CN102126099A - 一种用于焊接机器人的安全控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于焊接机器人的安全控制器及其控制方法，包括安全保护模块、上位机、执行模块、运行信息采集模块和现场总线；上位机及运行信息采集模块通过现场总线向安全保护模块发送参数初始化数据指令及机器人运行状态指令；安全保护模块通过现场总线向上位机发送报警及出错指示；执行模块接收安全保护模块的输出。本发明采用现场总线技术能够大大减少连线复杂度；通过多种安全保护策略，实现安全区域保护功能，在出现异常时，给出相应的警告或错误信息提示，同时采取修正措施或紧急停机，以保证系统能安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种安全控制器及其控制方法，具体涉及的是一种用于焊接机器人的安全控制器及其控制方法。
背景技术
随着焊接机器人技术在现代制造业的广泛应用，其安全保护问题受到人们的关注。作为一台具有多个自由度的高速运转设备，尽管在预编程中已经做了大量保护工作，但不同工况下仍然可能存在安全隐患，甚至引发事故。尤其是在示教、维护等人工参与环节，现场人员的误操作、硬件错误和未知的系统设计缺陷都有可能造成巨大的损害。因此，必须在焊接机器人工作场所设置必要的安全设施，防止意外发生。
在焊接机器人系统中，传统的信号传输和采集是通过众多的I/O接口实现的，连线复杂，维护困难，实时性差。同时焊接设备转速高，工作环境复杂，危险系数高，焊接现场的干扰强。针对机器人的安全要求，国际标准化组织和国家标准化管理委员会分别颁布了工业机器人安全规范，规定了工业机器人及其系统在设计、制造、编程、操作、使用、维护和修理阶段的安全要求及注意事项。目前，国内已在使用的机器人安全控制系统性能还不稳定，功能还不完善，相比国外的同类产品还有很大差距。
因此，迫切需要开发出一种拥有自主知识产权的，先进、可靠、实用的焊接机器人安全控制器，使之能够大大降低机器人运行时发生工伤和系统停运的风险，保护现场人员和设备，促进民族工业的发展，提高国际竞争能力。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种连线简单、可提高机器人工作的稳定性及安全性的用于焊接机器人的安全控制器及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明包括安全保护模块、上位机、执行模块、运行信息采集模块和现场总线；上位机及运行信息采集模块通过现场总线向安全保护模块发送参数初始化数据指令及机器人运行状态指令；安全保护模块通过现场总线向上位机发送报警及出错指示；执行模块接收安全保护模块的输出。采用现场总线技术能够大大减少连线复杂度。
上述运行信息采集模块包括运动控制器、各轴伺服放大器、示教盒和外围环境检测器；现场总线包括现场总线控制器、现场总线驱动器、现场总线控制卡和现场总线接口；安全保护模块、示教盒和外围环境检测器分别与对应的现场总线控制器相连接，运动控制器和各轴伺服放大器分别通过现场总线接口与对应的现场总线驱动器相连接，上位机与现场总线控制卡相连接。
本发明的控制方法，包括以下几个步骤：
(A)安全保护模块通过现场总线向上位机请求参数初始化数据，然后上位机通过现场总线发送参数初始化数据指令给安全保护模块，安全保护模块接受参数初始化数据，未完成初始化，则不能进入步骤(B)；
(B)初始化完成后，运行信息采集模块通过现场总线发送机器人运行状态指令给安全保护模块，然后安全保护模块接受机器人运行状态值；
(C)完成步骤(B)后，安全保护模块制定不同的安全保护策略，安全保护策略包括以下几个步骤：
(a)安全保护模块进行焊接工作前的安全规则检查，有一项报警则焊接机器人不能开动运行；
(b)焊接机器人开动运行后，安全保护模块进行焊接工作过程安全策略，通过比较机器人运行状态值和参数初始化数据，给出安全运行、警告及运行修正、出错停机及指示三级不同的保护输出；
(c)完成焊接工作后，安全保护模块进行焊接结束巡查规则，安全保护模块将巡查结果发送给上位机，同时记录日志信息；
(d)结束。
当机器人运行状态值在参数初始化数据误差容许范围内时，安全保护模块输出安全运行；
当机器人运行状态值接近参数初始化数据设定最大值时，安全保护模块向上位机发送警告信息指令同时向执行模块输出运行修正；上位机收到警告信息指令后显示相应报警参数值，且执行模块启动修正处理程序；
当机器人运行状态值超过参数初始化数据设定最大值时，安全保护模块向执行模块输出紧急停机同时向上位机发送出错信息指令，执行模块收到紧急停机后执行紧急停止机器人的操作，且上位机收到出错信息指令后显示相应出错参数值。
本发明的有益效果如下：
(1)改进了传统I/O接口的信号采集和传输方式，采用现场总线技术能够大大减少连线复杂度，提高了系统的灵活性、稳定性和抗干扰性，同时还便于系统的进一步扩展；
