一种爬杆机器人控制系统及其控制方法与流程

1.本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种用于管道维护的一种爬杆机器人控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.高空作业在人们的生活中出现的越来越普遍，高空作业具有较高的复杂性和危险性，工作人员往往需要架设吊绳或者工程车到达预定高度的位置，前期准备工作繁琐，作业环境存在高危性和不确定性，且过程成本高昂，效率较低。考虑到高空作业的危险性，用于代替工作人员进行作业的爬杆机器人的应用需求越来越迫切。输油管道、输气管道、自来水管道等各种管道的维护作业越来越普遍，其中大多数管道中都含有高温、高压、有毒物质，爬杆机器人逐渐成功代替人工进行检修做业。目前爬杆机器人的研究相对比较成熟，已有的爬杆机器人可分为滚动式爬杆机器人、夹持式爬杆机器人、仿生式爬杆机器人、吸附式爬杆机器人。
3.现有的爬杆机器人当遇到管道有接口或一些其它障碍物时，无法自动或者遥控其越过障碍，实现爬壁的连续性从而不具有工业应用的前景，不具备避障功能。控制系统的结构简单、功能单一。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种爬杆机器人控制系统及其控制方法，具有两种运动运动模式，分别翻越运动模式和蠕动运动模式，在爬壁过程如果遇到障碍，能够通过选择不同的运动模式来来调节机器人攀爬的动作，实现避障功能，具有较好的通过性和实用性。
5.本发明采用的技术方案如下：一种爬杆机器人控制系统，包括上位机、串口交互通讯模块、单片机、图像传感器、超声波测距传感器、压力传感器、基体运动控制模块和夹持机构控制模块，上位机内置开发控制软件，上位机分别与单片机、图片传感器、超声波测距传感器、压力传感器通过串口交互通讯模块以通讯连接，基体运动控制模块包括蠕动运动控制模块和翻越运动控制模块，基体包括平行依次设置均转动的第二关节、第一关节、第三关节，第一关节位于第二关节、第三关节之间，第一关节转动为蠕动运动模式，第二关节、第三关节转动为翻越运动模式，超声波测距传感器用于爬杆机器人前部与管道凸起的距离，根据超声波测距传感器传回的数据决定下一步的运动模式；蠕动运动控制模块用于蠕动运动模式，翻越运动控制模块用于控制翻越运动模式；夹持机构控制模块夹持机构的夹持开闭；两个夹持机构分别与第二关节、第三关节相连。
6.进一步的，第一关节、第二关节为中间连接臂的两端，第三关节为第一臂的一端，第一臂与中间连接臂转动连接构成第一关节，两个夹持机构分别为第一夹持机构、第二夹持机构，第一夹持机构的一端分别与中间连接臂的另一端转动连接构成第三关节，第二夹持机构的一端与第一臂的另一端转动连接构成第二关节，压力传感器设置在第一夹持机构、第二夹持机构的内部；两个第一夹持机构和第二夹持机构的外侧均安装超声波测距传
感器。
7.进一步的，第一夹持机构、第二夹持机构的夹持面均设置永磁体。
8.进一步的，第一关节、第二关节之间的最大距离为l1，第二关节、第三关节之间的最大距离为l2，l1与l2之和为l3，当超声波测距传感器检测到管道凸起为距离在预设距离范围s1之内，爬杆机器人下一步执行如蠕动运动模式，否则执行翻越运动模式；翻越运动模式下，爬杆机器人的步距约为l3。
9.进一步的，预设距离范围s优选为四分之三l3与四分之五l3之间。
10.进一步的，蠕动运动模式的控制方法为第一夹持机构夹紧管壁，第二夹持机构松开管壁，第一关节转动，第一臂与中间连接臂之间的夹角减小，第二夹机构夹紧管壁，第一夹持机构松开管壁，第一关节转动，第一臂与中间连接臂之间的夹角变大，第一夹持机构夹紧管壁。
11.进一步的，翻越运动模式的控制方法为第一夹持机构夹紧管壁，第二夹持机构松开管壁，第二关节带动第一夹持机构相对中间连接臂朝向远离管壁的方向转动度，同时第三关节带动第一臂相对于第一夹持机构朝向远离管壁的方向转动，带动第二夹持机构沿爬壁方向运动到第一夹持机构的前方，第一臂约转动至到与管壁平行时，同时第三关节带动第一臂相对于第一夹持机构朝向靠近管壁的方向转动，第二夹持机构夹紧管壁。
