WO2020147078A1 - 机器人碰撞检测系统和方法及包括该系统的机器人 - Google Patents

机器人碰撞检测系统和方法及包括该系统的机器人 Download PDF

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WO2020147078A1
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collision detection
main controller
coprocessor
joint torque
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王璐
王凯
仇文庆
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西门子股份公司
西门子（中国）有限公司
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37624—Detect collision, blocking by measuring change of velocity or torque

Definitions

  • the present disclosure generally relates to the field of automation technology, and more specifically, to a robot collision detection system and method, and a robot including the system.
  • Collision detection is an important function of collaborative robots. But the collision detection algorithm is very time-consuming and consumes the resources of the robot controller. Therefore, the controller must meet the requirements of real-time and powerful computing capabilities.
  • the collision detection function is usually added to the main controller.
  • the collision detection algorithm runs together with other motion controls, and they share common computing resources in the main controller.
  • the usual solution is to upgrade the hardware of the controller, that is, increase memory and upgrade CPU.
  • a robot collision detection system including: a main controller that controls the motion trajectory of the robot; at least one joint torque sensor that detects the joint torque of the robot; A collision detection coprocessor, the collision detection coprocessor performs collision detection of the robot based at least on the joint torque data detected by the joint torque sensor, and sends the collision detection result to the main controller.
  • the robot collision detection system can use coprocessor resources for additional algorithms and features, so that the computing power of the controller is no longer limited to a single processor; moreover, when additional functions are added, it can be New functions are implemented on the processor, so that the hardware and software architecture of the robot main controller can remain unchanged; in addition, it is easier to add the features of a collaborative robot to the robot main controller by means of modular coprocessor hardware. Add new features to the controller; and the modular main controller and coprocessor architecture are cheaper than a single powerful processor.
  • the robot collision detection system further includes a motor.
  • the main controller re-plans the robot's motion trajectory, and the motor is based on the re-planned The motion trajectory of the robot controls the motion of the robot.
  • the robot's motion trajectory can be controlled and changed according to the collision detection result of the robot collision detection system to prevent collisions.
  • the main controller includes: a server interface unit, and the main controller receives the collision detection result from the collision detection coprocessor through the server interface unit; and a shared Memory, the shared memory is used to store and exchange data; a robot control core, the robot control core is configured to calculate the kinematics results of the robot based on a pre-planned robot trajectory, and provide the kinematics results to the The collision detection coprocessor, and the collision detection result is obtained from the collision detection coprocessor, and the motion trajectory of the robot is re-planned when a collision is detected; and a position loop controller, the The position loop controller processes the re-planned movement trajectory of the robot, and provides the processing result to the motor.
  • the kinematics results include: the position, velocity and acceleration of each joint of the robot.
  • the collision detection coprocessor includes: a calculation unit, the calculation unit runs the collision detection algorithm stored therein, according to the motion received from the main controller The result of learning is used to calculate the reference value of the joint torque data of the robot, and the joint torque data detected by the joint torque sensor is compared with the reference value to obtain the collision detection result; and a client interface unit, the collision The detection coprocessor receives the kinematics result from the main controller via the client interface unit and sends the collision detection result to the main controller.
  • the collision detection coprocessor and the joint torque sensor are connected by a bus.
  • the collision detection coprocessor can be easily integrated without changing the structure of the main controller.
  • a robot including the robot collision detection system described above.
  • the robot according to the present disclosure has powerful real-time computing capabilities, so that real-time collision detection can be performed.
  • a robot collision detection method including: a joint torque sensor detects the joint torque of the robot; and the collision detection coprocessor performs robot detection based on at least the joint torque data detected by the joint torque sensor. Collision detection, and the collision detection result is sent to the main controller.
  • the robot collision detection system can use coprocessor resources for additional algorithms and features, so that the computing power of the controller is no longer limited to a single processor; moreover, when additional functions are added, it can be New functions are implemented on the processor, so that the hardware and software architecture of the robot main controller can remain unchanged; in addition, it is easier to add the features of a collaborative robot to the robot main controller by means of modular coprocessor hardware. Add new features to the controller; and the modular main controller and coprocessor architecture are cheaper than a single powerful processor.
  • the robot collision detection method further includes: in the case of detecting a collision, the main controller re-plans the robot's motion trajectory, and the motor is based on the re-planned The motion trajectory of the robot controls the motion of the robot.
  • the robot's motion trajectory can be controlled and changed according to the collision detection result of the robot collision detection system to prevent collisions.
