机器人功能安全控制系统的实现

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引言

现阶段，受我国科技发展和智能相关产品普及程度的极大影响，机器人市场迎来了发展的小高峰[1]。同时，随着工业机器人智能水平的提高，其功能从简单的处理、焊接、复杂的加工任务扩大了人机合作[2]。如何在提高机器人生产效率的同时，确保人类和机器人的安全已成为迄今为止正在努力解决的问题。

国内机器人的现状是更多地考虑其功能，而更少地考虑安全。随着商业和消费机器人的不断增长，对机器人功能安全的意识不断提高。本文重点研究基于平行软件架构的机器人功能安全控制系统的实现，并验证其满足机器人功能安全的需要。在系统故障和随机硬件故障的情况下，可以通过一定的机制及时引导安全状态。

1.机器人功能安全控制系统。

1.1机器人控制系统。

机器人控制系统通常由机器人本体、机器人控制柜和示教器组成。机器人控制系统的结构图如图1所示。

图1机器人控制系统结构图。

运动控制单元通过工业以太网等现场总线与伺服驱动器连接，并与机器人本体连接。目前，大多数机器人控制器采用分布式结构，将运动控制器和驱动器集成到控制柜中。

1.2安全控制模块。

为保证机器人的安全工作，机器人控制系统采用独立于机器人控制系统的安全控制模块，通过监控各种安全信号的输入，通过一定的逻辑处理输出安全信号，确保潜在风险的及时检测和安全缓解机制的实施，使其进入安全状态。安全控制模块的连接图：

图2安全模块连接图。

安全控制模块的输入是与机器人安全相关的急停按钮、三态使能按钮、安全门输入和ACK确认信号。

STO_A，STO_B是安全控制模块的双回路安全信号输出，一般与驱动器的STO信号连接。微信信号触发时，伺服驱动应及时停止。STO_M是伺服驱动器的监控信号。

1.2.1功能安全架构设计。

为了保证控制电路的安全性，功能安全模块并行软件架构利用双核CPU芯片在两个控制单元中分配无效运行功能。功能安全控制架构图如图3所示。

图2控制架构图。

功能控制模块主要由电源电路、输入电路、输出电路、逻辑控制和故障诊断组成。信号的输入和输出采用同构冗余双回路设计，即采用相同的连接方式，分别由单芯片的MCU_A和MCU_B收集。在操作中，MCU_A和MCU_B执行控制功能并相互监控。同时，通过共享内存获得控制结果，并将自己和对方的监控结果输出给执行单位。执行单位将相互比较结果，即任何一方无效，将使其进入安全状态。

同时，双核将分别收集电源电压，相互监测，实现电源过压和欠压的监测。当电压低于或高于规定值时，系统将进入安全状态。

1.2.2功能安全软件设计。

功能安全模块的软件设计采用模块化和分层的软件设计理念，根据不同的功能和需求进行设计。首先收集输入双回路安全信号，然后根据信号的诊断和控制输入信号进行逻辑操作和控制，实时分享自身和逻辑操作控制结果，监控电源电压和输入信号状态，输出安全信号。

双核之间的通信采用共享内存的方式，节省了通信线路的连接，避免了外部环境干扰引起的异常通信问题。

1.2.3试验验证。

上述方案可以通过模拟各种安全信号输入和验证各种故障方法来满足设计要求。当电源欠压时，STO_A和STO_B有效，输出低电平。试验波形如图:

3结语

机器人控制系统的安全性和可靠性是系统设计成功的关键指标，必须考虑系统生命周期的每个阶段。特别是随着我国智能制造市场的快速发展和自动化产业的不断发展，机器人的应用越来越广泛，机器人的功能安全已逐渐成为机器人控制系统的核心领域之一。因此，如何设计有效的安全控制系统，确保及时检测潜在风险，实施安全缓解机制，已成为机器人功能安全的关键点之一。

本文探索了机器人功能安全控制系统的实现，基于单芯片双核CPU和并行软件架构。

未来，随着人工智能技术、互联网技术、人机合作需求的不断提高，机器人功能安全和故障诊断将得到更广泛的关注和快速发展，充分利用云、互联网等，合理实现安全功能冗余和互联网监控，确保机器人提高效率，确保机器人和人类安全，真正实现人机合作。