用于将手动控制单元从多轴机器人断开的方法以及用于实施该方法的机器人

摘要

本方法涉及多轴机器人的手动控制单元的断开，所述手动控制单元包括用于将单元连接到控制器的绳索。绳索包括用于紧急停止按钮的两个电缆接线电路中的每一个的输入电源线和输出电源线，以及用于失控接触器的两个电缆接线电路中的每一个的输入电源线和输出电源线。方法包括连续的步骤，其中：a)操作者提出断开单元的请求，b)在预定长度的时间期间，安全控制器基于电缆接线电路的控制不会触发紧急停止，c)在预定长度的时间结束时，在以下情况且仅在以下情况下安全控制器不触发机器人臂的紧急停止：一方面，紧急停止按钮的两个电缆接线电路中仅一个打开，并且另一方面，失控接触器的两个电缆接线电路中仅一个打开。

说明书

技术领域

本发明涉及用于将手动控制单元从多轴机器人断开的方法以及用于实施该方法的机器人。

背景技术

已知为用于控制多轴机器人臂配备手动命令单元，手动命令单元允许操作者将命令指示发送到机器人，并且接收与机器人的操作有关的信息，诸如机器人臂的移动部分的位置。手动命令单元使得有可能选择机器人的手动操作模式，以便例如在用于维护操作的轨迹学习阶段期间或者在紧急停止之后手动地移动机器人臂的移动部分，以便将机器人臂重新定位在适当的位置中。

手动控制单元通常具有紧急停止按钮和由系统默认值禁用的失控接触器，该接触器包括必须在手动控制单元的使用期间手动启动的命令按钮。当操作者使用手动控制单元完成他的干预时，他需要将手动控制单元断开，例如以将其连接到另一个机器人臂的控制单元。在没有特定设备的情况下，手动控制单元的断开自动地导致紧急停止被触发。

为了避免在手动控制单元断开时紧急停止的这种启动，US5,444,342提出了为手动控制单元配备手动控制单元的连接/断开接触器，该接触器必须在断开手动控制单元之前被启动以允许断开。当此接触器被启动时，紧急停止按钮电路被分路，从而使得手动控制单元的断开不会导致紧急停止被触发。此外，当连接/断开接触器被启动时，对手动控制单元的功能电路的电力供应被切断，从而使得当紧急停止按钮不工作时不可能使用手动控制单元。

US5,444,342的解决方案并不符合要求元件的故障不会危害操作者安全的新的安全要求。例如，手动控制单元的功能电路设备的电力关闭的故障可以允许操作者在紧急停止按钮被禁用的同时使用手动控制单元。

为了满足安全要求，将紧急停止按钮和失控接触器各自的电缆接线在两个独立的电源线上，所述电源线连接到能够检测任何电缆接线异常并触发紧急停止的安全控制器。该结果要求替换手动控制单元卡的连接器、将单元连接到机器人控制单元、具有靠近紧急停止按钮的电源线，以使得安全控制器允许机器人的操作的停止器。此停止器的一个缺点在于安全控制器不能区别手动控制单元的停止器，这特别不允许设置取决于手动控制单元的存在或不存在的安全例程。

发明内容

更具体来说，本发明所解决的技术问题在于如何提出一种用于断开多轴机器人的手动控制单元以使得有可能满足安全约束的方法，来解决这些缺点。

为此目的，本发明涉及一种用于断开多轴机器人的手动控制单元的方法，该手动控制单元包括紧急停止按钮、失控接触器和将手动控制单元连接到机器人控制器的绳索。绳索包括用于紧急停止按钮的两个电缆接线电路中的每一个的输入电源线和输出电源线，以及用于失控接触器的两个电缆接线电路中的每一个的输入电源线和输出电源线。机器人控制器包括：能够执行用于命令机器人臂的程序的中央处理单元；以及安全控制器，该安全控制器能够测试紧急停止按钮的两个电缆接线电路和失控接触器的两个电缆接线电路，并且触发机器人臂的紧急停止。根据本发明，方法包括连续的步骤，其中：

