一种智能安全运动控制器及控制系统的制作方法

本发明涉及一种智能安全运动控制器及控制系统，属于运动控制技术领域。

背景技术：

在一些运动控制的应用场合，由于机械执行部件的封闭和半封闭设置，不能通过人眼观测到机械执行部件的运动动作，调试人员在调试过程中只能根据机械执行部件运动动作的最终结果推断机械执行部件及其运动动作是否正常，调试效率低下。同时，当机械执行部件出现故障时，不能还原出现故障时的内部场景，很难追溯故障原因。另外，当机械执行部件出现磨损、故障以及其他异物侵入造成故障时，不能及时发现，造成更大的生产事故。

针对运动控制系统的安全防护，目前一般的做法是为运动控制系统增加外部安全部件，如安全光幕、安全踏板、安全拉绳等，当有外部的人或异物非正常侵入正在动作的机械执行部件时，外部安全部件发出安全信号给控制系统，驱动机械执行部件紧急停止动作，这种安全防护措施，一般布置于机械执行部件外围，对于机械执行部件内部的磨损、故障以及生产物料掉落的异物侵入不能有效进行安全防护。

公告号为cn204154570u的专利公开了一种运动控制系统及其控制方法；公告号为cn101794139a的专利公开了一种运动控制器的构成方法、装置及其运动控制器；公告号为cn101256407a公开了一种激光、振镜、电机的一体运动控制系统；公告号为cn102411353a公开了一种驱控一体化控制器；公告号为cn204557101u公开了一种pci运动控制卡；公告号为cn204374700u公开了一种运动控制器；公告号为cn206848778u公开了一种运动控制卡和控制系统；以上专利公开的运动控制器及控制系统都不具备视频接口模块及智能安全功能。

因此，急需一种能够实现智能分析、诊断、追溯和安全功能的运动控制装置及对应控制系统，用来提高调试效率，保证安全生产。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种智能安全运动控制器及控制系统，具体技术方案如下：

一种智能安全运动控制器，包括：

运动控制单元，用于生成运动轨迹数据；

cpu，用于数据运算、程序控制；

视频接口模块，用于接收外部视频采集器的视频数据并传输给cpu；

i/o接口模块，用于接收外部安全部件的安全数据并传输给cpu；

时钟，用于生成时钟数据；

数据同步匹配模块，将cpu传来的运动轨迹数据、视频数据和时钟数据以时钟同步的匹配方式生成视频同步数据；

存储单元，用于存储数据同步匹配模块生成的视频同步数据和cpu通过视频接口模块接收外部视频采集器事先录制的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据；

通信接口模块，用于将视频同步数据向外部视频显示终端传输；

伺服驱动模块，按照运动控制单元生成的运动轨迹数据来驱动外部伺服电机；

电源模块，用于供电。

作为上述技术方案的改进，cpu实时地将运动控制单元生成的运动轨迹数据、通过视频接口模块采集的视频数据和时钟生成的时钟数据传输到数据同步匹配模块，以时钟同步的匹配方式生成视频同步数据并传输到存储单元进行存储；同时，伺服驱动模块按照运动控制单元生成的运动轨迹数据来驱动外部伺服电机，伺服电机带动机械执行部件进行相应动作；通过通信接口模块读取存储单元中的视频同步数据到显示终端；

cpu通过视频接口模块接收外部视频采集器事先录制的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据，存储到存储单元中；

之后，在cpu通过视频接口模块接收到外部机械执行部件实时运动的实时视频数据时，将实时视频数据与事先存储的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据进行比对，其中，所述实时视频数据是通过外部视频采集器录制外部机械执行部件实时运动所得到的数据；

