CN212421307U - 一种提升安全控制性能的工业机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种提升安全控制性能的工业机器人，工业机器人包括：底座；机械臂；关节，连接相邻的两个机械臂部分；执行端，一端连接于机械臂，另一端可连接工具；速度或加速度传感器，设置于关节，或者设置于关节和执行端；电机编码器，设置于关节的传动装置，以及控制模块。控制模块的第一控制模块和第二控制模块分别获取第一安全信息和第二安全信息，比较两者不一致时，控制机器人执行安全动作。本实用新型的有益效果是：工业机器人的安全性好，成本低廉。

Description

一种提升安全控制性能的工业机器人

技术领域

本实用新型涉及一种工业机器人领域，特别是涉及一种提升安全控制性能的工业机器人。

背景技术

随着社会的发展，机器人开始广泛应用于各个领域，包括家用机器人、工业机器人等多个领域。其中，协作机器人作为工业机器人中的轻型机器人可以协助人们高效的完成工作，可以高精度和高效率的完成危险环境的工作，因此受到广泛的青睐。

协作机器人在工作中，可能需要与人类近距离互动，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重要的指标。

常规的机器人***具有碰撞检测的功能，通过机械手部件处生成的不正常力矩来检测机器人与其环境的碰撞，并且当在检测到碰撞时，机器人***执行控制以便停止机器人的操作或者以其他方式减轻与环境的碰撞。在这种碰撞检测的方法中，碰撞检测的灵敏度至关重要，但是，高精度的根据机器人的机械手部件力矩检测人类与机器人之间的碰撞是很困难的，因此该种方法检测人类与机器人之间的碰撞不够可靠。

现有技术中，也有人采用增加电容传感器的方式来检测物体和人类的接近而产生的电容变化，以判断机器人和物体或人类的接近，但电容传感器检测的材料有限，因此其实现的安全性能也非常有限。

因此，有必要设计一种安全性能好的工业机器人。

实用新型内容

鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种安全性能好的工业机器人。

本实用新型可采用如下技术方案：一种工业机器人，包括：底座，用于承载所述工业机器人；机械臂，连接于底座，所述机械臂包括两个及以上机械臂部分；关节，用于连接相邻的所述机械臂部分，所述关节包括传动装置；执行端，一端连接于机械臂，另一端可连接工具以通过机械臂带动工具执行工作任务；其特征在于，所述工业机器人还包括：速度或加速度传感器，设置于所述关节处，或者设置于所述关节处和执行端，用于检测关节的位置和速度的至少其中之一；电机编码器，设置于所述传动装置，用于检测工业机器人关节的位置和速度至少其一；控制模块，包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块电连接于所述速度或加速度传感器，用于获取第一安全信息；所述第二控制模块电连接于所述电机编码器，用于获取第二安全信息；控制模块比较第一安全信息和第二安全信息不一致时，控制工业机器人执行安全动作。

进一步的，所述第一控制模块根据所述速度或加速度传感器的检测计算关节的力矩信息，所述第一安全信息包括所述力矩信息。

进一步的，所述工业机器人包括电流传感器，所述第二控制模块根据电流传感器获取关节力矩信息，所述第二安全信息包括根据电流传感器获取的关节力矩信息。

进一步的，所述第一安全信息或第二安全信息中至少其中之一不能满足预设安全要求时，控制模块控制工业机器人执行安全动作。

进一步的，所述速度或加速度传感器包括惯性测量单元、三轴加速度计、三轴地磁计、陀螺仪、三轴速度传感器的其中至少一种。

进一步的，所述第一安全信息和第二安全信息分别包括关节位置信息、关节速度信息、关节力矩信息。

进一步的，所述关节包括肘部关节，所述肘部关节用于连接机械臂相对较长的俩相邻机械臂部分，所述第一安全信息和第二安全信息还分别包括根据关节速度、关节位置、关节力矩的至少其一得到的信息，该信息包括：工具位置、工具取向、工具速度、工具力、肘部关节位置、肘部关节速度、肘部关节力，机器人功率、机器人动量、机器人停止距离、机器人停止时间、紧急停止、保护停止、机器人移动数字输出、机器人未停止数字输出、模式区减小。

