CN102431036B

CN102431036B - 混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置及方法

Info

Publication number: CN102431036B
Application number: CN201110275899.4A
Authority: CN
Inventors: 訾斌; 林俊; 朱真才; 吴瑕; 曹建斌; 魏明生
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: CN102431036A

Abstract

一种混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置及方法，属于三自由度机器人检测装置及方法。检测装置包括传感器组、信号处理中心及控制中心三大部分；在并联机器人运行时，传感器组通过调理电路及无线收发电路与信号处理中心的测量工控机连接，信号处理中心的测量工控机通过通信装置与控制中心的主工控机连接，主工控机通过伺服电机与传感器组中的视觉传感器相连，从而完成信号采集、调理、分析以及最终的电机定位、视觉传感器呈现故障点。优点：该检测装置及方法能够有效、及时的检测出机器人的常见的各类故障。系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好、工作效率高；能精确和有效的检测故障点；采用的视觉传感器，能及时直观的观察工控现场状况。

Description

混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种三自由度机器人检测装置及方法，特别是一种混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置及方法。

背景技术

三自由度混合驱动柔索并联机器人以其高刚度、高精度、高负载及结构紧凑等特点，迅速应用于大件装配、运动模拟、空间对接、加工制造等领域。在专利申请号为200910233341.2的专利文献中，公开了《空间三维平动自由度混合驱动柔索并联机构》，该混合驱动柔索并联机器人机构创新出了特殊的混合驱动装置，该机构是一种新型的、结构简单的、并兼容了传统并联机器人的高效率、高承载力、高可调性及大负载运转等的特点，弥补了传统机械缺乏的柔性和伺服机构不能承受大载荷的缺陷。实现高性能运动输出的新型空间三维平动自由度柔索并联机器人。在专利申请号为201010580191.5的专利文献中，公开了《三自由度混合驱动柔索并联机器人控制装置及方法》，完善了该混合驱动柔索并联机器人运动的灵活性、稳定性和精确性，提供了一种新型的、较为先进的空间三维平动自由度柔索并联机器人控制装置及方法。虽然弥补了并联机构的惯性大、非线性以及易受系统模型的参数摄动、重物块在运动中随机风等外界干扰的影响，但仍然容易出现并联机器人包括运行中断、负荷超载等故障，也不能实现实时监控，不能保证并联机器人的高效率工作，直接影响机构的稳定性及可靠性，机器人的使用安全性和寿命也将大大降低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置及方法，解决并联机器人容易出现包括运行中断、负荷超载等故障，不能实现实时监控，不能保证并联机器人的高效率工作，直接影响机构的稳定性及可靠性的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明的检测装置及方法运用在空间三维平动自由度混合驱动柔索并联机器人，主要由传感器组、信号处理中心及控制中心三大部分组成；其中所述传感器组包括重力传感器、光栅位移传感器、张力传感器、视觉传感器；所述的信号处理中心包括信号调理电路、无线信号收发电路、微控制器单元和测量工控机；所述的控制中心包括报警电路、反馈电路、主工控机、显示设备和伺服电机；在并联机器人运行时，传感器组通过调理电路及无线收发电路与信号处理中心的测量工控机连接，信号处理中心的测量工控机通过通信装置与控制中心的主工控机连接，主工控机通过伺服电机与传感器组中的视觉传感器相连，从而完成信号采集、调理、分析以及最终的电机定位、视觉传感器呈现故障点。

所述的传感器组共有10个传感器，包括重力传感器1个、光栅位移传感器3个、张力传感器4个和2个视觉传感器；其中所述的重力传感器和光栅位移传感器均安装在柔索并联机器人的载物平台上，张力传感器安装在四根柔索上；所述的3个光栅位移传感器安装在载物平台上，3个光栅位移传感器分别测量X方向、Y方向、Z方向的位移；所述的4个张力传感器分别安装在4根柔索上，每一组结构相同；所述的2个视觉传感器分别安装在并联机器人平台的顶部和底部，分别对并联机构的柔索和重物进行视频监控，各个传感器都连接到信号处理中心的信号调理电路。

所述的信号处理中心包括信号调理电路、模/数转换芯片、微控制器单元、时钟芯片、无线信号收发芯片、无线信号天线、外部扩展电路接口和测量工控机，其中所述的2个无线信号收发芯片分别与2个无线信号天线连接并形成2个收发信号组，时钟芯片接入微控制器单元和测量工控机，信号调理电路与模/数转换芯片相连，模数/转换芯片与微控制器单元连接，微控制器单元的输出端接到一组无线信号发送芯片和外部扩展电路接口，另一个收发信号组接入测量工控机。

