一种确保机器人位姿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，特别是涉及一种确保机器人位姿边界限制的安全系统。


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，工业机器人中包括传统的工业机器人以及协作机器人，协作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核心指标。
4.常规的机器人系统具有安全检测系统，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，但这些检测方式本身精度有效，可靠度不足。
5.因此，有必要设计一种可靠性好的工业机器人安全控制系统。


技术实现要素：

6.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安全控制系统及其控制方法。
7.本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人系统，包括：工业机器人和安全控制系统，所述工业机器人包括：底座；机械臂，包括若干个机械臂部分，所述机械臂一端连接于底座，另一端用于连接工具；关节，用于连接相邻的俩机械臂部分；所述安全控制系统用于控制所述工业机器人安全运行，其特征在于，所述安全控制系统包括：获取模块，用于获取所述机器人的当前位置，以及机器人位姿边界信息；计算模块，用于计算所述当前位置到所述位姿边界的安全距离，并基于所述安全距离计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力；控制模块，用于判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，以及当以上两组判断至少其一不能满足时，控制所述机器人减速或停机。
8.进一步的，所述位姿边界包括肘部位置边界、关节角度边界、机器人工具位姿边界、机器人工具方向边界。
9.进一步的，所述获取模块用于从人机交互设备获取所述位姿边界信息。
10.进一步的，所述工业机器人系统包括人机交互设备，所述人机交互设备包括机器人示教器。
11.进一步的，所述计算模块用于根据所述当前位置动态的计算所述安全距离，并基于所述安全距离动态的计算所述必要制动扭矩和/或制动力。
12.进一步的，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块和第二控制模块独立工作，所述第一控制模块用于判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，所述第二控制模块用于判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离。
13.进一步的，所述第一控制模块判断不能满足条件时，控制所述机器人减速或停机，或，所述第二控制模块判断不能满足条件时，控制所述机器人减速或停机。
14.本发明还可采用如下技术方案：一种工业机器人系统的安全控制方法，其特征在于，所述工业机器人系统包括工业机器人和安全控制系统，所述工业机器人包括：底座；机械臂，包括若干个机械臂部分，所述机械臂一端连接于底座，另一端用于连接工具；关节，用于连接相邻的俩机械臂部分；所述安全控制系统用于控制所述工业机器人安全运行；所述安全控制方法包括：获取所述机器人的当前位置以及机器人位姿边界信息；计算所述当前位置到所述位姿边界的安全距离，并基于所述安全距离计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力；判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，以及当以上两组判断至少其一不能满足时，控制所述工业机器人减速或停机。
15.进一步的，所述位姿边界包括肘部位置边界、关节角度边界、机器人工具位姿边界、机器人工具方向边界。
16.进一步的，通过人机交互设备获取所述位姿边界信息。
17.进一步的，所述安全控制方法包括：根据所述当前位置动态的计算所述安全距离，并基于所述安全距离动态的计算所述必要制动扭矩和/或制动力。
18.进一步的，判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要扭矩和/或制动力，以及判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，该两判断独立进行且均能够基于判断结果独立控制所述工业机器人减速或停机。
19.与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：通过动态的获取机器人的当前位置以及基于当前位置计算安全距离以及必要制动扭矩和/或制动力，并通过两种独立且不同的判断方法来判断机器人是否可能超过位姿边界运行，使得机器人能够实时的通过两种判断方法确认工作状态的安全性，使得安全性判断可靠性好。
附图说明
20.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：
21.图1是本发明的一个实施例的工业机器人的示意图
22.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
23.图3是本发明的一个实施例的安全控制方法的示意图
24.图4是本发明又一实施例的安全控制方法的示意图
25.图5是本发明的一个实施例的安全控制方法的流程图
具体实施方式
