CN107919054B - 一种工业机器人教学装置 - Google Patents

Abstract

针对提高实物教学过程中工业机器人操作安全性的需求，本发明提供了一种工业机器人教学装置，包括：工业机器人、可编程处理器单元、故障检测单元、安全检测单元、外围设备、图像处理单元以及多个图像采集单元。

Description

一种工业机器人教学装置

技术领域

本申请涉及工业机器人技术领域，更具体地，涉及一种工业机器人教学装置。

背景技术

随着科技的快速发展，工业机器人作为集机械、电子、控制、传感以及计算机技术等多领域知识于一体的典型代表以及工业自动化的三大支柱之一，已经被广泛地应用于各个领域的工业现场。工业机器人通常是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。随着工业机器人的广泛应用，不少院校乃至工厂培训都把工业机器人的教学引入教学大纲和实训环节。

在学校授课或工厂培训的过程中，考虑成本、安全以及资源等多方面因素，无法提供真实的实验器材或设备供教学对象(学校学生或工厂员工)进行实地操作，但是为了能够使教学对象掌握真实实验的操作流程或真实设备的操作方法，目前一般采用仿真教学的方式使教学对象学习真实实验的操作流程或真实设备的操作方法。

现有技术中，仿真教学包括实物仿真和虚拟仿真两种。虚拟仿真(VR，VirtualReality的缩写)或称“虚拟现实”，其概念是在80年代初提出来的，具体是指借助计算机及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段。VR主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入作出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。目前，虚拟仿真教学主要通过以下方式实现：创建真实实验器材或设备的三维数字模型，教学对象通过在计算机上对三维数字模型进行操作，模拟对真实实验器材或设备进行操作的过程。然而，虚拟仿真的硬件成本过高，加之在教学过程中学习者如果操作不慎容易造成损坏，容易磨损或灵敏度下降，从而使得维护成本过高。

实物仿真例如申请号为CN201620684856.X的中国实用新型专利公开的一种远程操控式工业机器人系统，由工业机器人和控制盒子组成，其中，工业机器人包括主臂、控制器、基座和旋转轮，主臂的前面设置有前端，主臂的后面设置有后座，主臂的下端连接旋转轮，控制器和旋转轮设置在基座上，主臂和基座之间设置有连杆，基座内设置有调节杆；控制盒子与工业机器人连接，控制盒子还与计算机终端、移动终端以及Pad终端无线连接。然而，控制盒子在使用较长时间后由于老化等因素造成反应不灵敏或者由于学员不正确操作容易造成安全事故。

发明内容

针对提高实物教学过程中工业机器人操作安全性的需求，本发明提供了一种工业机器人教学装置，包括：工业机器人、可编程处理器单元、故障检测单元、安全检测单元、外围设备、图像处理单元以及多个图像采集单元，所述外围设备通过所述可编程处理器单元对工业机器人的动作进行控制，所述安全检测单元用于检测工业机器人的位置及动作数据且与所述外围设备连接，所述故障检测单元通过主动发射激励信号并检测响应信号的方式检测工业机器人和可编程处理器单元的状态，所述图像采集单元用于采集工业机器人的实时图像，所述可编程处理器单元包括存储子单元和通信子单元，所述存储子单元获取可编程处理器向工业机器人发出的指令，所述通信子单元将该指令以无线通信的方式传输给所述故障检测单元。

进一步地，所述故障检测单元包括可编程处理器单元使能模块、激励信号产生模块和响应信号采集模块以及多个信号记录单元，所述各个信号记录单元均包括彼此连接的信号存储子模块以及驱动信号采集子模块，所述驱动信号采集子模块分别设置于工业机器人具有执行动作的驱动部件处且与各驱动部件一一对应地连接，所述各个信号存储子模块包括依次相连的无线传输子模块、存储器以及模数子模块，所述模数子模块将与其所述的信号存储子模块相连的驱动信号采集子模块采集到的驱动部件第二驱动信号进行模数转换，所述存储器用于存储与其相连的模数子模块转换后得到的数据，所述响应信号采集模块通过所述无线传输子模块无线地连接各信号记录单元的存储器并从存储器获得相应第二驱动信号，

所述激励信号产生模块包括彼此连接的激励信号获取子模块以及激励信号生成子模块，所述激励信号获取子模块从所述可编程处理器单元获取所述可编程处理器向工业机器人发出的指令并根据工业机器人的指令集独立地产生第一驱动信号，所述激励信号生成子模块包括彼此相连的激励信号数模转换子模块和激励信号放大电路，所述激励信号数模转换子模块用于根据与其相连的激励信号获取子模块获得的第一驱动信号进行数模转换，所述激励信号放大电路用于将与其连接的激励信号数模转换子模块输出的第一驱动信号进行放大；且当所述故障检测单元通过所述激励信号放大电路输出经过放大的第一驱动信号时，所述可编程处理器单元使能模块使所述可编程处理器单元失能，当所述响应信号采集模块采集完毕后根据故障检测结果，即第一驱动信号放大后的信号与第二驱动信号进行比对后二者差值是否小于预设阈值，确定是否使所述可编程处理器单元使能。

