用于工业机器人的安全系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于工业机器人的安全系统，具体地讲，提供了一种工业机器人和一种经由预定义安全功能来实施安全系统的方法。为了执行此类安全功能，所述机器人在连接两个机械臂部分的关节中包括：用于感测所述关节中的齿轮的输入侧上的角取向的第一位置传感器(132)；以及用于感测所述齿轮的输出侧上的角取向的第二位置传感器(133)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及机器人安全系统。更具体地讲，本专利技术涉及一种经由预定义安全功能来实施安全系统的工业机器人。
技术介绍
机器人广泛用于工业应用中，诸如，电子电路板组装和其他自动化组装任务。现代机器人的高度普及归因于其构造简单、成本低、维护费用低、重量轻、精度高、速度快且具有顺应性特征。一般而言，编程工业上使用的机器人需要专业知识，并且只能由所属领域的技术人员(通常称为系统集成商)执行。对于工业使用或甚至家用的多用途机器人，一些重要的安全问题仍未解决。常规的机器人系统具有碰撞检测功能，该功能根据机器人的机械手部件处所生成的不正常力矩来检测机器人与其环境的碰撞。如果该碰撞检测功能检测到碰撞，那么系统会执行控制，以便停止机器人的操作或者以其他方式减轻碰撞力。由于这一点，对机器人和在机器人以及周围设备处提供的装置的损坏会被保持在最低限度。然而，当使用碰撞检测功能来检测人类与机器人之间的碰撞时，需要提高碰撞检测的灵敏度，以便确保人类的安全。由于这个原因，应设法精确估计机器人不同部件处齿轮或减速器等的摩擦力矩。就这点而言，摩擦力矩会根据外部空气温度和机器人的操作状态而波动，因此要高精度地估计摩擦力矩比较困难。因此，难以根据机器人的机械手部件力矩来精确检测人类与机器人之间的碰撞，并且防止伤害人类。然而，当人类直接接触机器人而二者之间不存在携载物体时，人类与机器人之间出现的力不会被检测到。此外，即使在机器人的臂与手等等之间附接上检测力的力传感器，也不可能在传感器无法检测的机器人臂部分检测到人类的接触。由于这个原因，在现有技术中，无法提供当人类与机器人可能直接接触时能够进行安全交互作业的机器人系统。人们已采用电容传感器来测量在传感器所形成的电容器的电场中由于物体接近而产生的电容变化。除了所有导电良好的材料之外，电容传感器仅会检测电容率足够高的那些材料。在快速移动设备的固体部件在空间中自由移动的情况下，电容传感器不可用作安全装置。就这一点而言，需要能进行可靠人机协同合作的完整系统。机器人这种实体机器可能存在潜在危险，并且可能会与人类发生碰撞而伤害到人类。在硬件或软件存在缺陷的情况下，机器人甚至可能做出系统集成商(在设置机器人时负责安全的人员)未预料到的意外动作。由于这个原因，可能非常需要一种具有改进安全系统的机器人。US2010/0324733公开了一种具有安全系统的机器人，包括关节、安装在每个关节处的第一力矩传感器和第二力矩传感器。力矩传感器(诸如，应变计)不适用于获得可靠的安全控制系统。此外，US2010/0324733中的传感器连接到发射器单元S内集成电路(IC)形式的两个计算单元S1、S2，该计算单元具有微控制器。因此，US2010/0324733并未将所有传感器电路置于同一部件上，故而不太适用于安全控制。本专利技术的难题在于为部件能在空间中自由移动的设备的操作提供安全装置，该安全装置在没有复杂且昂贵的外围设备的情况下准许此类设备可靠且安全地操作，并且还确保在早期阶段可靠地检测到装置部件与人类或物体之间的碰撞，从而除了避免设计成本和生产成本之外，大大减少此类装置的空间需求，因此在将来，人和机器可以共同使用工作区域。
技术实现思路
根据本专利技术，通过具有专用安全控制系统的可编程机器人系统来实现上述及其他目标。具体而言，本专利技术的目标是提供一种可编程机器人系统，该可编程机器人系统可以在不需要专业知识的情况下以简单且容易的方式编程，即，可以例如由行业操作员或技术员或者甚至由例如在家里的个人执行。具体而言，安全控制系统采用每个机器人关节中的两个位置传感器来实现所需安全功能，如下文更详细地说明。位置传感器用于感测齿轮或类似传动装置的输入侧或输出侧上的角位置或线性位置。如果这些安全功能中的任何安全功能发现任何违反操作限制或者硬件或软件错误，那么机器人将进入安全状态。根据本专利技术，该系统被设计成使得软件或硬件的任何单个故障都不会导致机器人变得危险。实现这一点的常用方式是采用两个单独系统(分支)来执行安全功能。