扭矩关断模块、方法、安全控制模块及机器人与流程

1.本技术涉及移动机器人的安全控制技术领域，特别是涉及扭矩关断模块、方法、安全控制模块及机器人。


背景技术：

2.随着机器人技术的快速发展，越来越多的机器人在工业领域、服务领域得到应用和普及，机器人与人共处同一工作场景并且进行人机交互的机会也越来越多。在特定场合，为了避免机器人自身危险，例如撞击障碍物，或机器人对人身产生危险，例如撞击人体，机器人通过接触式和非接触式探测到危险状况后，或人为按下紧急停止按钮后，安全控制器可切断机器人的电机的电源，甚至触发电机抱闸动作，从而使机器人紧急停止。
3.由于机器人的工作场景中存在大量的边界区域，以及容易与人的行走路线重叠，因此需要频繁地实现机器人的紧急停止。然而在机器人运动状态下频繁的切断电源和触发抱闸动作会对机器人部件造成一定的损伤，需要采用一定的技术来改进和避免。


技术实现要素：

4.本技术提供扭矩关断模块、方法、安全控制模块及机器人，以解决现有技术的上述问题。
5.本技术第一方面提供一种扭矩关断模块，该扭矩关断模块的输出端连接电机，该扭矩关断模块包括：延时模块，接收关断信号并开始计时，在第一计时时长后输出关断信号；时间监测模块，接收关断信号并开始计时，在第二计时时长后输出关断信号；输出模块，与延时模块和时间监测模块连接，将延时模块输出的关断信号或时间监测模块输出的关断信号输出；其中，第一计时时长小于第二计时时长。
6.可选地，延时模块包括：第一延时电路，接收第一关断信号并开始计时，在第一计时时长后输出第一关断信号；第二延时电路，接收第二关断信号并开始计时，在第一计时时长后输出第二关断信号；其中第一关断信号与第二关断信号的输入时刻相同；输出模块进一步包括：第一输出电路，连接第一延时电路与电机，输出第一关断信号至电机；第二输出电路，连接第二延时电路与电机，输出第二关断信号至电机；时间监测模块包括：第一时间监测电路，接收第一关断信号并开始计时，在第二计时时长后输出第一关断信号；第二时间监测电路，接收第二关断信号并开始计时，在第二计时时长后输出第二
关断信号；第一输出电路进一步连接第二时间监测电路，输出第二关断信号至电机；第二输出电路进一步连接第一时间监测电路，输出第一关断信号至电机。
7.可选地，输出模块包括缓冲器。
8.可选地，关断信号包括低电平信号，当延时模块接收的输入信号由高电平信号变为低电平信号，延时模块开始计时；当时间监测模块接收的输入信号由高电平信号变为低电平信号，时间监测模块开始计时。
9.可选地，延时模块包括计时器、继电器、延时开关、晶体管和运算放大器中的至少一种。
10.可选地，时间监测模块包括计时器和信号产生电路，计时器连接信号产生电路。
11.本技术第二方面提供一种电机扭矩关断方法，该方法包括：通过延时模块及时间监测模块同时接收关断信号并开始计时；响应于计时时长达到第一计时时长，延时模块将其接收的关断信号通过输出模块输出；响应于在第一计时时长后延时模块未输出关断信号，时间监测模块继续计时；响应于计时时长达到第二计时时长，时间监测模块将其接收的关断信号通过输出模块输出；其中，所述第一计时时长小于所述第二计时时长。
12.本技术第三方面提供一种安全控制模块，该安全控制模块包括指令生成模块和如上述的扭矩关断模块，指令生成模块连接扭矩关断模块，用于向扭矩关断模块输出关断信号，扭矩关断模块的输出端连接电机，用于将关断信号输出至电机。
13.本技术第四方面提供一种机器人，该机器人包括：主体；电机，设置于主体内；安全控制模块，设置于主体内，连接电机，通过输出关断信号控制电机扭矩关断；其中，安全控制模块为如上述的安全控制模块。
14.区别于现有技术，本技术设置延时模块和时间监测模块同时接收关断信号，且延时模块对关断信号进行延时处理，其中延时时间可为电机减速至预期转速的所需时间，能够减少控制电机急停对电机所造成的损伤。另一方面，当延时模块正常工作时，延时模块在第一计时时长后输出关断信号至输出模块；当延时模块异常工作，无法输出关断信号时，时间监测模块在时长大于第一计时时长的第二计时时长后输出关断信号，时间监测模块能够在延时模块异常时输出关断信号至输出模块；同时，输出模块将延时模块输出的关断信号或时间监测模块输出的关断信号输出至电机，进而控制电机执行扭矩关断，提高扭矩关断控制的可靠性。
