协作机器人负载保护方法、保护装置及协作机器人与流程

1.本技术属于协作机器人领域，具体涉及一种协作机器人负载保护方法、保护装置及协作机器人。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，机器人在人类生产生活中的应用越来越广泛。整个机器人产品朝着智能化、轻量化、高安全性的方向快速发展。协作机器人可以与人在生产线上协同作战，充分发挥机器人的效率和人类的智能，未来协作机器人的应用会随技术的更新迭代而更加的广泛。
3.协作机器人控制系统由主控制器、示教器、辅助控制器、动力设备和外设等组成，这些设备通常由一个或多个不同电压等级的电源模块进行供电。在系统运行时，这些设备不能受负载的影响。例如，负载(通常为机械臂)由于自身的短路故障产生了回路大电流，这种异常的回路大电流既不能影响到系统的正常工作，也不能损伤系统中的器件。此外，这种异常也不能对负载产生持续的损伤，需要有相应的保护措施来切断其供电电压。
4.本技术发明人在研发过程中发现，为了满足协作机器人控制系统中动力设备的电源需求，且当负载出现故障时能够检测到异常，并能够启动保护以切断其供电电压；当负载故障排除恢复后，负载能够重新得到电源供应，就需要设计一种优良的负载保护方案。因此，如何对协作机器人负载进行保护，以安全、高效地满足应用成为当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本技术提供了一种协作机器人负载保护方法、保护装置及协作机器人。
6.根据本技术实施例的第一方面，本技术提供了一种协作机器人负载保护方法，其包括以下步骤：
7.在负载中驱动板的输出入端串联一预充电电阻；
8.采集流入负载中驱动板的电流；
9.根据预充电电阻的阻值和流入负载中驱动板的电流计算预充电电阻的总热量；
10.将计算得到的预充电电阻的总热量与预设的总热量阈值进行比较，如果预充电电阻的总热量大于或等于预设的总热量阈值，则控制切断负载的供电电压，以对负载进行保护。
11.上述协作机器人负载保护方法中，所述根据预充电电阻的阻值和流入负载中驱动板的电流计算预充电电阻的总热量的过程为：
12.预充电电阻的总热量通过公式yc＝∫(i*i-x)rdt计算得到，其中，yc表示预充电电阻的总热量，i表示流经预充电电阻的电流，x表示电流采样误差值，r表示预充电电阻的阻值，t表示时间。
13.上述协作机器人负载保护方法中，还包括以下步骤：
14.预设电流阈值，将采集到的流入负载中驱动板的电流与预设的电流阈值进行比较，如果采集到的流入负载中驱动板的电流大于或等于电流阈值，则控制切断负载的供电电压。
15.进一步地，协作机器人负载保护方法还包括以下步骤：
16.采集负载中驱动板的输入电压；
17.设置过压阈值和欠压阈值；
18.将驱动板的输入电压与过压阈值和欠压阈值进行比较，如果驱动板的输入电压大于或等于过压阈值，或者驱动板的输入电压小于或等于欠压阈值，则控制切断负载的供电电压。
19.上述协作机器人负载保护方法中，还包括以下步骤：将电路异常原因发送给用户终端，以便于用户及时进行故障排查。
20.上述协作机器人负载保护方法中，为所述预充电电阻并联一预充电开关，所述预充电开关用于当预充电电阻的总热量大于或等于预设的总热量阈值时闭合，以短路预充电电阻。
21.根据本技术实施例的第二方面，本技术还提供了一种协作机器人负载保护装置，其包括mcu以及与所述mcu连接的动力电源模块、缓启动模块、电流采样模块、保护开关和通讯模块；
22.所述动力电源模块通过所述缓启动模块连接负载中驱动板，所述mcu控制所述动力电源模块为所述负载提供动力电源；所述动力电源模块与缓启动模块连接的线路上设置有所述电流采样模块和保护开关，所述保护开关与mcu连接，所述mcu用于控制所述保护开关打开或闭合；
23.所述缓启动模块包括预充电电阻，所述预充电电阻的一端连接保护开关或电流采样模块，其另一端连接负载中驱动板；
24.所述通讯模块用于针对不同的负载在所述mcu中设置电流采样误差值以及总热量阈值，还用于将电路异常原因发送给用户终端，以便于用户及时进行故障排查。
25.上述协作机器人负载保护装置中，还包括电压采样模块，所述电压采样模块与mcu连接，其用于检测负载中驱动板的输入电压。
26.上述协作机器人负载保护装置中，所述缓启动模块还包括预充电开关，所述预充电开关并联在所述预充电电阻的两端。
27.根据本技术实施例的第三方面，本技术还提供了一种协作机器人，其包括负载和上述任一项所述的协作机器人负载保护装置，所述负载保护装置与负载中的驱动板连接，所述负载保护装置用于为所述负载提供动力电源并对所述负载进行供电保护。
28.根据本技术的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本技术提供的协作机器人负载保护方法中通过在负载中驱动板的输入端设置预充电电阻，通过计算预充电电阻的总热量能够判断负载是否异常，进而根据判断结果启动保护，切断负载的供电电压，本技术无需增加任何硬件成本就能够满足协作机器人控制系统动力设备的电源需求。