a)操作者提出断开手动控制单元的请求，

b)在断开请求时开始的预定长度的时间期间，安全控制器暂停紧急停止按钮的两个电缆接线电路和失控接触器的两个电缆接线电路的控制，以便不会触发紧急停止，

c)在预定长度的时间结束时，在以下情况且仅在以下情况下安全控制器不触发机器人臂的紧急停止：一方面，紧急停止按钮的两个电缆接线电路中仅一个打开，并且另一方面，失控接触器的两个电缆接线电路中仅一个打开。

由于本发明，可以在不触发紧急停止的情况下断开手动控制单元。另外，当在预定长度的时间之后未断开手动控制单元时，则安全控制器检测紧急停止按钮或失控接触器的至少一个电缆接线电路不在预期状态下并触发紧急停止。

由于来自根据标准ISO13849-1的类别4/PLe或根据标准IEC62061的SIL3的两个冗余信号，本发明中实施的特定停止器允许安全控制器以高安全等级(类似于紧急停止的安全等级)检测的停止器的存在。改进的安全等级在没有任何附加成本的情况下实现，并且允许中央处理单元容易地区别由设备错误导致的通信缺乏与由停止器的存在导致的通信缺乏。

根据本发明的有利但是可选的方面，这种方法可以并入以任何技术上可允许的组合的以下特征中的一个或多个：

在步骤b)期间，操作者将停止器连接到机器人控制器来替代绳索，停止器关闭紧急停止按钮的两个电缆接线电路中的仅一个，并且关闭失控接触器的两个电缆接线电路中的仅一个。

有利地，方法进一步包括随后步骤，其中：

a')操作者移除停止器，

b')在停止器移除时开始的第二预定长度的时间期间，安全控制器暂停紧急停止按钮的两个电缆接线电路和失控接触器的两个电缆接线电路的控制，以便不会触发紧急停止，

c')在第二预定长度的时间结束时，在紧急停止按钮的两个电缆接线电路打开并且失控接触器的两个电缆接线电路打开的情况下，安全控制器触发紧急停止。

在步骤a)期间，使用手动控制单元进行断开请求。

有利地，断开请求指示由界面接收，所述界面具体来说是手动控制单元的触屏。

替代地，在步骤a)期间，使用连接到安全控制器的断开连接器来进行断开请求。

本发明的另一个目标涉及用于实施以上定义的方法的多轴机器人。此机器人包括手动控制单元，该手动控制单元具有紧急停止按钮、失控接触器和用于将手动控制单元连接到机器人控制器的绳索。绳索包括用于紧急停止按钮的两个电缆接线电路中的每一个的输入电源线和输出电源线，以及用于失控接触器的两个电缆接线电路中的每一个的输入电源线和输出电源线。机器人控制器包括：能够执行机器人臂的控制程序的中央处理单元；以及安全控制器，该安全控制器能够测试紧急停止按钮的两个电缆接线电路和失控接触器的两个电缆接线电路，并且触发机器人臂的紧急停止，以实施第三步骤c)。根据本发明，机器人进一步包括停止器，该停止器在其连接到控制器以替代绳索时能够关闭紧急停止按钮的两个电缆接线电路中的仅一个和失控接触器的两个电缆接线电路中的仅一个。

根据本发明的有利但是可选的方面，这种机器人可以并入以任何技术上可允许的组合的以下特征中的一个或多个：

手动控制单元包括能够接收断开请求指示的界面，所述界面具体来说是触屏。

机器人控制器包括连接到安全控制器并且能够接收断开请求指示的断开接触器。

附图说明

将在阅读多轴机器人和用于将手动控制单元从这种机器人断开的方法的以下描述之后更好地理解本发明，所述描述仅被提供为实例并且参照附图来进行，其中：

-图1是根据本发明的多轴机器人的图解视图；

-图2是图1中机器人的手动控制单元电缆接线到安全控制器的图；以及

-图3是图1中机器人的停止器的电缆接线图。

具体实施方式

图1中所示的多轴机器人R的臂B具备例如六的自由度，每个自由度由能够将机器人臂B的移动部分绕几何轴移动的电机命令以将工具O在空间中移动。电机例如是无刷三相电机。每个电机与电磁制动器合作。

