CN102699921B - 一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法 - Google Patents
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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运动机构的控制方法，其具体步骤为：A、获取焊缝跟踪传感器提供的二维焊缝位置信息，并做滤波处理；B、根据处理后的信息，向十字滑块电机驱动器发送速度指令，完成十字滑块的横、纵轴运动，实现焊枪快速准确运动；C、根据焊缝跟踪传感器提供的焊缝位置信息，及十字滑块电机码盘信息计算移动平台到焊缝的距离；D、根据上述信息计算移动平台运动参数。E、向平台电机驱动发送指令完成多轮配合运动。本发明的优点在于滤波处理方法可快速检测错误数据，使其不影响运动控制。对焊缝连续变化具有良好的实时跟踪性能，没有附加延迟。对真实的焊缝位置大范围阶越变化有较好的响应能力。
Description
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运动机构的控制方法。
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。
但是上述专利控制方法只适用于差动转向结构的移动平台（如前轮为随动万向轮或者履带式差动结构），并不能适用于前轮为全驱动方式（受控转向与主动驱动）的移动平台。也不能解决传感器超前问题、多轮机构配合问题和角度估计问题。如果上述问题不能得到根本的解决，那么移动平台在位置靠近焊缝且方向背离焊缝时易出现正反馈控制使系统控制失败。
发明内容
为了克服现有技术中轨道爬行式、永磁履带爬行式和传统的永磁轮式弧焊机器人存在的不能适用于前轮为全驱动方式、也不能解决传感器超前、多轮机构配合和角度估计的问题，现在特别提出可实现大型工件的高精度、高效率、高可靠、低成本的焊接的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法。
为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：本方法控制对象为采用激光焊缝跟踪传感器为焊缝跟踪传感器、十字滑块为执行机构的驱动轮差动、转向轮全驱动的爬行式焊接机器人，其具体步骤为：
A、获取焊缝跟踪传感器提供的二维焊缝位置信息，并做滤波处理；
B、根据处理后的信息，向十字滑块电机驱动器发送速度指令，完成十字滑块的横、纵轴运动，实现焊枪快速准确运动；
C、根据焊缝跟踪传感器提供的焊缝位置信息，及十字滑块电机码盘信息计算移动平台到焊缝的距离；
所述十字滑块电机由十字滑块电机驱动器控制，十字滑块电机码盘信息由十字滑块电机驱动器读取并传回十字滑块电机控制器；
所述移动平台到焊缝的距离的计算为：移动平台到焊缝的距离=十字滑块电机旋转单位×十字滑块电机码盘值＋焊缝位置数据；十字滑块电机旋转单位是指十字滑块电机旋转角度到十字滑块末端位移的换算系数，得到系数的方法是先测量指定电机旋转n圈，再测量十字滑块位置l，系数k=l/n；
D、根据上述信息计算移动平台运动参数。
E、根据移动平台运动参数及各电机运行状态，向平台电机驱动发送指令完成多轮配合运动；
上述发送指令具体为：所述移动平台包括三个轮子，即一个前轮和两个后轮，所述前轮为驱动转向，所述的两个后轮为差速驱动，两个后轮分别有一个电机驱动，前轮包括一个驱动电机和一个转向电机；[Lee1] 算出每轮的运动速度，再由减速比计算出电机速度，发送指令进行控制；
移动平台的运动学方程如下：
其中Vc为移动平台速度，ωc为移动平台转向角速度，VL、VR分别为后轮的左右轮速；
上述步骤中，根据激光焊缝跟踪传感器的二维焊缝位置信息，计算十字滑块横、纵两轴的运动速度；
根据十字滑块码盘及激光焊缝跟踪传感器信息，计算移动平台运动参数；
根据移动平台参数及机器人机械结构，计算电机联动速度；