15.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本技术。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
17.图1是本技术扭矩关断模块第一实施例的结构示意图；图2是本技术扭矩关断模块第二实施例的结构示意图；图3是本技术电机扭矩关断方法一实施例的流程示意图；图4是本技术安全控制模块一实施例的结构示意图；图5是本技术机器人一实施例的结构示意图。
具体实施方式
18.为使本领域的技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术所提供的扭矩关断模块、方法、安全控制模块及机器人做进一步详细描述。可以理解的是，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
19.本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
20.本技术提供一种扭矩关断模块1，以解决现有技术在机器人运动状态下频繁的切断电源和触发抱闸动作对机器人部件造成一定的损伤的问题。特别地，本文所指的机器人可为移动机器人，本技术通过扭矩关断模块1实现对移动机器人的安全扭矩关断控制；或者，本文所指的机器人还可为机械臂，本技术通过扭矩关断模块1实现对机械臂的安全扭矩关断控制。
21.具体地，本技术以移动机器人为例，进行描述。其中，本技术扭矩关断模块1的输出端连接移动机器人的电机，通过扭矩关断模块1输出的扭矩关断信号控制电机执行扭矩关断。具体地，请参阅图1，图1是本技术扭矩关断模块第一实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例扭矩关断模块1包括延时模块11、时间监测模块12以及输出模块13。
22.其中，延时模块11用于接收关断信号，并在接收到关断信号的时刻开始计时，在计时时间到达第一计时时长后输出接收的关断信号。
23.时间监测模块12用于接收关断信号，并在接收到关断信号的时刻开始计时，在计时时间到达第二计时时长后输出接收的关断信号。
24.输出模块13与延时模块11和时间监测模块12连接，将延时模块11输出的关断信号或时间监测模块12输出的关断信号输出，即当接收到延时模块11输出的关断信号时，则输出该关断信号；当接收到时间监测模块12输出的关断信号，则输出该关断信号。
25.可选地，本实施例的延时模块11接收的关断信号和时间监测模块12接收的关断信号为同一关断信号，并且延时模块11和时间监测模块12同时开始接收关断信号。进一步地，第一计时时长小于第二计时时长。
26.因此，当延时模块11正常工作时，延时模块11能够在计时时间到达第一计时时长后输出关断信号至输出模块13，输出模块13直接输出关断信号，并基于关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断。
27.当延时模块11异常工作时，延时模块11在在计时时间到达第一计时时长后仍未输出关断信号，由于时间监测模块12仍在计时，当计时时间到达第二计时时长后输出关断信号至输出模块13，进而输出模块13输出关断信号，并基于关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断。
28.可选地，本实施例的第一计时时长为电机减速至预期转速的所需时间，具体而言，该所需时间为电机由运行速度减小至电机的最小转动速度所需的时间，即为移动机器人能够接受的最长减速时间。当减速时间长于该最长减速时间的时侯，可能会出现移动机器人与运动路径前方的人或障碍物发生碰撞。
29.同时，本实施例的第二计时时长产于第一计时时长，但是设置第二计时时长与第一计时时长的时间差极小，减小计时时间位于第一计时时长与第二计时时长之间时，移动机器人与运动路径前方的人或障碍物发生碰撞的可能性。
30.由上述可知，本实施例扭矩关断模块1设置延时模块11，通过对关断信号进行延时处理，能够减少控制电机急停对电机所造成的损伤；并且，本实施例扭矩关断模块1增设时间监测模块12，且设置第二计时时长长于第一计时时长，能够在判断延时模块11异常时输出关断信号至输出模块13，防止延时模块11异常时，无法输出关断信号，导致扭矩关断模块1无法控制电机执行扭矩关断，进而导致移动机器人与运动路径前方的人或障碍物发生碰撞的情况发生，能够提高本实施例扭矩关断模块1的可靠性。
