一种新颖的确保机器人速度和动量边界限制的安全系统的制作方法

1.本发明涉及一种工业机器人领域，特别是涉及一种工业机器人。


背景技术：

2.随着社会的发展，机器人开始广泛应用于多个领域，例如家用机器人、工业机器人、服务机器人等。工业机器人是主要面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人，工业机器人包括传统的工业机器人以及协作机器人，协作机器人作为工业机器人中的轻型机器人，能够与人协作高效的完成工作，可以高精度和高效率的完成危险环境的工作，因此受到越来越多用户的青睐。
3.协作机器人在工作中，需要与人类近距离互动合作，为了更好的实现人机协作，同时能够保障使用者的人身安全，协作机器人的安全性能是一项核心指标。常规的协作机器人具有安全检测系统，例如通过不正常力矩对碰撞障碍物的检测，通过电容传感器对人体接近协作机器人的检测，但这些检测本身精度有限，可靠度不足。
4.因此，有必要设计一种安全性检测可靠性较好的工业机器人。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明的目的在于提供一种可靠性好的工业机器人。
6.本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人，包括：底座；机械臂，一端连接于底座，另一端为工具端，所述机械臂包括多个机械臂部分以及连接相邻机械臂部分的关节，所述关节包括底座关节、肘部关节；安全控制系统，其特征在于，所述安全控制系统包括：设置模块，用于设置所述工业机器人的安全边界，所述安全边界用于限制所述机器人安全运行的工作范围；检测模块，用于检测所述工业机器人的关节速度；控制模块，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块用于根据所述关节速度获取目标位置的第一工作参数，比较所述第一工作参数超过安全边界时，控制所述工业机器人减速或停机；所述第二控制模块用于通过与第一控制模块不同的方法根据所述关节速度获取目标位置的第二工作参数，比较所述第二工作参数超过安全边界时，控制所述工业机器人减速或停机。
7.进一步的，所述安全边界包括安全肘部速度，所述目标位置包括机器人肘部位置，所述第一工作参数包括第一肘部速度，所述第二工作参数包括第二肘部速度。
8.进一步的，所述安全边界包括安全工具速度，所述目标位置包括机器人工具端，所述第一工作参数包括第一工具速度，所述第二工作参数包括第二工具速度。
9.进一步的，所述安全边界包括机器人安全动量，所述目标位置包括机器人整机，所述第一工作参数包括第一动量，所述第二工作参数包括第二动量。
10.进一步的，所述安全边界包括安全肘部速度、安全工具速度、机器人安全动量，所述第一工作参数包括第一肘部速度、第一工具速度、第一动量，所述第二工作参数包括第二肘部速度、第二工具速度、第二动量。
11.进一步的，所述第一控制模块通过位置正解后差分的方法获取目标位置的第一工作参数，所述第二控制模块通过速度微分的方法获取目标位置的第二工作参数。
12.进一步的，所述第一控制模块通过位置正解后差分的方法，结合机器人的动量模型获取目标位置的第一工作参数；所述第二控制模块通过速度微分的方法，结合机器人的动量模型获取目标位置的第二工作参数。
13.进一步的，所述检测模块包括第一检测模块和第二检测模块，所述第一检测模块和第二检测模块分别用于检测关节速度，所述检测模块包括电机编码器、霍尔传感器、速度/加速度传感器、六维力/力矩传感器中的一种或两种，其中，所述第一检测模块和第二检测模块至少其一包括电机编码器。
14.进一步的，所述控制模块实时的比较所述第一工作参数、第二工作参数接近安全边界时，通过改变所述工业机器人的运动速度来塑造机器人的运动轨迹，使得所述第一工作参数、第二工作参数不超过所述安全边界。
15.与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：通过第一控制模块和第二控制模块，独立获取、独立判断工作参数的安全性，使得安全性判断的可靠性较好。
附图说明
16.以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：
