TW202220815A - 機器人安全補償重量的系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種機器人安全補償重量的系統及方法，藉由動力學運算推估扭力與偵測的測定扭力的差值形成重量容差，當檢核重量容差超出預設觸發條件時，輸出通報錯誤，將機器人帶至安全狀態，而在重量容差未超出預設觸發條件時，發出重量補償資訊，進行重量補償，以確保補償重量的正確性。

Description

機器人安全補償重量的系統及方法

本發明有關一種機器人，尤其關於機器人在末端重量改變時，對機器人進行安全補償重量的系統及方法。

隨著機器人的技術蓬勃發展，工廠利用機器人，雖可協助作業人員快速進行加工組裝製造作業，提高工廠生產效率，但是機器人能否正常的運作，嚴重影響到協作作業人員的安全，因此各國訂定嚴格的安全標準規範，以維護機器人的作業安全。

為確保機器人與人同時工作的安全，必須侷限碰撞力量，因此碰撞力量偵測為大部分協作機器人具備的主要協作功能。先前技術對碰撞力量的偵測，通常在機器人關節中設置電流感測器推算關節扭力，或在機器人關節裝設扭力感測器直接獲得關節扭力，或在機器人的末端裝設力量及扭力感測器得知末端碰撞力量及扭力，或機器人利用偵測關節的位置資訊，經由動力學運算取得末端的受力量及扭力，以偵測碰撞力量。

雖然先前技術對偵測碰撞力量的關節扭力及末端力量及扭力，根據機器人的姿態、速度、加速度對機器人各本體肢段重量造成的影響，或末端工具例如在於運行自動更換工具對重量造成的影響，或工件包 含握持工件、未握持工件、與取放多種重量不同工件等對重量造成的影響，進行重量補償。由於自動化需求，先前技術於機器人的編程系統中設計工件與工具等重量補償參數，或是工件與工具代號參數，讓使用者在更換工件與工具重量的時機，將參數或條件寫入編程中，進行重量補償，使用者才能獲得正確偵測的碰撞力量，讓使用者因應碰撞力量，訂定安全停機設定值，以確保協作機器人的作業安全。

然而，對於先前技術於機器人的編程系統，非專業的使用者可能會編程錯誤，即使使用者編程正確，而編程後尚須編譯為執行之命令，更形成編程系統與編譯系統存在錯誤風險，造成機器人補償亦存在錯誤的風險。此外，當機器人的程序控制系統出錯時，亦可能於不正確的時機，進行重量補償。這些錯誤都將直接導致機器人力量與扭力停機安全功能失去效果，例如：機器人實際握持很重的工件，安全模組獲得的補償值卻較輕，在機器人朝重力方向運行時，實際撞擊使用者的力量雖超過使用者設置的停機條件，而機器人的控制系統卻無法停機，難以發揮安全功能，無法確保協作機器人的作業安全，嚴重影響到協作作作業人員的安全。因此，機器人在補償重量的系統及方法上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種機器人安全補償重量的系統及方法，藉由機器人的動力學運算取得的推估關節扭力，及偵測取得的測定關節扭力，計算兩者的差值為重量容差，檢核重量容差未超出預設觸發條件時，發出重量補償資訊，而在檢核重量容差超出預設觸發條件時，將機器人帶至安全狀態，以確保正確補償重量。

本發明的另一目的提供一種機器人安全補償重量的系統及方法，當進行重量補償時，計算推估關節扭力與測定關節扭力的差值為關節額外扭力，檢查關節額外扭力超出預設停機條件時，停止重量補償，將機器人帶至安全狀態，檢查關節額外扭力未超出預設停機條件時，再正常重量補償運作，以確保協作安全。

為了達到前述發明的目的，本發明機器人安全補償重量系統，由控制器接收機器人各關節中的致動器的電流感測器及位置感測器的偵測訊號，控制移動機器人，在控制器內設控制單元，接收機器人的重量補償的設定，再利用電氣或通訊介面與控制單元相連通的安全模組，收受控制單元下達的重量補償資訊，連接至安全模組的安全功能單元，控制機器人進入安全狀態，設在安全模組內的檢核重量補償功能模組，藉位置感測器取得機器人關節的位置資訊，及接收安全模組的重量補償資訊，利用動力學運算機器人的推估扭力，及偵測機器人的測定扭力，另由設在安全模組內碰撞感測功能模組，接收檢核重量補償功能模組的重量補償，以檢測機器人的碰撞力量。本發明將機器人重量補償的設定傳輸到控制單元，安全模組收受控制單元下達的重量補償資訊，由檢核重量補償功能模組，計算推估扭力與測定扭力之差值，形成重量容差，當重量容差超過預設觸發條件時，輸出通報為錯誤，拒絕將重量補償資訊發送至碰撞感測功能模組，並由安全模組控制安全狀態單元將機器人帶至安全狀態。而當檢核重量補償功能模組在重量容差未超過預設觸發條件時，將重量補償發送至碰撞感測功能模組。