31.可选地，在本实施例中，输出模块13包括缓冲器，且缓冲器的使能引脚与延时模块11的输出端和时间监测模块12的输出端连接。
32.其中，在本实施例中，关断信号包括低电平信号，当延时模块11接收的输入信号由高电平信号变为低电平信号，延时模块11开始计时；当时间监测模块12接收的输入信号由高电平信号变为低电平信号，时间监测模块12开始计时。
33.由于本实施例缓冲器的使能引脚为高电平有效，因此当延时模块11或时间监测模块12输出低电平信号至缓冲器时，缓冲器使能无效，则缓冲器无法工作，此时主控制板传输至缓冲器的驱动控制指令无法进一步传输至电机，电机则停止工作，实现扭矩关断。
34.可选地，在其他实施例中，关断信号可包括高电平信号，当延时模块11接收的输入信号由低电平信号变为高电平信号，延时模块11开始计时；当时间监测模块12接收的输入信号由低电平信号变为高电平信号，时间监测模块12开始计时。
35.本实施例需选用使能引脚为低电平有效的缓冲器，因此当延时模块11或时间监测模块12输出高电平信号至缓冲器时，缓冲器使能无效，则缓冲器无法工作，此时主控制板传输至缓冲器的驱动控制指令无法进一步传输至电机，电机则停止工作，实现扭矩关断。
36.可选地，在其他实施例中，输出电路还可包括逻辑器件，或由缓冲器与逻辑器件组合形成。
37.可选地，在本实施例中，延时模块11包括计时器、继电器、延时开关、晶体管和运算放大器中的至少一种。
38.其中，器件延时表示信号通过一个逻辑门时所经历的时间，反映了门对输入信号
变化相应的快慢。可选地，能够通过输入信号电压变化的50%到输出信号电压变化50%所需要的时间来定义门延时的大小。
39.特别地，器件延时也称为传播延时（propagation delay），它不仅与电路工艺和电路结构有关，还与输入信号斜率和负载有关。信号斜率反映了单个信号翻转速度的快慢，可以通过信号的上升、下降时间来表示。上升时间通常可以定义为电压值的10%上升到90%所需的时间。与其相应的下降时间是指电压值的90%下降到10%所需的时间。
40.当关断信号包括低电平信号时，本实施例所述的第一计时时长即可为延时模块11接收的输入信号由电压值的90%下降到10%所需的时间；当关断信号包括高电平信号时，本实施例所述的第一计时时长即可为延时模块11接收的输入信号由电压值的10%上升到90%所需的时间。
41.可选地，在一实施例中，时间监测模块12包括计时器和信号产生电路，其中计时器连接信号产生电路。可选地，在其他实施例中，时间监测模块12还可以通过继电器、延时开关、晶体管或运算放大器等延时器件进行计时。
42.其中，将延时模块11接收的关断信号定义为第一关断信号，将时间监测模块12接收的关断信号定义为第二关断信号，第一关断信号和第二关断信号可为相反的信号，即第一关断信号为高电平信号时，第二关断信号为低电平信号；第一关断信号为低电平信号时，第二关断信号为高电平信号。
43.由于延时模块11和时间监测模块12同时开始接收关断信号，且延时模块11和时间监测模块12均与缓冲器的使能引脚连接，时间监测模块12通过计时器进行计时，并在计时时长达到第二计时时长后通过信号产生电路基于接收的第二关断信号产生另一关断信号，可与第一关断信号一致。
44.例如，当第一关断信号为低电平信号，第二关断信号为高电平信号，缓冲器的使能引脚高电平有效时，时间监测模块12接收第二关断信号，同时计时器开始计时，在在计时时长达到第二计时时长后，计时器将第二关断信号发送至信号产生电路，信号产生电路进一步基于第二关断信号产生一低电平信号并输出至输出模块13，即缓冲器。
45.由于本实施例缓冲器的使能引脚为高电平有效，因此当输出模块13接收到低电平信号时，缓冲器使能无效，则缓冲器无法工作，此时主控制板传输至缓冲器的驱动控制指令无法进一步传输至电机，电机则停止工作，实现扭矩关断。
46.本实施例扭矩关断模块1中的所有电路元件均为简单逻辑元件，所形成电路也为纯硬件的简单逻辑电路，具有电路结构简单、体积小、生产成本低以及认证周期短的优点。
47.然而上述实施例扭矩关断模块1的延时模块11以及时间监测模块12均为单回路架构，当延时模块11以及时间监测模块12均异常时，则无法切断电机的电源，控制机器人停止运动，安全可靠性较低。在上述实施例的基础上，本技术还提供另一种扭矩关断模块1，以提高扭矩关断模块1的安全可靠性。
