CN114248261A - 一种冗余自由度机器人制动器释放管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冗余自由度机器人制动器释放管理方法，工业机器人包括：底座、连杆，以及具有冗余自由度的多个关节，所述工业机器人具有制动状态和解除制动状态，能够在解除制动状态下执行工作任务，所述工业机器人包括：启动模块，用于接收开机指令以执行开机动作；控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动；以及用于检查工业机器人是否解除制动成功，若检查解除制动成功，控制工业机器人结束解除制动工作。本发明有益效果是：工业机器人解除制动的位移小，工业机器人的安全性好。

Description

一种冗余自由度机器人制动器释放管理方法

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，包括家用机器人、工业机器人等多个领域。工业机器人包括三轴、四轴、六轴、七轴等类型的机器人，其具有不同的自由度，七轴及以上的工业机器人具有冗余的自由度。具有冗余自由度的机器人具备“零空间”，能够执行零空间运动，冗余自由度的机器人在执行零空间运动时，其臂形角发生变化。工业机器人包括关节，能够通过关节的驱动电机提供工业机器人的工作动力，以及，工业机器人通过制动各关节电机以实现机器人的停机制动。当工业机器人开机启动以执行工作时需要解除制动方能执行工作，即解除工业机器人各关节电机的制动以实现工业机器人的解除制动。现有技术中，通过各关节的分别旋转以对各个关节进行解除制动，最终对工业机器人解除制动，而各个关节分别旋转以解除制动使得工业机器人的运动范围较大，末端位移较大，工业机器人容易发生碰撞。

因此，有必要设计一种末端位移小、安全性好且不易发生碰撞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末端位移小、安全性好且不易发生碰撞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，包括底座、连杆，以及具有冗余自由度的多个关节，其特征在于，所述工业机器人具有制动状态和解除制动状态，所述工业机器人能够在解除制动状态下执行工作任务，所述工业机器人包括：启动模块，用于接收开机指令以执行开机动作；控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动；以及用于检查工业机器人是否解除制动成功，若检查解除制动成功，控制工业机器人结束解除制动工作。

进一步的，所述控制模块用于若检测解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。

进一步的，所述控制模块用于若检查解除制动不成功，增大所述工业机器人执行零空间运动的臂形角区间以继续执行解除制动工作，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。

进一步的，所述控制模块用于判断所述臂形角区间是否超过预设区间，判断为超过时，控制所述工业机器人停机和/或报警。

进一步的，所述解除制动成功为，工业机器人的所有关节均解除制动；所述解除制动不成功为，工业机器人存在未解除制动的关节。

进一步的，所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：控制工业机器人回归初始位形。

进一步的，所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：控制所述工业机器人执行零空间运动以回归初始位形。

进一步的，所述关节包括电机和制动器，所述制动器包括棘轮和电磁阀，所述控制模块用于判断电机的旋转被电磁阀伸出的挡销限制时，控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动。

进一步的，所述工业机器人为七轴协作机器人。

进一步的，所述控制模块用于检查解除制动不成功，控制所述工业机器人报警和/或停机。

本发明还可采用如下技术方案：一种工业机器人解除制动的控制方法，包括如下步骤：S1、执行开机启动；S2、控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动；S3、检查解除制动是否成功，若检查解除制动成功，控制工业机器人结束解除制动工作；S4、若检查解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。

进一步的，所述S4步骤包括：S41、若检查解除制动不成功，增大所述工业机器人执行零空间运动的臂形角区间以继续执行解除制动工作，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。

进一步的，所述S41步骤包括：判断所述臂形角区间是否超过预设区间，判断为超过时，控制所述工业机器人停机和/或报警。

进一步的，解除制动成功为，工业机器人的所有关节均解除制动；所述解除制动不成功为，工业机器人存在未解除制动的关节。

进一步的，所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：控制工业机器人回归初始位形。

进一步的，所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：控制所述工业机器人执行零空间运动以回归初始位形。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：工业机器人通过执行零空间运动以解除制动，末端几乎不产生位移，解除制动过程中工业机器人运动范围可控，机器人本体及末端工具不易发生碰撞，工业机器人安全性好。

