CN117784700A - 一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法。包括以下步骤：通过激光雷达探测过道中的障碍物；将防护门分为安全门与维修门，开关门信息通过防护门的电锁信号接入PLC控制系统，并与雷达触发信号一起进行触发信号的分类控制；增加机器人中断处理函数，包含：停止运行中断、降速运行中断；设计基于多激光雷达和多防护门的安全防护控制与产线运行中断恢复的控制方法。本发明融合激光雷达、防护门的特点，通过合理搭配使用，将主动防护与被动防护相结合，充分保障产线安全运行的同时，增加了生产线在线维修的特性，用户交互更加友好，产线运行更安全、更具效率。

Description

一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法

技术领域

本发明属于含有第七轴机器人的自动化生产线领域，提供一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法。

背景技术

含有第七轴的机器人，一般由六轴机器人及机器人轨道组成，通常分为地轨和天轨两类。在含有第七轴机器人的生产线中，生产设备并行于机器人地轨呈线性排布。在第七轴带动下，可实现机器人在各生产设备单元点位的自由移动，从而执行机器人与对应设备单元的上下料等相关操作，最终实现工件、工具、工装等在生产线各组成单元的生产流转。

由于生产线包含多个生产设备，在产线运行中生产设备具备一定的故障概率，此时有可能需要维修人员进行故障的及时排查和处理。当维修人员通过防护门进入产线内部时，对于如何控制生产线的运行与恢复运行，如何兼顾维修人员的安全和保障生产线运行效率，需要进行详细考虑和统一设计。

发明内容

本发明目的是提供一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法，以克服上述缺陷。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制系统，包括：安全围栏、机器人、地轨、过道、多个生产设备、多个防护门以及多个激光雷达，其中：

所述地轨、过道和多个生产设备均设于安全围栏内，所述机器人在地轨上运动，所述过道设于地轨和生产设备之间，所述安全围栏上设有多个防护门，所述机器人上以及生产设备与过道之间均设有激光雷达。

所述防护门分为安全门与维修门，所述安全门设于地轨一侧以及过道两端中的至少一端，所述维修门设于生产设备一侧。

一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法，包括以下步骤：

在机器人上设置激光雷达作为机载激光雷达，使之跟随机器人一起运动，实时探测过道上是否存在障碍物；

在生产设备与过道之间设置激光雷达作为设备激光雷达，所述激光雷达为多个，每个激光雷达实时探测对应生产设备前的过道是否存在障碍物；

将安全门开启信号、维修门开启信号、设备雷达触发信号、机载雷达触发信号分别接入PLC控制系统，并将安全门开启信号和机载雷达触发信号设置为停止运行中断触发源，将维修门开启信号和设备雷达触发信号设置为降速运行中断触发源；

构建机器人停止中断函数和降速中断函数，并根据不同中断触发源控制机器人停止运行或者降速运行；

通过HMI界面手动复位，使机器人恢复运动。

所述停止中断函数具体为：

将机载雷达触发信号与安全门开启信号并联，当任何一个信号被触发时，将PLC控制系统输出的停止运行中断信号置位，机器人检测到停止运行中断信号为“1”，立即进入停止运行中断，通过BRAKE指令控制机器人停止当前运行，并循环判断停止运行中断信号，直至当停止运行中断信号不为“1”时，经过1秒延时后退出中断。

所述降速中断函数具体为：

将设备雷达触发信号与维修门开启信号并联，当任何一个信号被触发时，将PLC控制系统输出的降速运行中断信号置位，置位时间为2秒，2秒后降速运行中断信号自动复位,机器人检测到降速运行中断信号为“1”且停止中断未被触发时，立即进入降速中断，并通过对判断降速使能信号的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，当降速运行中断信号被触发时，通过对判断降速使能信号的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，使机器人恢复运行速度。

所述通过对判断降速使能信号的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，具体为：

PLC控制系统输出2秒高电平脉冲信号，触发机器人进入降速运行中断；

通过判断维修门以及设备雷达检测障碍物，对降速使能信号进行赋值：当任一维修门开启或过道中存在目标时，置位降速使能信号；当维修门均关闭，过道没有障碍物时，复位降速使能信号；

