CN212287642U - 一种机器人的外部保护装置和机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种机器人的外部保护装置和机器人,该装置包括:采集单元,采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,并采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数;处理单元,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号;保护单元,基于所述保护信号,控制所述机器人的供电电源断电。该方案,通过在机器人的内部CPU控制系统死机或响应不及时等情况下,通过机器人的外部保护装置触发断电保护,提升机器人的保护控制的安全性。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人技术领域,具体涉及一种机器人的外部保护装置和机器人,尤其涉及一种机器人防飞车和碰撞的外部保护装置和机器人。
背景技术
在机器人的保护控制中,通过机器人的内部CPU控制系统,可以在机器人出现飞车、碰撞等现象时控制电机急停,实现对机器人的保护控制。但在机器人的内部CPU控制系统死机或响应不及时等情况下,无法通过机器人的内部CPU控制系统控制电机急停,存在重大安全隐患。
上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案,并不代表承认上述内容是现有技术。
实用新型内容
本实用新型的目的在于,提供一种机器人的外部保护装置和机器人,以解决在机器人的内部CPU控制系统死机或响应不及时等情况下,无法通过机器人的内部CPU控制系统控制电机急停而实现保护,存在重大安全隐患的问题,达到提升机器人的保护控制的安全性的效果。
本实用新型提供一种机器人的外部保护装置,包括:采集单元、处理单元和保护单元;其中,所述采集单元,被配置为采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,并采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数;所述处理单元,被配置为在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号;所述保护单元,被配置为基于所述保护信号,控制所述机器人的供电电源断电,以控制所述机器人的电机急停,实现对所述机器人的保护。
在一些实施方式中,还包括:所述处理单元,还被配置为在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平仍为第一设定电平的情况下,继续输出保护信号;在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号;所述保护单元,被配置为基于继续输出的所述保护信号,维持所述机器人的供电电源断电的状态;基于所述上电信号,控制所述机器人的供电电源恢复上电。
在一些实施方式中,所述采集单元,包括:加速度传感器和振动传感器;其中,所述采集单元,采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,包括:所述加速度传感器,被配置为采集所述机器人的机械臂运动时电机的运行加速度,并将所述运行加速度转化为对应的电压值,作为所述机器人的机械臂运动时的速度参数;所述采集单元,采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数,包括:所述振动传感器,被配置为采集所述机器人的机械臂与物体碰撞时的振动频率,并将所述振动频率转化为对应的电压值,作为所述机器人与物体碰撞时的振动参数。
在一些实施方式中,所述处理单元,包括:第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块;其中,所述处理单元,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,以及对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理中,对所述速度参数和设定速度参数的比较处理,包括:所述第一放大及触发模块,被配置为对所述速度参数进行放大,得到第一放大参数;再将所述第一放大参数与第一设定电压范围进行比较,得到第一比较结果;所述处理单元,对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,以及,对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理中,对所述振动参数与设定振动参数的比较处理,包括:所述第二放大及触发模块,被配置为对所述振动参数进行放大,得到第二放大参数;再将所述第二放大参数与第二设定电压范围进行比较,得到第二比较结果;所述处理单元,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号,包括:所述信号确定模块,被配置为对所述第一比较结果和所述第二比较结果进行或处理,以在所述第一比较结果和所述第二比较结果中的一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出所述第一设定电平的信号,作为所述保护信号;所述处理单元,在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号,包括:所述信号确定模块,被配置为在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出所述第二设定电平的信号,作为所述上电信号。
在一些实施方式中,所述第一设定电平,包括:高电平;所述第二设定电平,包括:低电平;其中,在所述第一放大参数大于所述第一设定电压范围的上限的情况下,所述第一比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,若所述第一放大参数下降至小于或等于所述第一设定电压范围的上限、但仍大于所述第一设定电压范围的下限,则所述第一比较结果的电平维持高电平;而在所述第一放大参数小于或等于所述第一设定电压范围的下限的情况下,所述第一比较结果的电平为低电平;在所述第二放大参数大于所述第二设定电压范围的上限的情况下,所述第二比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,若所述第二放大参数下降至小于或等于所述第二设定电压范围的上限、但仍大于所述第二设定电压范围的下限,则所述第二比较结果的电平维持高电平;而在所述第二放大参数小于或等于所述第二设定电压范围的下限的情况下,所述第二比较结果的电平为低电平。
在一些实施方式中,所述第一放大及触发模块,包括:第一运放模块和第一触发器;所述第二放大及触发模块,包括:第二运放模块和第二触发器;所述信号确定模块,包括:或门电路模块。
在一些实施方式中,所述保护单元,包括:光耦模块和开关模块;其中,所述保护单元,控制所述机器人的供电电源断电,包括:所述光耦模块,被配置为对所述保护信号进行隔离处理,得到触发信号;所述开关模块,被配置为基于所述触发信号,使自身断开,以使所述机器人控制器的电源板与所述机器人的供电电源断开。
在一些实施方式中,所述光耦模块,包括:光电耦合器;所述开关模块,包括:常闭继电器或开关管。
在一些实施方式中,所述保护单元,还包括:第一限流模块、第二限流模块、滤波模块和续流模块中的至少之一;其中,所述第一限流模块,被配置为对所述保护信号进行限流处理;所述第二限流模块,被配置为对所述光耦模块中晶体管侧、以及所述开关模块中的线圈处的直流电源进行限流处理;所述续流模块,被配置为在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行续流保护;所述滤波模块,被配置为在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行过压保护。
