CN106272382B - 用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统和控制方法，属于电力巡视领域，其中：模拟机械臂包括铰接设置在底座上的第一连架杆，第一连架杆末端铰接有第一上臂，第一上臂末端铰接有第一小臂，第一小臂末端铰接有第一机械手，以上两两铰接处均设置有传感器，工作机械臂结构类似模拟机械臂；模拟机械臂控制电路包括第一控制板，第一控制板输入端连接传感器，第一控制板输出端经转换板连接第一通讯模块；工作机械臂控制电路包括第二控制板，第二控制板输入端连接与第一通讯模块进行通信的第二通讯模块，第二控制板输出端分别经驱动板连接驱动机构。本发明既能实现远程实时控制工作机械臂，又能保证巡线作业准确、高效率进行。

Description

用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及电力巡视领域，特别是指一种用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统和控制方法。

背景技术

巡线机器人工作在架空高压线路上，用来检测线路及绝缘子、悬垂线夹等附属部件的状态，清理挂在线路上的杂物。通常巡线机器人通过滚轮在线路上行走，通过工作机械臂清理杂物以及辅助越障。

对于巡线机器人上的工作机械臂，目前主要有以下两种控制方式：(1)编程控制：将事先编好的程序代码上传到机械臂的控制板上，机械臂按照程序指令做相应动作，这种控制方式通常用在生产线上，每台机械臂做重复、固定的工作；(2)遥控控制：使用遥控器、无线手柄等对机械臂进行控制。这种控制方式中，依据通信协议，事先定义各按键、摇杆的功能，通过WiFi、红外等通信方式控制。

但是由于电力线路通常较复杂，巡线过程中遇到的状况不可预测，杂物的种类、大小未知，采用以上两种控制方式会存在不能远程实时控制、准确性低和效率低的问题。

发明内容

本发明提供一种既能通过地面上的模拟机械臂远程实时控制高压线上巡线机器人的工作机械臂，又能保证巡线作业准确、高效率进行的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统和控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，本发明提供一种用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，包括模拟机械臂和工作机械臂，其中：

所述模拟机械臂依据所述工作机械臂按一定比例制作，所述模拟机械臂包括铰接设置在一底座上的第一连架杆，所述第一连架杆的末端铰接有第一上臂，所述第一上臂的末端铰接有第一小臂，所述第一小臂的末端铰接有第一机械手，所述底座、第一连架杆、第一上臂、第一小臂和第一机械手的铰接处均设置有测量旋转角度的传感器；

所述工作机械臂用于设置在巡线机器人上，所述工作机械臂包括铰接设置在所述巡线机器人的机架上的第二连架杆，所述第二连架杆的末端铰接有第二上臂，所述第二上臂的末端铰接有第二小臂，所述第二小臂的末端铰接有第二机械手，所述机架、第二连架杆、第二上臂、第二小臂和第二机械手的铰接处均设置有驱动机构；

所述模拟机械臂的控制电路包括第一控制板，所述第一控制板的输入端连接所述传感器，所述第一控制板的输出端经转换板连接有第一通讯模块；

所述工作机械臂的控制电路包括第二控制板，所述第二控制板的输入端连接有与所述第一通讯模块进行通信的第二通讯模块，所述第二控制板的输出端分别经驱动板连接所述驱动机构。

进一步的，所述第一机械手包括一对第一手指，所述第一手指包括相铰接的第一节和第二节，所述第一节和第二节之间也设置有测量角度的传感器；

所述第二机械手包括一对相互铰接第二手指，所述第二手指的铰接处也设置有驱动机构。

进一步的，所述第二手指采用啮合不完全齿轮相互连接，或者采用独立驱动。

进一步的，所述第一控制板的输出端经转换板与第一通讯模块、第二通讯模块与第二控制板均通过串口连接，所述第一和第二通讯模块均为无线模块。

进一步的，所述模拟机械臂的各铰接处均采用阻尼关节，所述阻尼关节包括设置在相邻两臂铰接处的盖板、螺杆和所述传感器，其中：

所述相邻两臂包括第一臂和第二臂，所述相邻两臂的铰接处设置有限位结构，所述盖板包括中空的盖板帽和设置在所述盖板帽上的圆环状凸台，所述凸台穿过所述第一臂的铰接孔与所述第二臂的上表面接触，所述盖板和第一臂之间、所述第二臂和第一臂之间均设置有圆环形摩擦片，所述螺杆为中空螺杆，所述中空螺杆穿过所述盖板和第一臂的铰接孔，连接至所述第二臂的铰接孔，将所述盖板和第一臂铰接在所述第二臂上；

