WO2017113220A1 - 工业机器人及其故障判断方法 - Google Patents

Abstract

工业机器人（1）及其故障判断方法，其中工业机器人（1）包括多个轴关节电机（11）、电机驱动器（12）以及上位机（13），上位机（13）与电机驱动器（12）通过总线连接，通过电机驱动器（12）实时采集工业机器人（1）在工作状态时的工作参数发送至上位机（13），由上位机（13）实时对比该工作参数与预设的工业机器人（1）无故障工作阈值数据库的参数，通过判断工作参数与预设的工业机器人（1）无故障工作阈值数据库的参数之间的误差是否超出预设的偏差阈值范围，进而确定工业机器人（1）是否工作异常。工业机器人（1）无需要增加额外的传感器，也可实时检测出机器人（1）是否工作异常，缩减了检测的开支，并且机器人（1）遇到故障时可自行停止避免造成更大的损失。

Description

工业机器人及其故障判断方法

【技术领域】

本发明涉及工业机器人控制技术领域，特别是涉及一种工业机器人及其故障判断方法。

【背景技术】

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人，是一种自动执行工作的机器装置，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器，工业机器人的应用已日趋广泛，因此工作机器人的安全问题也越来越受到重视。除了增设外围防护栏等主动安全外，工业机器人在执行指令信号的过程中，往往会碰到意外的情况，如在机床内取工件的时候由于其他原因导致工作被卡住，这时机器人需要判断工件被卡住并停下取件的动作，以防止机器人被损坏或造成较大的损失。

现有技术中，通常的做法是在机器人的机械臂各轴上增设传感器，根据应用场合的不同使用有力传感器或振动传感器，然而现有技术的传感器的数目量较多，并且需要添加外部的检测设备，使得机器人的布线复杂，成本较高。或者是直接通过驱动器的报警功能，但是该功能必须在长时间超过机器人最大的额定扭矩或电流时，或者短时超过3倍电流时才能够进行报警反馈，对于额定电流范围内的运行无法进行报警。

【发明内容】

本发明提供一种工业机器人及其故障判断方法，可实时检测出工业机器人是否工作异常，并且无需增加额外传感器设备，降低产品检测成本。

本发明的一方面提供一种工业机器人，其包括多个轴关节电机、电机驱动器以及上位机，电机驱动器分别与多个轴关节电机电连接，用于控制多个轴关节电机转动，上位机与电机驱动器通过总线连接，电机驱动器，实时采集工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第二工作参数，并通过总线分别发送至上位机；

上位机，实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数和第二工作参数，当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定工业机器人工作异常。

其中，电机驱动器还用于在工业机器人无故障工作时分别采集工业机器人于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第一工作参数，并通过总线分别发送至上位机；

上位机对第一工作参数进行记录，根据多次采集的第一工作参数建立工业机器人无故障工作阈值数据库。

其中，上位机确定工业机器人工作异常后，报警以提示工作人员出现故障，并控制工业机器人停止工作。

其中，第二工作参数包括工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的力矩、速度及加速度。

其中，第一工作参数包括工业机器人在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机的力矩、速度以及加速。

本发明的另一方面提供一种基于工业机器人的故障判断方法，该工业机器人包括多个轴关节电机、电机驱动器以及上位机，电机驱动器分别与多个轴关节电机电连接，用于控制多个轴关节电机转动，上位机与电机驱动器通过总线连接，方法包括：

电机驱动器实时采集工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第二工作参数，并通过总线分别发送至上位机；

上位机实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数和第二工作参数，当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定工业机器人工作异常。

其中，方法还包括：电机驱动器在工业机器人无故障工作时分别采集工业机器人于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第一工作参数，并通过总线分别发送至上位机；

上位机对第一工作参数进行记录，根据多次采集的第一工作参数建立工业机器人无故障工作阈值数据库。

其中，方法还包括：上位机确定工业机器人工作异常后，报警以提示工作人员出现故障，并控制工业机器人停止工作。

其中，电机驱动器实时采集工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第二工作参数包括：

采集工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的力矩、速度以及加速度。

其中，电机驱动器在工业机器人无故障工作时分别采集工业机器人于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第一工作参数包括：

采集工业机器人在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机的力矩、速度以及加速度。

通过上述方案，本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明的工业机器人通过电机驱动器实时采集工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的工作参数，并进一步通过上位机实时比对该工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数，从而检测出工业机器人是否工作异常，并且在工业机器人工作异常时，报警提示工作人员出现故障，其检测并不需要增加额外的传感器设备，缩减了检测的开支，并且避免机器人发生意外碰撞减少损失。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明工业机器人的结构示意图；

