一种多关节管道检修机器人控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多关节管道检修机器人控制系统，包括夹持力控制单元、整机运动状态控制单元和驱动舵机控制单元；夹持力控制单元包括安装于夹持开合机构的蜗杆轴上的力传感器，夹持力控制单元通过力传感器检测夹持机构的驱动钢丝绳的绕紧程度，整机运动状态控制单元包括9轴姿态传感器，用于输出驱动控制信号，使机器人完成翻转、轴向运行、周向运行、螺旋运行，并通过9轴姿态传感器采集机器人的运动状态信息，与机器人当前运动状态对应的标准状态信息比较，判断机器人当前运动是否正常，并控制机器人进行运动自适应调整。本发明专利技术多关节管道检修机器人控制系统大大提高了多关节全向式管外机器人的运动稳定性和工作效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人控制领域，特别是涉及一种多关节管道检修机器人控制系统。
技术介绍
随着国际工业生产技术的不断发展与进步，机器人已越来越多的被应用于工业生产过程中，其中一类机器人就是管外机器人。管外机器人是用于检查管道是否有故障或是否存在安全隐患。现有工业用管道的特点是管径多变，转向复杂，具有三通、四通等管接头设计，法兰、阀门或检测仪表在管道各处布置，且管道由各类吊装或地面支持架支撑。运行在此类管道外的检测或维修的机器人首先要具备随管道前进或转向的功能，也要具备翻越各类管道外障碍物的功能，同时，为了提高管道检测与维修的效率，管外机器人还应该具有一定速度的运动能力。中国专利技术专利申请公布号为CN104972460A，公开了一种多关节全向式管外机器人，该机器人包括用于承载检测设备的承载梁、多关节前夹持机构、多关节后夹持机构、前翻转关节、后翻转关节、夹持开合机构、轴向驱动机构和周向驱动机构。该机器人在理论上可实现全向轮式运动和翻转越障运动，全向轮式运动包括轴向移动、周向移动和360螺旋运动。上述机器人是在光滑的管道上运行工作，并且管道的外径、分布以及光滑程度差异大，上述机器人在管道外运动时易出现驱动轮打滑、夹持机构夹持不稳、翻转越障不到位等现象，不仅影响机器人工作效率和检测精度，且易出现机器人摔毁现象。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种多关节管道检修机器人控制系统，<br>用于提高多关节全向式管外机器人的运动稳定性。本专利技术是这样实现的：一种多关节管道检修机器人控制系统，所述机器人包括设备承载梁、前夹持机构、后夹持机构和夹持开合机构，前夹持机构通过前翻转关节铰接于设备承载梁的一端，后夹持机构通过后翻转关节铰接于设备承载梁的另一端，所述前夹持机构或后夹持机构上设置有轴向驱动机构，设备承载梁上设置有周向驱动机构，所述夹持开合机构通过蜗轮传动结构和钢丝绳驱动前夹持机构和后夹持机构的各关节；所述控制系统包括夹持力控制单元、整机运动状态控制单元、驱动舵机控制单元、无线传输单元、电量控制单元和组网单元；所述夹持力控制单元包括安装于夹持开合机构的蜗杆轴上的力传感器，夹持力控制单元用于通过所述力传感器检测前夹持机构和后夹持机构的驱动钢丝绳的张紧程度，并与预设的最大夹持力以及预先标定的标准力值比较，判断机器人夹持机构的夹持力是否足够，以及对夹持开合机构输出进行调整，使前夹持机构和后夹持机构的夹持力在设定范围内；所述整机运动状态控制单元包括9轴姿态传感器，整机运动状态控制单元用于输出驱动控制信号，使机器人完成翻转、轴向运行、周向运行、螺旋运行，以及通过所述9轴姿态传感器采集机器人的运动状态信息，并与机器人当前运动状态对应的标准状态信息比较，判断机器人当前运动是否正常，当机器人运动异常时，控制机器人进行运动自适应调整；所述电量控制单元包括电量检测模块、定位模块和安全返回模块，电量检测模块用于检测机器人内置锂电池的剩余电量；所述定位模块用于确定机器人的当前位置；安全返回模块根据机器人当前位置计算安全返回所需的电量，并在剩余电量小于或等于安全返回所需的电量之前控制机器人返回。