機(jī)器人功能安全控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

來源:投稿網(wǎng) 時間:2024-02-15 10:00:08

引言

現(xiàn)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(jī)器人市場迎來了發(fā)展的小高峰[1]。同時，隨著工業(yè)機(jī)器人智能水平的提高，其功能從簡單的處理、焊接、復(fù)雜的加工任務(wù)擴(kuò)大了人機(jī)合作[2]。如何在提高機(jī)器人生產(chǎn)效率的同時，確保人類和機(jī)器人的安全已成為迄今為止正在努力解決的問題。

國內(nèi)機(jī)器人的現(xiàn)狀是更多地考慮其功能，而更少地考慮安全。隨著商業(yè)和消費機(jī)器人的不斷增長，對機(jī)器人功能安全的意識不斷提高。本文重點研究基于平行軟件架構(gòu)的機(jī)器人功能安全控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，并驗證其滿足機(jī)器人功能安全的需要。在系統(tǒng)故障和隨機(jī)硬件故障的情況下，可以通過一定的機(jī)制及時引導(dǎo)安全狀態(tài)。

1.機(jī)器人功能安全控制系統(tǒng)。

1.1機(jī)器人控制系統(tǒng)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)通常由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜和示教器組成。機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

運動控制單元通過工業(yè)以太網(wǎng)等現(xiàn)場總線與伺服驅(qū)動器連接，并與機(jī)器人本體連接。目前，大多數(shù)機(jī)器人控制器采用分布式結(jié)構(gòu)，將運動控制器和驅(qū)動器集成到控制柜中。

1.2安全控制模塊。

為保證機(jī)器人的安全工作，機(jī)器人控制系統(tǒng)采用獨立于機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全控制模塊，通過監(jiān)控各種安全信號的輸入，通過一定的邏輯處理輸出安全信號，確保潛在風(fēng)險的及時檢測和安全緩解機(jī)制的實施，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(jī)器人安全相關(guān)的急停按鈕、三態(tài)使能按鈕、安全門輸入和ACK確認(rèn)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(qū)動器的STO信號連接。微信信號觸發(fā)時，伺服驅(qū)動應(yīng)及時停止。STO_M是伺服驅(qū)動器的監(jiān)控信號。

1.2.1功能安全架構(gòu)設(shè)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(gòu)利用雙核CPU芯片在兩個控制單元中分配無效運行功能。功能安全控制架構(gòu)圖如圖3所示。

圖2控制架構(gòu)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(gòu)冗余雙回路設(shè)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(zhí)行控制功能并相互監(jiān)控。同時，通過共享內(nèi)存獲得控制結(jié)果，并將自己和對方的監(jiān)控結(jié)果輸出給執(zhí)行單位。執(zhí)行單位將相互比較結(jié)果，即任何一方無效，將使其進(jìn)入安全狀態(tài)。

同時，雙核將分別收集電源電壓，相互監(jiān)測，實現(xiàn)電源過壓和欠壓的監(jiān)測。當(dāng)電壓低于或高于規(guī)定值時，系統(tǒng)將進(jìn)入安全狀態(tài)。

1.2.2功能安全軟件設(shè)計。

功能安全模塊的軟件設(shè)計采用模塊化和分層的軟件設(shè)計理念，根據(jù)不同的功能和需求進(jìn)行設(shè)計。首先收集輸入雙回路安全信號，然后根據(jù)信號的診斷和控制輸入信號進(jìn)行邏輯操作和控制，實時分享自身和邏輯操作控制結(jié)果，監(jiān)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(nèi)存的方式，節(jié)省了通信線路的連接，避免了外部環(huán)境干擾引起的異常通信問題。

1.2.3試驗驗證。

上述方案可以通過模擬各種安全信號輸入和驗證各種故障方法來滿足設(shè)計要求。當(dāng)電源欠壓時，STO_A和STO_B有效，輸出低電平。試驗波形如圖:

3結(jié)語

機(jī)器人控制系統(tǒng)的安全性和可靠性是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵指標(biāo)，必須考慮系統(tǒng)生命周期的每個階段。特別是隨著我國智能制造市場的快速發(fā)展和自動化產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)器人的功能安全已逐漸成為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心領(lǐng)域之一。因此，如何設(shè)計有效的安全控制系統(tǒng)，確保及時檢測潛在風(fēng)險，實施安全緩解機(jī)制，已成為機(jī)器人功能安全的關(guān)鍵點之一。

本文探索了機(jī)器人功能安全控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，基于單芯片雙核CPU和并行軟件架構(gòu)。

未來，隨著人工智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人機(jī)合作需求的不斷提高，機(jī)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，合理實現(xiàn)安全功能冗余和互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，確保機(jī)器人提高效率，確保機(jī)器人和人類安全，真正實現(xiàn)人機(jī)合作。