CN115648229B - 一种机械臂及其安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及工业机器人的安全控制技术领域，公开了一种机械臂及其安全控制方法，机械臂设有多个关节及加速度传感器，不同的加速度传感器设置在对应关节，该安全控制方法包括：确定机械臂发生碰撞，从加速度传感器获取关节的第一运动信息；基于第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息；基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略，以控制机械臂执行安全控制策略。本申请通过设置于关节上的加速度传感器获取该关节或该区域内多个关节的第一运动信息，以确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息，基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略，进而控制机械臂执行安全控制策略，能够以高准确度和高灵敏度实现机械臂的碰撞检测。

Description

一种机械臂及其安全控制方法

技术领域

本申请涉及工业机器人的安全控制技术领域，特别是涉及一种机械臂及其安全控制方法。

背景技术

随着工业自动化的推进，工业机器人的运用越来越多，在提高了工作效率的同时，工业机器人的安全功能技术成为研发设计中的重中之重。特别地，协作机器人是区别于传统的工业机器人，协作机器人能够与人类操作员一起，安全、高效地完成非认知性任务，人类操作员可以和协作机器人在同一个工作空间内进行互动协作，人可以对机器人进行拖动示教，但由于机器人和人之间的工作距离接近，机器人在较高速运动的状态下人体接近或碰触机器人会造成伤害，因此协作机器人应用中碰撞检测安全功能尤为重要，而现有技术所使用的碰撞检测方法存在准确度低、灵敏度低以及成本高等问题。

发明内容

本申请的实施例至少提供一种机械臂及其安全控制方法，能够以较低的成本实现高准确度以及高灵敏度的碰撞检测。

本申请第一方面提供一种机械臂的安全控制方法，机械臂设有多个关节及多个加速度传感器，不同的加速度传感器设置在不同的关节处，该安全控制方法包括：

确定机械臂发生碰撞，从加速度传感器获取关节的第一运动信息；

基于第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息；

基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略，以控制机械臂执行安全控制策略。

本申请第二方面提供一种机械臂，该机械臂包括：

多个关节，用于实现机械臂的运动；

多个加速度传感器，不同的加速度传感器设置在不同的关节处，加速度传感器用于采集关节的第一运动信息；

控制电路，与多个关节连接，用于执行如上述的安全控制方法。

区别于现有技术，本申请通过在机械臂的多个关节上设置加速度传感器，通过关节上的加速度传感器获取该关节或该区域内多个关节的第一运动信息，以基于第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息，并基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略，进而控制机械臂执行安全控制策略，能够以高准确度和高灵敏度实现机械臂的碰撞检测。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请机械臂一实施例的结构示意图；

图2是本申请机械臂另一实施例的结构示意图；

图3是本申请机械臂又一实施例的结构示意图；

图4是本申请机械臂的安全控制方法一实施例的流程示意图；

图5是图4中步骤S11的第一具体流程示意图；

图6是图4中步骤S12的第一具体流程示意图；

图7是图4中步骤S12的第二具体流程示意图；

图8是图4中步骤S13的具体流程示意图；

图9是图8中步骤S131的第一具体流程示意图；

图10是图8中步骤S131的第二具体流程示意图；

图11是本申请机械臂的安全控制方法另一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供的机械臂及其安全控制方法做进一步详细描述。可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本申请提供一种机械臂的安全控制方法，具体如图4所示，能够以较低的成本实现对机械臂的高准确度以及高灵敏度的碰撞检测。

其中，本申请所检测的机械臂的具体结构可如图1-图3所示，请参阅图1-图3，图1是本申请机械臂一实施例的结构示意图，图2是本申请机械臂另一实施例的结构示意图，图3是本申请机械臂又一实施例的结构示意图。

如图1所示，机械臂10包括多个关节11、多个加速度传感器12以及控制电路13。其中，多个关节11用于实现机械臂10的运动，不同的加速度传感器12设置在不同的关节11处，加速度传感器12用于采集对应的关节11的第一运动信息。

可选地，本实施例加速度传感器12具体可为MEMS加速度传感器，MEMS加速度传感器在手机和运动可穿戴设备中有着较为广泛的应用，且其成本也相对低廉，能够有效降低生产成本。

