CN116670996A - 机器人控制系统、机器人控制方法和机器人 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例提供了一种机器人控制系统、机器人控制方法以及机器人。该机器人控制系统包括：运动控制单元，其被配置为执行机器人的运动控制；整流器控制单元，其包括AC‑DC控制单元，该AC‑DC控制单元被配置为生成用于驱动整流器功率级的整流器控制信号，该整流器功率级被配置为将来自电网的AC功率转换成DC功率；安全控制单元，其被配置为基于机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断被连接到整流器功率级的输出的安全开关的安全控制信号；以及电机控制单元，其被配置为基于经由安全开关接收到的DC功率来执行机器人的电机控制，其中运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元被集成在相同芯片中。根据本公开的实施例，能够提高机器人控制系统的性能并且能够降低机器人控制系统的成本。

Description

机器人控制系统、机器人控制方法和机器人

技术领域

本公开的示例性实施例总体上涉及机器人控制领域，更具体地涉及机器人控制系统、机器人控制方法和机器人。

背景技术

机器人控制系统是根据指令和传感器信息来控制机器人完成一定动作或任务的设备。机器人控制系统是机器人的心脏并且决定着机器人的性能。

图1示出了了传统机器人控制系统的框图。如图1所示，机器人控制系统100一般包括用于执行机器人的运动控制的运动控制器101、用于执行机器人的安全控制的安全控制器102、用于将AC功率转换成DC功率的整流器103、以及用于执行机器人的电机控制的电机驱动器104。传统上，运动控制器101、安全控制器102和电机驱动器104具有大量的计算单元以便执行对应的控制。与此相反，传统的整流器103通常由诸如二极管之类的无源器件构成，并且几乎不需要计算单元。

随着更先进的功率半导体器件的发展，如开关损耗低于硅基半导体器件的SiC和GaN，有源整流器控制在机器人控制系统中变得越来越可行。有源整流器控制需要计算单元。此外，随着整流器103的控制和开关频率的增加，有源整流器控制中将需要具有更高性能的计算单元。有源整流器控制的通常解决方案是用MCU/DSP/DSC制作单独的整流器控制单元来实现这样的控制功能。

然而，有源整流器控制的传统解决方案有几个缺点。首先，单独的整流器控制单元中的MCU/DSP/DSC的计算能力是有限的，降低了机器人控制系统100的性能。其次，出于监管的目的，在运动控制器101与单独的整流器控制单元之间可能存在额外的有线通信链路和/或IO(输入/输出)链路，而这将导致机器人控制系统100的结构复杂且成本高。第三，安全控制器102应具有在紧急情况或其它情况下切断机器人电源的能力，这需要安全控制器102与单独的整流器控制单元之间的交互。现在这种交互是通过使用低通信速度的离散IO终端来实现的。第四，由于机器人控制系统100中的直流总线的控制是基于反馈的，所以单独的整流器控制单元的控制性能较低，这导致直流总线上的电压波动较大。

因此，需要一种用于机器人控制的改进的解决方案。

发明内容

鉴于上述问题，本公开实施例提供了一种高效、低成本且可靠的机器人控制解决方案。

第一方面，本公开实施例提供一种机器人控制系统，包括：运动控制单元，其被配置为执行机器人的运动控制；包括AC-DC控制单元的整流器控制单元，该AC-DC控制单元被配置为生成用于驱动整流器功率级的整流器控制信号，整流器功率级，其被配置为将来自电网的AC功率转换成DC功率；安全控制单元，其被配置为基于机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断连接到整流器功率级的输出的安全开关的安全控制信号；以及电机控制单元，其被配置为基于经由安全开关接收到的DC功率来执行机器人的电机控制，其中运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元被集成在相同芯片中。

根据本公开的实施例，集成在相同芯片中的运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元将使用片上数据总线进行监管，移除了在整流器控制单元和其它控制单元之间的有线通信链路和/或IO链路。以这种方式，能够提高机器人控制系统的性能，降低机器人控制系统的成本。此外，由于集成了运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元的芯片的计算能力远高于MCU/DSP/DSC，因此在整流器控制单元中可以支持更高的开关频率。此外，将运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元集成在相同芯片中将减小机器人控制系统的整体尺寸并节省机器人的空间。

