CN115648230A - 一种机械臂的控制电路、机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及工业机器人的安全控制领域，公开了一种机械臂的控制电路、机械臂及机器人，机械臂包括控制电路及与控制电路连接的驱动机构，控制电路及驱动机构设置在机械臂的关节处，控制电路包括：与驱动机构连接的第一检测电路和第二检测电路，获取驱动机构的高速端的第一运动信息和低速端的第二运动信息；驱动控制电路连接第一检测电路及第二检测电路，基于第一运动信息及第二运动信息控制驱动机构工作；安全监测电路连接驱动控制电路及第二检测电路，基于第二运动信息实现对低速端运动的安全监测，在低速端运动异常时，向驱动控制电路反馈异常信息，驱动控制电路基于异常信息控制驱动机构减速或者停止工作，以实现对机械臂的关节的安全控制。

Description

一种机械臂的控制电路、机械臂及机器人

技术领域

本申请涉及工业机器人的安全控制领域，特别是涉及一种机械臂的控制电路、机械臂及机器人。

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，通常的协作机器人对一体化关节的速度位置读取仅依赖伺服系统，然而一些现有的伺服系统的设计具备较高的复杂性，使得应用该伺服系统的协作机器人的生产成本居高难下；同时，另一些现有的伺服系统难以满足协作机器人安全标准所提出的安全架构。

发明内容

本申请至少提供一种机械臂的控制电路、机械臂及机器人。

本申请第一方面提供了一种机械臂的控制电路，机械臂包括控制电路及与控制电路连接的驱动机构，控制电路及驱动机构设置在机械臂的关节处，该控制电路包括：

第一检测电路，与驱动机构连接，用于获取驱动机构的高速端的第一运动信息；

第二检测电路，与驱动机构连接，用于获取驱动机构的低速端的第二运动信息；

驱动控制电路，分别与第一检测电路及第二检测电路连接，用于基于第一运动信息及第二运动信息控制驱动机构工作；

安全监测电路，分别与驱动控制电路及第二检测电路连接，用于基于第二运动信息实现对低速端运动的安全监测，以在低速端运动异常时，向驱动控制电路反馈异常信息，驱动控制电路基于异常信息控制驱动机构减速或者停止工作，其中，运动信息包括动力学信息及运动学信息。

本申请第二方面提供了一种机械臂，该机械臂包括如上述的控制电路。

本申请第三方面提供了一种机器人，该机器人包括：

本体；

电机，设置在本体内，用于带动本体移动；

如上述的机械臂，设置在本体上，用于进行作业。

上述方案，通过将控制电路及与控制电路连接的驱动机构设置在机械臂的关节处，通过控制电路监测驱动机构的运动信息，以控制驱动机构工作、减速或停止工作，进而实现对机械臂的关节的安全控制。同时，本申请控制电路包括第一检测电路、第二检测电路、驱动控制电路以及安全监测电路，通过第一检测电路、第二检测电路获取驱动机构高速端的第一运动信息以及驱动机构低速端的第二运动信息，进一步通过驱动控制电路实现对驱动机构的驱动控制，通过第一检测电路、第二检测电路以及安全监测电路实现对驱动机构的安全监测，能够分解伺服系统，简化伺服系统，降低设计难度以及生产成本；且运动信息包括动力学信息及运动学信息，能够综合考虑机械臂关节的动力学及运动学信息实现关节的安全监控功能，能提升工业机器人功能安全等级。

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

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于说明本申请的技术方案。

图1是本申请机械臂的控制电路第一实施例的结构示意图；

图2是本申请机械臂的控制电路第二实施例的结构示意图；

图3是本申请机械臂的控制电路第三实施例的结构示意图；

图4是本申请机械臂的控制电路第四实施例的结构示意图；

图5是本申请机械臂一实施例的结构示意图；

图6是本申请机器人一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。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。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

工业机器人，特别是协作机器人要求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协作机器人安全标准ISO 15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构。本申请提供一种机械臂的控制电路，该控制电路设置于该机械臂的关节处，该控制电路通过分解现有伺服系统，简化伺服系统，降低设计难度以及生产成本，同时能够实现对该机械臂的关节的安全控制，以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协作机器人安全标准ISO 15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构。

本申请的运动信息包括动力学信息及运动学信息，能够综合考虑机械臂关节的动力学及运动学信息实现关节的安全监控功能，能提升工业机器人功能安全等级。

请参阅图1，图1是本申请机械臂的控制电路第一实施例的结构示意图。如图1所示，机械臂包括控制电路10及与控制电路10连接的驱动机构20，其中，控制电路10及驱动机构20设置在机械臂的关节处。可选地，本实施例中的驱动机构20具体可为电机，通过电机的转动以带动机械臂移动和/或转动。

具体地，控制电路10包括第一检测电路11、第二检测电路12、驱动控制电路13以及安全监测电路14。其中，第一检测电路11与驱动机构20连接，用于获取驱动机构20的高速端的第一运动信息，第二检测电路12与驱动机构20连接，用于获取驱动机构20的低速端的第二运动信息。其中，高速端的第一运动信息和低速端的第二运动信息呈比例相关。其中，高速端为驱动机构20的转动轴，具体为伺服控制器的输出轴；低速端为机械臂的关节末端运动轴，具体可通过减速器件与伺服控制器的输出轴连接。