本發明機器人安全補償重量的方法，開始變更重量補償作業 時，利用動力學運算推估扭力，偵測出測定扭力，計算推估扭力與測定扭力的差值，形成重量容差，當檢查重量容差超過預設的觸發條件時，檢核重量補償錯誤，輸出通報為錯誤，不發送重量補償資訊，將機器人帶至安全狀態。當檢查未超過預設觸發條件時，檢核重量補償正確，發送重量補償資訊，對機器人進行補償重量作業。進行重量補償作業時，利用動力學運算推估扭力，偵測出測定扭力，計算推估扭力與測定扭力之差值，形成額外扭力，當檢查額外扭力超過預設停機條件時，將機器人帶至安全狀態。當檢查額外扭力未超過預設停機條件時，使機器人重量補償運作。

10:機器人安全補償重量系統

11:機器人

12:控制器

13:人機介面

14:工件

15:關節

16:基座

17:末端

18:工具

19:控制單元

20:安全模組

21:致動器

22:電流感測器

23:位置感測器

25:安全狀態單元

26:核重量補償功能模組

27:碰撞感測功能模組

圖1 為本發明機器人安全補償重量系統的示意圖。

圖2 為本發明機器人安全補償重量系統的功能方塊圖。

圖3 為本發明機器人安全補償重量方法的流程圖。

圖4 為本發明另一實施例機器人安全補償重量方法的流程圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉實施例，並配合圖式加以說明如下。

請同時參閱圖1至圖2，圖1為本發明機器人安全補償重量系統的示意圖，圖2為本發明機器人安全補償重量系統的功能方塊圖。圖1中，本發明機器人安全補償重量系統10包含機器人11、控制器12、人機介面13及工件14等。其中機器人11具有多關節15，一端為固定的基座16，另一端為活動的末端17，末端17連結例如夾爪等工具18。機器人11連接至控制器 12，控制器12內含一控制單元19及安全模組20。控制器12藉由控制單元19，利用各關節15中的致動器21的電流感測器22及位置感測器23偵測訊號，控制移動機器人11的末端16，帶動工具18取放工件14。控制器12並連接至人機介面13，用以編輯機器人11程式或操作控制機器人11。

圖2中，本發明機器人安全補償重量系統10中的電流感測器22、位置感測器23及扭力感測器24等，利用電氣或通訊介面與控制器12相連通，將偵測訊號傳輸至控制器12，控制器12內含的控制單元19利用接收的偵測訊號，控制包含機器人11的功能設定、運動控制及程序控制等非安全功能的作業，而重量補償資訊可利用電性或通訊、有線或無線與控制器12相連的人機介面13，編程對機器人11重量補償之設定，設定到控制單元19，或透過電氣訊號、類比輸入通訊指令、例如視覺、力量、人體動作感測等各種感測器等手段設定到控制單元19。控制器12另內含安全模組20，安全模組20利用電氣或通訊介面與控制單元19相連通，安全模組20可收受控制單元19下達的重量補償資訊，重量補償資訊可包含補償負載之質心位置或補償負載之轉動慣量等。

安全模組20連接至安全狀態單元25，安全狀態單元25具有控制機器人11進入安全狀態的功能，機器人11進入安全狀態，有三種類型，零類安全狀態為斷電停機功能：當安全模組20判定機器人11應進入安全狀態時，直接關斷致動器21電力。一類安全狀態為進階斷電停機功能：當安全模組20判定機器人11應進入安全狀態時，對控制器12下達減速命令後，經過固定時間或觀察機器人11減速運動達成後，關斷致動器21電源。二類安全狀態為非斷電停機功能：當安全模組20判定機器人11應進入安全狀態 時，對控制器12下達減速命令後，經過固定時間或觀察機器人減速運動達成後，開啟靜止監控安全功能(Standstill Monitoring)，持續監控位置感測器23，當監控機器人11產生運動，即關斷致動器電源。本發明的機器人11進入安全狀態，可固定為以上任一類型的安全狀態，或藉由不同安全觸發條件執行以上其一類型的安全狀態。

