接近协作机器人的检测，但这些检测本身精度有限，可靠度不足。同时，协作机器人的安全性需要众多参数共同监控，需要保证各个参数均能够满足安全性的要求，复杂的安全性环境下，对协作机器人的安全性设计提供了不小的挑战。

因此，有必要设计一种针对目标力安全性检测可靠性较好的工业机器人。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种针对目标力安全性检测可靠性较好的工业机器人。

本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人，包括：底座；机械臂，一端连接于底座，另一端为工具端，所述机械臂包括多个机械臂部分以及连接相邻机械臂部分的关节，所述关节包括肘部关节；安全控制系统，其特征在于，所述安全控制系统包括：设置模块，用于设置所述工业机器人的力边界，以限制所述工业机器人安全运行时目标力的范围；检测模块，用于检测所述机器人的实时关节转矩；控制模块，包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人的实时关节转矩超过所述关节转矩时，控制所述机器人执行预设动作；所述第二控制模块用于根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力超过力边界时，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：机器人产生报警信号、机器人停机、机器人减速运行至少其一。

进一步的，所述控制模块用于当所述目标力接近力边界时，调整所述机器人的工作轨迹以使得所述目标力在力边界限定的范围内工作。

进一步的，所述目标力包括肘部力、工具力至少其一，所述力边界相应包括工具力边界、肘部力边界至少其一。

进一步的，所述检测模块包括第一检测模块和第二检测模块，所述第一检测模块和第二检测模块分别获取所述实时关节转矩。

进一步的，所述检测模块包括电流传感器、电机编码器与速度/加速度传感器、关节转矩传感器中的一类或两类。

进一步的，所述第二控制模块根据关节转矩和机器人动力学模型获取所述目标力。

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：底座；机械臂，一端连接于底座，另一端为工具端，所述机械臂包括多个机械臂部分以及连接相邻机械臂部分的关节，所述关节包括肘部关节；安全控制系统，包括设置模块、检测模块、控制模块，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块；其特征在于，所述控制方法包括：设置模块设置所述工业机器人的力边界，以限制所述工业机器人安全运行时目标力的范围；检测模块检测机器人的实时关节转矩；第一控制模块根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人的实时关节转矩是否超过所述关节转矩；第二控制模块根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力是否超过力边界；所述第一控制模块和第二控制模块至少其一判断结果为超过时，进一步的，所述预设动作包括：机器人产生报警信号、机器人停机、机器人减速运行至少其一。

进一步的，所述目标力包括肘部力、工具力至少其一，所述力边界相应包括工具力边界、肘部力边界至少其一。

进一步的，所述控制模块用于当所述目标力接近力边界时，调整所述机器人的工作轨迹以使得所述目标力在力边界限定的范围内工作。

进一步的，所述检测模块包括第一检测模块和第二检测模块，所述第一检测模块和第二检测模块分别获取所述实时关节转矩。

进一步的，所述检测模块包括电流传感器、电机编码器与速度/加速度传感器、关节转矩传感器中的一类或两类。

进一步的，所述第二控制模块根据关节转矩和机器人动力学模型获取所述目标力。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：通过第一控制模块和第二控制模块独立的采用不同的两种方式分别判断目标力的安全性，并能够独立控制机器人执行预设动作，使得机器人的目标力的安全性判断可靠性较高，机器人安全性较好。

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是本发明的一个实施例的工业机器人的工作流程图

图4是本发明的又一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中的工业机器人100为六轴协作机器人，工业机器人通常包括传统的工业机器人以及新型的与人协作的协作机器人。所述工业机器人100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，所述机械臂是工业机器人100的主要组成部分，所述机械臂一端连接于底座110，另一端为工具端，所述工具端用于连接工具200以执行具体工作任务，例如，连接夹爪执行夹持任务，所述机械臂包括多个机械臂部分121以及关节130，所述关节130用于连接相邻的机械臂部分121，且所述机械臂部分121能够基于关节130而发生转动从而具有不同的工作姿态，所述工业机器人100包括多个关节130，例如底座关节132、肘部关节131等，以六轴协作机器人为例，该机器人的第一个关节130为底座关节132，该机器人的第三个关节130为肘部关节131。工业机器人的最后一个关节130可连接工具法兰，所述工具法兰作为连接件连接工具200，以使得所述工具200跟随工业机器人的运动而执行具体工作。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用于提供所述工业机器人100安全运行的环境，参图2，所述安全控制系统300包括：设置模块310，用于设置所述工业机器人100的力边界，以限制所述工业机器人100安全运行时目标力的范围；检测模块320，用于检测所述机器人100的实时关节转矩；控制模块330，电连接于所述设置模块310和检测模块320，包括第一控制模块331和第二控制模块332，所述第一控制模块331用于根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人100的实时关节转矩超过所述关节转矩时，控制所述机器人100执行预设动作；所述第二控制模块332用于根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力超过力边界时，控制所述机器人100执行预设动作，具体的，所述第二控制模块332根据关节转矩和机器人100动力学模型获取所述目标力。其中，所述设置模块310通过接收机器人100外部设备的信息以设定所述工业机器人100的力边界，示例性的，所述外部设备包括机器人100示教器、智能手机、个人便携设备等，设置模块310接收外部设备的设置信息，并据此设定机器人100的力边界，机器人100在该力边界限制的范围内运行，以及，外部设备的设置信息可由用户设置。所述第一控制模块331基于设置模块310设置的力边界，计算基于该力边界的关节转矩，并通过获取检测模块320的实时关节转矩，判断实时关节转矩是否大于关节转矩，若大于，说明当前的目标力可能超出目标力的范围，控制所述机器人100执行预设动作，若未超过，控制所述机器人100正常运行；以及，第二控制模块332用于根据所述检测模块320检测的实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力是否超过力边界，若超过，控制所述机器人100执行预设动作，若未超过，控制所述机器人100正常运行。具体的，上述第一控制模块331和第二控制模块332分别判断，且各自分别在未超过判断条件时，控制机器人100正常运行，在超过判断条件时，相应的控制模块控制机器人100执行预设动作，体现在工作效果上，所述第一控制模块331和第二控制模块332其中只要有一个判断为超过判断条件，则相应判断超过的控制模块控制机器人100执行预设动作，则机器人100将会中止其正常运行去执行预设动作。这样设计的好处是，第一控制模块331和第二控制模块332能够独立控制机器人100执行预设动作，且两者分别基于如上所述的两种不同方法判断目标力是否满足安全性要求，使得对目标力的安全性判断更可靠。

