一种防止机器人产生意外碰撞的装置及设计方法

技术领域

本发明涉及一种防止机器人产生意外碰撞的装置及设计方法，可应用于工业机器人在正常作业或人机交互作业过程中的安全保护。

背景技术

工业机器人在制造业和服务领域的应用越来越广泛。由于工业机器人通常处于位置控制模式，一旦发生碰撞，由于巨大的刚度，会产生严重后果，不仅导致被撞对象受伤、受损，甚至可能发生严重的人身伤亡事故，机器人自身也可能由于碰撞而损坏。为了防止工业机器人在运动过程中碰撞到人，一般都要求用围栏把工业机器人围起来，防止人在不知情的情况闯入。但是有些工作，如搬运、装配等，往往需要机器人与人协同配合才能完成特定动作和功能，而不能把人与机器人进行隔离。为此，需要切实采取措施保障机器人在运动过程中的安全性。如图1所示为典型的工业机器人配置，包括机器人本体和控制器，其中在控制器上设有急停按钮，急停按钮通过两个端子与控制器内部电路连接。机器人在正常运行过程中，按下急停按钮，即两个端子闭合连接，则机器人立即停止运动，从而可以实现在紧急情况下避免发生严重的碰撞事故。目前已采取的措施还有，对机器人关节设置最大扭矩值，使机器人的实际关节扭矩始终在设置的最大扭矩之内；在机器人工作空间安装传感器，一旦人进入到机器人的工作空间，机器人即报警并减速或者停止，以确保人的安全；采用力矩控制算法，使碰撞的力始终控制在一定限值之内，等等。上述这些方法目前还远不能解决工业机器人的安全性问题。

考虑到以上因素，本发明直接在工业机器人的连杆上包覆一层粘弹性缓冲材料，通过缓冲材料，不仅可以大幅降低碰撞力，而且还可以延缓碰撞力的上升时间、扩大碰撞接触面积（减小碰撞接触应力），如果在缓冲层达到压缩极限之前，机器人能够迅速停止运动，则可以有效确保人和机器人的安全。这使得本发明可以应用在工业机器人诸多需要进行安全保护的应用场合中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可以降低机器人意外碰撞严重性的装置。

本发明采用以下方案实现：一种防止机器人产生意外碰撞的装置，其特征在于：包括一机器人本体、一控制器和一安全保护器，所述控制器连接所述机器人本体，所述控制器上设有一急停按钮，所述机器人本体上贴附一粘弹性缓冲层，在所述粘弹性缓冲层上贴附一个或多个触觉传感器，所述触觉传感器连接所述安全保护器的输入接口，所述急停按钮连接所述安全保护器的输出接口。

在本发明一实施例中，所述安全保护器包括一个或多个输入接口、一信号处理电路、一处理器、一继电器和一输出接口，所述输入接口把所述触觉传感器的信号引入到所述安全保护器内，经过所述信号处理电路进行滤波、放大、整形和AD转换处理后，传送到所述处理器，所述处理器控制所述继电器是否通电从而控制所述急停按钮的开关状态。

在本发明一实施例中，所述触觉传感器贴附在所述粘弹性缓冲层的内表面或外表面。

在本发明一实施例中，所述触觉传感器是PVDF压电传感器或人工皮肤传感器。

本发明的另一目的是提供一种防止机器人产生意外碰撞装置的设计方法，本发明采用以下方案实现：一种防止机器人产生意外碰撞的装置的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：粘弹性缓冲层的材料选型，确定粘弹性缓冲层材料的弹性系数和粘性系数；

S02：初定粘弹性缓冲层的厚度，并取允许的厚度最大值；

S03：触觉传感器的选型，并把触觉传感器贴附于粘弹性缓冲层的内表面或外表面；

S04：把粘弹性缓冲层和触觉传感器贴附于机器人本体的连杆臂上；

S05：测试确定触觉传感器可靠动作的粘弹性缓冲层形变阈值；

S06：实测机器人从碰撞到急停所需的粘弹性缓冲层缓冲行程；

S07：根据所述的缓冲行程，重新确定粘弹性缓冲层厚度。

本发明通过在机器人连杆上包裹一缓冲层，用于缓冲和降低碰撞时产生的冲击力，并在缓冲层的有效压缩行程内，通过触觉传感器反馈，实现机器人的急停，从而保护被撞对象。当触觉传感器由于碰撞而受压或发生形变而达到一定阈值时，安全保护器输出触发机器人急停功能，控制其继电器动作，使继电器触点闭合，该触点同时与机器人控制器的急停按钮连接，从而使机器人避免发生严重碰撞，达到保护被撞对象的目的。本发明的优点是在无需对现有机器人进行大幅改动的前提下，即可防止机器人产生研制碰撞，实现方法简单，可靠性高。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是现有的工业机器人系统。

