CN109773826A - 一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人制造技术领域，具体涉及一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法，包括关节外壳，电机，谐波减速器，输入轴光电编码器，输出轴光电编码器，电机控制器，刹车盘，其特征在于，所述的关节的外壳同时是电机的外壳，减速结构在关节外壳内，减速结构上连接有刹车盘，外壳上还固定有电机控制器。电机的输出轴、减速机构的输出轴上分别固定有输入端光电编码器和输出端光电编码器。减速器在电机的一侧，刹车盘、编码器、电机控制器在电机的另一侧，机器人的功率由关节的位置和速度以及机器人的运动学和动力学模型来计算总功率，并且确保其速度和力矩值始终限定在一定的安全范围内。

Description

一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法

技术领域

本申请涉及机器人制造技术领域，具体涉及一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法。

背景技术

机器人广泛应用在工业生产中，如机床焊接、上下料和喷漆等自动化任务。现代机器人行业的高速发展和机器人的大量应用归因于机器人的精度高、速度快、成本低、安全可靠、容易操作和维护等。

由于传统的机器人设计往往是零件单独设计再组装，或者选购不同厂商的关键零部件，零件之间不可避免的有一些结构相互重复，造成了机器人关节体积、质量比较大，从而导致了负载降低，机器人整体的负重比(负载/本体质量)增大。

传统的机器人工作场合往往具有无人的特点，并且在这些场合中机器人往往被隔离在围栏中单独作高度重复的动作，这些采用静态安全设施的机器人只能完成程序化的工作，而无法自动地检测周围环境来避免伤害工作人员，来保护自身。

然而，新型化的工厂往往需要机器人来辅助工作人员而工作，或者需要多组机器人在一起协作而完成任务。机器人需要检测周围的环境，避免由于失误操作而撞击到工厂中的固定物体或移动设备(如AGV)，避免由于测试时负载过大造成的电机过载等。就这些新的要求而言，机器人需要新的更完善的安全控制方法。

本发明的难点在于，其一，模块化关节。模块化对于提高机器人的负重比，降低机器人的功率，加快不同类型的机器人的研发速度有重要的意义。其二，安全控制模块化关节的方法，降低机器人在工作过程中的各个阶段损坏自身，损坏环境的可能。确保机器人在运行过程中能够检测到各种危险，从而在设计成本和生产成本之外，大大减少对空间的需求。

发明内容

本发明提供一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法，特别提供其安全控制方法，实现机器人关节具有安全检测与防护功能。一种具有安全控制功能的模块化机器人控制方法，包括关节外壳、电机、谐波减速器、输入轴光电编码器、输出轴光电编码器、电机控制器、刹车盘和控制单元等，其特征在于，所述的控制单元处理采集到的数据来判断机器人是否超出安全界限，并限制机器人的关节转角范围内。

所述的电机控制器通过总线连接实时计算机系统，接受计算机系统在每个控制周期生成的控制量，并对直流电机进行实时监测电机的电流、电压和输出力矩等参数，从而估计电机的输出力矩。；所述的电机控制器同时采集输入轴光电编码器和输出轴光电编码器(原来为传感器)的数值，并接受主控制器的信号为关节提供动力，采集电机运动时的电流、电压和输出力矩等参数，通过计算转换为其对应的角度值传输给控制单元。

所述的控制单元安全检测控制流程步骤如下：

步骤1：根据输出端光电编码器直接检测关节位置是否在规定的极限位置范围内，根据关节位置检测关节速度，关节速度应保证在用户设置的范围内；

步骤2：根据关节位置、关节速度和关节模型检测关节广义力、关节功率和总功率，保证关节广义力、关节功率和总功率在限定的范围内；

步骤3：根据关节位置与机器人的运动学模型，检测末端执行器的位姿和末端速度，保证末端执行器的位姿和速度在用户限定的范围内；

步骤4：根据动力学与雅克比矩阵检测机器人的负载是否超出机器人能承受的最大负载。

所述的控制单元读取并处理来自输入轴光电编码器和输出轴光电编码器的数据，设置各安全变量的阈值有：

极限关节位置；

极限关节速度；

极限关节广义力；

极限关节功率；

末端执行器极限位姿；

末端执行器极限速度；

极限有效负载；

机器人极限功率。

所述的控制单元包括运动学和动力学计算，用户编程接口，建立机器人进行编程操作的人机接口。

所述的输入端光电编码器测量电机的角位移，所述的输出端光电编码器测量关节的角位移，同时用来测量此关节和下一个关节之间的相对运动量，上述编码器之间有减速传动链，读数之间可以通过传动比相互转化。