29.本技术提供的协作机器人负载保护方法中通过在负载中驱动板的输入端设置预充电电阻，还能够减小上电瞬间的冲击电流，通过在预充电电阻的两端并联预充电开关，能够对预充电电阻进行保护。
30.本技术提供的协作机器人负载保护装置能够安全、高效地满足协作机器人控制系统中动力设备的用电需求。
31.应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本技术所欲主张的范围。
附图说明
32.下面的所附附图是本技术的说明书的一部分，其示出了本技术的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本技术的原理。
33.图1为本技术具体实施方式提供的一种协作机器人负载保护方法的流程图。
34.图2为本技术具体实施方式提供的一种协作机器人负载保护装置的结构框图。
35.图3为本技术具体实施方式提供的一种协作机器人负载保护装置的实验流程图。
36.附图标记说明：
37.1、mcu；2、动力电源模块；
38.3、缓启动模块；31、预充电电阻；32、预充电开关；
39.4、电流采样模块；5、保护开关；6、通讯模块；7、电压采样模块；
40.10、负载。
具体实施方式
41.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本技术所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本技术内容的实施例后，当可由本技术内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本技术内容的精神与范围。
42.本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，但并不作为对本技术的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
43.关于本文中所使用的“第一”、“第二”、
…
等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本技术，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
44.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
45.关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
46.关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
47.某些用以描述本技术的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本技术的描述上额外的引导。
48.如图1所示，本技术提供的协作机器人负载保护方法包括以下步骤：
49.s1、在负载中驱动板的输出入端串联一预充电电阻。
50.s2、采集流入负载中驱动板的电流。
51.s3、根据预充电电阻的阻值和流入负载中驱动板的电流计算预充电电阻的总热量；
52.具体地，根据预充电电阻的总热量yc公式yc＝∫(i*i-x)rdt计算预充电电阻的总热量。其中，i表示流经预充电电阻的电流，x表示电流采样误差值，r表示预充电电阻的阻值，t表示时间。
53.s4、将计算得到的预充电电阻的总热量yc与预设的总热量阈值ys进行比较，并根据比较结果控制切断负载的供电电压，以对负载进行保护。
54.具体地，如果yc≥ys，则控制切断负载的供电电压。
55.具体地，协作机器人负载可以为机械臂。
56.进一步地，本技术实施例提供的协作机器人负载保护方法还包括以下步骤：
57.预设电流阈值，将采集到的流入负载中驱动板的电流与预设的电流阈值进行比较，如果采集到的流入负载中驱动板的电流大于或等于电流阈值，则控制切断负载的供电电压，以对负载进行保护。
58.需要说明的是，通过电流阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式与通过总热量阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式不区分优先级。即通过电流阈值判断或总热量阈值判断需要控制切断负载的供电电压时，都可以控制切断负载的供电电压，以对负载进行保护。
59.当然，也可以根据实际情况设置优先级。例如，将通过总热量阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式设置为第一优先级，将通过电流阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式设置为第二优先级。