当降速触发信号中存在维修门开启，或设备雷达检测到障碍物，即认为降速使能信号为“1”；反之，当维修门均关闭，且设备雷达检测均无障碍物时，降速使能信号为“0”，PLC通过维修门与设备激光雷达的检测结果，在降速中断被触发时，修改机器人倍率参数OV_PRO。

本发明具有以下有益效果及优点：

1、本发明将激光雷达与机器人相结合，通过机载雷达实现在不同地轨位置的机器人动态安全防护。

2、本发明采用设备雷达进行维修过道的全覆盖预警，通过配置不同激光雷达不同覆盖区域的多个触发信号，实现维修过道的分区域监控。

3、本发明将主动防护与被动防护相结合，充分保障产线安全运行的同时，增加了生产线在线维修的特性，兼顾生产运行效率与安全保护。

4、本发明通过HMI人机交互界面将安全防护的触发信息进行可视化显示，搭配便捷的中断防护恢复按钮，使产线与用户交互更加友好，运行更加安全、更具效率。

附图说明

图1为含有第七轴机器人的生产线安全防护布局图；

图2为激光雷达探测区域配置示意图；

图3为机器人停止中断、降速中断的子函数流程图；

图4为生产线安全防护控制方法与机器人作业流程。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如附图1所示，生产线采用安全围栏进行整体安全防护，将机器人R、地轨、过道、多个设备包裹在内，实现物理防护。围栏配备四个出入口：安全门1、安全门2、维修门1、维修门2，统称为防护门。防护门采用电子锁进行控制，门锁开启、关闭信号接入PLC控制系统中。当某一设备发生故障时，维修人员可通过防护门进入产线内部，在过道处进行对应设备的程序核查、维修处理。

机器人在地轨上直线往复运行，通过地轨带动机器人抵达各个设备单元点位，实现设备单元的工件、工具、工装等的拾取、放置、更换，最终实现整体产线的物流流转。机器人在执行拾取、放置、更换的动作时，会与设备发生物理上的接触，运动半径覆盖设备与地轨之前的过道，此时，有可能对过道正在维修的人员安全造成极大危害。

为充分保障产线运行安全与效率的平衡，本发明为所采用的技术方案是：

设计基于多激光雷达和多防护门的安全防护控制与产线运行中断恢复的控制方法，包括以下步骤：

a)采用激光雷达进行过道区域的主动防护和全覆盖预警。

如附图1所示，在机器人侧集成激光雷达G10，称为机载激光雷达，雷达探测方向如图所示。当地轨带动机器人移动时，雷达随之移动，并实时探测机器人与设备之间过道的可能目标，实现过道区域的主动防护。

在设备侧集成五个固定于地面的激光雷达G01-G05，称为设备激光雷达，雷达探测方向如图1所示(图中仅将G04雷达覆盖区域进行展示，其它设备雷达与G04类似)。每只激光雷达仅探测对应设备前的过道区域，通过所有设备雷达的组合分布，能够实现过道目标的全覆盖预警。

b)将防护门开启与雷达触发信号接入PLC控制系统进行分类控制。

防护门具有电子锁信号,每个防护门的开启、关闭信号均接入PLC控制系统。根据客户操作习惯，合理排布防护门位置：在生产线的左侧，即正对过道位置，设置安全门1；在生产线的正面，即机器人地轨一侧中间位置，设置安全门2；在生产线的背面，即设备一侧，在设备与设备中间分别设置两个维修门，如附图1所示。

安全门的分布便于操作员平时进出产线，可用于产线启动前设备巡检以及突发事件的停止运行，门锁开启信号接入PLC，用于触发机器人停止运行；维修门为生产线的后门，当出现局部生产设备异常，又不想暂停生产线整体运行时，维修人员可采用维修门通道进入生产线，维修门开启信号接入PLC，用于触发机器人降速运行。

同两类门锁信号一样，激光雷达的触发信号也分为：机载雷达触发、设备雷达触发。当机载雷达识别到目标时，即机器人当前所在位置的过道探测到目标时，立即停止机器人运行；当设备雷达识别到目标时，即过道中非机器人所在位置的某一位置存在目标时，仅触发机器人降速运行。

c)增加机器人的中断处理函数，可通过PLC触发机器人停止与降速。

机器人控制采用LOOP与SWITCH-CASE的循环加分支选择跳转的程序编写，当机器人接收到与CASE枚举相符合的任务号时，即可执行对应动作，执行完毕后，跳转回主循环中。