图2是本发明基于工业机器人的故障判断方法的流程示意图。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的工业机器人能对重复运行的程序进行自学习，然后运行时能够通过运行轨迹中各轴的电流判断是否出现异常，其是通过驱动器自身的反馈电流来进行学习和判断异常情况，这些异常情况包括机器人的机械臂撞上了其他物体、机械臂的长期运行后的齿轮磨损造成的运行时摩擦阻力增大、安装的负载松动掉落或增加了负载、系统的运行参数（如速度、加速度）的改变等等，本发明的工业机器人能够对上述情况进行检测并报警，并且无需增加额外的传感器，缩减检测的开支。

请参看图1，图1是本发明的工业机器人的结构示意图。如图1所示，本发明的工业机器人1包括多个轴关节电机11、电机驱动器12及上位机13，电机驱动器12分别与多个轴关节电机11电连接，用于控制多个轴关节电机11转动，电机驱动器12的数量可以设置一个或多个，图1中的电机驱动器12的数量为一个，分别与轴关节电机11连接，电机驱动器12可以根据不同的运动指令控制对应的轴关节电机11的转动；上位机13与电机驱动器12通过总线连接，总线为RTEX总线或MIII总线，其中，RTEX总线是一种采用实时以太网总线的技术，其可对编码器分辨率、伺服温度、惯量比等至少三十余种参数进行监控，可同时切换速度、位置、扭矩模式，可做复杂轨迹运算，其接线方式简单，可高速连接各种装置，不必配置针对不同驱动器的脉冲、模拟量、IO接口板等，避免接口类型太多带来的系统兼容性和稳定性的问题；而MIII总线是单向地址、双向数据、半双工通信总线，MIII总线的接口逻辑信号与电信号之间的逻辑关系是：逻辑“1”对应逻辑高电平;逻辑“0”对应逻辑高电平，MIII总线接口信号线根据功能可分为三组，包括数据通信总线、地址通信总线和信号控制总线。

其中，常见的工业机器人1的轴关节电机11的数量为6个，称为六轴关节机器人，其六个电机驱动器12直接通过谐波减速器、同步带轮等驱动六个关节轴电机11的旋转，关节的电机驱动器12为空心结构，机器人1的各种控制管线从电机驱动器12的中心通过，以使得轴关节电机11无论怎么旋转，管线都不会随着旋转，或者即使管线旋转，由于管线布置在旋转轴线上，使得管线旋转具有最小的旋转半径，从而使得这种空心结构的电机驱动器12可以解决工业机器人1的管线布局问题。在其他实施例中，轴关节电机11的数量可以为多个，并根据不同的轴关节电机11的数量设置多个不同的电机驱动器12以控制多个轴关节电机11的转动。

在本实施例中，工业机器人1可在无故障工作时分别采集工作机器人1于不同位置及姿态下对应的多个轴关节电机11的第一工作参数，并通过总线将第一工作参数发送至上位机13，上位机13对第一工作参数进行记录，根据多次采集的第一工作参数建立工业机器人无故障工作阈值数据库，这里工业机器人无故障工作阈值数据库可在工业机器人1出厂时预先设置并存储在工业机器人1中。

并且，工业机器人1具备自学习功能。工业机器人1在出厂后的使用过程中，将工业机器人1在正常工作时，通过电机驱动器12采集多个轴关节电机11在各位置下的力矩、速度及加速度等参数，将采集的若干组机器人1无故障工作的数据进行处理，并在各个关键位置点建立期望力矩值，并预设3δ置信区间，从而确定数据的波动范围，建立一组基于程序和程序内各位置点的标准数据文件，并以运行过程中的数据文件覆盖预设的工业机器人无故障工作阈值数据库中的数据，以使数据库中的数据可得到相应的调整。其中置信区间指由样本统计量构造总体参数的估计区间，3δ指对估计区间进行计算处理得到标准偏差，并按一定概率确定一个区间，若超过这个区间的误差，就属于粗大误差，将粗大误差的数据予以剔除。

其中，第一工作参数包括工业机器人1在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度等数据，第一工作参数通过总线分别发送至上位机13。

工业机器人1在出厂后的运行过程中，电机驱动器12实时的采集工业机器人1在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的第二工作参数，并通过总线将第二工作参数发送至上位机13，其中，第二工作参数包括工业机器人1在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度及加速度等数据。

上位机13实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库中的参数与第二工作参数，当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定工业机器人1工作异常，其中，预设的偏差阈值范围也是预先设定并保存于工业机器人1中。此外，当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差在预设的偏差阈值范围时，默认工业机器人1正常工作。