可选地，每个关节11设置加速度传感器12或者每个关节区域设置加速度传感器12，其中，关节区域包括多个相邻的关节11，则加速度传感器12用于采集设置该加速度传感器12的关节11或设置该加速度传感器12的关节区域内多个关节11的第一运动信息。

例如，当机械臂10包括六轴时，可在机械臂10的第一关节、第三关节以及第六关节对应设置加速度传感器12，通过设置于第一关节的加速度传感器12采集第一关节以及第二关节的第一运动信息，通过设置于第三关节的加速度传感器12采集第三关节以及第四关节的第一运动信息，通过设置于第六关节的加速度传感器12采集第五关节以及第六关节的第一运动信息，即机械臂10的第一关节与第二关节形成第一关节区域，第三关节与第四关节形成第二关节区域，第三关节与第四关节形成第三关节区域。

控制电路13与多个关节11连接，具体可与多个加速度传感器12以及设置于关节11内的伺服驱动器连接，用于基于加速度传感器12采集的第一运动信息判断机械臂10发生碰撞的位置信息以及碰撞力信息，即可判断机械臂10发生碰撞的具体关节11或关节区域，以及该关节11或该关节区域发生碰撞的碰撞力大小及方向；控制电路13进一步基于位置信息以及碰撞力信息获取对应的安全控制策略。

可选地，安全控制策略可包括停机策略以及排查碰撞来源等，其中停机策略可具体包括多种停机类型，与不同的位置信息以及不同的碰撞力信息相关，例如STO（SafeTorque Off，安全扭矩关断）停机类型，SS1（Safety Stop1）停机类型或者SS2（SafetyStop2）停机类型等等。

具体地，STO停机类型具体操作为取消对产生转矩或力的电动机提供能量，用于应对机械臂10处于不可控停止的状态。

SS1停机类型具体操作为在设定的限值内，启动并控制电动机减速使电动机停止，当电动机速度低于规定的限值时启动安全转矩取消STO功能；或者，在设定的限值内，启动并监视电动机减速使电动机停止，当电动机速度低于规定的限值时启动安全转矩取消STO功能；或者，在应用规定的时间延时后，启动电动机减速并启动安全转矩取消STO功能。

SS2停机类型具体操作为在设定的限值内，启动并控制电动机减速使电动机停止，当电动机速度低于规定的限值时启动安全操作停止SOS（Safety Operation Stop）功能；或者，在设定的限值内，启动并监视电动机减速使电动机停止，当电动机速度低于规定的限值时启动安全操作停止SOS功能；或者，在应用规定的时间延时后，启动电动机减速并启动安全操作停止SOS功能。

其中，安全操作停止SOS功能用于防止电动机偏离停止位置大于规定值，并且在没有外部制动的情况下，能够为电动机抵制外力提供能量。

具体地，加速度传感器12采集关节11的第二运动信息，并在确定第二运动信息超过门限值时产生中断信号，控制电路13响应于中断信号，确定机械臂10发生碰撞。其中，加速度传感器12在产生中断信号之后，采集第一运动信息。即先确定机械臂10发生碰撞，碰撞后采集第一运动信息，基于该第一运动信息来执行安全控制方法。

结合图1，进一步参阅图2，如图2所示，机械臂10设有两组多个加速度传感器12，两组多个加速度传感器12冗余设置，每组中的多个加速度传感器12分别设置在多个关节11。进一步地，在本实施例中，每个关节11可设置两个冗余设置的加速度传感器12，以分别获取相同关节11的第一运动信息。

其中，控制电路13从冗余设置的两个加速度传感器12分别获取关节11的第一运动信息，以获得两个第一运动信息，并基于两个第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息。

可选地，在一实施例中，控制电路13可对两个第一运动信息进行交叉验证，以提高碰撞检测的准确度。

可选地，在另一实施例中，控制电路13可分别基于第一运动信息确定发生碰撞的两个位置信息及两个碰撞力信息，并对两个位置信息进行交叉验证，同时对两个碰撞力信息进行交叉验证，以提高碰撞检测的准确度。

