一种工业机器人及其制动器状态监测方法

技术领域

本发明涉及工业机器人领域，特别是涉及一种工业机器人及其制动器状态监测方法。

背景技术

工业机器人是在工业环境中广泛运用的一类机器人，机器人的关节是其核心部件之一，关节包括驱动电机以及制动器，驱动电机是关节的动力源，制动器能够制动所述关节以停止机器人的运动。

工业机器人根据工作需求，关节需要处于制动状态或解除制动状态，即当机器人需要执行工作时，关节处于解除制动状态，当机器人不执行工作需要停机时，关节处于制动状态，如果制动器发生异常未能正常工作，而工业机器人未能针对该异常进行处理，工业机器人可能存在安全风险。例如，当制动器未能成功制动而机器人直接停机下电时，机器人可能发生砸臂，严重将直接损坏机器人。

因此，有必要设计一种实现简单、安全性好的工业机器人及其制动器状态监测方法。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现简单、安全性好的工业机器人及其制动器监测方法。

本发明可采用如下技术方案：一种工业机器人，包括连杆和关节，所述关节包括驱动电机和制动器，所述制动器包括：环形制动元件、挡销、电磁铁，所述环形制动元件套设于所述驱动电机的电机轴并跟随转动，所述电磁铁包括铁芯和线圈，所述线圈得电和失电时铁芯处于不同位置，所述挡销根据铁芯不同位置而处于伸出状态或缩回状态，所述挡销处于伸出状态时限制所述环形制动元件旋转以制动所述关节，所述关节包括：信号采集模块，用于对所述电磁铁施加脉冲激励，检测所述电磁铁的电压和/或电流，获取所述电磁铁的电感量；信号处理模块，用于根据所述电磁铁的电感量判断铁芯位置，确定所述电磁铁是否正常工作。

进一步的，所述关节具有制动状态和解除制动状态，当所述关节应处于制动状态时，所述信号采集模块对所述电磁铁施加正向激励脉冲，获取所述电磁铁的电感量；当所述关节应处于解除制动状态时，所述信号采集模块对所述电磁铁施加负向激励脉冲，获取所述电磁铁的电感量。

进一步的，所述信号采集模块用于在机器人上电执行工作前和机器人结束执行工作下电前，对所述电磁铁施加脉冲激励，获取所述电磁铁的电感量。

进一步的，所述信号处理模块用于设置预设电感量，将所述电磁铁的电感量与所述预设电感量比较，满足条件时确定所述电磁铁正常工作。

进一步的，所述信号处理模块用于当所述电磁铁的电感量至少连续三次不满足条件时，确认所述电磁铁未正常工作。

进一步的，所述信号处理模块用于确定所述电磁铁未正常工作时，控制所述机器人保持电机励磁，和/或，控制所述机器人发出报警信号。

本发明还可采用如下技术方案：一种工业机器人制动器状态监测方法，所述工业机器人包括连杆和关节，所述关节包括驱动电机和制动器，所述制动器包括：环形制动元件、挡销、电磁铁，所述环形制动元件套设于所述驱动电机的电机轴并跟随转动，所述电磁铁包括铁芯和线圈，所述线圈得电和失电时铁芯处于不同位置，所述挡销处于伸出状态时限制所述环形制动元件旋转以制动所述关节，所述监测方法包括：采集步骤：对所述电磁铁施加脉冲激励，监测所述电磁铁的电压和/或电流，获取所述电磁铁的电感量；处理步骤：进一步的，所述关节具有制动状态和解除制动状态，所述采集步骤包括：当所述关节应处于制动状态时，对所述电磁铁施加正向脉冲激励；当所述关节应处于解除制动状态时，对所述电磁铁施加负向脉冲激励。

进一步的，所述采集步骤包括：在所述机器人上电执行工作前和结束执行工作下电前，对所述电磁铁施加脉冲激励，获取所述电磁铁的电感量。

进一步的，所述处理步骤包括：确定所述电磁铁未正常工作时，控制所述机器人保持电机励磁，和/或，控制所述机器人发出报警信号。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：工业机器人通过对电磁铁施加脉冲激励获取电感，确认铁芯位置确定电磁铁是否正常工作，避免了电磁铁故障导致机器人存在的不安全因素，同时能够准确的锁定机器人制动故障的原因，有利于排除故障，有利于机器人安全运行。