  • the collision detection coprocessor performs collision detection of the robot based on at least the joint torque data detected by the joint torque sensor, and sending the collision detection result to the main controller includes: said The robot control core in the main controller calculates the kinematics results of the robot based on the pre-planned robot trajectory, and provides the kinematics results to the collision detection coprocessor; the calculation unit of the collision detection coprocessor runs The collision detection algorithm calculates the reference value of the joint torque data of the robot according to the kinematics result received from the main controller, and compares the joint torque data detected by the joint torque sensor with the reference value , To obtain a collision detection result; and the collision detection coprocessor sends the collision detection result to the main controller via its client interface unit.
  • the kinematics results include: the position, velocity and acceleration of each joint of the robot.
  • the main controller re-planning the robot's motion trajectory in the case of detecting a collision includes: the main controller receives from the collision detection protocol through its server interface unit. The collision detection result of the processor; the robot control kernel in the main controller re-plans the robot's motion trajectory when a collision is detected; and the position loop controller of the main controller re-plans all the re-planned The motion trajectory of the robot is processed, and the processing result is provided to the motor.
  • the joint torque sensor and the collision detection coprocessor are connected by a bus.
  • the collision detection coprocessor can be easily integrated without changing the structure of the main controller.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an exemplary configuration of a robot collision detection system according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a block diagram showing an exemplary configuration of the main controller in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a block diagram showing an exemplary configuration of the collision detection coprocessor in FIG. 1;
  • FIG. 4 is a system block diagram showing a specific configuration of a robot collision detection system according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a robot including a robot collision detection system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an exemplary process of a robot collision detection method according to an embodiment of the present disclosure.
  • Robot collision detection system 102 Main controller
  • Electric motor 1022 Server interface unit
  • Client interface unit 50 Robot
  • the term “including” and its variations represent open terms, meaning “including but not limited to.”
  • the term “based on” means “based at least in part on.”
  • the terms “one embodiment” and “one embodiment” mean “at least one embodiment”.
  • the term “another embodiment” means “at least one other embodiment.”
  • the terms “first”, “second”, etc. may refer to different or the same objects. The following may include other definitions, whether explicit or implicit. Unless the context clearly indicates otherwise, the definition of a term is consistent throughout the specification.
  • the present disclosure provides a solution that can solve at least one problem existing in the collision detection system of the robot.
  • the present disclosure proposes a robot collision detection system.
  • the system has an external coprocessor for collision detection.
  • the system has powerful computing capabilities and is not limited to a single processor.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary configuration of a robot collision detection system 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the robot collision detection system 100 includes a main controller 102, at least one joint torque sensor 104 and a collision detection coprocessor 106.
  • the main controller 102 is used to control the movement trajectory of the robot.
  • the joint torque sensor 104 is used to detect the joint torque of the robot.
  • the joint torque sensor 104 may be installed in each joint of the robot.
  • the collision detection coprocessor 106 receives the joint torque data detected by the joint torque sensor 104 to perform collision detection of the robot, and sends the collision detection result to the main controller 102.
  • the collision detection coprocessor 106 and the joint torque sensor 104 may be connected by a bus, such as a Profinet bus.
  • the robot collision detection system 100 may further include: a motor 108.
  • the main controller 102 can re-plan the movement trajectory of the robot when the collision detection result is that the collision is detected.
  • the motor 108 may control the movement of the robot based on the re-planned movement trajectory of the robot.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an exemplary configuration of the main controller 102 in FIG. 1.
  • the main controller 102 may include: a server interface unit 1022, a shared memory 1024, a robot control core 1026, and a position loop controller 1028.
  • the server interface unit 1022 and the shared memory 1024 are on the Windows operating system side of the main controller 102 (the left side of the box 102 in FIG. 4), and the robot control kernel 1026 and the position loop controller 1028 are on the real-time kernel operating system side ( The right side of box 102 in Figure 4).
  • Windows is an embedded version, which is similar to the common Windows operating system; the real-time kernel operating system is invisible to users, and can run PLC (programmable logic controller) programs to control the robot in real time. Data and messages can be transmitted in real time to prevent message blocking.
  • PLC programmable logic controller
  • the server interface unit 1022 may use OPC (Object Linking and Embedding for Process Control) Unified Architecture (OPC (Object Linking and Embedding for Process Control) Unified Architecture) protocol to implement the communication between the main controller 102 and the collision detection coprocessor 106.