所述的控制中心包括主工控机、报警模块、LED显示模块、LCD显示模块和伺服电机，所述的报警模块、LED显示模块、LCD显示模块和伺服电机分别与主工控机连接，主工控机与控制装置的并联机器人控制系统连接，伺服电机的输出端与安装在平台顶部的视觉传感器相连。

所述检测方法包括如下步骤：

1、空间三维平动自由度混合驱动柔索并联机器人在牵引重物块运动时，检测装置开始初始化，载入系统运行时的危险阈值；

2、安装在并联机器人上的1个重力传感器、4个张力传感器和3个光栅位移传感器这三类传感器开启，开始进行检测，所得信号通过信号调理电路处理、模/数转换后，不断传送到微控制单元；

3、微控制单元将初步处理过的信号组再次调解成可无线发送信号后，通过无线信号发送芯片、无线信号接收芯片和两组天线完成检测信号组从微控制单元到测量工控机的传送；

4、测量工控机将对检测信号组进行初步判断，检查各类信号是否超出危险阈值，从而判断并联机器人在运行时是否有故障产生，并将每次检测后产生的检测信号存储到与外部接口相连的存储器中；

5、测量工控机如若判断出检测信号超出危险阈值，将通过通信装置把检测信号发送给主工控机；

6、主工控机对接收到的检测信号进行更为详尽的分析和处理，完成并联机器人的力学计算、控制系统解算，定位到具体故障点、完成现场状态呈现并通过LED显示故障点，运算出控制视觉传感器的伺服电机的转角与转速、完成视频定位到故障点并通过LCD液晶显示器显示故障点的动态视频实时状况，此外，主工控机还将解算出的控制信号传送至并联机器人的控制系统中进行反馈控制；以保证能在第一时间内检测故障、记录故障、分析故障、修复故障以及接入控制系统用以调整故障；

7、主工控机、测量工控机、微控制单元之间以串行总线方式和无线信号收发进行通信，构成一个通信网络系统。

有益效果，由于采用了上述方案，安装上检测装置以及采用上述检测方法，能够实现空间三维平动自由度运动混合驱动柔索并联机器人的多传感器复合实时故障检测技术。

1、空间三维平动自由度混合驱动柔索并联机器人检测装置采用分布式集成化结构，由采集管理级微控制单元、测量管理级测量工控机和操作管理级主控工控机三部分共同完成，并加以无线传感信号传输，通信装置构成。这种检测技术综合了传感器检测精度高、抗干扰能力强、可靠性和工控机开放性程度高、信息处理能力强、实时调整优点突出、通用性好的特点；

2、可以对同一个系统处于不同的工作条件中或有不同使用要求时，对控制中心赋予不同的权限，并设置不同的报警临界值，从而使检测系统工作合理；

3、本发明运用4类传感器，各传感器协同复合工作，大大减小了故障点的检测的纰漏；

4、以测量工控机为中心的测量系统，采用信号采集与传感器相结合的方式，最大限度地完成测试工作的全过程，既能实现对信号的采集，又能对所获信号进行分析处理，实时将处理过的信号组发送给操作管理级；

5、本发明所采用的各类仪器不会给提升系统带来任何安全隐患，安全可靠；采用的无线通信技术，具有很高的通信速率和通信可靠性，系统响应快速；传感器节点工作条件好，安装维护方便；无线传感器功耗低；

6、本发明中的视觉传感器，能够很好的完成故障点的视觉定位，更精确、具象的呈现工作现场。

本发明的优点：该三自由度混合驱动柔索并联机器人多传感器复合实时故障检测装置及方法能够有效、及时的检测出机器人的常见的各类故障。采用的分布模式，具有系统响应快速、信息处理能力强、可靠性好；采用的多传感器复合结构，能更为精确和有效的检测故障点；无线收发结构，提高了系统的抗干扰性、更为方便的布置各类传感器；采用的视觉传感器，能及时直观的观察工控现场状况。本发明的应用能够大大增强了混合驱动柔索并联机器人的稳定性和可靠性，从而提高并联机器人的工作效率。

并且，本发明还可逐渐推广至各类并联机器人。

附图说明

图1 为本发明所述的混合驱动柔索并联机器人检测装置基本结构图。

图2 为本发明所述的混合驱动柔索并联机器人检测装置示意框图。

图3 为本发明所述的混合驱动柔索并联机器人检测方法的总流程图。

图4 为本发明所述的混合驱动柔索并联机器人检测方法的视觉传感器子流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本次的具体实施是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：图1中，此实例主要以三自由度柔索混合驱动并联机器人为平台展现所述检测装置的主要结构。