可选地，本实施例机械臂的关节内部可存在电机和减速器，电机与减速器相连接，以通过减速器的输出轴控制机械臂移动和/或转动，驱动机构20的高速端具体为电机的输入轴，驱动机构20的低速端具体为与电机连接的减速器的输出轴。其中，电机的输入轴和减速器的输出轴存在一定比例的关系，比如N：1，具体可以理解为电机转N圈，机械臂的关节输出轴，即减速器的输出轴转1圈，此时用户直接观察到机械臂的关节实际转动1圈。

其中，由于第一检测电路11和第二检测电路12均可为编码器，第一检测电路11可通过感应电机的输入轴的高速端码盘的转动，以获取驱动机构20的高速端的第一运动信息，第二检测电路12可通过感应机械臂的关节输出轴，即减速器的输出轴码盘的转动，以获取驱动机构20的低速端的第二运动信息。

如图1所示，驱动控制电路13分别与第一检测电路11及第二检测电路12连接，驱动控制电路13基于第一检测电路11获取的第一运动信息及第二检测电路12获取的第二运动信息实现控制驱动机构20工作。

具体地，驱动控制电路13用于确定第一运动信息与第二运动信息是否满足预设比例，以判断驱动机构20工作是否异常，在判断驱动机构20异常时，控制驱动机构20减速或者停止工作，即停机。可选地，当驱动控制电路13判断驱动机构20工作超速时候，则需要控制驱动机构20减速至安全转速；当驱动控制电路13判断驱动机构20发生错位等异常时，则需要控制驱动机构20立即停止工作。

如图1所示，安全监测电路14分别与驱动控制电路13及第二检测电路12连接，用于基于第二运动信息实现对低速端运动的安全监测，以在驱动机构20的低速端运动异常时，向驱动控制电路13反馈异常信息，驱动控制电路13基于异常信息控制驱动机构20减速或者停止工作，即停机。

可选地，本实施例所使用作为第一检测电路11和第二检测电路12的编码器具有两种输出模式，具体包括增量式输出以及绝对式输出，即对应的第一运动信息和第二运动信息均包括增量式位置信息及绝对式位置信息。

具体地，安全监测电路14基于第二运动信息的增量式位置信息获取低速端的第一转速或第一位置，及基于第二运动信息的绝对式位置信息获取低速端的第二转速或第二位置。

其中，安全监测电路14用于确定第一转速与第二转速之间的差值是否大于第一差值阈值，当安全监测电路14确定第一转速与第二转速之间的差值大于第一差值阈值时，则判断驱动机构20的低速端转速异常；安全监测电路14还用于确定第一位置与第二位置之间的差值是否大于第二差值阈值，当安全监测电路14确定第一位置与第二位置之间的差值大于第二差值阈值时，则判断驱动机构20的低速端位置异常。

可选地，驱动控制电路13与安全监测电路14可均为MCU（微控制单元，Microcontroller Unit），本实施例通过将现有协作机器人的伺服系统分解为对驱动机构20进行驱动控制的驱动控制电路13，以及对驱动机构20进行安全监测的安全监测电路14，以实现简化伺服系统，降低设计难度。同时，驱动控制电路13可使用高性能的MCU，由于安全检测仅需要负责对应的安全逻辑判断，因此安全监测电路14可使用性能较低的MCU，以降低生产成本。

结合图1，进一步参阅图2，图2是本申请机械臂的控制电路第二实施例的结构示意图。如图2所示，安全监测电路14包括第一从控制电路141和第二从控制电路142。其中，本实施例第二运动信息包括第一速度位置信息及第二速度位置信息。

具体地，第一从控制电路141连接第二检测电路12，第一从控制电路141用于从第二检测电路12获取第一速度位置信息，并对第一速度位置信息进行处理。其中，第一从控制电路141具体可对第一速度位置信息进行相应分类转化和/或滤波处理，以得到低速端去除杂波影响之后的第一位置信息以及第一速度信息。

第二从控制电路142分别连接驱动控制电路13、第二检测电路12以及第一从控制电路141，第二从控制电路142用于从第二检测电路12获取第二速度位置信息，并对第二速度位置信息进行处理，且对处理后的第二速度位置信息及处理后的第一速度位置信息进行交叉验证，以确定低速端的转速及位置是否安全，并在转速和/或位置不安全时反馈异常信息至驱动控制电路13，以实现对低速端运动的安全监测。其中，第二从控制电路142具体可对第二速度位置信息进行相应分类转化和/或滤波处理，以得到低速端去除杂波影响之后的第二位置信息以及第二速度信息并且分别与第一从控制电路141处理得到的第一位置信息以及第一速度信息进行交叉验证。

可选地，在其他实施中，第一从控制电路141也可获取第二从控制电路142处理后的第二速度位置信息，以将处理后的第二速度位置信息及处理后的第一速度位置信息进行交叉验证，实现判断低速端的转速及位置是否安全。或者，第一从控制电路141也可获取第二从控制电路142的交叉验证结果，进一步与第一从控制电路141的交叉验证结果执行二次交叉验证，提高检测的准确性。

可选地，在本实施例中，第一从控制电路141与第二从控制电路142可均为MCU，用于分别从第二检测电路12获取第一速度位置信息和第二速度位置信息，同时由于第二检测电路12可为编码器，即第二检测电路12可具有两种输出模式，具体包括增量式输出以及绝对式输出，即第一速度位置信息和第二速度位置信息可分别包括增量式位置信息及绝对式位置信息。

其中，由第一实施例可知第一运动信息也包括增量式位置信息及绝对式位置信息，具体地，本实施例将第一运动信息的增量式位置信息定义为第一增量式位置信息，将第一速度位置信息的增量式位置信息定义为第二增量式位置信息，将第二速度位置信息的增量式位置信息定义为第三增量式位置信息；以及将第二速度位置信息的绝对式位置信息定义为第一绝对式位置信息，将第一速度位置信息的绝对式位置信息定义为第二绝对式位置信息，将第一运动信息的绝对式位置信息定义为第三绝对式位置信息。