当比对结果不一致时，说明存在机械磨损、故障或异物侵入的安全信息；

同时，cpu通过i/o接口模块读取外部安全部件的安全数据，cpu将此安全数据传送给运动控制单元，运动控制单元驱动伺服驱动模块紧急停止工作。

作为上述技术方案的改进，所述视频同步数据的控制流程包括如下步骤：

步骤s101：读取视频数据

cpu通过视频接口模块接收视频数据并传输给数据同步匹配模块，之后执行步骤s102；

步骤s102：读取运动轨迹数据

cpu读取运动控制单元生成的运动轨迹数据并传输给数据同步匹配模块，之后执行步骤s103；

步骤s103：读取时钟数据

cpu读取时钟生成的时钟数据并传输给数据同步匹配模块，之后执行步骤s104；

步骤s104：生成视频同步数据

数据同步匹配模块以时钟同步的方式将视频数据、运动轨迹数据和时钟数据同步匹配生成视频同步数据，同一时钟下的视频数据和运动轨迹数据进行同步，之后执行步骤s105；

步骤s105：存储视频同步数据

数据同步匹配模块将视频同步数据传输到存储单元并存储，之后执行步骤s106；

步骤s106：传输视频同步数据

cpu读取存储单元中的视频同步数据，传送给通信接口模块，外部显示终端通过通信接口模块读取视频同步数据并显示，之后返回步骤s101执行。

作为上述技术方案的改进，所述智能安全运动控制器用于智能安全控制的流程包括以下步骤：

步骤s201：读取视频数据，之后执行步骤s202；

步骤s202：判断是否存储为正常外部机械执行部件运动的动作视频，若判断结果为是，则执行步骤s203；若判断结果为否，则执行步骤s204；

步骤s203：存储正常外部机械执行部件运动的动作视频，之后返回步骤s201执行；

步骤s204：判断读取的视频数据与存储的正常外部机械执行部件运动的动作视频是否一致，若判断结果为是，则执行步骤s205；若判断结果为否，则执行步骤s207；

步骤s205：读取外部安全部件的安全数据，之后执行步骤s206；

步骤s206：判断是否有外部安全部件发出安全信号，若判断结果为是，则执行步骤s207；若判断结果为否，则返回步骤s201执行；

步骤s207：紧急停止。

作为上述技术方案的改进，所述机械磨损的监测方法如下：

cpu读取运动控制单元的运动轨迹数据，判断运动状态是否发生切换；

当上一个运动状态切换到下一个运动状态时，发送指令到视频接口模块，从视频流数据里面抓取当前运动状态下的静态图像数据，对各个不同运动状态下的静态图像数据进行尺寸测量与表面缺陷检测；

当尺寸误差超出预设置的阈值或者出现表面缺陷磨损时，则发送对应级别的报警信息；

cpu获取报警信息，若发现机械磨损则将出现机械磨损的安全信息传送给运动控制单元，运动控制单元驱动伺服驱动模块进行紧急停止工作。

作为上述技术方案的改进，所述尺寸测量与表面缺陷检测的方法如下：

步骤s301：采集不同运动状态、、...、下对应的静态良品图像、、...、，以静态良品图像作为良品比对模板；采用人工事前标注的方式对静态良品图像，，...，进行感兴趣区域划分，得到对应的感兴趣区域集合，，...，；其中，n为正整数；

步骤s302：抓取当前运动状态的实时工况下的静态图像，计算静态图像与静态良品图像，，...，之间的相似度，相似度最大的静态图像对应的运动状态即为当前的运动状态；同时，将当前运动状态的静态图像对应的感兴趣区域传递给图像；

，；

；

；

其中，表示不同的运动状态，取值范围为正整数；表示当前位置的运动状态；为最大相似度值，为运动状态的最大相似度的解；是相似度函数；为取最小值函数；

步骤s303：在图像上遍历所有感兴趣区域，采用行梯度差值和列梯度差值进行特征提取获取直线和斜线的离散点集合，采用径向梯度差值进行特征提取获取圆弧的离散点集合；

使用开、闭运算对离散点集合进行干扰点剔除，对剔除干扰点后的离散点集合进行最小二乘拟合，获取曲线方程；求取曲线方程之间的垂直距离、圆弧半径或圆心点坐标，即可测量对应的尺寸值；

步骤s304：直接矩阵做差，计算图像的特征图，

；

其中，为取绝对值运算；

获取图像的特征图后，利用小卷积核进行卷积运算，抽取局部特征；然后对局部特征进行欧式距离的相似度判定，超出设定阈值则将卷积核覆盖的局部作为一个整体进行缺陷位置标识记录；将所有标记为缺陷的位置标识到图像上，则得到最终的检测效果图。

作为上述技术方案的改进，所述故障或异物侵入的监测方法如下：

通过视频接口模块接收视频数据，通过模板比对算法对故障或异物侵入进行实时视频在线监测，cpu获取监测结果；若发现存在故障或异物侵入的安全信息，则将出现故障或异物侵入的安全信息传送给运动控制单元，运动控制单元驱动伺服驱动模块进行紧急停止工作；

步骤s401：收集外部机械执行部件完整运动周期内正常运动的动作视频片段，作为正模板；

步骤s402：读取实时视频同步数据，将时间转换为周期内时间，获取同周期内时刻的正模板数据帧；

步骤s403：实时视频同步数据与同周期内时刻的正模板数据帧进行模板比对，获取特征图；在特征图上做滑动卷积运算，获取局部特征图；将局部特征图送入svm分类器进行分类预测，判断对应卷积核位置处是否存在故障或异物侵入状况，并对检测结果进行标识。