根据电机运行电流，完成电机负载平衡算法。
所述A步骤中的滤波处理方法为：通过一定量的历史数据对当前值进行估计，并根据估计值和错误阈值进行数据判断，除去错误数据；
所述滤波处理方法的步骤为：根据至少前10个周期的历史数据，采用滑动窗口平滑滤波法计算估计数据，如果测量值与估计值的误差超[Lee2] 2mm，则认为该次测量数据为错误数据。
所述焊缝跟踪传感器为本方法中唯一的位置信息反馈装置，由于缺乏移动平台前进方向与焊缝方向之间直接的角度反馈，控制过程中会因为缺少控制信息，导致控失败，所以提出了一种角度估计方法，该方法综合运用焊缝跟踪传感器、十字滑块电机码盘和移动平台电机码盘信息，并结合移动平台的分段控制策略，实现移动平台与焊缝之间的角度估计。
所述C步骤还包括有角度估计方法，该方法具体为：移动平台在前进过程中，如果与焊缝有夹角，则移动平台到焊缝的距离会发生变化，根据C步骤的计算出移动平台到焊缝的距离，通过计算距离的变化量与前进距离的关系即可计算出夹角的角度。
焊缝跟踪传感器检测位置较焊枪及移动平台转轴在空间上为超前设置，在控制中体现为超前环节，本方法提出一种结合机器人机械结构、估计角度、十字滑块码盘信息、焊缝跟踪传感器信息的超前补偿方法，通过该方法，可对焊缝跟踪传感器超前进行补偿，同时计算移动平台到焊缝的实际距离。
所述超前补偿是根据估算的移动平台角度和超前的[Lee3] 由于超前带来的横向偏移，进而将其修正；
具体计算方法为：超前距离×sin（估计角度）
采用双闭环方式对移动平台进行运动控制，控制输入量分别为移动平台旋转角速度、移动平台与焊缝之间夹角，控制目标分别为移动平台与焊缝之间夹角、移动平台到焊缝距离。
采用多电机联合运动控制，根据移动平台运动速度、转向角速度等参数，计算出驱动轮转向电机速度与转向轮角度，向驱动轮电机驱动器发送速度指令，并采用速度模式对转向轮转向电机进行位置闭环控制，使上述电机实现联动，此外，根据驱动电机的负载情况，对转向轮的驱动电机做力矩控制，实现电机负载平衡。
本发明的优点在于：
1、滤波处理方法可快速检测错误数据，使其不影响运动控制。对焊缝连续变化具有良好的实时跟踪性能，没有附加延迟。对真实的焊缝位置大范围阶越变化有较好的响应能力。
2、本控制方法运用角度估计的方法，结合超前补偿算法解决了传感器前置造成的控制失败问题。
3、 本控制方法可用于多轮独立控制的运动平台上，该类平台在曲面上有较好的适应性。
4、本控制方法针对前轮为全驱动方式（受控转向与主动驱动）的移动平台。解决了传感器超前、多轮机构配合和角度估计的问题。避免了移动平台在位置靠近焊缝且方向背离焊缝时出现正反馈控制使系统控制失败的情况。
附图说明
图1 为本发明提出的全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构控制方法的控制流程图。
图2为本发明提出的全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构控制方法的硬件拓扑。
图3为本发明提出的全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构控制方法的软件实现框图。
图4为移动平台运动的结构示意图。
具体实施方式
一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，本方法控制对象为采用激光焊缝跟踪传感器为焊缝跟踪传感器、十字滑块为执行机构的驱动轮差动、转向轮全驱动的爬行式焊接机器人，其具体步骤为：
A、获取焊缝跟踪传感器提供的二维焊缝位置信息，并做滤波处理；A步骤中采用的设备为数据滤波器，A步骤中的滤波处理方法为：通过一定量的历史数据对当前值进行估计，并根据估计值和错误阈值进行数据判断，除去错误数据。
滤波处理方法的步骤为：根据至少前10个周期的历史数据，采用滑动窗口平滑滤波法计算估计数据，如果测量值与估计值的误差超[Lee4] 2mm，则认为该次测量数据为错误数据。