其中，增量式位置信息包括转速信息，绝对式位置信息包括位置信息，第一运动信息即对应高速端的转速信息和/或位置信息，第二运动信息即对应低速端的转速信息和/或位置信息，即第一速度位置信息和第二速度位置信息均对应低速端的转速信息和/或位置信息。

具体地，增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。还可以把每转发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。

绝对式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区树木是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

对比增量式编码器以及绝对式编码器可知，增量式编码器通过在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙（分为透明和不透明部分），在编码器两侧安装光源和感光元件。当码盘随工作轴旋转时，每旋转一个槽，光影都会发生变化。经过整形放大后，可以得到一定幅度和功率的电脉冲输出信号，脉冲数等于旋转的槽数。脉冲信号被发送到计数器进行计数，从测量的数字可以知道圆盘旋转的角度；而绝对式编码器：绝对式编码器不需要计数器，在转轴的任意位置都可读书一个固定的与位置相对应的数字码。即，绝对式编码器的每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆。

具体地，在本实施例中，如图2所示，第一检测电路11包括第一编码器111，第一编码器111与驱动机构20的高速端相对设置，具体可相对高速端的边缘设置，当高速端转动一周期时，其上的标定位置和/或标定部件经过第一编码器111一次，第一编码器111通过获取标定位置和/或标定部件经过的次数即可知道高速端的转速和/或位置。且第一编码器111与驱动控制电路13连接，用于获取第一运动信息，具体可输出第一增量式位置信息和/或第三绝对式位置信息。

第二检测电路12包括第二编码器121和第三编码器122，第二编码器121与驱动机构20的低速端相对设置，具体可相对低速端的边缘设置，当低速端转动一周期时，其上的标定位置和/或标定部件经过第二编码器121一次，第二编码器121通过获取标定位置和/或标定部件经过的次数即可知道高速端的转速和/或位置。且第二编码器121与第一从控制电路141连接，用于获取第一速度位置信息，具体可输出第二增量式位置信息和/或第二绝对式位置信息。第三编码器122与驱动机构20的低速端相对设置，且与第二从控制电路142连接，用于获取第二速度位置信息，具体可输出第三增量式位置信息和/或第一绝对式位置信息。

具体地，在一实施例中，驱动控制电路13基于第一增量式位置信息，获得高速端的转速，并且由于高速端的输出端与低速端的输入端通过减速器连接，因此驱动控制电路13基于转速控制高速端的转动，即可控制低速端的转动。

进一步地，驱动控制电路13基于第一绝对式位置信息，获得驱动机构20的低速端的当前位置，并基于驱动机构20的高速端的转速及当前位置控制关节到达目标位置。具体地，驱动控制电路13基于第一绝对式位置信息获得的低速端的当前位置，以及基于第一增量式位置信息所获取的高速端的转速控制驱动机构20工作，具体可控制驱动机构20带动机械臂的关节转动和/或移动，以使关节到达目标位置。

具体地，在另一实施例中，第一从控制电路141基于第一速度位置信息能够确定低速端的第一转速和/或第一位置，同时第二从控制电路142基于第二速度位置信息能够确定低速端的第二转速和/或第二位置。

其中，第一从控制电路141基于第二增量式位置信息确定低速端的第一转速，第二从控制电路142基于第三增量式位置信息确定低速端的第二转速，和/或第一从控制电路141基于第二绝对式位置信息确定低速端的第一位置，第二从控制电路142基于第一绝对式位置信息确定低速端的第二位置。

进一步地，由于第二从控制电路142连接第一从控制电路141，第二从控制电路142还能获取第一从控制电路141反馈的第一转速和/或第一位置。

其中，在一实施例中，第二从控制电路142确定第一转速与第二转速之间的差值是否大于第一差值阈值，当第二从控制电路142确定第一转速与第二转速之间的差值大于第一差值阈值时，则确定驱动机构20的低速端转速异常，并反馈转速异常信息至驱动控制电路13，驱动控制电路13基于转速异常信息控制驱动机构20停止工作。

在另一实施例中，第二从控制电路142还可用于确定第一转速是否大于转速阈值，若第二从控制电路142确定第一转速大于转速阈值，则确定驱动机构20的低速端运动超速，并反馈超速信息，驱动控制电路13基于超速信息控制驱动机构20减速。

可选地，第一差值阈值以及转速阈值可为用户根据经验设置的参数，可根据机械臂的型号、性能参数或尺寸等信息进行设置。同时，第二从控制电路142可同时执行所有上述实施例所述的判断异常方法，或选择其中一项执行，本申请在此处不做限定。

可选地，如图2所示，第二从控制电路142还连接第一检测电路11，可以通过第一检测电路11获取的第一增量式位置信息确定驱动机构20的高速端的转速，进而确定驱动机构20的低速端的转速。

其中，第二从控制电路142基于第一检测电路11反馈的第一增量式位置信息以及通过减速比确定低速端的转速，其中，该减速比为驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比。具体地，第二从控制电路142基于第一增量式位置信息获取高速端的转速，驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比即可为电机的输入轴和减速器的输出轴的比例，具体可根据机械臂的型号、性能参数或尺寸等信息进行设置。因此，驱动机构20的高速端与低速端之间的减速比即为本申请所述的预设比例。