与现有技术相比，本实用新型具体实施方式的有益效果为：工业机器人通过第一检测模块和第二检测模块分别得到第一安全信息和第二安全信息，并通过速度或加速度传感器以及电机编码器分别检测关的速度和位置信息，使得对安全信息的检测和获取均保持独立，使得工业机器人安全性好。

附图说明

以上所述的本实用新型的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：

图1是本实用新型的一个实施例的工业机器人的立体图

图2是本实用新型的一个实施例的工业机器人执行端连接工具的示意图

图3是本实用新型的一个实施例的机器人关节的剖视图

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型保护一种工业机器人，参图1-3，图1示例性的给出了本实用新型中一个实施例的工业机器人100的立体图，图2示例性的给出了本实用新型一实施例的工业机器人100执行端连接工具200的示意图，图3给出了本实用新型一实施例的关节130剖视图。如图1，工业机器人100包括底座110，底座110用于承载所述工业机器人100，用户可以通过底座110将工业机器人100安装至工作平台以执行工作；机械臂，连接于所述底座110，能够移动以执行机器人100的工作任务，机械臂包括两个及以上机械臂部分 121；关节130，用于连接相邻的机械臂部分121，上述关节130还包括传动装置131，传动装置131产生动力使得所连接的机械臂部分121发生移动；执行端140，参图2，上述执行端140一端连接于机械臂，另一端可以连接工具200，机械臂移动带动工具200移动以使得工具能够执行工作任务，具体的，工具可以示例性的包括机械爪。两个及以上机械臂部分121能够在关节 130作用下发生转动，不同的机械臂部分121可能具有不同的长度，使得工业机器人100能够覆盖较大的工作范围，同时灵活性较好。具体的，执行端 140包括工具法兰，一端固定连接于机械臂，另一端可安装工具200以执行工作。上述工业机器人100还包括，速度或加速度传感器133，设置于所述关节130处，或者设置于所述关节130处和所述执行端140，用于检测机器人关节130的位置和速度至少其一，具体的，执行端140的速度或加速度传感器133所检测的信息用以获得执行端140前一关节130的位置和速度信息。上述工业机器人100还包括，电机编码器132，设置于所述传动装置131，用于检测工业机器人关节130的位置和速度至少其一；控制模块，包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块电连接于所述速度或加速度传感器133，用于获取第一安全信息，上述获取第一安全信息既包括获取上述速度或加速度传感器133的检测信息，也包括获取其他必要的传感器所检测的信息，还包括根据以上通过传感器获取的信息直接或间接得出的信息，所述直接或间接得出的信息包括第一控制模块计算得出的信息；所述第二控制模块电连接于所述电机编码器132，用于获取第二安全信息，上述获取第二安全信息既包括获取上述电机编码器132的检测信息，也包括获取其他必要传感器检测的信息，还包括根据以上通过传感器检测的信息直接或间接得出的信息，所述直接或间接得出的信息包括第二控制模块计算得出的信息；所述控制模块比较第一安全信息和第二安全信息，当比较两者不一致时，控制工业机器人100执行安全动作。所述控制模块比较第一安全信息和第二安全信息不一致包括，第一控制模块比较发现第二安全信息与自身获取的第一安全信息不一致，或者，第二控制模块比较发现第一安全信息与自身获取的第二安全信息不一致。上述控制机器人100执行安全动作包括工业机器人100安全规范所定义的各种动作，此处不再赘述。通过第一控制模块和第二控制模块分别获取第一安全信息和第二安全信息，且第一安全信息和第二安全信息和第二安全信息分别通过不同的通道(不同的传感器和不同的控制模块)进行检测，使得检测结果独立，不安全因素能够被及时发现，工业机器人100 安全性能好。

第一安全信息和第二安全信息分别包括多项信息，比较第一安全信息和第二安全信息不一致包括对各项信息分别进行比较以判断其是否一致，当第一安全信息和第二安全信息中的某项信息不一致时，控制机器人100执行安全动作。需要说明的是，对于第一安全信息和第二安全信息的获取可能存在必有的误差，这不应当包括在比较第一安全信息和第二安全信息不一致的范围内，所谓的不一致的判断，允许必要的误差的存在。所谓的不一致的判断，表征第一安全信息和第二安全信息实质不一致，而非由必要的检测或计算误差而引起的不一致。