  • OPC Object Linking and Embedding for Process Control
  • Unified Architecture Object Linking and Embedding for Process Control
  • the main controller 102 may receive the collision detection result from the collision detection coprocessor 106 through the server interface unit 1022; the shared memory 1024 is used to store and exchange data; the robot control core 1026 is configured To calculate the kinematics result of the robot based on the pre-planned robot trajectory, and provide the kinematics result to the collision detection coprocessor 106, and obtain the collision detection result from the collision detection coprocessor 106, and When a collision is detected, the motion trajectory of the robot is re-planned; the position loop controller 1028 processes the re-planned motion trajectory of the robot, and provides the processing result to the motor 108.
  • the kinematics result may include: the position, speed, acceleration, etc. of each joint of the robot.
  • the robot control core 1026 can calculate the reference values of the positions, speeds, accelerations, etc. of each joint of the robot based on the pre-planned robot trajectory for use in collision detection.
  • the collision detection coprocessor 106 may be an external module external to the main controller 102.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an exemplary configuration of the collision detection coprocessor 106 in FIG. 1.
  • the collision detection coprocessor 106 includes a calculation unit 1062 and a client interface unit 1064.
  • the calculation unit 1062 can run the collision detection algorithm stored therein, and can calculate the joint torque data of the robot according to the kinematic results received from the main controller 102, such as the position, speed and acceleration of each joint of the robot.
  • the joint torque data detected by the joint torque sensor 104 is compared with the calculated reference value to obtain the collision detection result. For example, if the difference between the detected joint torque data and the reference value is greater than a predetermined threshold, it may indicate that a collision has occurred.
  • the collision detection algorithm used here can be any algorithm known to those skilled in the art, and is not limited to a specific algorithm, and can understand the specific process of using the collision detection algorithm to obtain the collision detection result. This will not be repeated here.
  • the client interface unit 1064 is configured to enable the collision detection coprocessor 106 to communicate with the main controller 102 via the client interface unit 1064 using OPC UA protocol.
  • the collision detection coprocessor 106 may send the collision detection result to the main controller 102 via the client interface unit 1064, and may also receive the kinematics calculated by the robot control core 1026 from the main controller 102. result.
  • FIG. 4 is a system block diagram showing a specific configuration of the robot collision detection system 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the collision detection coprocessor 106 is an external module outside the main controller 102 of the robot.
  • the collision detection coprocessor 106 is connected to the joint torque sensor 104 in each joint of the robot through a bus 105.
  • the joint torque sensor 104 can sense the joint torque of the robot, and the joint torque data detected by the joint torque sensor 104 can be provided to the collision detection coprocessor 106 through the bus 105.
  • the robot control core 1026 in the main controller 102 calculates the kinematic results of the robot based on the pre-planned robot trajectory, such as the position, speed and acceleration of each joint of the robot, and exchanges data through the shared memory 1024, and then through the server
  • the interface unit 1022 provides the kinematics result to the collision detection coprocessor 106.
  • the calculation unit 1062 in the collision detection coprocessor 106 calculates the reference value of the joint torque data of the robot according to the received kinematics result, and compares the joint torque data detected from the joint torque sensor 104 with the calculated reference value to Get the collision detection result.
  • the collision detection coprocessor 106 sends the collision detection result to the main controller 102 via the client interface unit 1064/server interface unit 1022.
  • the robot control core 1026 may re-plan the motion trajectory of the robot based on the collision detection result.
  • the position loop controller 1028 processes the re-planned motion trajectory of the robot, and provides the processing result to the motor 108, and the motor 108 controls the robot based on the re-planned motion trajectory of the robot. movement.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a robot 50 including a robot collision detection system according to an embodiment of the present disclosure.
  • an external collision detection coprocessor may be added to the main controller of the robot that provides basic robot functions.
  • the external collision detection coprocessor can be easily integrated with the main controller through, for example, the Profinet bus, without changing the structure of the main controller.
  • the robot according to the present disclosure has powerful real-time computing capabilities, so that real-time collision detection can be performed.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an exemplary process of a robot collision detection method 600 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the collision detection coprocessor performs collision detection of the robot based at least on the joint torque data detected by the joint torque sensor, and sends the collision detection result to the main controller.
  • the robot collision detection method 600 may further include the operation in block S606: in the case of detecting a collision, the main controller re-plans the movement trajectory of the robot, and the motor is based on the re-planned movement of the robot The trajectory controls the movement of the robot.
  • the joint torque sensor and the collision detection coprocessor may be connected by a bus, such as a Profinet bus.
