工业机器人工具快换装置用智能安全模块及其使用方法与流程

1.本发明涉及工业机器人工具快换装置的技术领域，具体地，涉及一种工业机器人工具快换装置用智能安全模块及其使用方法。


背景技术：

2.在现在制造中工业机器人已经成为不可或缺的部分，为了提高效率减少成本，例如一个机器人进行在这个工序中进行切割、研磨等任务，可能在另一个工序中执行焊接任务。在这些应用程序中，一个工具快速更换装置可以将不同的工具与机器人配对。所以机器人工具快换装置是工业机器人在使用过程中，实现多种工具之间的切换，来完成不同的工作内容。包括机器人侧和工具侧，会有松开与锁紧两种状态，松开状态时可以更换工具，锁紧状态时可以操作工具，而快换装置如何正确的执行锁紧和松开的时机，是极其重要的。快换装置必须在安全的位置松开，而在操作工具的时候始终要是锁紧状态，但在实际操作期间可能会出现断电、误操作等失误，造成事故。所以需要一个安全的控制方案来控制换枪盘的松开与锁紧状态。
3.机器人手臂连接快换装置进行操作任务时，锁紧机构出现异常会使工具未到安全区域而落下，对工具造成损伤，同时也很危险，容易发生事故。为此，现有技术中存在快换装置的安全控制方法有公开号为cn110788879a的中国发明申请文件公开的一种自动快换装置安全使用控制系统，所述控制系统用于控制机械臂将工具归位时的松开状态以及用于控制所述机械臂将所述工具取出时的锁紧状态；所述控制系统包括相互通讯连接的信号控制单元，工具快换装置主侧，工具快换装置工具侧以及工具陈放架；其中，在所述工具快换装置主侧设置有执行机构，松开状态检测器，锁紧状态检测器，工具侧贴合检测器，气压压力检测器；在所述工具快换装置主侧设置有工具落位检测器以及工具编码检测器；在所述工具陈放架上设置有工具落位触发器。
4.现有技术中存在快换装置的安全控制方法还有申请号为us6840895b2的美国专利文件公开的一种具有改进的安全联锁装置的机器人工具更换器，这些控制方法在机器人快换装置工作时，控制锁紧机构，都有一定的安全保障作用。
5.针对上述中的相关技术，发明人认为将控制器安装在快换装置的工具侧，没有考虑到快换装置机器人侧与工具之间的联动，并且控制器控制逻辑简单，没有考虑到误操作执行松开指令使快换装置松开危险性；没有考虑在系统断电后恢复通电时隐藏的危险；没有形成一个系统的模块，没有显示单元，排除故障时浪费时间，效率低下，造成事故等等，在工业机器人快换装置使用的过程中可能会出现断电、误操作等失误。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种工业机器人工具快换装置用智能安全模块及其使用方法。
7.根据本发明提供的一种工业机器人工具快换装置用智能安全模块，包括信号采集
单元、逻辑判断单元、信号传输单元和显示单元；
8.所述信号采集单元连接快换装置的信号传输模块，信号采集单元从信号传输模块采集信号；
9.所述逻辑判断单元对采集的信号进行处理；
10.所述信号传输单元对处理后的信号进行传输；
11.所述显示单元显示对应的信号传输单元传输的信号。
12.优选的，所述信号采集单元采集的信号包括锁紧状态信号、松开状态信号、阀组信号、机器人手臂控制指令、安全开关信号和故障清除指令。
13.优选的，所述逻辑判断单元接收到信号采集单元采集的信号，综合判断是否输出解锁指令；在快换装置执行松开操作时，逻辑判断单元综合判断机器人是否在安全区域，阀组是否满足松开条件，能否进行松开操作；若机器人在非安全区域，不满足松开条件，则无论断电或人为给定松开指令，逻辑判断单元逻辑判断使快换装置执行抓紧操作。
14.根据本发明提供的一种工业机器人工具快换装置用智能安全模块使用方法，包括如下步骤：
15.信号采集步骤：从信号传输模块采集信号；
16.逻辑判断步骤：对采集的信号进行处理；
