CN114123924A - 一种转矩安全的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转矩安全的控制系统。本发明的特点在于：安全控制系统包括：设定安全转矩的设定模块；第一转矩获取模块，通过电流传感器获取电机相电流，通过电机位置传感器获取转子位置，据此获取第一电机转矩；第二转矩获取模块，通过电机母线电流传感器获取电机总电流，通过电机母线电压传感器获取电机母线电压，通过电机转速传感器获取电机转速，据此获取第二电机转矩；控制模块，包括两个控制单元分别比较所述第一电机转矩和第二电机转矩是否超过所述安全转矩，并在其中任一判断为超过安全转矩时，控制电机减速或停机。本发明的有益效果在于：电机转矩判断准确性高，工业机器人安全性好。

Description

一种转矩安全的控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业机器人领域，特别是涉及一种安全控制系统及应用其的工业机器人。

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，因此，对于协作机器人而言，工作的安全性是一项核心性能指标。常规的协作机器人已经具有多项安全性检测机制，例如速度监控、力矩监控等，伺服驱动系统是协作机器人的动力来源，能够产生转矩驱动协作机器人运动以执行各种工作，但其产生的转矩需要受到准确的监控，如果不能对其进行准确的检测，将为用户带来极大的安全风险。

因此，有必要设计一种能够准确检测工业机器人的伺服驱动系统的转矩的安全控制系统及包括其的工业机器人。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种对转矩的安全性检测准确度高的安全控制系统及工业机器人。

本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人的安全控制系统，其特征在于，所述安全控制系统包括：设定模块，用于设定所述工业机器人的安全转矩，所述安全转矩限制所述工业机器人安全运行的最大转矩；第一转矩获取模块，通过电流传感器获取电机相电流，通过电机位置传感器获取转子位置，根据所述电机相电流和转子位置获取第一电机转矩；第二转矩获取模块，通过电机母线电流传感器获取电机总电流，通过电机母线电压传感器获取电机母线电压，通过电机转速传感器获取电机转速，并根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速获取第二电机转矩；控制模块，电连接于所述第一转矩获取模块和第二转矩获取模块，包括两个控制单元分别比较所述第一电机转矩和第二电机转矩是否超过所述安全转矩，并在其中任一判断为超过安全转矩时，控制电机减速或停机。

进一步的，所述第一转矩获取模块包括：获取电流-转矩系数，根据电机相电流、转子位置，以及所述电流-转矩系数获取第一电机转矩。

进一步的，所述第二转矩获取模块包括：获取电机效率，根据电机母线电压、电机总电流、电机转速以及所述电机效率获取所述第二电机转矩。

进一步的，所述电流-转矩系数通过多次实验获取或通过预先设定。

进一步的，所述电机效率通过多次实验后查表获取或通过预先设定。

本发明还可采用如下技术方案：一种工业机器人，包括上述任一项所述的安全控制系统。

进一步的，所述工业机器人包括多个电机，所述多个电机的电机转矩均不超过所述安全转矩时，所述工业机器人正常运行。

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，其特征在于，包括如下步骤：S1、设定工业机器人的安全转矩,所述安全转矩限制所述工业机器人安全运行的最大转矩；S2、获取第一电机转矩：获取电机相电流和转子位置，基于此获取第一电机转矩；S3、获取第二电机转矩:获取电机总电流、电机母线电压、电机转速，基于此获取第二电机转矩；S4、两个控制单元分别比较所述第一电机转矩、第二电机转矩是否超过安全转矩，未超过时控制工业机器人安全运行，超过时，控制工业机器人减速或停机。

进一步的，所述S2步骤中，获取第一电机转矩包括：获取电机的电流-转矩。

进一步的，所述S3步骤中，获取第二电机转矩包括：获取电机效率，根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速、电机效率获取第二电机转矩。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：提供一种用于对伺服驱动系统的电机转矩进行监控的安全控制系统，所述安全控制系统分别通过第一转矩获取模块和第二转矩获取模块通过上述不同的方法获取关节转矩并分别与安全转矩进行比较，数据处理及判断的独立性较好，对电机转矩的监测结果比较准确，提高了工业机器人的安全性。