并且，在检测出工业机器人1工作异常后，进行报警以提示工作人员出现故障，并控制工业机器人1停止工作。

本实施例以采用RTEX总线进行说明，采用RTEX总线连接电机驱动器12和上位机13，以大幅度减少配线，提高机器人1系统的稳定性，降低维护成本。上位机13对工业机器人1在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度进行记录，这里多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度作为第一工作参数，上位机13通过总线RTEX将多次采集的第一工作参数建立成工业机器人无故障工作阈值数据库并保存于机器人1中，工业机器人无故障工作阈值数据库为一套标准的速度和力矩的标准数据文件。

工业机器人1在工作过程中，电机驱动器12实时采集工业机器人1在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的第二工作参数，并通过1总线RTEX分别发送至上位机13，第二工作参数包括工业机器人1在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度等数据。

上位机13实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数和第二工作参数，当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定工业机器人1工作异常。即工业机器人1在之后循环的运行时，实时检测各个位置及姿态下的力矩、速度等信息，与标准文件进行比较，如果出现碰撞或是力矩突然增大或减小等异常情况，通过给定偏差的阈值范围，来判断确定工业机器人1是否工作异常，是否需要报警停机。在上位机13确定工业机器人1工作异常后，进行报警以提示工作人员出现故障，并控制工业机器人1停止工作，以避免工业机器人1继续工作造成更大的损坏。

综上，本发明的工业机器人1无需增加额外的传感器设备也能实时检测出工业机器人1当前的工作状态是否出现异常，缩减了检测的成本，并且能够在机器人1异常工作后，进行报警以提示工作人员出现故障，并控制机器人1停止工作以避免造成更大的损坏。此外，机器人1具有自学习功能，可通过自学习功能反复建立新的标准数据文件，当系统参数如速度或加速度改变导致位置数据的力矩改变时，可通过学习功能获得新的标准数据文件，文件与程序相对应，从而使得标准的数据文件可以不断得到更新，进一步加强机器人1的检测工作。

结合图1，请进一步参看图2，图2是本发明基于工业机器人的故障判断方法的流程示意图。如图2所示，本实施例的工业机器人的故障判断方法是基于图1中的工业机器人1进行阐述的，该方法包括：

S11：电机驱动器在工业机器人无故障工作时分别采集工业机器人于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第一工作参数，并通过总线分别发送至上位机。

电机驱动器12采集工业机器人1在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度等数据作为第一工作参数，并将第一工作参数通过总线分别发送至上位机13，总线包括但不限于为RTEX总线或MIII总线。

S12：上位机对第一工作参数进行记录，根据多次采集的第一工作参数建立工业机器人无故障工作阈值数据库。

将采集的工业机器人1在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度等数据作为第一工作参数。上位机13对采集的多个第一工作参数进行记录，建立成工业机器人无故障工作阈值数据库，并将该工业机器人无故障工作阈值数据库存储于工业机器人1中作为一组标准数据文件。

其中，工业机器人无故障工作阈值数据库的数据可在工业机器人1出厂前预先采集并存储于机器人1中，以该无故障工作阈值数据库的数据作为标准数据文件。此外，该工业机器人1还可以具有自学习功能，如工业机器人1在出厂后，在循环运行的过程中，在判断出机器人1处于正常工作状态下，还将正常工作状态的工作参数记录并保存于工业机器人无故障工作阈值数据库中，以更新或代替原有的工业机器人无故障工作阈值数据库中的数据，以使数据库中的数据可动态调整。

S13：电机驱动器实时采集工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机的第二工作参数，并通过总线分别发送至上位机。

工业机器人1循环运行进行作业，电机驱动器12实时采集工业机器人1在工作状态中于当前位置和姿态下对应的多个轴关节电机11的第二工作参数，该第二工作参数包括采集工业机器人1在工作状态中于当前姿态下对应的多个轴关节电机11的力矩、速度以及加速度等数据。由于上位机13与电机驱动器12通过总线连接，因此，上位机13可通过总线获取电机驱动器12实时采集的机器人1在工作时的各个轴关节电机11的力矩、速度、加速度等数据。

S14：上位机实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数和第二工作参数，判断第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差是否超出预设的偏差阈值范围。

其中，上位机13预设有一偏差阈值范围，上位机13实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数与第二工作参数，判断第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差是否超出预设的偏差阈值范围，若是，则进入步骤S15；若否，则进入步骤S16。

S15：工业机器人工作异常。

当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定工业机器人1工作异常。

S16：工业机器人工作正常。

当第二工作参数与预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差在预设的偏差阈值范围时，则工业机器人1工作正常。