17.信号传输步骤：对处理后的信号进行传输；
18.显示步骤：显示对应的传输的信号。
19.优选的，所述信号采集步骤采集的信号包括锁紧状态信号、松开状态信号、阀组信号、机器人手臂控制指令、安全开关信号和故障清除指令。
20.优选的，所述逻辑判断步骤：接收采集的信号，综合判断是否输出解锁指令；在快换装置执行松开操作时，综合判断机器人是否在安全区域，阀组是否满足松开条件，能否进行松开操作；若机器人在非安全区域，不满足松开条件，则无论断电或人为给定松开指令，逻辑判断使快换装置执行抓紧操作。
21.优选的，还包括锁紧保护步骤：当机器人执行锁紧操作时，智能安全模块收到锁紧指令，首先根据阀组状态信号，逻辑判断阀组电压是否满足锁紧条件，若阀组不满足锁紧条件，则报错，同时通过信号传输单元传输阀组故障信息，显示单元中阀组锁紧状态显示报故障，操作人员可根据故障指示灯定位故障位置，检查阀组，调整阀组状态，直到阀组满足锁紧条件触发锁紧机构动作。
22.优选的，所述锁紧保护步骤还包括：判断是否接收到通过贴合锁紧感应产生的锁紧到位信号，未接收到则报错；接收到锁紧机构反馈的到位信号后执行锁紧操作，同时通过信号传输单元输出锁紧到位信号给显示单元，锁紧到位状态显示；同时在整个锁紧操作过程中，阀组状态信号都实时显示在显示单元。
23.优选的，还包括松开保护步骤：当机器人控制端发送松开操作指令时，智能安全模块收到松开指令，对松开指令时长进行有效性判断，当松开指令时长为第一预定范围时，会将其作为错误指令处理，智能安全模块第一报错，并通过显示单元显示故障，锁紧执行机构不发生动作，保持原锁紧状态；若松开指令时长为第二预定范围时，则根据安全开关信号判断是否处于安全停放区域；若安全开关信号未到位，显示单元则先第二报错，第一预定时间后第一报错，并显示松开状态故障信息和安全开关未到位状态信息；当机器人侧的安全开
关被安全开关触发器触发时，则位于安全停放区域，智能安全模块向阀组输出解锁指令，并同时对阀组当前电压状态进行检查，相关阀组给电状态也同时在显示单元中显示，若阀组电压状态异常，智能安全模块第一报错，显示单元显示阀组故障信息，操作人员可根据故障指示灯定位故障位置，检查阀组；当阀组电压状态正常，则会触发锁紧机构动作；所述第一报错包括松开执行结果故障或初始通电显示故障，所述第二报错包括未到指定松开安全区域报错。
24.优选的，所述松开保护步骤还包括：智能安全模块通过采集用于确认锁紧执行机构松开结果的判断信号，对当前松开结果进行检查，若未在第二预定时间内接收到松开到位信号，则第一报错，并通过显示单元显示松开到位信号故障；若接收到松开到位信号，安全模块显示单元对松开到位信号正常状态信号进行显示，松开操作执行结束。
25.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
26.1、本发明的智能安全模块，不仅仅限于本次实例中，其输入输出都具有极大拓展性，可轻易移植到各个操作流程中，智能安全模块通过信号采集单元采集装置反馈信号，通过逻辑判断进行输出，控制快换装置的工作流程，相比以往的控制方法，大大降低了断电、误操作等带来的安全隐患，安全系数大大提高；
27.2、本发明的智能安全模块是专门用于机器人快换装置在机器人工作中连接(更换)和断开工具的安全联锁装置，保证机器人快换装置只能在规定的工具停放位置释放。该安全模块与快换装置机器人侧的信号模块连接，通过信号模块传输的各状态信号，综合判断快换装置是否可以释放，将判断结果信号反馈给快换装置，快换装置基于此进行松开或锁紧操作。通过该安全模块对快换装置的控制，极大的降低了工业机器人在使用过程中的安全隐患；
28.3、本发明的智能安全模块配置了显示单元，可以显示各个组件工作状态，可方便及时的排查故障，提高了工作效率。
附图说明
