一种机械臂的掉电制动系统、控制方法和机器人与流程

本发明涉及电机控制，尤其涉及一种机械臂的掉电制动系统、控制方法和机器人。

背景技术：

1、随着工业自动化、协作机器人及桌面级机械臂的快速普及，多关节机械臂在断电或系统失电工况下的安全控制，已成为影响设备可靠性、人员安全及设备寿命的关键技术问题。

2、机械臂在正常工作时，各关节由电机提供力矩以维持姿态。当发生突发掉电、电源故障或驱动器异常时，电机瞬间失去供电与力矩输出，关节在重力与负载力矩作用下会继续旋转，出现自由下坠、快速滑落或无控摆动，极易造成机械臂本体碰撞、末端负载损坏、周边设备受损，甚至引发人身伤害事故。因此，需要在机械臂掉电时，保持对电机的控制，在有限空间内、不增加硬件、不依赖外部电源的前提下实现可控缓降。然而，现有技术对机械臂掉电时的电机控制效果差。

技术实现思路

1、本发明提供了一种机械臂的掉电制动系统、控制方法和机器人，以解决对机械臂掉电时的电机控制效果差的问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种机械臂的掉电制动系统，包括：

3、电源检测电路，连接于机械臂的电源，用于检测所述机械臂的电源供电电压，输出检测信号；

4、电机驱动电路和电机，所述电机驱动电路连接至电源，还与所述电机和所述电源检测电路连接；所述电机驱动电路用于根据所述检测信号判断电源的供电状态，并当所述电源处于掉电状态时进入pwm短接制动模式，输出pwm驱动信号，控制所述电机以预设占空比进行短接制动；

5、所述电机驱动电路还用于在pwm驱动信号的关断区间接收所述电机回馈的电能并储存，且以储存的电能维持所述电机驱动电路在掉电状态下持续输出pwm驱动信号，直至所述机械臂停止运动。

6、可选地，所述电机驱动电路包括：

7、微控制器，与所述电源检测电路连接，用于根据所述检测信号判断电源的供电状态，并当所述电源处于掉电状态时，输出主动短路信号；

8、驱动模块，与所述电机的三相绕组连接，还与所述微控制器连接，所述驱动模块用于根据所述主动短路信号按照所述预设占空比执行脉冲宽度调制，使电机的三相绕组构成短路闭合回路并产生制动转矩，所述电机以与所述预设占空比所对应的减速度进行降速。

9、可选地，所述驱动模块包括；

10、驱动电路，与所述微控制器连接，用于根据所述主动短路信号生成所述pwm驱动信号；

11、三相逆变电路，与所述驱动电路连接，还与所述电机的三相绕组连接，所述三相逆变电路内置有多个开关器件；所述驱动电路用于通过所述pwm驱动信号驱动所述三相逆变电路中的所述开关器件按照所述预设占空比周期性导通，使所述电机的三相绕组以预设占空比进行短接。

12、可选地，所述三相逆变电路包括：

13、第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂并联连接，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂的输出端分别与所述电机的三相绕组对应连接；所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂均包括：上桥臂和下桥臂；

14、所述三相逆变电路用于根据所述pwm驱动信号驱动各个上桥臂中的开关器件关断，各个下桥臂的开关器件以所述预设占空比交替导通与关断；或者，根据所述pwm驱动信号驱动各个下桥臂中的开关器件关断，各个上桥臂的开关器件以所述预设占空比交替导通与关断。

15、可选地，所述三相逆变电路还包括：

16、母线电容，与所述第一桥臂并联连接，还与所述微控制器连接，所述母线电容用于在所述pwm驱动信号的关断区间接收所述电机回馈的电能并储存，且以储存的电能向所述微控制器持续供电，所述微控制器以最小系统运行。

17、可选地，所述电源检测电路包括：第一电阻和第二电阻；

18、所述第一电阻的第一端与所述机械臂的电源连接，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端接地；所述第一电阻的第二端还与所述微控制器连接；所述检测信号为所述第二电阻的电压；