本实例中，所述三自由度柔索混合驱动并联机器人主要由四根柔索l ₁、l ₂、l ₃、l ₄，一个三自由度并联机构平台1，四个混合驱动器2，四根柔索塔3，一个载物平台4，一个视觉传感器支架5构成。其中四根柔索塔成矩形竖直固定在三自由度并联机构平台上，四根柔索l ₁、l ₂、l ₃、l ₄两端分别与载物平台和四个混合驱动器相连接，并绕于柔索塔的滑轮上。视觉传感器竖直固定于三自由度并联机构平台上，支架一端延伸到载物平台上端，另一端延伸到载物平台下端。所述载物平台将放置重物块。

本实例中，重力传感器A，选用压电式重力传感器，粘贴于载物平台上。

位移传感器B，选用三个同类光栅位移传感器，分别为X方向光栅位移传感器、Y方向光栅位移传感器、Z方向光栅位移传感器，同样粘贴于载物平台上。

张力传感器C，选用四个同类应变片式张力传感器，分别对应粘贴于四根柔索l ₁、l ₂、l ₃、l ₄上，分别为第一张力传感器、第二张力传感器、第三张力传感器、第四张力传感器。

所述视觉传感器D ₁、D ₂，选用两个同类CCD视觉摄像传感器，D ₁安装于视觉传感器支架上端，D ₂安装于视觉传感器支架下端。

图2中，本发明主要包括传感器组、信号处理中心及控制中心三大部分组成。传感器组通过调理电路及无线收发电路与信号处理中心的测量工控机连接，信号处理中心的测量工控机通过通信装置与控制中心的主工控机连接，主工控机通过伺服电机与传感器组中的视觉传感器相连。

所述的传感器组共有10个传感器，包括重力传感器1个、光栅位移传感器3个、张力传感器4个和2个视觉传感器。其中重力传感器和光栅位移传感器安装在柔索并联机器人的载物平台上，张力传感器安装在在四根柔索上。所述的3个光栅位移传感器分别安装在载物平台上，3个光栅位移传感器分别测量X方向、Y方向、Z方向的位移，4个在柔索上的张力传感器，每一组结构相同，2个视觉传感器分别安装在视觉传感器支架的顶部和底部，分别对并联机构的柔索和重物进行视频监控。各个传感器都连接到信号处理中心的信号调理电路。

所述的信号处理中心包括信号调理电路、模/数转换芯片、微控制器单元、时钟芯片、无线信号收发芯片、无线信号天线、外部扩展电路接口和测量工控机。其中2个无线信号收发芯片分别与2个无线信号天线连接并形成2个收发信号组，时钟芯片接入微控制器单元和测量工控机，信号调理电路与模/数转换芯片相连，模/数转换芯片与微控制器单元连接，从微控制器单元接到一组无线信号发送芯片和外部扩展电路接口，另一个收发信号组接入测量工控机。

所述的控制中心包括主工控机、报警模块、LED显示模块、LCD显示模块和伺服电机。报警模块、LED显示模块、LCD显示模块和伺服电机分别于主工控机连接，主工控机与控制装置的并联机器人控制系统连接，伺服电机的输出端与安装在平台顶部的视觉传感器相连。

所述的无线收发为UWB无线收发芯片和PCB天线组成，其中UWB无线发射芯片的输出端与PCB天线连接，接收芯片的输入端与天线连接，UWB发射芯片再分别于微控制单元和测量工控机连接。

所述的通信装置选用专用通信RS-232/RS-485转换器用于主控工控机和测量工控机之间的通信。控制器之间采用ISA总线相连，用于设备的设置、程序下载和运行中的信号传递。

综合图1和图2，所述的检测方法，空间三维平动自由度混合驱动柔索并联机器人的载物平台放入重物块，并准备牵引重物块运动时，检测装置开始工作。检测系统开始初始化，载入系统运行时的初始设定的危险阈值；安装在并联机器人上的1个重力传感器、4个张力传感器和3个光栅位移传感器这三类传感器开启，开始对柔索张力、重物块重量、载物平台位移进行实时无间断检测，并将三类传感器检测中所得信号通过信号调理电路处理、模/数转换，将信号进行滤波、放大、再滤波、调理、去噪处理，并将传感器采集的模拟信号转换为数字信号，不断传送到微控制单元；微控制单元将初步处理过的信号组再次调解成可无线发送信号后，通过无线信号发送芯片、无线信号接收芯片和两组天线完成检测信号组从微控制单元到测量工控机的传送；测量工控机将对检测信号组进行初步判断，对比传感器得到的信号，检查各类信号是否超出危险阈值，从而判断出并联机器人在运行时是否有故障产生，并将检测后产生的检测信号存储到与外部接口相连的存储器中。