17.图1是本发明的一个实施例的工业机器人的示意图
18.图2是本发明的一个实施例的安全控制系统的模块示意图
19.图3是本发明的一个实施例的工业机器人的工作流程图
20.图4是本发明的又一实施例的工业机器人的工作流程图
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例而不是全部的实施例。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。
22.本发明保护一种工业机器人，参图1，图1的实施例给出了本发明一个实施例的工业机器人的示意图，更具体的，图1中的工业机器人为六轴协作机器人。所述工业机器人包括：底座110，用于支撑所述工业机器人，以及用于将所述工业机器人安装至预定的工作位置；机械臂，所述机械臂包括若干个机械臂部分121，以及连接相邻机械臂部分121的关节130，所述机械臂一端连接于底座110，另一端为工具端，用于连接工具，所述工具200可在机械臂的控制下执行具体工作，机械臂的各机械臂部分121能够在关节130的作用下发生转动以使得机械臂能够具有不同的工作姿态。所述工业机器人的关节130包括多个关节130，以六轴协作机器人为例，所述机器人的关节130包括底座关节132、肘部关节131，所述底座关节132为该协作机器人的第一关节，肘部关节131为该协作机器人的第三关节，该协作机器人还包括其他关节，例如肩部关节、手腕关节等，对于协作机器人而言，肘部关节131连接协作机器人的较长俩机械臂部分121，因此肘部的速度较为关键。所述机械臂还包括，末端法兰，用于连接工具200，所述协作机器人可以通过末端法兰连接多种不同的工具，以执行各
种具体的工作。例如，所述末端法兰可以通过连接夹具、真空吸盘来实现抓取、码垛等功能。所述工业机器人100包括安全控制系统，参图2，所述安全控制系统300包括：设置模块310，用于设置所述工业机器人100的安全边界，所述安全边界用于限制所述机器人安全运行的工作范围，进一步的，所述设置模块310用于获取所述工业机器人100外部设备的输入以设定所述工业机器人100的安全边界，例如，所述外部设备包括机器人示教器、移动电话、个人便携设备等；检测模块320，用于检测所述工业机器人100的关节速度，进一步的，所述工业机器人100通常具有多个关节130，所述检测模块320用于检测所述工业机器人100多个关节中的部分关节的关节速度，或者，所述检测模块320用于检测所述工业机器人100多个关节中全部关节的关节速度；控制模块330，所述控制模块330包括第一控制模块331和第二控制模块332，所述第一控制模块331用于根据所述关节速度获取目标位置的第一工作参数，比较所述第一工作参数超过安全边界时，控制所述工业机器人100减速或停机，以及，所述第二控制模块332用于通过与所述第一控制模块331不同的方法根据所述关节速度获取目标位置的第二工作参数，比较所述第二工作参数超过安全边界时，控制所述工业机器人100减速或停机。其中，所述第一控制模块331和第二控制模块332形成为彼此独立的工作部件，例如，两者可以形成为独立的硬件，或者形成独立的软硬件组合的工作部件，例如，所述第一控制模块331和所述第二控制模块332可以形成为两个逻辑处理单元，所述第一控制模块331和所述第二控制模块332独立工作，以避免所述第一控制模块331和所述第二控制模块的相互干扰，所述第一控制模块331和第二控制模块332均用于根据关节速度获取必要的工作参数，即分别通过关节速度获取目标位置的第一工作参数和第二工作参数，所述第一控制模块331和所述第二控制模块332基于相同的关节速度获取工作参数，例如，以六轴协作机器人为例，所述第一控制模块331和第二控制模块332均基于第一关节和第二关节的速度获取肘部速度的工作参数。所述安全边界限定了机器人安全运行的工作范围，当所述机器人在安全边界以内工作时，安全性能够得到保障，而当机器人超出该安全边界时，则可能存在安全性的风险，安全边界可能包括多种参数，例如肘部速度、工具速度、动量等，安全边界的各种参数表征机器人能够保持安全运行的最大参数，即所述工业机器人100的各项相关参数不得超出该安全边界，即不得超出最大参数的限制，以保证机器人工作的安全性。