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安全控制系统的模块示意图

图2是本发明的一个实施例的工业机器人的示意图

图3是本发明的一个实施例的安全控制系统的工作示意图

图4是本发明的另一实施例的安全控制系统的工作示意图

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。

本发明保护一种安全控制系统，参图1，图1示出了本发明的一个实施例的安全控制系统1的模块示意图，本发明所提供的安全控制系统1用于确保工业机器人的安全运行，以及在工业机器人存在安全性风险时控制其减速或者停机。所述安全控制系统1包括设定模块11，用于设定所述工业机器人的安全转矩，所述安全转矩限制所述工业机器人安全运行的最大转矩，所述安全转矩通常通过用户来设定，但也不排除机器人自身的设定或用户根据机器人自身的设定选择工业机器人适用的安全转矩，例如，用户可以通过机器人示教器、便携设备等设定安全转矩，所述设定模块11能够据此为工业机器人设定安全转矩；所述安全控制系统1能够分别获取电机的第一电机转矩和第二电机转矩，具体的，安全控制系统1包括第一转矩获取模块12、第二转矩获取模块13，所述第一转矩获取模块12包括电流传感器、电机位置传感器，通过所述电流传感器获取电机的相电流，通过电机位置传感器获取转子位置，根据上述电机相电流和转子位置获取第一电机转矩；所述第二转矩模块13包括电机母线电流传感器、电机母线电压传感器，电机转速传感器，通过电机母线电流传感器获取电机总电流，通过电机母线电压传感器获取电机母线电压，通过转速传感器获取电机转速，根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速获取第二电机转矩；安全控制系统1包括控制模块，所述控制模块用于处理所述第一转矩获取模块12获取的第一电机转矩，以及处理所述第二转矩获取模块13获取的第二电机转矩，据此执行相应控制。所述控制模块包括两个控制单元，例如，在本实施例中，控制模块包括第一控制单元14、第二控制单元15，所述两个控制单元分别用于处理所述第一电机转矩和第二电机转矩，控制模块的两个控制单元分别用于比较所述第一电机转矩和第二电机转矩是否超过安全转矩，并在其中任一判断为超过时，控制所述工业机器人减速或停机。以及，当所述控制模块的两个控制单元各自判断第一电机转矩、第二电机转矩均未超过安全转矩时，控制机器人正常运行。其中，所述控制模块包括两个控制单元，例如第一控制单元14和第二控制单元15，所述第一控制单元14用于判断所述第一电机转矩是否超过安全转矩，所述第二控制单元15用于判断所述第二电机转矩是否超过安全转矩，更进一步的，所述第一控制单元14和第二控制单元15能够交叉监控各自的处理信息，第一控制单元14和第二控制单元15任一判断电机转矩超过安全转矩时，控制机器人减速或停机。其中，电机位置传感器包括电机编码器或者霍尔传感器，电机转速传感器包括电机编码器和霍尔传感器，在一个实施例中，所述电机位置传感器和电机转速传感器各自独立，以确保所述第一转矩获取模块和第二转矩模块获取分别获取第一电机转矩和第二电机转矩的准确性和独立性。其中，所述通过电流传感器获取电机相电流，包括通过电流传感器获取两相或三相电机相电流。进一步，所述电机转速传感器用于获取电机转速，包括通过电机转速传感器直接获取电机转速，也包括通过能够获得电机转速信息的电机转速传感器间接获取电机转速，例如，电机转速传感器可以是用于获取转子位置的传感器，通过该传感器获取的信息经过计算也可以获取电机转速。可选的，所述控制模块还可以在判断电机转矩超过安全转矩时，控制机器人发出报警信号以提醒用户处理。通过采用第一转矩获取模块和第二转矩获取模块分别获取第一电机转矩和第二电机转矩，所述第一电机转矩和第二电机转矩针对同一电机进行两次获取电机转矩，使得同一电机得到两次监控，且所述第一电机转矩和第二电机转矩分别使用不同的方法，以及控制模块分别两个控制单元执行各自的判断，使得电机转矩的判断准确性好，工业机器人工作的安全性更可靠。

进一步的，所述第一转矩获取模块根据电机相电流、转子位置，以及电机的电流-转矩系数获取第一电机转矩，其中，所述电流-转矩系数通过多次实验获取或通过预先设定，所述电流-转矩系数表示所述相电流与电机转矩之间的关系，通常为一可获取的参数值，所述第一转矩获取模块综合所述电机相电流、转子位置、以及电流-转矩系数获取第一电机转矩，所述获取电流-转矩系数即第一转矩获取模块获取所述经由多次实验而获得的电流-转矩系数，或通过预先设定的电流-转矩系数。所述第二转矩获取模块包括：获取电机效率，根据电机母线电压、电机总电流、电机转速、电机效率获取所述第二电机转矩。其中，不同电机的电机效率具有差异，所述电机效率可以通过多次实验后查表获取，或者可以预先设定，同上，所述获取电机效率即第二转矩获取模块获取经由多次实验后查表获得的电机效率，或获取通过预先设定的电机效率。具体的，所述第二转矩获取模块获取第二电机转矩的方式包括：根据电机总电流和电机母线电压获取电机的输入功率，通过该输入功率结合电机效率获知大约的输出功率，结合电机转速，获取电机的第二电机转矩。