进一步的，整机运动状态控制单元通过所述9轴姿态传感器采集到的运动状态信息包括：轴向运动速度、周向运动速度、螺旋运动速度与方向、翻转方位和翻转速度。进一步的，整机运动状态控制单元控制机器人进行轴向运动时的运动自适应调整包括：整机运动状态控制单元获取机器人的当前运动速度，并根据9轴姿态传感器采集的信息判断机器人的当前空间姿态；通过夹持力控制单元获取前夹持机构与后夹持机构的当前夹持力度；对比机器人的当前运动速度与预设的机器人轴向标准运动速度，以及对比当前夹持力度与预设的轴向运动的标准夹持力度；若当前运动速度低于轴向标准运动速度，且当前夹持力度与标准夹持力度在预设的误差范围内，则增大前夹持机构与后夹持机构的夹持力度；若当前运动速度高于轴向标准运动速度，且当前夹持力度与标准夹持力度在预设的误差范围内，则减小前夹持机构与后夹持机构的夹持力度。进一步的，整机运动状态控制单元控制机器人进行翻转时的运动自适应调整包括：增大前夹持机构或后夹持机构的夹持力度；整机运动状态控制单元采集机器人的当前翻转速度和轴向运动速度；比较当前翻转速度与预设的标准翻转速度；若当前翻转速度大于标准翻转速度或轴向运动速度不为零，则再次增大前夹持机构或后夹持机构的夹持力度。进一步的，所述组网单元包括TCP/IP硬件通讯协议栈，用于两台以上机器人之间，以及机器人与上位机之间通讯，实现作业区域分配与协调；所述无线传输单元包括RS232串行通讯总线和RS485串行通讯总线，所述RS232串行通讯总线用于机器人与上位机之间信号传输，RS485串行通讯总线用于机器人主控单元与各驱动舵机之间信号传输。进一步的，所述设备承载梁为长度可变式伸缩梁，所述整机运动状态控制单元还包括雷达测距机构；整机运动状态控制单元在控制机器人翻转时，先通过所述雷达测距机构检测障碍物距离与方位或待翻跃的两个管道的距离与方位；整机运动状态控制单元根据所述障碍物距离或两个管道的距离调整长度可变式伸缩梁的长度，以及根据障碍物方位或两个管道的方位确定机器人的翻转角度。本专利技术的有益效果为：本专利技术多关节管道检修机器人控制系统包括夹持力控制单元、整机运动状态控制单元、驱动舵机控制单元、无线传输单元、电量控制单元和组网单元，可实现机器人之间组网协调，实现作业区域合理分配与协调，避免重复作业以提高作业效率，所述夹持力控制单元和整机运动状态控制单元可实时检测机器人夹持力度，以及机器人在做各样运动时的运动状态信息，并结合机器人各运动状态判断机器人运动是否异常，并在运动异常及时进行调整，从而大大提高了机器人运动的稳定性；进一步的，电量控制单元可实时监测剩余电量，确保机器人能安全返回，避免了因电量不够而造成的摔机事故。附图说明图1为多关节全向式管外机器人在管道上某时刻的运行状态图；图2为本专利技术机器人在管道上翻转时的状态图；图3为机器人夹持开合机构结构示意图；图4为机器人夹持机构结构示意图；图5为机器人硬件控制系统层级架构图；图6为机器人控制系统硬件框图；图7为机器人各类运动的控制策略图；图8为机器人控制系统的控制单元框图。