机器人安全保护装置及方法

技术领域

本发明属于工业机器人安全保护领域，涉及基于力传感器的主动柔顺控制技术。

背景技术

工业机器人一般具有运行速度快、作用力大、刚度高等特点，在运行过程中一旦与操作人员或工作环境发生碰撞，产生超出承受范围的作用力，很容易发生故障，不仅会让自身产生损伤，还会危及操作人员的人身安全。

为解决这个问题，通常的做法是为工业机器人划定安全区域，操作人员不得越过安全线与机器人接触。中国专利申请CN202010700323.7提出在预设区域设置压力传感器，一旦有人员进入该区域，便发出提醒信号，并向工业机器人发送停机指令。中国专利申请CN202010698935.7则使用热感应技术识别安全区域是否有人员活动。这种解决方案可以充分保证人员安全，可是如果安全区域划得过大容易误触发，频繁的紧急停机会影响生产效率和机器人使用寿命；安全区域过小则无法充分保证保护效果。因此这种解决方案必须针对不同的生产线设计最优安全区域，虽然安全却不够灵活。

一类比较新颖的解决方案是使用机器视觉判断人机状态。中国专利申请CN201910448748.0提出一种基于视觉的机械臂安全系统，计算出工业机器人与环境中的人之间的最小距离,用于对机器人进行运动轨迹规划和修正。该方案的局限性在于：机器视觉对计算量的要求较高，实时性、稳定性以及精确性都不理想，不适合工业使用。

此外，中国专利申请CN202020086812.3提出为工业机器人加装一个外壳，该外壳与机器人的连接处加入阻尼机构，从而对外界碰撞起到缓冲作用。该方案是纯机构设计，缓冲效果受阻尼机构的尺寸限制，阻尼器达到极限位置后就不起作用了。因此，该方案更适合用于降低小幅振动对机器人的影响。

发明内容

本发明提供了一种灵活、稳定、响应快、体积小的机器人安全保护装置，保证机器人每个实体杆件与环境发生接触或碰撞时都能快速做出响应。

本发明提供了一种机器人安全保护装置，包括：力传感器，所述力传感器固定在机器人杆件上；保护外壳，所述的保护外壳置于机器人外，仅通过上述力传感器与机器人相连；处理单元，所述处理单元实时收集力传感器的信号，分析保护外壳的受力情况，检测机器人是否与环境发生接触，并对机械人进行主动柔顺控制。

本发明所述机器人安全保护装置的有益效果在于：机械臂与环境或操作人员发生接触时，包覆式外壳的受力情况会被与外壳连接的力传感器采集到，用于机械臂进行的主动柔顺控制，从而使机械臂对环境或操作人员进行精确且适度的避让，从而起到对机械臂和操作人员的保护作用。

优选的，所述机器人为工业机器人，所述工业机器人具有若干杆件；所述的保护外壳分为若干段，将机器人本体各个杆件包围。

优选的，所述力传感器为压力传感器或扭矩传感器或六维力传感器。

优选的，所述保护外壳为合金钢或碳纤维或铝合金或塑料外壳。

优选的，所述主动柔顺控制包括阻抗控制或导纳控制或力/位混合控制。

优选的，力传感器底部与机器人杆件使用螺丝相连；力传感器顶部与保护外壳通过螺丝相连。

优选的，在传感器置于保护外壳的圆柱凹面内的部分，传感器的圆柱面与保护外壳的圆柱凹面之间具有1-50毫米的间隙。

本发明还提供了一种机器人安全保护方法，其使用前述的机器人安全保护装置，包括以下步骤：

实时收集力传感器的信号；

分析保护外壳的受力情况，检测机器人是否与环境发生接触；

对机械人进行主动柔顺控制。

本发明所述机器人安全保护方法的有益效果在于：机械臂与环境或操作人员发生接触时，包覆式外壳的受力情况会被与外壳连接的力传感器采集到，用于机械臂进行的主动柔顺控制，从而使机械臂对环境或操作人员进行精确且适度的避让，从而起到对机械臂和操作人员的保护作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个六自由度机械臂的示意图；

图2为图1所示机械臂上安装机器人安全保护装置的示意图；

图3为本发明所述机器人安全保护装置的示意图；

图4为本发明实施例二所述方法的流程示意图。

附图标记说明：

101、机械臂杆件；

102、保护外壳；

103、力传感器；

104、机械臂自身外壳。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明说明书、权利要求书和附图中出现的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同的对象，并非用于描述特定的顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于己列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

实施例一、

如图1所示，本发明所述机器人安全保护装置，包括：

力传感器，所述力传感器固定在机器人杆件上；所述力传感器可以为压力传感器或扭矩传感器或六维力传感器。

本发明所述压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。

本发明所述扭矩传感器，又称力矩传感器、扭力传感器、转矩传感器、扭矩仪，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动(气动，液力)扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。

在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，本发明所述六维力传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器。

保护外壳，所述的保护外壳置于机器人外，仅通过上述力传感器与机器人相连；所述保护外壳可以为合金钢或碳纤维或铝合金或塑料外壳。力传感器底部与机器人杆件使用螺丝相连；力传感器顶部与保护外壳通过螺丝相连。在传感器置于保护外壳的圆柱凹面内的部分，传感器的圆柱面与保护外壳的圆柱凹面之间具有1-50毫米的间隙。

处理单元，所述处理单元实时收集力传感器的力/矩信号，分析保护外壳的受力情况，检测机器人是否与环境发生接触，并对机械人进行主动柔顺控制。所述主动柔顺控制可以包括阻抗控制或导纳控制或力/位混合控制。