48.结合图1，进一步参阅图2，图2是本技术扭矩关断模块第二实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例的延时模块11包括第一延时电路111和第二延时电路112，时间监测模块12包括第一时间监测电路121和第二时间监测电路122，输出模块13包括第一输出电路131和第二输出电路132。
49.具体地，第一延时电路111用于接收第一关断信号，并在接收到第一关断信号的时
刻开始计时，在计时时间到达第一计时时长后输出第一关断信号。
50.第二延时电路112用于接收第二关断信号，并在接收到第二关断信号的时刻开始计时，在计时时间到达第一计时时长后输出第二关断信号。其中，在本实施例中，第一关断信号与第二关断信号的输入时刻相同，即第一关断信号与第二关断信号同时输入第一延时电路111和第二延时电路112。
51.第一时间监测电路121用于接收第一关断信号并开始计时，在第二计时时长后输出第一关断信号。具体地，第一时间监测电路121的输入端可连接第一延时电路111的输入端，以确保第一时间监测电路121和第一延时电路111同时接收第一关断信号。
52.第二时间监测电路122用于接收第二关断信号并开始计时，在第二计时时长后输出第二关断信号。具体地，第二时间监测电路122的输入端可连接第二延时电路112的输入端，以确保第二时间监测电路122和第二延时电路112同时接收第二关断信号。
53.第一输出电路131连接第一延时电路111与移动机器人的电机，将第一延时电路111输出的第一关断信号输出至电机。并且，第一输出电路131进一步连接第二时间监测电路122的输出端，将第二时间监测电路122输出的第二关断信号输出至电机。
54.第二输出电路132，连接第二延时电路112与移动机器人的电机，将第二延时电路112输出第二关断信号输出至电机。并且，第二输出电路132进一步连接第一时间监测电路121的输出端，将第一时间监测电路121输出的第一关断信号输出至电机。
55.可选地，在本实施例中，第一关断信号和第二关断信号可为一致的电平信号。且当第一输出电路131和第二输出电路132均为缓冲器时，第一输出电路131和第二输出电路132的使能引脚均为高电平有效或者低电平有效。
56.可选地，在其他实施例中，第一关断信号和第二关断信号可为相反的电平信号。且当第一输出电路131和第二输出电路132均为缓冲器时，第一输出电路131的使能引脚高电平有效，第二输出电路132的使能引脚低电平有效；或者，第一输出电路131的使能引脚低电平有效，第二输出电路132的使能引脚高电平有效。
57.本实施例扭矩关断模块1通过设置第一延时电路111、第二延时电路112、第一输出电路131以及第二输出电路132形成双回路的延时模块11设置，能够满足国际标准iso-13849-1的cat3架构要求，进而满足pld、sil2以上的安全等级要求，提高扭矩关断模块1的安全可靠性。同时，通过设置第一时间监测电路121、第二时间监测电路122、第一输出电路131以及第二输出电路132形成双回路的时间监测模块12设置，能够满足国际标准iso-13849-1的cat3架构要求，进而满足pld、sil2以上的安全等级要求，提高扭矩关断模块1的安全可靠性。
58.本技术还提供一种电机扭矩关断方法，其中，该电机扭矩关断方法的执行主体可为上述任一实施例所述的扭矩关断模块，请参阅图3，图3是本技术电机扭矩关断方法一实施例的流程示意图。具体而言，如图3所示，本实施例电机扭矩关断方法的具体步骤包括：步骤s31：通过延时模块及时间监测模块同时接收关断信号并开始计时。
59.其中，本实施例通过第一实施例所示的延时模块11接收关断信号，并在接收到关断信号的时刻开始计时。
60.或者，当延时模块11如第二实施例包括第一延时电路111和第二延时电路112时，则通过第一延时电路111接收第一关断信号，并在接收到第一关断信号的时刻开始计时，且
通过第二延时电路112接收第二关断信号，并在接收到第二关断信号的时刻开始计时。
61.其中，本实施例通过第一实施例所示的时间监测模块12接收关断信号，并在接收到关断信号的时刻开始计时。
62.或者，当时间监测模块12如第二实施例包括第一时间监测电路121和第二时间监测电路122时，则通过第一时间监测电路121接收第一关断信号，并在接收到第一关断信号的时刻开始计时，且通过第二时间监测电路122接收第二关断信号，并在接收到第二关断信号的时刻开始计时。