位置传感器或编码器分布在机器人臂B中，并且使得有可能测量与自由度有关的移动信息，例如移动部分绕每个轴的角位置。

替代地，传感器测量移动部分的速度或加速度，或者来自位置、速度和加速度的移动信息的组合。

机器人臂B由位于与机器人臂B分开的机壳A中的机器人控制器C控制。机壳A具体来说含有中央处理单元2、功率逆变器V和安全控制器5。这三个元件2、V和5借助于共享总线100彼此通信。

手动控制单元10的连接/断开接触器6电气连接到安全控制器5上。此接触器6可从机器人控制器C的机壳A外侧接近，并且允许操作者将断开指示发送到机器人控制器C。

中央处理单元2被配置成执行用于控制机器人臂B的程序。中央处理单元2从移动指示产生工具O的轨迹。中央处理单元2还通过应用与机器人臂B相关的动态模型以及计算对于每个电机而言将到达的角位置、考虑任何减少和联接来计算对于机器人臂B的每个自由度而言将到达的角位置。电机的这些位置设置点被发送到每个电机的逆变器V。

逆变器V供应用于电机的相位的电力并且并入扭矩截止功能。

手动控制单元10借助于由电缆11形成的以太网链路与中央处理单元2通信，并且包括用于与操作者通信的界面，诸如触屏101。此界面101允许操作者将命令指示发送到机器人R，并且从机器人R接收操作信息，例如工具O的位置。手动控制单元10具有紧急停止按钮10A和失控接触器10B。紧急停止按钮10A和失控接触器10B分别饰演两个单独的电气连接12和13来连接到机壳A。

手动控制单元10与机器人控制器C之间的所有电气连接电缆11、12和13被收集在提供在其自由端处的单个绳索1中，其中第一连接器81被设计成与位于机器人控制器C的机壳A上的手动控制单元10的第二连接器82相连接。

如图2和3所示，紧急停止按钮10A和失控接触器10B的电气连接12和13各自具备第一电缆接线电路AU1或HM1和第二电缆接线电路AU2或HM2，这保证双倍安全等级。

紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2属于连接12，并且各自具备开关91或92。开关91和92由系统默认值关闭，从而使得它们允许电缆接线电路AU1和AU2中的电流通过，并且机械地连接以与紧急停止按钮10A同步。换言之，按压紧急停止按钮10A使得两个开关91和92同时打开。

失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2属于连接13，并且各自具备开关93或94。开关93和94都由系统默认值打开，从而使得它们阻止电路HM1和HM2中的电流通过。开关93和94以同步的方式机械连接到失控接触器10B。因此，按压失控接触器10B使得两个开关93和94同时关闭。

对于紧急停止10A的电缆接线而言，手动控制单元10的绳索1和连接器81和82在电气连接12的电缆内包括四个电导体，即，属于第一电缆接线电路AU1的输入线路eAU1和输出线路sAU1以及属于第二电缆接线电路AU2的输入线路eAU2以及输出线路sAU2。

开关91插入在紧急停止按钮10A的第一电缆接线电路AU1的线路eAU1与sAU1之间。开关92插入在紧急停止按钮10A的第二电缆接线电路AU2的线路eAU2与sAU2之间。

同样地，对于失控接触器10B的电缆接线而言，手动控制单元10的绳索1和连接器81和82在电气连接13的电缆内包括四个额外的电导体，即，属于第一电缆接线电路HM1的输入线路eHM1和输出线路sHM1、属于第二电缆接线电路HM2的输入线路eHM2和输出线路sHM2。