29.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
30.图1为机器人快换装置的应用场景功能框图；
31.图2为传统快换装置功能图；
32.图3为快换装置在锁定状态下的结构图；
33.图4为智能安全模块的框图；
34.图5为信号采集单元连接快换装置的信号传输模块的框图；
35.图6为信号经信号传输单元传输到显示单元显示对应的信号状态框图；
36.图7为智能安全模块锁紧保护逻辑图；
37.图8为智能安全模块松开保护逻辑图；
38.图9为安全模块断电保护逻辑图；
39.图10为智能安全模块接口布置图；
40.图11为智能安全模块外观图；
41.图12为智能安全模块接口单元功能描述图；
42.图13为智能安全模块显示单元状态介绍图。
具体实施方式
43.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
44.本发明实施例公开了一种工业机器人用工具快换装置，如图1所示，是机器人快换装置的应用场景功能框图。机器人快换装置由机器人侧和工具侧构成。本发明设计的智能安全模块连接在快换装置的机器人侧。机器人手臂通过标准接口与快换装置的机器人侧相连，机器人侧的凸出部分和工具侧的凹槽处进行嵌入接合，通过锁紧机构锁定，再连接工具进行作业。通过阀组控制实现快换装置机器人侧和工具侧的接合和分离。接合和分离都是由阀组传输的信号来控制的，阀组满足一定条件时使锁紧机构产生相应动作来进行控制机器人侧和工具侧接合和分离。
45.如图2所示的传统快换装置功能，机器人手臂可直接输出控制指令给阀组，使阀组执行松开操作，这里的控制器也只是简单的进行判断，这具有极大地隐患，例如误操作、断电等情况下。
46.而本发明研发的配合快换装置的智能安全模块可完全消除这些隐患，如图3所示，是快换装置在锁定状态下的结构图。此时，只有阀组接收到解锁指令才能操作锁紧执行机构使快换装置松开。在本发明中，解锁信号只能由智能安全模块发出，智能安全开关通过图1中锁紧松开状态感应反馈的信号以及阀组状态信号和安全开关触发状态综合判断是否该输出解锁指令。在断电、误操作以及外部控制单元发送松开控制指令时，智能模块仍然可进行安全联锁，同时，该模块可以检测快换装置的每个环节，在不满足松开或锁紧条件时，及时向控制单元输出报警位置和信息。
47.本发明中的自动快换装置在机器人工作单元中的使用方法和相关功能部件配置方案中安全性更好。本发明的一种对自动快换装置相关信号进行处理的安全模块，对安全模块的相关功能组成和具体实施方案进行了说明。本发明的控制模块综合判断来防止断电、误操作等带来的安全隐患。
48.本发明实施例还提供了一种工业机器人工具快换装置用智能安全模块，如图4所示，包括信号采集单元、逻辑判断单元、信号传输单元和显示单元。信号采集单元连接快换装置的信号传输模块，信号采集单元从信号传输模块采集信号。信号采集单元采集的信号包括锁紧状态信号、松开状态信号、阀组信号、机器人手臂控制指令、安全开关信号和故障清除指令。如图4所示，本发明的智能安全模块主要由四部分组成：信号采集单元、逻辑判断单元、信号传输单元和显示单元。信号采集单元连接快换装置的信号传输模块。在本实例中，针对图3装置采集的信号如图5所示，有锁紧状态信号、松开状态信号、阀组信号、机器人手臂控制指令、安全开关信号以及故障清除指令等等。采集的信号经逻辑判断单元处理后，通过传输经显示单元显示对应的信号状态如图6所示。当然这仅限于本例，可根据不同装置要求采集和显示需要的有关信号。
49.逻辑判断单元对采集的信号进行处理。逻辑判断单元接收到信号采集单元采集的