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工业机器人的模块图

图3是本发明一个实施例的工业机器人解除制动的流程图

图4是本发明工业机器人的关节制动状态的局部示意图

图5是本发明工业机器人的关节解除制动的局部示意图

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1-2，图1示出了本发明一个实施例的工业机器人100的示意图，图2示出了本发明一个实施例的工业机器人100的模块图。工业机器人通常可分为传统的工业机器人和自重较小的新型协作机器人，传统的工业机器人主要用于工业环境中替代人工执行工作，协作机器人用于工业、生活、零售等多种场景，因其柔性化能够和人一起协作完成任务，因此能够在较多的场景下执行工作，本发明所保护的技术方案可适用于工业机器人领域，优选的，适用于协作机器人。进一步的，工业机器人又可以分为四轴、五轴、六轴、七轴等类型的工业机器人，其中，七轴工业机器人是一种具有冗余自由度的工业机器人。本发明保护的工业机器人100，包括底座1，连杆2，以及具有冗余自由度的多个关节3，其中，相邻俩所述连杆2由关节3连接，具体，所述底座1用于支撑所述工业机器人100以及将所述工业机器人100安装至预设位置，所述连杆2连接于底座1并可基于关节3的驱动执行运动，所述工业机器人100可连接工具4以执行具体的工作任务，其中，所述工业机器人具有制动状态和解除制动状态，工业机器人能够在解除制动状态下执行工作任务，也即，当工业机器人在制动状态下时，如需执行工作任务，需要先解除所述工业机器人的制动。所述工业机器人100包括：启动模块20，用于接收开机指令以执行开机动作；控制模块30，用于控制所述工业机器人100执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动；以及用于检查工业机器人是否解除制动成功，若检查解除制动成功，控制工业机器人结束解除制动工作。进一步的，若检查解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。本发明所提供的工业机器人100，具有冗余的自由度，即所述工业机器人100为七轴或七轴以上的工业机器人，以七轴机器人为例，其能够利用7个关节的自由度来控制末端的6个位姿变量，因而拥有“零空间”，这样可以使得一种末端位姿对应关节空间内的无限多组解，能够提高操纵的灵活性。冗余自由度带来的好处很明显，即逆解无穷多，这样就能增加一个第二优先级的控制给到各个关节，而且不改变第一优先控制的末端位置和位形(称为零空间运动控制)，最终能够实现狭小空间或者有障碍物空间的末端控制，也即可以独立的实现末端控制，而其他各个关节能够独立于末端而进行运动，即在不影响末端工作状态的情况下，对其他各个关节进行运动控制，也就是“零空间运动”。当工业机器人100的启动模块20接收开机指令后，工业机器人100执行开机动作，开机之后，执行工作任务之前，需要对制动状态的工业机器人100进行解除制动，通过控制模块30控制工业机器人100执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动，当工业机器人执行零空间运动时，其各关节3发生运动，但是机器人末端的位置能够保持不变，进而使得各个关节能够在运动过程中解除制动，同时末端几乎不产生位移。工业机器人在执行零空间运动时，其臂形角发生变化，即可以通过臂形角的变化范围来限定工业机器人执行零空间运动的运动范围，即通过执行零空间运动，工业机器人末端几乎不产生位移，同时工业机器人的运动范围得到限制，能够在执行零空间运动过程中解除制动，以使得工业机器人由制动状态转变为解除制动状态，工业机器人能够在解除制动状态下执行工作任务。相比较于各关节3独立运动以各自解除关节的制动，本发明采用零空间运动的方式解除制动的末端位移小，安全性好。同时，工业机器人100执行零空间运动的运动范围通过执行零空间运动的臂形角的变化范围进行限定，例如，臂形角的变化范围由臂形角区间进行限定，在一个实施例中，所述臂形角区间可以为出厂设置，通过设置该臂形角区间，限定工业机器人执行零空间运动时工业机器人的臂形角的变化范围，进而限定工业机器人执行零空间运动时，工业机器人的运动范围。