工业机器人100包括多种类型，协作机器人是近年来发展迅猛的其中一种，协作机器人的控制模块至少包括两部分，即协作机器人的控制箱和协作机器人关节130处的控制单元，协作机器人的控制箱是其总控中心，能够处理协作机器人的工作信息以及根据当前的工作状况生成合适的工作指令。

工业机器人100还包括用户接口装置，用于对工业机器人100进行编程以控制其执行预设的操作。该用户接口装置包括示教器，设置于工业机器人 100主体的外部并可连接至工业机器人100主体，工业机器人100包括该示教器。

为了保证工业机器人100工作中的安全性，至少需要获取工业机器人100 关节130的位置、速度、力矩，速度或加速度传感器133可以获取关节130 的位置和速度，电机编码器132也可以获取关节130的位置和速度，两者独立工作，以分别获取第一安全信息的关节130位置和速度信息以及第二安全信息的关节130位置和速度信息。上述速度或加速度传感器133能够获取关节130的位置和速度信息，第一控制模块能够根据该速度或加速度传感器133 检测的关节130位置和速度信息，计算关节130的力矩信息，上述第一安全信息包括第一控制模块通过速度或加速度传感器133获取的关节130位置和速度信息，也包括第一控制模块通过上述速度或加速度信息检测的关节130 位置和关节130速度信息，计算得出的关节130力矩。需要说明的是，上述速度或加速度传感器还设置于执行端，用于检测执行端的上一关节的关节位置和速度信息，以及，第一控制模块根据执行端检测的上一关节位置和速度信息，计算该关节力矩信息。该工业机器人100还包括电流传感器134，第二控制模块根据电流传感器134获取关节130的力矩信息，上述第二安全信息包括上述电流传感器134检测的关节130力矩信息。也就是说，上述第二安全信息包括第二控制模块通过电机编码器132获取的关节130位置和速度信息，以及第二控制模块通过电流传感器134获取的关节130力矩信息。具体的，工业机器人100的关节130包括电机编码器132，以及速度或加速度传感器133，第一控制模块通过电机编码器132获取该关节130的位置和速度信息，第二控制模块通过速度或加速度传感器133获取该关节130上一关节130的位置和速度信息，因为该关节130处的速度或加速度传感器133检测的数据信息，实际上反映了该关节130上一关节130的输出，因此，通过该关节130速度或加速度传感器的检测数据，可以得到该关节130上一关节130的位置和速度信息。进一步的，工业机器人100的执行端140包括速度及加速度传感器，也就是说，工业机器人100的工具法兰包括速度或加速度传感器，具体的，该工具法兰处的速度或加速度传感器133检测到的信息用于得到该工具法兰上一个关节130的关节速度和位置。在一个示例性实施例中，工业机器人100为六轴机器人100，工具法兰处设有速度及加速度传感器，工具法兰处的速度或加速度传感器133用于获取工业机器人100第六关节的位置和速度信息，并与该第六关节处的电机编码器132共同获取该关节的位置和速度信息，得到第一安全信息的关节130位置和速度信息，以及第二安全信息的关机恩位置和速度信息。综上所述，第一安全信息包括第一控制模块通过速度或加速度传感器133获取的信息，以及通过该速度或加速度获取的信息计算而得到的信息；第二安全信息包括第二控制模块通过电机编码器132获取的信息，以及通过电流传感器134获取的信息。至此，能够分别通过第一控制模块和第二控制模块得到第一安全信息的关节位置、速度、力矩，以及第二安全信息的关节位置、速度、力矩，将两者的相应项进行比较，以判断是否执行安全动作。

在本实施例中，工业机器人100的关节处设置有速度或加速度传感器133 及电流传感器134，以及，工业机器人的执行端设有速度或加速度传感器133，关节130连接相邻的机械臂部分121，通过操纵关节130来控制与之连接的机械臂部分121的移动。关节130与机械臂部分121通过易拆卸安装的方式连接，例如螺纹连接。通过将速度或加速度传感器133，以及电流传感器134 主要设置于所述关节130处，使得工业机器人100主体的电子器件集中于关节130，关节130和机械臂部分121可以模块化设计及安装，使用中如果某部分出现故障，也方便更换及安装。具体的，工业机器人100包括控制模块，控制模块包括位于工业机器人100主机外部的控制机，以及位于工业机器人 100关节的控制单元，通过将控制单元设置于关节130，使得工业机器人100 主体的控制部分大体集中于关节130处，方便机器人100模块化设计及安装，使得工业机器人100的使用体验更好。

