专利名称：工业机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工业机器人，更具体地说，涉及工业机器人的控制系统。
背景技术：
工业机器人的运动范围通常限定在一定范围内。此外，处于安全的考虑，从硬件的 角度来看，工业机器人的轴的运动范围受到机械限位开关的限制。例如，如果出现控制系统的 误操作而导致机器人将要运动到所限定的范围之外，则机械限位开关使得机器人紧急停止。图1示出带有机械限位开关的工业机器人。如图1所示，工业机器人1包括底座 10、由电动机驱动绕轴A旋转的下臂11、固定在下臂11上的挡块12和固定在底座10上的 限位开关13。限位开关13和挡块12相配合来限制下臂11绕轴A旋转的范围。传统的机器人至少具有如下技术问题(1)因为存在机械限位开关，所以机器人 的制造成本和维护成本比较高；(2)因为存在机械限位开关的位置固定，所以机器人的灵 活性较低；(3)机械限位开关占据额外的空间；(4)在生产中替换机器人比较困难。
实用新型内容针对上述技术问题，本实用新型提供工业机器人，包括电动机、由所述电动机驱动 的轴、与所述电动机连接并且基于所述电动机的输出产生检测信号的检测器和控制系统， 所述控制系统包括产生用于控制所述电动机的参考信号的主计算机和用于将所述检测信 号或所述参考信号与预先设定的阈值范围比较并且根据比较结果产生安全信号的位置安 全控制器。通过在机器人本体上省略机械限位开关，带来如下技术效果(1)降低机器人的 制造成本和维护成本；(2)提高了机器人的灵活性较低；(3)节省了机械制动部件占据的额 外空间；(4)在生产中容易替换机器人。
图1示出带有机械限位开关的工业机器人；图2示出根据本实用新型的实施例的工业机器人；图3示出根据本实用新型的实施例的工业机器人的系统配置；图4A和4B分别示出根据本实用新型的实施例的工业机器人的两种模式配置；图5A和5B分别示出根据本实用新型的实施例的阈值范围的坐标表达；图6示出安装有根据本实用新型实施例的工业机器人的安全区域；图7示出安装有根据本实用新型实施例的工业机器人的安全区域；和图8示出根据本实用新型实施例的工业机器人的控制柜。
具体实施方式
图2示出根据本实用新型的实施例的工业机器人。如图2所示，工业机器人2包括电动机20、由电动机20驱动的轴(未示出)、与电动机20连接并且基于电动机20的输 出产生检测信号A的检测器21和控制系统22。控制系统22包括产生用于控制所述电动 机20的参考信号B的主计算机220和用于将检测信号或参考信号与预先设定的阈值范围 比较并且根据比较结果产生安全信号的位置安全控制器221。参考信号控制电动机20的运 行参数，而检测信号反应电动机20的运行参数。理论上，检测信号滞后参考信号一段时间。 但是，如果系统响应快，则从用户的角度来说该延时可以忽略。检测信号可以为电动机的位置信号和/或速度信号，参考信号可以为电动机的位 置参考信号和/或速度参考信号，并且预先设定的阈值范围可以为位置阈值范围和/或速 度阈值范围。如果检测信号超过阈值范围，则产生安全信号来使工业机器人停止。当然，由 于上述检测信号和参考信号之间的关系，也可以对参考信号作类似检测信号的判断，即，如 果参考信号超过所述阈值范围，则产生安全信号来使工业机器人停止。因为位置安全控制 器在功能上替代了机械限位开关，所以可以省略机械限位开关。通过在机器人本体上省略机械限位开关，带来如下技术效果(1)降低机器人的 制造成本和维护成本；(2)提高了机器人的灵活性较低；(3)节省了机械制动部件占据的额 外空间；(4)在生产中容易替换机器人。图2仅示出对于一台电动机的安全控制，本实用新型也适用于多台电动机。此外，工业机器人2的控制系统22还包括将来自主计算机220的参考信号转换为 驱动信号C的轴计算机222，并且工业机器人2还包括基于驱动信号驱动电动机20的驱动 器23和将检测信号反馈给位置安全控制器221的串行测量板24。主计算机220通过轴计 算机22和驱动器23完成对电动机20的控制。检测器21可以是旋转变压器或编码器，其检测电动机20的位置和速度并且输出 位置信号和/或速度信号。相应地，位置安全控制器221分别将位置信号和/或速度信号 与位置参考信号和/或速度参考信号比较，如果比较结果的误差大于一预定范围，则停止 工业机器人的运动。上述比较结果的误差大于一预定范围说明机器人系统存在故障，比如 电动机20堵转或者检测器21出错等。