一种基于加速度信息的机器人状态实时监控系统及方法

技术领域

本发明属于工业机器人安全控制技术领域，具体涉及一种基于加速度信息的机器人状态实时监控系统及方法。

背景技术

随着智能制造的快速发展，工业机器人在工业领域的应用越来越广泛，机器人的动作主要依靠末端的位置移动和姿态变化。机器人末端移动时加速度依靠的是机器人各轴电机编码器数据经过正向计算得到的，若机器人电机编码器发生损坏导致机器人末端加速度值不准确，可能会导致严重的工业伤害。

发明内容

为了解决机器人由于电机编码器信息传递失误或者编码器失效导致的安全问题，本发明提供了解决上述问题的一种基于加速度信息的机器人状态实时监控系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于加速度信息的机器人状态实时监控系统，包括机器人本体、三维加速度传感器、机器人控制柜和第二控制柜；

所述三维加速度传感器安装在所述机器人本体末端法兰上，用于获取机器人本体末端加速度信息，所述三维加速度传感器将获取的机器人本体末端加速度信息发送给所述第二控制柜的控制器；

所述机器人控制柜通过机器人自身传感器获取机器人本体末端加速度信息，所述机器人控制柜将获取的机器人本体末端加速度信息发送给所述第二控制柜的控制器；

所述控制器基于两路机器人本体末端加速度信息对机器人末端运动状态进行实时监控。

本发明通过在机器人本体末端法兰处外设三维加速度传感器来测量机器人末端加速度信息，实现三维加速度传感器加速度信息和机器人自身加速度信息的双路测量，以防止机器人电机编码器发生损坏导致机器人末端加速度值不能准确测量，从而导致严重的工业伤害。

优选的，本发明的监控系统还包括显示装置，所述显示装置用于显示机器人本体末端运动状态信息以及警示信息。

优选的，本发明的显示装置采用触摸屏。

优选的，本发明的机器人控制柜与所述第二控制柜之间通过以太网通信连接，所述第二控制柜与所述显示装置通过以太网通信连接。

优选的，本发明的控制器采用PLC控制器。

优选的，本发明的三维加速度传感器的量程范围大于所述机器人本体末端自身加速度的量程范围。

另一方面，本发明还提出了一种基于本发明的监控装置的方法，包括以下步骤：

步骤S1，实时获取三维加速度传感器测量的机器人末端加速度信息和机器人控制柜上传的机器人自身末端加速度信息；

步骤S2，得到两种加速度信息的误差值，并得到各向加速度相对误差；

步骤S3，将获得的各向加速度相对误差输入到预先设置的分级报警模型进行分级报警。

优选的，本发明在步骤S1之前还需要对三维加速度传感器测量的机器人末端加速度信息和机器人自身末端加速度信息进行标定，标定过程包括：

控制机器人以M/N的加速度沿着X方向或Y方向或Z方向运动，获取机器人匀加速阶段自身加速度值和三维加速度传感器测量的加速度值；其中，M为机器人末端自身加速度范围，N为标定数量；

控制机器人以2M/N的加速度沿着X方向或Y方向或Z方向运动，获取机器人匀加速阶段自身加速度值和三维加速度传感器测量的加速度值；

依次类推，直至机器人末端加速度为M，即控制机器人以M的加速度沿着X方向或Y方向或Z方向运动，获取机器人匀加速阶段自身加速度值和三维加速度传感器测量的加速度值；

以机器人自身加速度值为理论值，以三维加速度传感器测量的加速度值为实际值，生成机器人末端加速度误差表，保证各向加速度相对误差小于等于1/1000。

优选的，本发明的N取值500。

优选的，本发明预先设置的分级报警模型具体为：

如果各向加速度相对误差均小于等于报警阈值，则机器人正常工作，报警级别为4级，无需报警；

如果有一个方向加速度相对误差大于报警阈值，进行3级报警；如果报警时长超过时间阈值，则升级为2级报警，操作人员视机器人具体运行情况选择控制机器人暂停运行或者继续运行；

