CN116533269B - 一种协作机器人功能安全硬件架构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种协作机器人功能安全硬件架构，包括：安全控制器模块包括：第一和第二MCU控制器、第一EtherCAT从站和第二EtherCAT从站，第一EtherCAT从站与第一MCU控制器连接，第二EtherCAT从站与第二MCU控制器连接；第一MCU控制器和第二MCU控制器分别进行自检和交叉互检，每组安全输入信号均有两路信号，两路信号分别输入至第一和第二MCU控制器；第一和第二MCU控制器分别收发完相对应的EtherCAT从站的信号后，进行交叉互检；工控机模块作为EtherCAT主站进行安全数据的转发；伺服模块包括：DSP芯片、第三MCU控制器、2个编码器和2个力矩传感器。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种协作机器人功能安全硬件架构。
背景技术
随着自动化行业不断发展，机器人替换人工的需求越来越旺盛。机器人的功能越来越多，与人的交互场景越来越复杂。如何设计安全有效的防护方案，是机器人行业共同面对的问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种协作机器人功能安全硬件架构，以解决背景技术中所提到的问题，克服现有技术中存在的不足。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种协作机器人功能安全硬件架构，包括：安全控制器模块、工控机模块和伺服模块，其中，
所述安全控制器模块包括：第一MCU控制器、第二MCU控制器、第一EtherCAT从站和第二EtherCAT从站，所述第一EtherCAT从站与所述第一MCU控制器连接，所述第二EtherCAT从站与所述第二MCU控制器连接；所述第一MCU控制器和第二MCU控制器分别进行自检和交叉互检，每组安全输入信号均有两路信号，两路信号分别输入至所述第一MCU控制器和第二MCU控制器；所述第一MCU控制器和第二MCU控制器分别收发完相对应的EtherCAT从站的信号后，进行交叉互检，如果数据出现问题，则安全控制器进入安全状态；
所述工控机模块作为EtherCAT主站进行安全数据的转发；
所述伺服模块包括：DSP芯片、第三MCU控制器、2个编码器和2个力矩传感器，其中，每个所述编码器和力矩传感器分别与所述DSP芯片和第三MCU控制器连接；如果所述编码器或者所述力矩传感器的误差过大，则所述伺服模块主动进入安全状态，并将错误结果通知给安全控制器。
进一步，当某组安全输入信号不一致时，所述第一MCU控制器和第二MCU控制器检测出差异并切入安全状态。
进一步，所述安全控制器模块包括安全输出信号，每组安全输出包含两路信号，分别输入至所述第一MCU控制器和第二MCU控制器，并具有反馈功能，所述第一MCU控制器的反馈信号接入所述第二MCU控制器；所述第二MCU控制器的反馈信号接入所述第一MCU控制器，进行交叉互检。
进一步，所述第一EtherCAT从站和第二EtherCAT从站的数据内容，除ID和CRC校验外完全相同。
进一步，所述协作机器人功能安全硬件架构采用的通讯总线在EtherCAT的基础上，再进行封装一层安全层。
进一步，当机器人系统触发急停时，发出的两路急停信号分别对应安全控制器的第一MCU控制器和第二MCU控制器，所述第一MCU控制器和所述第二MCU控制器经过交叉互检，判断状态一致以后，将急停信号通过安全输出控制伺服系统的抱闸，同时通过EtherCAT总线将停机状态发送给伺服模块，所述伺服模块监控电机的状态，如果编码器依然有变化，则伺服模块进入安全状态。
根据本发明实施例的协作机器人功能安全硬件架构，提成机器人系统的整机硬件架构设计和安全控制器的总线设计方案。整机满足Cat。3类架构，所有安全相关的模块均有物理上的冗余结构，保证机器人的安全性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的协作机器人功能安全硬件架构的结构图；
图2为根据本发明实施例的的协作机器人功能安全硬件架构的工作示意图；
图3为根据本发明实施例的安全控制器模块和伺服模块的交互示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图3所示，本发明实施例的协作机器人功能安全硬件架构，包括：安全控制器模块1（SafetyControler）、工控机模块2（IPC）和N个伺服模块3（Driver）。
具体的，安全控制器模块1包括：第一MCU控制器、第二MCU控制器、第一EtherCAT从站和第二EtherCAT从站，第一EtherCAT从站与第一MCU控制器连接，第二EtherCAT从站与第二MCU控制器连接；第一MCU控制器和第二MCU控制器分别进行自检和交叉互检，每组安全输入信号均有两路信号，两路信号分别输入至第一MCU控制器和第二MCU控制器；第一MCU控制器和第二MCU控制器分别收发完相对应的EtherCAT从站的信号后，进行交叉互检，如果数据出现问题，则安全控制器进入安全状态。
具体的，机器人中使用1个安全控制器模块1，安全控制器包含2个CPU，设为第一MCU控制器S_MCU_A和第二MCU控制器S_MCU_B，2颗MCU会分别进行自检和交叉互检。每组安全输入信号均有两路信号，两路信号分别连接S_MCU_A和S_MCU_B。