(2)通过安全保护策略计算分析机器人的速度状态、负载状态、关节限位状态和运算逻辑状态，在出现异常时给出相应的警告或错误信息，同时采取修正措施或紧急停机，以保证系统能安全运行。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的硬件结构框图；
图2为本发明的系统通讯结构图；
图3为本发明的现场总线通讯流程图；
图4为本发明的安全保护策略流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明包括安全保护模块101、上位机104、执行模块105、运行信息采集模块103和现场总线102。
其中，安全保护模块101为中央处理器，用于制定和执行各类各级安全保护策略，通常采用集成各种外部接口的微控制器，在本实施例中，安全保护模块101采用ARM9微控制器芯片S3C2440A，内置丰富的外设资源包括中断控制器、GPIO、SPI等接口电路。
上位机104通过现场总线102可用于显示安全保护模块101做出的报警及出错指示，本发明的上位机104为现有技术，在此不作赘述。
执行模块105接收安全保护模块101的输出，执行正常或紧急停止机器人的操作，本发明的执行模块105为现有技术，在此不作赘述。
运行信息采集模块103包括运动控制器201、各轴伺服放大器202、示教盒203和外围环境检测器204。
现场总线102提供安全保护模块101、上位机104和运行信息采集模块103之间的数据通讯功能；一般现场总线102包括现场总线控制器102a、现场总线驱动器102b、现场总线控制卡102c和现场总线接口102d，这四者的连接关系为现有技术，在此不作赘述；安全保护模块101、示教盒203和外围环境检测器204分别与对应的现场总线控制器102a相连接，运动控制器201和各轴伺服放大器202分别通过现场总线接口102d与对应的现场总线驱动器102b相连接，上位机104与现场总线控制卡102c相连接；上位机104及运行信息采集模块103通过现场总线102向安全保护模块101发送参数初始化数据指令及机器人运行状态指令。本实施例中，现场总线控制器102a采用的是现场总线控制器MCP2510，现场总线驱动器102b采用的是现场总线驱动器MCP2551，MCP2510是一款具有SPI接口的独立现场总线控制器，完全支持CAN V2.0B技术规范，通信速率最高可达1Mbps。
参见图2，本发明的安全保护模块101应用于工业焊接机器人控制系统中，安全保护模块101与运动控制器201、各轴伺服放大器202、示教盒203、外围环境检测器204、上位机104通过现场总线102而连接。其中，运动控制器201用于将目标轨迹进行细分，输出指令到各轴伺服放大器202；各轴伺服放大器202根据运动控制器201给定的控制量完成速度环运算，对电机进行相应的伺服控制；示教盒203用于对焊接机器人的示教编程。作为现场总线102通讯网络中的一个节点，安全保护模块101负责机器人安全保护策略的制定和执行工作，通过现场总线102从运动控制器201、各轴伺服放大器202、示教盒203和外围环境检测器204等部分采集信息，经过CAN协议解析，计算分析机器人运动速度、转矩、位姿，参照机器人安全空间和安全策略，做出相应的执行策略。
基于现场总线102的安全控制器为了区分通信网络上的接收方和发送方，需要定义各节点的通信ID和通信指令集，参见本发明的系统通讯结构图，确定各节点的通信ID如下：
安全保护模块101对应通信ID为0x501；
运动控制器201对应通信ID为0x502；
1-8轴伺服放大器202对应通信ID为0x503-0x50A；
示教盒203对应通信ID为0x50B；
外围环境检测器204对应通信ID为0x50C；
上位机104对应通信ID为0x50D。
通信指令集包括现场总线102各节点之间的信息交互内容，是安全保护模块101与其他节点交换的有效分组信息，具体如下：
(1)参数初始化数据指令，是上位机104发送给安全保护模块101的信息，帧初始字节是0x01，包括速度限定值、转矩限定值、关节角限定值、初始位置值和时间设定值；
(2)机器人运行状态指令，是运动控制器201、各轴伺服放大器202、示教盒203和外围环境检测器204发送给安全保护模块101的指令，帧初始字节是0x02，包括当前速度、当前转矩和当前位置的代码；
(3)警告信息指令，是安全保护模块101发送给上位机104的指令，帧初始字节是0x03，包括三种类型：接近过速、接近过载和接近限位；
(4)出错信息指令，也是安全保护模块101发送给上位机104的指令，帧初始字节是0x04，包括九种类型：过速、过载、超出限位、运动控制逻辑错误、运动控制状态错误、伺服放大器错误、安全防护装置状态错误、示教盒203急停出错和面板急停出错。