60.进一步地，本技术实施例提供的协作机器人负载保护方法还包括以下步骤：
61.采集负载中驱动板的输入电压。
62.设置过压阈值和欠压阈值。
63.将驱动板的输入电压与过压阈值和欠压阈值进行比较，如果驱动板的输入电压大于或等于过压阈值，或者驱动板的输入电压小于或等于欠压阈值，则控制切断负载的供电电压，以对负载进行保护。
64.需要说明的是，通过电压阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式与通过总热量阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式也不区分优先级。当然，也可以根据实际情况设置优先级。例如，将通过总热量阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式设置为第一优先级，将通过电压阈值判断进而控制切断负载的供电电压的方式设置为第二优先级或第三优先级。
65.进一步地，本技术实施例提供的协作机器人负载保护方法还包括以下步骤：将电路异常原因发送给用户终端，以便于用户及时进行故障排查。
66.在上述步骤s1中，为预充电电阻并联一预充电开关，预充电开关用于当预充电电阻的总热量大于或等于预设的总热量阈值时闭合，以短路预充电电阻，从而对预充电电阻进行保护，防止预充电电阻被烧坏。
67.基于本技术实施例提供的协作机器人负载保护方法，如图2所示，本技术实施例还提供了一种协作机器人负载保护装置，其包括mcu1以及与mcu1连接的动力电源模块2、缓启动模块3、电流采样模块4、保护开关5和通讯模块6。
68.其中，协作机器人负载10具体可以为机械臂。
69.动力电源模块2通过缓启动模块3连接负载10中驱动板，mcu1控制动力电源模块2
为负载10提供动力电源。动力电源模块2与缓启动模块3连接的线路上设置有电流采样模块4和保护开关5，保护开关5与mcu1连接，mcu1用于控制保护开关5打开或闭合。
70.缓启动模块3包括第一通道和第二通道。其中，第一通道包括预充电电阻31，第二通道包括并联在预充电电阻31两端的预充电开关32。
71.当电流采样模块4通过保护开关5连接缓启动模块3时，预充电电阻31的一端与保护开关5连接，其另一端与负载10中驱动板连接。
72.当保护开关5通过电流采样模块4连接缓启动模块3时，预充电电阻31的一端与电流采样模块4连接，其另一端与负载10中驱动板连接。
73.在本技术实施例中，缓启动模块3具有以下两个作用。
74.第一、缓启动模块3用于减小缓冲电流，保护负载10。
75.在负载10上电的瞬间，会产生很大的冲击电流。通过增设预充电电阻31，可以减小负载10上电时的冲击电流。预充电电阻31可以采用低阻值的水泥电阻。初始情况下，预充电开关32为打开状态，第二通道断开。电流通过第一通道流入负载10中驱动板中，以对驱动板中的电容进行缓慢充电。
76.第二、mcu1通过电流采样模块4采样的电流和缓启动模块3中预充电电阻31的阻值计算预充电电阻31的总热量，并通过总热量判断负载10是否发生异常。
77.其中，预充电电阻31的总热量yc为yc＝∫(i*i-x)rdt。
78.在mcu1中预设有总热量阈值ys，mcu1将计算得到的预充电电阻31的总热量yc与预设的总热量阈值ys进行比较，如果yc≥ys，则mcu1控制预充电开关32闭合，预充电电阻31被短路，电流从第二通道流入负载10中驱动板，这样也能够对预充电电阻31进行保护，以防止预充电电阻31被烧坏。
79.同时，mcu1进入异常工作模式，控制保护开关5打开，切断负载10的供电电压，对负载10进行保护。
80.通过通讯模块6可以针对不同的负载10在mcu1中设置电流采样误差值x以及总热量阈值ys。通讯模块6还用于将电路异常原因发送给用户终端，以便于用户及时进行故障排查。
81.在其他实施例中，本技术实施例提供的协作机器人负载保护装置还包括电压采样模块7，电压采样模块7与mcu1连接，其用于检测负载10中驱动板的输入电压。
82.具体地，当电流采样模块4通过保护开关5连接缓启动模块3时，电压采样模块7设置在保护开关5和缓启动模块3之间的线路上。电压采样模块7的一端与保护开关5连接，其另一端与缓启动模块3连接。
83.当保护开关5通过电流采样模块4连接缓启动模块3时，电压采样模块7设置在电流采样模块4和缓启动模块3之间的线路上。电压采样模块7的一端与电流采样模块4连接，其另一端与缓启动模块3连接。
84.电压采样模块7将检测到的负载10中驱动板的输入电压发送给mcu1，mcu1判断负载10中驱动板的输入电压是否大于或等于预设电压阈值，如果是，则mcu1控制预充电开关32闭合，预充电电阻31被短路，电流从第二通道流入负载10中驱动板。同时，mcu1进入异常工作模式，控制保护开关5打开，切断负载10的供电电压，对负载10进行保护。