经过第一转矩获取模块和第二转矩获取模块分别获取第一电机转矩和第二电机转矩后，所述安全控制系统包括控制模块，所述控制模块电连接于所述第一转矩获取模块和第二转矩获取模块，包括两个控制单元分别比较所述第一电机转矩和第二电机转矩是否超过所述安全转矩，并在其中任一判断为超过安全转矩时，控制电机减速或停机。其中，在一个实施例中，所述安全控制系统包括伺服驱动系统3，所述伺服驱动系统3包括电机31，以及所述安全控制系统的控制模块，参图3，图3示出了本发明一个实施例的安全控制系统的工作示意图，所述伺服驱动系统3包括驱动电路，电流传感器36、电机31、位置传感器32、转速传感器33、电机母线电流传感器34、电机母线电压传感器35，以及控制模块，各部件的连接关系参图3，所述第一转矩获取模块包括电流传感器36获取电机相电流，位置传感器32获取转子位置，根据所述电机相电流和转子位置获取第一电机转矩，所述第二转矩获取模块包括电机母线电压传感器35获取电机母线电压，电机母线电流传感器34获取电机总电流，转速传感器33获取电机转速，根据所述电机母线电压、电机总电流、电机转速获取第二电机转矩，以及所述伺服驱动系统的控制模块分别判断所述第一电机转矩和第二电机转矩是否超过所述安全转矩，判断其中任一超过时，控制该伺服驱动系统的电机31减速或停机。进一步的，工业机器人包括多个伺服驱动系统，相应的，工业机器人包括多个电机，工业机器人能够跟该多个伺服驱动系统进行通信，当存在某一伺服驱动系统判断电机转矩超过安全转矩时，工业机器人通过通信获取该信息后，控制工业机器人的其他伺服驱动系统(图未示)的电机均减速或停机，以保证所述工业机器人的安全性，也即，仅当工业机器人的所有电机的电机转矩均未超过所述安全转矩时，工业机器人保持正常运行。

上述实施例中，伺服驱动系统包括控制模块，也即包括安全控制系统的控制模块，伺服驱动系统的控制模块分别判断第一电机转矩和第二电机转矩是否超过安全转矩，并在其中任一判断为超过时，控制该伺服驱动系统的电机31减速或停机，工业机器人获取该信息后控制工业机器人其他的电机均减速或停机，以确保工业机器人工作的安全性。在本发明的另一实施例中，参图4，安全控制系统包括伺服驱动系统，伺服驱动系统包括第一转矩获取模块，即电流传感器36和位置传感器32，伺服驱动系统包括第二转矩获取模块，即电机母线电流传感器34、电机母线电压传感器35、转速传感器33，进一步的，伺服驱动系统还包括伺服驱动模块37，进一步的，安全控制系统包括控制模块，控制模块分别比较第一电机转矩和第二电机转矩是否超过安全转矩，并在其中任一超过安全转矩时，控制电机减速或停机。在本实施例中，伺服驱动系统不包括该控制模块，该控制模块为机器人的控制模块，当安全控制系统的伺服驱动系统通过第一转矩获取模块和第二转矩获取模块分别获取第一电机转矩和第二电机转矩后，伺服驱动系统的伺服驱动模块37将该信息传递给机器人的控制模块，所述机器人的控制模块分别判断该第一转矩获取模块和第二转矩模块是否超过安全转矩，并在其中任一超过安全转矩时，控制模块控制该伺服驱动系统的电机31减速或停机，同时，该控制模块控制工业机器人其他的伺服驱动系统的电机减速或停机，即使其他的伺服驱动系统的电机转矩并未超过安全转矩，也即，工业机器人仅在其所有的电机的电机转矩均未超过安全转矩时控制机器人正常运行。

以上优选实施例的有益效果在于：提供一种安全控制系统，能够通过上述的两种方式分别获取第一电机转矩和第二电机转矩，并分别进行判断是否超过安全转矩，使得电机转矩的判断较为准确，减少甚至避免电机转矩误判引起的工业机器人不安全性，提升了工业机器人安全运行的可靠性。

本发明还适于提供一种工业机器人，参图2，工业机器人2包括底座21、机械臂22，所述机械臂可连接工具以执行具体工作，所述工业机器人2包括上述的任一项所述的安全控制系统1，其中，所述工业机器人包括多个电机，所述多个电机的电机转矩均不超过所述安全转矩时，所述工业机器人正常运行。进一步的，所述工业机器人包括协作机器人，协作机器人是能够与人协作完成工作的轻型机器人。