可选地，在另一实施例中，控制电路13可基于两个第一运动信息确定发生碰撞的两个位置信息及两个碰撞力信息，并基于两个位置信息及由同一第一运动信息确定的碰撞力信息获取对应的两个安全控制策略，进一步对两个安全控制策略进行交叉验证，以提高碰撞检测的准确度。

可选地，本申请控制电路13具体可为DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）、FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）、微处理器（Microprocessor Unit，MPU）或者SoC（System on Chip，系统级芯片）等等。

结合图1和图2，进一步参阅图3，如图3所示，控制电路13包括第一控制电路131和第二控制电路132，第一控制电路131分别与冗余设置的两个加速度传感器12连接，第二控制电路132分别与冗余设置的两个加速度传感器12连接，且第一控制电路131连接第二控制电路132。

具体地，第一控制电路131用于基于冗余设置的两个加速度传感器12采集的第一运动信息判断机械臂10发生碰撞的位置信息以及碰撞力信息，并基于位置信息以及碰撞力信息获取对应的安全控制策略。

第二控制电路132用于基于冗余设置的两个加速度传感器12采集的第一运动信息判断机械臂10发生碰撞的位置信息以及碰撞力信息，并基于位置信息以及碰撞力信息获取对应的安全控制策略。

其中，第一控制电路131和/或第二控制电路132对第一运动信息、位置信息、碰撞力信息及安全控制策略中的任一者或者任意组合进行交叉验证，即第一控制电路131和第二控制电路132可单独对第一运动信息、位置信息、碰撞力信息及安全控制策略中的任一者或者任意组合进行交叉验证；或者，第一控制电路131和第二控制电路132中的任一者将自身获取的第一运动信息、位置信息、碰撞力信息及安全控制策略中的任一者或者任意组合，与另一者获取的第一运动信息、位置信息、碰撞力信息及安全控制策略中的任一者或者任意组合进行交叉验证。

如图3所示，机械臂10还包括驱动电路14，驱动电路14与控制电路13连接，用于执行控制电路13获取的安全控制策略。具体地，驱动电路14可连接第一控制电路131和/或第二控制电路132，获取交叉验证后的安全控制策略，以控制机械臂10执行该安全控制策略。

本申请机械臂10包括设置在多个关节11处的多个MEMS加速度传感器，并且设置有连接多个MEMS加速度传感器的控制电路13，通过控制电路13对MEMS加速度传感器采集的第一运动信息进行监测，能够以低成本实现实时监测机械臂10的碰撞检测。同时，控制电路13结合对指定关节11的加速度传感器12的数据综合分析以判断发生碰撞检测的具体方向和区域位置，以及碰撞检测发生的力大小，进而对碰撞发生做出相应的安全停机反应。

本申请机械臂10通过在多个关节11处冗余设置两组加速度传感器12，且控制电路13由冗余设置的第一控制电路131和第二控制电路132构成，形成双通道冗余结构。本申请机械臂10通过第一控制电路131和第二控制电路132中的至少一者对获取的数据进行交叉验证，并且第一控制电路131与第二控制电路132之间进一步对获取的数据进行交叉验证，能够有效提高碰撞检测的准确度，并且本申请机械臂10满足工业机器人功能安全标准。其中，工业机器人功能安全标准包括但不限于工业机器人功能安全标准ISO 10218和机械安全标准ISO 13849-1。具体使机械臂10的工业机器人的安全功能需满足Category 3和Performance Level d。

请参阅图4，图4是本申请机械臂的安全控制方法一实施例的流程示意图。具体而言，本实施例的机械臂10的安全控制方法可以包括以下步骤：

步骤S11：确定机械臂发生碰撞，从加速度传感器获取关节的第一运动信息。

其中，控制电路13通过加速度传感器12的采样信息确定机械臂10发生碰撞，并进一步通过加速度传感器12获取关节11的第一运动信息，关节11可为设置有加速度传感器12的关节11，或者位于与设置有该加速度传感器12的关节11相同的关节区域内的其他关节11。

可选地，具体确定机械臂10发生碰撞的过程请继续参阅图5，图5是图4中步骤S11的第一具体流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S111：接收来自加速度传感器检测到碰撞后所产生的中断信号。

