CN102699920B - 一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种机器人技术领域，具体来说是一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统，包括远程监控层、现场控制层和执行检测控制层，所述远程监控层包括监控计算机；所述现场控制层次包括了可编程计算机控制器、视频服务器、手操盒、驱动器。本发明的优点在于激光跟踪传感器先对焊缝的位置进行感知处理。由于激光跟踪传感器受到弧光的干扰，传感器的数据会进行波动，须对来自激光传感器的信号进行阈值滤波。先设定阈值，每次收到传感器数据后，会跟上一次的有效值进行比较，如果两次数据的差值大于阈值，则放弃这个数据，仍保持上次值为有效值；如果两次数据的差值小于阈值，则将本次值更新为有效值。

Description

一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统

技术领域

本发明属于特种机器人技术领域，具体来说是一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统。

背景技术

爬行弧焊机器人是特种机器人的一种，是一种设计用来在恶劣、危险、极限情况下、在导磁壁面上进行焊接的一种自动化机械装置，越来越受到人们的重视。目前爬行弧焊机器人已在核工业、石化工业、建筑工业、消防部门、造船业等铁磁性结构的生产施工中得到了广泛的应用。

目前的爬行式焊接机器人的主要有轨道式、永磁履带式、永磁轮式三种。其中轨道式控制较为简单，也容易实现较高精度的焊接，但是轨道式爬行机器人是必须运行在专用轨道上，在大型工件焊接过程中会受到严重的制约，并且铺设轨道会大幅增加生产成本。履带式爬行机器人采用两侧履带差动工作模式，在平面上直线运行有较好的稳定性，但由于履带结构的转弯负载较大，转向灵活性差，不适合转弯半径小的焊接作业。传统的永磁轮式爬行机器人采用的是两轮差动加万向轮辅助稳定的结构，此类机器人运动灵活但稳定性不加，在全位置焊接过程中容易出现不可控的滑动，旋转等问题。

如申请号为CN03153663.8，申请日为2003-8-19，名称为“永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法”的发明专利，其技术方案如下：由激光CCD传感器14得到的图像信号传输到跟踪控制器6，它发出指示经十字滑块控制13使焊炬15在两方向运动，该图像信号同时也输入到爬行机驱动器5而使爬行机8驱动；还有一种控制是跟踪控制器6根据图像信号发出指令经十字滑块控制13使焊炬15在两个方向运动，并且根据横向滑块产生的横向位置信号借助爬行机驱动装置5而使爬行机8做相应运动。

上述系统同样存在于对于爬行机器人的控制无法实现运动灵活和稳定性兼具的目的，并且在全位置焊接过程中仍然会出现不可控的滑动、旋转等问题。

发明内容

为了克服背景技术中轨道爬行式、永磁履带爬行式和传统的永磁轮式弧焊机器人存在的不足，为实现大型工件的高精度、高效率、高可靠、低成本的焊接，本发明的提出一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统：

为实现上述技术效果，具体的技术方案为：

一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统，包括远程监控层、现场控制层和执行检测控制层，其特征在于：

所述远程监控层包括监控计算机；

所述现场控制层次包括了可编程计算机控制器、视频服务器、手操盒、驱动器；

所述执行检测控制层包括爬行执行机构和操作执行机构两套执行系统、进行焊缝识别的激光跟踪传感器、用于设置焊机焊接参数的焊机适配器、环境监控云台、环境监控摄像机、熔池监控摄像机；

监控计算机与可编程计算机控制器、视频服务器之间采用工业以太网进行通信；

可编程控制器和手操盒、驱动器之间采用CAN总线连接；

所述驱动器都通过CAN总线与可编程控制器进行控制速度给定的信息传递；

可编程控制器和激光跟踪传感器、焊机适配器采用RS232/RS485总线连接。

所述操作执行机构包含了十字滑块横轴电机、十字滑块纵轴电机、摆动器电机三个电机；

可编程计算机控制器带有分时多任务的操作系统，实现了位置闭环的运动控制与多轴联动控制，视频服务器为对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用嵌入式设备，将现场图像进行处理，直接以数字化接口的形式传送到远程监控层，手操盒是一个便携式操作设备，驱动器是针对相应电机配置的驱动装置。