一种智能安全控制系统，包括所述智能安全运动控制器。

作为上述技术方案的改进，所述安全部件为安全光幕、安全踏板或安全拉绳，所述智能安全运动控制器通过视频采集器录制正常的外部机械执行部件运动的动作视频数据进行存储；之后，在智能安全运动控制器通过视频采集器获取实时的外部机械执行部件运动的动作视频数据，并与存储的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据进行比对；当对比结果出现不一致时，说明有机械磨损、故障或异物入侵的安全信息；同时，智能安全运动控制器读取安全光幕、安全踏板、安全拉绳的安全数据；当安全光幕、安全踏板或安全拉绳发出安全信号时，智能安全运动控制器驱动伺服电机进行紧急停止工作，实现智能安全的运动控制。

本发明的有益效果：

1）、本发明利用视频接口模块接收外部视频采集器，能够实时监视机械执行部件的运动动作。

2）、本发明利用数据同步匹配模块，能够将视频数据和运动轨迹数据进行时钟同步，监视分析运动轨迹和机械执行部件的运动动作是否一致。

3）、本发明通过设置存储单元，能够将视频同步数据进行存储，便于故障追溯。

4）、本发明所述智能安全运动控制器具有视频比对功能，能够事先录制正常机械执行部件运动的动作视频数据，在之后实时监视机械执行部件运动的动作，与事先录制的正常机械执行部件运动的动作视频数据进行比对，智能分析诊断机械执行部件是否出现磨损、故障以及其他异物侵入，实现智能分析、诊断和安全的运动控制。

附图说明

图1为本发明所述智能安全运动控制器的结构示意图；

图2为本发明所述智能安全控制系统的结构示意图；

图3为本发明所述视频同步数据的控制流程图；

图4为本发明所述视频同步数据的存储格式图；

图5为本发明所述视频同步数据的显示效果示意图；

图6为本发明所述智能安全运动控制器的控制流程图；

图7为本发明所述尺寸测量与表面缺陷检测的方法结构图；

图8为本发明所述模板比对算法的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1、2所示，所述智能安全运动控制器100，包括：

运动控制单元108，用于生成运动轨迹数据。

视频接口模块102，用于接收外部视频采集器1的视频数据并传输给cpu109；其中，cpu109是指cpu的附图标记为109。

i/o接口模块103，用于接收外部安全部件的安全数据并传输给cpu109。

时钟110，用于生成时钟数据。

数据同步匹配模块104，将cpu109传来的运动轨迹数据、视频数据和时钟数据以时钟同步的匹配方式生成视频同步数据。

存储单元105，用于存储数据同步匹配模块生成的视频同步数据和cpu109通过视频接口模块102接收外部视频采集器1事先录制的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据。

通信接口模块106，用于将视频同步数据向外部视频显示终端传输。

伺服驱动模块107，按照运动控制单元108生成的运动轨迹数据来驱动外部伺服电机5。

cpu109，用于数据运算、程序控制。

电源模块101，用于供电。

所述智能安全运动控制器100的具体实现过程如下：

cpu109实时地将运动控制单元108生成的运动轨迹数据、通过视频接口模块102采集的视频数据和时钟110生成的时钟数据传输到数据同步匹配模块104，以时钟同步的匹配方式生成视频同步数据并传输到存储单元105进行存储；同时，伺服驱动模块107按照运动控制单元108生成的运动轨迹数据来驱动外部伺服电机5，伺服电机5带动机械执行部件进行相应动作；通过通信接口模块106读取存储单元105中的视频同步数据到显示终端，最终实现智能分析、诊断和追溯运动控制。

其中，视频同步数据的作用仅是用于驱动外部伺服电机5按照生成的运动轨迹数据进行相应的动作，并用于监视、分析运动轨迹与执行部件的运动动作是否一致，从而达到智能分析、诊断、追溯的目的。

cpu109通过视频接口模块102接收外部视频采集器1事先录制的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据，存储到存储单元105中；之后，在cpu109通过视频接口模块102接收到外部机械执行部件实时运动的实时视频数据时，将实时视频数据与事先存储的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据进行比对，其中，所述实时视频数据是通过外部视频采集器录制外部机械执行部件实时运动所得到的数据；