在一些实施例中，运动控制单元、整流器控制单元、安全控制单元和电机控制单元被集成在相同芯片中。通过这些实施例，将电机控制单元集成在相同芯片中将进一步减小机器人控制系统的整体尺寸并节省机器人中的空间。

在一些实施例中，机器人控制系统还包括缓存，该缓存被设置在相同芯片上并且耦合至运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元，其中运动控制单元、整流器控制单元和安全器控制单元经由缓存来执行数据传输。通过这些实施例，整流器控制单元和其它控制单元之间可以经由高速缓存以高速和可靠的方式交换各种信息。

在一些实施例中，AC-DC控制单元还被配置为从运动控制单元接收功率消耗预测信号并基于功率消耗预测信号来调整整流器控制信号。通过这些实施例，AC-DC控制单元可以基于功率消耗预测信号来动态地调整整流器控制信号，从而为机器人提前准备合适的电量。这样，能够降低由整流器功率级输出的电压的波动。

在一些实施例中，整流器控制单元还包括电网监管单元，其被配置为监测电网质量，并将表示电网质量的信息发送给运动控制单元。通过这些实施例，可以实时监测电网的质量以供进一步使用。

在一些实施例中，电网质量包括电压骤降、电压畸变和电压波动中的至少一项。

在一些实施例中，整流器控制单元还包括功率级监管单元，其被配置为监测整流器功率级的操作状况，并将表示整流器功率级的操作状况的信息发送给运动控制单元。通过这些实施例，可以实时监测整流器功率级的操作状况以便执行预测性维护。

在一些实施例中，整流器控制单元还包括DC-AC控制单元，其被配置为将DC功率转换为单相AC功率供现场使用。

在一些实施例中，安全控制单元被配置为响应于以下中的至少一项而关断安全开关：电网中或整流器功率级中发生严重错误；机器人的移动速度超过预定义的速度阈值；机器人超出预定义的位置范围；以及用户输入是紧急停止信号。通过这些实施例，安全开关可以在机器人发生紧急情况时或响应于用户的输入而及时关断。

在第二方面，本公开实施例提供一种机器人，包括根据本公开第一方面的机器人控制系统。

在第三方面，本公开实施例提供一种机器人控制方法，包括：由运动控制单元执行机器人的运动控制；由整流器控制单元的AC-DC控制单元生成用于驱动整流器功率级的整流器控制信号，该整流器功率级被配置为将来自电网的AC功率转换成DC功率；由安全控制单元基于机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断连接到整流器功率级的输出的安全开关的安全控制信号；并且由电机控制单元基于经由安全开关接收到的DC功率来执行机器人的电机控制，其中运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元被集成在相同芯片中。

在一些实施例中，该方法还包括：由AC-DC控制单元接收来自运动控制单元的功率消耗预测信号；并且由AC-DC控制单元基于功率消耗预测信号来调整整流器控制信号。

在一些实施例中，该方法还包括：由整流器控制单元的电网监管单元监测电网质量；并且由电网监管单元将表示电网质量的信息发送给运动控制单元。

在一些实施例中，该方法还包括：由整流器控制单元的功率级监管单元监测整流器功率级的操作状况；并且由功率级监管单元将表示整流器功率级的操作状况的信息发送给运动控制单元。

在一些实施例中，安全控制单元被配置为响应于以下中的至少一项而关断安全开关：在电网中或整流器功率级中发生严重错误；机器人的移动速度超过预定义的速度阈值；机器人超出预定义的位置范围；以及用户输入是紧急停止信号。

附图说明

提供了本文所描述的附图以进一步解释本公开，并且附图构成本公开的一部分。本公开中的优选实施例及其解释被用来解释本公开，而非用于对本公开进行不适当的限制。

图1示出了传统的机器人控制系统的框图。

图2示出了根据本公开的一个实施例的机器人控制系统的框图。

图3示出了根据本公开的一个实施例的整流器控制单元的框图。

图4示出了根据本公开的另一个实施例的机器人控制系统的框图。和

图5示出了根据本公开的一个实施例的机器人控制方法的流程图。

在所有附图中，使用相同或相似的附图标记来指示相同或相似的元件。

具体实施方式

现在将参考附图中所示的若干示例实施例来描述本公开的原理。尽管在附图中图示了本公开的示例性实施例，但是应该理解，描述这些实施例只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本公开和进而实现本公开，而非以任何方式来限制本公开的范围。

