專利名稱：工業機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業機器人，更具體地說，涉及工業機器人的控制系統。
背景技術：
工業機器人的運動范圍通常限定在一定范圍內。此外，處于安全的考慮，從硬件的 角度來看，工業機器人的軸的運動范圍受到機械限位開關的限制。例如，如果出現控制系統的 誤操作而導致機器人將要運動到所限定的范圍之外，則機械限位開關使得機器人緊急停止。圖1示出帶有機械限位開關的工業機器人。如圖1所示，工業機器人1包括底座 10、由電動機驅動繞軸A旋轉的下臂11、固定在下臂11上的擋塊12和固定在底座10上的 限位開關13。限位開關13和擋塊12相配合來限制下臂11繞軸A旋轉的范圍。傳統的機器人至少具有如下技術問題(1)因為存在機械限位開關，所以機器人 的制造成本和維護成本比較高；(2)因為存在機械限位開關的位置固定，所以機器人的靈 活性較低；(3)機械限位開關占據額外的空間；(4)在生產中替換機器人比較困難。

實用新型內容針對上述技術問題，本實用新型提供工業機器人，包括電動機、由所述電動機驅動 的軸、與所述電動機連接并且基于所述電動機的輸出產生檢測信號的檢測器和控制系統， 所述控制系統包括產生用于控制所述電動機的參考信號的主計算機和用于將所述檢測信 號或所述參考信號與預先設定的閾值范圍比較并且根據比較結果產生安全信號的位置安 全控制器。通過在機器人本體上省略機械限位開關，帶來如下技術效果(1)降低機器人的 制造成本和維護成本；(2)提高了機器人的靈活性較低；(3)節省了機械制動部件占據的額 外空間；(4)在生產中容易替換機器人。

圖1示出帶有機械限位開關的工業機器人；圖2示出根據本實用新型的實施例的工業機器人；圖3示出根據本實用新型的實施例的工業機器人的系統配置；圖4A和4B分別示出根據本實用新型的實施例的工業機器人的兩種模式配置；圖5A和5B分別示出根據本實用新型的實施例的閾值范圍的坐標表達；圖6示出安裝有根據本實用新型實施例的工業機器人的安全區域；圖7示出安裝有根據本實用新型實施例的工業機器人的安全區域；和圖8示出根據本實用新型實施例的工業機器人的控制柜。
具體實施方式
圖2示出根據本實用新型的實施例的工業機器人。如圖2所示，工業機器人2包括電動機20、由電動機20驅動的軸(未示出)、與電動機20連接并且基于電動機20的輸 出產生檢測信號A的檢測器21和控制系統22?？刂葡到y22包括產生用于控制所述電動 機20的參考信號B的主計算機220和用于將檢測信號或參考信號與預先設定的閾值范圍 比較并且根據比較結果產生安全信號的位置安全控制器221。參考信號控制電動機20的運 行參數，而檢測信號反應電動機20的運行參數。理論上，檢測信號滯后參考信號一段時間。 但是，如果系統響應快，則從用戶的角度來說該延時可以忽略。檢測信號可以為電動機的位置信號和/或速度信號，參考信號可以為電動機的位 置參考信號和/或速度參考信號，并且預先設定的閾值范圍可以為位置閾值范圍和/或速 度閾值范圍。如果檢測信號超過閾值范圍，則產生安全信號來使工業機器人停止。當然，由 于上述檢測信號和參考信號之間的關系，也可以對參考信號作類似檢測信號的判斷，即，如 果參考信號超過所述閾值范圍，則產生安全信號來使工業機器人停止。因為位置安全控制 器在功能上替代了機械限位開關，所以可以省略機械限位開關。通過在機器人本體上省略機械限位開關，帶來如下技術效果(1)降低機器人的 制造成本和維護成本；(2)提高了機器人的靈活性較低；(3)節省了機械制動部件占據的額 外空間；(4)在生產中容易替換機器人。圖2僅示出對于一臺電動機的安全控制，本實用新型也適用于多臺電動機。此外，工業機器人2的控制系統22還包括將來自主計算機220的參考信號轉換為 驅動信號C的軸計算機222，并且工業機器人2還包括基于驅動信號驅動電動機20的驅動 器23和將檢測信號反饋給位置安全控制器221的串行測量板24。主計算機220通過軸計 算機22和驅動器23完成對電動機20的控制。檢測器21可以是旋轉變壓器或編碼器，其檢測電動機20的位置和速度并且輸出 位置信號和/或速度信號。相應地，位置安全控制器221分別將位置信號和/或速度信號 與位置參考信號和/或速度參考信號比較，如果比較結果的誤差大于一預定范圍，則停止 工業機器人的運動。