安全模組20中包含檢核重量補償功能模組26及碰撞感測功能模組27。檢核重量補償功能模組26具備機器人的運動學模型，利用關節15裝設之位置感測器23得知機器人11關節15的位置資訊，包含速度資訊及加速度資訊，並自控制單元19取得機器人11重量補償設定，利用動力學運算取得關節15的推估扭力。檢核重量補償功能模組26另利用機器人11的關節15的致動器21的電流感測器22，測得的致動器21電流，計算出關節15的測定扭力。前述機器人11建立的運動學模型運算關節15扭力及由致動器21電流計算出關節15扭力的技術為先前技術，非本發明創新，請參中國專利案CN105643639A相關專利前案。

接著計算關節15的推估扭力與測定扭力之差值，記為重量容差，當重量容差與預設的觸發條件相比，超過預設觸發條件時，顯示重量補償的設定出現明顯的錯誤，輸出通報為錯誤，檢核重量補償功能模組26檢核重量補償錯誤時，拒絕將重量補償資訊發送至碰撞感測功能模組27，並由安全模組20控制安全狀態單元25將機器人11帶至安全狀態。當重量容差與預設的觸發條件相比，未超過預設觸發條件時，檢核重量補償功能模組26檢核重量補償正確時，才將重量補償發送至碰撞感測功能模組27。

安全模組20中的碰撞感測功能模組27具備機器人的運動學 模型，由關節15裝設之位置感測器23得知機器人11關節15的位置資訊，包含速度資訊及加速度資訊，並將自檢核重量補償功能模組26取得機器人11重量補償，利用動力學運算取得關節15的推估扭力。碰撞感測功能模組27另利用機器人11的關節15的致動器21的電流感測器22，測得的致動器21電流，計算出關節15的測定扭力。接著計算關節15的推估扭力與測定扭力之差值，記為關節15的額外扭力，當關節15的額外扭力與預設的停機條件相比，超過預設停機條件時，由安全模組20控制安全狀態單元25將機器人11帶至安全狀態。當關節15的額外扭力與預設的停機條件相比，未超過預設停機條件時，維持機器人11正常運作。

前述重量容差預設的觸發條件、額外扭力預設的停機條件，可為機器人11內建定值，或由使用者經由人機介面13設定，或經由電氣訊號、類比輸入通訊指令與各種感測器設定。另本實施例關節15的測定扭力雖以偵測致動器21電流計算獲得，但亦可於關節15設置扭力感測器直接測得關節15的測定扭力。此外，本實施例雖以關節扭力舉例說明，但本發明包含且不限於本實施例，本發明亦可由各關節扭力計算末端扭力，或由動力學原理對末端空間的換算，經由動力學模型算出末端負載質量的推估扭力，與機器人11的末端17另設置或外部附加扭力感測器，取得末端的測定扭力，以末端的推估扭力與測定扭力的差值，進行檢核末端重量補償的正確性，或可推估負載資訊與負載資訊等。

如圖3所示，為本發明機器人安全補償重量的方法的流程圖。本發明機器人安全補償重量的方法的詳細步驟說明如下：步驟S1，開始變更重量補償作業；步驟S2，利用動力學運算推估扭力；步驟S3，偵測 出測定扭力；步驟S4，接著計算推估扭力與測定扭力之差值為重量容差；步驟S5，檢查重量容差是否超過預設的觸發條件？當檢查未超過預設觸發條件時，則至步驟S6，檢核重量補償正確，發送重量補償資訊，再至步驟S7，對機器人進行補償重量。在步驟S5，當檢查重量容差超過預設的觸發條件時，則至步驟S8，檢核重量補償錯誤，輸出通報為錯誤，再至步驟S9，不發送重量補償資訊，至步驟S10，將機器人帶至安全狀態。

如圖4所示，為本發明另一實施例機器人安全補償重量的方法的流程圖。本實施例機器人安全補償重量的方法為接續前實施例步驟S7，對機器人繼續進行補償重量的作業，本實施例機器人安全補償重量的方法的詳細步驟說明如下：步驟T1，開始進行重量補償作業；步驟T2，利用動力學運算推估扭力；步驟T3，偵測出測定扭力；步驟T4，接著計算推估扭力與測定扭力之差值為額外扭力；步驟T5，檢查額外扭力是否超過預設的停機條件？當檢查額外扭力未超過預設停機條件時，則至步驟T6，使機器人正常重量補償運作，當檢查額外扭力超過預設停機條件時，則至步驟T7，將機器人帶至安全狀態。