与上述装置相匹配,本实用新型再一方面提供一种机器人,包括:以上所述的机器人的外部保护装置。
由此,本实用新型的方案,通过设置独立于机器人的内部CPU控制系统的外部保护装置,在机器人的内部CPU控制系统死机或响应不及时等情况下,通过机器人的外部保护装置触发断电保护,提升机器人的保护控制的安全性。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本实用新型而了解。
下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型的机器人的外部保护装置的一实施例的结构示意图;
图2为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置的一实施例的结构示意图;
图3为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置中或门电路模块的一实施例的结构示意图;
图4为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置中动作电路模块的一实施例的结构示意图;
图5为本实用新型的机器人的外部保护装置的一实施例的保护流程示意图;
图6为本实用新型的机器人的外部保护装置中控制所述机器人的供电电源在断电后延时恢复上电的一实施例的流程示意图;
图7为本实用新型的机器人的外部保护装置中控制所述机器人的供电电源断电的一实施例的流程示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,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,都属于本实用新型保护的范围。
根据本实用新型的实施例,提供了一种机器人的外部保护装置。参见图1所示本实用新型的装置的一实施例的结构示意图。该机器人的外部保护装置能够在机器人的内部CPU控制系统失效、死机或响应延迟的情况下,应用在机器人的防飞车、碰撞等方面的保护上,机器人的外部保护装置,包括:采集单元、处理单元和保护单元。
具体地,所述采集单元,被配置为采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,并采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数。
在一些实施方式中,所述采集单元(如传感器模块),包括:加速度传感器和振动传感器。
其中,所述采集单元,采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,包括:所述加速度传感器,安装在所述机器人的机器人本体上,被配置为在所述机器人的机械臂运动的情况下,采集所述机器人的机械臂运动时电机的运行加速度,并将所述运行加速度由机械信号转化为电信号,输出与所述运行加速度对应的电压值,作为所述机器人的机械臂运动时的速度参数。
例如:加速度传感器,安装在机器人本体上,能够检测到机器人本体电机飞车失速的情况。具体地,加速度传感器安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂运动时的加速度;加速度传感器根据本体电机的运行加速度,将机械信号转化为电信号,输出对应的电压值。
所述采集单元,采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数,包括:所述振动传感器,安装在所述机器人的机器人本体上,被配置为在所述机器人的机械臂运动的情况下,采集所述机器人的机械臂与物体碰撞时的振动频率,并将所述振动频率由机械信号转化为电信号,输出与所述振动频率对应的电压值,作为所述机器人与物体碰撞时的振动参数。
例如:振动传感器,安装在机器人本体上,能够检测到机器人本体发生碰撞的情况。具体地,振动传感器,安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂与物体碰撞时的振动频率;振动传感器根据本体电机和物体碰撞时产生的振动频率,转化成电信号,输出对应的电压值。
由此,通过将振动传感器、加速度传感器等安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂运动时的加速度以及与物体碰撞时的振动频率,可以及时发现机器人飞车、碰撞等现象,且结构简单、成本低。
具体地,所述处理单元,被配置为在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号到所述保护单元。其中,设定保护机制,可以是设定的软件保护机制,如:通过振动传感器输出模拟量到机械手控制器CPU,然后机械手控制器CPU再输出数字信号到机械手急停控制回路,对电机进行急停,实现对机器人的保护控制。
具体地,所述保护单元,被配置为基于所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源断电,以控制所述机器人的电机急停,实现对所述机器人的保护,如实现对所述机器人的防飞车、防撞等保护。
由此,通过设置一个独立于机器人的内部CPU控制系统的纯硬件方案设计的外部保护装置,不受机器人的内部CPU控制系统的影响,具有防碰撞和防本体电机飞车的保护作用;在机器人电机出现飞车现象或与物体产生碰撞、而内部CPU控制系统死机或响应不及时等特殊情况下,通过该外部保护装置,能够基于加速度传感器和振动传感器,能触发断电保护,能大幅提高机器人生产工作的安全性,减少重大安全事故的发生,保证自动化生产线上制造产品的稳定性。
在一些实施方式中,还包括:控制所述机器人的供电电源在断电后延时恢复上电的过程,具体可以如下:
具体地,所述处理单元,还被配置为在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平仍为第一设定电平的情况下,继续输出保护信号到所述保护单元;在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号到所述保护单元。
具体地,所述保护单元,被配置为基于继续输出的所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源继续断电,以维持所述机器人的供电电源断电的状态;基于所述上电信号,控制所述机器人的供电电源恢复上电,以控制所述机器人延时恢复上电而正常运行。
由此,通过在机器人出现飞车、碰撞等情况时及时断电进行急停保护,并在断电后延时恢复上电,可以保证机器人在飞车、碰撞等情况得以缓解甚至消除后正常运动。
在一些实施方式中,所述处理单元,包括:第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块。
其中,所述处理单元,在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果,以及在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果中,对所述速度参数和设定速度参数的比较处理,包括:所述第一放大及触发模块,被配置为对所述速度参数进行放大,得到第一放大参数;再将所述第一放大参数与第一设定电压范围进行比较,得到第一比较结果。
所述处理单元,在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果,以及,在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果中,对所述振动参数与设定振动参数的比较处理,包括:所述第二放大及触发模块,被配置为对所述振动参数进行放大,得到第二放大参数;再将所述第二放大参数与第二设定电压范围进行比较,得到第二比较结果。