当比对结果不一致时，说明存在机械磨损、故障或异物侵入的安全信息；

同时，cpu109通过i/o接口模块103读取外部安全部件的安全数据，cpu109将此安全数据传送给运动控制单元108，运动控制单元108驱动伺服驱动模块107紧急停止工作，实现智能安全的运动控制。

实施例2

如图2所示，所述智能安全控制系统包括视频采集器1、安全光幕2、安全踏板3、安全拉绳4、伺服电机5、智能安全运动控制器100，其中，视频采集器1、安全光幕2、安全踏板3、安全拉绳4、伺服电机5均位于智能安全运动控制器100的外部，安全光幕2、安全踏板3和安全拉绳4均属于外部安全部件。

所述智能安全运动控制器100通过视频采集器1录制正常的外部机械执行部件运动的动作视频数据进行存储；之后，在智能安全运动控制器100通过视频采集器1获取实时的外部机械执行部件运动的动作视频数据，并与存储的正常外部机械执行部件运动的动作视频数据进行比对；当对比结果出现不一致时，说明有机械磨损、故障或异物入侵的安全信息；同时，智能安全运动控制器100读取安全光幕2、安全踏板3、安全拉绳4的安全数据；当安全光幕2、安全踏板3或安全拉绳4发出安全信号时，智能安全运动控制器100驱动伺服电机5进行紧急停止工作，实现智能安全的运动控制。

实施例3

如图3所示，所述视频同步数据监视、存储、追溯的控制流程包括如下步骤：

步骤s101：读取视频数据

cpu109通过视频接口模块102接收视频数据并传输给数据同步匹配模块104，之后执行步骤s102；该处的视频数据是外部视频采集器1录制的视频数据。

步骤s102：读取运动轨迹数据

cpu109读取运动控制单元108生成的运动轨迹数据并传输给数据同步匹配模块104，之后执行步骤s103。

步骤s103：读取时钟数据

cpu109读取时钟110生成的时钟数据并传输给数据同步匹配模块104，之后执行步骤s104。

步骤s104：生成视频同步数据

数据同步匹配模块104以时钟同步的方式将视频数据、运动轨迹数据和时钟数据同步匹配生成视频同步数据，具体的同步方式是按照图4的视频同步数据格式生成视频同步数据，同一时钟下的视频数据和运动轨迹数据进行同步，之后执行步骤s105。

步骤s105：存储视频同步数据

数据同步匹配模块104将视频同步数据传输到存储单元105并存储，之后执行步骤s106。

步骤s106：传输视频同步数据

cpu109读取存储单元105中的视频同步数据，传送给通信接口模块106，外部显示终端通过通信接口模块106读取视频同步数据并显示，显示效果如图5所示，之后返回步骤s101执行。

实施例4

如图6所示，所述智能安全运动控制器100用于智能安全控制的流程包括以下步骤：

步骤s201：读取视频数据，之后执行步骤s202。

步骤s202：判断是否存储为正常外部机械执行部件运动的动作视频，若判断结果为是，则执行步骤s203；若判断结果为否，则执行步骤s204；

步骤s203：存储正常外部机械执行部件运动的动作视频，之后返回步骤s201执行；

步骤s204：判断读取的视频数据与存储的正常外部机械执行部件运动的动作视频是否一致，若判断结果为是，则执行步骤s205；若判断结果为否，则执行步骤s207；

步骤s205：读取外部安全部件的安全数据，之后执行步骤s206；

步骤s206：判断是否有外部安全部件发出安全信号，若判断结果为是，则执行步骤s207；若判断结果为否，则返回步骤s201执行；

步骤s207：紧急停止。

实施例5

所述机械磨损的监测方法如下：

cpu109读取运动控制单元108的运动轨迹数据，判断运动状态是否发生切换；

当上一个运动状态切换到下一个运动状态时，发送指令到视频接口模块102，从视频流数据里面抓取当前运动状态下的静态图像数据，对各个不同运动状态下的静态图像数据进行尺寸测量与表面缺陷检测。

当尺寸误差超出预设置的阈值或者出现表面缺陷磨损时，则发送对应级别的报警信息。

cpu109获取报警信息，若发现机械磨损则将出现机械磨损的安全信息传送给运动控制单元108，运动控制单元108驱动伺服驱动模块107进行紧急停止工作，实现智能安全的运动控制。

实施例6

如图7所示，所述尺寸测量与表面缺陷检测的方法如下：

步骤s301：采集不同运动状态、、...、下对应的静态良品图像、、...、，以静态良品图像作为良品比对模板；采用人工事前标注的方式对静态良品图像，，...，进行感兴趣区域划分，得到对应的感兴趣区域集合，，...，；其中，n为正整数。