进一步地，所述安全检测单元包括多个位置检测模块，所述图像采集单元分别采集三维空间中某一个方向上的工业机器人所处环境内的实时图像并传输给所述图像处理单元，所述图像处理单元根据所述实时图像确定工业机器人与人之间的人-机距离并进而确定该人-机距离是否小于预定的安全人-机距离；所述各位置检测模块均包括间隔距离确定单元以及六个红外传感器，所述红外传感器分别设置于工业机器人的关节及手爪，用于检测各关节和手爪与工业机器人所处环境之间的空间直线距离，即工业机器人所在位置周围的墙壁、天花板和工作台水平面之间的空间直线距离，所述间隔距离确定单元用于确定空间直线距离是否小于预定的空间直线距离；当所述人-机距离小于预定的安全人-机距离或空间直线距离小于预定的空间直线距离时，所述安全检测单元以预定方式生成预警信号：所述预定方式生成的预警信号根据所述可编程处理器单元的时钟信号CLK生成且占空比为该晶振信号CLK的两倍。

进一步地，所述工业机器人为四自由度多关节机器人。

进一步地，所述工业机器人为KUKA KR40PA机器人。

进一步地，所述工业机器人为六自由度多关节机器人。

进一步地，所述工业机器人采用富士康FoxBot A1700。

进一步地，所述外围设备包括键盘以及执行辅助单元，所述执行辅助单元用于辅助工业机器人执行操作的机械元件及电子元件。

进一步地，所述执行辅助单元包括真空吸盘、弹性吸盘、真空发生器、继电器、接触器、常闭按钮、常开按钮、急停开关。

进一步地，所述安全检测单元输出端连接所述急停开关。

进一步地，所述可编程处理器单元采用三菱公司的PLC处理器。

进一步地，所述激励信号放大电路包括：第一电源VDD、第二电源VCC、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一三极管T1-第二十九三极管T29、电流源、放大器A1、第一比较器C_1、第二比较器C_2、第一D触发器Q1、第二D触发器Q2、第三D触发器Q3、第四D触发器Q4，第一信号端G(n)、第二信号端G(n-1)、信号输入端Vin、信号输出端Vout、第一取反器、第二取反器、第三取反器、第四取反器、第五取反器、第六取反器、第七取反器、与运算器、第一或运算器、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4以及电感L；所述第一电阻R1的一端连接第十三极管T10的基极，第一电阻R1的另一端连接第一三极管T1的发射极和第二三极管T2的发射极，第一三极管T1的基极连接第二三极管T2的基极，第一晶体管T1的基极连接第三晶体管T3的发射极以及第一晶体管T1的集电极，第二晶体管T2的集电极连接第四晶体管T4的发射极，第三晶体管T3的基极连接第四晶体管T4的基极和第三晶体管T3的集电极以及第九晶体管T9的集电极，第九晶体管T9的发射极连接第十一晶体管T11的集电极，第九晶体管T9的基极连接第八晶体管T8的基极和第八晶体管T8的集电极以及电流源的输出端，电流源的输入端连接第一电源VDD，第八晶体管T8的发射极连接第十晶体管T10的集电极，第十晶体管T10的发射极和第十一晶体管T11的发射极接地，第四晶体管T4的集电极连接第五晶体管T5的集电极，第五晶体管T5的发射极连接电感L的一端，电感L的另一端接地，第五晶体管T5的基极连接第一信号端G(n)，第一取反器的输入端连接第一信号端G(n)、第十三晶体管T13的基极以及第七晶体管T7的基极，第一取反器的输出端连接第六晶体管T6的基极，第四晶体管T4的集电极连接第六晶体管T6的集电极和第七晶体管T7的集电极，第六晶体管T6的发射极和第七晶体管T7的发射极连接第十二晶体管T12的集电极、第十四晶体管T14的基极以及第一电容器C1的一端，第十二晶体管T12的发射极连接第一电容器C1的另一端并接地，第十二晶体管T12的基极连接第一信号端G(n)，第十三晶体管T13的集电极连接输入信号鍴Vin，第十三晶体管T13的发射极连接第十五晶体管T15的发射极以及第二电容器C2的一端，第二电容器C2的另一端连接第十四晶体管T14的集电极，第十四晶体管T14的发射极连接第十五晶体管T15的发射极、第十八晶体管T18的集电极、第十七晶体管T17的集电极和第十九晶体管T19的集电极，第十八晶体管的基极经由第八电阻R8连接第五晶体管T5的集电极，第十五晶体管T15的基极连接第十六晶体管T16的基极以及第二信号端G(n-1)，第十六晶体管T16的集电极连接信号输入端Vin，第十六晶体管T16的发射极连接第十八晶体管T18的集电极，第十八晶体管T18的基极连接第二信号端G(n-1)和第十七晶体