所述的输出端光电编码器，其用于检测减速机构输出轴的运动位置。

所述的极限关节位置由机器人机械设计来确定，输出端光电编码器读取机器人关节的位置，并实时监测其是否在符合安全要求的极限位置之外；输入端光电编码器的读数加上减速传动的传动比计算出机器人关节的位置，从而监测其是否在安全范围之外。

所述的极限关节位置可以由输出端光电编码器直接测出，并且确保关节位置在关节的极限位置范围内。

所述的极限关节速度由关节的位置、关节电机的功率等综合计算，关节的实时速度可以由以下公式计算：

v＝(q_t+ΔT-q_t)/ΔT

其中，q表示关节变量，t表示时间，ΔT表示采样时间间隔。若采样的时间足够短，计算所得的速度近似等于关节的瞬时速度，确保关节的瞬时速度在用户定义的关节极限速度范围内。

所述的极限关节广义力是指关节在没有负载的情况下，关节受到的力矩，此力矩为关节为支撑机器人本体所消耗，其值越小，关节可以输出的力矩就越大，能够承受的负载就越大。

所述的极限关节功率指关节的力矩乘以关节的速度来计算，并且确保关节功率不超出关节的额定功率，所述的关节功率通过关节的转动惯量和速度来计算关节的功率是否在电机的额定功率之内。

所述的末端执行器极限位姿由机器人工作的外部环境来限定，实时位姿由机器人的运动学来计算，并且确保关节的实时位姿在用户限定的空间中。

所述的末端执行器极限速度根据机器人的外部环境和具体的工作任务来限定，可以根据机器人的实时位姿来计算，通过各个关节的速度和机器人的运动学雅克比矩阵来计算末端执行器的极限速度是否在设定的安全范围之内。

所述的极限有效负载由机器人的动力学公式来计算机器人在某位姿时能够承受的最大负载。

所述的机器人极限功率由关节的位置和速度以及机器人的运动学和动力学模型来计算总功率，并且确保其速度和力矩值始终限定在一定的安全范围内。

所述的关节位置由输出端光电编码器和关节的传动比来间接测量。

一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，包括关节外壳、电机、谐波减速器、输入轴光电编码器、输出轴光电编码器、电机控制器、刹车盘和控制单元等，其特征在于，所述的关节的外壳同时是电机的外壳，减速结构在关节外壳内，减速结构上连接有刹车盘，外壳上还固定有电机控制器，所述的电机的输出轴、减速机构的输出轴上分别固定有输入端光电编码器和输出端光电编码器，减速器在电机的一侧，刹车盘、编码器、电机控制器在电机的另一侧。

所述的机器人关节提供了两个对外的接口，一是关节连接法兰，二是对外输出的谐波减速器上有法兰盘。

所述的电机控制器安装支架，隔开其他元件，为电机控制器提供安装位，所述的输入端光电编码器码盘和输出端光电编码器码盘安装于电机控制器的两侧，两个编码器的读头均固定在电机控制器上。输入端光电编码器直接安装在电机主轴上，输出端光电编码器安装在与减速器小轴上，所述的小轴穿过中空的电机主轴延伸到电机的另一侧。

上述的刹车盘支架，用于安装刹车盘，所述的刹车盘支架上安装刹车盘，刹车盘用来对电机进行减速或停止。

上述的电机主轴，所述的电机主轴采用中空轴，用以安放输入端光电编码器码盘；减速器输出法兰盘，连接连杆固定减速器与减速器同轴的小轴；所述的电机主轴延伸出电机，采用双端支撑的方式，用两个滚动轴承来支撑。

本模块化机器人关节的主要零件安装链依次为：端盖→电机控制器→输出端光电编码器→读头→输入端光电编码器→刹车盘→电机→减速器→连接法兰盘。

本发明的有益的技术效果具有机器人具有安全控制功能的控制方法，起到了对机器人自身安全的设置，机器人通过极限功率由关节的位置和速度以及机器人的运动学和动力学模型来计算出各个上述的极限数据，确保了其速度和力矩值始终限定在一定的安全范围内运行。