标号说明：1、设备承载梁；2、前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多关节管道检修机器人控制系统，其特征在于，所述机器人包括设备承载梁、前夹持机构、后夹持机构和夹持开合机构，前夹持机构通过前翻转关节铰接于设备承载梁的一端，后夹持机构通过后翻转关节铰接于设备承载梁的另一端，所述前夹持机构或后夹持机构上设置有轴向驱动机构，设备承载梁上设置有周向驱动机构，所述夹持开合机构通过蜗轮传动结构和钢丝绳驱动前夹持机构和后夹持机构的各关节；所述控制系统包括夹持力控制单元、整机运动状态控制单元、驱动舵机控制单元、无线传输单元、电量控制单元和组网单元；所述夹持力控制单元包括安装于夹持开合机构的蜗杆轴上的力传感器，夹持力控制单元用于通过所述力传感器检测前夹持机构和后夹持机构的驱动钢丝绳的绕紧程度，并与预设的最大夹持力以及预先标定的标准力值比较，判断机器人夹持机构的夹持力是否足够，以及对夹持开合机构输出进行调整，使前夹持机构和后夹持机构的夹持力在设定范围内；所述整机运动状态控制单元包括9轴姿态传感器，整机运动状态控制单元用于输出驱动控制信号，使机器人完成翻转、轴向运行、周向运行、螺旋运行，以及通过所述9轴姿态传感器采集机器人的运动状态信息，并与机器人当前运动状态对应的标准状态信息比较，判断机器人当前运动是否正常，当机器人运动异常时，控制机器人进行运动自适应调整；所述电量控制单元包括电量检测模块、定位模块和安全返回模块，电量检测模块用于检测机器人内置锂电池的剩余电量；所述定位模块用于确定机器人的当前位置；安全返回模块根据机器人当前位置计算安全返回所需的电量，并在剩余电量小于或等于安全返回所需的电量之前控制机器人返回。...

【技术特征摘要】
1.一种多关节管道检修机器人控制系统，其特征在于，所述机器人包括设
备承载梁、前夹持机构、后夹持机构和夹持开合机构，前夹持机构通过前翻转
关节铰接于设备承载梁的一端，后夹持机构通过后翻转关节铰接于设备承载梁
的另一端，所述前夹持机构或后夹持机构上设置有轴向驱动机构，设备承载梁
上设置有周向驱动机构，所述夹持开合机构通过蜗轮传动结构和钢丝绳驱动前
夹持机构和后夹持机构的各关节；
所述控制系统包括夹持力控制单元、整机运动状态控制单元、驱动舵机控
制单元、无线传输单元、电量控制单元和组网单元；
所述夹持力控制单元包括安装于夹持开合机构的蜗杆轴上的力传感器，夹
持力控制单元用于通过所述力传感器检测前夹持机构和后夹持机构的驱动钢丝
绳的绕紧程度，并与预设的最大夹持力以及预先标定的标准力值比较，判断机
器人夹持机构的夹持力是否足够，以及对夹持开合机构输出进行调整，使前夹
持机构和后夹持机构的夹持力在设定范围内；
所述整机运动状态控制单元包括9轴姿态传感器，整机运动状态控制单元
用于输出驱动控制信号，使机器人完成翻转、轴向运行、周向运行、螺旋运行，
以及通过所述9轴姿态传感器采集机器人的运动状态信息，并与机器人当前运
动状态对应的标准状态信息比较，判断机器人当前运动是否正常，当机器人运
动异常时，控制机器人进行运动自适应调整；
所述电量控制单元包括电量检测模块、定位模块和安全返回模块，电量检
测模块用于检测机器人内置锂电池的剩余电量；所述定位模块用于确定机器人
的当前位置；
安全返回模块根据机器人当前位置计算安全返回所需的电量，并在剩余电
量小于或等于安全返回所需的电量之前控制机器人返回。
2.根据权利要求1所述的多关节管道检修机器人控制系统，其特征在于，
整机运动状态控制单元通过所述9轴姿态传感器采集到的运动状态信息包括：
轴向运动速度、周向运动速度、螺旋运动速度与方向、翻转方位和翻转速度。
3.根据权利要求1所述的多关节管道检修机器人控制系统，其特征在于，
整机运动状态控制单元控制机器人进行轴向运动时的运动自适应调整包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：肖雅，刘心文，吴贵新，徐辉，
申请(专利权)人：福建省汽车工业集团云度新能源汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35