CN116394311B - 机器人急停保护处理方法、机器人及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了机器人急停保护处理方法，包括以下步骤：触发紧急停止，获取机器人电机急停实际转速；判断急停实际转速是否大于预设转速阈值；若急停实际转速大于预设转速阈值，进入高速急停模式；若急停实际转速小于等于预设转速阈值，进入低速急停模式。在不同模式下去规划关节伺服的不同运行状态，可最大程度减少对机器人的机械部件特别是抱闸组件以及减速机组件的撞击，并且适用于机器人不同的关节姿态以及负载。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，更具体地说，涉及机器人急停保护处理方法、机器人及存储介质。
背景技术
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。当机器人正常运行过程中发生危害时，急停装置作为紧急制动的措施，可以通过人为按下急停按钮，使机器人的所有轴立即停止运动，有效终止危害。目前，在常规的机器人急停处理中，通常是采样固定的速度进行减速进而停止，但是这种停止方式对于柔性机器人的关节、连杆及固定装置均会产生较大的冲击，影响机器人的使用寿命。
CN115085594A的专利公开了一种电机急停控制装置及机器人，在急停触发后，是将电机的输入电源从电机驱动器切换至直流电源，以切断电机驱动器供至电机的电源，并将直流电源通入电机中，通过在电机内部形成阻碍转子惯性旋转的静态磁场，使机器人迅速制动，但并未涉及到减小对机械部件的冲击。CN112428301A的专利公开了一种移动机器人的急刹冲击力计算方法，是通过急停急刹情况下的加速度得到对机器人减速器的受力状况，用于指导机器人合理设计加速度以及指导机器人减速器的选型，但其适用范围受到很大限制，重点在于减速器的选型。
因此，有必要提供一种适用范围更广、有利于降低机械部件冲击的急停保护处理方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了机器人急停保护处理方法，包括以下步骤：
触发紧急停止，获取机器人电机急停实际转速；
判断急停实际转速是否大于预设转速阈值；
若急停实际转速大于预设转速阈值，进入高速急停模式；若急停实际转速小于等于预设转速阈值，进入低速急停模式；
所述低速急停模式包括转矩控制模块和转速限制模块，在转矩控制模块下释放抱闸，进行电机转矩释放，实时规划电机转矩；同时在转速限制模块下限制实际输出的电机转矩，确保实际输出的电机转矩达到0，电机断电，达到对机械组件保护的目的。
作为一种优选的技术方案，所述转矩控制模块中实时规划的电机转矩如下式所示：
公式中，/>为实时规划的电机转矩，/>为实时输出的电机转矩，/>为开启抱闸瞬间的电机转矩，/>为电机转矩释放时间。
作为一种优选的技术方案，所述转速限制模块中实际输出的电机转矩如下式所示：
公式中，/>为实际输出的电机转矩，/>为实时规划的电机转矩，/>是在转速限制模块控制下为满足速度限制而通过PI调整出来的电机转矩限制值。
作为一种优选的技术方案，所述高速急停模式包括规划减速模块，在规划减速模块下规划电机转速。
作为一种优选的技术方案，所述规划减速模块中，规划的电机转速如下式所示：
公式中，/>为停机瞬间的电机转速，/>为规划减速时间，/>为实时输出的电机转速。
作为一种优选的技术方案，所述机器人急停实际输出转速经过规划减速模块将急停实际输出转速减少至小于等于预设转速阈值时，进入低速急停模式。
本发明还提供了一种机器人，当所述机器人发出紧急停止指令时，控制各个关节轴采用如上所述的机器人急停处理保护方法进行急停。
本发明还提供了一种存储介质，存储有计算机程序，当所述计算机程序被运行时，执行如上所述的机器人急停处理保护方法。
与现有技术相比较，本发明带来的有益效果是：
（1）本发明可以充分发挥伺服控制器的高响应能力，在急停时伺服控制器根据此时的机器人电机急停实际转速与预设转速阈值比较，判断进入高速急停或低速急停模式，实现了高速急停和低速急停两种模式的切换，在不同模式下有利于去规划关节伺服的不同运行状态；
（2）在低速急停模式下设有转矩控制模块和转速限制模块，能够实时规划电机转矩并限制电机实际输出转矩，可最大程度减少对机器人的机械部件特别是抱闸组件以及减速机组件的撞击；
（3）本发明提供的方法自适应性强，可适用于机器人不同的关节姿态以及负载，有利于让机器人的关节轴平稳停下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明机器人急停保护处理方法的流程示意图；
图2为本发明机器人急停保护处理方法中低速急停模式的示意图；
图3为本发明机器人急停保护处理方法中高速急停模式的示意图；
图4为本发明机器人急停保护处理方法中高速急停模式下电机转速和转矩波形图；
图5为本发明机器人急停保护处理方法中低速急停模式下电机转速和转矩波形图。
具体实施方式