12.本方案具有如下的技术效果：（1）第一夹持机构和第二夹持机构的夹持部内部设置压力传感器，实时传输所读取的压力值并进行反馈，保护夹爪控制电机不过载，保证爬杆机器人的正常运行；在第一夹持机构和第二夹持机构内部设置永磁体，可以降低压力传感器的阈值，降低夹爪控制电机的输出功率，实现夹爪控制电机的闭环控制，可以有效的缓解夹爪控制电机过度所产生的危害。当压力传感器到达一定值时，压力转换的摩擦力将平衡与爬杆机器人本身的重力，从而实现爬杆机器人的平衡；（2）具有两种运动模式，翻转爬行和蠕动爬行相结合，能够保证爬行效率，同时能够实现有效避障，实现爬行的连续性。
附图说明
13.图1 为本发明控制系统的原理框图。
14.图2 为本发明控制系统适应的爬杆机器人的结构示意图。
15.图中：1.上位机，2.串口交互通讯模块，3.单片机，4.图像传感器，5.超声波测距传感器，6.压力传感器，7.基体运动控制模块；701.第一关节；702.第二关节；703.第三关节；704.第一臂；705.中间连接臂；706.第一夹持机构；707.第二夹持机构；8.夹持机构控制模块；9.蠕动运动控制模块，10.翻越运动控制模块。
具体实施方式
16.如图1
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图2所示，一种爬杆机器人控制系统，包括包括上位机1、串口交互通讯模块2、单片机3、图像传感器4、超声波测距传感器5、压力传感器6、基体运动控制模块7和夹持机构控制模块8，上位机1内置开发控制软件，上位机1分别与单片机3、图片传感器、超声波测距传感器5、压力传感器6通过串口交互通讯模块2以通讯连接，基体运动控制模块7包括蠕动运动控制模块99和翻越运动控制模块1010，基体包括第一臂704和中间连接臂705，第一臂704的一端与中间连接臂705的另一端转动连接构成第一关节701，第二关节702设置在第
一臂704的另一端， 第二关节702、第一关节701、第三关节703均为转动关节且平行依次设置，第一关节701位于第二关节702、第三关节703之间，第一关节701转动为蠕动运动模式，第二关节702、第三关节703转动为翻越运动模式，超声波测距传感器5用于爬杆机器人前部距离管道凸起的距离，根据超声波测距传感器5传回的数据决定下一步的运动模式；超声波测距传感器5安装在爬行机构的前部，蠕动运动控制模块99用于蠕动运动模式，翻越运动控制模块1010用于控制翻越运动模式；夹持机构控制模块8夹持机构的夹持开闭；两个夹持机构分别为第一夹持机构706、第二夹持机构707，第一夹持机构706的一端分别与中间连接臂705的另一端转动连接构成第三关节703，第二夹持机构707的一端与第一臂704的另一端转动连接构成第二关节702。超声波测距传感器5设置第一夹持机构706、第二夹持机构707相离的外侧，超声波测距传感器5在爬行机器人行进的过程中检测管壁的凸起，设置在第一夹持机构706和第二夹持机构707上能够检测的管径凸起的范围更大。
17.第一关节701、第二关节702之间的最大距离为l1，即为第一臂704中两个转轴之间的距离，第二关节702、第三关节703之间的最大距离为l2，即中间连接臂705中两个转轴之间的距离，l1与l2之和为l3，即为当第一臂704和中间连接臂705平行时，两者之间外侧转轴之间的距离，当超声波测距传感器5检测到管道凸起为距离在预设距离范围s1之内，爬杆机器人下一步执行如蠕动运动模式，否则执行翻越运动模式；翻越运动模式下，爬杆机器人的步距约为l3。超声波测距传感器5检测到管道凸起在预设距离范围s1之内，意味着爬杆机器人下一次翻越运动模式，位于后部的夹持机构的落点将会与凸起产生干涉，导致夹持机构无法夹持。
18.预设距离范围s1优选为四分之三l3与四分之五l3之间，设置上述范围，能够有效基体与管道凸起之间发生干涉。