本发明中，当第一控制模块331和第二控制模块332存在超过判断条件时，相应的控制所述机器人100执行预设动作。在一个实施例中，所述预设动作包括:机器人100产生报警信号，即机器人100发出声音、提示灯光等报警信号提醒用户处理当前可能存在的安全风险；机器人100停机；机器人100减速运行至少其一。本发明所提供的技术方案，当第一控制模块331和第二控制模块332均判断未超过判断条件时，机器人100保持正常运行，其中机器人100保持正常运行包括：控制模块330判断所述目标力接近力边界时，调整所述机器人100的工作轨迹以使得所述目标力在力边界限定的范围内工作，即当目标力接近力边界时，控制模块330预判机器人100具有超出力边界运行的风险，于是及时调整机器人100的工作轨迹，以使得所述机器人100能够在力边界限定的范围内工作，确保机器人100工作的安全性。所述目标力为所述工业机器人100纳入安全性考量的目标的力，例如，目标力包括肘部力、工具力至少其一，相应的，限定目标力工作范围的力边界对应包括工具力边界、肘部力边界至少其一。

参图3，图3示出了本发明一个实施例的工业机器人的工作流程图，当工业机器人开始运行后，设置模块为工业机器人设置力边界，检测模块检测实时关节转矩，第一控制模块根据设置模块设置的力边界获取关节转矩，并判断该实时关节转矩是否超过上述关节转矩，判断为超过时则控制机器人执行预设动作，判断为未超过时，第一控制模块控制机器人正常运行；第二控制模块根据实时关节转矩获取目标力，判断该目标力是否超过上述力边界，判断为超过时，第二控制模块控制机器人执行预设工作，判断为未超过时，第二控制模块控制机器人正常运行。其中，第一控制模块和第二控制模块独立运行，两者独立判断，其中至少任一判断为超过判断条件时，对应的控制模块控制机器人减速或停机，两者均判断未超过判断条件时，控制机器人正常运行，即，控制机器人执行预设动作的控制指令的优先级高于控制机器人正常运行的优先级，只有两者均判断未超过判断条件时，控制机器人正常运行，以保证机器人对力的安全性判断的准确性。

在本发明中，检测模块320用于检测机器人100的实时关节转矩，所检测的关节转矩用于提供给第一控制模块331判断该实时关节转矩是否超过经由力边界计算得出的关节转矩，以及用于提供给第二控制模块332，根据该实时关节转矩计算目标力，判断该目标力是否超出力边界，因此，对于实时关节转矩的检测也力求准确。在本发明的一个实施例中，所述检测模块320包括第一检测模块和第二检测模块，参图4，图4示出了本发明的一个实施例的工业机器人的工作流程图，图4与图3所示的实施例的区别在于图4中的检测模块包括第一检测模块和第二检测模块，所述第一检测模块和第二检测模块分别获取所述实时关节转矩，即第一检测模块和第二检测模块独立工作，针对所检测的实时关节转矩输出两个结果，若第一检测模块和第二检测模块的检测均准确，则第一检测模块和第二检测模块输出的实时关节转矩一致，反之，若第一检测模块和第二检测模块其中之一检测有误，则第一检测模块和第二检测模块的输出不一致，则当前对于实时关节转矩的检测可信度低。所述第一检测模块和第二检测模块包括传感器，通过传感器来检测实时关节转矩，所述第一检测模块和第二检测模块可以选用相同类型的传感器或采用不同类型的传感器，所述检测模块包括电流传感器、电机编码器与速度/加速度传感器、关节转矩传感器中的一类或两类。优选的，所述第一检测模块和第二检测模块采用不同的传感器，即所述检测模块包括电流传感器、电机编码器与速度/加速度传感器、关节转矩传感器中的两类。