在本实施例中，控制模块比较第一安全信息和第二安全信息不一致时，执行安全动作。进一步的，第一安全信息和第二安全信息至少其中之一不能满足预设安全条件时，控制模块控制工业机器人100执行安全动作。即，当第一安全信息和第二安全信息一致时，第一安全信息和第二安全信息中的某项检测信息可能不能满足预设的安全要求，此时，控制模块控制工业机器人 100执行安全动作。

在本实施例中，速度或加速度传感器包括惯性测量单元(I MU)、三轴加速度计、三轴地磁计、陀螺仪、三轴速度计的其中至少一种。该速度或加速度传感器用于获取工业机器人100的关节位置、关节速度信息的至少其中之一。工业机器人100通过速度或加速度传感器133获取关节位置信息还包括，在工业机器人100开始工作前，获取工业机器人100关节初始位置，具体的，通过工业机器人100的传感器***获取该初始位置，或者，接收用户的设定以获得该初始位置，第一控制模块根据速度或加速度传感器133的检测获取关节130位置信息，进一步的，第一控制模块根据速度或加速度的检测，结合关节130的初始位置，积分计算获取关节130的位置。具体的，速度或加速度传感器133可用于检测工业机器人100的关节位置和关节速度，同时，速度和加速度传感器还可用于确定机器人100的绝对姿态，例如，可用于安装姿态的确定。综上，选择速度或加速度传感器133检测工业机器人100关节的位置信息和速度信息，同时该速度和加速度传感器还具有用以确定机器人100的绝对姿态等功能，实现了功能复用，更加节约元器件，可以减少机器人元器件，因而降低工业机器人的制造成本，以及简化工业机器人的零件构成。

本实用新型所述的第一安全信息和第二安全信息，如前所述，分别包括关节位置信息、关节速度信息、关节力矩信息，除此之外，第一安全信息和第二安全信息还包括根据上述关节位置信息、关节速度信息、关节力矩信息至少其一得到的信息，具体包括：

工具位置，即限制机器人100工具的位置，具体的，通过第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人100工具的位置，第一安全信息和第二安全信息分别包括工具位置信息，比较第一安全信息和第二安全信息的工具位置信息不同时，控制工业机器人100执行安全动作；

工具取向，即限制机器人100工具的最大取向，具体的，通过第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人100工具的取向，第一安全信息和第二安全信息分别包括工具取向，比较第一安全信息和第二安全信息的工具取向不同时，控制工业机器人100执行安全动作。

工具速度，即限制机器人100工具的最大速度，具体的，通过第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人100工具的速度，第一安全信息和第二安全信息分别包括工具速度，比较第一安全信息和第二安全信息的工具速度不同时，控制工业机器人100执行安全动作。

工具力，即限制机器人100工具在工作具体情况下施加的最大力。例如，当工具为夹紧工具200时，限制机器人100在夹紧情况下施加的最大力。与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算工具力，并在两者不一致时执行安全动作。

需要说明的是：工业机器人100通常具有多个关节，以及其机械臂通常由多个机械臂部分121组成，具体的，机械臂部分121包括相对较长的两个部分，以及其他相对较短的部分，具体的，连接两个相对较长的相邻机械臂部分121的关节被定义为肘部关节。具体的，在本实施例中，肘部关节为一个关节，即通过一个关节连接机械臂相对较长的俩机械臂部分，在其他实施例中，肘部关节也可能包括两个关节，即通过两个关节连接机械臂相对较长的俩机械臂部分121。

第一安全信息和第二安全信息具体还包括：

肘部关节位置，即限制肘部关节的位置范围，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算肘部关节位置，并在两者不一致时执行安全动作。

肘部关节速度，即限制肘部关节130的最大速度，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算肘部关节速度，并在两者不一致时执行安全动作。

肘部关节力，即限制肘部关节130的最大力，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算肘部关节力，并在两者不一致时执行安全动作。

