機器人功能安全控制系統的實(shí)現

來(lái)源:投稿網(wǎng) 時(shí)間:2024-02-15 10:00:08

引言

現階段，受我國科技發(fā)展和智能相關(guān)產(chǎn)品普及程度的極大影響，機器人市場(chǎng)迎來(lái)了發(fā)展的小高峰[1]。同時(shí)，隨著(zhù)工業(yè)機器人智能水平的提高，其功能從簡(jiǎn)單的處理、焊接、復雜的加工任務(wù)擴大了人機合作[2]。如何在提高機器人生產(chǎn)效率的同時(shí)，確保人類(lèi)和機器人的安全已成為迄今為止正在努力解決的問(wèn)題。

國內機器人的現狀是更多地考慮其功能，而更少地考慮安全。隨著(zhù)商業(yè)和消費機器人的不斷增長(cháng)，對機器人功能安全的意識不斷提高。本文重點(diǎn)研究基于平行軟件架構的機器人功能安全控制系統的實(shí)現，并驗證其滿(mǎn)足機器人功能安全的需要。在系統故障和隨機硬件故障的情況下，可以通過(guò)一定的機制及時(shí)引導安全狀態(tài)。

1.機器人功能安全控制系統。

1.1機器人控制系統。

機器人控制系統通常由機器人本體、機器人控制柜和示教器組成。機器人控制系統的結構圖如圖1所示。

圖1機器人控制系統結構圖。

運動(dòng)控制單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)等現場(chǎng)總線(xiàn)與伺服驅動(dòng)器連接，并與機器人本體連接。目前，大多數機器人控制器采用分布式結構，將運動(dòng)控制器和驅動(dòng)器集成到控制柜中。

1.2安全控制模塊。

為保證機器人的安全工作，機器人控制系統采用獨立于機器人控制系統的安全控制模塊，通過(guò)監控各種安全信號的輸入，通過(guò)一定的邏輯處理輸出安全信號，確保潛在風(fēng)險的及時(shí)檢測和安全緩解機制的實(shí)施，使其進(jìn)入安全狀態(tài)。安全控制模塊的連接圖：

圖2安全模塊連接圖。

安全控制模塊的輸入是與機器人安全相關(guān)的急停按鈕、三態(tài)使能按鈕、安全門(mén)輸入和ACK確認信號。

STO_A，STO_B是安全控制模塊的雙回路安全信號輸出，一般與驅動(dòng)器的STO信號連接。微信信號觸發(fā)時(shí)，伺服驅動(dòng)應及時(shí)停止。STO_M是伺服驅動(dòng)器的監控信號。

1.2.1功能安全架構設計。

為了保證控制電路的安全性，功能安全模塊并行軟件架構利用雙核CPU芯片在兩個(gè)控制單元中分配無(wú)效運行功能。功能安全控制架構圖如圖3所示。

圖2控制架構圖。

功能控制模塊主要由電源電路、輸入電路、輸出電路、邏輯控制和故障診斷組成。信號的輸入和輸出采用同構冗余雙回路設計，即采用相同的連接方式，分別由單芯片的MCU_A和MCU_B收集。在操作中，MCU_A和MCU_B執行控制功能并相互監控。同時(shí)，通過(guò)共享內存獲得控制結果，并將自己和對方的監控結果輸出給執行單位。執行單位將相互比較結果，即任何一方無(wú)效，將使其進(jìn)入安全狀態(tài)。

同時(shí)，雙核將分別收集電源電壓，相互監測，實(shí)現電源過(guò)壓和欠壓的監測。當電壓低于或高于規定值時(shí)，系統將進(jìn)入安全狀態(tài)。

1.2.2功能安全軟件設計。

功能安全模塊的軟件設計采用模塊化和分層的軟件設計理念，根據不同的功能和需求進(jìn)行設計。首先收集輸入雙回路安全信號，然后根據信號的診斷和控制輸入信號進(jìn)行邏輯操作和控制，實(shí)時(shí)分享自身和邏輯操作控制結果，監控電源電壓和輸入信號狀態(tài)，輸出安全信號。

雙核之間的通信采用共享內存的方式，節省了通信線(xiàn)路的連接，避免了外部環(huán)境干擾引起的異常通信問(wèn)題。

1.2.3試驗驗證。

上述方案可以通過(guò)模擬各種安全信號輸入和驗證各種故障方法來(lái)滿(mǎn)足設計要求。當電源欠壓時(shí)，STO_A和STO_B有效，輸出低電平。試驗波形如圖:

3結語(yǔ)

機器人控制系統的安全性和可靠性是系統設計成功的關(guān)鍵指標，必須考慮系統生命周期的每個(gè)階段。特別是隨著(zhù)我國智能制造市場(chǎng)的快速發(fā)展和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機器人的應用越來(lái)越廣泛，機器人的功能安全已逐漸成為機器人控制系統的核心領(lǐng)域之一。因此，如何設計有效的安全控制系統，確保及時(shí)檢測潛在風(fēng)險，實(shí)施安全緩解機制，已成為機器人功能安全的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

本文探索了機器人功能安全控制系統的實(shí)現，基于單芯片雙核CPU和并行軟件架構。

未來(lái)，隨著(zhù)人工智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人機合作需求的不斷提高，機器人功能安全和故障診斷將得到更廣泛的關(guān)注和快速發(fā)展，充分利用云、互聯(lián)網(wǎng)等，合理實(shí)現安全功能冗余和互聯(lián)網(wǎng)監控，確保機器人提高效率，確保機器人和人類(lèi)安全，真正實(shí)現人機合作。