工业机器人开机启动后，能够执行零空间运动以解除制动，工业机器人在臂形角区间限定的范围内执行零空间运动，参图3，图3示出了本发明一个实施例的工业机器人100解除制动的流程图。若控制模块30检查工业机器人100解除制动成功，则控制工业机器人100结束解除制动工作，所述结束解除制动工作包括，控制工业机器人100回归初始位形，所述初始位形即工业机器人100未执行零空间运动时的位形，或者，回归工业机器人100开机时的位形。所述控制工业机器人100回归初始位形包括，控制所述工业机器人100执行零空间运动以回归初始位形，即所述工业机器人100在解除制动时，执行零空间运动以减小末端位移避免碰撞，当所述工业机器人100在完成解除制动后，回归初始位形时，也通过执行零空间运动，使得在回归初始位形时，末端位移小以避免发生碰撞，即所述工业机器人100在解除制动，以及完成解除制动回归初始位形的全程中，末端位移小，甚至于不存在末端位移，使得工业机器人解除制动工作安全性好，不易发生碰撞。当控制模块30检查工业机器人解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。进一步的，所述控制模块用于若检查解除制动不成功，增大所述工业机器人执行零空间运动的臂形角区间以继续执行解除制动工作，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。也即，当控制模块30检查工业机器人100解除制动不成功时，可能是由于当前的工业机器人100运动范围较小，也即，臂形角区间较小使得工业机器人的100的各关节3充分运动的幅度不够，因此未能解除制动。因此，当控制模块检查解除制动不成功时，增大所述臂形角区间，也即扩大了工业机器人执行零空间运动的范围，臂形角的可变化范围增大，以增大后的臂形角区间执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人100的制动。其中，当工业机器人检查解除制动不成功时，在原有的臂形角区间上增加预定量以获得增大后的臂形角区间，并以新的臂形角区间执行零空间运动，进一步的，当解除制动不成功时，再次以预定量增大所述零空间运动。也即，当工业机器人100开机后第一次执行零空间运动时，若未能成功解除制动，增大臂形角区间再次执行零空间运动，若未能解除制动成功，则再次增大臂形角区间，以此类推，以完成解除制动工作，参图3，图3示出了本发明一个实施例的工业机器人100执行解除制动工作的流程示意图，需要说明的是，图3示出的是本发明一个实施例的较为完整的实施流程，以便于理解本发明的技术方案，但不构成对本发明保护范围的限制。在本实施例中，臂形角的大小需要进行限制，即所述臂形角不得超过预设区间，若判断为超过，则控制所述工业机器人停机和/或报警，因臂形角区间超过预设区间时，工业机器人的运动范围较大以对工作机器人的安全性产生障碍。以及，进一步的，所述工业机器人的控制模块用于，若检查解除制动不成功，控制工业机器人停机和/或报警。

如上所述，工业机器人100包括控制模块30，所述控制模块30用于检查工业机器人是否解除制动成功，具体的，所述解除制动成功为：工业机器人100的所有关节均解除制动；所述解除制动不成功为：工业机器人100存在未解除制动的关节。进一步的，参图4和图5，图4和图5分别示出了本发明的工业机器人100的关节3处于制动状态和解除制动的部分示意图，关节3包括电机和制动器，所述制动器包括棘轮121和电磁阀122，所述棘轮121能够套设于电机轴14并跟随电机轴14旋转，所述电磁阀122包括能够伸缩的挡销123，并能够控制挡销123伸出和缩回以限制所述电机轴14的旋转或释放对电机轴14旋转的限制，所述控制模块30用于判断电机的旋转被电磁阀122伸出的挡销123限制时，控制所述工业机器人100以第一角度执行零空间运动，以执行解除制动工作。即，当电磁阀122的挡销123伸出时，其限制棘轮121的转动，进而限制所述电机的转动，电机被制动；当电磁阀122的挡销123缩回时，其释放了对棘轮121转动的限制。当工业机器人100需要解除制动时，通过使得电磁阀122缩回挡销123以释放棘轮121，再控制电机旋转的方式解除制动，而当电机尝试旋转以解除制动时，可能会由于工业机器人100的负载使得棘轮121和挡销123之间形成极大的摩擦力，控制电磁阀122缩回挡销123的力量不足以克服棘轮121与挡销123之间的摩擦力时，挡销123被棘轮121卡阻，电磁阀122无法顺利缩回挡销123以释放棘轮121，因而导致关节3无法解除制动，工业机器人100无法解除制动。因此，本发明所提供的控制模块30判断电机的旋转被电磁阀122伸出的挡销123限制时，控制所述工业机器人100执行零空间运动以解除制动，即所述工业机器人100解除制动成功为，工业机器人100的所有关节3均解除制动，即所有关节3的制动器的挡销123均缩回以允许关节3的旋转。具体的，用于判断电机的旋转被电磁阀122伸出的挡销123限制的方法有很多种，在本发明中，可以采用任一种能够实现该判断目的的手段，例如，通过检测电机是否存在突变的驱动电流，检测电机的负载力矩是否变大等，控制模块30当判断电机的旋转被挡销123限制时解除该种限制。其中，工业机器人100执行零空间运动的初始旋转角度为第一角度，若在第一角度下执行零空间运动未能解除制动，则根据第二角度执行零空间运动以解除制动，其中，所述第二角度大于所述第一角度，进一步的，所述第二角度为所述第一角度递增若干次预定量后得到。