管T17的基极，第十九晶体管T19的基极连接第二十晶体管T20的基极、第二信号端G(n-1)和第二十五晶体管T25的基极，第十九晶体管T19的发射极连接第二十晶体管T20的发射极、第二比较器C_2的一个输入端以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第五电阻R5的一端、第二十五晶体管T25的集电极和第二十四晶体管T24的集电极，第十八晶体管T18的发射极连接第二十晶体管T20的集电极和放大器A1的正输入端，放大器A1的负输入端经由第四电容器C4连接第二十一晶体管T21的发射极以及第三电阻R3的一端，放大器A1的输出端连接第二十一晶体管T21的基极，第二十一晶体管T21的集电极连接第二电源VCC，第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5串联，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4的一端以及第二十二晶体管T22的集电极、第二十二晶体管T22的基极以及第二十三晶体管T23的集电极，第四电阻R4d另一端连接第二十四晶体管T24的集电极，第五电阻R5的另一端接地，第一信号端G(n)经由第二取反器连接第二十二晶体管T22的基极，第一信号端G(n)连接第二十三晶体管T23的基极，第二十二晶体管T22的发射极和第二十三晶体管T23的发射极均连接第二十四晶体管T24的发射极和第二十五晶体管T25的发射极以及第二比较器C_2的另一端且还连接第二十六晶体管T26的集电极以及第二十七晶体管T27的集电极，第二十六晶体管T26的基极连接第二信号端G(n-1)，第二信号端G(n-1)经由第三取反器连接第二十七晶体管T27的基极，第二十六晶体管T26的发射极以及第二十七晶体管T27的发射极均连接第三电容器C3的一端和第一比较器C_1的一端，第十七晶体管T17的发射极经由第八电阻R8连接第一比较器C_1的另一端，第三电容器C3的另一端接地，第十八晶体管T18的发射极连接第一或运算器的一个输入端，第二比较器C_2的输出端连接第一或运算器的另一个输入端，第一比较器C_1的输出端经由第五取反器连接第一D触发器Q1的R端，第二信号端G(n-1)经由第四取反器连接第一D触发器Q1的时钟端，第一D触发器Q1的D端连接第二电源VCC；第二D触发器Q2的D端连接第二电源VCC、时钟端连接或门的输出端，R端连接第一信号端G(n)，Q端经由第六取反器连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接第二信号端G(n-1)；第一D触发器Q1的Q端连接第二十八晶体管T28的集电极以及第二十九晶体管T29的集电极，第二十九晶体管T29的基极以及第二十八晶体管T28的基极连接第一信号端G(n)；第三D触发器Q3的D端连接第二十九晶体管T29的发射极、时钟端连接与门的输出端、R端连接第二信号端G(n-1)、D端经由第七取反器连接第四D触发器Q4的D端，第二十八晶体管T28的发射极连接第四D触发器Q4的R端，第四D触发器Q4的时钟端连接第二信号端G(n-1)，第四D触发器Q4的D端连接信号输出端Vout；所述信号输入端Vin来自所述第一驱动信号；所述第一信号端G(n)通过第二或运算器的输出信号获得，其中：所述放大电路的晶振信号CLK作为第二或运算器的一个输入信号，根据所述图像处理单元根据预定方式生成的预警信号作为第二或运算器的另一个输入信号；第二信号端G(n-1)的信号与第一信号端G(n)的幅值、频率相同但相位推迟一个所述晶振信号CLK周期。

本发明的有益效果在于：能够自动对教学环境进行监控，最大限度地防止当多人使用同一台工业机器人教学装置时教师出现疏忽监控而造成学员受到工业机器人的意外伤害，同时能够最大限度地防止工业机器人由于学员操作不慎或编程不当导致器工作环境损坏或者工业机器人自身受到损坏；在此自动监控的前提下，当出现故障时，能够从硬件角度以最快的速度检查故障原因，而现有技术中往往通常是首先检测软件编程是否出现失误或者操作是否不当，而编程错误或者操作不当往往是很难短时间查清楚的问题；最后，本发明还专门设计了能够最大限度地降低工业机器人工作环境中出现的噪声信号影响而对驱动信号进行放大的放大电路，经试验，以Matlab作为编程平台，选择小波基函数db6，去噪尺度为8，在环境噪声为40db-50db、70db-80db或90db左右的不同试验环境时，相比现有技术中存在的差分电路降噪或者自适应软件算法降噪的信噪比高5-10％，达到了工业机器人放大降噪技术的先进水平。