开关93插入在失控接触器10B的第一电缆接线电路HM1的线路eHM1与sHM1之间。开关94插入在失控接触器10B的第二电缆接线电路HM2的线路eHM2与sHM2之间。

在机器人控制器C侧上，每个电气线路eAU1、sAU1、eAU2、sAU2、eHM1、sHM1、eHM2和sHM2连接到安全控制器5，以关闭每个电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2。

安全控制器5包括计算单元52，该计算单元能够基于可由连接到紧急停止10A和失控接触器10B的共享总线100输入线路eAU1、eAU2、eHM1和eHM2以及输出线路sAU1、sAU2、sHM1和sHM2存取的信息来执行安全功能。计算单元52能够通过将电气信号施加到其输入线路eAU1、eAU2、eHM1或eHM2并将此信号与在此电路的输出线路sAU1、sAU2、sHM1和sHM2处测量出的信号相比较来确认电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2被关闭还是打开。计算单元52能够触发机器人臂B的紧急停止，在此期间计算单元52启动逆变器V的扭矩的截止功能。

在机器人R使用期间，安全控制器5持续地监控紧急停止按钮的电缆接线电路AU1和AU2以及失控接触器的电缆接线电路HM1和HM2。此检查称为紧急停止按钮的电缆接线电路AU1和AU2以及失控接触器的电缆接线电路HM1和HM2的常规监控。更具体来说，安全控制器5测试电流在每个电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2中是否通过并且记录每个电路的电气状态。当电路打开时，即当电流不通过时，安全控制器5恢复"0"逻辑信息，并且当电路关闭时，即当电流通过时，安全控制器5恢复"1"逻辑信息。

下文中，(a,b)分别指示紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2或失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2的逻辑信息项对。参考"a"是第一电缆接线电路AU1或HM1的电气状态，并且"b"是第二电缆接线电路AU2或HM2的电气状态。

对于紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2，同时恢复的逻辑信息项对(1,1)对应于机器人臂B的授权操作状态。紧急停止按钮10A不被致动并且开关91和92关闭。

对于紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2而言，同时恢复的逻辑信息项对(0,0)对应于机器人臂B的紧急停止状态。紧急停止按钮10A被致动并且开关91和92打开。安全控制器5如果尚未被启动则随后触发紧急停止。

对于紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2而言，同时恢复的逻辑信息项对(0,1)和(1,0)对应于电缆接线电路AU1或AU2的故障发生。在这些状况下，安全控制器5都触发紧急停止，并且发出指示紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2故障的信号。

对于失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2而言，同时恢复的逻辑信息项对(1,1)对应于由操作者进行的失控接触器10B的致动。手动控制单元10被启动，并且单元10被授权控制机器人臂B。开关93和94关闭。

对于失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2而言，同时恢复的逻辑信息项对(0,0)对应于手动控制单元10的禁用状态，其中中央处理单元2不再考虑来自手动控制单元10的命令。操作者不对失控接触器10B采取动作。开关93和94打开。

在电缆接线电路HM1和HM2上同时恢复的逻辑信息项对(0,1)和(1,0)对应于电缆接线电路HM1或HM2的故障发生。在这些状况下，安全控制器5都触发紧急停止，并且发出指示失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2出现故障的信号。

机器人控制器C进一步包括图3中图解示出的在机器人控制器C上的停止器7，该停止器被设计成在已经移除手动控制单元10时连接到机壳A的第二连接器82来取代第一连接器81。当停止器7连接到第二连接器82时，紧急停止按钮10A的第一电缆接线电路AU1的电气线路eAU1和sAU1借助于停止器7的电导体7AU彼此电气地连接。同样地，失控接触器10B的第一电缆接线电路HM1的电气线路eHM1和sHM1借助于停止器7的电导体7HM彼此电气地连接。停止器7不包括用于关闭电缆接线电路AU2和HM2的装置。当停止器7连接到连接器82时，电缆接线电路AU2和HM2打开。