在本发明中，所述第一控制模块331和所述第二控制模块332分别根据所述关节速度获取第一工作参数和第二工作参数，并且第二控制模块332适用与第一控制模块331不同的方法获取第二工作参数，第一控制模块331和第二控制模块332均可根据判断结果满足判断条件而控制所述机器人减速或停机。通过第一控制模块331和第二控制模块332两者独立工作，避免在仅有一控制模块工作且出现误判时引起的安全风险，同时两者独立工作互不干扰，保证了彼此工作的可靠性。同时，第一控制模块331和第二控制模块332在获取工作参数时，采用了不同的获取方法，进一步避免了在使用单一获取方法时，该方法执行错误引起的安全性风险。并且，所述第一控制模块331和第二控制模块332可分别基于自身的判断结果控制所述工业机器人100减速或停机，进一步保证了该工业机器人100的安全性。即，本发明所提供的工业机器人，其安全控制系统300包括两个不同的控制模块330，使用不同的计算逻辑，并能够各自单独控制工业机器人减速或停机，从各角度保证了机器人对安全性判断的可靠性，因此该工业机器人的安全性判断可靠性较高。
23.图3示出了本发明一个实施例的工业机器人100工作流程的示意图。当机器人开始
运行后，设置所述工业机器人100的安全边界，随后检测工业机器人关节的关节速度，之后，第一控制模块331和第二控制模块332并行工作，所述第一控制模块331获取第一工作参数，所述第二控制模块332通过与第一控制模块331不同的方法获取第二工作参数，随后，第一控制模块331和第二控制模块332并行进行判断，所述第一控制模块331判断其获取的第一工作参数是否超过安全边界，所述第二控制模块332判断其获取的第二工作参数是否超过安全边界，所述第一控制模块331判断第一工作参数超过安全边界时，控制所述工业机器人100减速或停机，所述第二控制模块332判断第二工作参数超过安全边界时，控制所述工业机器人减速或停机，当所述第一工作参数和第二工作参数均未超过安全边界时，所述工业机器人正常运行。
24.本发明中，通过设置模块310为工业机器人100设置安全边界，限定工业机器人100安全运行的工作范围，通过第一控制模块331和第二控制模块332分别获取目标位置的第一工作参数和第二工作参数。在本发明的一个实施例中，所述安全边界包括安全肘部速度，所述目标位置包括机器人肘部位置，所述第一工作参数包括第一肘部速度，所述第二工作参数包括第二肘部速度，即所述第一工作参数包括肘部位置的第一肘部速度，所述第二工作参数包括肘部位置的第二肘部速度，第一控制模块331和第二控制模块332分别获取目标位置的第一工作参数和第二工作参数，即第一控制模块331和第二控制模块332所获取的第一工作参数和第二工作参数为针对同一目标位置的相应工作参数，在本实施例中，即第一工作参数和第二工作参数均为肘部位置的第一肘部速度和第二肘部速度。参图1，以六轴协作机器人为例，该协作机器人的第三个关节为肘部关节131，所述目标位置为机器人的肘部关节131的肘部位置，所述第一肘部速度和第二肘部速度为该肘部位置的速度，需要说明的是，在本实施例中，肘部位置为第三关节，即肘部关节131处的位置，肘部位置的速度为肘部速度。具体的，设置模块310为上述工业机器人100设置安全肘部速度，该安全肘部速度限制工业机器人100安全运行时的最大肘部速度，所述第一控制模块331和第二控制模块332分别获取第一肘部速度和第二肘部速度，并分别比较所述第一肘部速度、第二肘部速度是否超过所述安全肘部速度，比较超过安全肘部速度时，相应的控制模块控制所述工业机器人100减速或停机，以及，第一肘部速度和第二肘部速度均未超过安全肘部速度时，所述工业机器人保持正常运行。