63.步骤s32：响应于计时时长达到第一计时时长，延时模块将其接收的关断信号通过输出模块输出。
64.其中，本实施例通过第一实施例所示的延时模块11正常工作，在计时时长达到第一计时时长后输出关断信号，输出模块13接收到关断信号并进一步输出与其连接的电机，以基于关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断。
65.或者，当第一延时电路111和第二延时电路112时均正常工作时，在计时时长达到第一计时时长后分别输出第一关断信号和第二关断信号，第一输出电路131接收到第一关断信号并进一步输出与其连接的电机，以基于关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断；且第二输出电路132接收到第二关断信号并进一步输出与其连接的电机，以基于关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断。
66.其中，第一输出电路131与第二输出电路132连接同一电机，当第一延时电路111和第二延时电路112中的任一者发生异常时，均能通过另一延时电路实现电机的扭矩关断控制，具有较高的安全可靠性，即应用该扭矩关断模块1的移动机器人的安全级别较高。
67.步骤s33：响应于在第一计时时长后延时模块未输出关断信号，时间监测模块继续计时。
68.其中，当如第一实施例所示的延时模块11异常工作时，即延时模块11在第一计时时长后延时模块11未输出关断信号，时间监测模块12则继续计时，直至计时时长达到第二计时时长。
69.或者，当如第二实施例所示第一延时电路111和第二延时电路112时均异常工作时，第一时间监测电路121和第二时间监测电路122则继续计时，直至计时时长达到第二计时时长。
70.步骤s34：响应于计时时长达到第二计时时长，时间监测模块将其接收的关断信号通过输出模块输出。
71.其中，当计时时长达到第二计时时长时，如第一实施例所示的时间监测模块12将关断信号输出至输出模块13，输出模块13基于关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断。
72.因此，进一步通过时间监测模块12对延时模块11进行异常监测，提高扭矩关断模块1的安全可靠性，即应用该扭矩关断模块1的移动机器人的安全级别较高。
73.或者，当计时时长达到第二计时时长时，如第二实施例所示的第一时间监测电路121将第一关断信号输出至第二输出电路132，第二输出电路132基于第一关断信号控制移动机器人的电机执行扭矩关断；且如第二实施例所示的第二时间监测电路122将第二关断信号输出至第一输出电路131，第一输出电路131基于第二关断信号控制移动机器人的电机
执行扭矩关断。
74.因此，进一步通过设置双回路的时间监测模块12，提高扭矩关断模块1的安全可靠性，即应用该扭矩关断模块1的移动机器人的安全级别较高。
75.本技术还提供一种安全控制模块，请参阅图4，图4是本技术安全控制模块一实施例的结构示意图。如图4所示，本实施例安全控制模块40包括指令生成模块41和扭矩关断模块42，其中，扭矩关断模块42为上述任一实施例所述的扭矩关断模块1，在此不再赘述。
76.具体地，指令生成模块41连接扭矩关断模块42，用于向扭矩关断模块42输出关断信号，扭矩关断模块42的输出端连接移动机器人的电机，用于将关断信号输出至电机。其中，指令生成模块可为外接的安全输入设备，例如急停按钮、安全门锁、安全光栅、激光雷达、手压开关、插销式开关、安全拉伸开关、绞索连锁开关、安全使能开关、安全限位开关或安全地毯开关等等。
77.本技术还提供一种机器人，请参阅图5，图5是本技术机器人一实施例的结构示意图。如图5所示，本实施例机器人50包括主体51、电机52以及安全控制模块40。
78.具体地，电机52和安全控制模块40均设置于主体51内，且安全控制模块40连接电机52，通过输出关断信号控制电机52扭矩关断。
79.以上仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术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，均同理包括在本技术的专利保护范围内。