术语“包含”或“包括”及其变型应被解读为开放式术语，其意指“包括但不限于”。除非上下文另有明确说明，否则术语“或”应被解读为“和/或”。术语“基于”应被解读为“至少部分地基于”。术语“可操作以”意指可以通过用户或外部机制所引起的操作来实现功能、动作、运动或状态。术语“一个实施例”和“实施例”应被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”应被解读为“至少一个其它实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同或相同的对象。下面可以包括其它明确的和隐含的定义。除非上下文清楚地另有说明，否则术语的定义在整个描述中是一致的。

如上面所讨论的，有源整流器控制的传统解决方案有几个缺点。根据本公开的实施例，集成在相同芯片中的运动控制单元、整流器控制单元和安全控制单元将使用片上数据总线进行监管，移除了在整流器控制单元与其它控制单元之间的有线通信链路和/或IO链路。上述思想可以通过多种方式实现，如将在以下段落中所详细描述的。

在下文中，将参考图2-图5详细描述本公开的原理。首先参见图2，图2示出了根据本公开的一个实施例的机器人控制系统的框图。如图所示，本文所描述的机器人控制系统100通常包括运动控制单元21、整流器控制单元23、安全控制单元22、电机控制单元24、整流器功率级31和安全开关32。

运动控制单元21被配置为执行机器人的运动控制。运动控制是指计算机器人在每一时刻的目标移动，诸如机器人的位置、速度、加速度、力和力矩中的一项或多项。整流器控制单元23被配置为生成用于驱动整流器功率级31的整流器控制信号，以将来自电网的AC功率转换成DC功率。整流器功率级31可以包括由整流器控制信号控制的各种功率电子器件，诸如MOSFET、IGBT等等。安全控制单元22被配置为基于机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断连接到整流器功率级31的输出的安全开关32的安全控制信号。当安全开关32接通时，允许DC功率的传输，并且当安全开关32关断时，DC功率的传输被切断。电机控制单元24被配置为基于经由安全开关32接收到的DC功率来执行机器人的电机控制。电机控制单元24连接到安全开关32以接收DC功率并且驱动布置在机器人的关节处的电机。运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22被集成在相同芯片20(例如片上系统(SoC))中。

在一些实施例中，机器人控制系统100还包括被设置在芯片20上并且耦合至运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22的缓存。通过这样的布置，运动控制单元21、整流器控制单元23、安全控制单元22可以经由缓存来执行数据传输，使得整流器控制单元23与其它控制单元之间可以经由缓存以高速且可靠的方式交换各种信息。

在一些实施例中，整流器控制单元23还被配置为接收来自运动控制单元21的功率消耗预测信号并基于功率消耗预测信号来调整整流器控制信号。通过这些实施例，整流器控制单元23可以基于功率消耗预测信号动态地调整整流器控制信号，从而预先为机器人准备合适的电量。这样，能够降低整流器功率级31输出电压的波动。

由于集成在芯片20中的运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22将使用片上数据总线进行监管，所以整流器控制单元23与其它设备之间的有线通信链路和/或IO链路控制单元可以被移除。这样，能够提高机器人控制系统100的性能并且能够降低机器人控制系统100的成本。此外，由于集成了运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22的芯片20的计算能力远高于MCU/DSP/DSC，因此在整流器控制单元23中可以支持更高的开关频率。此外，将运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22集成在相同芯片20中将减小机器人控制系统100的整体尺寸并节省机器人的空间。

图3示出了根据本公开的一个实施例的整流器控制单元的框图。在一个实施例中，如图3中所示，整流器控制单元23包括AC-DC控制单元232，其被配置为生成驱动整流器功率级31的整流器控制信号。AC-DC控制单元232还可以被配置为接收来自运动控制单元21的功率消耗预测信号并基于功率消耗预测信号来调整整流器控制信号。整流器控制单元23可以经由接口单元235来与其它控制单元交换信息。

