浅谈工业机器人的运动停止

德系的工业机器人系统中，对于机器人停止运动，定义了3种模式，比如 KUKA 的工业机器人分别定义了 Stop 0 ，Stop 1，Stop 2 (*注1)。这种定义模式是与机器人的机械结构和

电气结构相关联的。

对于此，读者应该先了解工业机器人上伺服电机的结构，以及伺服电机驱动器(放大器)的供电模式。前面 LT 有篇文章介绍了 ABB Robot 电机连接结构，机器人的机械制动主要靠伺服电机里面的刹车 (Brake) 机构。一旦刹车释放，伺服电机轴的转动就会受到阻力。（如右图，黑色部分代表刹车，蓝色部分为电机转子，工作时两者分离，制动时两者贴合摩擦。） 而对于伺服电机驱动器的供电模式，工业机器人电气系统的典型结构是串联两个接触器，而这两个接触器的吸合放开控制，由机器人的安全电路模块来控制。

再看如何使运动的机器人停止运动，方法1、 通过驱动器，使电机减速；2、直接切断驱动器供电，释放电机刹车，靠刹车片摩擦来制动。（是不是有点类似汽车驾驶的制动，一种可以用发动机来制动，一种可以打开离合，用脚刹来制动。） 所以两种制动方法结合起来，就组成了机器人的运动停止模式。

? Stop 0直接切断驱动器供电，同时释放刹车。

? Stop 1先驱动器控制减速制动，然后再切断驱动器供电，同时释放刹车。(KUKA是1秒后切断电源 *注2)

? Stop 2只通过驱动器减速制动，不切断驱动器供电，不释放刹车。

考虑一下，对于机器人运动轨迹的影响？答案显而易见的，Stop 0 的停止模式，运动是不受控的，所以机器人停止时，TCP 可能偏移了路径；而Stop 1 和 Stop 2 的模式，运动是受驱动器减速控制的，机器人停止时，TCP 会停在路径上。

P.S.

为什么要介绍这个呢？因为在工业设备使用过程中，安全是个很重要的话题，Bruce (于仁颇黎) 在他的blog中多次提到过安全问题。了解了工业机器人的运动停止模式，那么我们就可以更好的规划现场布局和编制工业机器人程序。在后面的文章，LT 将会用到本文所提到的知识点，敬请期待。

* 注1 : 参考《库卡系统软件 5.2、5.3、5.4 最终用户操作及编程指南》page13~14 * 注2 : 当驱动器制动超时时，会启用stop0

在上一篇文章里《浅谈工业机器人的运动停止》，LT 从机器人的动力链方面出发介绍了工业机器人的三种停止模式，实际上这三种模式也是遵循标准 EN 60204 的。EN 60204 将停止分为三大类，原文如下：

9.2.2 Stop functions

There are three categories of stop functions as follows:

- stop category 0: stopping by immediate removal of power to the machine actuators (i.e. an uncontrolled stop – see 3.56);

- stop category 1: a controlled stop (see 3.11) with power available to the machine actuators to achieve the stop and then removal of power when the stop is achieved; - stop category 2: a controlled stop with power left available to the machine actuators. 再回到机器人系统上，如果我们给机器人发出了停止信号，机器人并不是能立即瞬间停止运动。设想一下汽车驾驶员所做的一个刹车过程，我们考虑最极端的情形，当一辆高速行驶的汽车突然发现前面车辆突然停车，而且自身也没其他道路可走，驾驶员所能做的就是努力踩下刹车并祈祷赶快停止(这里我们不考虑赛车手做180度转弯的情况 XD )，不然就与前车追尾了。从眼睛观察到前车异常并传送给大脑然后大脑下达大脚踩下刹车这一过程，属于人这个控制系统自身的反应时间，在这段时间里，汽车仍然在全速前进。踩下刹车后，刹车片就参与制动直至运动停止，这一段汽车前进的距离就是刹车距离。

对于机器人系统，要停下来，同样要考虑这两个过程。一是从控制系统接收到停止信号并处理到切断电源或即将执行电机制动这段过程，总线、处理器等模块会造成时间延迟，机器人仍然会运动并通过一段距离。二是电机刹车(Brake)释放后，电机刹车片摩擦制动，机器人要走过一段刹车距离。或者依靠电机本身减速制动同样需要走过一段距离。

在设计系统 layout 时，这个停止距离是必须要考虑的因素。汽车行驶要保持安全距离谨防追尾事故，机器人现场系统同样也是如此。

工业机器人的运动停止-刹车测试

好莱坞大片《危情时速》讲述了一个高速的火车在无人掌控的情况下，逐渐加速，直至速度大到怎么也停不住的故事，又名《煞不住》。结局当然是我们的美国英雄克服重重艰辛，进入列车控制室，把刹车手柄拉下。就这么简单。刹车能不重要？！下面我们要谈谈运动的工业机器人怎么能有效停下来。在目前的工业机器人系统中，机械部分运转动力来源还是伺服电机。下图就是一种伺服电机的剖面图。

其机械制动就是依靠电机里面的刹车机构（见下图，以某个KUKA机器人培训PPT中的截图来说明，本文目前只讨论机械刹车），当发生 stop 0 的运动停止时，就依靠刹车来制动。如果，刹车失效的话？在该停的时候没能停下来，有可能就会发生像7.23动车追尾一样的严重事故。刹不住导致高速撞击将会让机器人和工件工具甚至现场人员承受不可预料的后果，尽管发生这类情况的几率很小。

所以相关的工业机器人都提到一个安全测试-刹车测试，目的是在可控的状况下，检测电机的刹车是否能正常运作。那具体是怎么样的呢？我们来查阅最出名的工业机器人品牌ABB，其产品 IRB7600 的产品手册，找到了 Brake Testing 一节。

ABB的手册 是这样来描述 how to test 的： 1、 移动机器人各轴到承受重力最大的位置；2、在控制柜上操作使电机Motor OFF，即使电机掉电；3、检查机器人是否偏离了步骤1的位置。由此来判刹车功能是否正常。如果没有移动，那么刹车就是完好的。（注1*） 1.2.3.4. Brake testing When to test

During operation the holding brake of each axis motor wear normally. A test may be performed to determine whether the brake can still perform its function.

How to test

The function of the holding brake of each axis motor may be checked as detailed below: 1. Run each manipulator axis to a position where the combined weight of the manipulator arm and any load is maximized (max. static load).

2. Switch the motor to the MOTORS OFF position with the Operating mode selector on the controller.

3. Check that the axis maintains its position.

If the manipulator does not change position as the motors are switched off, then the brake