本发明还适于提供一种工业机器人的安全控制方法，包括如下步骤：

S1、设定工业机器人的安全转矩，所述安全转矩限制所述工业机器人安全运行的最大转矩；

其中，设定所述工业机器人的安全转矩包括，用户通过机器人示教器、便携设备等设定工业机器人的安全转矩；或者，通过接收用户的设定信息为工业机器人设定安全转矩。

S2、获取第一电机转矩：获取电机相电流和转子位置，基于此获取第一电机转矩；

例如，通过电流传感器获取电机相电流，通过电机位置传感器获取转子位置，根据所述电机相电流和转子位置获取第一电机转矩。

进一步的，所述S2获取第一电机转矩包括：获取电机的电流-转矩系数，根据所述电机电流、转子位置和电流-转矩系数获取第一电机转矩。所述电流-转矩系数可以通过多次实验后查表获得，或者也可通过预先设定。

S3、获取第二电机转矩：获取电机总电流、电机母线电压、电机转速，基于此获取第二电机转矩；

例如，通过电机母线电流传感器获取电机总电流，通过电机母线电压传感器获取电机母线电压，通过电机转速传感器获取电机转速，并根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速获取第二电机转矩。

S4、两个控制单元分别比较所述第一电机转矩、第二电机转矩是否超过安全转矩，未超过时控制工业机器人安全运行，超过时，控制工业机器人减速或停机。

即对所述第一电机转矩、第二电机转矩的判断分别进行，通过两个控制单元分别比较，且两个控制单元能够交叉获取对方的信息，当存在电机转矩超过安全转矩时，控制机器人减速或停机，以确保工业机器人工作的安全性。

进一步的，所述S3获取第二电机转矩包括：获取电机效率，根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速、电机效率获取第二电机转矩。即通过所述电机总电流和电机母线电压获取电机的输入功率，并结合电机效率获取输出功率，结合电机转速获取第二电机转矩。

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 (10)

1.一种工业机器人的安全控制系统，其特征在于，所述安全控制系统包括：

设定模块，用于设定所述工业机器人的安全转矩，所述安全转矩限制所述工业机器人安全运行的最大转矩；

第一转矩获取模块，通过电流传感器获取电机相电流，通过电机位置传感器获取转子位置，根据所述电机相电流和转子位置获取第一电机转矩；

第二转矩获取模块，通过电机母线电流传感器获取电机总电流，通过电机母线电压传感器获取电机母线电压，通过电机转速传感器获取电机转速，并根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速获取第二电机转矩；

控制模块，电连接于所述第一转矩获取模块和第二转矩获取模块，包括两个控制单元分别比较所述第一电机转矩和第二电机转矩是否超过所述安全转矩，并在其中任一判断为超过安全转矩时，控制电机减速或停机。

2.根据权利要求1所述的安全控制系统，其特征在于，所述第一转矩获取模块包括：获取电流-转矩系数，根据电机相电流、转子位置，以及所述电流-转矩系数获取第一电机转矩。

3.根据权利要求1所述的安全控制系统，其特征在于，所述第二转矩获取模块包括：获取电机效率，根据电机母线电压、电机总电流、电机转速以及所述电机效率获取所述第二电机转矩。

4.根据权利要求2所述的安全控制系统，其特征在于，所述电流-转矩系数通过多次实验获取或通过预先设定。

5.根据权利要求3所述的安全控制系统，其特征在于，所述电机效率通过多次实验后查表获取或通过预先设定。

6.一种工业机器人，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的安全控制系统。

7.根据权利要求6所述的工业机器人，其特征在于，所述工业机器人包括多个电机，所述多个电机的电机转矩均不超过所述安全转矩时，所述工业机器人正常运行。

8.一种工业机器人的安全控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、设定工业机器人的安全转矩,所述安全转矩限制所述工业机器人安全运行的最大转矩；

S2、获取第一电机转矩：获取电机相电流和转子位置，基于此获取第一电机转矩；

S3、获取第二电机转矩:获取电机总电流、电机母线电压、电机转速，基于此获取第二电机转矩；

S4、两个控制单元分别比较所述第一电机转矩、第二电机转矩是否超过安全转矩，未超过时控制工业机器人安全运行，超过时，控制工业机器人减速或停机。

9.根据权利要求8所述的安全控制方法，其特征在于，所述S2步骤中，获取第一电机转矩包括：获取电机的电流-转矩系数，根据所述电机电流、转子位置和所述电流-转矩系数获取第一电机转矩。

10.根据权利要求8所述的安全控制方法，其特征在于，所述S3步骤中，获取第二电机转矩包括：获取电机效率，根据所述电机总电流、电机母线电压、电机转速、电机效率获取第二电机转矩。

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