  • the operation in block S604 may include:
  • the robot control kernel in the main controller calculates the kinematics result of the robot based on the pre-planned robot trajectory, and provides the kinematics result to the collision detection coprocessor;
  • the calculation unit of the collision detection coprocessor runs the collision detection algorithm, and calculates the reference value of the joint torque data of the robot according to the kinematics result received from the main controller, and will be detected by the joint torque sensor Compare the joint torque data of with the reference value to obtain the collision detection result;
  • the collision detection coprocessor sends the collision detection result to the main controller via its client interface unit.
  • the kinematics result may include: the position, speed and acceleration of each joint of the robot.
  • operations in block S606 may include:
  • the main controller receives the collision detection result from the collision detection coprocessor through its server interface unit;
  • the robot control core of the main controller re-plans the motion trajectory of the robot when the obtained collision detection result is that a collision is detected;
  • the position loop controller of the main controller processes the re-planned movement trajectory of the robot, and provides the processing result to the motor.
  • coprocessor resources are used for additional algorithms and features, so that the computing power of the controller is no longer limited to a single processor; moreover, when additional functions are added , New functions can be implemented on the coprocessor, so that the hardware and software architecture of the robot main controller can remain unchanged; in addition, the features of collaborative robots can be added to the robot main controller by means of modular coprocessor hardware , Making it easier to add new features to the controller; and the modular main controller and coprocessor architecture are lower than a single powerful processing cost.

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Abstract

一种机器人碰撞检测系统（100）和方法及包括该系统的机器人（50）。机器人碰撞检测系统（100），包括：一个主控制器（102），主控制器（102）控制机器人（50）的运动轨迹；至少一个关节力矩传感器（104），关节力矩传感器（104）检测机器人（50）的关节力矩；以及一个碰撞检测协处理器（106），碰撞检测协处理器（106）至少基于关节力矩传感器（104）检测到的关节力矩数据进行机器人（50）的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送至主控制器（102），降低了成本。

Description

机器人碰撞检测系统和方法及包括该系统的机器人 技术领域
本公开通常涉及自动化技术领域，更具体地，涉及机器人碰撞检测系统和方法及包括该系统的机器人。
背景技术
碰撞检测是协作式机器人的一个重要功能。但是碰撞检测算法非常耗时，并且消耗机器人控制器的资源。因此，控制器必须满足实时和强大的计算能力的要求。