19、所述微控制器用于根据所述检测信号计算电源电压，并根据设定电压阈值判断所述电源的供电状态。

20、根据本发明的另一方面，提供了一种机械臂的掉电制动控制方法，应用于本发明任意实施例所述的机械臂的掉电制动系统，所述机械臂的掉电制动控制方法包括：

21、检测电源的供电状态；

22、当所述电源处于掉电状态时，进入pwm短接制动模式，控制机械臂的电机以预设占空比进行短接制动，同时存储电机回馈的电能；

23、所述机械臂的电机通过所述预设占空比所对应的减速度进行降速。

24、可选地，所述当所述电源处于掉电状态时，进入pwm短接制动模式，控制机械臂的电机以预设占空比进行短接制动，同时存储电机回馈的电能包括：

25、按照所述预设占空比执行脉冲宽度调制，使电机的三相绕组构成短路闭合回路并产生制动转矩。

26、可选地，所述检测电源的供电状态包括：

27、将电源检测电路连接至电源的供电端，并获取所述电源检测电路的检测信号；

28、根据所述检测信号计算电源电压，当所述电源电压小于设定电压阈值时，所述电源处于掉电状态。

29、可选地，在所述检测电源的供电状态之后，还包括：

30、当所述电源处于掉电状态时，控制机械臂中的不同电机以不同的预设占空比进行主动短路；

31、所述机械臂的不同电机通过不同的所述预设占空比所对应的减速度进行降速。

32、根据本发明的另一方面，提供了一种机器人，包括：本发明任意实施例所述的机械臂的掉电制动系统。

33、本发明实施例所提供的技术方案针对机械臂掉电后重力坠落的特殊安全问题，通过检测电源的供电状态，可在电源处于掉电状态，机械臂失去外界的电源供应时，依然可以通过微控制器保持对机械臂的控制。在整个控制过程中，无需增设新的备用电池或超级电容，不改变原有的电路结构即可实现制动功能，特别适用于关节内部空间受限的协作机器人、人形机器人等场景，且通过预设占空比实现了对减速度的精确控制，降低了对电机降速时的冲击震荡，避免急停造成的结构冲击和负载飞脱，同时无需占用额外的关节空间和硬件成本。本发明全程采用开环控制策略，利用机械臂关节在重力负载作用下继续下降，拖动电机被迫旋转，将机械能转化为电能维持自身制动控制，完全摆脱对外部电源的依赖，具有较低的能耗，提高了微控制器在失去电源供电时对机械臂缓降速度的控制效果。

34、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

1.一种机械臂的掉电制动系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的机械臂的掉电制动系统，其特征在于，所述电机驱动电路包括：

3.根据权利要求2所述的机械臂的掉电制动系统，其特征在于，所述驱动模块包括；

4.根据权利要求3所述的机械臂的掉电制动系统，其特征在于，所述三相逆变电路包括：

5.根据权利要求4所述的机械臂的掉电制动系统，其特征在于，所述三相逆变电路还包括：

6.根据权利要求2所述的机械臂的掉电制动系统，其特征在于，所述电源检测电路包括：第一电阻和第二电阻；

7.一种机械臂的掉电制动控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的机械臂的掉电制动系统，所述机械臂的掉电制动控制方法包括：

8.根据权利要求7所述的机械臂的掉电制动控制方法，其特征在于，所述当所述电源处于掉电状态时，进入pwm短接制动模式，控制机械臂的电机以预设占空比进行短接制动，同时存储电机回馈的电能包括：

9.根据权利要求7所述的机械臂的掉电制动控制方法，其特征在于，所述检测电源的供电状态包括：

10.根据权利要求7所述的机械臂的掉电制动控制方法，其特征在于，在所述检测电源的供电状态之后，还包括：

11.一种机器人，其特征在于，包括：权利要求1-6中任一项所述的机械臂的掉电制动系统。