其中，加速度传感器12还用于采集关节11的第二运动信息，并在确定第二运动信息超过门限值时产生中断信号，控制电路13响应于中断信号，确定机械臂10发生碰撞。

具体地，加速度传感器12内部通过控制电路13设定了滞回门限，当加速度传感器12采集到的第二运动信息超过该滞回门限时产生中断信号，控制电路13响应于中断信号，确定机械臂10发生碰撞。

因此，加速度传感器12通过实时监测加速度信号判断碰撞是否发生，当发生碰撞时加速度传感器12会输出一个中断信号给到控制电路13，控制电路13在确定机械臂10发生碰撞之后进一步控制加速度传感器12获取关节11的第一运动信息。

进一步地，当控制电路13接收到该中断信号之后，会开启密集读取模式，并将读取的第一运动信息通过安全通道传输给主安全板。

可选地，由于加速度传感器12获取的第一运动信息包括多种数据，且在传输过程中可能会有其他信号的干扰，因此在接收到加速度传感器12输出的第一运动信息之后，控制电路13进一步对该第一运动信息做滤波、加窗和FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）分析处理，并将处理后的数据传输给主安全板，主安全板会对各个关节11传输的第一运动信息汇总拟合计算。

步骤S112：统计运动周期内接收中断信号的次数，将累加得到的数量作为碰撞次数。

其中，由于加速度传感器12通过采集关节11的第二运动信息，并在确定第二运动信息超过门限值时产生中断信号，进而使控制电路13通过中断信号确定机械臂10发生碰撞，因此，控制电路13可通过运动周期内接收中断信号的次数，并将累加得到的数量作为碰撞次数。

具体地，运动周期可设置为机械臂10完成一个完整动作的运动周期；或者，具体为人为拆解机械臂10的运动所形成的多个小运动分段中的任一运动分段，不同运动分段的运动周期的长度可相同或不相同。

可选地，控制电路13可预先设置一个次数阈值，该次数阈值可与运动周期的长度相关。当控制电路13判断累加中断信号得到的数量小于该次数阈值时，即判断碰撞次数小于次数阈值，则执行步骤S113；当控制电路13判断累加中断信号得到的数量大于或等于该次数阈值时，即判断碰撞次数大于或等于次数阈值，则执行步骤S114。

步骤S113：响应于碰撞次数小于次数阈值，确定碰撞类型为瞬态碰撞。

其中，当控制电路13响应于碰撞次数小于次数阈值，确定机械臂10发生的碰撞类型为瞬态碰撞，具体地，次数阈值可为两次，当判断机械臂10的碰撞次数为一次时，即可认为机械臂10碰撞到一障碍物，且该障碍物在发生碰撞之后，偏移其所在位置，使得机械臂10未与其发生二次碰撞。

步骤S114：响应于运动周期内中断信号的累积次数大于或等于次数阈值，确定碰撞类型为周期性碰撞。

其中，当控制电路13响应于碰撞次数大于或等于次数阈值，确定机械臂10发生的碰撞类型为周期性碰撞，具体地，当判断机械臂10的碰撞次数大于或等于次数阈值时，即可认为机械臂10碰撞到一障碍物，且该障碍物在发生碰撞之后，仍处于当前位置，使得机械臂10持续与其碰撞。

步骤S12：基于第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息。

其中，本实施例的加速度传感器12具体可为三轴MEMS加速度传感器，因此加速段传感器获取的第一运动信息可为关节11的三维加速度数据，其中，控制电路13基于三维加速度数据具体可获取机械臂10发生碰撞的位置信息及碰撞力信息。

可选地，控制电路13基于位置信息可知机械臂10发生碰撞的部位，即发生碰撞的关节区域或关节11；碰撞力信息可包括碰撞力的大小及方向，控制电路13基于碰撞力信息可知机械臂10发生碰撞的部位所受到的碰撞力的大小及方向，即计算得到具体的碰撞发生方向。