目前，通常给主控制器增加碰撞检测功能。碰撞检测算法与其他运动控制一起运行，它们共享主控制器中的公共计算资源。当发现控制器的能力不够支持碰撞检测和运动控制时，通常的解决方案是升级控制器的硬件，即，增加内存、升级CPU。
例如，以在使用具有四核处理器的主板的机柜中实现碰撞检测功能威力，当发现处理器的能力不够支持碰撞检测或其他复杂算法时，将使用更强大的处理器来代替。以这样的方式，控制器的能力受限于单个处理器的计算能力。
发明内容
在下文中给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
根据本公开的一个方面，提供一种机器人碰撞检测系统，包括：一个主控制器，所述主控制器控制机器人的运动轨迹；至少一个关节力矩传感器，所述关节力矩传感器检测机器人的关节力矩；一个碰撞检测协处理器， 所述碰撞检测协处理器至少基于所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送至所述主控制器。
以这样的方式，机器人碰撞检测系统可以使用协处理器资源来用于附加的算法和特征，使得控制器的计算能力不再受限于单个处理器；而且，在增加附加功能时，可以在协处理器上实现新的功能，使得机器人主控制器的硬件和软件架构可以保持不变；此外，以模块化协处理器硬件的方式向机器人主控制器中添加协作式机器人的特征，使得更容易给控制器添加新的特征；而且模块化的主控制器和协处理器架构相比单个强大的处理成本更低。
优选地，在上述方面的一个示例中，所述机器人碰撞检测系统还包括电动机，在检测到碰撞的情况下，所述主控制器重新规划所述机器人的运动轨迹，所述电动机基于重新规划的所述机器人的运动轨迹来控制所述机器人的运动。
以这样的方式，可以根据机器人碰撞检测系统的碰撞检测结果来控制和改变机器人的运动轨迹，以防止发生碰撞。
优选地，在上述方面的一个示例中，所述主控制器包括：一个服务器接口单元，所述主控制器通过所述服务器接口单元接收来自所述碰撞检测协处理器的碰撞检测结果；一个共享存储器，所述共享存储器用于存储和交换数据；一个机器人控制内核，所述机器人控制内核被配置为基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，并将所述运动学结果提供给所述碰撞检测协处理器，以及从所述碰撞检测协处理器获得所述碰撞检测结果，并且在检测到碰撞的情况下重新规划所述机器人的运动轨迹；以及一个位置环路控制器，所述位置环路控制器对重新规划的所述机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机。
其中，所述运动学结果包括：机器人的每个关节的位置、速度和加速度。
以这样的方式，实现了主控制器与碰撞检测协处理器的通信，并且可以根据机器人碰撞检测系统的碰撞检测结果来控制和改变机器人的运动轨迹，以防止发生碰撞。
优选地，在上述方面的一个示例中，所述碰撞检测协处理器包括：一 个计算单元，所述计算单元运行存储在其中的碰撞检测算法，根据从所述主控制器接收到的所述运动学结果来计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据与所述参考值进行比较，以得到碰撞检测结果；以及一个客户端接口单元，所述碰撞检测协处理器经由所述客户端接口单元从所述主控制器接收所述运动学结果以及将所述碰撞检测结果发送至所述主控制器。
以这样的方式，通过采用外部协处理器，可以使用其全部资源来运行碰撞检测算法，而无需考虑为机器人的其它特征保留资源。
优选地，在上述方面的一个示例中，所述碰撞检测协处理器与所述关节力矩传感器之间通过总线连接。
以这样的方式，可以容易地集成碰撞检测协处理器，而无需改变主控制器的结构。
根据本公开的另一方面，提供一种机器人，包括根据以上所述的机器人碰撞检测系统。
根据本公开的机器人，具有强大的实时计算能力，从而可以进行实时碰撞检测。
根据本公开的又一方面，提供一种机器人碰撞检测方法，包括：关节力矩传感器检测机器人的关节力矩；以及碰撞检测协处理器至少基于由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送给主控制器。
以这样的方式，机器人碰撞检测系统可以使用协处理器资源来用于附加的算法和特征，使得控制器的计算能力不再受限于单个处理器；而且，在增加附加功能时，可以在协处理器上实现新的功能，使得机器人主控制器的硬件和软件架构可以保持不变；此外，以模块化协处理器硬件的方式向机器人主控制器中添加协作式机器人的特征，使得更容易给控制器添加新的特征；而且模块化的主控制器和协处理器架构相比单个强大的处理成本更低。
优选地，在上述方面的一个示例中，所述的机器人碰撞检测方法还包括：在检测到碰撞的情况下，所述主控制器重新规划所述机器人的运动轨迹，电动机基于重新规划的所述机器人的运动轨迹控制所述机器人的运动。
以这样的方式，可以根据机器人碰撞检测系统的碰撞检测结果来控制和改变机器人的运动轨迹，以防止发生碰撞。
优选地，在上述方面的一个示例中，碰撞检测协处理器至少基于由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送给主控制器包括：所述主控制器中的机器人控制内核基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，并将所述运动学结果提供给所述碰撞检测协处理器；所述碰撞检测协处理器的计算单元运行碰撞检测算法，根据从所述主控制器接收到的所述运动学结果来计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据与所述参考值进行比较，以得到碰撞检测结果；以及所述碰撞检测协处理器经由其客户端接口单元将所述碰撞检测结果发送至所述主控制器。
其中，所述运动学结果包括：机器人的每个关节的位置、速度和加速度。