当某组安全输入信号不一致时，2颗MCU会检测出差异并切入安全状态。安全控制器模块1包含安全输出信号，每组安全输出包含2路输出，分别接到2颗MCU上，并具有反馈功能，反馈信号分别接入另一颗MCU，进行交叉互检。
安全控制器包含两个EtherCAT从站，硬件上两个从站分别接入2颗MCU（即，第一MCU控制器S_MCU_A和第二MCU控制器S_MCU_B），并进行串联。在整机EtherCAT通讯中，安全控制器相当于2个从站在同时工作。2个从站的数据内容，除ID和CRC校验外完全相同，2颗MCU分别收发完EtherCAT后同样做交叉互检，如果数据出现问题，安全控制器进入安全状态。
工控机模块2在整机不作为安全部件存在，仅作为EtherCAT主站进行安全数据的转发。
伺服模块3包括：DSP芯片、第三MCU控制器、2个编码器和2个力矩传感器，其中，每个编码器和力矩传感器分别与DSP芯片和第三MCU控制器连接；如果编码器或者力矩传感器的误差过大，则伺服模块3主动进入安全状态，并将错误结果通知给安全控制器。
具体的，伺服模块3包含1颗DSP芯片和1颗MCU控制器。其中，DSP芯片进行主要算法的计算，MCU控制器进行部分安全数据的采集和交叉互检。伺服模块3均具有2个编码器接口和2个力矩传感器，分别接入DSP芯片和MCU控制器。编码器和力矩传感器均作为Cat.3类架构的一部分，以保证电机的位置和力信息的正确性。电机的抱闸功能和控制接口均图2所示，通过2颗主控芯片同时控制。如果编码器或者力矩传感器的误差过大，则伺服模块3会主动进入安全状态，并将错误结果通知给安全控制器模块1。
协作机器人功能安全硬件架构采用的通讯总线在EtherCAT的基础上，再进行封装一层安全层。
具体的，通讯总线在EtherCAT的基础上，再进行封装一层安全层。安全层分别对讹误，非法重复、顺序重复、丢失、不可接受的延迟、插入、伪装、通信差错、寻址错误和存储失效等错误进行有效避免。
通过以上硬件架构，可以保证机器人整机获取相关数据的安全性，完成更多更完善的基本软硬件和算法安全功能的开发。
如果机器人系统触发急停，急停信号由RSC的两路信号，两路信号分别对应安全控制器的两颗主控芯片，两颗芯片经过交叉互检，判断状态一致以后，会将急停信号通过安全输出(图3的STO)控制伺服系统的抱闸，同时通过EtherCAT总线将停机状态发送给伺服模块3，伺服模块3监控电机的状态，如果编码器依然有变化，则伺服模块3进入安全状态。
根据本发明实施例的协作机器人功能安全硬件架构，提成机器人系统的整机硬件架构设计和安全控制器的总线设计方案。整机满足Cat。3类架构，所有安全相关的模块均有物理上的冗余结构，保证机器人的安全性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本领域技术人员不难理解，本发明包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (3)
1.一种协作机器人功能安全硬件架构，其特征在于，包括：安全控制器模块、工控机模块和伺服模块，其中，
所述安全控制器模块包括：第一MCU控制器、第二MCU控制器、第一EtherCAT从站和第二EtherCAT从站，所述第一EtherCAT从站与所述第一MCU控制器连接，所述第二EtherCAT从站与所述第二MCU控制器连接；所述第一MCU控制器和第二MCU控制器分别进行自检和交叉互检，每组安全输入信号均有两路信号，两路信号分别输入至所述第一MCU控制器和第二MCU控制器；所述第一MCU控制器和第二MCU控制器分别收发完相对应的EtherCAT从站的信号后，进行交叉互检，如果数据出现问题，则安全控制器进入安全状态；即当某组安全输入信号不一致时，所述第一MCU控制器和第二MCU控制器检测出差异并切入安全状态；
所述安全控制器模块包括安全输出信号，每组安全输出信号包含两路输出信号，分别输入至所述第一MCU控制器和第二MCU控制器，并具有反馈功能，所述第一MCU控制器的反馈信号接入所述第二MCU控制器；所述第二MCU控制器的反馈信号接入所述第一MCU控制器，进行交叉互检；
所述工控机模块作为EtherCAT主站进行安全数据的转发；
所述伺服模块包括：DSP芯片、第三MCU控制器、2个编码器和2个力矩传感器，其中，每个所述编码器和力矩传感器分别与所述DSP芯片和第三MCU控制器连接；如果所述编码器或者所述力矩传感器的误差过大，则所述伺服模块主动进入安全状态，并将错误结果通知给安全控制器；
当机器人系统触发急停时，发出的两路急停信号分别对应安全控制器的第一MCU控制器和第二MCU控制器，所述第一MCU控制器和所述第二MCU控制器经过交叉互检，判断状态一致以后，将急停信号通过安全输出控制伺服系统的抱闸，同时通过EtherCAT总线将停机状态发送给伺服模块，所述伺服模块监控电机的状态，如果编码器依然有变化，则伺服模块进入安全状态。
2.如权利要求1所述的协作机器人功能安全硬件架构，其特征在于，所述第一EtherCAT从站和第二EtherCAT从站的数据内容，除ID和CRC校验外完全相同。
3.如权利要求1所述的协作机器人功能安全硬件架构，其特征在于，所述协作机器人功能安全硬件架构采用的通讯总线在EtherCAT的基础上，再进行封装一层安全层。
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