在机器人程序初始化部分增加中断初始化指令，并开启中断4和中断5，中断4定义为停止运行中断Rob_stop()，触发信号为PLC的输出控制点[3019]；中断5定义为降速运行中断Rob_slow()，触发信号为PLC的输出控制点[3020]，中断4的优先级高于中断5。分别编写Rob_stop()与Rob_slow()函数，当中断信号[3019]和[3020]被置位时，通过机器人开启的中断，会自动跳转至对应的子函数中。

Rob_stop()子函数采用停止机器人运行指令BRAKE与循环判断[3019]状态和延时组成；Rob_slow()子函数采用判断降速使能信号[3021]状态，修改机器人运行倍率OV_PRO参数值，来实现降速运行，如图3所示。

d)设计基于多激光雷达和多防护门的安全防护控制与产线运行中断恢复的控制方法。

将机载雷达触发信号与安全门开启信号并联，当任何一个信号被触发时，将PLC输出的[3019]信号置位，机器人程序检测到[3019]信号为“1”，立即进入中断4，通过BRAKE指令控制机器人停止当前运行，并循环判断[3019]，用以决定是否跳出当前子函数。

将设备雷达触发信号与维修门开启信号并联，当任何一个信号被触发时，将PLC输出的[3020]信号置位，机器人程序检测到[3020]信号为“1”且中断4未被触发时，立即进入中断5，通过判断[3021]的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，进而实现机器人降速和恢复速度的运行。

PLC控制系统通过控制地轨运行和发布给机器人不同的任务号，进行机器人在不同设备点位的移动和相应的动作执行。机器人待机状态下，保持在HMOE点位置，PLC根据任务要求，首先执行地轨定位移动，将机器人移动到指定位置。判断地轨到位后，执行机器人对应任务号的动作。机器人动作完成后，回到HMOE点位置，准备进行下一次的任务。如此往复循环作业，如图4所示。

当停止中断发生时，机器人立即停止运行，操作者需要将触发中断的事件查看和排除后(例如：将安全门关闭、移除机载雷达入侵目标)，在HMI人机交互界面上手动复位[3019]信号，实现运行恢复。此时，机器人会跳出Rob_stop()子函数，恢复到之前运行断点位置继续执行接下来的动作。

当降速中断发生时，PLC控制[3020]输出2秒高电平脉冲信号，触发机器人进入中断5事件。同时，通过判断维修门以及设备雷达检测目标，来对[3021]信号进行赋值。当任一维修门开启或过道中存在目标时，置位[3021]信号；当维修门均关闭，过道没有目标时，复位[3021]信号。机器人通过[3020]信号进入Rob_slow()子函数，通过[3021]的信号状态，修改机器人倍率参数OV_PRO，执行降速或恢复运行速度。当降速中断发生时，机器人立即降速运行，触发中断的信号2秒后复位。当维修人员解除故障后，需要将维修门关闭，同时在HMI人机界面处，手动触发[3020]信号，机器人会在中断5执行后，实现运行速度的恢复。

首先，进行安全防护设备的布局与安装，完成激光雷达探测范围的配置，保障激光雷达有效覆盖过道区域，同时屏蔽产线内存在的误触发区域；其次，将触发信号分别接入PLC控制系统，并进行分类控制；同时，开发机器人中断停止与中断降速的服务函数，并与PLC分类控制的输出信号相关联；最后，在HMI人机交互界面开发触发信号显示界面与运行中断恢复的操作按钮。

下面结合附图1-4对本发明做更进一步的详细说明：

激光雷达可以将覆盖区域设置为从中心点出发的任意形状，本发明为每个设备雷达设置为Zoon-1和Zoon-2两个矩形区域，如附图2所示。首先，完成生产线布局和安装，并进行激光雷达的有效覆盖区域配置，利用设备雷达将过道全区域分割成10个独立监控区域，对机载激光雷达只进行区域设置，并不进行区域分割，如附图1所示。