附图说明

图1示出了本发明的工业机器人教学装置的组成框图；

图2示出了本发明的工业机器人教学装置的激励信号放大电路的电路图；

图3示出了本发明的激励信号放大电路相关信号。

具体实施方式

下面结合图1-3，详细说明本发明的优选实施方式。

如图1所示本发明的工业机器人教学装置的组成框图，工业机器人教学装置包括：工业机器人1、可编程处理器单元2、故障检测单元3、安全检测单元4、外围设备5、图像处理单元6以及多个图像采集单元7，所述外围设备5通过所述可编程处理器单元2对工业机器人1的动作进行控制，所述安全检测单元4用于检测工业机器人1的位置及动作数据且与所述外围设备5连接，所述故障检测单元3通过主动发射激励信号并检测响应信号的方式检测工业机器人1和可编程处理器单元2的状态，所述图像采集单元7用于采集工业机器人1的实时图像，所述可编程处理器单元2包括存储子单元和通信子单元，所述存储子单元获取可编程处理器向工业机器人1发出的指令，所述通信子单元将该指令以无线通信的方式传输给所述故障检测单元3。

优选地，所述故障检测单元3包括可编程处理器单元2使能模块、激励信号产生模块和响应信号采集模块以及多个信号记录单元，所述各个信号记录单元均包括彼此连接的信号存储子模块以及驱动信号采集子模块，所述驱动信号采集子模块分别设置于工业机器人1具有执行动作的驱动部件处且与各驱动部件一一对应地连接，所述各个信号存储子模块包括依次相连的无线传输子模块、存储器以及模数子模块，所述模数子模块将与其所述的信号存储子模块相连的驱动信号采集子模块采集到的驱动部件第二驱动信号进行模数转换，所述存储器用于存储与其相连的模数子模块转换后得到的数据，所述响应信号采集模块通过所述无线传输子模块无线地连接各信号记录单元的存储器并从存储器获得相应第二驱动信号，

所述激励信号产生模块包括彼此连接的激励信号获取子模块以及激励信号生成子模块，所述激励信号获取子模块从所述可编程处理器单元2获取所述可编程处理器向工业机器人1发出的指令并根据工业机器人1的指令集独立地产生第一驱动信号，所述激励信号生成子模块包括彼此相连的激励信号数模转换子模块和激励信号放大电路，所述激励信号数模转换子模块用于根据与其相连的激励信号获取子模块获得的第一驱动信号进行数模转换，所述激励信号放大电路用于将与其连接的激励信号数模转换子模块输出的第一驱动信号进行放大；且当所述故障检测单元3通过所述激励信号放大电路输出经过放大的第一驱动信号时，所述可编程处理器单元2使能模块使所述可编程处理器单元2失能，当所述响应信号采集模块采集完毕后根据故障检测结果，即第一驱动信号放大后的信号与第二驱动信号进行比对后二者差值是否小于预设阈值，确定是否使所述可编程处理器单元2使能。

优选地，所述安全检测单元4包括多个位置检测模块，所述图像采集单元7分别采集三维空间中某一个方向上的工业机器人1所处环境内的实时图像并传输给所述图像处理单元6，所述图像处理单元6根据所述实时图像确定工业机器人1与人之间的人-机距离并进而确定该人-机距离是否小于预定的安全人-机距离；所述各位置检测模块均包括间隔距离确定单元以及六个红外传感器，所述红外传感器分别设置于工业机器人1的关节及手爪，用于检测各关节和手爪与工业机器人1所处环境之间的空间直线距离，即工业机器人1所在位置周围的墙壁、天花板和工作台水平面之间的空间直线距离，所述间隔距离确定单元用于确定空间直线距离是否小于预定的空间直线距离；当所述人-机距离小于预定的安全人-机距离或空间直线距离小于预定的空间直线距离时，所述安全检测单元4以预定方式生成预警信号：所述预定方式生成的预警信号根据所述可编程处理器单元2的时钟信号CLK生成且占空比为该晶振信号CLK的两倍。