19.爬杆机器人的电源采用直流输出电源，第一关节701、第二关节702和第三关节703均采用直流电机进行驱动，第一夹持机构706和第二夹持机构707均采用直流电机或者小型气缸进行驱动，第一夹持机构706和第二夹持机构707的夹持部均设置压力传感器6，通过设定压力传感器6阈值，可调节其夹持力。硬件控制系统以stm32f103zet6为核心器件，本系统的电源分别将12v转换为5v、3.3v给直流电机和控制芯片进行供电；采用直流电机和直流输出电源，减少电源和电机自身的重量，从而减少爬杆机器人的自重，提高运动的灵活性。
20.第一夹持机构706、第二夹持机构707的夹持面均设置永磁体。在夹持机构的夹持面设置永磁体，可以降低压力传感器6的阈值，减少夹持机构动力元件的输出功率，实现夹持机构动力元件的闭环控制，可以有效的缓解夹持机构动力元件长期输出较大功率所产生的危害。当压力传感器6到达一定值时，压力转换的摩擦力将平衡与爬杆机器人本身的重力，从而实现爬杆机器人的平衡。
21.优选的，基体还包括图像传感器4，图像传感器4安装基体的四周，用于观测爬杆机器人的运动情况和管道的壁面，可以将机器人周围的环境情况传递到上位机1中，操作人员能及时观察到爬杆机器人的运动情况和管道的壁面。
22.如图1所示，爬杆机器人具有两种运动控制方法，分别蠕动运动模式和翻越运动模式，翻越运动模式的动作过程如下：初始状态时，第一臂704与中间连接臂705位于相互平行，沿爬行运动方向位于前部的第一夹持机构706时，第二夹持机构707松开管壁，第一夹持机构706夹紧管壁，第一关节701带动第一夹持机构706相对中间连接臂705朝向远离管壁的
方向转动度，同时第三关节703带动第一臂704相对于第一夹持机构706朝向远离管壁的方向转动，带动第二夹持机构707沿爬壁方向运动到第一夹持机构706的前方，第一臂704约转动至到与管壁平行时，第三关节703带动第一臂704相对于第一夹持机构706朝向靠近管壁的方向转动，第二夹持机构707夹紧管壁。翻越运动模式中，翻越单步的距离为l3=l1+l2。蠕动运动模式调节能够调节位于爬行方向前部的夹持机构与管壁的夹持位置，即向上爬行时，位于上部的夹持机构，向下爬行时，位于下部的夹持机构。从而改变另一个夹持机构的落点位置，从而避过管道凸起，防止爬行机器人掉落。
23.在竖直爬行过程中，第一夹持机构706和第二夹持机构707交替位于下方，位于下方的夹持机构松开管壁，然后相对另一个夹持机构朝向远离管壁的方向转动，上方夹持机构与其转动连接的连接臂相对转动，将下方夹持机构翻转到另一个夹持机构的上方，从而实现在管壁上一步爬行。沿管壁下行的运动过程，与上述过程相反。
24.蠕动运动模式的控制方法如下：第一夹持机构706夹紧管壁，第二夹持机构707松开管壁，第二关节702带动第一臂704朝向靠近管壁方向转动，第一臂704与中间连接臂705之间的夹角减小，第二夹机构夹紧管壁，第一夹持机构706松开管壁，第二关节702中间连接臂705朝向远离管壁方向转动，第一臂704与中间连接臂705之间的夹角变大，第一夹持机构706夹紧管壁，第一关节701改变第一臂704与中间连接臂705之间的相对角度，第一关节701的转动范围为
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度之间，优选的为
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度之间，类似昆虫在枝干上的蠕动爬行。蠕动运动模式下上述动作过程为一个蠕动单步，蠕动单步的距离较小。当第一夹持机构706位于爬行方向的前部时，为了调节第一夹持机构706即位于爬行方向上部的夹持机构在管壁上的夹持位置。
25.翻越运动模式和蠕动运动模式相结合，能够保证爬行效率，同时能够实现有效避障，实现爬行的连续性。
26.上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。