可选地，控制电路13通过主安全板对各个关节11的三维加速度数据后进行碰撞三维矩阵解算，即可计算出碰撞具体发生的区域和方向。当控制电路13基于位置信息计算碰撞具体发生的区域时，执行步骤S121-步骤S122；当控制电路13基于位置信息计算碰撞具体发生的方向时，执行步骤S123-步骤S125。

具体地，具体基于第一运动信息确定发生碰撞的位置信息的过程请继续参阅图6，图6是图4中步骤S12的第一具体流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S121：将三维加速度数据中的每个方向分量的加速度值与对应的加速度阈值进行比较。

其中，控制电路13获取多个关节11的三维加速度数据之后，将多个关节11的三维加速度数据集成为一三维矩阵，该三维矩阵的列数据用于标识不同关节11的数据，该三维矩阵的行数据用于标识同一关节11的三维加速度数据，即X/Y/Z方向的数据；或者该三维矩阵的列数据用于标识同一关节11的三维加速度数据，该三维矩阵的行数据用于标识不同关节11的数据。

具体地，控制电路13将三维加速度数据中的每个方向分量的加速度值与对应的加速度阈值进行比较，其中，不同方向分量的加速度阈值可相同或不相同，可选地，三个方向分量的加速度阈值均可为0。当响应于存在一个方向分量的加速度值大于对应的加速度阈值时，即大于0时，则执行步骤S122；当响应于所有方向分量的加速度值均小于或等于对应的加速度阈值，即等于0时，则控制电路13判断机械臂10的运动正常。

步骤S122：响应于三维加速度数据中至少一个方向分量的加速度值大于加速度阈值，则确定采集三维加速度数据的加速度传感器对应的关节或者关节区域发生碰撞。

其中，控制电路13响应于三维加速度数据中至少一个方向分量的加速度值大于加速度阈值，例如X方向或Y方向或Z方向的加速度值大于对应的加速度阈值，或者X方向和Y方向、X方向和Z方向或者Y方向和Z方向的加速度值大于对应的加速度阈值，或者X方向、Y方向和Z方向加速度值大于对应的加速度阈值，则确定大于加速度阈值的方向分量的加速度值对应的关节11发生碰撞，即确定机械臂10对应的关节11或者关节区域发生碰撞。

具体地，具体基于第一运动信息确定发生碰撞的碰撞力信息的过程请继续参阅图7，图7是图4中步骤S12的第二具体流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S123：确定三维加速度数据中加速度值大于加速度阈值的方向分量的方向信息。

其中，当控制电路13判断到存在少一个方向分量的加速度值大于加速度阈值，进一步判断该方向分量的具体方向信息，即判断具体为X方向、Y方向或Z方向中的一个或多个。

步骤S124：基于加速度值大于加速度阈值的方向分量的方向信息及加速度值确定三维加速度数据的矢量信息。

其中，当控制电路13通过步骤S123确定对应方向分量的方向信息，同时该方向分量还包括对应的加速度值，通过对所有方向分量进行矢量计算，即可确定三维加速度数据的矢量信息。

具体地，当仅有一个方向分量的加速度值大于对应的加速度阈值时，则该方向分量对应的方向信息即为碰撞力方向，该方向分量对应的加速度值即为碰撞力大小。

当存在两个或两个以上的方向分量，可通过将多个方向分量进行相加，以得到三维加速度数据的矢量信息。

步骤S125：基于矢量信息确定碰撞力的大小及方向。

其中，控制电路13根据步骤S124获取三维加速度数据的矢量信息，其中矢量信息所包括的加速度值以及矢量方向即为碰撞力的大小及方向。

步骤S13：基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略，以控制机械臂执行安全控制策略。

其中，控制电路13内部存储有不同的安全控制策略，基于通过步骤S12获取的发生碰撞的位置信息及碰撞力信息，获取对应的安全控制策略，并控制机械臂10执行安全控制策略。

可选地，具体基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略的过程可如图8所示，请继续参阅图8，图8是图4中步骤S13的具体流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S131：基于碰撞力信息确定碰撞类型。