因此，本發明機器人安全補償重量的系統及方法，就可藉由機器人的動力學運算取得的推估扭力，及偵測取得的測定扭力，計算兩者的差值為重量容差，當檢核重量容差未超出預設觸發條件時，發出重量補償資訊，進行重量補償，而在檢核重量容差超出預設觸發條件時，輸出通報錯誤，將機器人帶至安全狀態，當本發明進行重量補償時，計算推估扭力與測定扭力的差值為額外扭力，檢查額外扭力超出預設停機條件時，停止重量補償，將機器人帶至安全狀態，檢查額外扭力未超出預設停機條件 時，再正常重量補償運作，達到本發明確保正確補償重量及協作安全的目的。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

10:機器人安全補償重量系統

11:機器人

12:控制器

13:人機介面

14:工件

15:關節

16:基座

17:末端

18:工具

19:控制單元

20:安全模組

21:致動器

22:電流感測器

23:位置感測器

Claims (11)

1. 一種機器人安全補償重量系統，包含：

   控制器，接收機器人各關節中的致動器的電流感測器及位置感測器的偵測訊號，控制移動機器人；

   控制單元，設在控制器內，接收機器人的重量補償的設定；

   安全模組，利用電氣或通訊介面與控制單元相連通，收受控制單元下達的重量補償資訊；

   安全功能單元，連接至安全模組，控制機器人進入安全狀態；

   檢核重量補償功能模組，設在安全模組內，藉位置感測器取得機器人關節的位置資訊，及接收安全模組的重量補償資訊，利用動力學運算機器人的推估扭力，及偵測機器人的測定扭力；

   碰撞感測功能模組，設在安全模組內，接收檢核重量補償功能模組的重量補償，以檢測機器人的碰撞力量；

   其中，將機器人重量補償的設定傳輸到控制單元，安全模組收受控制單元下達的重量補償資訊，由檢核重量補償功能模組，計算推估扭力與測定扭力之差值，形成重量容差，當重量容差超過預設觸發條件時，輸出通報為錯誤，拒絕將重量補償資訊發送至碰撞感測功能模組，並由安全模組控制安全狀態單元將機器人帶至安全狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人安全補償重量系統，其中該檢核重量補償功能模組在重量容差未超過預設觸發條件時，將重量補償發送至碰撞感測功能模組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人安全補償重量系統，其中該控制單 元利用電性或通訊、有線或無線與控制器相連人機介面，或透過電氣訊號、類比輸入通訊指令，設定機器人的重量補償。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器人安全補償重量系統，其中該安全模組至少包含以下一種安全狀態類型，零類安全狀態為斷電停機功能，進入安全狀態時，直接關斷該致動器電力，一類安全狀態為進階斷電停機功能，進入安全狀態時，對該控制器下達減速命令後，經過固定時間該機器人減速運動達成後，關斷該致動器電源，二類安全狀態為非斷電停機功能，進入安全狀態時，對該控制器下達減速命令後，經過固定時間該機器人減速運動達成後，開啟靜止監控安全功能，持續監控該位置感測器，當監控該機器人產生運動，即關斷該致動器電源。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器人安全補償重量系統，其中該檢核重量補償功能模組利用的電流感測器測得的致動器電流，計算機器人的測定扭力。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器人安全補償重量系統，其中該檢核重量補償功能模組取得的推估扭力及測定扭力為機器人關節的扭力。
7. 一種機器人安全補償重量的方法，其步驟包含：

   開始變更重量補償作業；

   利用動力學運算推估扭力；

   偵測出測定扭力；

   計算推估扭力與測定扭力的差值，形成重量容差；

   當檢查重量容差超過預設的觸發條件時，檢核重量補償錯誤，輸出通報為錯誤，不發送重量補償資訊，將機器人帶至安全狀態。
8. 如申請專利範圍第7項所述之機器人安全補償重量的方法，其中當檢查未超過預設觸發條件時，檢核重量補償正確，發送重量補償資訊，對機器人進行補償重量作業。
9. 如申請專利範圍第8項所述之機器人安全補償重量的方法，其中進行重量補償作業，其步驟包含：

   利用動力學運算推估扭力；

   偵測出測定扭力；

   計算推估扭力與測定扭力之差值，形成額外扭力；

   當檢查額外扭力超過預設停機條件時，將機器人帶至安全狀態。
10. 如申請專利範圍第9項所述之機器人安全補償重量的方法，其中檢查額外扭力未超過預設停機條件時，使機器人重量補償運作。
11. 如申請專利範圍第10項所述之機器人安全補償重量的方法，其中該推估扭力及測定扭力為機器人關節的扭力。

Images