参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明一实施例提供机器人急停保护处理方法，该机器人急停保护处理方法可应用于机器人关节的伺服系统中，所述伺服系统包括伺服控制器、伺服电机、减速机、编码器和控制终端，所述控制终端可以是与伺服系统直接相连的电脑终端或服务器，也可以是与获取相关数据的设备相连的电脑终端或服务器；所述伺服控制器与控制终端即机器人控制器连接；所述伺服控制器包括位置控制器、速度控制器、转矩控制器以及电流控制器。
图1为本发明机器人急停保护处理方法的流程示意图。如图1所示，该机器人急停保护处理方法包括以下步骤：
S1：触发紧急停止，获取机器人电机急停实际转速；
S2：判断急停实际转速是否大于预设转速阈值；
S3：若急停实际转速大于预设转速阈值，进入高速急停模式；若急停实际转速小于等于预设转速阈值，进入低速急停模式。
在上述步骤S1和S2中，具体地，触发紧急停止时，机器人控制器通过高速总线给伺服控制器发送急停信号，伺服控制器获取机器人电机急停实际转速，进一步判断急停实际转速是否大于预设转速阈值。
在上述步骤S3中，若急停实际转速小于等于预设转速阈值，存在机器人处于静止或趋近静止的状态，此时电机的运行转速基本为零或趋近为零，此时电机输出的转矩通常仅用于克服重力以及部分摩擦，此时急停时，如不进行转矩控制和速度限制，伺服电机在断电的瞬间会因为重力的影响运动较快，对机器人的机械部件特别是抱闸组件以及减速机组件造成碰撞损伤，对此，若急停实际转速小于等于预设转速阈值，进入低速急停模式。
图2为本发明机器人急停保护处理方法中低速急停模式的示意图。优选的，如图2所示，所述低速急停模式包括转矩控制模块，在转矩控制模块下释放抱闸，进行电机转矩释放，实时规划电机转矩。
优选的，所述转矩控制模块中实时规划的电机转矩如下式所示：
（1）
在公式（1）中，为实时规划的电机转矩，/>为实时输出的电机转矩，/>为开启抱闸瞬间的电机转矩，/>为电机转矩释放时间。
需要说明的是，在公式（1）中，开启抱闸瞬间的电机转矩在电机转矩释放时间内等量划分，与电机实时输出的转矩进行减算。
优选的，所述低速急停模式还包括转速限制模块，在转速限制模块下限制实际输出的电机转矩。
所述转速限制模块中实际输出的电机转矩如下式所示：
（2）
在公式（2）中，为实际输出的电机转矩，/>为实时规划的电机转矩，是在转速限制模块控制下为满足速度限制而通过PI调整出来的电机转矩限制值。
需要说明的是，所述PI是一种公知常见的控制算法，代表比例-积分控制器（Proportional-Integral Controller），在此不再赘述。优选的，所述电机转矩限制值如下式所示：
（3）
在公式（3）中，为预先设定的转速限制模块中的增益，/>为实时输出的电机转速与预先设定的电机转速间的差值。
优选的，所述实时输出的电机转速与预先设定的电机转速间的差值如下式所示：
（4）
在公式（4）中，为实时输出的电机转速，/>为预先设定的电机转速。
需要说明的是，上述的预先设定的电机转速是以达到对机械部件最小冲击并且能够保证在一定时间内能够把电机转矩释放掉的速度值。
优选的，所述低速急停模式后，电机断电。
具体的，若急停实际转速小于等于预设转速阈值，进入低速急停模式。在转矩控制模块下释放抱闸，进行电机转矩释放，实时规划电机转矩通过公式（1）为实时输出的电机转矩/>，同时为了避免由于重力的影响导致转矩控制模块中电机转速提高，需要通过转速限制模块，以限制实际输出的电机转矩，可确保电机可缓慢靠近机械限位，在经过/>时间后，最终/>达到0，此时电机断电，对机械的冲击达到最小，达到对机械组件保护的目的。
在上述步骤S3中，若急停实际转速大于预设转速阈值，此时若不作限制保护，往往会对机器人的机械结构造成不可逆的损伤。对此，若急停实际转速大于预设转速阈值，进入高速急停模式。
图3为本发明机器人急停保护处理方法中高速急停模式的示意图。优选的，如图3所示，所述高速急停模式包括规划减速模块，在规划减速模块下规划电机转速。也即，根据停机瞬间的电机转速和预先设定的规划减速时间自动规划出平稳减速所需的电机转速，伺服电机进而按照自动规划出的电机转速进行减速运行。
优选的，所述规划减速模块中，规划的电机转速如下式所示：
（5）
在公式（5）中，为停机瞬间的电机转速，/>为规划减速时间，/>为实时输出的电机转速。
需要说明的是，在公式（5）中，停机瞬间的电机转速在规划减速时间内等量划分，与电机实时输出的电机转速进行减算；所述停机瞬间的电机转速即为上文所述的机器人电机急停实际转速。
具体的，若急停实际转速大于预设转速阈值，进入高速急停模式的规划减速模块，记录此时停机瞬间的电机转速，在预先设定的规划减速时间/>通过公式（5）输出规划的电机转速/>，控制此转速，直至小于等于预设转速阈值。
优选的，所述机器人急停实际输出转速经过规划减速模块将急停实际输出转速减少至小于等于预设转速阈值时，进入低速急停模式。
图4为本发明机器人急停保护处理方法中高速急停模式下电机转速和转矩波形图，横坐标代表时间，每格100ms；纵坐标上方代表电机转速，每格1000rpm，纵坐标下方代表电机转矩，每格为50%额定转矩（所述额定转矩是指电机在额定工作条件下所能输出的最大转矩。不同机器人关节的额定转矩不一样，因为机器人的不同关节所需的转矩大小不同，需要根据实际应用需求进行选择，在此只作为图中的转矩点位置的参考）。如图4所示，在高速急停模式下，首先会在规划减速模块下根据停机瞬间的电机转速和预先设定的规划减速时间自动规划出平稳减速所需的电机转速，伺服电机进而按照自动规划出的电机转速进行减速运行，当电机转速减小到预设转速阈值进入低速急停模式。