可选地，如图2所示，第二从控制电路142还连接第一检测电路11，可以通过第一检测电路11获取的第三绝对式位置信息确定驱动机构20的高速端的位置，进而确定驱动机构20的低速端的转速。

其中，第二从控制电路142基于第一检测电路11反馈的第三绝对式位置信息以及通过减速比确定低速端的转速，其中，该减速比为驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比。具体地，第二从控制电路142基于第三绝对式位置信息获取高速端的位置，由于转速信息与位置信息具有一定比例，且该比例与驱动机构20的高速端码盘的性能参数相关，即第二从控制电路142能够通过高速端的位置计算得到高速端的转速。同时，驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比即可为电机的输入轴和减速器的输出轴的比例，该比例具体可根据机械臂的型号、性能参数或尺寸等信息进行设置，第二从控制电路142基于该比例与高速端的转速即可确定低速端的转速。因此，驱动机构20的高速端与低速端之间的减速比即为本申请所述的预设比例。

可选地，第一从控制电路141还可基于第二绝对式位置信息确定低速端的转速。其中，第一从控制电路141基于第二绝对式位置信息获取低速端的位置，由于转速信息与位置信息具有一定比例，且该比例与驱动机构20的低速端码盘的性能参数相关，即第一从控制电路141能够通过低速端的位置计算得到低速端的转速。

具体地，第二从控制电路142和第一从控制电路141通过上述的任一方法确定低速端的转速，并进一步把第二从控制电路142获得的低速端的转速和第一从控制电路141获得的低速端的转速进行比较，得到对应的验证结果，并在判断转速不安全时，即判断转速超速或转速不足时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

进一步地，在其他实施例中，当驱动机构20的高速端码盘或低速端码盘发生脏污或者失效时，会导致其的转速对应发生变化，此时将当前驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比，与预设的减速比进行比较。当两个减速比匹配时，则可证明驱动机构20的高速端码盘和低速端码盘均正常无误；当两个减速比不匹配时，则可证明驱动机构20的高速端码盘或低速端码盘发生错误，并反馈异常信息至驱动控制电路13，进而使控制电路10进行安全控制状态。

其中，在一实施例中，第二从控制电路142用于确定第一位置与第二位置之间的差值是否大于第二差值阈值，当第二从控制电路142确定第一位置与第二位置之间的差值大于第二差值阈值时，则判断驱动机构20的低速端位置异常，并反馈位置异常信息，驱动控制电路13基于位置异常信息控制驱动机构20停止工作。

其中，若第二从控制电路142确定第一位置与第二位置之间的差值小于或等于第二差值阈值，则需要进一步确定第一位置是否大于位置阈值，当判断第一位置大于位置阈值，则确定驱动机构20的低速端位置超限，并反馈位置超限信息，驱动控制电路13基于位置超限信息控制驱动机构20停止工作。

可选地，第二差值阈值以及位置阈值可为用户根据经验设置的参数，可根据机械臂的型号、性能参数或尺寸等信息进行设置。同时，第二从控制电路142可同时执行所有上述实施例所述的判断异常方法，或选择其中一项执行，本申请在此处不做限定。

可选地，如图2所示，第二从控制电路142还连接第一检测电路11，可以通过第一检测电路11获取的第一增量式位置信息确定驱动机构20的高速端的转速，进而确定驱动机构20的低速端的位置。

其中，第二从控制电路142基于第一检测电路11反馈的第一增量式位置信息获取高速端的转速，以及通过减速比确定低速端的转速，其中，该减速比为驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比，并进一步通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到低速端的位置。由于驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比即可为电机的输入轴和减速器的输出轴的比例，该比例具体可根据机械臂的型号、性能参数或尺寸等信息进行设置，第二从控制电路142基于该比例与高速端的转速即可确定低速端的转速。同时，转速信息与位置信息具有一定比例，且该比例与驱动机构20的低速端码盘的性能参数相关，即第二从控制电路142能够通过低速端的转速计算得到低速端的位置。因此，驱动机构20的高速端与低速端之间的减速比即为本申请所述的预设比例。

可选地，如图2所示，第二从控制电路142还连接第一检测电路11，可以通过第一检测电路11获取的第三绝对式位置信息确定驱动机构20的高速端的位置，进而确定驱动机构20的低速端的位置。

其中，第二从控制电路142基于第一检测电路11反馈的第三绝对式位置信息获取高速端的位置，并进一步通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到高速端的转速，并基于驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比与高速端的转速即可确定低速端的转速，进一步地，第二从控制电路142通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到低速端的位置。因此，驱动机构20的高速端与低速端之间的减速比即为本申请所述的预设比例。

可选地，在另一实施例中，驱动控制电路13基于开机时刻对应的第三绝对式位置信息确定高速端的初始位置，并基于初始位置及开机后对应的第一增量式位置信息确定高速端开机后的位置。具体地，驱动控制电路13能够基于开机时刻对应的第三绝对式位置信息确定高速端的初始位置，通过基于开机后对应的第一增量式确定驱动机构20的高速端在正常运行状态下的转速，由于转速信息与位置信息具有一定比例，且该比例与驱动机构20的高速端码盘的性能参数相关，因此驱动控制电路13基于初始位置以及高速端的转速能够确定高速端开机后的位置。同时，第二从控制电路142与驱动控制电路13通信，以获取驱动控制电路13反馈的高速端的实时位置。

可选地，第一从控制电路141还可基于第二增量式位置信息确定低速端的位置。其中，第一从控制电路141基于第二增量式位置信息获取低速端的转速，由于转速信息与位置信息具有一定比例，且该比例与驱动机构20的低速端码盘的性能参数相关，即第一从控制电路141能够通过低速端的转速计算得到低速端的位置。

