機器人功能安全控制系統的實現

來源:投稿網 時間:2024-02-15 10:00:08

引言

現階段，受我國科技發展和智能相關產品普及程度的極大影響，機器人市場迎來了發展的小高峰[1]。同時，隨著工業機器人智能水平的提高，其功能從簡單的處理、焊接、復雜的加工任務擴大了人機合作[2]。如何在提高機器人生產效率的同時，確保人類和機器人的安全已成為迄今為止正在努力解決的問題。

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。隨著商業和消費機器人的不斷增長，對機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的機器人功能安全控制系統的實現，并驗證其滿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，可以通過一定的機制及時引導安全狀態。

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。

運動控制單元通過工業以太網等現場總線與伺服驅動器連接，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，將運動控制器和驅動器集成到控制柜中。

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，通過監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，確保潛在風險的及時檢測和安全緩解機制的實施，使其進入安全狀態。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的急停按鈕、三態使能按鈕、安全門輸入和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，一般與驅動器的STO信號連接。微信信號觸發時，伺服驅動應及時停止。STO_M是伺服驅動器的監控信號。

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芯片在兩個控制單元中分配無效運行功能。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，通過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，即任何一方無效，將使其進入安全狀態。

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

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行邏輯操作和控制，實時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，輸出安全信號。

雙核之間的通信采用共享內存的方式，節省了通信線路的連接，避免了外部環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計要求。當電源欠壓時，STO_A和STO_B有效，輸出低電平。試驗波形如圖:

3結語

機器人控制系統的安全性和可靠性是系統設計成功的關鍵指標，必須考慮系統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展和自動化產業的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛，機器人的功能安全已逐漸成為機器人控制系統的核心領域之一。因此，如何設計有效的安全控制系統，確保及時檢測潛在風險，實施安全緩解機制，已成為機器人功能安全的關鍵點之一。

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

未來，隨著人工智能技術、互聯網技術、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注和快速發展，充分利用云、互聯網等，合理實現安全功能冗余和互聯網監控，確保機器人提高效率，確保機器人和人類安全，真正實現人機合作。