在一些实施例中，如图3中所示，整流器控制单元23还包括电网监管单元231，其被配置为监测电网质量，并将表示电网质量的信息发送给运动控制单元21。通过这些实施例，可以实时监测电网的质量以供进一步使用。电网质量可以包括电压骤降、电压畸变和电压波动中的至少一项。然而，应当理解，在其它实施例中电网质量可以是其它类型。本公开的范围并不旨在限于此方面。

在一些实施例中，如图3中所示，整流器控制单元23还包括功率级监管单元234，其被配置为监测整流器功率级31的操作状况，并将表示整流器功率级31的操作状况的信息发送给运动控制单元21。通过这些实施例，可以实时监测整流器功率级31的操作状况，以便执行预测性维护。

在一些实施例中，如图3中所示，整流器控制单元23还包括DC-AC控制单元233，其被配置为将DC功率转换为供现场使用的单相AC功率。

在一些实施例中，安全控制单元22被配置为响应于以下中的至少一项而关断安全开关32：电网中或整流器功率级31中发生严重错误；机器人的移动速度超过预定义的速度阈值；机器人超出预定义的位置范围；以及用户输入是紧急停止信号。通过这些实施例，安全开关32可以在机器人发生紧急情况时或响应于用户的输入而及时被关断。例如，如果用户发现机器人急停，则用户可以输入控制信号以关断安全开关32。如果机器人周围的围栏被打开，则安全开关32将被关断，从而确保用户的安全。如果机器人移动太快超出预定义的位置范围，则安全开关32将被关断。另外，在机器人调试过程期间，可能需要关断安全开关32。此外，如果电网中或整流器功率级31中发生严重错误，则整流器功率级31将被关断。

图4示出了根据本公开的另一个实施例的机器人控制系统的框图。图4中所示的机器人控制系统100的结构与图2中所示的机器人控制系统100的结构相似。二者之间的不同仅在于电机控制单元24也被集成与运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22一起在芯片20中。通过这样的布置，机器人控制系统100的整体尺寸能够被进一步减小。

本公开的示例实施例还提供了一种机器人控制方法500，如图5中所示。机器人控制方法500可以由如上所述的机器人控制系统100来实现。如图5中所示，机器人控制方法500包括：在510，由运动控制单元21执行机器人的运动控制；在520，由整流器控制单元23的AC-DC控制单元232生成用于驱动整流器功率级31的整流器控制信号，该整流器功率级31被配置为将来自电网的AC功率转换成DC功率；在530，由安全控制单元22基于机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断连接到整流器功率级31的输出的安全开关32的安全控制信号；以及在540，由电机控制单元24基于经由安全开关32接收到的DC功率执行机器人的电机控制。运动控制单元21、整流器控制单元23和安全控制单元22被集成在相同芯片20中。

在一些实施例中，机器人控制方法500还包括：由AC-DC控制单元232接收来自运动控制单元21的功率消耗预测信号；并且由AC-DC控制单元232基于功率消耗预测信号来调整整流器控制信号。

在一些实施例中，机器人控制方法500还包括：由整流器控制单元23的电网监管单元231接口电网质量；并且由电网监管单元231将表示电网质量的信息发送给运动控制单元21。

在一些实施例中，机器人控制方法500还包括：由整流器控制单元23的功率级监管单元234监测整流器功率级31的操作状况；并且由功率级监管单元234将表示整流器功率级31的操作状况的信息发送给运动控制单元21。

在一些实施例中，安全控制单元22被配置为响应于以下中的至少一项而关断安全开关32：电网中或整流器功率级31中发生严重错误；机器人的移动速度超过预定义的速度阈值；机器人超出预定义的位置范围；以及用户输入是紧急停止信号。

尽管已经使用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应当理解，所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定的特征或动作。相反，上述特定特征和行为是作为实现权利要求的示例形式而被公开。

Claims (15)

1.一种机器人控制系统(100)，包括：

运动控制单元(21)，所述运动控制单元被配置为执行机器人的运动控制；

整流器控制单元(23)，所述整流器控制单元包括AC-DC控制单元(232)，所述AC-DC控制单元被配置为生成用于驱动整流器功率级(31)的整流器控制信号，所述整流器功率级(31)被配置为将来自电网的AC功率转换成DC功率；

安全控制单元(22)，所述安全控制单元被配置为基于所述机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断被连接到所述整流器功率级(31)的输出的安全开关(32)的安全控制信号；以及