信号，综合判断是否输出解锁指令。在快换装置执行松开操作时，逻辑判断单元综合判断机器人是否在安全区域，阀组是否满足松开条件，能否进行松开操作；若机器人在非安全区域，不满足松开条件，则无论断电或人为给定松开指令，逻辑判断单元逻辑判断使快换装置执行抓紧操作。本发明的智能安全模块控制的核心是逻辑判断单元。逻辑控制单元接收到信号采集单元采集的各组件状态，综合判断是否输出解锁指令。特别是在工业机器人快换装置执行松开操作时，安全模块综合判断是否在安全区域，阀组是否满足松开条件，能否进行松开操作。若工业机器人在非安全区域，不满足松开条件，则无论断电或人为给定松开指令，安全模块逻辑判断都会使快换装置执行抓紧操作。
50.信号传输单元对处理后的信号进行传输。显示单元显示对应的信号传输单元传输的信号。
51.本发明实施例还提供了一种工业机器人工具快换装置用智能安全模块使用方法，包括如下步骤：信号采集步骤：从信号传输模块采集信号。信号采集步骤采集的信号包括锁紧状态信号、松开状态信号、阀组信号、机器人手臂控制指令、安全开关信号和故障清除指令。
52.逻辑判断步骤：对采集的信号进行处理。逻辑判断步骤：接收采集的信号，综合判断是否输出解锁指令。在快换装置执行松开操作时，综合判断机器人是否在安全区域，阀组是否满足松开条件，能否进行松开操作；若机器人在非安全区域，不满足松开条件，则无论断电或人为给定松开指令，逻辑判断使快换装置执行抓紧操作。
53.信号传输步骤：对处理后的信号进行传输。显示步骤：显示对应的传输的信号。
54.如图7所示，该方法还包括锁紧保护步骤：当机器人执行锁紧操作时，智能安全模块收到锁紧指令，首先根据阀组状态信号，逻辑判断阀组电压是否满足锁紧条件，若阀组不满足锁紧条件，则报错，同时通过信号传输单元传输阀组故障信息，显示单元中阀组锁紧状态显示报故障，操作人员可根据故障指示灯定位故障位置，检查阀组，调整阀组状态，直到阀组满足锁紧条件触发锁紧机构动作。判断是否接收到通过贴合锁紧感应产生的锁紧到位信号，未接收到则报错；接收到锁紧机构反馈的到位信号后执行锁紧操作，同时通过信号传输单元输出锁紧到位信号给显示单元，锁紧到位状态显示；同时在整个锁紧操作过程中，阀组状态信号都实时显示在显示单元。
55.当工业机器人执行锁紧操作时，智能安全模块锁紧保护逻辑如图7所示，智能安全模块收到锁紧指令，首先根据阀组状态信号，判断阀组电压是否满足锁紧条件，若阀组不满足锁紧条件，则报错，同时通过信号传输单元传输阀组故障信息，显示单元中阀组锁紧状态显示报故障，操作人员可根据故障指示灯定位故障位置，检查阀组，调整阀组状态，直到阀组满足锁紧条件触发锁紧机构动作，再判断是否接收到通过贴合锁紧感应产生的锁紧到位信号，未接收到则报错。接收到锁紧机构反馈的到位信号后执行锁紧操作，同时安全模块输出锁紧到位信号给显示单元，锁紧到位状态显示。同时在整个锁紧操作过程中，阀组状态信号都实时显示在显示单元，当不满足抓紧条件时相应显示单元显示红色，以便及时发现故障，避免锁紧操作过程中，阀组不满足条件而松动产生事故。
56.如图8所示，该方法还包括松开保护步骤：当机器人控制端发送松开操作指令时，智能安全模块收到松开指令，对松开指令时长进行有效性判断，当松开指令时长为第一预定范围时，会将其作为错误指令处理，智能安全模块第一报错，并通过显示单元显示故障，
锁紧执行机构不发生动作，保持原锁紧状态。本实施例第一预定范围包括小于0.5s。若松开指令时长为第二预定范围时，则根据安全开关信号判断是否处于安全停放区域。本实施例第二预定范围包括大于等于0.5s。若安全开关信号未到位，显示单元则先第二报错，第一预定时间后第一报错，并显示松开状态故障信息和安全开关未到位状态信息。本实施例第一预定时间包括2s。当机器人侧的安全开关被安全开关触发器触发时，则位于安全停放区域，智能安全模块向阀组输出解锁指令，并同时对阀组当前电压状态进行检查，相关阀组给电状态也同时在显示单元中显示，若阀组电压状态异常，智能安全模块第一报错，显示单元显示阀组故障信息，操作人员可根据故障指示灯定位故障位置，检查阀组；当阀组电压状态正常，则会触发锁紧机构动作；所述第一报错包括松开执行结果故障或初始通电显示故障，所述第二报错包括未到指定松开安全区域报错。智能安全模块通过采集用于确认锁紧执行机构松开结果的判断信号，对当前松开结果进行检查，若未在第二预定时间内接收到松开到位信号，则第一报错，并通过显示单元显示松开到位信号故障。本实施例第二预定时间包括3s。若接收到松开到位信号，安全模块显示单元对松开到位信号正常状态信号进行显示，松开操作执行结束。