以这样的方式，通过采用外部协处理器，可以使用其全部资源来运行碰撞检测算法，而无需考虑为机器人的其它特征保留资源。
优选地，在上述方面的一个示例中，在检测到碰撞的情况下所述主控制器重新规划所述机器人的运动轨迹包括：所述主控制器通过其服务器接口单元接收来自所述碰撞检测协处理器的碰撞检测结果；所述主控制器中的机器人控制内核在检测到碰撞的情况下重新规划所述机器人的运动轨迹；以及所述主控制器的位置环路控制器对重新规划的所述机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机。
以这样的方式，实现了主控制器与碰撞检测协处理器的通信，并且可以根据机器人碰撞检测系统的碰撞检测结果来控制和改变机器人的运动轨迹，以防止发生碰撞。
优选地，在上述方面的一个示例中，所述关节力矩传感器与所述碰撞检测协处理器之间通过总线连接。
以这样的方式，可以容易地集成碰撞检测协处理器，而无需改变主控制器的结构。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
图1是示出根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测系统的示例性配置的框图；
图2是示出图1中的主控制器的一种示例性配置的框图；
图3是示出图1中的碰撞检测协处理器的一种示例性配置的框图；
图4是示出根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测系统的具体配置的系统框图；
图5是示出包括根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测系统的机器人的示意图；以及
图6是示出根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测方法的示例性过程的流程图。
附图标记
100：机器人碰撞检测系统         102：主控制器
104：至少一个关节力矩传感器     106：碰撞检测协处理器
108：电动机                     1022：服务器接口单元
1024：共享存储器                1026：机器人控制内核
1028：位置环路控制器            1062：计算单元
1064：客户端接口单元            50：机器人
600：机器人碰撞检测方法         S602、S604、S606：步骤
具体实施方式
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限 制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
传统的机器人的碰撞检测方法非常耗时并且消耗大量计算资源。本公开提供了一种可以解决机器人的碰撞检测系统中存在的至少一个问题的解决方案。
本公开提出了一种机器人碰撞检测系统，该系统具有一个外部协处理器来用于碰撞检测，该系统具有强大的计算能力，而不受限于单个处理器。
现在结合附图来描述根据本公开的实施例的机器人碰撞检测系统。
图1示出了根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测系统100的示例性配置的框图。
如图1所示，机器人碰撞检测系统100包括一个主控制器102、至少一个关节力矩传感器104和一个碰撞检测协处理器106。
主控制器102用于控制机器人的运动轨迹。
关节力矩传感器104用于检测机器人的关节力矩。关节力矩传感器104可以安装在机器人的各个关节中。
碰撞检测协处理器106从关节力矩传感器104接收其检测到的关节力矩数据，以进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送至主控制器102。
其中，所述碰撞检测协处理器106与所述关节力矩传感器104之间可以通过总线连接，例如Profinet总线。
优选地，机器人碰撞检测系统100还可以包括：电动机108。主控制器102在碰撞检测结果是检测到碰撞的情况下，可以重新规划机器人的运动轨 迹。，电动机108可以基于重新规划的所述机器人的运动轨迹来控制所述机器人的运动。
图2是示出图1中的主控制器102的一种示例性配置的框图。
如图2所示，所述主控制器102可以包括：一个服务器接口单元1022、一个共享存储器1024、一个机器人控制内核1026和一个位置环路控制器1028。
其中，服务器接口单元1022和共享存储器1024在主控制器102中的Windows操作系统侧(图4中方框102的左侧)，机器人控制内核1026和位置环路控制器1028在实时内核操作系统侧(图4中方框102的右侧)。其中，Windows为嵌入式版本，与常见的Windows操作系统类似；实时内核操作系统为用户不可见，可以运行例如PLC(可编程逻辑控制器)程序，来对机器人进行实时控制，在实时内核操作系统中数据与消息可实时传输，防止消息阻塞。
服务器接口单元1022可以采用OPC UA(OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)Unified Architecture，用于过程控制的对象链接和嵌入统一架构)协议实现主控制器102与碰撞检测协处理器106的通信。本领域技术人员可以理解，OPC UA是一种工业4.0标准化通信协议，在此不再赘述。
具体地，所述主控制器102可以通过服务器接口单元1022接收来自所述碰撞检测协处理器106的碰撞检测结果；所述共享存储器1024用于存储和交换数据；所述机器人控制内核1026被配置为基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，并将运动学结果提供给所述碰撞检测协处理器106，以及从所述碰撞检测协处理器106获得所述碰撞检测结果，并在检测到碰撞的情况下重新规划机器人的运动轨迹；位置环路控制器1028对重新规划的机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机108。