B、根据处理后的信息，向十字滑块电机驱动器发送速度指令，完成十字滑块的横、纵轴运动，实现焊枪快速准确运动。B步骤涉及的设备为十字滑块PID控制器。
C、根据焊缝跟踪传感器提供的焊缝位置信息，及十字滑块电机码盘信息计算移动平台到焊缝的距离；十字滑块电机由十字滑块电机驱动器控制，十字滑块电机码盘信息由十字滑块电机驱动器读取并传回十字滑块电机控制器；移动平台到焊缝的距离的计算具体为：移动平台到焊缝的距离=十字滑块电机旋转单位×十字滑块电机码盘值＋焊缝位置数据；十字滑块电机旋转单位是指十字滑块电机旋转角度到十字滑块末端位移的换算系数，所述得到系数的方法是先测量指定电机旋转n圈，再测量十字滑块位置l，系数k=l/n。C步骤的相关内容包括十字滑块电机码盘、角度估计和传感器超前补偿。传感器超前补偿的输出即为移动平台到焊缝的距离。
焊缝跟踪传感器为本方法中唯一的位置信息反馈装置，由于缺乏移动平台前进方向与焊缝方向之间直接的角度反馈，控制过程中会因为缺少控制信息，导致控失败，所以提出了一种角度估计方法，该方法综合运用焊缝跟踪传感器、十字滑块电机码盘和移动平台电机码盘信息，并结合移动平台的分段控制策略，实现移动平台与焊缝之间的角度估计。
角度估计方法具体为：移动平台在前进过程中，如果与焊缝有夹角，则移动平台到焊缝的距离会发生变化，根据C的计算出移动平台到焊缝的距离，通过计算距离的变化量与前进距离的关系即可计算出夹角的角度。 上述夹角的计算方法为现有三角计算的常规方法。
焊缝跟踪传感器检测位置较焊枪及移动平台转轴在空间上为超前设置，在控制中体现为超前环节，本方法提出一种结合机器人机械结构、估计角度、十字滑块码盘信息、焊缝跟踪传感器信息的超前补偿方法，通过该方法，可对焊缝跟踪传感器超前进行补偿，同时计算移动平台到焊缝的实际距离。
所述超前补偿是根据估算的移动平台角度和超前的距离计算出由于超前带来的横向偏移，进而将其修正。具体计算方法为：超前距离×sin（估计角度）
D、根据上述信息计算移动平台运动参数。
上述移动平台运动参数的计算具体为：
（目标距离－移动平台到焊缝距离（由步骤C得到））×位置PID参数＝移动平台运动目标角度（此部分即为位置PID控制器）
（移动平台运动目标角度－移动平台运动角度（即由步骤C得到的夹角））×角度PID参数＝移动平台运动目标角速度（此部分即为角度PID控制器）
移动平台运动速度＝焊接目标速度－移动平台旋转补偿量（焊枪到移动平台转轴距离×移动平台旋转角速度）
根据移动平台线速度、角速度和机械结构计算前轮转向角度。
E、根据移动平台运动参数及各电机运行状态，向平台电机驱动发送指令完成多轮配合运动；
上述发送指令具体为：所述移动平台包括三个轮子，即一个前轮和两个后轮，所述前轮为驱动转向，所述的两个后轮为差速驱动，两个后轮分别有一个电机驱动，前轮包括一个驱动电机和一个转向电机；根据移动平台的运动学方程计算出每轮的运动速度，再由减速比计算出电机速度，发送指令进行控制。
移动平台的运动学方程如下：
结合图4，其中Vc为移动平台速度，ωc为移动平台转向角速度，VL、VR分别为后轮的左右轮速。E步骤包括内容为多轴运动控制算法15和移动平台电机驱动器。
上述步骤中，根据激光焊缝跟踪传感器的二维焊缝位置信息，计算十字滑块横、纵两轴的运动速度；根据十字滑块码盘及激光焊缝跟踪传感器信息，计算移动平台运动参数；根据移动平台参数及机器人机械结构，计算电机联动速度；根据电机运行电流，完成电机负载平衡算法。电机联动速度是指本移动平台只有两自由度，而有四个电机。则这些电机有约束关系，这个约束关系由机器人的机械结构决定，这些电机需要按照这个约束关系进行联动移动平台才能正常工作。
采用双闭环方式对移动平台进行运动控制，控制输入量分别为移动平台旋转角速度、移动平台与焊缝之间夹角，控制目标分别为移动平台与焊缝之间夹角、移动平台到焊缝距离。
采用多电机联合运动控制，根据移动平台运动速度、转向角速度等参数，计算出驱动轮转向电机速度与转向轮角度，向驱动轮电机驱动器发送速度指令，并采用速度模式对转向轮转向电机进行位置闭环控制，使上述电机实现联动（1-5），此外，根据驱动电机的负载情况，对转向轮的驱动电机做力矩控制，实现电机负载平衡。