优选地，所述工业机器人1为四自由度多关节机器人。

优选地，所述工业机器人1为KUKA KR40PA机器人。

优选地，所述工业机器人1为六自由度多关节机器人。

优选地，所述工业机器人1采用富士康FoxBot A1700。

优选地，所述外围设备5包括键盘以及执行辅助单元，所述执行辅助单元用于辅助工业机器人1执行操作的机械元件及电子元件。

优选地，所述执行辅助单元包括真空吸盘、弹性吸盘、真空发生器、继电器、接触器、常闭按钮、常开按钮、急停开关。

优选地，所述安全检测单元4输出端连接所述急停开关。

优选地，所述可编程处理器单元2采用三菱公司的PLC处理器。

如图2所示，所述激励信号放大电路包括：第一电源VDD、第二电源VCC、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一三极管T1-第二十九三极管T29、电流源、放大器A1、第一比较器C_1、第二比较器C_2、第一D触发器Q1、第二D触发器Q2、第三D触发器Q3、第四D触发器Q4，第一信号端G(n)、第二信号端G(n-1)、信号输入端Vin、信号输出端Vout、第一取反器、第二取反器、第三取反器、第四取反器、第五取反器、第六取反器、第七取反器、与运算器、第一或运算器、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4以及电感L；所述第一电阻R1的一端连接第十三极管T10的基极，第一电阻R1的另一端连接第一三极管T1的发射极和第二三极管T2的发射极，第一三极管T1的基极连接第二三极管T2的基极，第一晶体管T1的基极连接第三晶体管T3的发射极以及第一晶体管T1的集电极，第二晶体管T2的集电极连接第四晶体管T4的发射极，第三晶体管T3的基极连接第四晶体管T4的基极和第三晶体管T3的集电极以及第九晶体管T9的集电极，第九晶体管T9的发射极连接第十一晶体管T11的集电极，第九晶体管T9的基极连接第八晶体管T8的基极和第八晶体管T8的集电极以及电流源的输出端，电流源的输入端连接第一电源VDD，第八晶体管T8的发射极连接第十晶体管T10的集电极，第十晶体管T10的发射极和第十一晶体管T11的发射极接地，第四晶体管T4的集电极连接第五晶体管T5的集电极，第五晶体管T5的发射极连接电感L的一端，电感L的另一端接地，第五晶体管T5的基极连接第一信号端G(n)，第一取反器的输入端连接第一信号端G(n)、第十三晶体管T13的基极以及第七晶体管T7的基极，第一取反器的输出端连接第六晶体管T6的基极，第四晶体管T4的集电极连接第六晶体管T6的集电极和第七晶体管T7的集电极，第六晶体管T6的发射极和第七晶体管T7的发射极连接第十二晶体管T12的集电极、第十四晶体管T14的基极以及第一电容器C1的一端，第十二晶体管T12的发射极连接第一电容器C1的另一端并接地，第十二晶体管T12的基极连接第一信号端G(n)，第十三晶体管T13的集电极连接输入信号鍴Vin，第十三晶体管T13的发射极连接第十五晶体管T15的发射极以及第二电容器C2的一端，第二电容器C2的另一端连接第十四晶体管T14的集电极，第十四晶体管T14的发射极连接第十五晶体管T15的发射极、第十八晶体管T18的集电极、第十七晶体管T17的集电极和第十九晶体管T19的集电极，第十八晶体管的基极经由第八电阻R8连接第五晶体管T5的集电极，第十五晶体管T15的基极连接第十六晶体管T16的基极以及第二信号端G(n-1)，第十六晶体管T16的集电极连接信号输入端Vin，第十六晶体管T16的发射极连接第十八晶体管T18的集电极，第十八晶体管T18的基极连接第二信号端G(n-1)和第十七晶体管T17的基极，第十九晶体管T19的基极连接第二十晶体管T20的基极、第二信号端G(n-1)和第二十五晶体管T25的基极，第十九晶体管T19的发射极连接第二十晶体管T20的发射极、第二比较器C_2的一个输入端以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第五电阻R5的一端、第二十五晶体管T25的集电极和第二十四晶体管T24的集电极，第十八晶体管T18的发射极连接第二十晶体管T20的集电极和放大器A1的正输入端，放大器A1的负输入端经由第四电容器C4连接第二十一晶体管T21的发射极以及第三电阻R3的一端，放大器A1的输出端连接第二十一晶体管T21的基极，第二十一晶体管T21的集电极连接第二电源VCC，第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5串联，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4的一端以及第二十二晶体管T22的集电极、第二十二晶体管T22的基极以及第二十三晶体管T23的集电极，第四电阻R4d另一端连接第二十四晶体管T24的集电极，第五电阻R5的另一端接地，第一信号端G(n)经由第二取反器连接第二十二晶体管T22的基极，第一信号端G(n)连接第二十三晶体管T23的基极，第二十二晶体管T22的发射极和第二十三晶体管T23的发射极均连接第二十四晶体管T24的发射极和第二十五晶体管T25的发射极以及第二比较器C_2的另一端且还连接第二十六晶体管T26的集电极以及第二十七晶体管T27的集电极，第二十六晶体管T26的基极连接第二信号端G(n-1)，第二信号端G(n-1)经由第三取反器连接第二十七晶体管T27的基极，第二十六晶体管T26的发射极以及第二十七晶体管T27的发射极均连接第三电容器C3的一端和第一比较器C_1的一端，第十七晶体管T17的发射极经由第八电阻R8连接第一比较器C_1的另一端，第三电容器C3的另一端接地，第十八晶体管T18的发射极连接第一或运算器的一个输入端，第二比较器C_2的输出端连接第一或运算器的另一个输入端，第一比较器C_1的输出端经由第五取反器连接第一D触发器Q1的R端，第二信号端G(n-1)经由第四取反器连接第一D触发器Q1的时钟端，第一D触发器Q1的D端连接第二电源VCC；第二D触发器Q2的D端连接第二电源VCC、时钟端连接或门的输出端，R端连接第一信号端G(n)，Q端经由第六取反器连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接第二信号端G(n-1)；第一D触发器Q1的Q端连接第二十八晶体管T28的集电极以及第二十九晶体管T29的集电极，第二十九晶体管T29的基极以及第二十八晶体管T28的基极连接第一信号端G(n)；第三D触发器Q3的D端连接第二十九晶体管T29的发射极、时钟端连接与门的输出端、R端连接第二信号端G(n-1)、D端经由第七取反器连接第四D触发器Q4的D端，第二十八晶体管T28的发射极连接第四D触发器Q4的R端，第四D触发器Q4的时钟端连接第二信号端G(n-1)，第四D触发器Q4的D端连接信号输出端Vout；所述信号输入端Vin来自所述第一驱动信号；所述第一信号端G(n)通过第二或运算器的输出信号获得，其中：所述放大电路的晶振信号CLK作为第二或运算器的一个输入信号，根据所述图像处理单元根据预定方式生成的预警信号作为第二或运算器的另一个输入信号；第二信号端G(n-1)的信号与第一信号端G(n)的幅值、频率相同但相位推迟一个所述晶振信号CLK周期。