具体地，第二从控制电路142和第一从控制电路141通过上述的任一方法确定低速端的位置，并进一步把第二从控制电路142获得的低速端的位置和第一从控制电路141获得的低速端的位置进行比较，得到对应的验证结果，并在判断低速端的位置不安全时，即可为判断低速端超限时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

本实施例在驱动机构20的高速端对应设置第一编码器111，通过第一编码器111确定高速端的转速信息和/或位置信息，在驱动机构20的低速端对应设置第二编码器121和第三编码器122，通过第二编码器121和第三编码器122确定低速端的转速信息和/或位置信息，并通过第一从控制电路141通过第二编码器121获取低速端的转速信息和/或位置信息，以及通过第二从控制电路141通过第三编码器122确定低速端的转速信息和/或位置信息，并进一步将第一从控制电路141和第二从控制电路141获取的转速信息和/或位置信息进行交叉验证，以实现冗余安全监测，能够防范各种错误发生导致的严重后果，以降低控制电路10的失效率，提升了关节的可靠性，进而使应用控制电路10的机械臂符合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协作机器人安全标准ISO 15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构，具体使应用控制电路10的机械臂的安全功能需满足Category 3和Performance Level d。

结合图1，进一步参阅图3，图3是本申请机械臂的控制电路第三实施例的结构示意图。如图3所示，本实施例第一检测电路11包括第一编码器111，第二检测电路12包括第二编码器121、第三编码器122以及第四编码器123。

其中，第一编码器111与驱动机构20的高速端相对设置，且连接驱动控制电路13，第一编码器111用于获取第一运动信息，具体可输出第三绝对式位置信息和第一增量式位置信息。第二编码器121与驱动机构20的低速端相对设置，且连接第一从控制电路141，第二编码器121用于获取第一速度位置信息，具体可输出第二绝对式位置信息。第三编码器122与驱动机构20的低速端相对设置，且连接第二从控制电路142，第三编码器122用于获取第二速度位置信息，具体可输出第一绝对式位置信息。

第四编码器123与驱动机构20的低速端相对设置，且连接驱动控制电路13，第四编码器123用于获取第三速度位置信息。其中，第三速度位置信息用于表征低速端的位置信息，即第三速度位置信息包括第四绝对式位置信息。

安全监测电路14包括第一从控制电路141和第二从控制电路142。其中，第一从控制电路141与第二编码器121连接，第一从控制电路141通过第二编码器121获取第二绝对式位置信息，并对第二绝对式位置信息进行处理。

第二从控制电路142分别连接第三编码器122以及第一从控制电路141，第二从控制电路142用于对第一绝对式位置信息进行处理，且对处理后的第一绝对式位置信息及处理后的第二绝对式位置信息进行交叉验证，以确定低速端的转速及位置是否安全，并在转速和/或位置不安全时反馈异常信息至驱动控制电路13。

驱动控制电路13基于第四绝对式位置信息及第三绝对式位置信息控制驱动机构20工作，第二从控制电路142对第一绝对式位置信息和第二绝对式位置信息进行交叉验证以得到对应的验证结果，并在转速和/或位置不安全时反馈异常信息至驱动控制电路13。

其中，第二从控制电路142可通过第一绝对式位置信息直接确定低速端的位置，还可通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到低速端的转速。同理，第一从控制电路141可通过第二绝对式位置信息直接确定低速端的位置，还可通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到低速端的转速。

可选地，第二从控制电路142还与驱动控制电路13连接，用于获取第一增量式位置信息，并基于第一增量式位置信息及第二绝对式位置信息进行交叉验证以得到对应的验证结果，并在转速和/或位置不安全时反馈异常信息至驱动控制电路13。

具体地，第二从控制电路142通过第一增量式位置信息获取高速端的转速，并进一步根据驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比，具体为电机的输入轴和减速器的输出轴的比例，计算得到低速端的转速。第二从控制电路142将通过第二绝对式位置确定的低速端的位置计算得到低速端的转速，与通过第一增量式位置信息计算得到的低速端的转速进行比较，以验证低速端的转速是否安全，以在低速端的转速不安全时，即判断低速端超速或转速不足时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

进一步地，第二从控制电路142还可根据转速信息与位置信息之间的比例，将根据第一增量式位置信息计算得到的低速端的转速，转化为低速端的位置，并与通过第二绝对式位置信息直接确定的低速端的位置进行比较，以验证低速端的位置是否安全，以在低速端的位置不安全时，即可为判断低速端超限时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

具体地，本实施例使用第一编码器111、第二编码器121、第三编码器122以及第四编码器123获取驱动机构20的高速端以及低速端的位置信息和/或转速信息，进而使驱动控制电路13实现对驱动机构20的驱动控制，以及使第一从控制电路141和第二从控制电路142实现对驱动机构20的安全监测。本实施例通过多编码器获取不同的位置信息和/或转速信息，能够防止出现其中任一编码器损坏时，无法直接获取对应的位置信息和/或转速信息，提高检测准确度，提升了关节的可靠性，进而使应用控制电路10的机器人符合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协作机器人安全标准ISO15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构。

结合图1，进一步参阅图4，图4是本申请机械臂的控制电路第四实施例的结构示意图。如图4所示，本实施例第一检测电路11包括第一编码器111，第二检测电路12包括第二编码器121。