具体实施步骤，参照附图4进行阐述。

①完成安全门开启信号、维修门开启信号、设备雷达触发信号、机载雷达触发信号的配置和测试；

②将上述触发信号分别接入PLC控制系统，将安全门开启信号和机载雷达触发信号设置为停止运行中断触发源，将维修门开启信号和设备雷达触发信号设置为降速运行中断触发源；

③配置与机器人通讯的输出点[3019]和[3020]分别为停止中断和降速中断的触发控制信号，其中[3019]必须由HMI手动复位，[3020]采用2秒的高电平脉冲信号无需复位，同时配置[3021]作为降速使能信号，用于速度降低与恢复的判断条件；

④在HMI人机交互界面开发各个触发信号的显示界面，并设置运行中断恢复的操作按钮，包含停止中断的[3019]复位信号按钮，触发降速中断的[3020]高电平脉冲按钮；

⑤开发机器人停止中断函数，如附图3所示；

⑥开发机器人降速中断函数，如附图3所示；

⑦当操作者处理完产线中断故障后，通过HMI的手动恢复按钮，实现产线恢复运行，并再次开启安全防护检测。

通过如上步骤，机器人循环作业过程中，在有效安全防护设备作用下，实现了特定条件下的不同触发中断，进而满足安全生产和兼顾生产效率的防护要求。

Claims (6)

1.一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制系统，其特征在于，包括：安全围栏、机器人、地轨、过道、多个生产设备、多个防护门以及多个激光雷达，其中：

所述地轨、过道和多个生产设备均设于安全围栏内，所述机器人在地轨上运动，所述过道设于地轨和生产设备之间，所述安全围栏上设有多个防护门，所述机器人上以及生产设备与过道之间均设有激光雷达。

2.根据权利要求1所述的一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制系统，其特征在于，所述防护门分为安全门与维修门，所述安全门设于地轨一侧以及过道两端中的至少一端，所述维修门设于生产设备一侧。

3.一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在机器人上设置激光雷达作为机载激光雷达，使之跟随机器人一起运动，实时探测过道上是否存在障碍物；

在生产设备与过道之间设置激光雷达作为设备激光雷达，所述激光雷达为多个，每个激光雷达实时探测对应生产设备前的过道是否存在障碍物；

将安全门开启信号、维修门开启信号、设备雷达触发信号、机载雷达触发信号分别接入PLC控制系统，并将安全门开启信号和机载雷达触发信号设置为停止运行中断触发源，将维修门开启信号和设备雷达触发信号设置为降速运行中断触发源；

构建机器人停止中断函数和降速中断函数，并根据不同中断触发源控制机器人停止运行或者降速运行；

通过HMI界面手动复位，使机器人恢复运动。

4.根据权利要求3所述的一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法，其特征在于，所述停止中断函数具体为：

将机载雷达触发信号与安全门开启信号并联，当任何一个信号被触发时，将PLC控制系统输出的停止运行中断信号置位，机器人检测到停止运行中断信号为“1”，立即进入停止运行中断，通过BRAKE指令控制机器人停止当前运行，并循环判断停止运行中断信号，直至当停止运行中断信号不为“1”时，经过1秒延时后退出中断。

5.根据权利要求3所述的一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法，其特征在于，所述降速中断函数具体为：

将设备雷达触发信号与维修门开启信号并联，当任何一个信号被触发时，将PLC控制系统输出的降速运行中断信号置位，置位时间为2秒，2秒后降速运行中断信号自动复位,机器人检测到降速运行中断信号为“1”且停止中断未被触发时，立即进入降速中断，并通过对判断降速使能信号的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，当降速运行中断信号被触发时，通过对判断降速使能信号的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，使机器人恢复运行速度。

6.根据权利要求5所述的一种含第七轴机器人的生产线安全防护控制方法，其特征在于，所述通过对判断降速使能信号的值，控制机器人运行倍率OV_PRO，具体为：

PLC控制系统输出2秒高电平脉冲信号，触发机器人进入降速运行中断；

通过判断维修门以及设备雷达检测障碍物，对降速使能信号进行赋值：当任一维修门开启或过道中存在目标时，置位降速使能信号；当维修门均关闭，过道没有障碍物时，复位降速使能信号；

当降速触发信号中存在维修门开启，或设备雷达检测到障碍物，即认为降速使能信号为“1”；反之，当维修门均关闭，且设备雷达检测均无障碍物时，降速使能信号为“0”，PLC通过维修门与设备激光雷达的检测结果，在降速中断被触发时，修改机器人倍率参数OV_PRO。