所述十字滑块上装有左、中、右分别三个位置开关。其中左、右开关用于位置限位，中间的开关用于十字滑块初始化位置的定位。

本发明的优点在于：

1、激光跟踪传感器先对焊缝的位置进行感知处理。由于激光跟踪传感器受到弧光的干扰，传感器的数据会进行波动，须对来自激光传感器的信号进行阈值滤波。先设定阈值，每次收到传感器数据后，会跟上一次的有效值进行比较，如果两次数据的差值大于阈值，则放弃这个数据，仍保持上次值为有效值；如果两次数据的差值小于阈值，则将本次值更新为有效值。

2、利用滤波后的激光传感器数据，对十字滑块的横轴、纵轴进行实时的调节。进行小范围、快速的实时跟踪。

3、考虑到焊接工艺的要求，操作机构的摆动器，根据设置进行摆动。

4、根据激光跟踪传感器滤波后的数据，控制器会根据十字滑块的位置、爬行机构行驶的距离，进行爬行机构的位置估计。

5、利用爬行机构位置估计的数据，爬行机构的控制器，会计算出爬行机构执行的线速度和角速度。然后将执行命令发送到后轮左、右驱动电机，前轮驱动、转向电机。

6、操作人员通过摄像头对作业环境、熔池的图像信息进行监视，移动爬行机构和十字滑块进行初始点位置的确定，并且根据焊接过程的状态调整焊接参数。

附图说明

图1 本发明的控制层次结构图。

图2 本发明的硬件系统图。

附图中：远程监控层1、现场控制层2、执行检测控制层3。

监控计算机21，可编程计算机控制器22，视频服务器23，手操盒24，驱动器25，爬行执行机构26，操作执行机构27，激光跟踪传感器28，焊机适配器29，位置开关210，环境监控云台211，环境监控摄像机212，熔池监控摄像机213。

具体实施方式

控制系统采用PCC或其他工业PC作为主控系统，各功能板块为模块化设计。利用激光跟踪传感器的反馈控制机器人本体爬行机构和操作机构的运动；利用开关量控制焊接启动、停止等动作；具备远程焊接参数设置及在线调整功能；具采用多自由度云台实现宏观焊接环境的监控，采用熔池监控传感器实现微观焊接熔池的监控；具备手操盒远程控制机器人系统功能。

监控计算机通过以太网①②的连接设置编程计算机控制器的参数，并且接受视频服务器的视频数据。可编程算机控制器通过CAN总线③与手操盒、驱动器进行连接。驱动器控制着爬行执行机构、操作执行机构可编程计算机控制器通过RS485总线④进行焊机适配器的设置，通过RS232总线⑨和IO⑦读取激光跟着传感器和位置开关的状态信息。手操盒、驱动器之间采用CAN总线连接⑤⑥视频服务器通过视频接口⑧⑩接受环境监控云台、环境监控摄像机、熔池监控摄像机的视频信息。

本发明的控制系统，主要特点是，根据控制层次的要求，将控制系统分为了三个层次。

1、远程监控控制层

远程监控层主要完成人机交互、任务规划、作业参数设定、以及运动规划等。主要由一台监控计算机1来完成。

2、现场控制层

现场控制层接收来自远程监控层的指令，主要负责机器人本体的运动控制、焊接设备的控制、监控设备的控制。

该控制层次包括了可编程计算机控制器22、视频服务器23、手操盒24、驱动器25。可编程计算机控制器22融合了大型计算机的分析运算能力，并且带有分时多任务的操作系统，适合复杂计算的机器人系统。可编程计算机控制器22实现了位置闭环的运动控制，可实现多轴联动控制，实现爬行机构及操作机构的协调控制，同时可以调整监控设备的位置，设定作业设备的参数。视频服务器23主要对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用嵌入式设备，可以实现将现场图像进行处理，直接以数字化接口的形式传送到远程监控层。手操盒24是一个便携式操作设备，可以直接在现场进行手动的操作。驱动器25针对相应电机配置的驱动装置，完成电机控制所必须的电流环、速度环的驱动控制。

3、执行检测控制层

执行检测控制设备接收来自现场控制设备的指令，完成运动的执行、焊接作业的完成。

全驱动复合吸附式爬行弧焊机器人带有爬行执行机构26、操作执行机构27两套执行系统。其中爬行执行机构包含了后轮左、右驱动电机，前轮转向电机，前轮驱动电机四个电机；操作执行机构包含了十字滑块横轴电机、十字滑块纵轴电机、摆动器电机三个电机。并且在十字滑块上装有左、中、右分别三个位置开关210。其中左、右开关用于位置限位，中间的开关用于十字滑块初始化位置的定位。