所述处理单元,在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号到所述保护单元,包括:所述信号确定模块,被配置为对所述第一比较结果和所述第二比较结果进行或处理,以在所述第一比较结果和所述第二比较结果中的一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出所述第一设定电平的信号到所述保护单元,作为所述保护信号。
所述处理单元,在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号,包括:所述信号确定模块,被配置为在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出所述第二设定电平的信号到所述保护单元,作为所述上电信号。
由此,通过第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块,在机器人出现飞车或碰撞现象的情况下,及时给出保护信号以控制机器人断电;并在机器人断电后进行延时恢复上电,保证了机器人的安全和运行可靠性。
在一些实施方式中,所述第一设定电平,包括:高电平;所述第二设定电平,包括:低电平。
其中,在所述第一放大参数大于所述第一设定电压范围的上限的情况下,所述第一比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,即在所述第一比较结果已经为高电平的情况下,若所述第一放大参数下降至小于或等于所述第一设定电压范围的上限、但仍大于所述第一设定电压范围的下限,则所述第一比较结果的电平维持高电平;而在所述第一放大参数小于或等于所述第一设定电压范围的下限的情况下,所述第一比较结果的电平为低电平。其中,所述第一设定电压范围的上限,可以是设定比较的第一阈值电压。所述第一设定电压范围的下限,可以是设定比较的第二阈值电压。
在所述第二放大参数大于所述第二设定电压范围的上限的情况下,所述第二比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,即在所述第二比较结果已经为高电平的情况下,若所述第二放大参数下降至小于或等于所述第二设定电压范围的上限、但仍大于所述第二设定电压范围的下限,则所述第二比较结果的电平维持高电平;而在所述第二放大参数小于或等于所述第二设定电压范围的下限的情况下,所述第二比较结果的电平为低电平。其中,所述第二设定电压范围的上限,可以是设定比较的第三阈值电压。所述第二设定电压范围的下限,可以是设定比较的第四阈值电压。
由此,通过第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块,不需要经过内部CPU芯片的处理和控制,可以在意外碰撞和电机飞车事故、且机器人内部CPU响应控制系统死机或响应不及时的情况下,发出高电平的信号以触发保护使机器人断电停机,实现了对机器人的保护;并在断电停机后延时发出低电平的信号以恢复上电,使机器人能正常运行。
在一些实施方式中,所述第一放大及触发模块,包括:第一运放模块和第一触发器,如第一运算放大器和第一施密特触发器。
例如:加速度传感器和振动传感器输出的电压值经过运算放大器放大后,分别输入到对应的施密特触发器,与其设定的阈值电压进行比较。若施密特触发器的输入电压大于设定的阈值电压VH,施密特触发器输出高电平,并输出到或门电路;两个施密特触发器的输出电平中至少有一个是高电平时,或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平。
具体地,第一运算放大器,能够将加速度传感器检测到的输入模拟量的电压信号值进行放大后,给到比较器进行比较,得到施密特触发器模块中第一施密特触发器的输入电压。第一施密特触发器可以选用同相施密特触发器或反相施密特触发器。在第一施密特触发器选用同相施密特触发器时,第一同相施密特触发器,能够将第一运算放大器输出的电压信号与设定比较的第一阈值电压进行比较,在第一运算放大器输出的电压信号大于设定比较的第一阈值电压的情况下输出高电平。之后,在第一运算放大器输出的电压信号降低但仍大于设定比较的第二阈值电压的情况下,仍然输出高电平。在第一运算放大器输出的电压信号降低至小于或等于设定比较的第二阈值电压的情况下,输出低电平。设定比较的第一阈值电压,大于设定比较的第二阈值电压。
进而,由于施密特触发器的输出具有迟滞的效果,所以在机器人供电电源被切断,使加速度传感器或振动传感器输出的电压信号V减小时(VL<V<VH),施密特触发器仍然输出高电平;待加速度传感器和振动传感器输出的电压信号V持续减小到V<VL时,这时候施密特触发器输出才会由高电平变成低电平,这时电源恢复上电,在施密特触发器输出由高电平变成低电平的过程中,中间有一个迟滞的时间,实现断电延时恢复上电。
由此,通过第一运放模块和第一触发器,对机器人出现飞车的情况下机器人的运行加速度及时进行处理以得到发生飞车的转速参数,结构简单,且处理及时、可靠。
在一些实施方式中,所述第二放大及触发模块,包括:第二运放模块和第二触发器,如第二运算放大器和第二施密特触发器。
例如:第二运算放大器,能够将振动传感器检测到的输入模拟量的电压信号值进行放大后,给到比较器进行比较,得到施密特触发器模块中第二施密特触发器的输入电压。第二施密特触发器可以选用同相施密特触发器或反相施密特触发器。在第二施密特触发器选用同相施密特触发器时,第二同相施密特触发器,能够将第二运算放大器输出的电压信号与设定比较的第三阈值电压进行比较,在第二运算放大器输出的电压信号大于设定比较的第三阈值电压的情况下输出高电平。之后,在第二运算放大器输出的电压信号降低但仍大于设定比较的第四阈值电压的情况下,仍然输出高电平。在第二运算放大器输出的电压信号降低至小于或等于设定比较的第四阈值电压的情况下,输出低电平。设定比较的第三阈值电压,大于设定比较的第四阈值电压。
由此,通过第二运放模块和第二触发器,对机器人出现碰撞的情况下机器人与物体之间的碰撞频率及时进行处理以得到发生碰撞的振动参数,结构简单,且处理及时、可靠。
在一些实施方式中,所述信号确定模块,包括:或门电路模块。
例如:主要由三极管(如三极管Q1和三极管Q2)搭建的或门电路模块,其原理为:两个施密特触发器输出的电平至少有一个为高电平时,会触发三极管Q1导通,三极管Q2断开,使得输出到动作电路的电平被拉高,那么输出动作电路的电平即为高电平;当且仅当两个施密特触发器输出的电平同时为低电平时,三极管Q1断开,三极管Q2导通,使得输出到动作电路的电平被拉低,那么输出动作电路的电平即为低电平。
由此,通过或门电路模块,在输入的电平至少有一个为高电平时,输出为高电平;当且仅当两个输入同时为低电平时,输出为低电平,可以在机器人出现飞车、碰撞中任一危险情况时及时且可靠地给出保护信号。
在一些实施方式中,所述保护单元,包括:光耦模块和开关模块。
其中,所述保护单元,基于所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源断电,包括:
所述光耦模块,被配置为对所述保护信号进行隔离处理,得到触发信号。
所述开关模块,被配置为基于所述触发信号,使自身断开,以使所述机器人控制器的电源板与所述机器人的供电电源断开。
在一些实施方式中,所述光耦模块,包括:光电耦合器;所述开关模块,包括:常闭继电器或开关管。
例如:当或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平时,动作电路模块的光耦OC1导通,使常闭继电器KA1的线圈通电后,交流电源输入的L、N线的触点(即常闭继电器KA1的常闭触点)断开,切断机器人供电电源。也就是说,当光耦OC1输入为高电平时,继电器KA1的线圈得电,继电器KA1的触点断开电源供电;当光耦OC1输入为低电平时,继电器KA1的线圈不得电,继电器KA1的触点保持吸合,电源持续供电。具体地,当或门电路模块输出到动作电路模块的电平为低电平时,动作电路模块的光耦OC1不导通,常闭继电器KA1的线圈不通电,机器人交流电源的输入火线L、零线N处的触点(即常闭继电器KA1的常闭触点)仍然闭合,机器人电源供电正常;当或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平时,动作电路模块的光耦OC1导通,随之常闭继电器KA1的线圈通电,机器人交流电源的输入火线L、零线N的触点(即常闭继电器KA1的常闭触点)断开,实现切断机器人电源供电的目的。