附图说明

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：

图1是本发明一个实施例的工业机器人的示意图

图2是本发明一个实施例的工业机器人的关节分解示意图

图3是本发明一个实施例的铁芯处于释放位置和吸附位置的示意图

图4是本发明一个实施例的工业机器人的关节处于制动状态的示意图

图5是本发明一个实施例的工业机器人的关节处于解除制动状态的示意图

图6是本发明一个实施例的电磁铁电压变化示意图

图7是本发明一个实施例的电磁铁时域电流波形图

图8是本发明一个实施例的制动器状态监测方法的示意图

具体实施方式

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。

本发明保护一种工业机器人，参图1-图2，图1是本发明一个实施例的工业机器人10的示意图，图2是本发明一个实施例的工业机器人10的关节分解示意图。工业机器人10包括连杆1和关节2，所述关节2包括驱动电机21和制动器，所述制动器包括：环形制动元件24、挡销22、电磁铁23。驱动电机21提供所述关节2动力源，所述环形制动元件24套设于所述驱动电机21的电机轴25并跟随转动，所述电磁铁23包括铁芯231和线圈，所述线圈得电和失电时铁芯231处于不同位置，所述挡销22根据铁芯231不同位置而处于伸出状态或缩回状态，所述挡销22处于伸出状态时与所述环形制动元件24接触以制动所述关节2。所述关节2包括：信息采集模块，用于对所述电磁铁23施加脉冲激励，检测所述电磁铁23的电压和/或电流，获取所述电磁铁23的电感量；信号处理模块，用于根据所述电磁铁23的电感量判断铁芯231位置，确定所述电磁铁23是否正常工作。具体的，参图3，图3a和图3b分别示出了所述铁芯231处于释放位置和吸附位置的示意图，所述铁芯231具有释放位置和吸附位置，当所述线圈得电时，所述铁芯231被吸附而处于吸附位置，所述挡销22与所述铁芯231接触，所述挡销22根据铁芯231处于吸附位置而处于缩回状态；当所述线圈失电时，所述铁芯231被释放而处于释放位置，所述挡销22与所述铁芯231接触，所述挡销22根据所述铁芯231处于释放位置而处于伸出状态，进而限制所述环形制动元件24的旋转以制动所述关节。所述线圈得电时，所述铁芯231被吸附，所述挡销22处于缩回状态，所述环形制动元件24能够自由转动，所述关节为2解除制动状态；所述线圈失电时，所述铁芯231被释放，所述挡销22处于伸出状态，能够限制所述环形制动元件24的转动，所述关节2为制动状态。当铁芯231处于不同位置时，所述信号采集模块获取的电感量不同，具体的，铁芯处于吸附位置时，电感量相对小，而铁芯处于释放位置时，电感量相对大，从而能够根据电感量不同判断铁芯231的位置，确定电磁铁23是否正常工作，从而确定制动器是否正常制动。具体的，本发明所提供的工业机器人10，检测制动器是否正常工作，避免因机器人异常而引起砸臂等安全风险，机器人安全性好，同时，硬件设计简单，易于实现。

参图4-图5，工业机器人10的关节2具有制动状态和解除制动状态，图4和图5分别示出了关节2处于制动状态和解除制动状态的示意图，当所述关节2处于制动状态时，所述挡销22处于伸出状态，所述铁芯处于释放位置；当所述关节2处于解除制动状态时，所述挡销22处于缩回状态，所述铁芯处于吸附位置。