需要说明的是，工业机器人100具有多个关节130，多个关节130的安全信息不完全相同，因此必要时，需要对每个关节的安全信息的监控进行设定。肘部关节作为比较关键的关节，应该严格设定其安全信息的监控信息。

机器人功率，即限制机器人100对环境做的最大机械功，具体的，该限制将有效负载视为机器人100而非环境的一部分，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人100功率，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人动量，即限制最大机器人动量，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人动量，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人停止距离，即限制当停止机器人工具或肘部可移动的最大距离，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人100停止距离，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人停止时间，即限制让机器人停止需要花费的最长时间，比如：当紧急停止激活时，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别计算机器人100停止时间，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人紧急停止，即检测机器人紧急停止的信息，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别获取机器人紧急停止信息，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人保护停止，即在输入引脚低且机器人处于自动模式时执行保护停止，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别获取机器人保护停止信息，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人移动数字输出，即获取机器人移动数字输出信息，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别获取机器人移动数字输出信息，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人未停止数字输出，即获取机器人未停止状态下的数字输出，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别获取机器人未停止数字输出，并在两者不一致时执行安全动作。

机器人模式区减小，即获取机器人模式区减小信息，与上文类似的，第一控制模块和第二控制模块分别获取机器人模式区减小信息，并在两者不一致时执行安全动作。

以上安全信息是对工业机器人领域通常需要获取及判断以执行安全动作的常用信息，不是对所有安全信息的列举，本实用新型的保护范围应该以权利要求书限定的为准。

以上实施例的有益效果是：工业机器人具有第一控制模块和第二控制模块分别获取第一安全信息和第二安全信息，并且使用速度或加速度传感器 133以及电机编码器132等独立的传感器，使得一方面关于安全信息的检测比较独立，且控制模块的处理动作也比较独立，工业机器人工作的安全性得以保证。同时，电机编码器132和速度或加速度传感器133均可以功能复用，从而减少了工业机器人的组成部件数量，降低整机制造成本，以及简化了工业机器人的构成。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种工业机器人，包括：

底座，用于承载所述工业机器人；

机械臂，连接于底座，所述机械臂包括两个及以上机械臂部分；

关节，用于连接相邻的所述机械臂部分，所述关节包括传动装置；

执行端，一端连接于机械臂，另一端可连接工具以通过机械臂带动工具执行工作任务；

其特征在于，所述工业机器人还包括：

速度或加速度传感器，设置于所述关节处，或者设置于所述关节处和执行端，用于检测关节的位置和速度的至少其中之一；

电机编码器，设置于所述传动装置，用于检测工业机器人关节的位置和速度至少其一；

控制模块，包括第一控制模块和第二控制模块，所述第一控制模块电连接于所述速度或加速度传感器，用于获取第一安全信息；所述第二控制模块电连接于所述电机编码器，用于获取第二安全信息；控制模块比较第一安全信息和第二安全信息不一致时，控制工业机器人执行安全动作。

2.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述第一控制模块根据所述速度或加速度传感器的检测计算关节的力矩信息，所述第一安全信息包括所述关节的力矩信息。

3.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述工业机器人包括电流传感器，所述第二控制模块根据电流传感器获取关节的力矩信息，所述第二安全信息包括根据电流传感器获取的关节的力矩信息。

4.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述第一安全信息或第二安全信息中至少其中之一不能满足预设安全要求时，控制模块控制工业机器人执行安全动作。

5.根据权利要求1所述的工业机器人，其特征在于，所述速度或加速度传感器包括惯性测量单元、三轴加速度计、三轴地磁计、陀螺仪、三轴速度传感器的其中至少一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的工业机器人，其特征在于，所述第一安全信息和第二安全信息分别包括关节位置信息、关节速度信息、关节力矩信息。

7.根据权利要求6所述的工业机器人，其特征在于，所述关节包括肘部关节，所述肘部关节用于连接机械臂相对较长的俩相邻机械臂部分，所述第一安全信息和第二安全信息还分别包括根据关节速度、关节位置、关节力矩的至少其一得到的信息，该信息包括：工具位置、工具取向、工具速度、工具力、肘部关节位置、肘部关节速度、肘部关节力，机器人功率、机器人动量、机器人停止距离、机器人停止时间、紧急停止、保护停止、机器人移动数字输出、机器人未停止数字输出、模式区减小。

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