图2是本发明包覆粘弹性缓冲层的工业机器人。

图3是本发明防止机器人产生意外碰撞的装置系统结构图。

图4是本发明安全保护器的电路原理图。

图5是本发明防止机器人产生意外碰撞的装置的设计方法流程图。

具体实施方式

如图1所示为通常工业机器人系统，由机器人本体11和控制器12组成，在控制器上均设有急停按钮13。在图1通用机器人系统的基础上，本发明提供一种防止机器人产生意外碰撞的装置，如图2和图3所示，包括一机器人本体、一控制器和一安全保护器，所述控制器连接所述机器人本体，所述控制器上设有一急停按钮，所述机器人本体上贴附一粘弹性缓冲层，在所述粘弹性缓冲层上贴附一个或多个触觉传感器，所述触觉传感器连接所述安全保护器的输入接口，所述急停按钮连接所述安全保护器的输出接口。粘弹性缓冲层的主要作用是降低碰撞冲击力，延缓碰撞力上升的时间，降低碰撞接触应力，从而可以减小撞到人时的疼痛感。在粘弹性缓冲层和连杆表面之间布设触觉传感器，如PVDF压电传感器，也可以在粘弹性缓冲层的外表面布设触觉传感器，如人工皮肤传感器等，传感器采集机器人连杆碰撞时由于粘弹性缓冲层形变而产生的碰撞力信号。机器人每个连杆均可以包裹粘弹性缓冲层材料，每个连杆上独立布设触觉传感器。

如图4所示，所述安全保护器包括一个或多个输入接口、一信号处理电路、一处理器、一继电器和一输出接口，所述输入接口把所述触觉传感器的信号引入到所述安全保护器内，经过所述信号处理电路进行滤波、放大、整形和AD转换处理后，传送到所述处理器，处理器依据采集到的传感器具体数据，决定输出电路是否动作，控制所述继电器是否通电从而控制所述急停按钮的开关状态，继电器的输出敞开触点与机器人控制器上的急停按钮并联。所述触觉传感器可以贴附在所述粘弹性缓冲层的内表面或外表面。

本发明的另一目的是提供一种防止机器人产生意外碰撞装置的设计方法，如图5所示，包括以下步骤：

S01：粘弹性缓冲层的材料选型，确定粘弹性缓冲层材料的弹性系数和粘性系数；其中，粘弹性缓冲层的材料可以是海绵等发泡材料、橡胶等高分子材料等，如日本INOAC公司生产的EGR系列产品；

S02：初定粘弹性缓冲层的厚度，并取允许的厚度最大值；粘弹性缓冲层的目的是缓冲碰撞，并在缓冲层压缩到极限之前实现急停；因此，缓冲层的厚度越厚理论上越保险，但是过厚的缓冲层会影响机器人的灵活性；在初始确定缓冲层厚度时，为保险起见，取较厚的值（如40-60mm）然后再通过后续的实验步骤减薄；

S03：触觉传感器的选型，并把触觉传感器贴附于粘弹性缓冲层的内表面或外表面；

S04：把粘弹性缓冲层和触觉传感器贴附于机器人本体的连杆臂上；

S05：测试确定触觉传感器可靠动作的粘弹性缓冲层形变阈值；当粘弹性缓冲层形变达到某一阈值时，就可以确定是发生了碰撞，而在达到这个阈值之前，由于形变量较小，在各种干扰和噪声的作用下，无法准备判定是否有碰撞发生；因此，确定这个形变阈值需要通过试验反复测试，包括不同的接触面积、接触力、接触速度、接触方向的组合；

S06：实测机器人从碰撞到急停所需的粘弹性缓冲层缓冲行程；

S07：根据所述的缓冲行程，重新确定粘弹性缓冲层厚度。考虑到一定的安全余量，以及碰撞力会随着压缩量的增加而非线性增加，通常缓冲层厚度要大于1.3倍缓冲行程以上。

基于上述步骤，即可完成机器人粘弹性缓冲层的有效设计和使用，确保机器人在运动过程中，起到很好的安全保护作用。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。