当关节2应处于制动状态时，所述信号采集模块对所述电磁铁23施加正向脉冲激励，获取所述电感量；所述关节2应处于解除制动状态时，所述信号采集模块对所述电磁铁23施加负向脉冲激励，获取所述电感量。具体的，所述关节2应处于制动状态时，所述挡销22应处于伸出状态，所述铁芯231应为释放位置，所述线圈处于失电状态，此时，所述信号采集模块对所述电磁铁23施加正向脉冲激励，检测所述电磁铁23的电压和/或电流，获取所述电磁铁23的电感量以确定所述铁芯231是否为释放位置，所述挡销22是否为伸出状态，以确定所述电磁铁23是否正常工作，进而确定所述制动器是否正常工作。当所述关节2应处于解除制动状态时，所述挡销22应处于缩回状态，所述铁芯231为被吸附位置，所述线圈处于得电状态，此时，所述信号采集模块对所述电磁铁23施加负向脉冲激励，检测所述电磁铁23的电压和/或电流，获取所述电磁铁23的电感量以确定所述铁芯231是否为被吸附位置，所述挡销22是否为缩回状态。进一步的，所述正向脉冲表示低电平状态下的高电压脉冲，所述负向脉冲表示高电平状态下的低电压脉冲，例如，当关节应当处于制动状态时，此时电磁铁的线圈处于失电状态，所述电磁铁处于低电平状态，对其施加正向脉冲激励，即对其施加高电压脉冲；而当关节应处于解除制动状态时，此时电磁铁的线圈处于得电状态，所述电磁铁处于高电平状态，此时对所述电磁铁施加负向脉冲激励，即对其施加低电压脉冲。进一步的，所述脉冲激励为短时脉冲激励，其仅为使得电磁铁23的电压电流发生变化以获取电感变化，而不因脉冲激励而使得电磁铁23的状态发生实质变化。进一步的，当所述关节2应处于解除制动状态时，所述信号采集模块对所述电磁铁23施加负向的脉冲激励，同时保持对电磁铁23的得电状态，以避免所述铁芯231的状态切换为释放位置。通过对不同状态下的电磁铁23，分别施加不同方向的脉冲激励，使得电磁铁23电压、电流的变化较为明显，能够据此获取电感变化而获悉铁芯231位置进而确定电磁铁23是否正常工作。

机器人的关节2具有制动状态和解除制动状态，当机器人10上电执行工作前，需要先解除制动，然后方可执行工作；当机器人10结束执行工作下电前，必须先制动方可下电，以保证机器人的安全。所述信号采集模块用于在机器人上电执行工作前和机器人结束执行工作下电前，对所述电磁铁23施加脉冲激励，获取所述电感量。通过在机器人10上电执行工作前，施加脉冲激励检测制动器是否正常工作，仅当所述制动器正常工作时才开始执行工作，以避免机器人10在制动故障下开始工作可能造成的不可控结果；通过在机器人10结束执行工作下电前，施加脉冲激励检测制动器是否正常工作，仅当所述制动器正常工作时才执行下电，以避免所述机器人10制动器未能正常工作时下电导致砸臂等危险发生。进一步的，所述信号采集模块用于在机器人上电执行工作前施加正向脉冲激励，获取所述电感量，所述信号处理模块判断铁芯231是否处于释放位置，进而判断制动器是否正常制动；以及，当判断所述制动器正常制动时，控制所述制动器解除制动，所述信号采集模块对所述机器人施加负向脉冲激励，以确定所述电磁铁23是否正常工作，即确定所述制动器是否解除制动。进一步的，当所述信号处理模块确定所述电磁铁23未正常工作时，发出报警信号。

图6是本发明一个实施例的电磁铁电压变化示意图，图中T1阶段为工业机器人解除制动前，即机器人上电执行工作前的阶段，此时机器人关节处于制动状态，图中T2阶段为工业机器人解除制动后状态，即机器人工作状态，图中T3为机器人关节制动状态。所述信息采集模块分别在不同阶段对所述电磁铁施加脉冲激励，具体的，在T1阶段，机器人解除制动前应当处于制动状态，即此时关节的控制电路输出的关节状态为制动状态，此时对所述电磁铁施加时长为T11的正向脉冲激励，检测电压和/或电流变化以获取电感量确认铁芯位置以确定电磁铁是否存在异常，从而进一步确认制动器是否存在异常。在T2阶段，机器人解除制动开始工作，此时机器人关节应处于解除制动状态，对所述电磁铁施加时长为T21的负向脉冲激励，与前文类似的，获取电感量变化确认铁芯位置以确定所述电磁铁是否正常工作。在T3阶段，机器人关节应处于制动状态，此时对所述电磁铁施加时长为T31的正向脉冲激励，获取电感量，以确定所述电磁铁是否正常工作。具体的，所述T1阶段对应所述机器人上电执行工作前阶段，所述T2阶段对应所述机器人执行工作阶段，所述T3阶段对应所述机器人结束执行工作下电前阶段。