如果有两个方向加速度相对误差大于报警阈值，进行2级报警，操作人员视机器人具体运行情况选择控制机器人暂停运行或者继续运行；如果报警时长超过时间阈值，则升级为1及报警，自动控制机器人停止运行；

如果所有方向加速度相对误差均大于报警阈值，进行1级报警，自动控制机器人停止运行。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过外设三维加速度传感器装置，辅助机器人实现对机器人本体末端运动信息的冗余测量，当机器人自身加速度出现异常(例如机器人电机编码器失效或信息传递失误等)时，则利用外设三维加速度传感器实现机器人末端运动信息测量，通过两种测量方式得到加速度值进行对比分析，从而确保机器人的安全可靠性。。

2、本发明提出了基于加速度相对误差和报警时长的分级报警模型，提升了机器人的安全性和可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明的系统线路连接示意图。

图3为本发明的三维加速度传感器和控制器的电气连接示意图。

图4为本发明的系统逻辑控制示意图。

图5为本发明的分级报警逻辑框图。

图6为本发明的显示界面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-机器人本体，2-机器人法兰，3-三维加速度传感器，4-机器人控制柜，5-第二控制柜，6-显示装置。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提出了一种基于加速度信息的机器人状态实时监控系统，本实施例的装置通过外设三维加速度传感器，实现机器人本体末端运动状态的冗余测量，以解决机器人电机编码器失效或信息传递失误等潜在隐患造成机器人安全受影响的技术问题。

具体如图1所示，本实施例的系统主要由机器人本体1、机器人法兰2、三维加速度传感器3、机器人控制柜4、第二控制柜5和显示装置6组成。

本实施例的机器人法兰2设置在机器人本体1的末端，三维加速度传感器3安装在机器人法兰2上，本实施例通过嵌入式安装的方式将三维加速度传感器3与机器人法兰2紧密连接。

本实施例的三维加速度传感器3将获取的机器人本体1末端加速度信息发送给第二控制柜5的控制器，机器人控制柜4通过机器人自身传感器获取的机器人本体末端加速度信息发送给第二控制柜5的控制器。

控制器基于两路机器人本体末端加速度信息对机器人末端运动状态进行实时监控。

本实施例的第二控制柜5与机器人控制柜4之间、第二控制柜5与显示装置6之间均通过以太网实现通信连接，具备低延时、数据传输可靠性高等特点，当机器人运动出现故障时，可快速对机器人实施控制。

本实施例的第二控制柜5中的控制器采用PLC控制器；本实施例的显示装置6采用触摸屏。

本实施例的机器人本体1包括关节一、关节二、关节三、关节四、关节五和关节六(末端)；每个关节处均设置有关节电机，用于驱动关节的运动，关节电机上设置有用于检测关节运动的编码器，如图2所示。

本实施例的机器人控制柜4包括驱动机器人本体1的各关节的关节电机驱动器，用于控制关节电机驱动关节运动；本实施例中对应各关节的关节电机驱动器还与关节电机编码器连接，用于获取关节运动信息。

本实施例的机器人控制柜4通过各关节运动信息得到机器人本体末端自身的加速度信息，并可通过网口将加速度信息传送给第二控制柜的控制器。

本实施例的三维加速度传感器3将实时检测到的机器人本体末端的加速度信息传送给第二控制柜的控制器。

本实施例的三维加速度传感器3的量程范围大于机器人末端自身加速度的量程范围。

本实施例通过PLC控制器实时读取高精度三维加速度传感器3的X、Y、Z向的加速度信息。本实施例的三维加速度传感器3采用montronix系列，PLC控制器采用西门子s7-1500系列。

PLC控制器与三维加速度传感器3电气连接示意图如图3所示，本实施例的三维加速度传感器各端子含义如下：X_OUT——X轴加速度值；X_VCC——X轴正压端；X_GND——X接地端；Y_OUT——Y轴加速度值；Y_VCC——Y轴正压端；Y_GND——Y接地端；Z_OUT——Z轴加速度值；Z_VCC——Z轴正压端；Z_GND——Z接地端。PLC控制器各端子含义如下：AI1——模拟量输入端子1；AI2——模拟量输入端子2；AI3——模拟量输入端子3。