附图说明

图1为本发明的端盖示意图；

图2为本发明的机器人关节示意图；

图3为本发明的编码器结构示意图；

图4本发明的控制单元的流程图。

图中具体数字编号代表的特征：1.关节；11.端盖；12.减速器输出法兰盘；15.关节连接法兰；16.关节外壳；10.电机定子；13.小轴；14.谐波减速器。2.电机控制器；3.电机控制器安装支架；301.关节位置；302.关节速度；303.关节广义力；304.关节功率；305.末端位姿；306.末端速度；307.负载；308.总功率；4.输出端光电编码器码盘；51.读头一；52.读头二；6.输入端光电编码器码盘；7.刹车盘支架；8.刹车盘；9.电机主轴。

具体实施方式

下面结合附图，具体对下面实施例作进一步的详细说明。

图1所示为本发明中的模块化机器人关节，整个机器人关节提供了两个对外的接口，一是外壳11上有的法兰盘，二是关节连接法兰15，对外输出的谐波减速器14上有法兰盘12，利用这两个通用的接口，可以和连杆连接，起到快速组装机器人。

在图1所述的机器人关节关键部件包括：端盖11，和外壳16构成关节1，其内设置有关节的机械和电子元器件，本申请的关节内部的部件具体为：

电机控制器2，电机控制器同时通过总线连接实时计算机系统，接受计算机在每个控制周期生成的控制量，并对直流电机进行实时监测电机的电流，从而估计电机的输出力矩，同时采集输入轴光电编码器和输出轴光电编码器的码盘的数值，接受主控制器的信号为关节提供动力，采集电机运动时的电流、电压等参数，通过计算转换为其对应的角度值，传输给控制单元。

电机控制器安装支架3，隔开其他元件，为电机控制器提供安装位；输出端光电编码器码盘4，读头一51和读头二52一起提供减速器输出法兰盘12的转速；读头一51读取光电编码器4的格雷码、读头二52和读取光电编码器6的格雷码；输入端光电编码器6，和读头二52一起提供电机的转速；刹车盘支架7，用于安装刹车盘；刹车盘支架7上的刹车盘8，为电机减速对电机进行减速或停止；电机主轴9，用以安放输入端光电编码器码盘6；关节外壳16，为电机提供外壳，提供法兰盘接口；减速器输出法兰盘12，连接连杆固定减速器与减速器同轴的小轴；13；减速器小轴，安装输出端光电编码器码盘4；谐波减速器14，降低输出速度，增大输出力矩。

在本申请关节的计算控制单元和提供人机交互的外设接口。

图3所示是图2的补充，主要介绍输入端光电编码器码盘6和输出端光电编码器码盘4的安装：输入端光电编码器码盘6和输出端光电编码器码盘4安装于电机驱动器的两侧，两个编码器的读头均固定在电机驱动器上。输入端光电编码器4直接安装在电机主轴9上，输出端光电编码器6安装在与减速器同轴的小轴13上，小轴13穿过中空的电机主轴9延伸到电机的另一侧；两个编码器之间有减速传动链，他们的读数之间可以通过传动比相互转化，这样两个读头可以安装在同一个PCB板上，减小了空间需求。

电机主轴延伸出电机，采用双端支撑的方式，用两个滚动轴承来支撑。

所述控制单元处理采集到的数据，同时判断是否超出安全界限，对机器人关节和机器人进行安全控制，例如限制机器人的关节转角范围，关节速度。

实时安全监测的方法主要由输入端光电编码器码盘6、输出端光电编码器码盘4、电机启动器和控制单元来完成，具体参数的检测计算流程如图3所示。

本关节1的主要零件安装链为：端盖-电机驱动器-输出端光电编码器-读头-输入端光电编码器-刹车盘-电机-减速器-连接法兰盘。

一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法，具体的，主要是关节的输入端光电编码器和输出端光电编码器，提供了一种机器人的安全监测与控制方法，其包括：

关节，包括关节外壳、电机等关节的组成部分。关节提供两个连接装置(如法兰盘)用来连接两个关节连杆，驱动两个关节连杆进行相对运动，从而驱动机器人末端执行器来执行设定的任务。

输入端光电编码器，其用于检测电机输出轴的运动位置。

输出端光电编码器，其用于检测减速机构输出轴的运动位置。

控制单元，用于读取传感器的数据，根据传感器数据计算其他需要的数据，包括运动学和动力学计算。用户编程接口，用于设置各安全变量的阈值，是机器人进行编程操作的人机接口。