优选地，运动学结果可以包括：机器人各关节的位置、速度、加速度等。也就是说，机器人控制内核1026可以基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人各个关节的位置、速度、加速度等的参考值，以供碰撞检测所使 用。
碰撞检测协处理器106可以是主控制器102外部的一个外部模块。图3是示出图1中的碰撞检测协处理器106的一种示例性配置的框图。
如图3所示，碰撞检测协处理器106包括一个计算单元1062和一个客户端接口单元1064。
其中，计算单元1062可以运行存储在其中的碰撞检测算法，根据从所述主控制器102接收到的运动学结果，例如机器人的每个关节的位置、速度和加速度，可以计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将由所述关节力矩传感器104检测到的关节力矩数据与计算的参考值进行比较，以得到碰撞检测结果。例如，如果检测到的关节力矩数据与参考值之间的差大于预定阈值，则可以说明发生了碰撞。
本领域技术人员可以理解，这里所采用的碰撞检测算法可以是本领域技术人员所已知的任意算法，而不限于特定算法，并且可以理解利用碰撞检测算法来得到碰撞检测结果的具体过程，在此不再赘述。
客户端接口单元1064用于使所述碰撞检测协处理器106经由所述客户端接口单元1064采用OPC UA协议与所述主控制器102进行通信。
具体地，碰撞检测协处理器106可以经由客户端接口单元1064将碰撞检测结果发送至所述主控制器102，并且还可以从所述主控制器102接收所述机器人控制内核1026计算的运动学结果。
图4是示出根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测系统100的具体配置的系统框图。
从图4可以看到，碰撞检测协处理器106是机器人的主控制器102外部的一个外部模块。碰撞检测协处理器106与机器人的每一个关节中的关节力矩传感器104通过总线105连接。
关节力矩传感器104可以感测机器人的关节力矩，通过总线105，可以将关节力矩传感器104检测到的关节力矩数据提供给碰撞检测协处理器106。
主控制器102中的机器人控制内核1026基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，例如机器人的每个关节的位置、速度和加速度等，并通过共享存储器1024进行数据交换，再通过服务器接口单元1022 将运动学结果提供给碰撞检测协处理器106。
碰撞检测协处理器106中的计算单元1062根据接收到的运动学结果计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将来自关节力矩传感器104检测到的关节力矩数据与计算的参考值进行比较，来得到碰撞检测结果。
碰撞检测协处理器106将碰撞检测结果经由客户端接口单元1064/服务器接口单元1022，发送至主控制器102。
在碰撞检测结果是检测到碰撞的情况下，机器人控制内核1026可以基于所述碰撞检测结果重新规划所述机器人的运动轨迹。
最后，由位置环路控制器1028对重新规划的所述机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机108，由电动机108基于重新规划的所述机器人的运动轨迹来控制机器人的运动。
图5示出了包括根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测系统的机器人50的示意图。
根据本公开一个实施例的机器人，可以在提供基本机器人功能的机器人的主控制器的基础上，增加一个外部的碰撞检测协处理器。该外部的碰撞检测协处理器可以通过例如Profinet总线容易地与主控制器集成，而无需改变主控制器的结构。根据本公开的机器人，具有强大的实时计算能力，从而可以进行实时碰撞检测。
图6是示出根据本公开的一个实施例的机器人碰撞检测方法600的示例性过程的流程图。
在图6中，首先在方框S602中，由关节力矩传感器检测机器人的关节力矩。
在方框S604中，碰撞检测协处理器至少基于由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送给主控制器。
优选地，机器人碰撞检测方法600还可以包括方框S606中的操作：在检测到碰撞的情况下，所述主控制器重新规划所述机器人的运动轨迹，电动机基于重新规划的所述机器人的运动轨迹控制所述机器人的运动。
其中，所述关节力矩传感器与所述碰撞检测协处理器之间可以通过总线连接，例如Profinet总线。
其中，方框S604中的操作可以包括：
所述主控制器中的机器人控制内核基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，并将所述运动学结果提供给所述碰撞检测协处理器；
所述碰撞检测协处理器的计算单元运行碰撞检测算法，根据从所述主控制器接收到的所述运动学结果来计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据与所述参考值进行比较，以得到碰撞检测结果；以及
所述碰撞检测协处理器经由其客户端接口单元将所述碰撞检测结果发送至所述主控制器。
其中，所述运动学结果可以包括：机器人的每个关节的位置、速度和加速度等。
其中，方框S606中的操作可以包括：
所述主控制器通过其服务器接口单元接收来自所述碰撞检测协处理器的碰撞检测结果；
所述主控制器的机器人控制内核在获得的碰撞检测结果是检测到碰撞的情况下重新规划所述机器人的运动轨迹；以及
所述主控制器的位置环路控制器对重新规划的所述机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机。
