具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本申请的一个方面提供了一种关节组件的安全系统。在如图1所示的一个实施例中，关节组件10包括电机20以及与电机20连接的用于停止该电机的制动器30。优选地，关节组件10还包括变速器40，如减速器，其可以改变电机20的速度输出和扭矩输出。制动器30可以直接连接到电机20上，或通过与电机20连接的变速器40而间接地连接到电机20上。基于处理器或控制器的指令，制动器30向电机20或变速器40提供制动力，从而使关节组件10减慢或停止工作，从而使与关节组件10连接并由其驱动的元件如机器人手臂等停止。

继续参照图1，提供了一个安全系统50，以检测关节组件10的关节故障并基于检测到的关节故障锁定关节组件10。安全系统50包括至少一组配置为检测与关节组件10的安全功能关联的至少一个参数的传感器60、与电机20和制动器30连接并位于关节组件10内的驱动电路70，以及布置在关节组件10内的第一处理器80和第二处理器81。具体而言，第一处理器80和第二处理器81可以被固定在关节组件10内的同一或不同的电路板上，并配置为从至少一组传感器60接收指示至少一个参数的信号，并响应于根据该信号确定的关节故障，直接向驱动电路70发送停止命令以停止电机20。该关节故障可以包括，例如，关节组件10的部件的机械或功能故障，或部件之间的物理连接或数字通讯故障。

在图中所示的示例性实施例中，第一处理器80和第二处理器81可以是微控制单元(MCU)。

参照图2，在一个实施例中，至少一组传感器60包括输入侧位置传感器60a和输出侧位置传感器60b，输入侧位置传感器60a配置为测量电机20的转子的位置，输出侧位置传感器60b配置为测量与电机20连接的变速器40的输出轴的位置。第一处理器80和第二处理器81中的至少一个配置为根据电机20的转子的测量位置和变速器40的输出轴的测量位置来确定是否存在接头故障。位置传感器60a、60b可以包括例如霍尔效应位置编码器。

例如，第一处理器80通过接收来自位置传感器60a、60b的信号分别获得电机20的转子的测量位置和变速器40的输出轴的测量位置，并根据电机20的转子的测量位置和变速器40的输出轴的测量位置确定是否存在关节故障。在一个具体实施方式中，第一处理器80将电机20的转子的测量位置与预定位置进行比较，以确定是否存在关节故障。例如，如果预定值和测量值之间的偏差超过一预设阈值，则可以确定存在关节故障。同样地，第一处理器80可以将变速器40的输出轴的测量位置与预定位置进行比较，以确定是否存在关节故障。例如，当二者的偏差超过一预设阈值时，可以确定存在关节故障。在另一个实施方式中，电机20的转子的测量位置和变速器40的输出轴的测量位置分别与对应的预定值进行比较，当其中一个偏差超过对应的预设阈值时，可以确定存在关节故障。在另一个具体实施方式中，第一处理器80可以将电机20的转子的测量位置与变速器40的输出轴的测量位置进行比较，以确定是否存在关节故障。例如，在考虑变速器40的齿轮比的情况下，当电机20的转子的测量位置与变速器40的输出轴的测量位置之间的偏差超过一阈值时，确定存在关节故障。

可以理解的是，前述各种计算和/或比较也可以由第二处理器81完成，或者同时由第一处理器80和第二处理器81分别完成。具体而言，在一个实施例中，第一处理器80和第二处理器81都同时连接到位置传感器60a、60b以接收信号。根据需要，上述计算可以由第一处理器80或第二处理器81执行。或者，第一处理器80和第二处理器81可以分别执行计算的一部分。例如，第一处理器80根据输入侧位置传感器60a的信号执行对关节故障的判断，而第二处理器81根据输出侧位置传感器60b的信号执行对关节故障的另一判断。或者利用第一处理器80和第二处理器81分别进行完整的计算，当任何一个处理器确定存在关节故障时，即可以启动安全措施。

在另一个实施例中，第一处理器80和第二处理器81中的至少一个配置为基于电机20的转子的测量位置计算转子的转速，以及基于变速器40的输出轴的测量位置计算输出轴的转速，并且基于转子和输出轴的转速的偏差来确定是否存在关节故障。

