CN104627883B - 多功能模块化柔索导向装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多功能模块化柔索导向装置以及检测方法，包括主机箱，主机箱上设有柔索装置，滑轮装置以及单片机、无线通讯模块以及LED显示屏幕，柔索装置和滑轮装置安装有传感器以及应变力感应器，柔索通过滑轮装置到达柔索装置，通过各类传感器测量柔索张力，结合空间几何关系进行柔索张力以及位姿的测试，由单片机将各类信息进行采集、分析和处理，准确定位柔索位姿，显示模块将结果数据及时显示在LED屏幕上，单片机内还设有报警模块，柔索张力超出额定张力时能及时报警提示，无限通讯模块，便于远程观测分析与控制；本发明用模块化设计，便于安装、拆卸与运输，本发明检测方法测量效果好，在柔索受力以及角度测量方面具有广泛的实用性。

Description

多功能模块化柔索导向装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种多功能柔索导向装置及检测方法，特别适用于矿井提升、柔索并联机构、柔性康复机器人等设备连续变向过程中柔索的导向或者柔索位姿、张力的检测，属于设备安全技术领域。

背景技术

柔索作为一种牵引、承载的关键构件，由质量轻、结构简单，易于变向、承载能力大，在交通运输、矿井提升、大型射电望远镜、柔性康复机器人、柔性机械制造业等重要国民经济建设领域中，起着至关重要的作用。传统的柔索导向装置一般采用固定滑轮进行导向，会导致柔索的工作空间极度减小，不能把柔索所具有的特点以及优点发挥出来，在现场作业过程中，受多重外界因素影响，如载荷波动、紧急变向等因素，会出现过度磨损、阻塞卡死、偏向脱轨等现象，导致柔性钢丝绳因受力变化频繁而出现机械疲劳，甚至会出现断裂而造成不可挽回的伤亡。关于柔索导向装置，公布号为CN102627234A的发明专利公开的《一种具有测力功能的柔索牵引装置》提供了一种能够检测柔索动态张力的装置，通过三个滑轮采用封闭设计增大工作空间，由拉力传感器检测张力，存在的不足是装置无法检测柔索的位姿形态。公布号为CN102494828A的发明专利公开的《一种纵向电容式钢丝绳张力检测方法和装置》提供了一种电容式钢丝绳张力检测方法和装置，其原理是由绳索的弹性伸缩测出附加在柔索上电容上下极板距离变化，从而由电容值测出柔索的张力，存在的不足之处是不能检测绳索受到破损之后的张力。随着柔索在制造业各个领域的应用越来越广泛，并起着越来越重要的作用，因此，对柔索导向装置的稳定、智能、可视、精度等方面提出了越来越高的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的不足，提出一种柔索导向装置及检测方法，该装置能够有效处理了柔索在现场作业过程中的脱轨、卡死等问题，实现柔索快速大幅度自由变向，提高柔索的操作空间；内置检测装置并由特定算法可直接计算出柔索位姿、张力，并显示在LED屏幕上，附有报警模块，为柔索在超过额定张力下及时报警，减少安全隐患，从而增强了导向稳定性，提高了数据精确性，增大了操作空间，扩展了数据显示模块，并提升了操作的安全性。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多功能模块化柔索导向装置，包括主机箱，所述主机箱上设有柔索装置，所述柔索装置包括位于箱体内部的球铰支撑杆，所述球铰支撑杆焊接在主机箱内底部，其顶端位于前盖中心，所述前盖中心空设有孔，所述球铰支撑杆焊接顶端内置球形内圈，球形内圈伸出前盖的孔，还包括漏斗形导向管道，所述漏斗形导向管道一端通过固体黏结剂与球形内圈固化为一体，并且漏斗形导向管道内部的锥形尖端与球形内圈中心重合，另一端部均匀分布有三个环扣；还包括拉线位移传感器三、拉线位移传感器一、拉线位移传感器二，拉线位移传感器三螺栓固定在主箱体外部侧盖中部，拉线位移传感器一和拉线位移传感器二分别螺栓固定在主箱体内部侧盖上，三个拉线位移传感器关于球形内圈均匀分布，从三个拉线位移传感器发出的拉线分别固连在漏斗形导向管道端部的三个环扣上，所述球铰支撑杆相邻的两侧面上还贴附有应变片传感器一和应变片传感器二；