参见图3，介绍通信指令集的具体使用方法，基于现场总线102的通讯流程开始于步骤301，结束于步骤314：
步骤301：安全保护模块101配置现场总线102信息，包括设置通信波特率、接收寄存器和发送寄存器等，用于现场总线102的正常通讯；
步骤302：安全保护模块101向上位机104请求参数初始化数据；
步骤303：上位机104发送参数初始化数据指令给安全保护模块101；
步骤304：安全保护模块101接收参数初始化数据，用于保护策略的制定；
步骤305：判断初始化过程是否完成，如果完成就进入步骤306，否则回到步骤302，重复初始化过程；
步骤306：运行信息采集模块103发送机器人运行状态指令给安全保护模块101；
步骤307：安全保护模块101接收焊接机器人当前的机器人运行状态值；
步骤308：安全保护模块101根据现场总线102上已接收到的数据，进行安全保护规则判定；
步骤309：判断实际运行值是否接近参数设定最大值，如果到达报警状态，进入步骤310，否则转到步骤312；
步骤310：安全保护模块101发送警告信息指令给上位机104；
步骤311：上位机104收到指令，并显示相应报警参数值；
步骤312：判断实际机器人运行状态值是否超过参数初始化数据设定最大值，如果到达出错状态，进入步骤313，否则回到步骤307，继续接收机器人运行状态值；
步骤313：安全保护模块101发送出错信息指令给上位机104；
步骤314：上位机104收到指令，并显示相应出错参数值。
参见图4，本发明的多种安全保护策略分为焊接工作前、焊接过程中和焊接结束后三个阶段，每一阶段检测的部件有所差异，对应的操作也分为多个安全等级，以最大限度地保障机器人运行的可靠性和安全控制器执行的高效性，此流程开始于步骤401，结束于步骤419：
步骤401：开始；
步骤402：安全保护模块101启动焊接工作前安全规则检查，包括检查备用电源低电压报警、控制电源工作不正常报警、安全门打开报警和安全栅栏工作不正常报警等；
步骤403：如果安全检查通过，则进入步骤405，否则有一项报警则转到步骤404，焊接机器人不能开动运行；
步骤404：安全保护模块101发送检查异常信息给上位机104；
步骤405：通过焊接工作前安全规则检查，则允许焊接机器人开动；
步骤406：焊接机器人开动运行后，需要进行焊接工作过程安全策略，将现场总线102上接收到的当前转速和转速初始化数据比较，判断是否过速；如果过速，进入步骤414处理，否则转到步骤407；
步骤407：判断当前转速是否接近转速初始化数据最大值，如果是，进入步骤415处理，否则转到步骤408
步骤408：判断焊接机器人是否过载，如果过载，进入步骤414处理，否则转到步骤409；
步骤409：判断是否接近过载，如果是，进入步骤415处理，否则转到步骤410；
步骤410：判断关节空间是否超限，如果超限，进入步骤414处理，否则转到步骤411；
步骤411：判断关节空间是否接近限位，如果是，进入步骤415处理，否则转到步骤412；
步骤412：判断运动控制逻辑是否错误，如果是，进入步骤414处理，否则转到步骤413；
步骤413：判断是否有其他错误，包括运动控制状态错误、伺服放大器错误、示教盒203急停出错和面板急停出错等，如果存在问题，进入步骤414处理，否则转到步骤416；
步骤414：安全保护模块101发送紧急停机操作给执行模块105，同时发送相应的出错信息给上位机104；
步骤415：安全保护模块101发送报警信息给上位机104，同时启动修正处理程序，避免焊接机器人运行出现更严重的错误；
步骤416：判断焊接工作是否结束，如果结束，进入步骤417，否则回到步骤406，继续执行焊接工作过程安全策略；
步骤417：安全保护模块101启动焊接结束巡查规则，包括备用电源低电压报警、控制电源工作不正常报警、全门打开报警、全栅栏工作不正常报警、运行报警和错误分析自检；
步骤418：安全保护模块101将巡查结果发送给上位机104，同时记录日志信息，以备下次运作。
步骤419：该流程结束。
本发明图3至图4过程均可以用现有技术中的编程方法实现，在此不作进一步限制。
本发明安全控制器的控制方法，包括以下几个步骤：
(A)安全保护模块101通过现场总线102向上位机104请求机器人运行状态的参数初始化数据，然后上位机104通过现场总线102发送参数初始化数据指令给安全保护模块101，安全保护模块101接受参数初始化数据，未完成初始化，则不能进入步骤(B)；(参见图3中步骤S302～S305)。
(B)初始化完成后，运行信息采集模块103通过现场总线102发送机器人运行状态指令给安全保护模块101，然后安全保护模块101接受机器人运行状态值；(参见图3中步骤S306～S307)。
(C)完成步骤(B)后，安全保护模块101制定不同的安全保护策略，安全保护策略包括以下几个步骤：