例如，第一处理器80通过接收来自传感器60a、60b的信号分别获得电机20的转子的测量位置和变速器40的输出轴的测量位置，基于电机20的转子的测量位置计算电机20的转子速度，并基于变速器40的输出轴的测量位置计算变速器40的输出轴的转速。具体来说，以一定的时间间隔对电机20的转子位置进行两次采样，以提供两个位置值用于计算电机20的转子速度。同样地，变速器40的输出轴的转速可以根据变速器40的输出轴的位置来计算，位置信息同样以一定的时间间隔通过两次采样获得。在一个示例性实施方式中，在考虑到变速器40的齿轮比的情况下，第一处理器80将电机20的转子的计算速度与变速器40的输出轴的计算速度进行比较，当偏差超过一阈值时，可以确定存在关节故障。在另一个示例性实施方式中，第一处理器80将电机20的转子的计算速度与预定速度进行比较，以确定是否存在关节故障。例如，当两者的偏差超过一阈值时，可以确定存在关节故障。类似地，第一处理器80可以将变速器40的输出轴的计算转速与对应的预定转速进行比较，以确定是否存在关节故障。例如，当二者的偏差超过阈值时，可以确定存在关节故障。

同样可以理解的是，前述各种计算和/或比较也可以由第二处理器81完成，或者由第一处理器80和第二处理器81共同或分别完成。

根据本申请的实施例，传感器数据由第一处理器80和/或第二处理器81本地采集，因此采样频率高，两次采样的时间间隔短，因此电机20的转子的计算速度和变速器40的输出轴的计算转速更加准确。

参照图3，在一个实施例中，至少一组传感器包括配置为检测电机20的电流的电流传感器60c和配置为检测与电机20连接的变速器40的输出扭矩的扭矩传感器60d。第一处理器80和第二处理器81中的至少一个配置为根据测量的电流和测量的扭矩来确定是否存在关节故障。

例如，第一处理器80从电流传感器60c的信号中获得电机20的测量电流，从扭矩传感器60d的信号中获得变速器40的测量扭矩，并基于电机20的测量电流计算出估计扭矩。在考虑变速器40的齿轮比的情况下，第一处理器80进一步将电机20的计算估计扭矩与变速器40的测量扭矩进行比较，如果二者之间的偏差超过一阈值，则确定存在关节故障。

此外，第一处理器80还可以将电机20的计算估计扭矩和变速器40的测量扭矩中的至少一个与对应的预设扭矩进行比较，以确定是否存在关节故障。

同样可以理解的是，上述计算和/或比较可以由第二处理器81完成，或者由第一处理器80和第二处理器81分别完成。具体而言，在一个实施例中，第一处理器80和第二处理器81均同时连接到电流传感器60c和扭矩传感器60d以接收其信号。根据需要，上述计算可以由第一处理器80或第二处理器81执行。或者，可以利用第一处理器80和第二处理器81分别进行上述完整的计算，当任何一个处理器确定存在关节故障时，即可以启动安全措施。

在一个实施例中，第一处理器80和第二处理器81中的一个基于电机20的电流计算电机20的估计扭矩，并且第一处理器80和第二处理器81中的另一个从扭矩传感器60d的信号获得变速器40的测量扭矩。参考前面所描述的，第一处理器80和第二处理器81可以分别通过将计算的估计扭矩和测量扭矩与对应的阈值进行比较，或者通过将电机20的计算的估计扭矩与变速器40的测量扭矩进行比较来确定是否存在关节故障。

在一个实施例中，参照图4，至少一组传感器60包括配置为测量电机20的转子的位置的输入侧位置传感器60a、配置为测量变速器40的输出轴的位置的输出侧位置传感器60b、配置为检测电机20的电流的电流传感器60c、以及配置为检测变速器40输出扭矩的扭矩传感器60d。第一处理器80和第二处理器81中的一个配置为，例如通过前面所描述的方法，根据电机20的转子的测量位置和变速器40的输出轴的测量位置，确定是否存在关节故障，同时第一处理器80和第二处理器81中的另一个配置为，例如通过如上所描述的方法，根据电机20的转子的测量电流和变速器40的输出轴的测量扭矩，确定是否存在关节故障。

在一个实施例中，第一处理器80和第二处理器81相互通信，当其中一个处理器检测到关节故障时，向另一个处理器发送通知信息，从而实现了两个处理器80、81的交叉检查。此外，通过允许第一处理器80和第二处理器81相互通信，一个处理器可以从另一个处理器获取传感器数据，这比直接从传感器收集所有数据更有效率。