此外，位置安全控制器包括存储阈值范围的存储器、接收所述检测信号的接口和 分别从存储器和接口读取阈值范围和检测信号并且执行比较。图3示出根据本实用新型的实施例的工业机器人的系统配置。工业机器人3包括 示教器30、与示教器30连接的面板安全控制器31。例如，通过示教器30和面板安全控制 器31可以预先设定位置阈值范围和/或速度阈值范围。位置阈值范围和/或速度阈值范 围限制规定工业机器人3的轴的运动范围和速度。当已经设定并且存储阈值范围时，位置 安全控制器32保证工业机器人3保持在限制范围内。当工业机器人3的位置和/速度不 能确定是安全的时，或者如果已经产生误差，则停止机器人并且报警。工业机器人3还包括 电源33、主计算机34和一系列与传感器和/或过程信号连接的输入/输出接口 35。工业 机器人3的信号流通过LAN36或USB37或伺服线或以太网38传输。位置安全控制器32通过输入/输出接口连接到驱动安全控制器310、轴计算机 311。驱动安全控制器310和轴计算机311控制电动机驱动器39。工业机器人3还包括电 动机312和处理来自轴的测量信号的串行测量板313。除了轴的位置限制和速度限制之外，位置安全控制器39还可以完成位置监控、速度监控或停止监控。即使机器人静止，停止监控包括在停止或制动期间保持正确的位置信 息，例如电动机闸的监控，从而可以满足位置的精度和安全性的需要。在停止期间保持或甚 至更新位置可靠的和精确的测量为机器人不同运动部分之间保持精确的同步提供基础。优选地，工业机器人3还包括可编程控制器314，用于从外部设定阈值范围。当激 光检测器检测到操作人员进入机器人工作区域时，其向可编程控制器314发出信号S。作为 对信号S的响应，可编程控制器314控制电动机312降低速度。在微小的延迟之后，此时电 动机312已经减速，向位置安全控制器32发出启动速度监控的信号。如果电动机312仍然 超过安全速度，则位置安全控制器32将紧急停止电动机。这保证了在操作人员进入机器人 工作区内机器人可以安全地减速。图4A和4B分别示出根据本实用新型的实施例的工业机器人的两种模式配置。图4A示出被动模式。如图4A所示，工业机器人4包括位置安全控制器40、接收 来自位置安全控制器40的安全信号A的工作单元安全控制器41和由工作单元安全控制器 41控制的电动机驱动器42。在位置安全控制器40中预先配置位置阈值范围和/或速度阈 值范围。与图2不同，位置安全控制器40并非直接控制电动机驱动器42，而是将安全信号 馈送至工作单元安全控制器41 ；工作单元安全控制器41综合考虑安全信号A和工作单元 安全信号B进而控制电动机驱动器42。工作单元安全信号可以是门开关状态信号、激光检 测器信号和急停信号等。图4B示出主动模式。如图4B所示，工业机器人4包括工作单元安全控制器41、 接收来自工作单元安全控制器41的使能信号C的位置安全控制器40和由位置安全控制器 40发出的安全信号控制的电动机驱动器42。在位置安全控制器40中预先配置位置阈值范 围和/或速度阈值范围。工作单元安全控制器41根据工作单元安全信号决定是否启动位 置安全控制器40。通过设定被动模式和主动模式，可以灵活地设定工作单元安全信号和安全信号的 优先级。图5A和5B分别示出根据本实用新型的实施例的阈值范围的坐标表达。阈值范围 可以用坐标系表达，坐标系的原点可以根据用户的需求设定在工业机器人本体的某一点、 工业机器人所持工具的某一点或者位于工作单元内、工业机器人本体外的某一点，坐标系 的坐标轴的方向按照用户需求设定。例如，如图5A所示，坐标系的原点设定在工业机器人 50所持工具51的某一点Otl或O1,坐标系的坐标轴的方向按照用户需求设定为箭头所指方 向。如图5B所示，坐标系的原点设定在位于工作单元内、工业机器人50本体外的某一点 ο，例如被加工工件52中，坐标系的坐标轴的方向按照用户需求设定为箭头所指方向。通过 坐标变换，可以使阈值范围的配置更加简单。即，定义安全区域比较简单，应用灵活，运算量 较低。可以将根据本实用新型的工业机器人应用在如下领域。当操作工人上料时，通常需要机器人的电动机掉电一段时间以确保工人安全。然 后，在上料完成后上电。这需要额外的自动上料系统以及频繁的切换接触器和电动机的闸。 由此带来系统的复杂、工时的浪费以及接触器和电动机的闸的磨损。将根据本实用新型的 工业机器人应用在手动上料的自动模式中，可以解决上述问题。