这两个系统都可以独立地切断机器人的电源。这两个系统中的每个系统可以监控所需的安全参数。本专利技术人已经发现，若将位置传感器放置在齿轮的两侧上，则可以采用简单的方式解决与工业机器人相关的某些安全问题。在机器人关节中，将传感器放置成使得一个位置传感器位于齿轮的输入侧(电机侧)上，并且另一个传感器位于齿轮的输出侧(机械臂侧)上。重要的是，通过将所有传感器电路放置在同一部件上(与使用分开的部件用于传感器电路的US2010/0324733形成对比)，控制单元处理来自这两个传感器的信息，以便实现一个或多个安全功能。安全系统基于这两个传感器执行众多安全功能。每个安全功能将其使用的值与第二分支进行比较，并且在两个值不一致的情况下，使机器人进入安全状态。为了防止因违反安全造成的故障，多数的安全功能还对参数进行了限制。例如，安全功能可以限制机械臂移动的速度，以避免动量超限。安全功能在本文中定义为：限制关节位置安全功能：在第一系统中，输出侧位置传感器直接监控机器人关节的角度，并且检测该角度是否在安全设置所定义的界限之外。在第二系统中，通过将完整旋转的次数和齿轮齿数比考虑在内，输入侧位置传感器计算对应的输出侧位置。限制关节速度安全功能：机器人关节的速度可以通过一定时间间隔内的位置差值(数值求导)来进行近似。在运用高清晰度位置传感器及良好时间测量的情况下，这个近似可以相当准确。因此，这两个安全系统分支中每个分支中的速度安全功能得以实现。限制关节力矩安全功能：通过了解每个机器人关节的位置和速度以及机械臂中的质量分布，可以计算出在每个机器人关节中所施加的预期力矩(输出侧)。还测量电机电流，以估算关节上的电机侧力矩(输入侧)。这两个系统可以用来证明力矩在给定的界限内。限制工具位置安全功能：其中这两个传感器与机器人运动学的软件模型结合使用，以推断出机械臂端部执行器的位置，并且确保该位置在用户定义的一些界限内。限制工具取向安全功能：其中这两个传感器与机器人运动学的软件模型结合使用，以推断出机械臂端部执行器的取向，并且确保该取向在指定的一些角度界限内。限制工具速度安全功能：位置的数值求导可以用来估算工具的速度，类似于“限制关节速度安全功能”和“限制工具位姿安全功能”。限制工具力安全功能：“限制关节力矩安全功能”中提及的预期力矩可以投射到笛卡尔空间中，以便实现限制力的功能。限制动量安全功能：通过使用机械臂中的质量分布和有效载荷的模型，机器人关节的位置和速度可用于计算和限制任何给定时间点的机器人的动量和有效载荷。紧急停止安全功能：当按下紧急停止时，采用冗余速度测量来检查机器人是否确实在减速，借此机器人以故障安全方式主动地减速并处于程序轨线内。保护停止安全功能：当保护输入启用时，速度估计也可以用来控制和确保机器人发生冗余减速。限制功率安全功能：通过减小由关节产生的力矩，基于关节速度，该安全功能用于确保机器人产生的总机械功保持在某一界限内。机器人移动数字输出安全功能：这两个传感器可以各自检测机器人关节是否在移动，并且相应地设置输出。机器人未停止数字输出安全功能：这两个传感器可以结合关节中的电流消耗，各自检测机器人是否没有主动制动或停止，并且相应地设置输出。模式区减小安全功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有安全系统的工业机器人，包括：·关节，所述关节连接机械臂的两个机械臂部分，并且配备有齿轮或类似传动装置，用于将力或力矩从一个机械臂部分传送到另一个机械臂部分；·第一位置传感器，所述第一位置传感器用于感测所述传动装置的输入侧或输出侧上的位置；·第二位置传感器，所述第二位置传感器用于感测所述传动装置的所述输入侧或输出侧上的位置；·控制单元，所述控制单元用于实施实体机械臂的软件模型，包括运动学和动力学计算；·用户接口装置，所述用户接口装置包括用于对所述机器人进行编程的装置，所述用户接口装置设置在所述机器人的外部，作为所述机器人的一体部件或者作为以上二者的组合；·存储装置，所述存储装置与所述用户接口装置和所述控制单元协作，用于存储与所述机器人的移动和其他操作相关的信息；·其中所述控制单元处理来自所述两个传感器的信息，以实现一个或多个安全功能，诸如，确定所述关节是否超出预定范围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.04 DK PA2014701031.