本发明提供一种工业机器人，进一步的，该工业机器人100是具有冗余自由度的工业机器人，进一步的，所述工业机器人100优选为七轴协作机器人。

以上优选实施例的有益效果是：工业机器人100通过执行零空间运动解除制动，避免了各关节3独立解除制动时运动范围较大的问题，同时末端位移很小，不容易发生碰撞，工业机器人安全性好。

本发明还提供了一种工业机器人100的控制方法，该控制方法包括如下步骤：

S1、执行开机启动；

S2、控制所述工业机器人执行零空间运动，并在旋转过程中解除所述工业机器人的制动；

其中，所述工业机器人在执行零空间运动时，其臂形角发生变化，所述臂形角变化的范围为臂形角区间，在一个实施例中，最初执行零空间运动的臂形角区间为一预设值，即工业机器人开机后，在预设的臂形角区间限定的范围内执行零空间运动。

S3、检查解除制动是否成功，若检查解除制动成功，则控制工业机器人结束解除制动工作；

所述检查解除制动成功，即工业机器人的所有关节均解除制动。所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：S31、控制工业机器人回归初始位形。即当解除制动成功后，控制工业机器人回归解除制动前的初始位形，或者，回归工业机器人开机后的初始位形。进一步的，所述控制工业机器人回归初始位形包括，控制工业机器人执行零空间运动以回归初始位形，也即，工业机器人通过执行零空间运动解除制动，再通过执行零空间运动回归初始位形，以实现解除制动全程工业机器人末端位移最小化，充分确保工业机器人在解除制动过程中的安全性。

S4、若检查解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。

S4步骤进一步包括：S41、检查解除制动不成功，增大所述工业机器人执行零空间运动的臂形角区间以继续执行零空间运动，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。即当解除不成功时，增大所述臂形角区间以再次解除制动，并在再次解除制动执行结束后，检查是否解除制动成功。进一步的，所述臂形角区间可以在每次执行零空间运动后增加预定量，以再次执行零空间运动。进一步的，所述臂形角区间不得超过预定区间，也即所述预定遇见限定臂形角区间的最大值，当臂形角区间超过预定区间时，控制所述工业机器人报警和/或停机。关于执行零空间运动的具体流程与内容与前文一致，此处不再赘述。

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，包括底座、连杆，以及具有冗余自由度的多个关节，其特征在于，所述工业机器人具有制动状态和解除制动状态，能够在解除制动状态下执行工作任务，所述工业机器人包括：

启动模块，用于接收开机指令以执行开机动作；

控制模块，用于控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动；以及用于检查工业机器人是否解除制动成功，若检查解除制动成功，控制工业机器人结束解除制动工作。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于若检测解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。

3.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于若检查解除制动不成功，增大所述工业机器人执行零空间运动的臂形角区间以继续执行解除制动工作，所述臂形角区间限制所述工业机器人执行零空间运动的臂形角变化范围。

4.根据权利要求3所述的工业机器人，其特征在于，所述控制模块用于判断所述臂形角区间是否超过预设区间，判断为超过时，控制所述工业机器人停机和/或报警。

5.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述解除制动成功为，工业机器人的所有关节均解除制动；所述解除制动不成功为，工业机器人存在未解除制动的关节。

6.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：控制工业机器人回归初始位形。

7.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述控制工业机器人结束解除制动工作包括：控制所述工业机器人执行零空间运动以回归初始位形。

8.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述关节包括电机和制动器，所述制动器包括棘轮和电磁阀，所述控制模块用于判断电机的旋转被电磁阀伸出的挡销限制时，控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动。

9.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述工业机器人为七轴协作机器人。

10.一种工业机器人解除制动的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、执行开机启动；

S2、控制所述工业机器人执行零空间运动，并在运动过程中解除所述工业机器人的制动；

S3、检查解除制动是否成功，若检查解除制动成功，控制工业机器人结束解除制动工作；

S4、若检查解除制动不成功，控制工业机器人继续执行解除制动工作。

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