图6示出安装有根据本实用新型实施例的工业机器人的安全区域。如图6所示，网格表示坐标系60。安全区域由包括多个坐标点61 (例如24个)的多边形62来表达，其 高度H可根据需要设定。根据上述坐标点和高度，可以预先配置位置安全控制器的阈值范 围。在安装工业机器人63前，通过离线确定工业机器人的工作空间，可以优化场地空间并 且相对于机械限位开关来讲易于安装并且具有较高的灵活性。当工业机器人的工具坐标系 中心点移动到安全区域外，则紧急停止机器人的运动。安全区域可以定义为工具坐标系中 心点不能移出的范围也可以定义为工具坐标系中心点不能进入的范围。图7示出安装有根据本实用新型实施例的工业机器人的安全区域。如图7所示， 工业机器人70在导轨71上平行移动并且持有工具72。安全区域包括双向箭头所指的导轨 安全区域73和由右侧立方体所限定的工具安全区域74。可以预先配置位置安全控制器的 阈值范围，使得工业机器人70能够同时保持其在导轨安全区域73内并且工具72保持在工 具安全区域74内。图8示出根据本实用新型实施例的工业机器人的控制柜。控制柜80收纳位置安 全控制器81。位置安全控制器81被安装在所述控制柜的内部。虽然已参照本实用新型的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技 术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围的情况 下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。
权利要求一种工业机器人，包括电动机、由所述电动机驱动的轴、与所述电动机连接并且基于所述电动机的输出产生检测信号的检测器和控制系统，所述控制系统包括产生用于控制所述电动机的参考信号的主计算机和用于将所述检测信号或所述参考信号与预先设定的阈值范围比较并且根据比较结果产生安全信号的位置安全控制器。
2.如权利要求1所述的工业机器人，其中所述检测信号为所述电动机的位置信号和/ 或速度信号，所述参考信号为所述电动机的位置参考信号和/或速度参考信号，并且所述 预先设定的阈值范围为位置阈值范围和/或速度阈值范围。
3.如权利要求1所述的工业机器人，其中如果所述检测信号或所述参考信号超过所述 阈值范围，则产生所述安全信号。
4.如权利要求1所述的工业机器人，其中所述位置安全控制器包括存储所述阈值范围 的存储器、接收所述检测信号的接口和分别从所述存储器和接口读取所述阈值范围和所述 检测信号并且执行所述比较。
5.如权利要求4所述的工业机器人，其中所述阈值范围可以用坐标系表达，所述坐标 系的原点可以根据用户的需求设定在所述工业机器人本体的某一点、所述工业机器人所持 工具的某一点或者位于工作单元内、所述工业机器人本体外的某一点，所述坐标系的坐标 轴的方向按照用户需求设定。
6.如权利要求4所述的工业机器人，其中所述控制系统根据所述安全信号停止工业机 器人的运动。
7.如权利要求4所述的工业机器人，还包括工作单元安全控制器，其根据所述安全信 号停止工业机器人的运动。
8.如权利要求1所述的工业机器人，还包括用于收纳所述位置安全控制器的控制柜， 其中所述位置安全控制器被安装在所述控制柜的内部。
9.如权利要求2所述的工业机器人，其中所述位置安全控制器分别将所述位置信号和 /或速度信号与所述位置参考信号和/或速度参考信号比较，如果比较结果的误差大于一 预定范围，则停止工业机器人的运动。
专利摘要本实用新型提供工业机器人，其包括电动机、由所述电动机驱动的轴、与所述电动机连接并且基于所述电动机的输出产生检测信号的检测器和控制系统，所述控制系统包括产生用于控制所述电动机的参考信号的主计算机和用于将所述检测信号或所述参考信号与预先设定的阈值范围比较并且根据比较结果产生安全信号的位置安全控制器。通过在机器人本体上省略机械限位开关，带来如下技术效果(1)降低机器人的制造成本和维护成本；(2)提高了机器人的灵活性较低；(3)节省了机械制动部件占据的额外空间；(4)在生产中容易替换机器人。
文档编号B25J9/18GK201711968SQ20092017500
公开日2011年1月19日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者皮特·埃里克森, 迟永琳 申请人:Abb技术有限公司