根据控制单元处理来自传感器的数据，来实现下列安全功能：

限制关节位置；

限制关节速度；

限制关节广义力；

限制关节功率；

限制末端执行器极限位姿；

限制末端执行器速度；

限制有效负载；

限制机器人功率。

本发明的一个实例中，输入端光电编码器测量电机的角位移，输出端光电编码器测量关节的角位移。本发明的一个实例中，应至少实现以下安全功能：

限制关节位置；

限制关节速度；

限制关节广义力。

本申请的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法的控制单元在独立的计算器中，计算器连接外设显示器作为编程接口。

具体控制单元的安全检测控制流程具体参照图4：

步骤1：根据输出端光电编码器4直接检测关节位置301是否在规定的极限范围内，根据关节位置检测关节速度302，关节速度应保证在用户设置的范围内；

步骤2：根据关节位置、关节速度和关节模型检测关节广义力、关节功率和总功率，保证关节广义力、关节功率和总功率在限定的范围内；

步骤3：据关节位置301与机器人的运动学模型，检测末端执行器的位姿305和末端速度306，保证末端执行器的位姿和速度在用户限定的范围内；

步骤4：根据动力学与雅克比矩阵检测机器人的负载307是否超出机器人能承受的最大负载。

机器人的负载307可以通过动力学计算出常规状态下的最大负载，从而省略复杂的动力学计算。检测关节位置301的时候，可以用输出端光电编码器6和关节的传动比来间接测量。

在上述的关节1极限位置301由机器人机械设计来确定，输出端光电编码器可以直接读取机器人关节的位置，并实时监测其是否在符合安全要求的极限位置之外；(输入端光电编码器的读数加上减速传动的传动比也可以间接计算出机器人关节的位置，从而监测其是否在安全范围之外。)一般要求避免干涉，避开机器人的奇异点。关节的实时位置可以由输出端光电编码器6直接测出，并且确保关节1的实时位置在关节的极限位置范围内。

关节1的极限速度302由关节的位置301、关节电机的功率304等综合计算，关节的实时速度可以由以下公式计算：

v＝(q_t+ΔT-q_t)/ΔT

其中，q表示关节变量，t表示时间，ΔT表示采样时间间隔。若采样的时间足够短，计算所得的速度近似等于关节的瞬时速度，确保关节的瞬时速度在用户定义的关节极限速度范围内。

在上述的关节广义力303是指关节在没有负载的情况下，关节受到的力矩，此力矩为关节为支撑机器人本体所消耗，其值越小，关节可以输出的力矩就越大，能够承受的负载就越大。广义力可以根据机器人的动力学公式来计算，并且确保关节广义力给定的界限内。关节广义力303通过关节的位置、速度和加速度和关节的惯性张量矩阵来计算关节中所施加的力矩；还可以通过测量机器人空载时电机的电流来估算电机的输出力矩。比较判断此力矩是否在安全范围之内。

上述的关节功率304指所述关节的力矩乘以关节的速度来计算，并且确保关节功率不超出关节的额定功率，上述的关节功率通过关节的转动惯量和速度来计算关节的功率是否在电机的额定功率之内。

末端执行器的极限位姿305由机器人工作的外部环境来限定，实时位姿由机器人的运动学来计算，并且确保关节的实时位姿在用户限定的空间中，通过传感器的数据以及机器人的运动学模型来计算末端执行器的位姿限定在某一范围，避免碰撞等问题发生。

机器人末端执行器的末端速度306根据机器人的外部环境和具体的工作任务来限定，可以根据机器人的实时位姿来计算，通过个关节的速度和机器人的运动学雅克比矩阵来计算末端执行器的极限速度是否在设定的安全范围之内。

机器人末端执行器的最大负载307由机器人的动力学公式来计算机器人在某位姿是能够承受的额最大负载，应考虑到机器人执行任务时的有效位姿，通过限制最大负载设置，若负载超出最大负载则启用安全保护，确保机器人的运行安全。

机器人的功率308有关节的位置301和速度302以及机器人的运动学和动力学模型来计算总功率，并且确保其速度和力矩值始终限定在一定的范围内，确保其保持在一定的安全范围内。

本发明提出了一种具有安全控制功能的模块化机器人关节与控制方法，末端执行器是指机器人本体的末端固联的执行装置，一般在应用的时候，机器人应用集成商会在机器人的末端加上各种执行器，如抓手、夹子、焊枪等。在此关节的基础上，提出了一种进行机器人安全检测的方法。此方法不仅仅局限于本发明提到的机器人关节，也适用于其他应用两个传感器的关节类型。该传感器布局的关键之处在于，一个位于电机输出轴端，测量动力源的运动变量；另一个位于输出端，测量需要的执行机构的运动变量；两者之间通常有减速结构连接，如齿轮组，涡轮蜗杆，链传动，四杆机构。