所述主机箱内部还设有滑轮装置，所述滑轮装置包括嵌装在滑轮支撑杆一顶端的滑轮一、嵌装在滑轮支撑杆二底端的滑轮二，所述滑轮支撑杆一焊接在主机箱底部，所述滑轮支撑杆二焊接在主机箱顶部，所述滑轮支撑杆二位于球铰支撑杆和滑轮支撑杆一之间，所述滑轮支撑杆二和滑轮支撑杆一的长度保证球形内圈中心与滑轮一导向凹槽上侧、滑轮二导向凹槽下侧处于同一高度；所述滑轮支撑杆二相邻两侧面上还贴附有应变片传感器三和应变片传感器四；

所述主机箱内部还设有单片机模块，所述拉线位移传感器一、拉线位移传感器二、拉线位移传感器三、应变片传感器一、应变片传感器二、应变片传感器三、应变片传感器四的输出端接入单片机模块，所述单片机模块的输出端连接有LED显示屏幕，所述单片机的输出端还连接有无线通讯设备，所述无线通讯模块可用于与主机箱外界PC机的无线通讯。所述LED显示屏幕位于主箱体前侧盖上。

采用多功能模块化柔索导向装置进行柔索张力和位姿的检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.跨绕在滑轮二上柔索张力的检测：将柔索经过滑轮一导向凹槽的上侧穿过，经由滑轮二导向凹槽下侧，再经过漏斗形导向管道穿出，由于柔索时刻处于绷紧状态，滑轮支撑杆二会受到柔索的张力，通过应变片传感器三、应变片传感器四可以测量滑轮支撑杆二所承受的压力，由于绕在滑轮二导向凹槽的柔索发生弯曲，绕在滑轮二上的两段柔索的夹角可以由测量工具测得，通过受力分解，可由滑轮支撑杆二受到的压力计算出跨绕在滑轮二上柔索的张力；

b.柔索位姿的检测：柔索经过漏斗形导向管道穿出，穿出的柔索在漏斗形导向管道允许的转动范围内改变方向，同时带动漏斗形导向管道以球形内圈中心为球心而转动，使其在不同时刻具有不同的位姿，漏斗形导向管道末端固连三个拉线位移传感器的拉线，根据三个拉线位移传感器拉线实际测量的距离和已知空间几何关系计算出漏斗形导向管道相对于其初始位置的位姿，因为柔索通过漏斗形导向管道穿出，则漏斗形导向管道的位姿即为柔索的位姿；

c.穿出漏斗形导向管道柔索的张力检测：通过应变片传感器一、应变片传感器二测量球铰支撑杆所承受的压力，由球铰支撑杆所受到的压力、漏斗形导向管道相对于初始位置的位姿以及跨绕在滑轮二上柔索的张力，以及已知的空间几何关系和受力平衡条件计算出穿出漏斗形导向管道柔索的张力；

d.实现检测与数据的显示、报警、通讯相结合：所述单片机模块接收所有应变片传感器以及拉线位移传感器测量数据并进行分析处理，并在LED显示屏幕显示结果，所述结果包括漏斗形导向管道的位姿、跨绕在滑轮上柔索受到的张力以及穿过漏斗形导向管道之后柔索中的张力，若上述任意一处张力超过柔索所能承受的最大拉力，单片机模块自带的报警子模块将会启动，及时报警提醒用户进行相应的调节，另外，通过单片机模块外部接口连接的无线通讯设备发出信息，将结果及时的显示在用户PC主屏幕上。

本发明的有益效果体现在：

本发明采用特制的漏斗形导向管道对柔索进行导向，在现场运行过程中，柔索不会由于载荷波动、紧急变向等因素而出现脱落、卡死、阻塞问题，导向性能稳定；本漏斗形导向管道一端采用内锥形设计，避免了柔索的应力集中，减少了柔索与导向装置之间的摩擦力，同时有效提高了柔索的工作空间，若柔索牵引方向发生改变，同时位于球形内圈的漏斗形导向管道能够为持续变化方向的柔索进行导向；本检测装置采用各类传感器直接测量数据，通过空间几何关系进行分析计算，准确定位了柔索位姿，并提高了测量数据的精确性；本检测装置附有显示模块和报警模块，由单片机将各类信息进行采集、分析和处理，将结果数据及时显示在LED屏幕上，直观形象，便于现场调试与检测，单片机模块内置报警子模块，柔索张力超出额定张力时能及时报警提示，减少安全事故；同时具有无限发射模块，便于远程观测分析与控制；本发明装置结构简单紧凑，体积小，整体采用模块化设计，便于安装、拆卸与运输，本发明检测方法测量效果好，抗干扰性能强，在柔索受力以及角度测量方面具有广泛的实用性。

附图说明：

图1是本发明的总装配图；

图2(a)是本发明前盖视图；

图2(b)是本发明除去前盖和侧盖的装配图；

图2(c)是本发明侧盖视图；

图3是本发明去侧盖的侧视图；

图4是本发明嵌入在球铰支撑杆内部的环形内圈示意图；

图5是本发明粘固在环形内圈中的漏斗形导向管道示意图；

图6是本发明跨绕在滑轮二上柔索张力的检测原理图；

图7是本发明的穿出漏斗形导向管道柔索位姿(角度)的检测原理图；

图8是本发明穿出漏斗形导向管道柔索所受张力的检测原理图；

图9是本发明多功能柔索导向装置检测系统示意框图；

图10是本发明多功能柔索导向装置检测方法流程图。

图中：1:滑轮一，2:无线通讯设备，3:滑轮支撑杆一，4:滑轮二，5:滑轮支撑杆二，6:单片机模块，7:主箱体，8:拉线位移传感器三，9:球铰支撑杆，10:应变片传感器一，11:应变片传感器二，12:拉线位移传感器一，13:漏斗形导向管道，14:球形内圈，15:拉线位移传感器二，16:前盖，17:侧盖，18:LED显示屏幕19:应变片传感器三，20:应变片传感器四。

具体实施方式

下面结合附图1-5实施例对本发明做进一步的说明。

一种多功能模块化柔索导向装置，包括主机箱，所述主机箱上设有柔索装置，所述柔索装置包括位于箱体内部的球铰支撑杆9，所述球铰支撑杆9焊接在主机箱内底部，其顶端位于前盖16中心，所述前盖16中心空设有孔，所述球铰支撑杆9焊接顶端内置球形内圈14，球形内圈14伸出前盖16的孔，还包括漏斗形导向管道13，所述漏斗形导向管道13一端通过固体黏结剂与球形内圈14固化为一体，并漏斗形导向管道13内部的锥形尖端与球形内圈14中心重合，另一端部均匀分布有三个环扣；还包括拉线位移传感器三8、拉线位移传感器一12、拉线位移传感器二15，拉线位移传感器三8螺栓固定在主箱体7外部侧盖17中部，拉线位移传感器一12和拉线位移传感器二15分螺栓固定在主箱体7内部侧盖上，三个拉线位移传感器关于球形内圈14均匀分布，从三个拉线位移传感器发出的拉线分别固连在漏斗形导向管道13端部的三个环扣上，所述球铰支撑杆9相邻的两侧面上还贴附有应变片传感器一10和应变片传感器二11；

所述主机箱内部还设有滑轮装置，所述滑轮装置包括嵌装在滑轮支撑杆一3顶端的滑轮一1、嵌装在滑轮支撑杆二5底端的滑轮二4，所述滑轮支撑杆一3焊接在主机箱底部，所述滑轮支撑杆二5焊接在主机箱顶部，所述滑轮支撑杆二5位于球铰支撑杆9和滑轮支撑杆一3之间，所述滑轮支撑杆二5和滑轮支撑杆一3的长度保证球形内圈14中心与滑轮一1导向凹槽上侧、滑轮二4导向凹槽下侧处于同一高度；所述滑轮支撑杆二5相邻两侧面上还贴附有应变片传感器三19和应变片传感器四20。

所述主机箱内部还设有单片机模块6，所述拉线位移传感器一12、拉线位移传感器二15、拉线位移传感器三8、应变片传感器一10、应变片传感器二11、应变片传感器三19、应变片传感器四20的输出端接入单片机模块6，所述单片机模块6的输出端连接有LED显示屏幕18所述单片机的输入端还连接有无线通讯设备2。所述LED显示屏幕18位于主箱体侧盖17上。所述无线通讯模块2用于与主机箱外界PC机的无线通讯。

所述的多功能柔索导向装置的检测方法详细步骤如下：

a.跨绕在滑轮二4上柔索的张力的检测：在多功能导向装置中安装柔索，在运行的过程中，柔索经过滑轮一1导向凹槽的上侧穿过，经过滑轮二4导向凹槽下侧，再经过漏斗形导向管道13穿出，由于柔索时刻处于绷紧状态，滑轮支撑杆二5会受到柔索张力，通过贴附在滑轮支撑杆二5上的应变片传感器三19、应变片传感器四20可以测出滑轮支撑杆二5所承受的压力，由于绕在滑轮二4导向凹槽的柔索发生弯曲，绕在滑轮二4上的两段柔索的夹角可以由测量工具测得，通过受力分解可以通过滑轮支撑杆二5所受到的力计算出跨绕在滑轮二4上柔索张力大小。

结合图6，在柔索运行的过程中，跨绕过滑轮二4的两段柔索的夹角可以通过测量仪器测得为2α，因跨绕在滑轮二4的两段柔索的张力大小相等，根据受力分解得：

F₂＝F₃＝F¹/(2×cosα)

从而得出跨绕在滑轮二4上柔索张力大小F2。

b.柔索位姿的检测：所述的柔索经过漏斗形导向管道13穿出，穿出的柔索可以在漏斗形导向管道13允许的转动范围内改变方向，同时带动漏斗形导向管道13以球形内圈中心为球心而转动，使其在不同时刻具有不同的位姿。漏斗形导向管道13末端固连三个拉线位移传感器的拉线，根据每个拉线位移传感器拉线距离的不同以及已知的空间几何关系可以计算出漏斗形导向管道13相对于初始位置转动的位姿。

结合图7，A点、B点、C点分别表示三个拉线位移传感器的拉线输出端，DO段表示漏斗形导向管道13，其中D点表示漏斗形导向管道13的柔索输出端，O点表示固粘在球形内圈14中可自由转动的一端，AD段、BD段、CD段分别表示三个拉线位移传感器和漏斗形导向管道13末端环扣连接的拉线。图7中，(a)图表示漏斗形导向管道13在不受柔索导向牵引时的原始位置立体图，默认原始位置中漏斗形导向管道13OD段垂直于三个拉线位移传感器拉线输出端A点、B点、C点构成的平面，(b)图表示漏斗形导向管道13受到柔索导向牵引而改变位姿之后的立体图。漏斗形导向管道13OD段可以O点为球心在允许的范围内自由转动，并带动拉线AD、BD、CD段变化，拉线AD、BD、CD段均可以通过拉线位移传感器测得，AB、BC、CA段长度已知，O点位于三角形ABC中心。

图7(b)中，三角形ABC为正三角形，且变长已知，O点为三角形ABC的中心，拉线长度均已知，且假设：AD<BD<CD,D点在三角形ABC面的投影点为H点，连接OH并延长交AB于E点，DH垂直于OE，通过空间几何关系进行计算：

有余弦定理得：

cos∠ADB＝(DA²+DB²-AB²)/(2×DA×DB)

cos∠ADC＝(DA²+DC²-AC²)/(2×DA×DC)

cos∠BDC＝(DB²+DC²-BC²)/(2×DB×DC)

四面体O-ABC的体积为：

三角形ABC的面积：

则四面体高度：

DH＝3×V/S

在三角形DHO中：

cos∠HDO＝DH/DO

得：∠HDO＝arc cos(DH/DO)

∠HDO即为漏斗形导向管道13改变位姿后和原始位置的夹角；

又：

cos∠DOA＝(OD²+OA²-AD²)/(2×OD×DA)

得：

∠HOD即为漏斗形导向管道13在面ABC投影与线CF的夹角；

由图7(b)图，漏斗形导向管道13一端(O点)属于球铰类，具有三个自由度，因漏斗形导向管道13的自转自由度对本角度检测无影响，则剩余两个自由度，可以通过转角∠HDO和∠HOD表示，从而确定了漏斗形导向管道13的位姿，因为柔索通过漏斗形导向管道13穿出，则漏斗形导向管道13的位姿即为柔索的位姿。

c.穿出漏斗形导向管道柔索13的张力检测：贴附在球铰支撑杆9上的应变片传感器一10、应变片传感器二11可以测出球铰支撑杆9所承受的压力，由球铰支撑杆9所受到的压力、漏斗形导向管道13相对于原位置的位姿以及已知的空间几何关系，可以计算出穿出漏斗形导向管道13的柔索中的张力。

结合图8柔索对球铰支撑杆9压力F5的大小和方向可以通过应变片传感器一10和应变片传感器二11测得，设F5方向与X轴负方向的空间夹角为η，柔索张力F2’与上述图6中F2大小相等方向相反，设与X轴负方向夹角为γ，F4为穿出漏斗形导向管道13柔索所受到的张力，与X轴的夹角为β＝∠HDO，把所有的力均分解在X轴上得：

F₄×cosβ＝F′₂×cosγ+F₅×cosη

F₄＝(F^′ ₂×cosγ+F₅×cosη)/(F₄×cosβ)

F₄即为穿出漏斗形导向管道13柔索中的张力。

d.检测系统实现数据显示、报警、通讯的方法和流程。图9、图10，分析处理数据过程均在单片机模块6内部完成，所述的拉线位移传感器、应变片传感器将检测的数据通过外部接口电路传输到单片机模块6，经过数据的分析处理，由与单片机模块6相连的LED显示屏幕18显示出漏斗形导向管道13的位姿(通过转角∠HDO和∠HOD表示)、跨绕在滑轮二4上柔索张力以及穿过漏斗形导向管道13之后柔索张力，若所述的张力超过了柔索所能承受的最大拉力，单片机模块6自带的报警器将会启动，及时提醒用户进行相应的调节，另外，单片机模块6外部接口通过连接无线通讯设备2发出信息，及时的显示在用户PC主屏幕上，便于检测人员进行观测、校正。

Claims (6)

1.一种多功能模块化柔索导向装置，包括主机箱，所述主机箱上设有柔索装置，其特征在于：所述柔索装置包括位于箱体内部的球铰支撑杆，所述球铰支撑杆焊接在主机箱内底部，其顶端位于前盖中心，所述前盖中心空设有孔，所述球铰支撑杆顶端内置球形内圈，球形内圈伸出前盖的孔，还包括漏斗形导向管道，所述漏斗形导向管道一端通过固体黏结剂与球形内圈固化为一体，并且漏斗形导向管道内部的锥形尖端与球形内圈中心重合，另一端部均匀分布有三个环扣；还包括三个拉线位移传感器，三个拉线位移传感器关于球形内圈均匀分布，从三个拉线位移传感器发出的拉线分别固连在漏斗形导向管道端部的三个环扣上，所述球铰支撑杆相邻的两侧面上还贴附有应变片传感器一和应变片传感器二；所述主机箱内部还设有滑轮装置，所述滑轮装置包括嵌装在滑轮支撑杆一顶端的滑轮一、嵌装在滑轮支撑杆二底端的滑轮二，所述滑轮支撑杆二位于球铰支撑杆和滑轮支撑杆一之间，所述滑轮支撑杆二相邻两侧面上还贴附有应变片传感器三和应变片传感器四；所述主机箱内部还设有单片机模块和无线通讯模块和LED显示屏幕，所述拉线位移传感器一、拉线位移传感器二、拉线位移传感器三、应变片传感器一、应变片传感器二、应变片传感器三、应变片传感器四的输出端接入单片机模块，所述单片机模块的输出端连接有LED显示屏幕和无线通讯设备。

2.根据权利要求1所述的一种多功能模块化柔索导向装置，其特征在于：所述滑轮支撑杆一焊接在主机箱底部，所述滑轮支撑杆二焊接在主机箱顶部，所述滑轮支撑杆二和滑轮支撑杆一的长度保证球形内圈中心与滑轮一导向凹槽上侧、滑轮二导向凹槽下侧处于同一高度。

3.根据权利要求1所述的一种多功能模块化柔索导向装置，其特征在于：所述三个拉线传感器为拉线位移传感器一、拉线位移传感器二、拉线位移传感器三；拉线位移传感器一和拉线位移传感器二分别螺栓固定在主箱体内部侧盖上，拉线位移传感器三螺栓固定在主箱体外部侧盖中部。

4.根据权利要求1所述的一种多功能模块化柔索导向装置，其特征在于：所述无线通讯模块用于与主机箱外界PC机的无线通讯。

5.根据权利要求1所述的一种多功能模块化柔索导向装置，其特征在于：所述LED显示屏幕位于主箱体前侧盖上。

6.采用如权利要求1~5所述的多功能模块化柔索导向装置进行柔索张力和位姿的检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a．跨绕在滑轮二上柔索张力的检测：将柔索经过滑轮一导向凹槽的上侧穿过，经由滑轮二导向凹槽下侧，再经过漏斗形导向管道穿出，由于柔索时刻处于绷紧状态，滑轮支撑杆二会受到柔索的张力，通过应变片传感器三、应变片传感器四可以测量滑轮支撑杆二所承受的压力，由于绕在滑轮二导向凹槽的柔索发生弯曲，绕在滑轮二上的两段柔索的夹角可以由测量工具测得，通过受力分解，可由滑轮支撑杆二受到的压力计算出跨绕在滑轮二上柔索的张力；

b．柔索位姿的检测：柔索经过漏斗形导向管道穿出，穿出的柔索在漏斗形导向管道允许的转动范围内改变方向，同时带动漏斗形导向管道以球形内圈中心为球心而转动，使其在不同时刻具有不同的位姿，漏斗形导向管道末端固连三个拉线位移传感器的拉线，根据三个拉线位移传感器拉线实际测量的距离和已知空间几何关系计算出漏斗形导向管道相对于其初始位置的位姿，因为柔索通过漏斗形导向管道穿出，则漏斗形导向管道的位姿即为柔索的位姿；

c．穿出漏斗形导向管道柔索的张力检测：通过应变片传感器一、应变片传感器二测量球铰支撑杆所承受的压力，由球铰支撑杆所受到的压力、漏斗形导向管道相对于初始位置的位姿以及跨绕在滑轮二上柔索的张力，以及已知的空间几何关系和受力平衡条件计算出穿出漏斗形导向管道柔索的张力；

d．实现检测与数据的显示、报警、通讯相结合：所述单片机模块接收所有应变片传感器以及拉线位移传感器测量数据并进行分析处理，并在LED显示屏幕显示结果，所述结果包括漏斗形导向管道的位姿、跨绕在滑轮上柔索受到的张力以及穿过漏斗形导向管道之后柔索中的张力，若上述任意一处张力超过柔索所能承受的最大拉力，单片机模块自带的报警子模块将会启动，及时报警提醒用户进行相应的调节，另外，通过单片机模块外部接口连接的无线通讯设备发出信息，将结果及时的显示在用户PC主屏幕上。