所述信号处理模块用于根据所述电磁铁23的电感量判断铁芯231位置，以确定所述铁芯231是否正常工作，进而确定制动器是否正常工作。所述信号处理模块用于预设电感量，将所述电磁铁23的电感量与所述预设电感量比较，满足条件时确定所述电磁铁23正常工作。具体的，所述铁芯231具有吸附位置和释放位置，所述制动器处于制动状态时，所述铁芯231处于释放位置，所述制动器处于解除制动状态时，所述铁芯231处于吸附位置。所述信号处理模块用于预设电感量，所述预设电感量包括预设第一电感量以及预设第二电感量，当所述电磁铁23的电感量满足预设第一电感量时，判断所述铁芯231处于释放位置，当所述电磁铁23的电感量满足预设第二电感量时，判断所述铁芯231处于吸附位置。当所述关节2应处于制动状态时，若所述电磁铁23的电感量满足预设第一电感量，即铁芯231处于释放位置时，确定为所述电磁铁23正常工作；当所述关节2应处于解除制动状态时，若所述电磁铁23的电感量满足预设第二电感量，即铁芯231处于吸附位置时，确定为所述电磁铁23正常工作，否则，确定为所述电磁铁23未正常工作。具体的，所述预设第一电感量和预设第二电感量为区间阈值，当所述电磁铁23的电感量处于该区间时，可判断铁芯231处于吸附位置或释放位置，当所述电磁铁23的电感量均不处于该区间，或电磁铁23的电感量处于该区间但关节2仍未正常工作时，此时可以确定关节2发生了其他故障，准确的确定铁芯231的状态，有利于锁定制动器的故障原因。

在本发明的一些实施例中，通过获取电磁铁的电感量以确定电磁铁的铁芯位置，当电磁铁的铁芯位置与预期不符合时，确定为电磁铁不正常工作，进而确定所述制动器存在异常。制动器存在制动状态和解除制动状态，当所述制动器处于制动状态时，所述挡销应当处于伸出状态，即铁芯应处于释放状态，当所述制动器所述解除制动状态时，所述挡销应处于缩回状态，即铁芯应处于吸附状态。所述铁芯处于吸附状态时，电磁铁的电感量相对大，所述铁芯处释放状态时，电磁铁的电感量相对小。进一步的，所述信号采集模块通过检测所述电磁铁的电压和/或电流，进而获取所述电磁铁的电感量，在本发明的一个实施例中，通过获取所述电磁铁的电流来获取所述电磁铁的电感量。图7是本发明一个实施例的电磁铁时域电流波形图。图7a示出了当关节应处于制动状态，且电磁铁检测为正常工作时的时域电流波形图，此时关节应处于制动状态，且实际检测铁芯处于释放位置，电磁铁的电感量较小；图7b示出了当关节应处于制动状态，电磁铁检测为未正常工作时的时域电流波形图，此时关节应处于制动状态，但实际检测铁芯处于吸附位置，电磁铁的电感量较大，此时，即电磁铁未正常工作以满足关节应当处于制动状态的需求；图7c示出了关节应处于解除制动状态，且电磁铁为正常工作的电磁铁时域电流波形图，此时，关节应处于解除制动状态，且实际检测铁芯处于吸附位置，电磁铁的电感量较大；图7d示出了关节应处于解除制动状态，而电磁铁未正常工作的时域电流波形图，此时，关节应处于解除制动状态，实际检测电磁铁处于吸附位置，电磁铁的电感量较小，即电磁铁未正常工作以满足关节需要处于解除制动状态的需求。