结合图1，本方法控制对象是移动平台和十字滑块。其中十字滑块起到精细快速调节作用，移动平台起到慢速、大范围调节作用。该系统外部传感器为焊缝跟踪传感器（该设备可测量焊缝与传感器在垂直于焊缝平面内的相对位置，又有传感器与焊枪为相对固定安装在十字滑块上，因此通过计算可将该测量值换算为焊缝去焊枪的相对位置），结合十字滑块与移动平台上的电机码盘信息对机构进行控制。
焊缝跟踪传感器的数据出来以后由滤波器进行处理，去掉严重错误值并平滑。处理后数据同时传给十字滑块PID控制器和焊缝跟踪传感器超前补偿，前者结合焊炬给定目标对十字滑块进行精确快速控制。由于十字滑块要远远快于移动平台，因此根据十字滑块的码盘信息即可计算出焊缝到移动平台距离。通过对移动平台到焊缝的距离数据进行分析可得到焊缝与移动平台前进方向的角度信息，再结合跟踪滤波器和十字滑块码盘可计算出考虑传感器超前的移动平台到焊缝距离。将此距离作为位置闭环的反馈量，移动平台到焊缝距离控制目标为输入，进行位置PID控制。角度估计值还将作为角度闭环的输入进行角度闭环控制。由于前轮除了驱动以外还将受控转向，而转向半径实际是由前轮转向角度决定的。因此需要将移动平台转向角速度换算为前轮转向角度，再以此为目标对前轮转向进行控制，再由后轮差速配合前轮转向，这部分功能由多轴运动控制算法实现。该部分还实现了前轮驱动的力矩控制，力矩控制是根据后轮的力矩输出情况调整前轮力矩实现。最后将所有电机控制指令发送到电机驱动器完成运动控制。
如图2所示，本发明中的主控制器为贝佳莱X20 PCC控制器为依托。该控制器与ServoRobot的焊缝跟踪传感器采用串口方式连接。所有在本方案中所有电机均采用MAXON直流电机配以ELMO电机驱动-+控制器，电机驱动控制器与主控制器之间采用Can-Open现场总线连接。机器人机械本体为自行设计的全驱动复合吸附式爬行机器人。以上为本发明实现的硬件载体。
控制算法软件实现方面采用了高度模块化思想，总体分为5个模块(图3)。每个模块之间互相独立，可根据不同的传感器、机械参数、电机驱动器等更改不同模块，而不涉及控制核心算法，5个模块的功能如下：
传感器交互及滤波：针对不动的传感器开发与之相适应的通讯协议，完成传感数据获取并进行量纲统一及数据滤波运算。在本发明实现中采用的是ServoRobot的传感器，其采用RS232作为物理层，Robo2004 APP为通信协议。
十字滑块控制：根据从传感器获得的数据，采用经典控制算法向十字滑块驱动器发送命令，并得到十字滑块电机码盘信息。
移动平台运动控制：该部分实现了本方法的角度估计、超前补偿、双闭环运动控制算法。
多轴运动控制：该部分实现了驱动轮差动运动控制、转向电机闭环控制、电机负载平衡算法。
电机驱动器交互：本发明中，采用了ELMO驱动器驱动控制电机，其采用Can-Open总线与主控制器相连。该部分主要实现Can-Open协议完成主控制器与电机驱动器之间的通信。
Claims (7)
1.一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：本方法控制对象为采用激光焊缝跟踪传感器为焊缝跟踪传感器、十字滑块为执行机构的驱动轮差动、转向轮全驱动的爬行式焊接机器人，其具体步骤为：
A、获取焊缝跟踪传感器提供的二维焊缝位置信息，并做滤波处理；
B、根据处理后的信息，向十字滑块电机驱动器发送速度指令，完成十字滑块的横、纵轴运动，实现焊枪快速准确运动；
C、根据焊缝跟踪传感器提供的焊缝位置信息，及十字滑块电机码盘信息计算移动平台到焊缝的距离；
所述十字滑块电机由十字滑块电机驱动器控制，十字滑块电机码盘信息由十字滑块电机驱动器读取并传回十字滑块电机控制器；
所述移动平台到焊缝的距离的计算具体为：移动平台到焊缝的距离=十字滑块电机旋转单位×十字滑块电机码盘值＋焊缝位置数据；十字滑块电机旋转单位是指十字滑块电机旋转角度到十字滑块末端位移的换算系数，得到系数的方法是先测量指定电机旋转n圈，再测量十字滑块位置l，系数k=l/n；