一种具有安全系统的工业机器人，包括：·关节，所述关节连接机械臂的两个机械臂部分，并且配备有齿轮或类似传动装置，用于将力或力矩从一个机械臂部分传送到另一个机械臂部分；·第一位置传感器，所述第一位置传感器用于感测所述传动装置的输入侧或输出侧上的位置；·第二位置传感器，所述第二位置传感器用于感测所述传动装置的所述输入侧或输出侧上的位置；·控制单元，所述控制单元用于实施实体机械臂的软件模型，包括运动学和动力学计算；·用户接口装置，所述用户接口装置包括用于对所述机器人进行编程的装置，所述用户接口装置设置在所述机器人的外部，作为所述机器人的一体部件或者作为以上二者的组合；·存储装置，所述存储装置与所述用户接口装置和所述控制单元协作，用于存储与所述机器人的移动和其他操作相关的信息；·其中所述控制单元处理来自所述两个传感器的信息，以实现一个或多个安全功能，诸如，确定所述关节是否超出预定范围。2.根据权利要求1所述的工业机器人，其中所述控制单元处理来自所述两个传感器的信息，以实现下列安全功能中的一个或多个，诸如1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或19个：·限制关节位置安全功能，其中所述第二位置传感器直接监控机器人关节的角度，并且检测所述角度是否在预定义角度范围之外，而所述第一位置传感器基于完整旋转的次数和齿轮齿数比来计算对应的输出侧位置；·限制关节速度安全功能，其中所述机器人关节的速度由位置的变化速率确定；·限制关节力矩安全功能，其中所述机器人关节的位置和速度结合所述机械臂中的质量分布以及摩擦的模型被用来计算在所述机器人关节中施加的预期力矩；·限制工具速度安全功能，其中基于来自所述位置传感器的输出来计算所述工具的速度；·限制工具力安全功能，其中在所述限制关节力矩安全功能中计算的预期力矩被投射到笛卡尔空间中，以获得限制力的功能；·限制功率安全功能，其中根据所述力矩乘以每个关节的速度而计算的机械功被限于某一值；·紧急停止安全功能，其中当启动紧急停止时，采用冗余速度测量来检查所述机器人是否确实在减速，借此所述机器人以故障安全方式主动地减速并处于程序轨线内；·保护停止安全功能，其中当保护输入启用时，速度估计被用于控制所述机器人的减速；·限制功率安全功能，其中所述机器人关节的位置和速度连同所述机械臂的运动学和动力学模型持续地监控输入到所述机械臂中的总功率是否保持在某一界限内；·机器人移动数字输出安全功能，其中所述两个传感器各自检测所述机器人关节是否在移动，并且相应地设置输出；·机器人未停止数字输出安全功能，其中所述两个传感器各自检测所述机器人是否没有主动制动或停止；·模式区减小安全功能，其中所述两个传感器用来监控所述机器人是否处于其工作空间中，并且相应地更改安全参数；·限制工具位置安全功能，其中所述两个传感器与机器人运动学的软件模型结合使用，以计算机械臂端部执行器的位置，并且确保所述位置在用户定义的一些界限内；以及·限制工具取向安全功能，其中所述两个传感器与机器人运动学的软件模型结合使用，以计算所述机械臂端部执行器的取向，并且确保所述取向在指定的一些角度界限内。3.根据权利要求1或2所述的工业机器人，其中所述机械臂被配置成握持机器人工具。4.根据权利要求1到3中任一项所述的工业机器人，其中所述第一位置传感器是编码器，或者是用于感测角位置或线性位置的其他传感器。5.根据权利要求1到4中任一项所述的工业机器人，其中所述第二位置传感器是编码器，或者是用于感测角位置或线性位置的其他传感器。6.根据权利要求1到5中任一项所述的工业机器人，其中所述第一位置传感器感测所述传动装置的所述输入侧上的位置。7.根据权利要求1到6中任一项所述的工业机器人，其中所述第二位置传感器感测所述传动装置的所述输出侧上的位置。8.根据权利要求1到7中任一项所述的工业机器人，其中所述控制单元处理来自所述两个传感器的信息，以实现至少下列安全功能：·限制关节位置安全功能；·限制关节速度安全功能；以及·限制关节力矩安全功能。9.根据权利要求1到8中任一项所述的工业机器人，其中所述控制单元处理来自所述两个传感器的信息，以实现下列安全功能：·限制关节位置安全功能；·限制关节速度安全功能；·限制关节力矩安全功能；·限制工具位姿安全功能；·限制工具速度安全功能；以及·限制工具力安全功能。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃斯本·H·厄斯特高，格热戈日·津巴，大卫·勃兰特，
申请(专利权)人：优傲机器人公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK