（模式识别与智能系统专业论文）机器人安全控制系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 工业机器人技术在各个行业得到了广泛应用，已经成为自动化生产的主要组成部 分。计算机技术与控制方法的快速发展，大大拓展了机器人技术应用的灵活性，更是对 控制系统的结构体系、系统的安全运行等多方面产生了非常深刻的影响【l 】。作为一台具 有多个自由度的高速运转设备，在预编程中已经做了大量的保护工作，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，关节式机器人的 安全保护问题显得尤为突出【z j 。 本论文以六轴关节型工业机器人的安全要求为中心，详细阐述了安全控制系统的设 计与实现过程。首先介绍了工业机器人的发展背景、国内外的研究现状以及机器人安全 控制系统的研究意义。接着通过对工业机器人工作特点、生产区域和相关规范的分析， 并结合本课题的实际需求，进行了系统的结构与总体方案设计，确定了系统功能需求点， 分析了主要器件的选型。 针对总体设计中的要求，本文对以a r m 7 型m c u 和c p l d 为核心的控制系统硬件部分 进行了详细设计。根据不同功能划分模块，给出了旋转编码器解码、模拟信号采集、逻 辑信号的接收与处理、电源、通信等模块电路的详细设计。并提出了一些硬件电路的抗 干扰措施。 在硬件设计的基础上本文进行了系统的软件设计并实现了各项功能。对安全控制系 统中的逻辑器件进行了配置，实现了基本逻辑关系判断，旋转编码器解码计数等功能。 详细介绍了m c u 软件的总体设计以及模拟量采集、位置计算、故障检测等子系统的编程 工作，实现了速度、转矩检测，关节角度的计算，故障判别等功能。接下来本文介绍了 笛卡尔坐标系下虚拟安全空间的设置和表示方法，并提出了改进的碰撞测试算法，该方 法以a a b b 包围盒方法分离不可能碰撞物体，针对虚拟安全空间的特点提出了在从b b 方 法不能判别区域进行狭义测试的方法，讨论了该方法的应用条件并给出了结论。 接下来讨论了安全控制系统与运动控制系统的关系、安全控制系统对整个机器人控 制系统安全性的影响，分析了程序响应时间、速度转矩检测精度、关节角度计算等主要 性能指标。 最后对课题过程中的工作内容做了总结并就系统的进一步优化以及下一阶段的研 究方向提出了一些展望。本文提出的机器人安全控制系统结构以及实现方式，适用于许 多工业机器人控制的场合，具有良好的应用前景。 关键词：工业机器人，安全保护，碰撞检测，信号采集 a b s t r a c t a b s t r a c t i n d u s t r yr o b o tt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fa u t o m a t i cp r o d u c t i o na n dh a s b e e nw i d e l ya p p l i e di ne a c hi n d u s t r yf i e l d 、矾t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e a n dc o n t r o lm e t h o d ，n o to n l yt h ea p p l i c a t i o na d a p t a b i l i t yo fr o b o tt e c h n i q u eh a sb e e ng r e a t l y w i d e n e d ，b u ta l s oi th a sap r o f o u n di n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e ma n dt h es a f e t y p e r f o r m a n c e 【1 1 t h e r ea r em a n yv a r i e dh a z a r d sa s s o c i a t e dw i t hr o b o t s s o m ea r ec a p a b l eo fh i 曲e n e r g y m o v e m e n tt h r o u g hal a r g ev o l u m e r o b o td e s i g na n dt h es e l e c t i o no fs a f e g u a r d sw i l lv a r y d e p e n d i n go ni t st y p e i t sa p p l i c a t i o na n di t sr e l a t i o n s h i pw i t ho t h e rm a c h i n e s 哆d u r i n g p r o g r a m m i n ga n dm a i n t e n a n c e , f o re x a m p l e ，i tm a yb en e c e s s a r yf o rw o r kt ob ed o n ei nc l o s e p r o x i m i t yw i t ht h er o b o t b e s i d e st h a t ，a l lr o b o t su s ep r o g r a m m a b l ee l e c t r o n i cs y s t e m s d a n g e r o u sf a u l t sm a yn o to n l yb ec a u s e db yr a n d o mh a r d w a r ef a i l u r eb u ta l s ob ys y s t e m a t i c f a u l t si n a d v e r t e n t l yd e s i g n e di n t ot h es y s t e m i no r d e rt om e e tt h e s e s a f e t yr e q u i r e m e n t so fa6 - j o i n tr o b o t , t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h es a f e t yc o n t r o ls y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l f i r s t 。t h eb a c k g r o u n do ft h e i n d u s t r yr o b o t ，p r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n sa n dt h es i g n i f i c a n c eo fs t u d ya r ei n t r o d u c e do n i s s u e si nr o b o ts a f e t y a sf o l l o w , t h ed e f i n i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h er o b o tw o r k i n gz o n e w a si n t r o d u c e d n o to n l yo nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so ft h er o b o ts a f e t yc r i t e r i o n s ，b u ta l s o a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t , a na r c h i t e c t u r a ld e s i g no ft h es y s t e mw a sm a d ea n dt h e t y p es e l e c t i o no fm a i ne q u i p m e n tw a sa n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h es y s t e m ，t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d w i t l lt h ec o r eo farm 7m c ua n dc p l d t t l ec i r c u i t so fs i g n a lg a t h e r i n g , 1 0 9 i cc o n t r o l ， h a z a r dd e t e c t i n ga n dj o i n t p o s i t i o nc a l c u l a t i n ga r ed e s i g n e dd e t a i l e d a sf o l l o w , t h es o f h v a r e o ft h es a f e t yc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db yp r o g r a m m i n gt h em c u p r o g r a m sa n dc o n f i g u r i n g t h ec p l dl o g i cu n i t sb ys o f t w a r e 弧em e t h o db yu s i n gv i r t u a ls a f e t ys p a c e sf o ri n d u s t r y r o b o ti si n t r o d u c e db e c a u s eo fi t si m p o r t a n c ei na c t u a la p p l i c a t i o n $ a ni m p r o v e dr e a l t i m e a l g o r i t h mi sa l s op r e s e n t e dt od e t e c tc o l l i s i o nb e t w e e nv i r t u a ls a f e t ys p a c e sa n dt h er o b o t i t s e l fe s p e c i a l l y t h ea c c u r a c ya n de 伍c i e n c ya r ea l s ob e e nd i s c u s s e d t h e nt h e1 0 g i c a la s s o c i a t i o nb e t w e e nt h es a f e t yc o n t r o ls y s t e ma n dt h em o t i o nc o n t r o l s y s t e mi sd e t a i l e d d i s c l l s s e di no r d e rt om a k et h ee f f e c to ft h es a f e t yc o n t r o ls y s t e mi n e v i d e n c eo nt h ee n t i r er o b o tc o n t r o ls y s t e m t h er e s p o n s et i m ea n da c c u r a c yo ft h es a f e t y c o n t r o ls y s t e mi sa l s oa n a l y z e da n di n d i c a t e d i n t h ee n d ，a l lt a s k so ft h ep a p e l a r es u m m a r i z e d ：t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f c o n t i n u i n gt a s k sa n dd e v e l o p m e n to fs a f e t yc o n t r o ls y s t e m se x p e c t a t i o ni sp r e s e n t e d t h e a p p r o a c ht h ep a p e rp r o p o s e dh a sw i d e ra d a p t a b i l i t i e sf o rt h ec o n t r o lo v e rm u l t i p l ei n d u s t r y r o b o t i c s k e y w o r d s ：i n d u s t r yr o b o t ；s a f e t yc o n t r o l ；c o l l i s i o nd e t e c t i o n ；s i g n a lg a t h e r i n g h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 王芏士日期：型l ：兰：盈研究生签名：二，一士士日期：型2 ：兰：三2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一繇珥名：啤魄 第1 章绪论 1 1 引言 第l 章绪论 机器人作为现代制造业的主要自动化装备，己经广泛应用予汽车、摩托车、工程机械等行业， 其中焊接是工业机器人的主要应用领域。根据国际机器人联合会( i f r ) 和联合国欧洲经济委员会 ( e c e ) 估计，至2 0 0 4 年底，全球运行的工业机器人数量在最小值8 4 8 万台至最大值1 1 2 万台之间。 预计2 0 0 8 年，北美地区运行的多功能工业机器人将达到1 5 6 万台，欧洲为3 4 8 万台，其中用于各 种焊接作业的焊接机器人占4 5 以上。 i 2 工业机器人技术简介 根据国际标准化组织( i s o ) 工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复 编程的自动控制操作机( m a n i p u l a t o r ) ，具有三个或更多可编程的轴。工业机器人选配特定的附属 设备可形成不同用途的专用机器人。以焊接机器人为例，用于工业自动化领域的焊接机器入主要包 括机器人和焊接设备两部分m 1 。机器人由机器人本体和控制柜( 硬件及软件) 组成。而焊接装备， 以弧焊及点焊为例，则由焊接电源、送丝机( 弧焊) 、焊枪( 钳) 等部分组成。工业机器人的应用 不但可以改善劳动环境、减轻劳动强度、提高生产效率，稳定和保证产品质量、节约原材料，而且 能在空间站建设、核能设备维修、深水操作等极限条件下完成人工难以进行的各种作业。同时，工 业机器人的应用也使多品种、小批量的自动化生产成为可能。由于实际生产的需要，工业机器人系 统正在由单机器入向机器人柔性加工单元和机器人柔性加工生产线发展。目前，国外已有人量的工 业机器人系统应用于各类自动化生产线上哺1 。 1 3 国内外研究现状 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成 了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司1 ，它们包括，瑞典的a b br o b o t i c s ，日本的f 舢c 、 y a s k a w a ，德国的k u k ar o b o t e r ，美国的a d e p tt e c h n o l o g y 、a m e r i c a n r o b o t e r 、e m e r s o ni n d u s t r i a l a u t o m a t i o n 、s - tr o b o t i c s ，意大利c o m a u ，英国的a u t o t e c hr o b o t i c s ，加拿大的j c di n t e r n a t i o n a l r o b o t i c s ，以色列的r o b o g r o u pt e k 公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于2 0 世纪7 0 年代，早期是大学和科研院所的自发性 的研究。到5 0 年代中期，全国没有一台工业机器人闷世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟 的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。因此，国家1 9 8 6 年将发展工业机器人列入“8 6 3 ”高 科技计划。经过二十多年的持续努力，哈尔滨工业大学和沈阳自动化所在蔡鹤皋院士主持下设计制 造的h t - i o o a 型点焊机器人，第一台于1 9 9 8 年2 月上线应用于解放牌卡车的后风窗点焊，第二台于 1 9 9 8 年5 月上线应用于红旗轿车焊接线，标志着我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关 键元器件等方面取得了重大进展，并进入应用化阶段。目前已形成了点焊、弧焊、涂胶、装配等多 个机器人产品系列，能够实现小批量生产。 工业机器人作为一台具有多个自由度的自动运行设备，可以在大范围内实现复杂的高速动作， 尽管在预编程时已经做了大量的保护工作，仍然无法准确预测在不同工况下的所有危险。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的设计缺陷都有可能造成 巨大的损害，关节式机器人的安全保护问题显得尤为突出。国际电工委员会( i e c ) 和欧洲标准化组织 ( c e n c e n e l e c ) 也制定了相关的安全标准m 1 。采用开放式机器人控制器的机器人便于对系统进行扩 展，允许各单元共享数据，这就为安全控制系统的设计提供了方便。国际知名机器人厂商也分别就 关节型机器人的安全保护提出解决方案。将工业现场安装围栏、安全地毯等装置的被动安全防护措 施与运行中实时监测故障的主动防护措施相结合，已成为机器人安全保护的主流思想。 东南大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究意义 在机械加工、电子电气、橡胶及塑料、食品制造等领域，尤其是在汽车制造方面，工业机器人 在冲压、堆垛、焊接、涂装和总装等各个环节，逐步取代了人工作业，并通过处理那些导致伤害和 工人赔偿要求的危险性或重复性工作使工人更安全，但像所有运动机器一样，机器人也在工作区中 引入危险拉1 。在有人值守环节和人- t 参与示教或维护的时候，工作人员需要非常靠近地观察和操作 机器，硬件错误和未知的系统的设计缺陷都有可能导致事故的发生。因此，必须在工业机器人工作 场所设置必要的安全设施，防止意外发生。 本项目就是结合国内外产品特点和市场需求，与企业合作开发拥有自主知识产权的，先进、可 靠、实用的机器人安全控制系统。作为开放式6 自由度焊接机器人控制系统的一部分，该控制系统 能够人大降低机器人运行时发生工伤和系统停运的风险，使之成为在国内外市场上具有竞争力的焊 接机器人产品，从而促进民族工业的发展，提高国际竞争能力。 1 5 本论文的主要工作与结构 本文研究的目的在于设计和实现一套工业机器人安全控制系统，满足机器人作业中的安全控制 需求。论文的章节安排如下： 第一章是绪论，介绍该课题的背景和意义、目前国内外工业焊接机器人的发展现状。 第二章介绍了昆山1 号机器人控制系统结构，分析了工业机器人工作区域的特点和安全防护需 求，设计了安全控制系统的总体方案，并给出了硬件接口定义。 第三章根据选定的系统方案，按功能不同将安全控制系统划分为独立的板卡，完成了各板卡的 详细设计和电路实现工作。 第四章论述安全控制系统软件设计及实现。主要从c p l d 功能配置和m c u 程序两方面介绍了软件 功能，研究了虚拟安全空间的定义与实现。 第五章首先说明了安全控制系统与运动系统的关系、以及安全控制系统对整个机器人运动控制 系统的影响，分析了安全控制系统的响应时间、检测精度等指标。 2 第2 章安全控制系统的总体设计 第2 章安全控制系统总体设计 2 1 昆山l 号控制系统概述 2 i 1 机器人本体 本课题所选用的“昆山l 号”机器人是东南大学与华恒焊接技术中心联合开发的全自动焊接机 器人，如图2 - 1 所示。该机器人最大r 作负荷为1 6 公斤，重复定位精度为4 - 00 5 r a m 。可班应用于汽 车、家电、轻工等行业零部件焊接作业及小型装配、激光切割、焊接等作业中“1 。 该机器人属于6 自由度垂直关节型通用1 业机器 ，采用3 相2 0 0 v 供电，最大回转半径1 5 8 5 衄。 主要结构参数见表2 - i ； 禺2 - i 尾山1 号机矗人本体宴物目 2 1 _ 2 运动控制系统 项目 指标 结构* 式垂直关节型 负载能力1 6 k g 轴3 附加载荷1 0 k g 重复定位精度 00 5 呲 自由度数6 每轴昂大运动范圉 l 回转( s 轴)+ l 5 0 4 ，1 8 0 + 2 下臂( l 轴)+ 3 0 。一1 2 8 。 3 上臂( u 轴) + 1 5 0 。1 2 0 4 横摆( r 轴)1 8 0 。 5 俯仲( b # ) 2 0 。 6 回转( t 轴)3 6 0 。 曩太毫度 1 回转( s )1 4 0 4 s 2 下霄( l 轴)1 4 0 。s 3 【臂( u 轴)1 4 0 。s 4 横摆( r 轴)i2 7 0 。s 5 俯仲( b 轴)i2 7 d 。s 6p 精( t 轴)400。s 屉大回转半径1 5 8 , 5 衄 电潭3 相2 0 0 v 5 0 l i z ( 接外置变压嚣) 功率l o k v a 机器人要完成焊接作业，必须依赖丁控制系统与辅助i 殳备的支持和配合。对于较复杂的弧焊机 器人系统而言，焊接操作实质上是复杂的空间位移、相适应的焊枪姿态和优选的j 艺参数的协调合 成。作为整个弧焊机器_ 凡系统的核心，控制器是决定机器人焊接作业性能好坏的关键。但是现在真 正应片j 到生产实际中的焊接机器人系统从整体上看基本属于第代机器人，工作前要求撵作者通过 示教盒控制机器人各关节的运动采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。这种焊 接机器人在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，缺乏“柔性”。 本课最研究的机器人运动控制系统设计采用开放式的控制体系结构这也是工业机器人控制嚣 未来发展的主流趋势“。运动控制系统硬什除了具备k 自由度焊接机器人基本控制功能外( 在机器 人可选空阃内- 通过示教再现，可咀实现空间任意轨迹的示救和再现。井且能够在基础坐标系、工 具坐标系等坐标系内实现直线、圆弧、关节的插补运动。结合j 二具手，可h 实现焊接、切割、搬运 菩不同类型的工作) 还有如f 特点： ( 1 ) i o 控制：具有d i 、d o 、 i 、a 0 接口 东南人学硕士学位论文 ( 2 ) 多通道安全冗余设计 ( 3 ) 电机刹车检测功能 ( 4 ) 通信与网络功能：能配置c a n b u s 、p r o f i 一即s ( 或其它总线) 通信方式，具有以太网络 通信功能，u s b 功能，r s 2 3 2 r s 4 2 2 串行口 ( 5 ) 满足前述的硬件设计要求，并为后续扩展留有余地和接口 该机器人采用基于p c 1 0 4 总线的开放式机器人控制器，能够在i 【 j 户臼定义坐标系中完成轨迹自 动生成与优化功能、用户运动编程功能和示教与再现等功能，提供e t h e r n e t 远程控制接口，可以方 便地针对特定应用拓展用户i o 1 。机器人的运动控制系统主要由示教器、p c 1 0 4 工控机，p m a c 2 运动控制卡和伺服驱动器组成。用户可以通过示教器编辑运动程序，也可以通过e t h e r n e t 网络传入 编辑好的程序，这些程序在t 控机中解释分析，并按要求规划出合理的运动轨迹送往运动控制卡执 行，运动控制卡将接收到的轨迹细分，并通过伺服驱动器最终转化为机械臂运动，运动控制系统的 体系结构如图2 2 所示。 工业以土辨 图2 - 2 运动控制系统结构示意图 其中示教盒、工业p c 、运动控制卡、伺服驱动器等设备间的接口简要分析如下： ( 1 ) 示教盒连接至p c ，向用户提供操作机器人的手持终端，示教盒主要完成键值采集和液晶 屏显示控制功能。示教盒采集键值后发送至p c 机，p c 机根据键值做相应处理；示教盒液晶屏显示 控制功能则根据主机返同信息控制液晶屏做相应的信息显示。 ( 2 ) p c 与运动控制卡之间通过总p c i 0 4 线和双端r a m 通讯。运动控制卡进行闭环控制( 位置、 转速) ，完成高实时性、高时钟精度的伺服计算功能，p c 机则完成人机接口功能以及其它一些低实 时性要求的计算任务，如：示教盒通讯、以太网通讯、轨迹规划、轨迹插补等。p c 和运动控制卡间 以给定位置序列作为接口：p c 发送给定位置序列至运动控制卡，运动控制卡完成匹配给定位置序列 的闭环伺服控制。 4 薷2 章安全控制系境的总体蛩* ( 3 ) 伺服驱动器根据运动控制卡给定的控制量对电机进行相应伺服控制，如转速控制、力矩控 制。 ( 4 ) p c 机与以太网连接以实现机器人网络控制。 22 安全控制系统需求分析 2 2 1 工业机器人工作区域介绍 工业机器人所在的车间环境通常比较复杂，具有大功率设备密焦电网波动大“；协同上作的 吊装设各、转运设备数量多流程复杂；现场工作人员操作频繁等特点。 典型的焊接工作区域包括机器人本体、控制柜、导轨、变位机、变压器、焊接电源，送丝机、 保护气源，安全周栏、自动清洗设备等。各设备工作联系紧密，在示救等过程中，往往需要操作员 迸八现场对系统安全肪护提出了较高的要求( 见图2 3 ) 。 安垒防护装萎 目2 - 3 机嚣 工作区域 2 2 2 安全控制系统与机器人运动控制系统的关系 设置安全控制系统的目的是提高机器人控制系统安全性能，同时安全控制系统不能影响原有运 动控制系统的正常工作。 目前使用的运动控制系统中采用一块转接扳实现p 姒c 运动控制 与伺服驱动器、控制柜面板， 动力电源开闭等模块的信号连接。该转接扳提供了开关揖信号隔离、继电器驱动等基本功能，通过 p c b 布线简化丁不同类型接口间的信号线连接，降低了控制柜内部线排加j 。难度：在p 心运动控制 东南大学硕上学位论文 卡中软p l c 程序配合下，可以完成动力系统上电、外部制动器松闸、控制柜前面板按键与显示灯处 理等工作。转接板的硬件连接如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 转接板在机器人控制系统中的连接 吐一毛丽 一机器人| i 壁鲎塑码器卜 本体。l 安全控制系统需要分析机器人控制系统中的大量信息，而运动控制系统中的转接板目前承担着 不同线排间信号连接、隔离、电平转换等任务，采用更新原运动控制系统中转接板的方式实现安全 控制功能，可方便获得安全控制系统所需的多种信号，避免独立安装安全控制系统导致的控制柜走 线复杂问题，降低系统升级成本 为保持与原有运动控制系统兼容，安全控制系统的设计中应包括原运动控制系统中转接板的全 部功能，尽可能沿用转接板上的接插件形式，接口信号功能定义等。图2 5 中阴影部分指出了新增 的安全控制系统在机器人控制系统中的位置与连接关系。图中“原转接板功能”与实线表示的信号 连接沿续了转接板的所有功能；新增功能及相应的信号连接( 虚线) 包括： ( 1 ) 旋转编码器信号 ( 2 ) 指令速度 ( 3 ) 当前速度 ( 4 ) 当前转矩 ( 5 ) p m a ca c c 3 4 附件卡一服之间的开关量信号 ( 6 ) 外部防护设备输入 ( 7 ) 安全接触器驱动应答 ( 8 ) 安全控制系统一工业p c 之间的r s 2 3 2 通信 其中，旋转编码器信号、指令速度信号在原转接板已经引入，但仅提供p m a c 运动控制卡j 1 舱c h 插座与伺服驱动器x 5 插座间的p c b 连线以方便控制柜内布线，在安全控制系统中均作为有效信息加 以采集处理。 在控制柜连线中，需要调整的信号连接集中在安全控制系统与伺服驱动器的x 5 插座之间，新增 6 第2 章安全控制系统的总体设计 的当前速度、转矩检测以及由p i a c - a c c 3 4 a a 采集的i o 量信号均需引入安全控制系统中。其它新增 连接包括与工业p c 的r s 2 3 2 连线、与安全接触器的驱动应答信号连线、电源输入等。 示教盒 个以太一 _ 一 一- 嵌入式工业p c i 7 r s 2 3 2 i l i 鲢2 3 2 l l l i 期 c 运动控制基卡、扩展卡、通信卡 4 1 1 c , c 3 4 - a a 开关 l 量i 0 卡 l j o p t o 煳 o h l 、一雕a o h 2 l jl 。k jkj l 虫 1r 通信 虚拟安全空间保护 位置计算 旋转编码器处理 一 旋转编码器信q 扦t 盛信峙 谲变甜 硬件逻辑保护电路、故障检测 1 x 5伺服驱动嚣匦叫皇机 机器人 一卜一 速度指令s 障i _ 壕编码i k 本体 1 珥 速度，转矩限舒i - 一 速度s p i - 一一 外部防护设备检翼一一一 安全接触器驱动应答1 一 外部安 一一 全防护 设备 骤转接板功能一 外部钢动器驱动 主电源系统 一 主电露接麓器驱动 碾扳按键娃理 控制柜面板 安全控制器 面板捂示灯驱动 2 2 3 功能需求 图2 5 安全控制系统在机器人控制系统中的连接 工业机器人系统安全机制需要完成两方面的任务：一是监视机器人本身运行状态，保证控制系 统、驱动系统和机械部件运行正常；二是监视机器人工作区域内的安全情况，保证动力电源和备用 控制电源稳定可靠，监测安全门等设施的状态，决定当前的工作区域的安全等级和允许机器人执行 的动作。 具体而言包括以下几个方面： ( 1 ) 采用多块线路板叠层集成设计，兼容原转接板的各项逻辑保护功能。通过安全控制系统工 作模式的切换，原转接板的各项功能可以在脱离安全控制系统管理的方式下运行 ( 2 ) 安全控制系统要包括三个检测模块( 运动轨迹分析模块、关节运动检测模块和电源与安全 设施检测模块) 和一个执行模块和一个通信模块。监视的主要内容如下： 关节空间：旋转轴的位置、转速、转矩 笛卡尔空间：机器人末端位置、速度 7 东南火学硕士学位论文 一 安全区域：禁止机器人末端( 或关键点) 进入的区域 ( 3 ) 单个安全控制系统要能够实现6 轴的监控；对于6 轴以下的配置可以通过电路板上硬件跳 针或者拨码开关的设置来完成。对于6 轴以上的配置可以通过堆叠两块安全控制系统来实 现，主安全控制系统的6 个轴参与笛号尔空间位置的计算，提供关节空间和笛卡尔空间双 重保护；其它轴仅提供关节空间的保护。 ( 4 ) 能够通过上述三个监视模块监视机器人的运行状态。能够通过对当前状态的监视来保证机 器人运行的安全状态，在监视到异常的情况下，启动执行模块，中断机器人的运行，并且 与运动控制系统进行通信，报告原因。 ( 5 ) 能够在上述监控信号出现异常时及时响应，切断动力电源。异常情况发生后，安全控制系 统要能够在不大于2 0 0 m s 的时间内发现，并作出动作。 ( 6 ) 能够将监视到的信息传送到运动控制系统中，当异常解除后，需重新启动控制系统。如果 机器人处于安全控制系统认为的限制区域，需要将安全控制系统切换至调试模式，微动机 器人解除报警后方可继续运行。 2 3 安全控制系统整体方案 本节的主要内容是设计机器人安全控制体系结构( 见图2 - 6 ) ，并在该体系下确定主要器件的 选型和板每接口定义。 图2 - 6 安全控制系统结构 8 - 第2 章安全控制系统的总体设计 2 3 1 概述 如图2 喝所示，“昆山l 号”的机器入采用的安全控制系统包括三个监测模块( 运动轨迹分析 模块、关节运动检测模块、电源与安全设施监测模块) 和一个执行模块和一个通信模块。 关节运动检测模块从伺服驱动器和绝对式光电编码器中获取各关节的实际运动情况，限制关节 运动的范围、速度、转矩、速度跟随误差等。运动轨迹分析模块实时地将关节运动检测模块获得的 信息通过机器人正变换转换到笛卡尔坐标系中，重现机器人运动轨迹，在笛忙尔坐标系中限制机器 人末端运行的速度和位置，并通过虚拟安全空间的设置，防止机器人末端和关键点进入保护区域。 电源与安全设施监测模块根据机器人的t 作环境判断当前机器人的安全等级，限制机器人执行的动 作，并响应通过安全设施发出的紧急命令。 执行模块能够执行的动包括( 1 ) 断开动力电源( 2 ) 暂停轨迹执行并通知处理两种。断开动力 电源是安全控制系统采取的最紧急的措旄，该动作最可靠、最迅速，是确保机器人工作区域安全的 最高级别动作。暂停轨迹执行并通知处理方式下，安全控制系统向运动控制系统发送报警信息，由 运动控制系统根据报警处理的要求调整机器人姿态或中止轨迹执行，适用于已经发现错误但危险尚 未发生时使用。所有的监测模块在发现错误时都将通过执行模块产生动作并加以记录。 安全控制系统通过通信模块，提供工业机器人当前状态和错误的历史信息，也可以在配置模式 下设定安全控制系统的基本参数。 2 3 2 总体方案设计 2 3 2 1 电源模块 安全控制系统的电源由控制柜内开关电源提供的+ 1 2 v 、一1 2 v 、+ 5 v 直流电源，后备电源为+ 2 4 v 蓄电池。系统需要+ 3 3 v 、+ 5 v 、+ 1 2 v 、- 1 2 v 电源，此外伺服驱动器需要一路q - 2 4 v 接口电源和+ 2 4 v 刹车电源，故选择一个d c - d c 电源芯片，将2 4 v 先转化成5 v ，再利用l m i i l 7 3 3 从5 v 电源得到3 3 v 电源。为保证控制系统信号不受干扰，接e l 电源与刹车电源分别采用独立的+ 2 4 v 开关电源供电。电 源子系统的连接关系如图2 7 所示。 刹车电源 + 2 4 v 外部制动器 图2 7 安全控制系统电源模块 2 3 2 2 微控制器 选择3 2 位微控制器华邦的w g o p 7 1 0 n 3 1 ，同时考虑系统复位，晶振、s d r a m 、n o r f l a s h 等电路构 成完整的单片机最小系统。开关量处理和旋转编码器解码采用x i l i n x 公司生产的x c 9 5 1 4 4 型c p l d 为核心，该芯片最多可提供1 3 0 个数字量i o ，可编程逻辑电路能够满足六路旋转编码器信号的解 码需求。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 2 3 板卡接口定义 安全控制系统的对外接e l 较多，主要集中在接e l 卡中( 板卡功能的划分见第3 章硬件设计部分) ， 包括电源接口、调试接口、伺服驱动器接口、控制柜面板接口、p m a c 运动控制卡电机接口卜2 、继 电器接口、紧急停止接口等。 ( 1 ) 电源接口 根据需求分析，系统电源输入主要有以下几种： 主电源采用+ 1 2 v ，一1 2 v 和+ 5 v 控制电源 _ 备用电源采用2 4 v 铅酸蓄电池，在主电源掉电时保存当前各编码器的绝对位置 一 使用2 4 v 电源作为伺服驱动器接口电源 一 系统输出一路+ 5 v 常备电源到绝对式旋转编码器，用于在控制系统电源掉电时，使用蓄 电池供电保存当前绝对位置值。 ( 2 ) 调试接口 安全控制系统中的可编程器件包括w 9 0 p 7 1 0 型单片机和x c 9 5 1 4 4 型c p l d 。其中w 9 0 p 7 1 0 型单片 机采用j t a g 接口u 引和串口两种方式实现程序的调试和下载。x c 9 5 1 4 4 型c p l d 采用j t a g 方式下载同 件u 引。为方便使用，两种j t a g 接口采用防呆设计，调试接口定义如表2 2 ，2 3 。 表2 - 2w 9 0 p 7 1 0 型m c uj t a g 调试口 序号名称备注 l 目标板参考电源v t r e f接v d d 2 v d d 电源 3n t r s t 测试系统复位 5t d i 数据串行输入 7t m s 测试模式选择 9 t c k测试时钟 l lr t c k 测试时钟返回 1 3t d 0 测试数据输出 1 5n r e s e t 目标系统复位 4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ， g n d 接地 1 4 ，1 6 ，1 8 ，2 0 1 7 。1 9n c 表2 - 3x i l i n x ，1 a g 调试口 序号名称备注 lt c k 测试时钟 2g n d 接地 3t d 0 测试数据输出 4 v c c电源 5t m s 测试模式选择 9t d i 测试数据输入 1 0g n d 接地 6 ，7 ，8n c ( 3 ) 伺服驱动器接口 “昆山l 号”焊接机器人系统采用松下m i n a sa 4 系列高性能a c 伺服电机1 1 6 1 ，其驱动器支持外 部制动器和1 7 位绝对式旋转编码器。该驱动器通过控制信号接口( x 5 ) 能够接受伺服使能、清除报 警、速度给定等命令，并提供报警状态、零速检测、外部制动器松闸允许、电机的速度、转矩、位 1 0 第2 章安全控制系统的总体设计 置等信息输出。x 5 接口类型主要包括开关量、模拟量和长线差动传输三种类型。本设计中使用了x 5 接口的部分信号，接口卡上的伺服驱动器插座描述如表2 - 4 所示。 表2 4 伺服驱动器借口 序号名称 备注 1+ 2 4 v2 4 v 接口电源 2g n d 接口电源地 3 a - c l r 输出，解除报警 4s r v - o n 输出，伺服使能 5 z s p 输入，零速检测 6b r k o f f输出外部制动器解除 7a l m 输入，伺服报警 8s - r d y 输入，伺服r e a d y 9a g n d 模拟信号参考地 1 0c 一 编码器z 相负端 1 1c + 编码器z 相正端 1 2b 一 编码器b 相负端 1 3b + 编码器b 相正端 1 4a 一 编码器a 相负端 1 5a + 编码器a 相止端 1 6i m 输入，当前转矩 1 7s p 输入，当前速度 1 8s p r 输出，速度给定 ( 4 ) 控制柜面板按键接口 控制柜面板接口主要包括前面板按键输入。 主要按键有四个t 动力上电、自动运行、暂停、急停。针对按键的功能特点，按键采用不同方 法接入：暂停键和急停带机械自锁，要恢复正常状态必须手动操作，避免由于软件或电路故障导致 系统的误动作；动力上电键并接在主接触器的常开触点两端，实现自锁功能，在动力电源切断时自 动解除，简化了操作；自动运行键作为触发信号由软件处理。 ( 5 ) 安全接触器接口 该接口用于与安全接触器连接，包括一组继电器驱动信号输出和一组接触器应答信号输入。 ( 6 ) 主接触器、外部制动器、面板指示灯接口 该接口用于动力电源主接触器、外部制动器松闸继电器以及面板灯连接，包括两组继电器驱动 信号输出、两组接触器常开触点应答信号输入和控制柜6 盏指示灯输出。 显示灯采用2 4 v 直流驱动，由接口电源供电，包括报警灯、暂停灯、自动运行灯、动力上电指 示灯、急停灯和备用灯。 ( 7 ) p m a c 运动控制卡旧电机接口j m a c h i p m a c 通过该接口发出电机卜4 的给定速度模拟量，并获取编码器差分信号( a ，b ，z 三相) 。模 拟量信号输出的标准为一i o v - 一+ i o v ，d a 分辨率为1 2 b i t ，内部输出电阻2 2 0 欧用于确保输出电流小 于5 0 m a 。 ( 8 ) p m a c 运动控制卡电机接口j m a c h 2 该接口是对电机接口1 的补充，包括电机5 6 的给定速度、编码器差分信号，信号类型与电机 接口3 m a c h i 一致。 ( 9 ) p m a c 运动控制卡数字量接口p m a cj o p t o 该接口包括8 入8 出开关量信号，p m a c 用于接收面板按键，输出指示灯信号以及继电器信号。 接口电平符合1 v r l 标准，需要在接口卡中完成控制电源5 v 与接口电源2 4 v 两种信号的电平转换和隔 离。 1 1 东南大学硕上学位论文 ( 1 0 ) 急停接口 该接口用于连接外部安全设备、示教盒等设备的急停信号，提供两组独立的急停信号回路，每 组均可以串入多台设备。考虑到急停信号的特点，将电路设计为采用电流驱动、常闭型连接，其优 点是当该接口与外部设备连线断开时，网路中电流为零，系统即认为发出急停信号，可有效提高急 停信号的可靠性。 以上板卡在接口卡上的分布如图2 - 8 所示。 图2 - 8 安全控制系统接口示意图 2 4 控制系统硬件总体框图 图2 - 9 硬件系统框图 一1 2 第2 章安伞控制系统的总体设计 图2 9 即为机器人安全控制系统硬件总体框图，图中标明了各部分名称、功能和接口信号连接 等。 p m a cj o p t o 是p m a c 运动控制卡基卡的数字量输入输出接口，本设计中用子与控制柜显示灯、 按键、主接触器和外部制动器松闸继电器信号的连接。j m a c h 是p m a c 运动控制卡基卡和轴拓展卡的 电机接口，包括旋转编码器信号的输入和模拟量速度指令的输出。伺服驱动器x 5 接口是伺服驱动器 的控制信号接口，主要包括倍频后的旋转编码器信号输出、开关量信号输入输出、模拟量速度转矩 信号输出以及速度指令的输入。