其中，本实施例碰撞力信息包括碰撞力的大小，控制电路13可基于碰撞力信息确定碰撞类型，即基于碰撞力的大小确定碰撞类型。

具体地，控制电路13的主安全板通过碰撞力的大小可对机械臂10发生的碰撞进行分类处理，例如进行瞬态碰撞或永久碰撞或周期性碰撞的分类，或者进行轻碰撞或重碰撞的分类。可选地，具体基于碰撞力信息确定碰撞类型的过程请继续参阅图9，图9是图8中步骤S131的第一具体流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S1311：基于碰撞力的大小确定碰撞类型为轻碰撞或重碰撞。

其中，轻碰撞对应的碰撞力小于重碰撞对应的碰撞力。可选地，控制电路13可预先设置一碰撞力阈值，当判断碰撞力的大小大于或等于该碰撞力阈值时，则判断碰撞类型为重碰撞；当判断碰撞力的大小小于该碰撞力阈值时，则判断碰撞类型为轻碰撞。

可选地，具体基于碰撞力信息确定碰撞类型的过程还可如图10所示，请继续参阅图10，图10是图8中步骤S131的第二具体流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S1312：响应于碰撞力的大小大于力阈值，碰撞次数加1。

其中，本实施例控制电路13预先设置有力阈值，当判断碰撞力的大小大于力阈值，碰撞次数加1，并将一个运动周期内的所有碰撞力累加，并得到累加之后的碰撞次数。

可选地，由于加速度传感器12采集得到第一运动信息传输至控制电路13时为不断变化的波形，因此控制电路13可统计波形幅值大于力阈值的波形数量，并将波形数量进行累加，以将累加之后的波形数量作为碰撞次数。

进一步地，本实施例控制电路13预先设置有次数阈值，当判断碰撞次数小于次数阈值，则执行步骤S1313；当判断碰撞次数大于或等于次数阈值，则执行步骤S1314。

步骤S1313：响应于运动周期内碰撞次数小于次数阈值，确定碰撞类型为瞬态碰撞。

其中，当控制电路13判断一个运动周期内碰撞次数小于次数阈值，则确定发生的碰撞类型为瞬态碰撞。

步骤S1314：响应于运动周期内碰撞次数大于或等于次数阈值，确定碰撞类型为周期性碰撞。

其中，当控制电路13判断一个运动周期内碰撞次数大于或等于次数阈值，则确定发生的碰撞类型为周期性碰撞。

进一步地，控制电路13还可设置第二次数阈值，当判断一个运动周期内碰撞次数大于次数阈值时，进一步判断碰撞次数是否大于第二次数阈值，当判断碰撞次数大于或等于第二次数阈值时，确定发生的碰撞类型为永久性碰撞。

步骤S132：获取与碰撞类型对应的停机策略。

其中，本实施例控制电路13存储有与碰撞类型对应的安全控制策略，根据步骤S1311-步骤S1314分类得到的碰撞类型执行对应的安全控制策略，具体可为执行对应的停机策略，例如STO停机类型或SS1停机类型或SS2停机类型。

具体地，控制电路13的主安全板判断发生的碰撞类型为轻碰撞或者轻微的远远低于人体受力伤害范围内的瞬态碰撞时，可以采取SS2停机类型的停机策略；判断发生的碰撞类型为重碰撞或超出人体部位碰撞受力范围内的碰撞时，可以采取SS1停机类型或STO停机类型的停机策略；判断发生的碰撞类型为永久性碰撞或周期性碰撞时，可以采取STO停机类型或SS1停机类型的停机策略，并提示机器人操作员。

可选地，本实施例的安全控制策略还包括排查碰撞来源，当控制电路13根据步骤S12确定机械臂10发生碰撞的位置信息之后，基于位置信息确定碰撞来源并排查碰撞来源。可选地，排查碰撞来源可包括确定并移除发生碰撞的障碍物。

可选地，由于本实施例的机械臂10可设有两组多个加速度传感器12，两组多个加速度传感器12冗余设置，控制电路13还可通过两组多个加速度传感器12获取关节11的第一运动信息。其中，具体从加速度传感器12获取关节11的第一运动信息，以及基于第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息的过程请继续参阅图11，图11是本申请机械臂的安全控制方法另一实施例的流程示意图。具体而言，包括以下步骤：