85.本技术提供的协作机器人负载保护装置能够满足协作机器人控制系统动力设备
的电源需求，利用缓启动电路能够减小上电瞬间的冲击电流；并通过mcu1计算预充电电阻31的总热量能够判断负载10是否异常，无需增加任何硬件成本，且用户能够通过通讯模块6设置不同的阈值，可以适用于不同功率的负载10。当负载10出现异常时能够快速地启动保护，切断负载10的供电电压，并且能够通过通讯模块6告知用户异常原因，当负载10的故障排除后，负载10能够重新得到电源供应。
86.本技术提供的协作机器人负载保护装置针对协作机器人控制系统动力设备的电源需求，通过mcu1计算预充电电阻31的总热量来判断负载10是否异常。根据预充电电阻31的总热量计算公式可知，如果电流采样误差值x设置得过小，则热量会一直累计，一定时间后会产生误报；如果总热量阈值ys设置得过大，则电流会一直流过预充电电阻31，一定时间后会烧坏预充电电阻31，进而产生漏报。因此，电流采样误差值x和总热量阈值ys设置完毕后，需要设计不同的实验测试，使系统既不会误报，也不会漏报。
87.协作机器人负载保护装置的实验流程图如图3所示，当系统工作通讯建立后，将电流采样误差值x设置为0.5，将总热量阈值ys设置为2000/r，则此时预充电电阻31的总热量为：∫(i*i-0.5)rdt。预充电电阻31可以采用阻值为20ω的水泥电阻。
88.接入电流为0.5a的电子负载10，0.5a电流流过水泥电阻时，水泥电阻的总热量将不会达到总热量阈值，mcu1不会进入异常工作模式。即当出现异常情况，负载10的电流小于500ma时，电流将一直从第一通道流入负载10。由于水泥电阻额定功率为20w，而水泥电阻的实测功率为0.25*0.25*20＝1.25w，远小于水泥电阻的额定功率，不会造成水泥电阻损坏的风险。
89.接入电流为1a的电子负载10，1a电流流过水泥电阻时，水泥电阻的总热量在40秒后达到总热量阈值，mcu1控制预充电开关32闭合，电流从第二通道流入负载10。然后，mcu1进入异常工作模式，控制打开保护开关5，切断机械臂的供电电压，以对机械臂进行保护，并通过通讯模块6告知用户异常原因。当异常情况下负载10电流为1a左右时，预充电开关32闭合时间约40秒，由于水泥电阻的实测功率为0.5*0.5*20＝5w，是水泥电阻额定功率的1/4，在40秒内不会造成水泥电阻损坏的风险。
90.接入电流为2a的电子负载10，2a电流流过水泥电阻时，水泥电阻的总热量在5.5秒后达到总热量阈值，mcu1控制预充电开关32闭合，电流从第二通道入负载10。然后，mcu1进入异常工作模式，控制打开异常开关，切断机械臂的供电电压，以对机械臂进行保护，并通过通讯模块6告知用户异常原因。当异常情况下负载10电流为2a左右时，由于水泥电阻的总热量达到总热量阈值的时间较短，约5.5秒，因此，不会造成水泥电阻损坏的风险。
91.接入电流为5a的电子负载10，5a电流流过水泥电阻时，水泥电阻的总热量在1.36秒后达到总热量阈值，mcu1控制预充电开关32闭合，电流从第二通道入负载10。然后，mcu1进入异常工作模式，控制打开异常开关，切断机械臂的供电电压，以对机械臂进行保护，并通过通讯模块6告知用户异常原因。当异常情况负载10电流为5a左右时，由于水泥电阻的总热量达到总热量阈值的时间较短，约1.36秒，因此，不会造成水泥电阻损坏的风险。
92.基于本技术实施例提供的协作机器人负载保护装置，本技术还提供了一种协作机器人，其包括负载和负载保护装置。负载保护装置与负载中的驱动板连接，负载保护装置用于为负载提供动力电源并对负载进行供电保护。其中，负载具体可以为机械臂。该负载保护装置的详细结构可参照上述实施例，此处不再赘述。可以理解的是，由于在本技术协作机器
人中使用了上述协作机器人负载保护装置，因此，本技术实施例提供的协作机器人包括上述协作机器人负载保护装置全部实施例的全部技术方案，且所达到的技术效果也完全相同，在此不再赘述。
93.上述的本技术实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本技术的实施例也可为在数据信号处理器中执行上述方法的程序代码。本技术也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列执行的多种功能。可根据本技术配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本技术揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本技术执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本技术的精神与范围。
94.以上所述仅为本技术示意性的具体实施方式，在不脱离本技术的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本技术保护的范围。