57.当工业机器人控制端发送松开操作指令时，智能安全模块松开保护逻辑如图8所示，智能安全模块收到松开指令，为了防止误触碰，对松开指令时长进行了有效性判断，当松开指令时长小于0.5s时，会将其作为错误指令(如误触发等)处理，智能安全模块报错1，并通过显示单元显示故障，锁紧执行机构不发生动作，保持原锁紧状态。若松开指令时长大于等于0.5s，则根据安全开关信号判断是否处于安全停放区域。若安全开关信号未到位，显示单元则先报错2，2s后报错1，并显示松开状态故障信息和安全开关未到位状态信息。当机器人侧的安全开关被位于工具架区域的安全开关触发器触发时，则位于安全停放区域，智能安全模块向阀组输出解锁指令，并同时对阀组当前电压状态进行检查，相关阀组给电状态也同时在显示单元中显示，若阀组电压状态异常，智能安全模块报错1，显示单元显示阀组故障信息，操作人员可根据故障指示灯定位故障位置，检查阀组。当阀组电压状态正常，则会触发锁紧机构动作，智能安全模块通过采集用于确认锁紧执行机构松开结果的判断信号(松开到位信号)，对当前松开结果进行检查，若未在3s内接收到松开到位信号，则报错1，并通过显示单元显示故障1和松开到位信号故障。若接收到松开到位信号，智能安全模块显示单元对松开到位信号正常状态信号进行显示，松开操作执行结束。
58.在整个系统断电时，安全模块运行逻辑如图9所示，无论给定的是解锁指令还是抓紧指令，在初始通电后，系统运作指示灯通过显示单元报故障，亮红灯，同时安全模块都会输出抓紧信号，控制机器人快换装置实行抓紧操作，并且报错1，此时需要手动复位，重置操作，清除内部故障，复位安全模块相关信号，重新检测当前状态，在清除所有故障之后，执行相关指令，此时，系统运行指示灯亮绿色，进入正常工作状态。
59.以上设计的报错内容如下：报错1：松开执行结果故障或初始通电显示故障。报错2：未到指定松开安全区域报错。
60.在整个安全模块设计中，只要出现报错，松开指令均不再从智能安全模块输出，即阀组不再得电，锁紧机构自动回复到锁紧状态；直到清除故障后，安全模块重新检测各个组件状态，判断是否输出松开指令，进行松开操作。在设计时，为保证阀组的可靠性，也可选用两个单电控阀组，即只有阀组都得电状态下，才可使锁紧机构工作，使锁紧机构处于松开状
态；否则，锁紧机构自动回复到锁紧状态。
61.如图10所示，在本次产品实施中，智能安全模块共包含8个输入输出接口，12个状态显示灯。
62.在本次产品实施中，智能安全模块的产品外观如图11所示。
63.在本次产品实施中，智能安全模块接口单元的功能描述，如图12所示。对应与图10中序号102
‑
108输入输出接口的具体功能描述。
64.在本次产品实施中，智能安全模块显示单元状态介绍图如图13所示。对应于图10中序号201
‑
212显示状态具体描述以及指示灯正常状态及报警状态描述。
65.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
66.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
67.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。