在一些实施方式中,所述保护单元,还包括:第一限流模块、第二限流模块、滤波模块和续流模块中的至少之一。第一限流模块如电阻R8,第二限流模块如电阻R9,续流模块如二极管D4,滤波模块如电容C1。
其中,所述第一限流模块,被配置为对所述保护信号进行限流处理后,再输出至所述光耦模块。
所述第二限流模块,被配置为对所述光耦模块中晶体管侧、以及所述开关模块中的线圈处的直流电源进行限流处理后,再提供至所述光耦模块中的晶体管侧和所述开关模块中的线圈处。
所述续流模块,被配置为在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行续流保护。
所述滤波模块,被配置为在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行过压保护。
例如:电阻R8、电阻R9均为限制电流的作用。光耦OC1的作用是将输入输出隔离,并触发继电器KA1的导通和关断。继电器KA1的作用为控制电源的通断。
与继电器KA1并联的二极管D4是在继电器KA1断开时起到续流的作用,具体地:在继电器KA1线圈断电的瞬间,其电感性的线圈会产生较高的感应电动势;在继电器KA1线圈断电的瞬间,线圈与并联的二极管D4形成回路,给产生的感应电动势提供一个泄放通路,起到续流的效果。
与继电器KA1并联的电容C1的作用主要是过压保护。具体地:吸收继电器KA1线圈断电时产生过高的感应电动势,防止过高的感应电动势击穿与继电器KA1相连的光耦OC1的开关器件。
经大量的试验验证,采用本实用新型的技术方案,通过传感器模块、运算放大器模块、施密特触发器模块、或门电路模块和动作电路模块等模块的联调,设置独立于机器人的内部CPU控制系统的外部保护装置,可在内部CPU控制系统失效、死机或响应不及时等特殊情况下,实现二次保护。
根据本实用新型的实施例,还提供了对应于机器人的外部保护装置的一种机器人。该机器人可以包括:以上所述的机器人的外部保护装置。
工业自动化的发展势头迅猛,机器人在工业上的使用越来越普及,工业生产线自动化程度也越来越高。随着工业机器人的应用领域不断的拓展,但机器人在生产作业时的安全问题更是首要的。
机器人在正常工作运行时,在其本体电机失速的情况下,机器人内部伺服控制系统会触发急停保护。但是在伺服驱动器的CPU出现死机或响应不及时等特殊情况时,当电机出现飞车现象或与物体产生碰撞,机器人内部CPU控制系统无法及时触发急停保护,可能会造成重大的安全事故。
例如:在一些方案中,通过振动传感器输出模拟量到机械手控制器CPU,然后机械手控制器CPU再输出数字信号到机械手急停控制回路,对电机进行急停,实现对机器人的保护控制。但在机械手控制器CPU死机或者响应不及时等特殊情况时,无法发挥其急停的作用。
也就是说,在机器人产线的应用中,安全可靠是非常重要的环节。一些方案中,为了使用安全,机器人示教器和控制柜上都装有手动的急停装置,以免在发生事故的时候,能人为及时拍下急停装置停止机器人的运行。但有时在突发碰撞等事故时,人为来不及拍手动急停按键,导致重大事故的发生。为了能防止机器人碰撞事故,人为手动来不及拍下急停的情况发生,一些方案中应用碰撞传感器,经过机器人内部CPU控制系统处理,在机器人出现碰撞时进行急停保护。但是这种急停保护的方法仍然有缺陷,在CPU控制系统死机或响应不及时等情况下,无法发挥其急停保护的效果。上述防碰撞技术都是基于内部CPU控制系统的,具有一定的局限性,一旦CPU出现死机等特殊情况时,其无法发挥保护的效果。
在一些实施方式中,本实用新型的方案,提供一种机器人防飞车和碰撞的外部保护装置。该外部保护装置,是独立于机器人内部CPU控制系统的外部保护装置,可在内部CPU控制系统失效、死机或响应不及时等特殊情况下,实现二次保护。即,在机器人飞车或碰撞时,内部CPU控制系统死机或响应不及时等特殊的情况,实现二次保护。
具体地,本实用新型的方案中的一种机器人防飞车和碰撞的外部保护装置,以振动传感器、加速度传感器为基础,即基于加速度传感器和振动传感器,设置一个独立于机器人的内部CPU控制系统的纯硬件方案设计的外部保护装置,具有防碰撞和防本体电机飞车的保护作用。
该外部保护装置的纯硬件方案中,控制电路不需要MCU等芯片控制,整个保护电路的结构简单、造价成本低廉、保护效果较好。可见,该外部保护装置的成本小,独立于机器人的内部CPU控制系统,不受机器人的内部CPU控制系统的影响,可靠性更高。
而且,该外部保护装置,在一些特定的意外事故下,如在内部CPU控制系统死机或响应不及时等特殊情况下,也能起到保护作用,即实现二次保护。例如:在特定情况下机器人电机出现飞车现象或与物体产生碰撞,而机器人内部CPU控制系统死机或响应不及时导致无法触发急停保护时,也能触发断电保护。可见,该外部保护装置,能在内部CPU控制系统控制失效的情况下发挥其作用,能大幅提高机器人生产工作的安全性,减少重大安全事故的发生,保证自动化生产线上制造产品的稳定性。
下面结合图2至图4所示的例子,对本实用新型的具体实现过程进行示例性说明。
图2为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置的一实施例的结构示意图。如图2所示,图2为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置,包括:传感器模块、运算放大器模块、施密特触发器模块、或门电路模块和动作电路模块。传感器模块、运算放大器模块、施密特触发器模块、或门电路模块和动作电路模块,依次配合设置。
在图2所示的例子中,传感器(如振动传感器、加速度传感器等)配合运算放大器、施密特触发器、或门电路、动作电路等模块的整体联调,实现了纯硬件保护的功能和效果。图2所示的图2为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置,不需要经过内部CPU芯片的处理和控制,可以在意外碰撞和电机飞车事故、且机器人内部CPU响应控制系统死机或响应不及时的情况下,触发保护。
下面对传感器模块、运算放大器模块、施密特触发器模块、或门电路模块和动作电路模块的具体设置情况,进行示例性说明。
在一些实施方式中,传感器模块,包括:加速度传感器和振动传感器。
其中,加速度传感器,安装在机器人本体上,能够检测到机器人本体电机飞车失速的情况。
具体地,加速度传感器一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压,只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系,就可以将加速度转化成相对应的电压输出。
振动传感器,安装在机器人本体上,能够检测到机器人本体发生碰撞的情况。
具体地,振动传感器,利用和物体直接发生的碰撞产生的位移振动,将机械量接收下来,并转换为与之成比例的电量,输出相对应的电压。
在一些实施方式中,运算放大器模块,包括:运算放大器。运算放大器的作用是将传感器输出的电压信号值放大,然后给到比较器进行比较。电压放大的倍数可以根据机器人实际使用的情况而定。
其中,运算放大器的个数为两个。两个运算放大器,包括:第一运算放大器和第二运算放大器。
第一运算放大器,能够将加速度传感器检测到的输入模拟量的电压信号值进行放大后,给到比较器进行比较,得到施密特触发器模块中第一施密特触发器的输入电压。
第二运算放大器,能够将振动传感器检测到的输入模拟量的电压信号值进行放大后,给到比较器进行比较,得到施密特触发器模块中第二施密特触发器的输入电压。
在一些实施方式中,施密特触发器模块,包括:同相施密特触发器,或反相施密特触发器。下面以同相施密特触发器为例进行示例性说明。