如果测量工控机判断出检测信号超出危险阈值，将通过通信装置把检测信号发送给主工控机；主工控机对接收到的检测信号进行更为详尽的分析和处理，完成并联机器人的力学计算、控制系统解算，定位到具体故障点、完成现场状态呈现并通过LED显示故障点，并调用视频子系统，运算出控制视觉传感器的伺服电机的转角与转速，位于平台顶部的传感器主要检测4根柔索的实时状态，并由伺服电机进行控制，构成反馈；位于平台底部的传感器主要检测重物块以及载物平台的实时状态，由主控制机直接控制，两个视频传感器共同工作，从而定位到故障点。并通过LCD液晶显示器显示故障点的动态视频实时状况，此外，主工控机还将解算出的控制信号传送至并联机器人的控制系统中进行反馈控制；以保证能在第一时间内检测故障、记录故障、分析故障、修复故障以及接入控制系统用以调整故障；主工控机、测量工控机、微控制单元之间以串行总线方式和无线信号收发进行通信，构成一个通信网络系统。

Claims

1.一种混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置，其特征是：检测装置包括传感器组、信号处理中心及控制中心三大部分；其中所述传感器组包括重力传感器、光栅位移传感器、张力传感器以及视觉传感器；所述的信号处理中心包括信号调理电路、无线信号收发电路、微控制器单元和测量工控机；所述的控制中心包括报警电路、反馈电路、主工控机、显示设备和伺服电机；在并联机器人运行时，传感器组通过调理电路及无线收发电路与信号处理中心的测量工控机连接，信号处理中心的测量工控机通过通信装置与控制中心的主工控机连接，主工控机通过伺服电机与传感器组中的视觉传感器相连，从而完成信号采集、调理、分析以及最终的电机定位、视觉传感器呈现故障点；

所述的传感器组共有10个传感器，包括重力传感器1个、光栅位移传感器3个、张力传感器4个和2个视觉传感器；其中所述的重力传感器和光栅位移传感器均安装在柔索并联机器人的载物平台上，张力传感器安装在四根柔索上；所述的光栅位移传感器安装在载物平台上，3个光栅位移传感器分别测量X方向、Y方向和Z方向的位移；所述的张力传感器分别安装在4根柔索上，每一组结构相同；所述的视觉传感器分别安装在并联机器人平台的顶部和底部，分别对并联机构的柔索和重物进行视频监控，各个传感器都连接到信号处理中心的信号调理电路；

所述的无线信号收发电路包括模/数转换芯片、时钟芯片、无线信号收发芯片、无线信号天线和外部扩展电路接口；其中2个无线信号收发芯片分别与2个无线信号天线连接并形成2个收发信号组，时钟芯片接入微控制器单元和测量工控机，信号调理电路与模/数转换芯片相连，模/数转换芯片与微控制器单元连接，微控制器单元的输出端接到一组无线信号发送芯片和外部扩展电路接口，另一个收发信号组接入测量工控机。

2．根据权利要求1所述的混合驱动柔索并联机器人实时故障检测装置，其特征是：报警电路和反馈电路组成报警模块，显示设备包括LED显示模块和LCD显示模块；所述的报警模块、LED显示模块、LCD显示模块和伺服电机分别与主工控机连接，主工控机与控制装置的并联机器人控制系统连接，伺服电机的输出端与安装在平台顶部的视觉传感器相连。

3．一种混合驱动柔索并联机器人实时故障检测方法，其特征是：所述的检测方法包括如下步骤：

（1）空间三维平动自由度混合驱动柔索并联机器人在牵引重物块运动时，检测装置开始初始化，载入系统运行时的危险阈值；

（2）安装在并联机器人上的1个重力传感器、4个张力传感器和3个光栅位移传感器这三类传感器开启，开始进行检测，所得信号通过信号调理电路处理、模/数转换后，不断传送到微控制单元；

（3）微控制单元将初步处理过的信号组再次调解成可无线发送信号后，通过无线信号发送芯片、无线信号接收芯片和两组天线完成检测信号组从微控制单元到测量工控机的传送；

（4）测量工控机将对检测信号组进行初步判断，检查各类信号是否超出危险阈值，从而判断并联机器人在运行时是否有故障产生，并将每次检测后产生的检测信号存储到与外部接口相连的存储器中；

（5）测量工控机如若判断出检测信号超出危险阈值，将通过通信装置把检测信号发送给主工控机；

（6）主工控机对接收到的检测信号进行更为详尽的分析和处理，完成并联机器人的力学计算、控制系统解算，定位到具体故障点、完成现场状态呈现并通过LED显示故障点，运算出控制视觉传感器的伺服电机的转角与转速、完成视频定位到故障点并通过LCD液晶显示器显示故障点的动态视频实时状况，此外，主工控机还将解算出的控制信号传送至并联机器人的控制系统中进行反馈控制；以保证能在第一时间内检测故障、记录故障、分析故障、修复故障以及接入控制系统用以调整故障；

（7）主工控机、测量工控机以及微控制单元之间以串行总线方式和无线信号收发进行通信，构成一个通信网络系统。