替代地，停止器7电气地连接第二紧急停止电路AU2的电气线路eAU2和sAU2以及第二失控电路HM2的电气线路eHM2和sHM2，而第一紧急停止电路AU1的电气线路eAU1和sAU1以及第一失控电路HM1的电气线路eHM1和sHM1未连接，从而使得停止器7仅关闭电路AU2和HM2，而电路AU1和HM1保持打开状态。

因此，停止器7电气地连接紧急停止按钮10A的两个电缆接线电路AU1或AU2中的仅一个的输入和输出线路以及失控接触器10B的两个电缆接线电路HM1或HM2中的仅一个的输入和输出线路。

描述的下一个部分涉及用于断开手动控制单元10、用于在手动控制单元10与机器人控制器C之间断开的方法。

在第一步骤a)期间，当操作者希望将手动控制单元10从机器人控制器C断开时，他使用界面101来选择手动控制单元10的断开功能。此断开请求被发送到中央处理单元2，该中央处理单元记录指示并且将其发送到安全控制器5。

替代地，断开指示由断开接触器6发送到安全控制器5。

在步骤a)之后的第二步骤b)期间，安全控制器5在断开请求时开始的预定长度的时间t1(例如，30秒)期间暂停紧急停止按钮10A和失控接触器10B的电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的控制。换言之，即使电缆接线电路AU1和AU2的逻辑信息项对与(1,1)不同，安全控制器5也不触发紧急停止。因此，安全控制器5所执行的扭矩截止的启动功能被禁用。

在步骤b)之后的第三步骤c)期间，安全控制器5随后进行紧急停止按钮10A和失控接触器10B的电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的控制。

此测试由验证两个条件X和Y构成。根据第一条件X，一个紧急停止电路AU1或AU2打开，而另一个电路AU2或AU1关闭，这对应于逻辑信息项对(0,1)和(1,0)。根据第二条件Y，一个失控电路HM1或HM2打开，而另一个失控电路HM2或HM1关闭，这对应于逻辑信息项对(0,1)和(1,0)。

(a,b,c,d)指示电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的逻辑信息项的四组元。"a"是紧急停止按钮的第一电缆接线电路AU1的电气状态，"b"是紧急停止按钮的第二电缆接线电路AU2的电气状态，"c"是失控接触器的第一电缆接线电路HM1的电气状态，并且"d"是失控接触器的第二电缆接线电路HM2的电气状态。

通过图中所示的实例的停止器7，当电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的逻辑信息等于(1,0,1,0)时，符合两个条件X和Y。

在第二步骤b)期间，如果操作者将绳索1从手动控制单元10断开，并且在预定长度的时间t1期间连接第二连接器82上的停止器7，则安全控制器5在第三步骤c)期间检测符合两个条件X和Y，即，紧急停止按钮10B的单个电缆接线电路AU1关闭，并且失控接触器10B的单个电缆接线电路HM1关闭。安全控制器5在不触发紧急停止的情况下关闭测试程序。在测试程序期间，安全控制器5同时分析紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2以及失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2的电气状态。

在第三步骤c期间，在断开请求之后的预定长度的时间t1结束时，并且如果不符合条件X和Y，则安全控制器5触发紧急停止。在第一种状况下，这意味着操纵者尚未连接绳索1，并且手动控制单元10在预定长度的时间t1结束时仍被连接。此配置对应于逻辑信息(1,1,0,0)。安全控制器5触发的紧急停止随后允许操作者通过断开绳索1来安全地断开手动控制单元10。电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的逻辑信息项随后等于(0,0,0,0)。测试程序结束。

在第二种状况下，当操作者已经断开绳索1但是在预定长度的时间t1结束时尚未连接第二连接器82上的停止器7时，不符合两个条件X和Y。电路AU1、AU2、HM1和HM2的逻辑信息项则等于(0,0,0,0)。操作者随后必须连接第二连接器82的停止器7，从而使得符合条件X和Y，并且测试程序结束。紧急停止被触发，用户可以安全地连接停止器7。