(a)安全保护模块101进行焊接工作前的安全规则检查，有一项报警则焊接机器人不能开动运行；(参见图4中步骤S401～S405)。
(b)焊接机器人开动运行后，安全保护模块101进行焊接工作过程安全策略，通过比较机器人运行状态值和参数初始化数据，给出安全运行、警告及运行修正、出错停机及指示三级不同的保护输出；(参见图4中步骤S406～S415)。
(c)完成焊接工作后，安全保护模块101进行焊接结束巡查规则，安全保护模块101将巡查结果发送给上位机104，同时记录日志信息；(参见图4中步骤S416～S418)。
(d)结束。
当机器人运行状态值在参数初始化数据误差容许范围内时，安全保护模块101输出安全运行；
当机器人运行状态值接近参数初始化数据设定最大值时，安全保护模块101向上位机104发送警告信息指令同时向执行模块105输出运行修正；上位机104收到警告信息指令后显示相应报警参数值，且执行模块105启动修正处理程序；
当机器人运行状态值超过参数初始化数据设定最大值时，安全保护模块101向执行模块105输出紧急停机同时向上位机105发送出错信息指令，执行模块105收到紧急停机后执行紧急停止机器人的操作，且上位机104收到出错信息指令后显示相应出错参数值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种用于焊接机器人的安全控制器，其特征在于，包括安全保护模块(101)、上位机(104)、执行模块(105)、运行信息采集模块(103)和现场总线(102)；所述上位机(104)及运行信息采集模块(103)通过现场总线(102)向安全保护模块(101)发送参数初始化数据指令及机器人运行状态指令；所述安全保护模块(101)通过现场总线(102)向上位机(104)发送报警及出错指示；所述执行模块(105)接收安全保护模块(101)的输出。
2.根据权利要求1所述的用于焊接机器人的安全控制器，其特征在于，所述运行信息采集模块(103)包括运动控制器(201)、各轴伺服放大器(202)、示教盒(203)和外围环境检测器(204)；所述现场总线(102)包括现场总线控制器(102a)、现场总线驱动器(102b)、现场总线控制卡(102c)和现场总线接口(102d)；所述安全保护模块(101)、示教盒(203)和外围环境检测器(204)分别与对应的现场总线控制器(102a)相连接，所述运动控制器(201)和各轴伺服放大器(202)分别通过现场总线接口(102d)与对应的现场总线驱动器(102b)相连接，所述上位机(104)与现场总线控制卡(102c)相连接。
3.一种权利要求1或2所述安全控制器的控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
(A)所述安全保护模块(101)通过现场总线(102)向上位机(104)请求参数初始化数据，然后上位机(104)通过现场总线(102)发送参数初始化数据指令给安全保护模块(101)，安全保护模块(101)接受参数初始化数据，未完成初始化，则不能进入步骤(B)；
(B)初始化完成后，所述运行信息采集模块(103)通过现场总线(102)发送机器人运行状态指令给安全保护模块(101)，然后安全保护模块(101)接受机器人运行状态值；
(C)完成步骤(B)后，所述安全保护模块(101)制定不同的安全保护策略，所述安全保护策略包括以下几个步骤：
(a)所述安全保护模块(101)进行焊接工作前的安全规则检查，有一项报警则焊接机器人不能开动运行；
(b)焊接机器人开动运行后，所述安全保护模块(101)进行焊接工作过程安全策略，通过比较机器人运行状态值和参数初始化数据，给出安全运行、警告及运行修正、出错停机及指示三级不同的保护输出；
(c)完成焊接工作后，所述安全保护模块(101)进行焊接结束巡查规则，所述安全保护模块(101)将巡查结果发送给上位机(104)，同时记录日志信息；
(d)结束。
4.根据权利要求3所述安全控制器的控制方法，其特征在于，
当机器人运行状态值在参数初始化数据误差容许范围内时，所述安全保护模块(101)输出安全运行；
当机器人运行状态值接近参数初始化数据设定最大值时，所述安全保护模块(101)向上位机(104)发送警告信息指令同时向执行模块(105)输出运行修正；上位机(104)收到警告信息指令后显示相应报警参数值，且执行模块(105)启动修正处理程序；
当机器人运行状态值超过参数初始化数据设定最大值时，所述安全保护模块(101)向执行模块(105)输出紧急停机同时向上位机(105)发送出错信息指令，执行模块(105)收到紧急停机后执行紧急停止机器人的操作，且上位机(104)收到出错信息指令后显示相应出错参数值。
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