同相施密特触发器的作用为:初始时同相施密特触发器输出为低电平;经过运算放大器放大后的传感器电压信号V,与同相施密特触发器设定的第一电压阈值VH进行比较,若电压信号V大于设定的第一电压阈值VH,则同相施密特触发器将输出高电平。此时,若放大后的传感器电压信号V开始减小,当设定的第二电压阈值VL<电压信号V<设定的第一电压阈值VH,同相施密特触发器还是会维持输出高电平;当放大后的传感器电压信号V<设定的第二电压阈值VL,同相施密特触发器输出才会由高电平变成低电平。也就是说,同相施密特触发器输出由高电平变成低电平中间有一段迟滞的时间,利用这个迟滞的时间可以实现外部保护装置断电延时上电,可以使系统断电延时恢复上电。
其中,同相施密特触发器的数量为两个。两个同相施密特触发器,包括:第一同相施密特触发器和第二同相施密特触发器。
第一同相施密特触发器,能够将第一运算放大器输出的电压信号与设定比较的第一阈值电压进行比较,在第一运算放大器输出的电压信号大于设定比较的第一阈值电压的情况下输出高电平。之后,在第一运算放大器输出的电压信号降低但仍大于设定比较的第二阈值电压的情况下,仍然输出高电平。在第一运算放大器输出的电压信号降低至小于或等于设定比较的第二阈值电压的情况下,输出低电平。设定比较的第一阈值电压,大于设定比较的第二阈值电压。
第二同相施密特触发器,能够将第二运算放大器输出的电压信号与设定比较的第三阈值电压进行比较,在第二运算放大器输出的电压信号大于设定比较的第三阈值电压的情况下输出高电平。之后,在第二运算放大器输出的电压信号降低但仍大于设定比较的第四阈值电压的情况下,仍然输出高电平。在第二运算放大器输出的电压信号降低至小于或等于设定比较的第四阈值电压的情况下,输出低电平。设定比较的第三阈值电压,大于设定比较的第四阈值电压。
图3为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置中或门电路模块的一实施例的结构示意图。如图3所示,或门电路模块,包括:电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7,二极管D1、二极管D2和二极管D3,三极管Q1和三极管Q2。
其中,电阻R1的第一端,接收第一施密特触发器(如第一同相施密特触发器)输出的高电平;电阻R1的第二端,连接至二极管D1的阳极;二极管D1的阴极连接至三极管Q1的基极。电阻R2的第一端,接收第二施密特触发器(如第二同相施密特触发器)输出的高电平;电阻R2的第二端,连接至二极管D2的阳极;二极管D2的阴极连接至三极管Q1的基极。电阻R3连接在三极管Q1的基极和三极管Q1的发射极之间。三极管Q1的集电极经电阻R4后连接至电源VCC。三极管Q1的集电极还经电阻R5后连接至二极管D3的阳极。二极管D3的阴极连接至三极管Q2的基极,电阻R6连接在三极管Q2的基极与三极管Q2的发射极之间。三极管Q2的集电极,输出到动作电路模块的高电平。三极管Q2的集电极,还经电阻R7连接到电源VCC。
图3所示的例子具体为主要由三极管(如三极管Q1和三极管Q2)搭建的或门电路模块,其原理为:两个施密特触发器输出的电平至少有一个为高电平时,会触发三极管Q1导通,三极管Q2断开,使得输出到动作电路的电平被拉高,那么输出动作电路的电平即为高电平;当且仅当两个施密特触发器输出的电平同时为低电平时,三极管Q1断开,三极管Q2导通,使得输出到动作电路的电平被拉低,那么输出动作电路的电平即为低电平。
在图3所示的例子中,二极管D1、二极管D2和二极管D3的作用是整流,配合其串联的电阻(如电阻R1、电阻R2、电阻R5)得到低压直流电。
三极管Q1、三极管Q2可以均为NPN三极管。三极管Q1的基极和发射极之间并联的电阻R3、三极管Q2的基极和发射极之间并联的电阻R6的作用是防止启动过程中或线路干扰造成的电压尖峰使得三极管(如三极管Q1和三极管Q2)出现误导通的现象。
电阻R1、电阻R2、电阻R4、电阻R5和电阻R7,都可以起到电路导通时限制电流的作用。
电源VCC配合串联电阻(如电阻R4、电阻R7),起到在三极管(如三极管Q1和三极管Q2)未导通的时候,将串联电阻的另外一端电压上拉到高电平状态的作用。
在图3所示的例子中,或门电路模块的整体作用是:输入的电平至少有一个为高电平时,输出为高电平;当且仅当两个输入同时为低电平时,输出为低电平。
图4为机器人防飞车和碰撞的外部保护装置中动作电路模块的一实施例的结构示意图。如图4所示,动作电路模块,包括:电阻R8、电阻R9、光耦OC1、电容C1、二极管D4和常闭继电器KA1。
其中,电阻R8的第一端,接收或门电路模块输出到动作电路模块的高电平。电阻R8的第二端,连接至光耦OC1中二极管侧的阳极,光耦OC1中二极管侧的阴极接信号地。光耦OC1中晶体管侧的集电极连接至常闭继电器KA1的线圈的第二端。电源VCC经电阻R9后连接至常闭继电器KA1的线圈的第一端。电容C1与二极管D4并联在常闭继电器KA1的线圈的两端。二极管D4的阳极连接至常闭继电器KA1的线圈的第二端。常闭继电器KA1的常闭触点的第一端连接至交流电源的输入端,常闭继电器KA1的常闭触点的第二端连接至机器人控制器电源板。
图4所示的例子为动作电路模块,具体为触发动作电路切断机器人供电电源的电路。当或门电路模块输出到动作电路模块的电平为低电平时,动作电路模块的光耦OC1不导通,常闭继电器KA1的线圈不通电,机器人交流电源的输入火线L、零线N处的触点(即常闭继电器KA1的常闭触点)仍然闭合,机器人电源供电正常;当或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平时,动作电路模块的光耦OC1导通,随之常闭继电器KA1的线圈通电,机器人交流电源的输入火线L、零线N的触点(即常闭继电器KA1的常闭触点)断开,实现切断机器人电源供电的目的。
在图4所示的例子中,电阻R8、电阻R9均为限制电流的作用。光耦OC1的作用是将输入输出隔离,并触发继电器KA1的导通和关断。继电器KA1的作用为控制电源的通断,与继电器KA1并联的二极管D4是在继电器KA1断开时起到续流的作用;与继电器KA1并联的电容C1的作用主要是过压保护。
在图4所示的例子中,动作电路模块的作用是,当光耦OC1输入为高电平时,继电器KA1的线圈得电,继电器KA1的触点断开电源供电;当光耦OC1输入为低电平时,继电器KA1的线圈不得电,继电器KA1的触点保持吸合,电源持续供电。
在一些实施方式中,本实用新型的方案中,机器人防飞车和碰撞的外部保护装置的工作过程,可以参见以下示例性说明:
步骤1、传感器(如振动传感器、加速度传感器等)安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂运动时的加速度以及与物体碰撞时的振动频率。其中,加速度传感器根据本体电机的运行加速度,将机械信号转化为电信号,输出对应的电压值;振动传感器根据本体电机和物体碰撞时产生的振动频率,转化成电信号,输出对应的电压值。
步骤2、加速度传感器和振动传感器输出的电压值经过运算放大器放大后,分别输入到对应的施密特触发器,与其设定的阈值电压进行比较。
步骤3、若施密特触发器的输入电压大于设定的阈值电压VH,施密特触发器输出高电平,并输出到或门电路;两个施密特触发器的输出电平中至少有一个是高电平时,或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平。
步骤4、当或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平时,动作电路模块的光耦OC1导通,使常闭继电器KA1的线圈通电后,交流电源输入的L、N线的触点(即常闭继电器KA1的常闭触点)断开,切断机器人供电电源。
其中,由于施密特触发器的输出具有迟滞的效果,所以在机器人供电电源被切断,使加速度传感器或振动传感器输出的电压信号V减小时(VL<V<VH),施密特触发器仍然输出高电平;待加速度传感器和振动传感器输出的电压信号V持续减小到V<VL时,这时候施密特触发器输出才会由高电平变成低电平,这时电源恢复上电,在施密特触发器输出由高电平变成低电平的过程中,中间有一个迟滞的时间,从而达到了断电延时恢复上电的效果。