D、根据上述信息计算移动平台运动参数；
E、根据移动平台运动参数及各电机运行状态，向平台电机驱动发送指令完成多轮配合运动；
上述发送指令具体为：所述移动平台包括三个轮子，即一个前轮和两个后轮，所述前轮为驱动转向，所述的两个后轮为差速驱动，两个后轮分别有一个电机驱动，前轮包括一个驱动电机和一个转向电机；根据移动平台的运动学方程计算出每轮的运动速度，再由减速比计算出电机速度，发送指令进行控制；
移动平台的运动学方程如下：
其中Vc为移动平台速度，ωc为移动平台转向角速度，VL、VR分别为后轮的左右轮速。
2.根据权利要求1所述的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：所述A步骤中的滤波处理方法为：通过一定量的历史数据对当前值进行估计，并根据估计值和错误阈值进行数据判断，除去错误数据；
所述滤波处理方法的步骤为：根据至少前10个周期的历史数据，采用滑动窗口平滑滤波法计算估计数据，如果测量值与估计值的误差超过阈值2mm，则认为该次测量数据为错误数据。
3.根据权利要求1所述的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：所述焊缝跟踪传感器为本方法中唯一的位置信息反馈装置，由于缺乏移动平台前进方向与焊缝方向之间直接的角度反馈，控制过程中会因为缺少控制信息，导致控失败，所以提出了一种角度估计方法，该方法综合运用焊缝跟踪传感器、十字滑块电机码盘和移动平台电机码盘信息，并结合移动平台的分段控制策略，实现移动平台与焊缝之间的角度估计；
所述C步骤还包括有角度估计方法，该方法具体为：移动平台在前进过程中，如果与焊缝有夹角，则移动平台到焊缝的距离会发生变化，根据C步骤的计算出移动平台到焊缝的距离，通过计算距离的变化量与前进距离的关系即可计算出夹角的角度。
4.根据权利要求3所述的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：所述D步骤移动平台运动参数的计算具体为：（目标距离－移动平台到焊缝距离）×位置PID参数＝移动平台运动目标角度；
（移动平台运动目标角度－移动平台运动角度）×角度PID参数＝移动平台运动目标角速度；
移动平台运动速度＝焊接目标速度－移动平台旋转补偿量；
根据移动平台线速度、角速度和机械结构计算前轮转向角度。
5.根据权利要求1所述的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：焊缝跟踪传感器检测位置较焊枪及移动平台转轴在空间上为超前设置，在控制中体现为超前环节，本方法提出一种结合机器人机械结构、估计角度、十字滑块码盘信息、焊缝跟踪传感器信息的超前补偿方法，通过该方法，可对焊缝跟踪传感器超前进行补偿，同时计算移动平台到焊缝的实际距离；
所述超前补偿是根据估算的移动平台角度和超前的距离计算出由于超前带来的横向偏移，进而将其修正；
具体计算方法为：超前距离×sin（估计角度）。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：采用双闭环方式对移动平台进行运动控制，控制输入量分别为移动平台旋转角速度、移动平台与焊缝之间夹角，控制目标分别为移动平台与焊缝之间夹角、移动平台到焊缝距离。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种全驱动复合吸附式爬行机器人运动机构的控制方法，其特征在于：采用多电机联合运动控制，根据移动平台运动速度、转向角速度参数，计算出驱动轮转向电机速度与转向轮角度，向驱动轮电机驱动器发送速度指令，并采用速度模式对转向轮转向电机进行位置闭环控制，使上述电机实现联动，根据驱动电机的负载情况，对转向轮的驱动电机做力矩控制，实现电机负载平衡。
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