本发明所述阻抗控制指机械臂和环境之间存在力交互，传感器采集到力信号后，利用阻抗模型将它转化为位置修正量，和期待的位置结合之后得到实际需要控制的位置信号，运动学反解就是将笛卡尔坐标系中的三维位置转化为具体每个关节电机的角度，再通过位置控制器(一般来说是PID)实现位置控制。阻抗控制，就是把控制器等效为阻抗系统，输入位置输出力，机器人等效为导纳系统，输入力输出位置。所以，阻抗控制需要能够获取位置信息，并且能控制机器人的关节力矩。

本发明所述导纳控制是阻抗控制的反过程，把控制器等效为导纳系统，输入力输出位置，机器人等效为阻抗系统，输入位置输出力。导纳控制需要能获取力信息(因此常需要在末端加力传感器)，且能控制机器人的关节位置(这个基本都可以)。导纳控制通常采用PID作为运动跟踪器。采集到的力量先输入导纳控制器，输出了期望的运动量，运动跟踪器接收它，然后输出机器人关节实际的运动。使用导纳控制的是为了获得一个人机跟随效果，因此导纳控制所需要的力量就应该是人机交互力矩。

本发明所述力位混合控制既需要在垂直面方向上进行力控制，又需要在切面方向进行位置控制。力位控制将需要力控和需要位控的方向解耦，分别给予控制。

所述机器人优选的为工业机器人，所述工业机器人具有若干杆件；所述的保护外壳分为若干段，将机器人本体各个杆件包围。

本发明所述机器人安全保护装置的机械臂与环境或操作人员发生接触时，包覆式外壳的受力情况会被与外壳连接的力传感器采集到，用于机械臂进行的主动柔顺控制，从而使机械臂对环境或操作人员进行精确且适度的避让，从而起到对机械臂和操作人员的保护作用。

如图1所示，本发明主要包括力传感器和机器人保护外壳两大部分。

力传感器底部与工业机器人杆件使用螺丝相连，若传感器置于杆件上的圆柱凹面内，则传感器的圆柱面与机器杆件的圆柱凹面之间应根据需要留出1-50毫米间隙。力传感器顶部与保护外壳通过螺丝相连，若传感器置于保护外壳的圆柱凹面内，则传感器的圆柱面与保护外壳的圆柱凹面之间也应根据需求留出1-50毫米间隙。预留间隙的目的在于为传感器与外壳的受力变形留出空间，保证力传感器的测量精度。保护外壳通过且仅通过力传感器与机器人连接，与机器人本体无直接接触，且与机器人杆件之间也应保持1-50毫米的间隙。

上述力传感器与保护外壳的组合是针对机器人的一段杆件的，根据工业机器人杆件的数量，可为工业机器人安装1-6对外壳和力传感器。

完成安装后，在工业机器人工作过程中，实时收集各段杆件上的力传感器的力/矩信号，分析各个杆件保护壳的受力情况，检测机器人各部分是否与环境发生接触，并对机械臂进行阻抗控制或导纳控制等主动柔顺控制。

当使用本发明的机械臂与环境或操作人员发生接触时，包覆式外壳的受力情况会被与外壳连接的力传感器采集到，用于机械臂进行的主动柔顺控制，从而使机械臂对环境或操作人员进行精确且适度的避让，从而起到对机械臂和操作人员的保护作用。

本发明可应用于机器人每一个暴露在外的实体杆件，因此无论机器人哪个部位与环境发生接触或碰撞都能及时做出适度的反应。

本发明使用主动柔顺的力控制方法，具有精确度高、灵活、稳定、响应快、体积小、易于调整等优势。并且保护行为是“主动避让”，而不是“紧急停机”，因此即使发生碰撞也能继续工作，不会降低生产效率。

图1为一个六自由度机械臂的示意图；该六自由度机械臂有5段较长的实体杆件(未安装末端执行器)。

图2是在图1所示机械臂上安装5对力传感器与保护外壳。

如图3所示，在其较长的5个杆上均安装一个六维力传感器，并在各个六维力传感器上安装各段的金属保护外壳。局部图中，保护外壳仅通过六维力传感器与机器人相连，与机械臂之间无直接接触。在本实施例中，力传感器与机械臂以及外壳通过螺丝连接；力传感器的圆柱面与机械臂杆件上圆柱凹面的间隙为2毫米，保护外壳与机械臂杆件之间的间隙也为2毫米。

力传感器采集到的力/矩信息传输给工控机，工控机使用这些信息对机械臂进行导纳控制。

若对外壳施加一个垂直于纸面向内的外力，外壳将力/矩信息传递到其连接的力传感器处，工控机将其作为输入，对机械臂的相关电机进行导纳控制，从而控制外壳对应的杆件向纸面内运动(平移/旋转)，实现避让。

本发明所述的机器人安全保护装置可以用于机器人，包括但不限于工业机器人。

本发明所述处理单元还可以包括存储模块。存储器可用于存储软件程序以及模块，处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作存储介质、至少一个功能所需的应用程序(比如图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据力传感器的使用所创建的数据。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。相应地，存储器还可以包括存储器控制器，以提供处理器和输入模块对存储器的访问。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。

实施例二、

如图4所示，本发明所述机器人安全保护方法，其使用前述的机器人安全保护装置，包括以下步骤：

S101、实时收集力传感器的信号；

所述力传感器固定在机器人杆件上；所述力传感器可以为压力传感器或扭矩传感器或六维力传感器。

S102、分析保护外壳的受力情况，检测机器人是否与环境发生接触；

S103、对机械人进行主动柔顺控制。

所述主动柔顺控制可以包括阻抗控制或导纳控制或力/位混合控制。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。