需要说明的是,可以根据实际机器人使用的情况,选择对应的运算放大器电路放大倍数与施密特触发器的阈值电压值,来确定动作电路模块触发的电压值。
上述说明仅作为本实用新型的最佳实施例进行解释而非限制本实用新型,凡是基于上述实施例的,其它容易想到的纯硬件实施方式,也在本实用新型的保护范围之内。例如:将同相施密特触发器换成反相施密特触发器,或门电路换成或非门电路,同样也能达到相同的目的。
由于本实施例的机器人所实现的处理及功能基本相应于前述图1所示的装置的实施例、原理和实例,故本实施例的描述中未详尽之处,可以参见前述实施例中的相关说明,在此不做赘述。
经大量的试验验证,采用本实用新型的技术方案,通过传感器模块、运算放大器模块、施密特触发器模块、或门电路模块和动作电路模块等模块的联调,设置独立于机器人的内部CPU控制系统的外部保护装置,在机器人飞车或碰撞时,内部CPU控制系统死机或响应不及时等特殊的情况,实现二次保护。
根据本实用新型的实施例,还提供了对应于机器人的一种机器人的外部保护方法,如图5所示本实用新型的方法的一实施例的流程示意图。该机器人的外部保护方法能够在机器人的内部CPU控制系统失效、死机或响应延迟的情况下,应用在机器人的防飞车、碰撞等方面的保护上,机器人的外部保护方法,包括:步骤S110至步骤S130。
在步骤S110处,采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,并采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数。
在一些实施方式中,步骤S110中采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,包括:通过所述加速度传感器,安装在所述机器人的机器人本体上,在所述机器人的机械臂运动的情况下,采集所述机器人的机械臂运动时电机的运行加速度,并将所述运行加速度由机械信号转化为电信号,输出与所述运行加速度对应的电压值,作为所述机器人的机械臂运动时的速度参数。
例如:加速度传感器,安装在机器人本体上,能够检测到机器人本体电机飞车失速的情况。具体地,加速度传感器安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂运动时的加速度;加速度传感器根据本体电机的运行加速度,将机械信号转化为电信号,输出对应的电压值。
在一些实施方式中,步骤S110中采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数,包括:通过所述振动传感器,安装在所述机器人的机器人本体上,被配置为在所述机器人的机械臂运动的情况下,采集所述机器人的机械臂与物体碰撞时的振动频率,并将所述振动频率由机械信号转化为电信号,输出与所述振动频率对应的电压值,作为所述机器人与物体碰撞时的振动参数。
例如:振动传感器,安装在机器人本体上,能够检测到机器人本体发生碰撞的情况。具体地,振动传感器,安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂与物体碰撞时的振动频率;振动传感器根据本体电机和物体碰撞时产生的振动频率,转化成电信号,输出对应的电压值。
由此,通过将振动传感器、加速度传感器等安装在机器人对应关节的手臂上,能够检测机器人手臂运动时的加速度以及与物体碰撞时的振动频率,可以及时发现机器人飞车、碰撞等现象,且结构简单、成本低。
在步骤S120处,在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号到所述保护单元;其中,设定保护机制,可以是设定的软件保护机制,如:通过振动传感器输出模拟量到机械手控制器CPU,然后机械手控制器CPU再输出数字信号到机械手急停控制回路,对电机进行急停,实现对机器人的保护控制。
在步骤S130处,基于所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源断电,以控制所述机器人的电机急停,实现对所述机器人的保护,如实现对所述机器人的防飞车、防撞等保护。
由此,通过设置一个独立于机器人的内部CPU控制系统的纯硬件方案设计的外部保护方法,不受机器人的内部CPU控制系统的影响,具有防碰撞和防本体电机飞车的保护作用;在机器人电机出现飞车现象或与物体产生碰撞、而内部CPU控制系统死机或响应不及时等特殊情况下,通过该外部保护方法,能够基于加速度传感器和振动传感器,能触发断电保护,能大幅提高机器人生产工作的安全性,减少重大安全事故的发生,保证自动化生产线上制造产品的稳定性。
在一些实施方式中,还包括:控制所述机器人的供电电源在断电后延时恢复上电的过程。
下面结合图6所示本实用新型的方法中控制所述机器人的供电电源在断电后延时恢复上电的一实施例流程示意图,进一步说明控制所述机器人的供电电源在断电后延时恢复上电的具体过程,包括:步骤S210至步骤S220。
步骤S210,在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平仍为第一设定电平的情况下,继续输出保护信号到所述保护单元;在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号到所述保护单元。
步骤S220,基于继续输出的所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源继续断电,以维持所述机器人的供电电源断电的状态;基于所述上电信号,控制所述机器人的供电电源恢复上电,以控制所述机器人延时恢复上电而正常运行。
由此,通过在机器人出现飞车、碰撞等情况时及时断电进行急停保护,并在断电后延时恢复上电,可以保证机器人在飞车、碰撞等情况得以缓解甚至消除后正常运动。
在一些实施方式中,步骤S120中在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果,以及,步骤S210中在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果中,对所述速度参数和设定速度参数的比较处理,包括:通过第一放大及触发模块,对所述速度参数进行放大,得到第一放大参数;再将所述第一放大参数与第一设定电压范围进行比较,得到第一比较结果。
在一些实施方式中,步骤S120中在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果,以及,步骤S210中在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果中,对所述振动参数与设定振动参数的比较处理,包括:通过第二放大及触发模块,对所述振动参数进行放大,得到第二放大参数;再将所述第二放大参数与第二设定电压范围进行比较,得到第二比较结果。
在一些实施方式中,步骤S120中通过处理单元,在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,即在所述机器人的内部控制系统(如机器人的内部CPU控制系统)未能在设定时间内对所述速度参数和所述振动参数进行处理以启动设定保护机制的情况下,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号到所述保护单元,包括:通过信号确定模块,被配置为对所述第一比较结果和所述第二比较结果进行或处理,以在所述第一比较结果和所述第二比较结果中的一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出所述第一设定电平的信号到所述保护单元,作为所述保护信号。