步骤S211：从冗余设置的两组加速度传感器分别获取同一关节或同一关节区域内多个关节的第一运动信息，以获得两个第一运动信息。

其中，机械臂10的每个关节11或关节区域上设有两组加速度传感器12，同一关节11或关节区域上的两组加速度传感器12冗余设置，控制电路13可以分别与冗余设置的两个加速度传感器12连接，以分别获取两个加速度传感器12采集的同一关节或同一关节区域内多个关节的第一运动信息，以获得两个第一运动信息。

步骤S212：基于两个第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息。

其中，控制电路13可分别对两个第一运动信息执行上述步骤S121-步骤S125的步骤，以确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息，并进一步对两个计算结果进行交叉验证，以提高判断的准确度。

步骤S213：基于位置信息及碰撞力信息获取对应的安全控制策略，以控制机械臂执行安全控制策略。

具体实施例方式可以参阅上述实施例。

可选地，由于本实施例的控制电路13可包括第一控制电路131和第二控制电路132，可进一步通过第一控制电路131和/或第二控制电路132对步骤S11获取的第一运动信息、步骤S12获取的位置信息、步骤S12获取的碰撞力信息及步骤S132获取的安全控制策略中的任一者或者任意组合进行交叉验证。

本申请通过设置在机械臂10的多个关节11的加速度传感器12采集对应的第一运动信息，并且通过加速度传感器12在采集第一运动信息之前采集关节11的第二运动信息，在确定第二运动信息超过门限值时产生中断信号，以实现对碰撞检测的实时监测。并且，基于采集的第一运动信息进行数据分析，能够计算得到碰撞的区域以及大小，实现对碰撞检测的准确分析。进一步地，本申请还通过冗余设置加速度传感器12以及第一控制电路131和第二控制电路132实现数据的交叉验证。因此，本申请安全控制方法能够实现高准确度以及高灵敏度的碰撞检测，且是应用本申请安全控制方法的协作机器人满足工业机器人功能安全标准。其中，工业机器人功能安全标准包括但不限于工业机器人功能安全标准ISO 10218和机械安全标准ISO 13849-1。

以上仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (15)

1.一种机械臂的安全控制方法，其特征在于，所述机械臂设有多个关节及多个加速度传感器，不同的所述加速度传感器设置在不同的所述关节处，所述安全控制方法包括：

确定所述机械臂发生碰撞，从所述加速度传感器获取所述关节的第一运动信息；

基于所述第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息；

基于所述位置信息及所述碰撞力信息获取对应的安全控制策略，以控制所述机械臂执行所述安全控制策略；

其中，所述机械臂的每个关节或关节区域上设有两组所述加速度传感器，同一所述关节或关节区域上的两组所述加速度传感器冗余设置，所述从所述加速度传感器获取所述关节的第一运动信息，包括：

从冗余设置的两组所述加速度传感器分别获取同一所述关节或同一所述关节区域内多个关节的第一运动信息，以获得两个所述第一运动信息；

所述基于所述第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息，包括：

基于所述两个第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息。

2.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于，所述确定所述机械臂发生碰撞，包括：

接收来自所述加速度传感器检测到碰撞后所产生的中断信号。

3.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于，所述第一运动信息包括所述关节的三维加速度数据，所述基于所述第一运动信息确定发生碰撞的位置信息，包括：

将所述三维加速度数据中的每个方向分量的加速度值与对应的加速度阈值进行比较；

响应于所述三维加速度数据中至少一个方向分量的加速度值大于所述加速度阈值，则确定采集所述三维加速度数据的所述加速度传感器对应的关节或者关节区域发生碰撞。

4.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于，所述第一运动信息包括所述关节的三维加速度数据，所述碰撞力信息包括碰撞力的大小及方向，基于所述第一运动信息确定发生碰撞的碰撞力信息，包括：

确定所述三维加速度数据中加速度值大于加速度阈值的方向分量的方向信息；

基于所述加速度值大于所述加速度阈值的方向分量的方向信息及加速度值确定所述三维加速度数据的矢量信息；

基于所述矢量信息确定所述碰撞力的大小及方向。

5.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于，所述安全控制策略包括：停机策略，所述基于所述位置信息及所述碰撞力信息获取对应的安全控制策略，包括：