因此，在预定长度的时间t1结束时，在以下情况且仅在以下情况下安全控制器5不触发机器人臂B的紧急停止：一方面，紧急停止按钮10A的两个电缆接线电路AU1和AU2中的仅一个打开，并且另一方面，失控接触器10B的两个电缆接线电路HM1和HM2中的仅一个打开。在图中所示的停止器7的实例中，这对应于逻辑信息项(1,1,0,0)的四组元。替代地，其可以涉及以下配置：(1,0,0,1)、(0,1,0,1)或(0,1,1,0)。

存在机器人没有硬件故障的四种操作配置：

-当电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2全部打开时：(0,0,0,0)，

-当电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2全部关闭时：(1,1,1,1)，

-当紧急停止按钮10A的两个电缆接线电路AU1和AU2打开而失控接触器10B的两个电缆接线电路关闭时：(0,0,1,1)，

-当紧急停止按钮10A的两个电缆接线电路AU1和AU2关闭而失控接触器10B的两个电缆接线电路打开时：(1,1,0,0)。

为了使得操作错误导致机器人控制器C错误地检测到停止器7的存在而该停止器并未被放置，并且错误地不触发紧急停止，两个故障必须同时发生，即，关于紧急停止按钮10A的电缆接线电路AU1和AU2中仅一个的电气状态的第一故障和关于失控接触器10B的电缆接线电路HM1和HM2中仅一个的电气状态的第二故障。

因此，断开程序是根据要求机器人控制器C的安全系统故障的安全检测的安全原理。

文件的下一个部分涉及用于将手动控制单元10连接到机器人控制器C的方法，该方法包括三个连续的步骤a')、b')和c')。

在第一步骤a')期间，操作者移除停止器7。此步骤可以在停止器7的重新连接之后、在断开方法期间进行，如以上所描述的。

在第二步骤b')期间，安全控制器5通过对每个输入线路eAU1、eAU2、eHM1或eHM2施加电气信号并且将此信号与在此电路的输出线路sAU1、sAU2、sHM1或sHM2处测量出的信号相比较来检测停止器7的移除。当停止器7被断开时，电路AU1、AU2、HM1和HM2的逻辑信息项等于(0,0,0,0)。安全控制器5随后暂停电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的控制，以便在停止器7移除时开始的第二预定长度的时间t2(例如30秒)期间不触发紧急停止。

在第三步骤c')期间，安全控制器5随后进行电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的电气状态的测试程序，如断开方法的步骤c)中所描述的。

如果在第二预定长度的时间t2结束时不符合先前设置的两个条件X和Y，则安全控制器5认为停止器7仍缺失，并且重新启动紧急停止按钮10A和失控接触器HM1和HM2的电缆接线电路AU1、AU2、HM1和HM2的控制。其随后能够执行电路AU1、AU2、HM1和HM2的正常监控功能。连接方法结束。

如果手动控制单元10被连接并且紧急停止按钮10A的两个电缆接线电路AU1和AU2关闭，则安全控制器5不触发紧急停止。如果手动控制单元10未连接，则安全控制器5触发紧急停止，因为其将检测到紧急停止按钮10A的两个电缆接线电路AU1和AU2打开。

如果符合两个条件X和Y，则这意味着停止器7已经被重新连接，并且机器人控制器C已经返回到先前配置。连接方法结束。

以此方式，连接程序也根据要求机器人控制器C的安全系统故障的安全检测的安全原理。如果在第二预定长度的时间t2结束时，用户尚未重新连接手动控制单元10或者尚未重新连接停止器7，则触发紧急停止。

本发明适用于所有类型的多轴机器人。

在本发明的上下文中，所描述的替代物可以至少部分地彼此组合。