25.在本发明的另一实施例中，所述安全边界包括安全工具速度，所述目标位置包括机器人工具端，所述第一工作参数包括第一工具速度，所述第二工作参数包括第二工具速度。如上所述，工业机器人100包括机械臂，所述机械臂一端连接于底座110，另一端包括末端工具端，机械臂的末端工具端包括工具法兰，所述工具法兰用于连接工具200以执行具体的工作任务。所述目标位置包括机器人工具端，机器人工具端可连接工具执行具体工作，机器人工具端的速度反映机器人所连接的工具200的工作速度。具体的，工具速度表示tcp速度，即too l po i nt center的速度，即工具中心点的速度。在本实施例中，安全边界包括安全工具速度，即机器人所连接的工具需要在该安全工具速度限定的工作范围内工作以保证其工作的安全性，所述第一控制模块331获取机器人工具端的第一工作参数，即获取第一工具速度，所述第二控制模块332获取机器人工具端的第二工作参数，即获取第二工具速度，具体的，所述第一工具速度和第二工具速度均是对机器人工具端的速度获取，两者表征同一位置的速度。具体的，第一控制模块331和第二控制模块332分别通过关节速度获取第
一工具速度和第二工具速度，进一步的，第一控制模块331和第二控制模块332根据多个关节速度分别获取第一工具速度和第二工具速度，以及，第一控制模块331和第二控制模块332分别独立判断所述第一工具速度和第二工具速度是否超过安全工具速度，若超过，相应的控制模块控制所述工业机器人100减速或停机，若所述第一控制模块331和第二控制模块332均未超过所述工业机器人的安全工具速度，所述工业机器人正常运行。
26.在本发明的一实施例中，所述安全边界包括机器人安全动量，所述目标位置包括机器人整机，所述第一工作参数包括第一动量，所述第二工作参数包括第二动量。即所述第一工作参数包括机器人整机的第一动量，所述第二工作参数包括机器人整机的第二动量，机器人的第一控制模块331和第二控制模块332分别获取目标位置的第一工作参数和第二工作参数，即第一控制模块331和第二控制模块332分别获取机器人整机的第一动量和第二动量。具体的，所述第一动量和第二动量基于机器人的关节速度而获取，所述第一动量和第二动量基于机器人的多个关节速度而获取。第一控制模块331和第二控制模块332分别获取机器人的第一动量和第二动量，以及各自判断第一动量和第二动量是否超过安全动量，判断结果超过时，相应的控制模块控制机器人减速或停机。
27.在本发明的一实施例中，所述安全边界包括安全肘部速度或安全工具速度或机器人动量，如前所述，目标位置分别包括机器人的肘部位置、机器人工具端位置以及机器人整机，第一控制模块331和第二控制模块332获取机器人肘部速度、机器人工具速度以及机器人动量，工作逻辑如上所述，此处不再赘述。在本发明的另一实施例中，所述安全边界包括安全肘部速度、安全工具速度、机器人安全动量，对应的，所述第一工作参数包括第一肘部速度、第一工具速度、第一动量，所述第二工作参数包括第二肘部速度、第二工具速度、第二动量，即所述工业机器人具备多个安全判断功能，即可以分别针对肘部速度、工具速度、机器人动量进行参数的获取及判断，以保证所述工业机器人100工作的安全性，需要说明的是，所述安全边界还包括其他类型的参数，这里所列举的肘部速度、工具速度、机器人动量只是示例性举例，其他可由关节速度获取的，基于本发明的技术贡献能够得出的方案，依然属于本发明的保护范围。
28.本发明所保护的工业机器人100通过控制模块获取工作参数，即通过第一控制模块331获取第一工作参数，通过第二控制模块332获取第二工作参数，且所述第二控制模块332通过与第一控制模块331不同的方法获取第二工作参数。即所述第一控制模块331和第二控制模块332分别根据关节速度获取第一工作参数和第二工作参数，但第二控制模块332获取第二工作参数的方法与第一控制模块331获取第一工作参数的方法不同。在一个实施例中，所述第一控制模块331通过位置正解后差分的方法获取第一工作参数，所述第二控制模块332通过速度微分方法获取第二工作参数，即，所述第一控制模块331和所述第二控制模块332通过了两种不同的方法分别获取了第一工作参数和第二工作参数。更具体的，当所述安全边界包括安全肘部速度时，即此时所述目标位置包括肘部位置，所述第一工作参数包括第一肘部速度，所述第二工作参数包括第二肘部速度，所述第一控制模块331通过位置正解后差分的方法获取所述第一肘部速度，即通过关节角度得到肘部关节131的位置，进而根据前后两次计算结果做差分，最后第一肘部速度，所述第二控制模块332通过雅克比矩阵，通过关节速度得到肘部的速度，即通过如上两种方式，使得第一控制模块331和第二控制模块332分别通过不同的方法获取了第一肘部速度和第二肘部速度。类似的，第一控制模
块331和第二控制模块332分别获取第一工具速度和第二工具速度的方法与肘部速度的获取方式基本一致，此处不再赘述。