26.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。
27.本发明保护一种工业机器人系统，包括工业机器人和安全控制系统，参图1，图1示例性的给出了本发明一个实施例的工业机器人100的示意图，所述工业机器人100包括：底座110，用于支撑所述工业机器人100，以及用于将所述工业机器人100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，所述机械臂一端连接于底座110，另一端用于连接工具200；关节130，用于连接相邻的俩机械臂部分121。机械臂是工业机器人100的核心部件之一，机械臂的各机械臂部分121能够基于关节130产生相互运动，使得机械臂具有多种运动姿态从而得以执行工作任务，所述机械臂能够连接多种工具，例如可以连接夹具、真空吸盘等来实现抓取、码垛等功能。所述工业机器人系统包括安全控制系统，参图2，图2示出了本发明一个实施例中安全控制系统300的模块示意图，所述安全控制系统300用于控制所述工业机器人100安全运行，例如，工业机器人100包括协作机器人，控制协作机器人保持安全的工作状态，以避免工作中对人可能造成的伤害，所述安全控制系统300包括：获取模块310，用于获取所述机器人的当前位置，以及机器人位姿边界信息；计算模块320，用于计算所述当前位置到所述位姿边界的安全距离，并基于所述安全距离计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力，所述位姿边界是机器人在运行中不得超过的边界，因超过此边界会使得所述机器人存在不安全因素，所述位姿边界至少部分的基于定义而产生，所述必要扭矩和/或制动力是使得所述机器人在该安全距离内能够制动所需的最小的制动扭矩和/或制动力，或者，所述必要扭矩和/或制动力是使得所述机器人在该安全距离内能够制动所平均需要的制动扭矩和/或制动力，即所述必要制动扭矩和/或制动力能够使得所述机器人在已知的安全距离内完成制动，所述机器人在制动时能够在安全距离内完成制动方能够保证所述机器人工作的安全性；控制模块330，所述控制模块330用于判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，以及当以上两组判断至少其一不能满足时，控制所述机器人减速或停机。所述机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是机器人在某一时刻所能提供的最大制动扭矩和/或制动力，该最大制动扭矩和/或制动力表征了机器人在该时刻的制动能力，判断该最大制动扭矩和/或制动力大于所述必要制动扭矩和/或制动力，即机器人在该时刻的制动能力超过了必要的制动的能力，即机器人在安全距离内，该制动扭矩和/或制动力能够使得机器人完成制动；以及，判断该最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离，若该距离大于安全距离，则说明机器人当前的制动能力不足以使得机器人在安全距离内制动，即机器人存在不安全因素，若该距离小于所述安全距离，说明机器人当前的制动能力能够使得机器人在安全距离内制动，即机器人能够满足安全性要求，当上述两判断的至少其一不能满足要求时，控制机器人减速或停机以保证机器人运行的安全性。上述通过机器人可提供的最大制动扭矩和/或制动力判断其能够满足必要制动扭矩和/或制动力的要求，以及通过机器人可提供的制动扭矩和/或制动力所需的制动距离，判断该制动距离
是否小于安全距离，即通过不同的计算逻辑，分别判断机器人当前位置能够满足安全性要求，即是否有可能超出位姿边界运行，并在存在不安全因素时控制所述机器人减速或停机，以保证所述机器人的安全性，通过两种不同计算逻辑判断机器人的安全性，使得安全性判断的可靠性更高。
28.在本实施例中，所述控制模块包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块和第二控制模块独立工作，即所述第一控制模块和第二控制模块能够分别进行自身的判断工作，并根据自身的判断做出控制行为，即判断是否对所述工业机器人减速或停机。所述第一控制模块用于判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，所述第二控制模块用于判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，所述第一控制模块和所述第二控制模块并行工作，当所述第一控制模块判断不满足条件时，第一控制模块控制所述工业机器人减速或停机，当所述第二控制模块判断不满足条件时，第二控制模块控制所述工业机器人减速或停机。在本实施例中，所述第一控制模块和第二控制模块判断方法不同，且两者的硬件载体不同，保证了第一控制模块和第二控制模块工作的独立性。本发明通过设计不同的判断方法，使得对安全性的判断较为可靠。在一些实施例中，工业机器人在获取位置信息时也可以采取两种及以上不同的硬件载体，或者采取不同的软硬件载体组合以保证获取信息的独立性，当不同的获取方式获取的信息均一致时，所述获取的信息的可信度较高，通过获取到可信度较好的信息，控制模块在判断时其判断基础也更准确。