当电容C1初始电压为0时，电容C1上电压与时间的关系为

电流I为恒定电流，因此上式简化为：

如图3所示的采样逻辑，假设当前G(n)的周期是第n个周期，当电感L开始释放能量时，G(n)信号为低电平，恒定电流I给电容C1充电，电流过零信号来临时，电容C1停止充电，这样就记录下了本周期的放电时间。由此可以得到放电时间为：

其中K为电流镜镜像比例。因为电容C1与充放电电流固定，所以电压Vc1包含时间信息，C1上的电压经过T13-T20、电压跟随器以及电阻R3-R5构成的单元的半波过滤、保持和分压，得到0.9Vc1；当G(n)信号有效时，电压被保持在电容C3上，这个电压对应本周期放电时间的90％，即0.9T_dis(n-1)。当第n个周期到来时，电容C1上的电压再次按照

的规律上升，当上升到与C3一致时，比较器C_1输出翻转，Q4输出清零，输出信号Vout。

其中，为了保证镜像电流的准确性，电流镜才用了共源共栅结构，以降低沟道长度调制效应的影响。

经试验，经试验，以Matlab作为编程平台，选择小波基函数db6，去噪尺度为8，在环境噪声为40db-50db、70db-80db或90db左右的不同试验环境时，相比现有技术中存在的差分电路降噪或者自适应软件算法降噪的信噪比高5-10％，达到了工业机器人放大降噪技术的先进水平。具体试验数据整理如下表：

以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述是为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让所属领域的技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求及其均等来决定。

Claims (9)

1.一种工业机器人教学装置，包括：工业机器人、可编程处理器单元、外围设备，其特征在于，还包括故障检测单元、安全检测单元、图像处理单元以及多个图像采集单元，所述外围设备通过所述可编程处理器单元对工业机器人的动作进行控制，所述安全检测单元用于检测工业机器人的位置及动作数据且与所述外围设备连接，所述故障检测单元通过主动发射激励信号并检测响应信号的方式检测工业机器人和可编程处理器单元的状态，所述图像采集单元用于采集工业机器人的实时图像，所述可编程处理器单元包括存储子单元和通信子单元，所述存储子单元获取可编程处理器向工业机器人发出的指令，所述通信子单元将该指令以无线通信的方式传输给所述故障检测单元；

其特征在于，所述故障检测单元包括可编程处理器单元使能模块、激励信号产生模块和响应信号采集模块以及多个信号记录单元，所述各个信号记录单元均包括彼此连接的信号存储子模块以及驱动信号采集子模块，所述驱动信号采集子模块分别设置于工业机器人具有执行动作的驱动部件处且与各驱动部件一一对应地连接，所述各个信号存储子模块包括依次相连的无线传输子模块、存储器以及模数子模块，所述模数子模块将与其所述的信号存储子模块相连的驱动信号采集子模块采集到的驱动部件第二驱动信号进行模数转换，所述存储器用于存储与其相连的模数子模块转换后得到的数据，所述响应信号采集模块通过所述无线传输子模块无线地连接各信号记录单元的存储器并从存储器获得相应第二驱动信号，