其中，第一编码器111与驱动机构20的高速端相对设置，且连接驱动控制电路13，第一编码器111用于获取第一运动信息，具体可输出第一增量式位置信息以及第三绝对式位置信息。第二编码器121与驱动机构20的低速端相对设置，且与驱动控制电路13连接，用于获取第一速度位置信息，具体可输出第二增量式位置信息以及第二绝对式位置信息。

驱动控制电路13基于第一运动信息，并基于通过第一运动信息获取的高速端的转速控制高速端的转速，进而控制与高速端连接的低速端的转速。具体地，驱动控制电路13基于第一增量式位置信息获得高速端的转速，并通过判断高速端的转速是否异常，即是否超速，以控制高速端是否降速。

驱动控制电路13基于第一速度位置信息，获得低速端的当前位置，并基于低速端的转速及当前位置控制关节到达目标位置。具体地，驱动控制电路13基于第二绝对式位置信息获得低速端的位置，并通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到低速端的转速，进而通过低速端的当前位置和转速控制机械臂的关节移动和/或转动，以到达目标位置。

具体地，安全监测电路14包括第一从控制电路141和第二从控制电路142。

其中，第一从控制电路141连接第二编码器121连接，用于获取第一速度位置信息，并对第一速度位置信息进行处理。

第二从控制电路142分别与驱动控制电路13、第一编码器111及第一从控制电路141连接，用于对第一运动信息进行处理，且对处理后的第一运动信息及处理后的第一速度位置信息进行交叉验证，以判断低速端的转速及位置是否安全，并在低速端的转速和/或位置不安全时反馈异常信息至驱动控制电路13。

具体地，第二从控制电路142基于第二增量式位置信息确定低速端的转速，还基于第一编码器111反馈的第一增量式位置信息确定高速端的转速，并通过驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比计算得到低速端的转速，将两个低速端的转速进行比较，以验证低速端的转速是否安全，以在低速端的转速不安全时，即判断低速端超速或转速不足时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

进一步地，第二从控制电路142还可根据转速信息与位置信息之间的比例，将根据第一增量式位置信息计算得到的低速端的转速，转化为低速端的位置，并将通过第二增量式位置信息计算得到的低速端的转速，转化为另一低速端的位置，将两个低速端的进行比较，以验证低速端的位置是否安全，以在低速端的位置不安全时，即可为判断低速端超限时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

如图4所示，第一从控制电路141还与驱动控制电路13连接，用于将第二增量式位置信息传送给驱动控制电路13，驱动控制电路13将第三绝对位置信息与第二增量式位置信息进行比较，以判断第一从控制电路141是否异常，并在确定第一从控制电路141异常时，控制驱动机构停止工作或报错。

具体地，驱动控制电路13基于第三绝对位置信息确定高速端的位置，并通过转速信息与位置信息之间的比例计算得到高速端的转速，进一步通过减速比计算得到低速端的转速，该减速比为驱动机构20的高速端与驱动机构20的低速端之间的减速比。同时，驱动控制电路13基于第二增量式位置信息确定低速端的转速，与计算得到的低速端的转速进行比较，以验证低速端的转速是否安全，以在低速端的转速不安全时，即判断低速端超速或转速不足时，反馈异常信息至驱动控制电路13。

具体地，本实施例仅使用第一编码器111和第二编码器121即可获取驱动机构20的高速端以及低速端的位置信息和/或转速信息，进而使驱动控制电路13实现对驱动机构20的驱动控制，以及使第一从控制电路141和第二从控制电路142实现对驱动机构20的安全监测，具有整体结构简单，生产成本低的优点。

可选地，在其他实施例中，由于安全监测电路14仅用于对机械臂的关节的输入部分进行监测和逻辑控制，而不同机械臂的关节所需要满足的安全功能要求以及应用不同，因此安全监测电路14的具体设计可不相同。例如，在其他实施例中，可使用分立逻辑器件，或者可编程逻辑器件，如FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）、CPLD（Complex Programming logic device,复杂可编程逻辑器件）等，替代本申请作为第一从控制电路141和第二从控制电路142的两个MCU。

可选地，在其他实施例中，还可在安全监测电路14中增加实现其他保护功能的电路，例如过温保护电路、过流保护电路或过压欠压保护电路中的一个或多个，以实现对工作电压、工作电压以及工作温度的监测。

本申请将控制电路10和驱动机构20设置在机械臂的关节处，通常设置于机械臂的关节内，通过控制电路10监测驱动机构20的运动信息，以控制驱动机构20工作、减速或停止工作，进而实现对机械臂的关节的安全控制。具体地，控制电路10包括驱动控制电路13，以实现对驱动机构20的驱动控制，控制电路10还包括安全监测电路14，以实现对驱动机构20的安全监测。

一方面，通过将控制电路10分解为驱动控制电路13和安全监测电路14，能够简化伺服系统，降低设计难度。另一方面，在控制逻辑较为复杂的驱动控制电路13使用高性能的MCU，且在安全逻辑判断较为简单的安全监测电路14使用性能较低的MCU，能够在不影响安全控制性能的前提下降低生产成本。

另外，安全监测电路14包括第一从控制电路141和第二控制电路142，第一从控制电路141和第二控制电路142分别获取驱动机构20的低速端的转速和/或位置。其中，第一从控制电路141和第二控制电路142分别为一MCU，通过对第一从控制电路141和第二控制电路142获取的低速端的转速和/或位置进行交叉验证，以实现冗余安全监测，能够防范各种错误发生导致的严重后果，以降低控制电路10的失效率，提升了关节的可靠性，进而使应用控制电路10的机器人符合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协作机器人安全标准ISO 15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构。