根据本公开的实施例的机器人碰撞检测系统和方法，使用协处理器资源来用于附加的算法和特征，使得控制器的计算能力不再受限于单个处理器；而且，在增加附加功能时，可以在协处理器上实现新的功能，从而机器人主控制器的硬件和软件架构可以保持不变；此外，以模块化协处理器硬件的方式向机器人主控制器中添加协作式机器人的特征，使得更容易给控制器添加新的特征；而且模块化的主控制器和协处理器架构相比单个强大的处理成本更低。
上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明 书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (13)

  1. 机器人碰撞检测系统(100)，包括：
    一个主控制器(102)，所述主控制器(102)控制机器人的运动轨迹；
    至少一个关节力矩传感器(104)，所述关节力矩传感器(104)检测机器人的关节力矩；以及
    一个碰撞检测协处理器(106)，所述碰撞检测协处理器(106)至少基于所述关节力矩传感器(104)检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送至所述主控制器(102)。
  2. 如权利要求1所述的机器人碰撞检测系统(100)，还包括：电动机(108)，其中，在检测到碰撞的情况下，所述主控制器(102)重新规划所述机器人的运动轨迹，所述电动机(108)基于重新规划的所述机器人的运动轨迹来控制所述机器人的运动。
  3. 如权利要求2所述的机器人碰撞检测系统(100)，其中，所述主控制器(102)包括：
    一个服务器接口单元(1022)，所述主控制器(102)通过所述服务器接口单元(1022)接收来自所述碰撞检测协处理器(106)的碰撞检测结果；
    一个共享存储器(1024)，所述共享存储器(1024)用于存储和交换数据；
    一个机器人控制内核(1026)，所述机器人控制内核(1026)被配置为基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，并将所述运动学结果提供给所述碰撞检测协处理器(106)，以及从所述碰撞检测协处理器(106)获得所述碰撞检测结果，并且在检测到碰撞的情况下重新规划所述机器人的运动轨迹；以及
    一个位置环路控制器(1028)，所述位置环路控制器(1028)对重新规划的所述机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机(108)。
  4. 如权利要求3所述的机器人碰撞检测系统(100)，其中，所述运动学结果包括：机器人的每个关节的位置、速度和加速度。
  5. 如权利要求3所述的机器人碰撞检测系统(100)，其中，所述碰撞检测协处理器(106)包括：
    一个计算单元(1062)，所述计算单元(1062)运行存储在其中的碰撞检测算法，根据从所述主控制器(102)接收到的所述运动学结果来计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将由所述关节力矩传感器(104)检测到的关节力矩数据与所述参考值进行比较，以得到碰撞检测结果；以及
    一个客户端接口单元(1064)，所述碰撞检测协处理器(106)经由所述客户端接口单元(1064)从所述主控制器(102)接收所述运动学结果以及将所述碰撞检测结果发送至所述主控制器(102)。
  6. 如权利要求1所述的机器人碰撞检测系统(100)，其中，
    所述碰撞检测协处理器(106)与所述关节力矩传感器(104)之间通过总线连接。
  7. 机器人(50)，包括根据权利要求1-6中任意一项所述的机器人碰撞检测系统(100)。
  8. 机器人碰撞检测方法，包括：
    关节力矩传感器检测机器人的关节力矩；以及
    碰撞检测协处理器至少基于由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送给主控制器。
  9. 如权利要求8所述的机器人碰撞检测方法，所述方法还包括：在检测到碰撞的情况下，所述主控制器重新规划所述机器人的运动轨迹，电动机基于重新规划的所述机器人的运动轨迹控制所述机器人的运动。
  10. 如权利要求9所述的机器人碰撞检测方法，其中，碰撞检测协处 理器至少基于由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据进行机器人的碰撞检测，并将碰撞检测结果发送给主控制器包括：
    所述主控制器中的机器人控制内核基于预先规划的机器人轨迹来计算机器人的运动学结果，并将所述运动学结果提供给所述碰撞检测协处理器；
    所述碰撞检测协处理器的计算单元运行碰撞检测算法，根据从所述主控制器接收到的所述运动学结果来计算机器人的关节力矩数据的参考值，并将由所述关节力矩传感器检测到的关节力矩数据与所述参考值进行比较，以得到碰撞检测结果；以及
    所述碰撞检测协处理器经由其客户端接口单元将所述碰撞检测结果发送至所述主控制器。
  11. 如权利要求10所述的机器人碰撞检测方法，其中，所述运动学结果包括：机器人的每个关节的位置、速度和加速度。
  12. 如权利要求10所述的机器人碰撞检测方法，其中，在检测到碰撞的情况下，所述主控制器重新规划所述机器人的运动轨迹包括：
    所述主控制器通过其服务器接口单元接收来自所述碰撞检测协处理器的碰撞检测结果；
    所述主控制器中的机器人控制内核在检测到碰撞的情况下重新规划所述机器人的运动轨迹；以及
    所述主控制器的位置环路控制器对重新规划的所述机器人的运动轨迹进行处理，并将处理结果提供给所述电动机。
  13. 如权利要求8所述的机器人碰撞检测方法，其中，
    所述关节力矩传感器与所述碰撞检测协处理器之间通过总线连接。
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