在一个实施例中，第一处理器80和第二处理器81采用具有不同技术规格的不同型号，以降低了两个处理器同时发生故障的概率，并允许两个处理器相互验证以识别处理器故障。

当确定存在关节故障时，第一处理器80和/或第二处理器81向驱动电路70发送停止信号，并且驱动电路70根据停止信号切断扭矩输出，例如，通过切断电机20的电流，或者通过启用制动器30来停止电机20，从而锁定关节组件10。

在一个实施例中，参照图5，安全系统进一步包括主控制器90。主控制器90与第一处理器80和第二处理器81进行通信，并且在从第一处理器80和/或第二处理器81接收到关节故障通知时为使用关节组件10的整个设备生成停止命令。例如，在响应关节故障通知时，主控制器90锁定机器人的所有其他关节组件。主控制器90可进一步包括至少一个处理器91，例如MCU，其配置为接收关节组件10内的传感器60的信号，并独立于由关节组件10内的第一处理器80和第二处理器81执行的计算或确定，执行上述各种计算和/或确定。因此，对关节故障的判断可以通过主控制器90中的相关计算进一步确认，从而提高安全检查的可靠性。在一个实施例中，主控制器90对主电源开关有直接控制权，当主控制器90根据从关节组件和/或系统其他地方的传感器收集到的数据，自行确定系统存在故障时，主控制器90将关闭主电源开关，以锁定整个设备。

根据本申请的其他方面，本申请还分别提供了具有根据上述各种实施例中所述的安全组件的关节组件，以及具有关节组件的机器人。参照图6，在一个实施例中，机器人100包括至少两个通过关节组件10相互连接的手臂101，关节组件10使得该手臂101能够旋转，以便调整其末端执行器102例如连接在手臂末端的夹爪的位置。在另一个实施例中，机器人至少包括两个关节组件10。如前面所描述的，每个关节组件10包括一对处理器和至少一组传感器，所有的关节组件10都连接到一个共同的主控制器并与之通信。在这种情况下，主控制器的处理器同时接收所有关节组件10内传感器的信号，并进行如前面所述的各种计算和/或确定，为每个关节组件10的功能失效提供额外的检查。

根据本申请的一些实施例，通过位于关节组件内的两个处理器，关于关节位置极限、关节速度极限或关节扭矩极限的安全功能至少在关节组件内本地完成，而不是完全依靠主控制器来进行所有的计算和检查。与主控制器和关节组件内的传感器之间的通信相比，传感器和本地处理器之间例如基于快速通信协议可以实现更快的通讯速度，从而消除或降低通信失败的风险。此外，当关节组件检测到关节位置、速度或扭矩上的任何安全功能出现异常时，可以安全地立即锁定自己，与现有的关节组件相比，故障检测和反应的延迟可以快得多。

根据本申请的一些实施例，由于两个处理器位于关节组件内，安全检查的计算负担被分配到机器人的关节组件中，而不是集中在具有至少一个处理器的主控制器中。这种负担分担使得检查间隔更短，从而可以更快地发现故障，而且除了主控制器之外，关节组件中的检查也增加了冗余的安全保护。此外，根据一些实施方式，由于关节速度是在关节中本地计算的，与现有的关节组件相比，用于计算关节速度的两个关节位置数据采样点之间的时间间隔要小得多，因此用于安全检查的关节速度要精确得多，这将提高依赖关节速度数据的所有安全功能的检查精度和信赖度。

本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本申请。如本文所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，指的是存在所述特征、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在。“可选的”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能发生也可能不发生，并且描述包括发生以及不发生该事件的情况。

如在整个说明书和权利要求书中所使用的，近似语言可以用于修改可以变化的任何定量表示，而不会导致与之相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”，“大概”和“基本”的一个或多个术语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。此处并且在整个说明书和权利要求书中，除非上下文或语言另有描述，否则范围限制可以组合并且/或者互换，这样的范围是指定的并且包括被包含在其中的所有子范围。

所附权利要求书中的所有的装置或步骤加功能元件的相应结构、材料、动作和等同形式旨在包括用于执行功能的任何结构、材料、或动作与如具体要求保护的其它要求保护的元件的组合。提供对本发明的描述是为了说明和描述的目的，并不旨在穷尽或将本发明限制在所公开的形式。多种改型和变型对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的，而不偏离本发明的范围和精神。实施例被选择和描述成以便最佳解释本发明的原理和实际应用，并且使得其它普通技术人员能够理解本发明的具有多个改型的多个实施例适用于所构想的特定应用。