在一些实施方式中,步骤S210中在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号到所述保护单元,包括:在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出所述第二设定电平的信号到所述保护单元,作为所述上电信号。
由此,通过第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块,在机器人出现飞车或碰撞现象的情况下,及时给出保护信号以控制机器人断电;并在机器人断电后进行延时恢复上电,保证了机器人的安全和运行可靠性。
在一些实施方式中,所述第一设定电平,包括:高电平;所述第二设定电平,包括:低电平。
其中,在所述第一放大参数大于所述第一设定电压范围的上限的情况下,所述第一比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,即在所述第一比较结果已经为高电平的情况下,若所述第一放大参数下降至小于或等于所述第一设定电压范围的上限、但仍大于所述第一设定电压范围的下限,则所述第一比较结果的电平维持高电平;而在所述第一放大参数小于或等于所述第一设定电压范围的下限的情况下,所述第一比较结果的电平为低电平。其中,所述第一设定电压范围的上限,可以是设定比较的第一阈值电压。所述第一设定电压范围的下限,可以是设定比较的第二阈值电压。
在所述第二放大参数大于所述第二设定电压范围的上限的情况下,所述第二比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,即在所述第二比较结果已经为高电平的情况下,若所述第二放大参数下降至小于或等于所述第二设定电压范围的上限、但仍大于所述第二设定电压范围的下限,则所述第二比较结果的电平维持高电平;而在所述第二放大参数小于或等于所述第二设定电压范围的下限的情况下,所述第二比较结果的电平为低电平。其中,所述第二设定电压范围的上限,可以是设定比较的第三阈值电压。所述第二设定电压范围的下限,可以是设定比较的第四阈值电压。
由此,通过第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块,不需要经过内部CPU芯片的处理和控制,可以在意外碰撞和电机飞车事故、且机器人内部CPU响应控制系统死机或响应不及时的情况下,发出高电平的信号以触发保护使机器人断电停机,实现了对机器人的保护;并在断电停机后延时发出低电平的信号以恢复上电,使机器人能正常运行。
在一些实施方式中,所述第一放大及触发模块,包括:第一运放模块和第一触发器,如第一运算放大器和第一施密特触发器。
例如:加速度传感器和振动传感器输出的电压值经过运算放大器放大后,分别输入到对应的施密特触发器,与其设定的阈值电压进行比较。若施密特触发器的输入电压大于设定的阈值电压VH,施密特触发器输出高电平,并输出到或门电路;两个施密特触发器的输出电平中至少有一个是高电平时,或门电路模块输出到动作电路模块的电平为高电平。
具体地,第一运算放大器,能够将加速度传感器检测到的输入模拟量的电压信号值进行放大后,给到比较器进行比较,得到施密特触发器模块中第一施密特触发器的输入电压。第一施密特触发器可以选用同相施密特触发器或反相施密特触发器。在第一施密特触发器选用同相施密特触发器时,第一同相施密特触发器,能够将第一运算放大器输出的电压信号与设定比较的第一阈值电压进行比较,在第一运算放大器输出的电压信号大于设定比较的第一阈值电压的情况下输出高电平。之后,在第一运算放大器输出的电压信号降低但仍大于设定比较的第二阈值电压的情况下,仍然输出高电平。在第一运算放大器输出的电压信号降低至小于或等于设定比较的第二阈值电压的情况下,输出低电平。设定比较的第一阈值电压,大于设定比较的第二阈值电压。
进而,由于施密特触发器的输出具有迟滞的效果,所以在机器人供电电源被切断,使加速度传感器或振动传感器输出的电压信号V减小时(VL<V<VH),施密特触发器仍然输出高电平;待加速度传感器和振动传感器输出的电压信号V持续减小到V<VL时,这时候施密特触发器输出才会由高电平变成低电平,这时电源恢复上电,在施密特触发器输出由高电平变成低电平的过程中,中间有一个迟滞的时间,实现断电延时恢复上电。
由此,通过第一运放模块和第一触发器,对机器人出现飞车的情况下机器人的运行加速度及时进行处理以得到发生飞车的转速参数,结构简单,且处理及时、可靠。
在一些实施方式中,所述第二放大及触发模块,包括:第二运放模块和第二触发器,如第二运算放大器和第二施密特触发器。
例如:第二运算放大器,能够将振动传感器检测到的输入模拟量的电压信号值进行放大后,给到比较器进行比较,得到施密特触发器模块中第二施密特触发器的输入电压。第二施密特触发器可以选用同相施密特触发器或反相施密特触发器。在第二施密特触发器选用同相施密特触发器时,第二同相施密特触发器,能够将第二运算放大器输出的电压信号与设定比较的第三阈值电压进行比较,在第二运算放大器输出的电压信号大于设定比较的第三阈值电压的情况下输出高电平。之后,在第二运算放大器输出的电压信号降低但仍大于设定比较的第四阈值电压的情况下,仍然输出高电平。在第二运算放大器输出的电压信号降低至小于或等于设定比较的第四阈值电压的情况下,输出低电平。设定比较的第三阈值电压,大于设定比较的第四阈值电压。
由此,通过第二运放模块和第二触发器,对机器人出现碰撞的情况下机器人与物体之间的碰撞频率及时进行处理以得到发生碰撞的振动参数,结构简单,且处理及时、可靠。
在一些实施方式中,所述信号确定模块,包括:或门电路模块。
例如:主要由三极管(如三极管Q1和三极管Q2)搭建的或门电路模块,其原理为:两个施密特触发器输出的电平至少有一个为高电平时,会触发三极管Q1导通,三极管Q2断开,使得输出到动作电路的电平被拉高,那么输出动作电路的电平即为高电平;当且仅当两个施密特触发器输出的电平同时为低电平时,三极管Q1断开,三极管Q2导通,使得输出到动作电路的电平被拉低,那么输出动作电路的电平即为低电平。
由此,通过或门电路模块,在输入的电平至少有一个为高电平时,输出为高电平;当且仅当两个输入同时为低电平时,输出为低电平,可以在机器人出现飞车、碰撞中任一危险情况时及时且可靠地给出保护信号。
在一些实施方式中,步骤S130中基于所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源断电的具体过程,能够参见以下示例性说明。
下面结合图7所示本实用新型的方法中控制所述机器人的供电电源断电的一实施例流程示意图,进一步说明步骤S130中控制所述机器人的供电电源断电的具体过程,包括:步骤S310和步骤S320。
步骤S310,通过光耦模块,对所述保护信号进行隔离处理,得到触发信号。
步骤S320,通过开关模块,基于所述触发信号,使自身断开,以使所述机器人控制器的电源板与所述机器人的供电电源断开。
在一些实施方式中,步骤S130中基于所述保护信号,即在接收到所述保护信号的情况下,控制所述机器人的供电电源断电的具体过程,还包括以下几种辅助处理过程中的一种或几种:
第一种辅助处理过程:通过第一限流模块,对所述保护信号进行限流处理后,再输出至所述光耦模块。
第二种辅助处理过程:通过第二限流模块,对所述光耦模块中晶体管侧、以及所述开关模块中的线圈处的直流电源进行限流处理后,再提供至所述光耦模块中的晶体管侧和所述开关模块中的线圈处。
第三种辅助处理过程:通过续流模块,在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行续流保护。
第四种辅助处理过程:通过滤波模块,在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行过压保护。
例如:第一限流模块如电阻R8,第二限流模块如电阻R9,续流模块如二极管D4,滤波模块如电容C1。电阻R8、电阻R9均为限制电流的作用。光耦OC1的作用是将输入输出隔离,并触发继电器KA1的导通和关断。继电器KA1的作用为控制电源的通断,与继电器KA1并联的二极管D4是在继电器KA1断开时起到续流的作用,与继电器KA1并联的电容C1的作用主要是过压保护。