另一方面，本申请提出多种多编码器的技术方案，包括双编码、三编码以及四编码的设计方案，能够满足不同伺服机构的对应安全监控，具有较强的适应性。

本申请还提供一种机械臂，请参阅图5，图5是本申请机械臂一实施例的结构示意图。如图5所示，机械臂50包括驱动机构52、控制电路53以及关节51，其中驱动机构52为上述任一实施例所述的驱动机构20，控制电路53为上述任一实施例所述的控制电路10，在此不再赘述。

具体地，驱动机构52及控制电路53设置在关节51内，驱动机构52用于驱动关节51运动。控制电路53连接驱动机构52，用于控制驱动机构52工作，并通过安全监测电路14对驱动机构52的低速端运动进行安全监测，以在驱动机构52的低速端运动异常时，向驱动控制电路13反馈异常信息，驱动控制电路13基于异常信息控制驱动机构52减速或者停止工作。

本申请机械臂50通过在机械臂50的关节51内设置控制电路53和驱动机构52，并且通过控制电路53监测驱动机构52的运动信息，以控制驱动机构52工作、减速或停止工作，实现对机械臂50的关节51的安全控制，进而使应用该机械臂50的机器人符合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协作机器人安全标准ISO 15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构。

本申请还提供一种机器人，请参阅图6，图6是本申请机器人一实施例的结构示意图。如图6所示，机器人60包括本体61、电机62以及机械臂63，其中机械臂63为上述实施例所述的机械臂50，在此不再赘述。

具体地，电机62设置在机器人60的本体61内，用于带动本体61移动，机械臂63设置在本体61上，用于进行作业。

本申请机器人60设置于本体61上的机械臂63内置有对电机62进行驱动控制以及安全监测功能的具体电路，以实现对机械臂63的安全控制，进而使应用该机械臂63的机器人60符合协作机器人安全标准ISO 15066所提出的安全要求以及机械安全标准ISO 13849-1所提出的安全架构。

以上所述仅为本申请的实施方式，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 (19)

1.一种机械臂的控制电路，其特征在于，所述机械臂包括所述控制电路及与所述控制电路连接的驱动机构，所述控制电路及所述驱动机构设置在所述机械臂的关节处，所述控制电路包括：

第一检测电路，与所述驱动机构连接，用于获取所述驱动机构的高速端的第一运动信息；

第二检测电路，与所述驱动机构连接，用于获取所述驱动机构的低速端的第二运动信息；

驱动控制电路，分别与所述第一检测电路及所述第二检测电路连接，用于基于所述第一运动信息及所述第二运动信息控制所述驱动机构工作；

安全监测电路，分别与所述驱动控制电路及所述第二检测电路连接，用于基于所述第二运动信息实现对所述低速端运动的安全监测，以在所述低速端运动异常时，向所述驱动控制电路反馈异常信息，所述驱动控制电路基于所述异常信息控制所述驱动机构减速或者停止工作；

其中，运动信息包括动力学信息及运动学信息。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第二运动信息包括：第一速度位置信息及第二速度位置信息，所述安全监测电路包括：

第一从控制电路，与所述第二检测电路连接，用于从所述第二检测电路获取所述第一速度位置信息，并对所述第一速度位置信息进行处理；

第二从控制电路，分别与所述驱动控制电路、所述第二检测电路及所述第一从控制电路连接，用于从所述第二检测电路获取所述第二速度位置信息，并对所述第二速度位置信息进行处理，且对处理后的所述第二速度位置信息及处理后的所述第一速度位置信息进行交叉验证，以确定所述低速端的转速及位置是否安全，并在所述转速和/或所述位置不安全时反馈所述异常信息至所述驱动控制电路。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述第一运动信息包括：第一增量式位置信息，所述第二速度位置信息包括：第一绝对式位置信息，所述驱动控制电路基于所述第一增量式位置信息，获得所述高速端的转速，并基于所述转速控制所述高速端的转动，以控制所述低速端的转动；所述驱动控制电路基于所述第一绝对式位置信息，获得所述低速端的当前位置，并基于所述高速端的转速及当前位置控制所述关节到达目标位置。

4.根据权利要求3所述的控制电路，其特征在于，所述第一从控制电路基于所述第一速度位置信息确定所述低速端的第一转速和/或第一位置，所述第二从控制电路基于所述第二速度位置信息确定所述低速端的第二转速和/或第二位置；

所述第二从控制电路确定所述第一转速与所述第二转速之间的差值是否大于第一差值阈值，若是，则确定所述低速端转速异常，并反馈转速异常信息，所述驱动控制电路基于所述转速异常信息控制所述驱动机构停止工作；

所述第二从控制电路确定所述第一转速是否大于转速阈值，若所述第一转速大于所述转速阈值，则确定所述低速端运动超速，并反馈超速信息，所述驱动控制电路基于所述超速信息控制所述驱动机构减速；和/或

所述第二从控制电路确定所述第一位置与所述第二位置之间的差值是否大于第二差值阈值，若所述第一位置与所述第二位置之间的差值大于所述第二差值阈值，则确定所述低速端位置异常，并反馈位置异常信息，所述驱动控制电路基于所述位置异常信息控制所述驱动机构停止工作；若所述第一位置与所述第二位置之间的差值小于或等于所述第二差值阈值，则进一步确定所述第一位置是否大于位置阈值，若所述第一位置大于所述位置阈值，则确定所述低速端位置超限，并反馈位置超限信息，所述驱动控制电路基于所述位置超限信息控制所述驱动机构停止工作。