电机控制单元(24)，所述电机控制单元被配置为基于经由所述安全开关(32)接收到的所述DC功率来执行所述机器人的电机控制，

其中所述运动控制单元(21)、所述整流器控制单元(23)和所述安全控制单元(22)被集成在相同芯片(20)中。

2.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，其中所述运动控制单元(21)、所述整流器控制单元(23)、所述安全控制单元(22)和所述电机控制单元(24)被集成在所述相同芯片(20)中。

3.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，还包括缓存，所述缓存被设置在所述相同芯片(20)上并且耦合至与所述运动控制单元(21)、所述整流器控制单元(23)和所述安全控制单元，其中所述运动控制单元(21)、所述整流器控制单元(23)和所述安全控制单元(22)经由所述缓存来执行数据传输。

4.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，其中所述AC-DC控制单元(232)还被配置为接收来自所述运动控制单元(21)的功率消耗预测信号并且基于所述功率消耗预测信号来调整所述整流器控制信号。

5.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，其中所述整流器控制单元(23)还包括电网监管单元(231)，所述电网监管单元被配置为监测电网质量并且将表示所述电网质量的信息发送给所述运动控制单元(21)。

6.根据权利要求5所述的机器人控制系统(100)，其中所述电网质量包括电压骤降、电压畸变和电压波动中的至少一项。

7.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，其中所述整流器控制单元(23)还包括功率级监管单元(234)，所述功率级监管单元被配置为监测所述整流器功率级(31)的操作状况，并且将表示所述整流器功率级(31)的操作状况的信息发送给所述运动控制单元(21)。

8.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，其中所述整流器控制单元(23)还包括DC-AC控制单元(233)，所述DC-AC控制单元(233)被配置为将所述DC功率转换为供现场使用的单相AC功率。

9.根据权利要求1所述的机器人控制系统(100)，其中所述安全控制单元(22)被配置为响应于以下中的至少一项而关断所述安全开关(32)：

在所述电网中或所述整流器功率级(31)中发生严重错误；

所述机器人的移动速度超过预定义的速度阈值；

所述机器人超出预定义的位置范围；以及

所述用户输入是紧急停止信号。

10.一种机器人，所述机器人包括根据权利要求1-9中任一项所述的机器人控制系统(100)。

11.一种机器人控制方法，包括：

由运动控制单元(21)执行机器人的运动控制；

由整流器控制单元(23)的AC-DC控制单元(232)生成用于驱动整流器功率级(31)的整流器控制信号，所述整流器功率级(31)被配置为将来自电网的AC功率转换成DC功率；

由安全控制单元(22)基于所述机器人的操作状态或用户输入来生成用于选择性地接通或关断被连接到所述整流器功率级(31)的输出的安全开关(32)的安全控制信号；以及

由电机控制单元(24)基于经由所述安全开关(32)接收到的所述DC功率来执行所述机器人的电机控制，

其中所述运动控制单元(21)、所述整流器控制单元(23)和所述安全控制单元(22)被集成在相同芯片(20)中。

12.根据权利要求11所述的机器人控制方法，还包括：

由所述AC-DC控制单元(232)接收来自所述运动控制单元(21)的功率消耗预测信号；以及

由所述AC-DC控制单元(232)基于所述功率消耗预测信号来调整所述整流器控制信号。

13.根据权利要求11所述的机器人控制方法，还包括：

由所述整流器控制单元(23)的电网监管单元(231)监测电网质量；以及

由所述电网监管单元(231)将表示所述电网质量的信息发送给所述运动控制单元(21)。

14.根据权利要求11所述的机器人控制方法，还包括：

由所述整流器控制单元(23)的功率级监管单元(234)监测所述整流器功率级(31)的操作状况；以及

由所述功率级监管单元(234)将表示所述整流器功率级(31)的操作状况的信息发送给所述运动控制单元(21)。

15.根据权利要求1所述的机器人控制方法，其中所述安全控制单元(22)被配置为响应于以下中的至少一项而关断所述安全开关(32)：

在所述电网中或所述整流器功率级(31)中发生严重错误；

所述机器人的移动速度超过预定义的速度阈值；

所述机器人超出预定义的位置范围；以及

所述用户输入是紧急停止信号。