所述激励信号产生模块包括彼此连接的激励信号获取子模块以及激励信号生成子模块，所述激励信号获取子模块从所述可编程处理器单元获取所述可编程处理器向工业机器人发出的指令并根据工业机器人的指令集独立地产生第一驱动信号，所述激励信号生成子模块包括彼此相连的激励信号数模转换子模块和激励信号放大电路，所述激励信号数模转换子模块用于根据与其相连的激励信号获取子模块获得的第一驱动信号进行数模转换，所述激励信号放大电路用于将与其连接的激励信号数模转换子模块输出的第一驱动信号进行放大；且当所述故障检测单元通过所述激励信号放大电路输出经过放大的第一驱动信号时，所述可编程处理器单元使能模块使所述可编程处理器单元失能，当所述响应信号采集模块采集完毕后根据故障检测结果，即第一驱动信号放大后的信号与第二驱动信号进行比对后二者差值是否小于预设阈值，确定是否使所述可编程处理器单元使能。

2.根据权利要求1所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述安全检测单元包括多个位置检测模块，所述图像采集单元分别采集三维空间中某一个方向上的工业机器人所处环境内的实时图像并传输给所述图像处理单元，所述图像处理单元根据所述实时图像确定工业机器人与人之间的人-机距离并进而确定该人-机距离是否小于预定的安全人-机距离；所述各位置检测模块均包括间隔距离确定单元以及六个红外传感器，所述红外传感器分别设置于工业机器人的关节及手爪，用于检测各关节和手爪与工业机器人所处环境之间的空间直线距离，即工业机器人所在位置周围的墙壁、天花板和工作台水平面之间的空间直线距离，所述间隔距离确定单元用于确定空间直线距离是否小于预定的空间直线距离；当所述人-机距离小于预定的安全人-机距离或空间直线距离小于预定的空间直线距离时，所述安全检测单元以预定方式生成预警信号：所述预定方式生成的预警信号根据所述可编程处理器单元的时钟信号CLK生成且占空比为所述激励信号放大电路的晶振信号CLK的两倍。

3.根据权利要求2所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述工业机器人为四自由度多关节机器人。

4.根据权利要求3所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述工业机器人为KUKAKR40PA机器人。

5.根据权利要求4所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述工业机器人为六自由度多关节机器人。

6.根据权利要求5所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述工业机器人采用富士康FoxBot A1700。

7.根据权利要求2所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述外围设备包括键盘以及执行辅助单元，所述执行辅助单元用于辅助工业机器人执行操作的机械元件及电子元件。