5.根据权利要求4所述的控制电路，其特征在于，所述第一速度位置信息包括：第二增量式位置信息，所述第二速度位置信息包括：第三增量式位置信息；

所述第一从控制电路基于所述第二增量式位置信息确定所述低速端的第一转速，所述第二从控制电路基于所述第三增量式位置信息确定所述低速端的第二转速；

所述第一速度位置信息包括：第二绝对式位置信息，所述第二速度位置信息包括：第一绝对式位置信息；

所述第一从控制电路基于所述第二绝对式位置信息确定所述低速端的第一位置，所述第二从控制电路基于所述第一绝对式位置信息确定所述低速端的第二位置。

6.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述第一运动信息包括第一增量式位置信息及第三绝对式位置信息，所述第二从控制电路还与所述第一检测电路连接，所述第二从控制电路基于所述第一增量式位置信息及所述高速端与所述低速端之间的减速比确定所述低速端的转速；或者

所述第二从控制电路基于所述第三绝对式位置信息及所述减速比确定所述低速端的转速；或者

所述第一速度位置信息包括第二绝对式位置信息，所述第一从控制电路基于所述第二绝对式位置信息确定所述低速端的转速。

7.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述第一检测电路包括：

第一编码器，与所述高速端相对设置，且与所述驱动控制电路连接，用于获取所述第一运动信息。

8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，所述第二检测电路包括：

第二编码器，与所述低速端相对设置，且与所述第一从控制电路连接，用于获取所述第一速度位置信息；

第三编码器，与所述低速端相对设置，且与所述第二从控制电路连接，用于获取所述第二速度位置信息。

9.根据权利要求8所述的控制电路，其特征在于，所述第二检测电路还包括：

第四编码器，与所述低速端相对设置，且与所述驱动控制电路连接，用于获取第三速度位置信息。

10.根据权利要求9所述的控制电路，其特征在于，所述第一运动信息包括第三绝对式位置信息，所述第一速度位置信息包括第二绝对式位置信息，所述第二速度位置信息包括第一绝对式位置信息，所述第三速度位置信息包括第四绝对式位置信息，所述驱动控制电路基于所述第四绝对式位置信息及所述第三绝对式位置信息控制所述驱动机构工作，所述第二从控制电路基于所述第一绝对式位置信息及所述第二绝对式位置信息进行交叉验证，以确定所述低速端的转速及位置是否安全，并在所述转速和/或所述位置不安全时反馈所述异常信息至所述驱动控制电路。

11.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第二运动信息包括：增量式位置信息及绝对式位置信息，所述安全监测电路基于所述增量式位置信息获取所述低速端的第一转速或第一位置，及基于所述绝对式位置信息获取所述低速端的第二转速或第二位置；

所述安全监测电路确定所述第一转速与所述第二转速之间的差值是否大于第一差值阈值，若是，则确定所述低速端转速异常；

所述安全监测电路确定所述第一位置与所述第二位置之间的差值是否大于第二差值阈值，若是，则确定所述低速端位置异常。

12.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动控制电路用于确定所述第一运动信息与所述第二运动信息是否满足预设比例，以确定所述驱动机构工作是否异常，在确定异常时，控制所述驱动机构减速或者停止工作。

13.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一运动信息包括：第三绝对式位置信息及第一增量式位置信息；

所述驱动控制电路基于开机时刻对应的所述第三绝对式位置信息确定所述高速端的初始位置，并基于所述初始位置及开机后对应的所述第一增量式位置信息确定所述高速端开机后的位置。

14.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述第一检测电路包括：第一编码器，与所述高速端相对设置，且与所述驱动控制电路连接，用于获取所述第一运动信息；

所述第二检测电路包括：第二编码器，与所述低速端相对设置，且与所述驱动控制电路连接，用于获取第一速度位置信息。

15.根据权利要求14所述的控制电路，其特征在于，所述第一运动信息包括：第一增量式位置信息，所述第一速度位置信息包括：第二绝对式位置信息，所述驱动控制电路基于所述第一增量式位置信息，获得所述高速端的转速，并基于所述高速端的转速控制所述高速端的转速，以控制所述低速端的转速；所述驱动控制电路基于所述第二绝对式位置信息，获得所述低速端的当前位置，并基于所述低速端的转速及当前位置控制所述关节到达目标位置。

16.根据权利要求15所述的控制电路，其特征在于，所述安全监测电路包括：

第一从控制电路，与所述第二编码器连接，用于获取所述第一速度位置信息，并对所述第一速度位置信息进行处理；

第二从控制电路，分别与所述驱动控制电路、所述第一编码器及所述第一从控制电路连接，用于对所述第一运动信息进行处理，且对处理后的所述第一运动信息及处理后的所述第一速度位置信息进行交叉验证，以确定所述低速端的转速及位置是否安全，并在所述转速和/或所述位置不安全时反馈所述异常信息至所述驱动控制电路。

17.根据权利要求14所述的控制电路，其特征在于，所述第一速度位置信息包括第二增量式位置信息，所述第一从控制电路还与所述驱动控制电路连接，用于将所述第二增量式位置信息传送给所述驱动控制电路，所述驱动控制电路将所述第三绝对位置信息与所述第二增量式位置信息进行比较，以确定所述第一从控制电路是否异常，在确定异常时，控制所述驱动机构停止工作或报错。

18.一种机械臂，其特征在于，包括如权利要求1至17任一项所述的控制电路。

19.一种机器人，其特征在于，包括：

本体；

电机，设置在所述本体内，用于带动所述本体移动；

权利要求18所述的机械臂，设置在所述本体上，用于进行作业。

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