该系统包含一个可以进行焊缝识别的激光跟踪传感器28以及用于设置焊机焊接参数的焊机适配器29。

在监控方面，该系统包括环境监控云台211、环境监控摄像机212、熔池监控摄像机213，通过环境监控云台211位置的调整，环境监控摄像机212可以获取机器人360度的全方位的环境信息，在焊接前对周围工件进行预判，并且对焊接初始点进行手工调整；熔池监控摄像机安装在焊枪处，用于焊接过程的质量监控。

该发明的特点是，系统采用了工业以太网、现场总线进行连接，可以在最大限度的进行系统扩展，并且提高系统稳定性。包括：

1、监控计算机21与可编程计算机控制器22、视频服务器23之间采用工业以太网进行通信。监控计算可以实现远距离，大数量的监控操作。

2、可编程控制器22和手操盒24、驱动器25之间采用CAN总线连接。根据全驱动复合吸附式爬行弧焊机器人的驱动方式，共有七个电机的驱动器连接在CAN总线上。这些驱动器都通过CAN总线与可编程控制器22进行控制速度给定的信息传递。

3、可编程控制器22和激光跟踪传感器28、焊机适配器29采用RS232/RS485总线连接。

在以上阐述的控制结构下，本方案采用了操作机构微调、爬行结构粗调、人工干预的控制方法。

下面结合附图进一步详细描述本发明。

在系统结构中，监控计算机21采用PC104工控机实现，其中有2个以太网接口：一个用于和可编程计算机控制器22进行连接、一个用于和视频服务器23进行连接。

环境监控摄像机212采用SONY云台监控摄像机，可以对工件的外形，机器人周围环境进行监控。作业现场监控摄像机213配备了特质的滤光片完成焊接过程中，熔池的监控。

机器人的爬行机构驱动系统采用了两个MAXON直流电机，操作结构为十字滑块，驱动电机选用步进电机。电机驱动器采用ELMO驱动器。

机器人定位传感器28采用ServoRobot激光焊缝跟踪传感器，进行焊缝位置信息的确定。作业适配器29为熊谷焊机的适配器，通过适配器可以控制焊接的电流、电压、启动、停止。限位开关210安装在十字滑块上，完成限位功能。

进行焊接时，激光焊缝跟踪传感器将焊缝位置信息实时传递给可编程计算机控制器22，可编程计算机控制器22先进行信号滤波，根据位置偏差，十字滑块会进行精确的跟踪。并且可编程计算机控制器22利用滤波后的位置信息进行机器人爬行机构的位置估计，根据位置偏差，爬行机构进行粗略的跟踪。

Claims (1)

1. 一种全驱动复合吸附式爬行机器人的控制系统，包括远程监控层（1）、现场控制层（2）和执行检测控制层（3），其特征在于： 

所述远程监控层（1）包括监控计算机（21）；

所述现场控制层（2）包括了可编程计算机控制器（22）、视频服务器（23）、手操盒（24）、驱动器（25）；

所述执行检测控制层（3）包括爬行执行机构（26）和操作执行机构（27）两套执行系统、进行焊缝识别的激光跟踪传感器（28）、用于设置焊机焊接参数的焊机适配器（29）、环境监控云台（211）、环境监控摄像机（212）、熔池监控摄像机（213）；

监控计算机（21）与可编程计算机控制器（22）、视频服务器（23）之间采用工业以太网进行通信；

可编程控制器和手操盒（24）、驱动器（25）之间采用CAN总线连接；

所述驱动器（25）都通过CAN总线与可编程控制器进行控制速度给定的信息传递；

可编程控制器和激光跟踪传感器（28）、焊机适配器（29）采用RS232/RS485总线连接；

所述操作执行机构（27）包含了十字滑块横轴电机、十字滑块纵轴电机、摆动器电机三个电机；

可编程计算机控制器（22）带有分时多任务的操作系统，实现了位置闭环的运动控制与多轴联动控制，视频服务器（23）为对视音频数据进行压缩、存储及处理的专用嵌入式设备，将现场图像进行处理，直接以数字化接口的形式传送到远程监控层（1），手操盒（24）是一个便携式操作设备，驱动器（25）是针对相应电机配置的驱动装置；

所述十字滑块上装有左、中、右分别三个位置开关（210）；其中左、右开关用于位置限位，中间的开关用于十字滑块初始化位置的定位。