基于所述碰撞力信息确定碰撞类型；

获取与所述碰撞类型对应的停机策略。

6.根据权利要求5所述的安全控制方法，其特征在于，所述碰撞力信息包括碰撞力的大小，所述基于所述碰撞力信息确定碰撞类型，包括：

基于所述碰撞力的大小确定碰撞类型为轻碰撞或重碰撞，其中，所述轻碰撞对应的所述碰撞力小于所述重碰撞对应的所述碰撞力。

7.根据权利要求5所述的安全控制方法，其特征在于，所述碰撞力信息包括碰撞力的大小，所述基于所述碰撞力信息确定碰撞类型，包括：

响应于所述碰撞力的大小大于力阈值，碰撞次数加1；

响应于运动周期内所述碰撞次数小于次数阈值，确定所述碰撞类型为瞬态碰撞；

响应于所述运动周期内所述碰撞次数大于或等于所述次数阈值，确定所述碰撞类型为周期性碰撞。

8.根据权利要求5所述的安全控制方法，其特征在于，所述安全控制策略还包括：排查碰撞来源，所述基于所述位置信息及所述碰撞力信息获取对应的安全控制策略，还包括：

基于所述位置信息确定碰撞来源；

排查所述碰撞来源。

9.根据权利要求2所述的安全控制方法，其特征在于，还包括：

统计运动周期内接收所述中断信号的次数，将累加得到的数量作为碰撞次数；

响应于所述碰撞次数小于次数阈值，确定碰撞类型为瞬态碰撞；

响应于所述运动周期内所述中断信号的累积次数大于或等于所述次数阈值，确定碰撞类型为周期性碰撞。

10.根据权利要求1至9任一项所述的安全控制方法，其特征在于，所述机械臂还包括相互连接的第一控制电路及第二控制电路，分别用于执行所述安全控制方法，所述安全控制方法还包括：

所述第一控制电路和/或第二控制电路对所述第一运动信息、所述位置信息、所述碰撞力信息及所述安全控制策略中的任一者或者任意组合进行交叉验证。

11.一种机械臂，其特征在于，包括：

多个关节，用于实现所述机械臂的运动；

多个加速度传感器，不同的所述加速度传感器设置在不同的所述关节处，所述加速度传感器用于采集所述关节的第一运动信息；

控制电路，与所述多个关节连接，用于执行权利要求1至10任一项所述的安全控制方法；

其中，所述机械臂的每个关节或关节区域上设有两组所述加速度传感器，同一所述关节或关节区域上的两组所述加速度传感器冗余设置，所述控制电路从冗余设置的两组所述加速度传感器分别获取同一所述关节或同一所述关节区域内多个关节的第一运动信息，以获得两个所述第一运动信息，并基于所述两个第一运动信息确定发生碰撞的位置信息及碰撞力信息。

12.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，所述加速度传感器采集所述关节的第二运动信息，并在确定所述第二运动信息超过门限值时产生中断信号，所述控制电路响应于所述中断信号，确定所述机械臂发生碰撞；

其中，所述加速度传感器在产生所述中断信号之后，采集所述第一运动信息。

13.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，每个所述关节设置所述加速度传感器或者每个关节区域设置所述加速度传感器，其中，所述关节区域包括多个相邻的所述关节。

14.根据权利要求13所述的机械臂，其特征在于，所述控制电路包括相互连接的第一控制电路及第二控制电路；

所述第一控制电路分别与所述冗余设置的两个加速度传感器连接，用于执行权利要求1至10任一项所述的安全控制方法；

所述第二控制电路分别与所述冗余设置的两个加速度传感器连接，用于执行权利要求1至10任一项所述的安全控制方法；

所述第一控制电路和/或第二控制电路对所述第一运动信息、所述位置信息、所述碰撞力信息及所述安全控制策略中的任一者或者任意组合进行交叉验证。

15.根据权利要求11所述的机械臂，其特征在于，还包括：

驱动电路，与所述控制电路连接，用于执行所述安全控制策略。

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