如图3所示，本实施例的三维加速度传感器3的X轴加速度值输出端与PLC控制器的第一模拟量输入端连接，三维加速度传感器3的Y轴加速度值输出端与PLC控制器的第二模拟量输入端连接，三维加速度传感器3的Z轴加速度值输出端与PLC控制器的第三模拟量输入端连接。

本实施例通过外设高精度三维加速度传感器与机器人自身传感器两路反馈机器人末端运动状态信息(加速度信息)，从而在机器人自身编码器出现故障时仍然能够精确获取机器人末端加速度信息，克服了现有仅依靠机器人自身传感器来获取机器人末端运动状态信息的技术在其出现异常或故障时导致的安全问题。

如图4所示，本实施例通过PLC控制器实现机器人的实时监控和报警处理，具体过程包括：

步骤S1，实时获取三维加速度传感器测量的机器人末端加速度信息和机器人控制柜上传的机器人自身末端加速度信息；

步骤S2，得到两种加速度信息的误差值，并得到各向加速度相对误差；

步骤S3，将获得的各向加速度相对误差输入到预先设置的分级报警模型进行分级报警。

本实施例为了保证在实时监控过程中，三维加速度传感器获得的加速度信息与机器人末端自身加速度信息的可靠性，则在进行上述步骤S1之前需要对三维加速度传感器获得的加速度信息和机器人末端自身加速度信息校准，保证两者的相对误差小于等于1/1000，具体标定步骤包括：

X方向的标定步骤(Y、Z方向类似)如下：1、以机器人末端自身加速度范围M为基准，将其划分为N(本实施例中N取值为500)等份，每一份为M/N；2、启动机器人，控制机器人以M/N的加速度沿着X方向运动，获取机器人匀加速阶段自身加速度值和三维加速度传感器加速度值，然后以2M/N的加速度沿着X方向运动，获取机器人匀加速阶段自身加速度值和三维加速度传感器加速度值，依次类推，直至机器人末端加速度为M；2、以机器人自身加速度值为理论值，以三维加速度传感器加速度值为实际值，生成机器人末端加速度误差表，输入至系统中，从而完成标定。

如图5所示，本实施例的分级报警模型具体为：

如果各向加速度相对误差均小于等于报警阈值E，则机器人正常工作，报警级别为4级，无需报警；

如果有一个方向加速度相对误差大于报警阈值E，进行3级报警；如果报警时长超过时间阈值T，则升级为2级报警，操作人员视机器人具体运行情况选择控制机器人暂停运行或者继续运行；

如果有两个方向加速度相对误差大于报警阈值E，进行2级报警，操作人员视机器人具体运行情况选择控制机器人暂停运行或者继续运行；如果报警时长超过时间阈值T，则升级为1及报警，自动控制机器人停止运行(由系统自动干预)，以保证设备和操作人员的安全；

如果所有方向加速度相对误差均大于报警阈值E，进行1级报警，自动控制机器人停止运行(由系统自动干预)，以保证设备和操作人员的安全。

本实施例通过分级报警模型，能够实现更加精细化的报警及干预过程，提高了机器人的安全性和可靠性。

本实施例通过显示装置6显示检测的加速度信息，计算得到的相对误差、相对误差阈值、报警时长阈值、报警级别等信息，本实施例的显示频率为1次/s，显示界面如图6所示，系统可根据不同使用场景设置不同的相对误差阈值E和报警时间时长阈值T的大小。

如图6所示，当机器人开始工作时，点击“监控启动”按钮对机器人状态进行实时监控，完成监控后点击“监控停止”按钮即可，监控停止时系统自动将该次操作机器人自身加速度值和三维加速度传感器值以TXT格式保存至触摸屏中(数据记录频率为10次/s)。当机器人出现本文所述异常情况时，操作人员根据分级报警机制对机器人实施控制。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。