上述比較結果的誤差大于一預定范圍說明機器人系統存在故障，比如 電動機20堵轉或者檢測器21出錯等。此外，位置安全控制器包括存儲閾值范圍的存儲器、接收所述檢測信號的接口和 分別從存儲器和接口讀取閾值范圍和檢測信號并且執行比較。圖3示出根據本實用新型的實施例的工業機器人的系統配置。工業機器人3包括 示教器30、與示教器30連接的面板安全控制器31。例如，通過示教器30和面板安全控制 器31可以預先設定位置閾值范圍和/或速度閾值范圍。位置閾值范圍和/或速度閾值范 圍限制規定工業機器人3的軸的運動范圍和速度。當已經設定并且存儲閾值范圍時，位置 安全控制器32保證工業機器人3保持在限制范圍內。當工業機器人3的位置和/速度不 能確定是安全的時，或者如果已經產生誤差，則停止機器人并且報警。工業機器人3還包括 電源33、主計算機34和一系列與傳感器和/或過程信號連接的輸入/輸出接口 35。工業 機器人3的信號流通過LAN36或USB37或伺服線或以太網38傳輸。位置安全控制器32通過輸入/輸出接口連接到驅動安全控制器310、軸計算機 311。驅動安全控制器310和軸計算機311控制電動機驅動器39。工業機器人3還包括電 動機312和處理來自軸的測量信號的串行測量板313。除了軸的位置限制和速度限制之外，位置安全控制器39還可以完成位置監控、速度監控或停止監控。即使機器人靜止，停止監控包括在停止或制動期間保持正確的位置信 息，例如電動機閘的監控，從而可以滿足位置的精度和安全性的需要。在停止期間保持或甚 至更新位置可靠的和精確的測量為機器人不同運動部分之間保持精確的同步提供基礎。優選地，工業機器人3還包括可編程控制器314，用于從外部設定閾值范圍。當激 光檢測器檢測到操作人員進入機器人工作區域時，其向可編程控制器314發出信號S。作為 對信號S的響應，可編程控制器314控制電動機312降低速度。在微小的延遲之后，此時電 動機312已經減速，向位置安全控制器32發出啟動速度監控的信號。如果電動機312仍然 超過安全速度，則位置安全控制器32將緊急停止電動機。這保證了在操作人員進入機器人 工作區內機器人可以安全地減速。圖4A和4B分別示出根據本實用新型的實施例的工業機器人的兩種模式配置。圖4A示出被動模式。如圖4A所示，工業機器人4包括位置安全控制器40、接收 來自位置安全控制器40的安全信號A的工作單元安全控制器41和由工作單元安全控制器 41控制的電動機驅動器42。在位置安全控制器40中預先配置位置閾值范圍和/或速度閾 值范圍。與圖2不同，位置安全控制器40并非直接控制電動機驅動器42，而是將安全信號 饋送至工作單元安全控制器41 ；工作單元安全控制器41綜合考慮安全信號A和工作單元 安全信號B進而控制電動機驅動器42。工作單元安全信號可以是門開關狀態信號、激光檢 測器信號和急停信號等。圖4B示出主動模式。如圖4B所示，工業機器人4包括工作單元安全控制器41、 接收來自工作單元安全控制器41的使能信號C的位置安全控制器40和由位置安全控制器 40發出的安全信號控制的電動機驅動器42。在位置安全控制器40中預先配置位置閾值范 圍和/或速度閾值范圍。工作單元安全控制器41根據工作單元安全信號決定是否啟動位 置安全控制器40。通過設定被動模式和主動模式，可以靈活地設定工作單元安全信號和安全信號的 優先級。圖5A和5B分別示出根據本實用新型的實施例的閾值范圍的坐標表達。閾值范圍 可以用坐標系表達，坐標系的原點可以根據用戶的需求設定在工業機器人本體的某一點、 工業機器人所持工具的某一點或者位于工作單元內、工業機器人本體外的某一點，坐標系 的坐標軸的方向按照用戶需求設定。例如，如圖5A所示，坐標系的原點設定在工業機器人 50所持工具51的某一點Otl或O1,坐標系的坐標軸的方向按照用戶需求設定為箭頭所指方 向。如圖5B所示，坐標系的原點設定在位于工作單元內、工業機器人50本體外的某一點 ο，例如被加工工件52中，坐標系的坐標軸的方向按照用戶需求設定為箭頭所指方向。通過 坐標變換，可以使閾值范圍的配置更加簡單。即，定義安全區域比較簡單，應用靈活，運算量 較低。可以將根據本實用新型的工業機器人應用在如下領域。當操作工人上料時，通常需要機器人的電動機掉電一段時間以確保工人安全。然 后，在上料完成后上電。這需要額外的自動上料系統以及頻繁的切換接觸器和電動機的閘。 由此帶來系統的復雜、工時的浪費以及接觸器和電動機的閘的磨損。