29.在本实施例中，判断机器人制动时是否有可能越过位姿边界以衡量工业机器人100的安全性，所述位姿边界包括肘部位置边界、关节角度边界、机器人工具位姿边界、机器人工具方向边界等。其中，机器人的肘部位置边界是指机器人的肘部可以运行的工作范围，以六轴协作机器人为例，其第三关节处为肘部，机器人仅可以在肘部位置边界内部工作，超过该肘部位置边界则无法保证机器人运行的安全性，关节能够发生转动，并传输驱动力至其所连接的机械臂部分121，关节角度会影响机器人的工作范围，因此需要限定关节角度边界以保证机器人对人的安全性。机械臂能够连接各种工具去执行具体的工作任务，需要监控机器人的工具位置、方向，限制工具的位置、方向处于一定的范围内，即限制机器人工具的运动超出机器人工具位姿边界以及机器人工具方向边界，以保证机器人对人的安全性。
30.在本实施例中，所述工业机器人系统包括获取模块，所述获取模块310能够获取机器人的当前位置，以及，获取机器人的位姿边界信息，具体的，所述获取模块310用于从人机交互设备获取所述位姿边界信息。示例性的，如前所述，所述位姿边界信息包括肘部位置边界、关节角度边界、机器人工具位姿边界、机器人工具方向边界等，所述获取模块310用于至少部分的从人机交互设备中获取上述位姿边界信息，所述人机交互设备包括示教器、智能手机、平板电脑等，用户可以操作这些人机交互设备以定义机器人的位姿边界信息，在一个实施例中，所述工业机器人系统包括上述示教器，所述示教器用于供用户设置以帮助确定机器人运动轨迹，以及，设置以确定机器人的位姿边界信息。
31.如前所述，计算模块320用于根据当前位置计算到所述位姿边界的安全距离，并基于所述安全距离计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力。具体的，机器人在运行中，需要实时的基于当前位置计算到所述位姿边界的安全距离，以及，基于该计算的安全距离，实时的计算必要制动扭矩和/或制动力。在机器人的工作过程中，机
器人的位置会发生变化，但位姿边界获取模块310获取的一个确定的参数，当机器人的位置发生变化后，机器人在某一时刻的当前位置距离位姿边界的安全距离也会发生变化，即安全距离本身是一个变化的参数并且是根据机器人的当前位置而发生变化，因此，针对机器人的不同位置需要实时的计算安全位置，以保证机器人的安全性，以及，可理解的，所述计算模块320用于根据当前位置动态的计算所述安全距离，并基于所述安全距离动态的计算所述必要制动扭矩和/或制动力，即，根据机器人在某一时刻所处的位置，实时的确定安全距离，并基于该安全距离实时的计算必要制动扭矩和/或制动力，以确定机器人在某一时刻的当前位置是否能够满足安全性要求，并在不能满足安全性要求时，控制机器人减速或停机。
32.综上所述，通过不同的计算方法判断机器人是否有可能超出位姿边界，避免了其中一种计算方法出现不准确时可能产生的误判，机器人判断安全性的可靠性较好。需要说明的是，所述工业机器人100根据不同的配置可能具有多种安全性判断标准，机器人需要同时满足多种安全性判断标准以使得其符合安全性标准。
33.以上实施例的有益效果是：工业机器人100通过获取的边界信息，动态计算安全距离即必要的制动扭矩和/或制动力，并通过两种不同的判断方法判断机器人工作的安全性，当其中任何一判断受干扰或计算错误而导致不准确时，其中另一判断仍能独立进行，该工业机器人系统依然能够保证机器人的安全性，同时设定了各种位姿边界信息，使得机器人的安全性判断更加可靠。
34.本发明还提供了一种工业机器人系统的安全控制方法，参图3，如前所述，所述工业机器人系统包括工业机器人100和安全控制系统300，所述工业机器人100包括：底座110；机械臂；关节。工业机器人100的各部件组成及连接方式已在上文描述，此处不再赘述。所述安全控制系统用于控制所述工业机器人安全运行，所述安全控制方法包括：
35.s1、获取所述机器人的当前位置以及位姿边界信息；
36.包括通过人机交互设备获取位姿边界信息，例如通过机器人示教器、智能手机、平板电脑等获取机器人的位姿边界信息；以及，示例性的，通过机器人内设的各传感器获取机器人的当前位置。所述机器人在执行工作时，其位置可能会发生变化，因此，需要动态的获取机器人的在某一时刻的当前位置，以基于该某一时刻的当前位置展开计算与判断。所述位姿边界包括：肘部位置边界、关节角度边界、机器人工具位姿边界、机器人工具方向边界。各位姿边界的相关信息组成了位姿边界信息，所述机器人需要在位姿边界限定的范围内执行工作以保证机器人工作的安全性。
37.s2、计算所述当前位置到所述位姿边界的安全距离，并基于所述安全距离计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力；
38.根据上文所述的机器人某一时刻的当前位置，计算所述当前位置到所述位姿边界的安全距离，所述安全距离表征机器人当前位置到位姿边界的距离，机器人制动时需要在该距离内完成制动以达到安全性要求；以及，计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力，所述的必要制动扭矩和/或制动力表述机器人在该安全距离内完成制动所需的最小制动扭矩和/或制动力，或者表述机器人在该安全距离内制动所需的平均制动扭矩和/或制动力，所述必要制动扭矩和/或制动力能够使得机器人在所述安全距离内完成制动。根据s1，动态的获取所述机器人在某一时刻的当前位置，并基于该某一时刻的当
前位置，实时的计算安全距离，并基于该安全距离确定必要制动扭矩和/或制动力，即动态的计算安全距离，并基于该动态计算的安全距离确定必要制动扭矩和/或制动力。具体的，在本发明的又一实施例中，参图4，在获取到所述机器人的当前位置以及机器人位姿边界信息之后，s2包括s21和s22，即在方法s21和s22中，分别计算所述当前位置到所述位姿边界的安全距离，并基于所述安全距离计算机器人在该安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力。并将s2中计算的结果分别向s3传递。