以上实施例的有益效果是：控制模块的第一控制模块331和第二控制模块332分别通过如上所述的两种不同方法来确认目标力是否超出力边界运行，且能够独立控制机器人100执行预设动作以确保机器人100运行的安全性，所述机器人100对于力的安全性判断的可靠性较好。

本发明还用于提供：一种工业机器人100的安全控制方法，所述工业机器人100包括：底座110；机械臂；安全控制系统300等。所述工业机器人100的各组成部件已在前文中进行描述，此处不再详细展开。所述控制方法包括：设置模块310设置所述工业机器人100的力边界，以限制所述工业机器人100安全运行时的目标力范围；检测模块320检测机器人100的实时关节转矩；第一控制模块331根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人100的实时关节转矩是否超过所述关节转矩；第二控制模块332根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力是否超过力边界；所述第一控制模块331和第二控制模块332至少其一判断为超过时，相应的控制模块控制所述机器人100执行预设动作。即当第一控制模块331判断为实时关节转矩超过关节转矩时，第一控制模块331控制机器人100执行预设动作；当第二控制模块332判断为目标力超过力边界时，第二控制模块332控制机器人100执行预设动作。需要说明的是，所述第一控制模块331和第二控制模块332的判断执行顺序并不因此受到限制，优选的，所述第一控制模块331和第二控制模块332并行执行工作，即所述第一控制模块331和第二控制模块332共同执行判断且当其中任一出现判断超过判断条件时，相应的控制模块控制机器人100执行预设动作。具体的，所述预设动作包括：机器人100产生报警信号、机器人100停机、机器人100减速运行至少其一。其中，所述目标力包括肘部力、工具力至少其一，相对应的，所述力边界相应包括工具力边界、肘部力边界至少其一。

本发明所提供的控制方法中，所述第一控制模块331和第二控制模块332至少其一判断超过判断条件时，控制所述机器人100执行预设动作以确保机器人100的安全性。当所述第一控制模块331和第二控制模块332均为未超过判断条件时，机器人100正常工作，所述机器人100正常工作包括：控制模块判断目标力接近力边界时，调整所述机器人100的工作轨迹以使得所述机器人100在力边界限定的范围内执行工作。

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 (7)

1.一种工业机器人，用于实现确保机器人力边界限制的安全系统，包括：

底座；机械臂，一端连接于底座，另一端为工具端，所述机械臂包括多个机械臂部分以及连接相邻机械臂部分的关节，所述关节包括肘部关节；

安全控制系统，其特征在于，所述安全控制系统包括：

设置模块，用于设置所述工业机器人的力边界，以限制所述工业机器人安全运行时目标力的范围；

检测模块，用于检测所述机器人的实时关节转矩；

控制模块，包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人的实时关节转矩超过所述关节转矩时，控制所述机器人执行预设动作；所述第二控制模块用于根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力超过力边界时，控制所述机器人执行预设动作；

所述预设动作包括：机器人产生报警信号、机器人停机、机器人减速运行至少其一；

所述控制模块用于当所述目标力接近力边界时，调整所述机器人的工作轨迹以使得所述目标力在力边界限定的范围内工作。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述目标力包括肘部力、工具力至少其一，所述力边界相应包括工具力边界、肘部力边界至少其一。

3.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述检测模块包括第一检测模块和第二检测模块，所述第一检测模块和第二检测模块分别获取所述实时关节转矩。

4.根据权利要求3所述的工业机器人，其特征在于，所述检测模块包括电流传感器、电机编码器与速度/加速度传感器、关节转矩传感器中的一类或两类。

5.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述第二控制模块根据关节转矩和机器人动力学模型获取所述目标力。

6.一种工业机器人的安全控制方法，用于实现确保机器人力边界限制的安全系统，所述工业机器人包括：底座；机械臂，一端连接于底座，另一端为工具端，所述机械臂包括多个机械臂部分以及连接相邻机械臂部分的关节，所述关节包括肘部关节；安全控制系统，包括设置模块、检测模块、控制模块，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块；其特征在于，所述控制方法包括：

设置模块设置所述工业机器人的力边界，以限制所述工业机器人安全运行时目标力的范围；

检测模块检测机器人的实时关节转矩；

第一控制模块根据所述力边界获取关节转矩，判断所述机器人的实时关节转矩是否超过所述关节转矩；

第二控制模块根据所述实时关节转矩获取目标力，判断所述目标力是否超过力边界；

所述第一控制模块和第二控制模块至少其一判断结果为超过时，相应的控制模块控制所述机器人执行预设动作；

所述预设动作包括：机器人产生报警信号、机器人停机、机器人减速运行至少其一；

所述控制模块用于当所述目标力接近力边界时，调整所述机器人的工作轨迹以使得所述目标力在力边界限定的范围内工作。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述目标力包括肘部力、工具力至少其一，所述力边界相应包括工具力边界、肘部力边界至少其一。