其中，采集运动状态下的静态良品图像，采集运动状态下的静态良品图像，采集运动状态下的静态良品图像；采用人工事前标注的方式对静态良品图像进行感兴趣区域划分，得到对应的感兴趣区域集合；采用人工事前标注的方式对静态良品图像进行感兴趣区域划分，得到对应的感兴趣区域集合；采用人工事前标注的方式对静态良品图像进行感兴趣区域划分，得到对应的感兴趣区域集合。

步骤s302：抓取当前运动状态的实时工况下的静态图像，分别计算静态图像与静态良品图像，，...，之间的相似度，相似度最大的静态图像对应的运动状态即为当前的运动状态；同时，将当前运动状态的静态图像对应的感兴趣区域传递给图像；

，；

；

；

其中，表示不同的运动状态，取值范围为正整数；表示当前位置的运动状态；为最大相似度值，其值越小，相似度越高；为运动状态的最大相似度的解；是相似度函数，如欧氏距离；为取最小值函数。

步骤s303：在图像上遍历所有感兴趣区域，采用行梯度差值和列梯度差值进行特征提取获取直线和斜线的离散点集合，采用径向梯度差值进行特征提取获取圆弧的离散点集合；

使用开、闭运算对离散点集合进行干扰点剔除，对剔除干扰点后的离散点集合进行最小二乘拟合，获取曲线方程；求取曲线方程之间的垂直距离、圆弧半径或圆心点坐标，即可测量对应的尺寸值。

步骤s304：直接矩阵做差，计算图像的特征图，

；

其中，为取绝对值运算。

获取图像的特征图后，利用小卷积核进行卷积运算，抽取局部特征；然后对局部特征进行欧式距离的相似度判定，超出设定阈值则将卷积核覆盖的局部作为一个整体进行缺陷位置标识记录；将所有标记为缺陷的位置标识到图像上，则得到最终的检测效果图。

该检测方法在尺寸测量之前，首先进行静态图像与静态良品图像的相似度比对，确定当前的运动状态，避免出现运动中的尺寸检测误差；同时，该方法将静态图像分为多个感兴趣区域，同静态良品图像进行比对，同常见的边缘检测寻找形状曲线方法相比，克服了计算复杂度高、存储量大的缺点，降低了运算量，能够在短时间内得到检测结果，实时性高，适合于高速运转的机械执行部件动作视频监测。

实施例7

故障、异物侵入的监测方法实现过程：通过视频接口模块102接收视频数据。通过模板比对算法对故障、异物侵入进行实时视频在线监测。cpu109获取检测结果，若发现故障或异物侵入的安全信息，则将此安全信息传送给运动控制单元108，运动控制单元108驱动伺服驱动模块107紧急停止工作，实现智能安全的运动控制。

如图8所示，所述模板比对算法包括如下步骤：

步骤s401：收集外部机械执行部件完整运动周期内正常运动的动作视频片段，作为正模板。

步骤s402：读取实时视频同步数据，将时间转换为周期内时间，获取同周期内时刻的正模板数据帧。

步骤s403：实时视频同步数据与同周期内时刻的正模板数据帧进行模板比对，获取特征图；在特征图上做滑动卷积运算，获取局部特征图；将局部特征图送入svm分类器进行分类预测，判断对应卷积核位置处是否存在故障或异物侵入状况，并对检测结果进行标识。其中，图8中的实时视频帧属于实时视频同步数据，图中运动时刻属于周期内时间，良品图属于正模板数据帧。

该模板比对算法通过特征图的方式对一帧图像抽象，提取出检测的关键要素点，避免了对整幅图像进行检测，提高了检测效率，具有实时性高的优点。

在上述实施例中，所述智能安全运动控制器、智能安全控制系统具有以下优点：

1）、本发明利用视频接口模块102接收外部视频采集器1，能够实时监视机械执行部件的运动动作。

2）、本发明利用数据同步匹配模块104，能够将视频数据和运动轨迹数据进行时钟同步，监视分析运动轨迹和机械执行部件的运动动作是否一致。

3）、本发明通过设置存储单元，能够将视频同步数据进行存储，便于故障追溯。

4）、本发明所述智能安全运动控制器具有视频比对功能，能够事先录制正常机械执行部件运动的动作视频数据，在之后实时监视机械执行部件运动的动作，与事先录制的正常机械执行部件运动的动作视频数据进行比对，智能分析诊断机械执行部件是否出现磨损、故障以及其他异物侵入，实现智能分析、诊断和安全的运动控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。