信号处理模块，用于确定所述电磁铁23是否正常工作，当确定所述电磁铁23为正常工作状态时，即当关节2应处于制动状态时，铁芯231为释放位置，当关节2应处于解除制动状态时，铁芯231为吸附位置，控制机器人正常工作。当确定所述电磁铁23为未正常工作状态时，控制机器人10保持电机励磁，以防止机器人关节2突然断电导致连杆1突然下坠，以及，控制所述机器人10发出报警信号，以提醒用户处理。进一步的，所述信号处理模块用于当所述电磁铁23的电感量至少连续三次不满足条件时，确定所述电磁铁23未正常工作。进一步的，所述工业机器人10包括协作机器人，所述协作机器人能够与人协作执行工作。

以上优选实施例的有益效果是：工业机器人通过获取电磁铁的电感量检测铁芯231位置确定电磁铁是否正常工作，进而确定机器人关节的制动器是否正常工作，基于机器人的工作状态做出相应指示，避免所述机器人发生砸臂等风险，提高机器人的安全性。同时，通过电感量的方式确定电磁铁故障，有利于准确锁定机器人的故障原因。

本发明还提供一种工业机器人制动器状态监测方法，参图8，所述工业机器人包括连杆1和关节，所述关节包括驱动电机21和制动器，所述制动器包括：环形制动元件24、挡销22、电磁铁，所述环形制动元件24套设于所述驱动电机21的电机轴25并跟随转动，所述电磁铁包括铁芯231和线圈，所述线圈得电和失电时铁芯231处于不同位置，所述挡销22根据铁芯231位置而处于伸出状态或缩回状态，所述挡销22处于伸出状态时与所述环形制动元件24接触以限制其转动，所述监测方法包括：采集步骤S1：对所述电磁铁施加脉冲激励，检测所述电磁铁的电压和/电流，获取所述电磁铁的电感量；处理步骤S2:根据所述电磁铁的电感量，判断铁芯231位置，确定所述电磁铁23是否正常工作。

在本发明的一个实施例中，所述处理步骤包括：设置预设电感量，比较所述电磁铁23的电感量与所述预设电感量，判断铁芯231位置，确定所述电磁铁23是否正常工作。所述制动器具有制动状态和解除制动状态，所述制动器处于制动状态时，所述挡销22处于伸出状态与所述环形制动元件24接触限制所述环形制动元件24的旋转。进一步的，所述设置预设电感量包括：设置预设第一电感量和预设第二电感量，所述第一电感量用于表示铁芯231处于释放位置的电感量，所述第二电感量用于表示铁芯231处于吸附位置的电感量，所述制动器处于制动状态时，所述铁芯231处于释放位置，所述制动器处于解除制动状态时，所述铁芯231处于吸附位置。所述制动器应处于制动状态时，若所述电磁铁23的电感量满足所述预设第一电感量，确定所述电磁铁23为正常工作状态；所述制动器应处于解除制动状态时，若所述电磁铁23的电感量满足所述预设第二电感量，确定所述电磁铁23为正常工作状态。

在本发明的一个实施例中，所述采集步骤包括：当所述机器人上电执行工作前和结束执行工作下电前，对所述电磁铁施加脉冲激励，获取所述电感量。具体实施内容与前文一致，此处不再赘述。

在本发明的一个实施例中，所述采集步骤包括：当所述关节应处于制动状态时，对所述电磁铁23施加正向脉冲激励；当所述关节2应处于解除制动状态时，对所述电磁铁23施加负向脉冲激励。当所述关节应处于制动状态时，所述线圈失电，所述铁芯231处于释放位置，对所述电磁铁23施加正向脉冲激励，检测其电压和/或电流变化，据此获取电磁铁23的电感量，从而确定电磁铁23是否正常工作。反之，当所述关节应处于解除制动状态时，所述线圈得电，所述铁芯231处于吸附位置，此时，对所述电磁铁23施加负向脉冲激励，检测其电压和/电流变化，据此获取电磁铁23的电感量，从而确定电磁铁23是否正常工作。本实施例中具体实施内容与前文大体一致，此处不再赘述。

进一步的，当确定所述电磁铁未正常工作时，保持所述驱动电机的激励，发出报警信号。保持驱动电机21的激励，以避免机器人突然掉电导致连杆1下坠，发出报警信号，以提醒用户及时处理。

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。