29.在本发明的一个实施例中，所述第一控制模块331和第二控制模块332分别通过不同的方法获取第一工作参数和第二工作参数，具体，所述第一控制模块331通过位置正解后差分的方法，结合机器人的动量模型获取目标位置的第一工作参数，所述第二控制模块332通过速度微分的方法，结合机器人的动量模型获取目标位置的第二工作参数。本实施例中，以机器人动量为例，此时目标位置包括机器人整机，所述安全边界包括机器人动量，所述第一控制模块331通过位置正解后差分的方法获得机器人的多个关节的速度信息，即获取所述机器人的多个关节的角速度和/或线速度，并结合机器人的动量模型获取所述机器人第一动量，以及，所述第二工作模块通过对速度微分的方法获取机器人的多个关节的速度信息，即获取所述机器人的多个关节的角速度和/或线速度，并结合机器人的动量模型获取所述机器人第一动量。
30.以上各实施例细节展开了第一控制模块331和第二控制模块332分别获取第一工作参数和第二工作参数的方式和方法，通过第一控制模块331和第二控制模块332独立进行工作，且两者采取不同的方法获取第一工作参数和第二工作参数，使得工业机器人100的安全性判断较为准确，大幅降低工业机器人100出现安全性误判的可能性，所述工业机器人100安全性判断的可靠性较高。
31.在本发明中，通过检测模块320获取关节速度，控制模块基于检测模块320获取的关节速度来分别获取第一工作参数和第二工作参数并执行相应的判断。在本实施例中，所述检测模块320包括第一检测模块和第二检测模块，殴第一检测模块和第二检测模块用于分别检测关节速度，即针对需要检测的关节，第一检测模块和第二检测模块分别针对相同的关节展开检测，以获取该关节的关节速度。所述检测模块包括电机编码器、霍尔传感器、速度/加速度传感器，六维力/力矩传感器中的一种或两种，其中，所述第一检测模块和第二检测模块至少其一包括电机编码器，即所述第一检测模块和所述第二检测模块为彼此独立的传感器，分别能够检测关节速度，所述第一检测模块和第二检测模块其中之一包括电机编码器，或者，所述第一检测模块和第二检测模块两者均为电机编码器。所述检测模块能够将准确的关节速度传递给控制模块，所述检测模块包括第一检测模块和第二检测模块，当所述第一检测模块和第二检测模块检测结果一致时，检测结果的可行度高，而当第一检测模块和第二检测模块的检测结果不一致时，说明第一检测模块和第二检测模块的至少其一可能存在检测不准确的情况，所述控制模块用于当所述第一检测模块和第二检测模块检测关节速度结果一致时，根据关节速度计算第一工作参数和第二工作参数。参图4，图4示出了本发明一实施例的工业机器人100的工作流程图。所述设置模块310设置工业机器人100的工作边界，所述第一检测模块和第二检测模块分别检测关节速度，当所述第一检测模块和第二检测模块检测的关节速度一致时，第一控制模块331和第二控制模块332分别根据关节速度计算第一工作参数和第二工作参数，并判断所述第一工作参数和第二工作参数是否超过安全边界，判断超过安全边界时，相应的控制模块控制所述工业机器人100减速或停机。
32.工业机器人100在控制模块检测到第一工作参数、第二工作参数至少其一超过安全边界时，表明所述机器人存在不安全因素，所述工业机器人100需要减速或停机，当所述工业机器人100未超过该安全边界时，所述工业机器人100可以保持正常工作。在本发明一
实施例中，所述控制模块实时的比较所述第一工作参数、第二工作参数接近安全边界时，通过改变所述工业机器人100的运动速度来塑造所述机器人的运动轨迹，使得所述第一工作参数、第二工作参数不超过安全边界，以保证所述工业机器人100的安全运行。
33.以上实施例的有益效果是:采用独立工作的第一控制模块和第二控制模块分别计算工作参数，同时第一控制模块和第二控制模块采用不同的方法获取第一工作参数和第二工作参数，并分别比较和执行控制，使得工作参数的计算和判断都独立的进行，机器人对于安全性的判断可靠性较好。同时，进一步采用第一检测模块和第二检测模块，使得关节速度的准确性可靠度更高，基于此的安全性的判断可靠性也更好。
34.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。