由于本实施例的方法所实现的处理及功能基本相应于前述机器人的实施例、原理和实例,故本实施例的描述中未详尽之处,可以参见前述实施例中的相关说明,在此不做赘述。
经大量的试验验证,采用本实施例的技术方案,通过传感器模块、运算放大器模块、施密特触发器模块、或门电路模块和动作电路模块等模块的联调,设置独立于机器人的内部CPU控制系统的外部保护装置,独立于机器人的内部CPU控制系统,不受机器人的内部CPU控制系统的影响,可靠性更高。
综上,本领域技术人员容易理解的是,在不冲突的前提下,上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本实用新型的实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种机器人的外部保护装置,其特征在于,包括:采集单元、处理单元和保护单元;其中,
所述采集单元,被配置为采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,并采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数;
所述处理单元,被配置为在所述机器人的内部控制系统未能启动设定保护机制的情况下,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号;
所述保护单元,被配置为基于所述保护信号,控制所述机器人的供电电源断电,以控制所述机器人的电机急停,实现对所述机器人的保护。
2.根据权利要求1所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,还包括:
所述处理单元,还被配置为在所述机器人的供电电源断电的情况下,对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,得到第一比较结果;并对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,得到第二比较结果;以及,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平仍为第一设定电平的情况下,继续输出保护信号;在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号;
所述保护单元,被配置为基于继续输出的所述保护信号,维持所述机器人的供电电源断电的状态;基于所述上电信号,控制所述机器人的供电电源恢复上电。
3.根据权利要求1或2所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述采集单元,包括:加速度传感器和振动传感器;其中,
所述采集单元,采集所述机器人的机械臂运动时的速度参数,包括:
所述加速度传感器,被配置为采集所述机器人的机械臂运动时电机的运行加速度,并将所述运行加速度转化为对应的电压值,作为所述机器人的机械臂运动时的速度参数;
所述采集单元,采集所述机器人与物体碰撞时的振动参数,包括:
所述振动传感器,被配置为采集所述机器人的机械臂与物体碰撞时的振动频率,并将所述振动频率转化为对应的电压值,作为所述机器人与物体碰撞时的振动参数。
4.根据权利要求2所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述处理单元,包括:第一放大及触发模块、第二放大及触发模块和信号确定模块;其中,
所述处理单元,对所述速度参数和设定速度参数进行比较处理,以及对下降后的所述速度参数和设定速度参数进行比较处理中,对所述速度参数和设定速度参数的比较处理,包括:
所述第一放大及触发模块,被配置为对所述速度参数进行放大,得到第一放大参数;再将所述第一放大参数与第一设定电压范围进行比较,得到第一比较结果;
所述处理单元,对所述振动参数与设定振动参数进行比较处理,以及,对下降后的所述振动参数与设定振动参数进行比较处理中,对所述振动参数与设定振动参数的比较处理,包括:
所述第二放大及触发模块,被配置为对所述振动参数进行放大,得到第二放大参数;再将所述第二放大参数与第二设定电压范围进行比较,得到第二比较结果;
所述处理单元,在所述第一比较结果和所述第二比较结果中至少有一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出保护信号,包括:
所述信号确定模块,被配置为对所述第一比较结果和所述第二比较结果进行或处理,以在所述第一比较结果和所述第二比较结果中的一个比较结果的电平为第一设定电平的情况下,输出所述第一设定电平的信号,作为所述保护信号;
所述处理单元,在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出上电信号,包括:
所述信号确定模块,被配置为在所述第一比较结果和所述第二比较结果的电平均为第二设定电平的情况下,输出所述第二设定电平的信号,作为所述上电信号。
5.根据权利要求4所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述第一设定电平,包括:高电平;所述第二设定电平,包括:低电平;其中,
在所述第一放大参数大于所述第一设定电压范围的上限的情况下,所述第一比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,若所述第一放大参数下降至小于或等于所述第一设定电压范围的上限、但仍大于所述第一设定电压范围的下限,则所述第一比较结果的电平维持高电平;而在所述第一放大参数小于或等于所述第一设定电压范围的下限的情况下,所述第一比较结果的电平为低电平;
在所述第二放大参数大于所述第二设定电压范围的上限的情况下,所述第二比较结果的电平为高电平;并且,在所述机器人的供电电源断电的情况下,若所述第二放大参数下降至小于或等于所述第二设定电压范围的上限、但仍大于所述第二设定电压范围的下限,则所述第二比较结果的电平维持高电平;而在所述第二放大参数小于或等于所述第二设定电压范围的下限的情况下,所述第二比较结果的电平为低电平。
6.根据权利要求4或5所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述第一放大及触发模块,包括:第一运放模块和第一触发器;
所述第二放大及触发模块,包括:第二运放模块和第二触发器;
所述信号确定模块,包括:或门电路模块。
7.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述保护单元,包括:光耦模块和开关模块;其中,
所述保护单元,控制所述机器人的供电电源断电,包括:
所述光耦模块,被配置为对所述保护信号进行隔离处理,得到触发信号;
所述开关模块,被配置为基于所述触发信号,使自身断开,以使所述机器人控制器的电源板与所述机器人的供电电源断开。
8.根据权利要求7所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述光耦模块,包括:光电耦合器;所述开关模块,包括:常闭继电器或开关管。
9.根据权利要求8所述的机器人的外部保护装置,其特征在于,所述保护单元,还包括:第一限流模块、第二限流模块、滤波模块和续流模块中的至少之一;其中,
所述第一限流模块,被配置为对所述保护信号进行限流处理;
所述第二限流模块,被配置为对所述光耦模块中晶体管侧、以及所述开关模块中的线圈处的直流电源进行限流处理;
所述续流模块,被配置为在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行续流保护;
所述滤波模块,被配置为在所述开关模块为常闭继电器、且所述常闭继电器的常闭触点断开的情况下,进行过压保护。
10.一种机器人,其特征在于,包括:如权利要求1至9中任一项所述的机器人的外部保护装置。
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