39.s3、判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，
40.即基于机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力，判断其是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，若大于，则表征当前机器人的制动扭矩和/或制动力能够满足在安全距离内完成制动的要求；基于机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力，计算基于该最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，若是，表征所述机器人当前能够在安全距离内制动。其中，判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，以及判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，该两判断独立进行且能够基于判断结果独立控制所述工业机器人减速或停机。
41.在本本发明的又一实施例中,所述判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，以及，判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，上述的俩判断分别独立进行，即可选的，两判断可以通过不同的软硬件实现，以及，两判断可以同时进行，其中任一不满足判断条件时，该不满足条件的判断支路能够控制所述工业机器人减速或停机。参图4，s3包括s31：判断机器人当前位置可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，以及s32：判断机器人当前可提供的最大制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离。上述s21将其计算结果传输给s31，上述s22将其计算结果传输给s32。即所述安全控制方法通过两路计算与判断共同进行，其中任何一路不满足条件，将控制机器人减速或停机，以保证机器人工作的安全性。
42.s4、当以上两组判断至少其一不能满足时，控制所述工业机器人100减速或停机。
43.即基于s3中所述的俩判断策略，当以上两判断均满足时，则机器人满足安全性要求，当以上两判断至少其一不能满足时，机器人可能存在安全性隐患，控制机器人减速或停机。即对所述机器人是否可能越过位姿边界进行冗余判断，通过俩不同且独立的判断方式提供一种工业机器人100的安全控制方法，所述控制方法对安全性的判断可靠性较好。具体的，如前所述，在本发明的又一实施例中，s3包括s31和s32，上述s31和s32并行执行工作，即两者的判断共同进行，对应的，s4包括s41和s42，当执行s31不满足判断要求时，s41执行控制机器人减速或停机，以及，当执行s32不满足判断要求时，s42执行控制机器人减速或停机。也就是说，当s31或s32其中任一不满足判断要求时，对应的，基于该判断结果控制机器人减速或停机。进一步的，图5示出了根据上述安全控制方法的一个示例性的流程图。该安全控制方法的工作流程包括：获取机器人的当前位置以及位姿边界信息；计算当前位置到位姿边界的安全距离；计算机器人在安全距离内制动所需的必要制动扭矩和/或制动力。基
于以上信息，执行判断动作，即判断所述机器人可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，当判断不满足条件时，控制所述工业机器人减速或停机，判断满足条件时，基于该判断机器人可以保持正常运行；以及，判断机器人在当前位置的最大制动制动扭矩和/或制动力的估计制动距离是否小于所述安全距离，若判断不满足条件，控制所述工业机器人减速或停机，若判断满足条件，则基于该判断机器人可以保持正常运行。上述两判断独立进行，且仅在上述两判断均满足条件时，机器人可以正常运行，其中任一判断不满足条件时，控制所述工业机器人减速或停机。两判断独立进行，使得两判断互不影响，所述安全控制方法用于判断安全性的可靠性较好。以及，进一步的，在获取所述机器人的当前位置信息以及机器人位姿边界信息后，计算安全距离以及必要制动扭矩和/或制动力时，以及判断机器人的最大制动扭矩和/或制动力是否达标，机器人的制动距离是否达标时，均采用同步独立进行的不同的两套逻辑，以进一步提高安全性判断的可靠性。
44.基于以上的信息，执行判断动作。即判断所述机器人可提供的最大制动扭矩和/或制动力是否大于所述必要制动扭矩和/或制动力，若否，则控制机器人减速或停机，若是，则继续执行下一判断，即判断机器人在当前位置的估计制动距离是否小于所述安全距离，若否，控制机器人减速或停机，若是，机器人可以正常运行。在本发明中，所述安全控制系统300为包括本发明所述的各模块的安全控制系统，包括硬件、软件的部分，以及，在某些实施例中，所述安全控制系统300包括硬件和软件的组成。所述工业机器人系统包括安全控制系统300，所述安全控制系统300至少部分的被所述工业机器人100包括，即所述安全控制系统300并非为独立于所述工业机器人100的组成，所述安全控制系统300部分的，或全部的属于所述工业机器人的组成部分，所述工业机器人系统包括所述工业机器人100以及所述安全控制系统300。
45.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。