图5为本发明机器人急停保护处理方法中低速急停模式下电机转速和转矩波形图，横坐标代表时间，每格100ms；纵坐标上方代表电机转速，每格20rpm，纵坐标下方代表电机转矩，每格为25%额定转矩。如图5所示，在转矩控制模块下释放抱闸，从当前电机转矩开始缓慢释放，同时通过转速限制模块电机转速也处于受限状态，可以看到此时转速稳定在限制值附近，缓慢靠近机械限位点，直到电机转矩释放为0，电机断电。需要说明的是，图4中在电机转速进行减速过程中电机转矩出现上下浮动是受机器人负载的影响。图5中，电机转矩释放过程中电机转速出现上下浮动是受到摩擦和重力的影响，但转速依旧保持在转速限制模块限制内，可保持转矩的继续释放。
通过实施本发明提供的方法，可以充分发挥伺服控制器的高响应能力，在急停时伺服控制器根据此时的机器人电机急停实际转速与预设转速阈值比较，判断进入高速急停或低速急停模式，进一步去规划关节伺服的运行状态，在高速急停模式下设有规划减速模块，在规划减速模块下规划电机转速；在低速急停模式下设有转矩控制模块和转速限制模块，能够实时规划电机转矩并限制电机实际输出转矩，可最大程度减少对机器人的机械部件特别是抱闸组件以及减速机组件的撞击，并且自适应性强，可适用于机器人不同的关节姿态以及负载，达到保护机器人机械部件的作用。
对应地，本发明的实施例还提供一种机器人，当所述机器人发出紧急停止指令时，控制各个关节轴采用如上所述的机器人急停处理保护方法进行急停。
对应地，本发明的实施例还提供一种存储介质，存储有计算机程序，当所述计算机程序被运行时，执行如上所述的机器人急停处理保护方法。
在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于任何类型的盘(包括软盘、硬盘、光盘、CD-ROM和磁光盘)、ROM(Read-Only Memory，只读存储器)、RAM(RandomAccessMemory，随机存储器)、EPROM(Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦写可编程只读存储器)、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory，电可擦可编程只读存储器)、闪存、磁性卡片或光线卡片等各种可以存储程序代码的介质。
显然，本领域的技术人员应当理解，上述的本发明的各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
需要说明的是，本发明公开的机器人急停保护处理方法的其它内容可参见现有技术，在此不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里上述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (5)
1.机器人急停保护处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
触发紧急停止，获取机器人电机急停实际转速；
判断急停实际转速是否大于预设转速阈值；
若急停实际转速大于预设转速阈值，进入高速急停模式；若急停实际转速小于等于预设转速阈值，进入低速急停模式；
所述低速急停模式包括转矩控制模块和转速限制模块，在转矩控制模块下释放抱闸，进行电机转矩释放，实时规划电机转矩；同时在转速限制模块下限制实际输出的电机转矩，确保实际输出的电机转矩达到0，电机断电，达到对机械组件保护的目的；所述高速急停模式包括规划减速模块，在规划减速模块下规划电机转速；
所述转矩控制模块中实时规划的电机转矩如下式所示：
公式中，/>为实时规划的电机转矩，/>为实时输出的电机转矩，/>为开启抱闸瞬间的电机转矩，/>为电机转矩释放时间；
所述转速限制模块中实际输出的电机转矩如下式所示：
公式中，/>为实际输出的电机转矩，/>为实时规划的电机转矩，/>是在转速限制模块控制下为满足速度限制而通过PI调整出来的电机转矩限制值。
2.根据权利要求1所述的机器人急停保护处理方法，其特征在于，所述规划减速模块中，规划的电机转速如下式所示：
公式中，/>为停机瞬间的电机转速，/>为规划减速时间，为实时输出的电机转速。
3.根据权利要求2所述的机器人急停保护处理方法，其特征在于，所述机器人急停实际转速经过规划减速模块将急停实际转速减少至小于等于预设转速阈值时，进入低速急停模式。
4.一种机器人，其特征在于，当所述机器人发出紧急停止指令时，控制各个关节轴采用如权利要求1~3任一项所述的机器人急停保护处理方法进行急停。
5.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，当所述计算机程序被运行时，执行如权利要求1~3任一项所述的机器人急停保护处理方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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