將根據本實用新型的 工業機器人應用在手動上料的自動模式中，可以解決上述問題。圖6示出安裝有根據本實用新型實施例的工業機器人的安全區域。如圖6所示，網格表示坐標系60。安全區域由包括多個坐標點61 (例如24個)的多邊形62來表達，其 高度H可根據需要設定。根據上述坐標點和高度，可以預先配置位置安全控制器的閾值范 圍。在安裝工業機器人63前，通過離線確定工業機器人的工作空間，可以優化場地空間并 且相對于機械限位開關來講易于安裝并且具有較高的靈活性。當工業機器人的工具坐標系 中心點移動到安全區域外，則緊急停止機器人的運動。安全區域可以定義為工具坐標系中 心點不能移出的范圍也可以定義為工具坐標系中心點不能進入的范圍。圖7示出安裝有根據本實用新型實施例的工業機器人的安全區域。如圖7所示， 工業機器人70在導軌71上平行移動并且持有工具72。安全區域包括雙向箭頭所指的導軌 安全區域73和由右側立方體所限定的工具安全區域74?？梢灶A先配置位置安全控制器的 閾值范圍，使得工業機器人70能夠同時保持其在導軌安全區域73內并且工具72保持在工 具安全區域74內。圖8示出根據本實用新型實施例的工業機器人的控制柜。控制柜80收納位置安 全控制器81。位置安全控制器81被安裝在所述控制柜的內部。雖然已參照本實用新型的某些優選實施例示出并描述了本實用新型，但本領域技 術人員應當明白，在不背離由所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和范圍的情況 下，可以在形式上和細節上對其做出各種變化。
權利要求一種工業機器人，包括電動機、由所述電動機驅動的軸、與所述電動機連接并且基于所述電動機的輸出產生檢測信號的檢測器和控制系統，所述控制系統包括產生用于控制所述電動機的參考信號的主計算機和用于將所述檢測信號或所述參考信號與預先設定的閾值范圍比較并且根據比較結果產生安全信號的位置安全控制器。
2.如權利要求1所述的工業機器人，其中所述檢測信號為所述電動機的位置信號和/ 或速度信號，所述參考信號為所述電動機的位置參考信號和/或速度參考信號，并且所述 預先設定的閾值范圍為位置閾值范圍和/或速度閾值范圍。
3.如權利要求1所述的工業機器人，其中如果所述檢測信號或所述參考信號超過所述 閾值范圍，則產生所述安全信號。
4.如權利要求1所述的工業機器人，其中所述位置安全控制器包括存儲所述閾值范圍 的存儲器、接收所述檢測信號的接口和分別從所述存儲器和接口讀取所述閾值范圍和所述 檢測信號并且執行所述比較。
5.如權利要求4所述的工業機器人，其中所述閾值范圍可以用坐標系表達，所述坐標 系的原點可以根據用戶的需求設定在所述工業機器人本體的某一點、所述工業機器人所持 工具的某一點或者位于工作單元內、所述工業機器人本體外的某一點，所述坐標系的坐標 軸的方向按照用戶需求設定。
6.如權利要求4所述的工業機器人，其中所述控制系統根據所述安全信號停止工業機 器人的運動。
7.如權利要求4所述的工業機器人，還包括工作單元安全控制器，其根據所述安全信 號停止工業機器人的運動。
8.如權利要求1所述的工業機器人，還包括用于收納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裝在所述控制柜的內部。
9.如權利要求2所述的工業機器人，其中所述位置安全控制器分別將所述位置信號和 /或速度信號與所述位置參考信號和/或速度參考信號比較，如果比較結果的誤差大于一 預定范圍，則停止工業機器人的運動。
專利摘要本實用新型提供工業機器人，其包括電動機、由所述電動機驅動的軸、與所述電動機連接并且基于所述電動機的輸出產生檢測信號的檢測器和控制系統，所述控制系統包括產生用于控制所述電動機的參考信號的主計算機和用于將所述檢測信號或所述參考信號與預先設定的閾值范圍比較并且根據比較結果產生安全信號的位置安全控制器。通過在機器人本體上省略機械限位開關，帶來如下技術效果(1)降低機器人的制造成本和維護成本；(2)提高了機器人的靈活性較低；(3)節省了機械制動部件占據的額外空間；(4)在生產中容易替換機器人。
文檔編號B25J9/18GK201711968SQ20092017500
公開日2011年1月19日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者皮特·埃里克森, 遲永琳 申請人:Abb技術有限公司