8.根据权利要求7所述的工业机器人教学装置，其特征在于，所述执行辅助单元包括真空吸盘、弹性吸盘、真空发生器、继电器、接触器、常闭按钮、常开按钮、急停开关。

9.根据权利要求8所述的工业机器人教学装置，其特征在于，进一步地，所述激励信号放大电路包括：第一电源VDD、第二电源VCC、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第一三极管T1-第二十九三极管T29、电流源、放大器A1、第一比较器C_1、第二比较器C_2、第一D触发器Q1、第二D触发器Q2、第三D触发器Q3、第四D触发器Q4，第一信号端G(n)、第二信号端G(n-1)、信号输入端Vin、信号输出端Vout、第一取反器、第二取反器、第三取反器、第四取反器、第五取反器、第六取反器、第七取反器、与运算器、第一或运算器、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4以及电感L；所述第一电阻R1的一端连接第十三极管T10的基极，第一电阻R1的另一端连接第一三极管T1的发射极和第二三极管T2的发射极，第一三极管T1的基极连接第二三极管T2的基极，第一晶体管T1的基极连接第三晶体管T3的发射极以及第一晶体管T1的集电极，第二晶体管T2的集电极连接第四晶体管T4的发射极，第三晶体管T3的基极连接第四晶体管T4的基极和第三晶体管T3的集电极以及第九晶体管T9的集电极，第九晶体管T9的发射极连接第十一晶体管T11的集电极，第九晶体管T9的基极连接第八晶体管T8的基极和第八晶体管T8的集电极以及电流源的输出端，电流源的输入端连接第一电源VDD，第八晶体管T8的发射极连接第十晶体管T10的集电极，第十晶体管T10的发射极和第十一晶体管T11的发射极接地，第四晶体管T4的集电极连接第五晶体管T5的集电极，第五晶体管T5的发射极连接电感L的一端，电感L的另一端接地，第五晶体管T5的基极连接第一信号端G(n)，第一取反器的输入端连接第一信号端G(n)、第十三晶体管T13的基极以及第七晶体管T7的基极，第一取反器的输出端连接第六晶体管T6的基极，第四晶体管T4的集电极连接第六晶体管T6的集电极和第七晶体管T7的集电极，第六晶体管T6的发射极和第七晶体管T7的发射极连接第十二晶体管T12的集电极、第十四晶体管T14的基极以及第一电容器C1的一端，第十二晶体管T12的发射极连接第一电容器C1的另一端并接地，第十二晶体管T12的基极连接第一信号端G(n)，第十三晶体管T13的集电极连接输入信号鍴Vin，第十三晶体管T13的发射极连接第十五晶体管T15的发射极以及第二电容器C2的一端，第二电容器C2的另一端连接第十四晶体管T14的集电极，第十四晶体管T14的发射极连接第十五晶体管T15的发射极、第十八晶体管T18的集电极、第十七晶体管T17的集电极和第十九晶体管T19的集电极，第十八晶体管的基极经由第八电阻R8连接第五晶体管T5的集电极，第十五晶体管T15的基极连接第十六晶体管T16的基极以及第二信号端G(n-1)，第十六晶体管T16的集电极连接信号输入端Vin，第十六晶体管T16的发射极连接第十八晶体管T18的集电极，第十八晶体管T18的基极连接第二信号端G(n-1)和第十七晶体管T17的基极，第十九晶体管T19的基极连接第二十晶体管T20的基极、第二信号端G(n-1)和第二十五晶体管T25的基极，第十九晶体管T19的发射极连接第二十晶体管T20的发射极、第二比较器C_2的一个输入端以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第五电阻R5的一端、第二十五晶体管T25的集电极和第二十四晶体管T24的集电极，第十八晶体管T18的发射极连接第二十晶体管T20的集电极和放大器A1的正输入端，放大器A1的负输入端经由第四电容器C4连接第二十一晶体管T21的发射极以及第三电阻R3的一端，放大器A1的输出端连接第二十一晶体管T21的基极，第二十一晶体管T21的集电极连接第二电源VCC，第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5串联，第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4的一端以及第二十二晶体管T22的集电极、第二十二晶体管T22的基极以及第二十三晶体管T23的集电极，第四电阻R4d另一端连接第二十四晶体管T24的集电极，第五电阻R5的另一端接地，第一信号端G(n)经由第二取反器连接第二十二晶体管T22的基极，第一信号端G(n)连接第二十三晶体管T23的基极，第二十二晶体管T22的发射极和第二十三晶体管T23的发射极均连接第二十四晶体管T24的发射极和第二十五晶体管T25的发射极以及第二比较器C_2的另一端且还连接第二十六晶体管T26的集电极以及第二十七晶体管T27的集电极，第二十六晶体管T26的基极连接第二信号端G(n-1)，第二信号端G(n-1)经由第三取反器连接第二十七晶体管T27的基极，第二十六晶体管T26的发射极以及第二十七晶体管T27的发射极均连接第三电容器C3的一端和第一比较器C_1的一端，第十七晶体管T17的发射极经由第八电阻R8连接第一比较器C_1的另一端，第三电容器C3的另一端接地，第十八晶体管T18的发射极连接第一或运算器的一个输入端，第二比较器C_2的输出端连接第一或运算器的另一个输入端，第一比较器C_1的输出端经由第五取反器连接第一D触发器Q1的R端，第二信号端G(n-1)经由第四取反器连接第一D触发器Q1的时钟端，第一D触发器Q1的D端连接第二电源VCC；第二D触发器Q2的D端连接第二电源VCC、时钟端连接或门的输出端，R端连接第一信号端G(n)，Q端经由第六取反器连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接第二信号端G(n-1)；第一D触发器Q1的Q端连接第二十八晶体管T28的集电极以及第二十九晶体管T29的集电极，第二十九晶体管T29的基极以及第二十八晶体管T28的基极连接第一信号端G(n)；第三D触发器Q3的D端连接第二十九晶体管T29的发射极、时钟端连接与门的输出端、R端连接第二信号端G(n-1)、D端经由第七取反器连接第四D触发器Q4的D端，第二十八晶体管T28的发射极连接第四D触发器Q4的R端，第四D触发器Q4的时钟端连接第二信号端G(n-1)，第四D触发器Q4的D端连接信号输出端Vout；所述信号输入端Vin来自所述第一驱动信号；所述第一信号端G(n)通过第二或运算器的输出信号获得，其中：所述放大电路的晶振信号CLK作为第二或运算器的一个输入信号，根据所述图像处理单元根据预定方式生成的预警信号作为第二或运算器的另一个输入信号；第二信号端G(n-1)的信号与第一信号端G(n)的幅值、频率相同但相位推迟一个所述晶振信号CLK周期。