Claims (10)

1.一种具有安全控制功能的模块化机器人控制方法，包括关节外壳、电机、谐波减速器、输入轴光电编码器、输出轴光电编码器、电机控制器、刹车盘和控制单元等，其特征在于，所述的控制单元处理采集到的数据来判断机器人是否超出安全界限，并限制机器人的关节转角范围内。

所述的电机控制器通过总线连接实时计算机系统，接受计算机系统在每个控制周期生成的控制量，并对直流电机进行实时监测电机的电流、电压和输出力矩等参数；所述的电机控制器同时采集输入轴光电编码器和输出轴光电编码器的数值，并接受主控制器的信号为关节提供动力，采集电机运动时的电流、电压和输出力矩等参数，通过计算转换为其对应的角度值传输给控制单元。

所述的控制单元安全检测控制流程步骤如下：

步骤1：根据输出端光电编码器直接检测关节位置是否在规定的极限位置范围内，根据关节位置检测关节速度，关节速度应保证在用户设置的范围内；

步骤2：根据关节位置、关节速度和关节模型检测关节广义力、关节功率和总功率，保证关节广义力、关节功率和总功率在限定的范围内；

步骤3：根据关节位置与机器人的运动学模型，检测末端执行器的位姿和末端速度，保证末端执行器的位姿和速度在用户限定的范围内；

步骤4：根据动力学与雅克比矩阵检测机器人的负载是否超出机器人能承受的最大负载。

所述的控制单元读取并处理来自输入轴光电编码器和输出轴光电编码器的数据，设置各安全变量的阈值有：

极限关节位置；

极限关节速度；

极限关节广义力；

极限关节功率；

末端执行器极限位姿；

末端执行器极限速度；

极限有效负载；

机器人极限功率。

2.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人控制方法，其特征在于，所述的控制单元包括运动学和动力学计算，用户编程接口，建立机器人进行编程操作的人机接口。

3.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的输入端光电编码器测量电机的角位移，所述的输出端光电编码器测量关节的角位移，上述编码器之间有减速传动链，读数之间可以通过传动比相互转化。

4.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的输出端光电编码器，其用于检测减速机构输出轴的运动位置。

5.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的极限关节位置由机器人机械设计来确定，输出端光电编码器读取机器人关节的位置，并实时监测其是否在符合安全要求的极限位置之外；输入端光电编码器的读数加上减速传动的传动比计算出机器人关节的位置，从而监测其是否在安全范围之外，所述的极限关节位置可以由输出端光电编码器直接测出，并且确保关节位置在关节的极限位置范围内。

6.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的极限关节速度由关节的位置、关节电机的功率等综合计算，关节的实时速度可以由以下公式计算：

v＝(q_t+ΔT-q_t)/ΔT

其中，q表示关节变量，t表示时间，ΔT表示采样时间间隔。若采样的时间足够短，计算所得的速度近似等于关节的瞬时速度，确保关节的瞬时速度在用户定义的关节极限速度范围内。

7.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的极限关节广义力是指关节在没有负载的情况下，关节受到的力矩，此力矩为关节为支撑机器人本体所消耗，其值越小，关节可以输出的力矩就越大，能够承受的负载就越大，所述的极限关节功率指关节的力矩乘以关节的速度来计算，并且确保关节功率不超出关节的额定功率，所述的关节功率通过关节的转动惯量和速度来计算关节的功率是否在电机的额定功率之内。

8.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的末端执行器极限位姿由机器人工作的外部环境来限定，实时位姿由机器人的运动学来计算，并且确保关节的实时位姿在用户限定的空间中，所述的末端执行器极限速度根据机器人的外部环境和具体的工作任务来限定，可以根据机器人的实时位姿来计算，通过各个关节的速度和机器人的运动学雅克比矩阵来计算末端执行器的极限速度是否在设定的安全范围之内。

9.根据权利要求1所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的极限有效负载由机器人的动力学公式来计算机器人在某位姿时能够承受的最大负载，所述的机器人极限功率由关节的位置和速度以及机器人的运动学和动力学模型来计算总功率，并且确保其速度和力矩值始终限定在一定的安全范围内。

10.根据权利要求6所述的一种具有安全控制功能的模块化机器人关节，其特征在于，所述的关节位置由输出端光电编码器和关节的传动比来间接测量。