S17：报警提示工作人员工业机器人出现故障，并控制工业机器人停止工作。

在判断出工业机器人1工作异常后，进行报警以提示工作人员机器人1出现故障，并控制工业机器人1停止工作，以避免造成更大的损坏。

在其他实施例中，工业机器人1还可以根据重复运动发生碰撞的情况对运行指令的参数进行修改，以使机器人1在执行运行指令时不发生碰撞或减小碰撞力度，其可以设置预警阈值和边界阈值，当第二工作参数小于等于预警阈值时，则机器人1继续执行当前的运动指令正常工作；当第二工作参数大于边界阈值时，则意味着机器人1即将发生碰撞，需要对当前运行指令的参数进行修改，并将修改后的参数发送到电机驱动器2以使机器人1减低电机的转速，避免碰撞；当第二工作参数大于预警阈值并小于边界阈值时，则意味着机器人1已经发生碰撞或发生故障，则需要修改运行指令的参数使机器人1停止运行，并发生报警提示工作人员进行查看。

综上所述，本发明的工业机器人1的电机驱动器12实时采集机器人1在工作状态中于当前位置及姿态下对应的多个轴关节电机11的工作参数并通过总线发送至上位机13，通过上位机13实时比对工作参数和预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数，由工作参数和预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数的比较确定工业机器人1是否工作异常，其检测过程无需增设额外的传感器设备，节省硬件成本，并在机器人1运行过程中遇到故障或阻碍时通过报警并自行停止，可以避免造成更大的伤害或财产损失。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1. 一种工业机器人，包括多个轴关节电机、电机驱动器以及上位机，所述电机驱动器分别与所述多个轴关节电机电连接，用于控制所述多个轴关节电机转动，所述上位机与所述电机驱动器通过总线连接，其特征在于，

   所述电机驱动器，实时采集所述工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的第二工作参数，并通过所述总线分别发送至所述上位机；

   所述上位机，实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数和所述第二工作参数，当所述第二工作参数与所述预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定所述工业机器人工作异常。
2. 根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述电机驱动器还用于在所述工业机器人无故障工作时分别采集所述工业机器人于不同位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的第一工作参数，并通过所述总线分别发送至所述上位机；

   所述上位机对所述第一工作参数进行记录，根据多次采集的所述第一工作参数建立所述工业机器人无故障工作阈值数据库。
3. 根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述上位机确定所述工业机器人工作异常后，报警以提示工作人员出现故障，并控制所述工业机器人停止工作。
4. 根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述第二工作参数包括所述工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的力矩、速度及加速度。
5. 根据权利要求2所述的工业机器人，其特征在于，所述第一工作参数包括所述工业机器人在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的力矩、速度以及加速度。
6. 一种基于工业机器人的故障判断方法，所述工业机器人包括多个轴关节电机、电机驱动器以及上位机，所述电机驱动器分别与所述多个轴关节电机电连接，用于控制所述多个轴关节电机转动，所述上位机与所述电机驱动器通过总线连接，其特征在于，所述方法包括：

   所述电机驱动器实时采集所述工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的第二工作参数，并通过所述总线分别发送至所述上位机；

   所述上位机实时比对预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数和所述第二工作参数，当所述第二工作参数与所述预设的工业机器人无故障工作阈值数据库的参数之间的误差超出预设的偏差阈值范围时，则确定所述工业机器人工作异常。
7. 根据权利要求6所述的故障判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

   所述电机驱动器在所述工业机器人无故障工作时分别采集所述工业机器人于不同位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的第一工作参数，并通过所述总线分别发送至所述上位机；

   所述上位机对所述第一工作参数进行记录，根据多次采集的所述第一工作参数建立所述工业机器人无故障工作阈值数据库。
8. 根据权利要求6所述的故障判断方法，其特征在于，所述方法还包括：

   所述上位机确定所述工业机器人工作异常后，报警以提示工作人员出现故障，并控制所述工业机器人停止工作。
9. 根据权利要求6所述的故障判断方法，其特征在于，所述电机驱动器实时采集所述工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的第二工作参数包括：

   采集所述工业机器人在工作状态中于当前位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的力矩、速度以及加速度。
10. 根据权利要求7所述的故障判断方法，其特征在于，所述电机驱动器在所述工业机器人无故障工作时分别采集所述工业机器人于不同位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的第一工作参数包括：

    采集所述工业机器人在无故障工作时于不同位置和姿态下对应的所述多个轴关节电机的力矩、速度以及加速度。