所述传感器包括基部和位于所述基部上的转动轴，所述转动轴自所述第二臂的铰接孔穿入，从所述中空螺杆中伸出，所述传感器上端配有传感器轴套，所述传感器的转动轴固定在所述传感器轴套上，所述传感器轴套固定在所述第一臂上，所述传感器的基部固定在所述第二臂上。

进一步的，所述传感器为电位器或旋转编码器，所述限位结构为位于所述第二臂与第一臂的接触面边缘的限位凸台。

进一步的，所述盖板的圆环状凸台的末端表面设置有若干等距的第一圆柱突起，所述第二臂的上表面设置有与所述第一圆柱突起相适应的第一卡槽；所述传感器的基部与所述第二臂接触的表面上设置有第二圆柱突起，所述第二臂上设置有与所述第二圆柱突起相适应的第二卡槽。

另一方面，本发明还提供一种上述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的控制方法，包括：

步骤1：所述模拟机械臂的第一控制板采集所述传感器的数值，所述第一通讯模块将采集到的所述传感器的数值实时发送给所述工作机械臂的第二通讯模块；

步骤2：所述工作机械臂上的第二通讯模块接收数据信号后，解析接收到的数据，然后发送相应的脉冲给不同部位的所述驱动机构，所述驱动机构转动相应的角度。

其中，所述步骤1中，所述第一通讯模块使用编号+传感器的数据方式发送所述传感器的数值。

本发明具有以下有益效果：

本发明的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统和控制方法，工作时作业人员用手操纵模拟机械臂，通过采集模拟机械臂上传感器的值，传输至工作机械臂的控制板，控制板根据传感器值的变化量，控制对应的驱动机构转动相应的角度。这样，模拟机械臂的动作便映射到了巡线机器人的工作机械臂上，实现了无线模拟控制。由于本发明的模拟控制系统包括模拟机械臂和工作机械臂，工作机械臂与模拟机械臂的结构对应，两者之间的通信实时连接，即使模拟机械臂没有做出动作，模拟机械臂也会将每个传感器的位置信号发送到工作机械臂上，实现了现有控制方式无法实现的远程实时控制，并且解决了现有控制方式的准确性低和效率低的问题。

附图说明

图1为本发明的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的模拟机械臂的结构示意图；

图2为本发明的巡线机器人的结构示意图；

图3为本发明的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的工作机械臂的机械手的啮合连接示意图；

图4为本发明的用于模拟机械臂的阻尼关节的整体结构示意图；

图5为本发明的用于模拟机械臂的阻尼关节的整体结构爆炸图；

图6为本发明的用于模拟机械臂的阻尼关节的盖板、第一臂和第二臂的连接爆炸图；

图7为本发明的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的模拟机械臂的控制电路示意图；

图8为本发明的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的工作机械臂的控制电路示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，如图1-8所示，包括模拟机械臂和工作机械臂，其中：

模拟机械臂依据工作机械臂按一定比例制作，模拟机械臂包括铰接设置在一底座1上的第一连架杆2，第一连架杆2的末端铰接有第一上臂3，第一上臂3的末端铰接有第一小臂4，第一小臂4的末端铰接有第一机械手5，底座1、第一连架杆2、第一上臂3、第一小臂4和第一机械手5的铰接处均设置有测量旋转角度的传感器6；

工作机械臂用于设置在巡线机器人上，工作机械臂包括铰接设置在巡线机器人的机架7上的第二连架杆8，第二连架杆8的末端铰接有第二上臂9，第二上臂9的末端铰接有第二小臂10，第二小臂10的末端铰接有第二机械手11，机架7、第二连架杆8、第二上臂9、第二小臂10和第二机械手11的铰接处均设置有驱动机构；

模拟机械臂的控制电路包括第一控制板，第一控制板的输入端连接所述传感器，第一控制板的输出端经转换板连接有第一通讯模块；

工作机械臂的控制电路包括第二控制板，第二控制板的输入端连接有与第一通讯模块进行通信的第二通讯模块，第二控制板的输出端分别经驱动板连接驱动机构。

本发明的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，工作时作业人员用手操纵模拟机械臂，通过采集模拟机械臂上传感器的值，传输至工作机械臂的控制板，控制板根据传感器值的变化量，控制对应的驱动机构转动相应的角度。这样，模拟机械臂的动作便映射到了巡线机器人的工作机械臂上，实现了无线模拟控制。由于本发明的模拟控制系统包括模拟机械臂和工作机械臂，工作机械臂与模拟机械臂的结构对应，两者之间的通信实时连接，即使模拟机械臂没有做出动作，模拟机械臂也会将每个传感器的位置信号发送到工作机械臂上，实现了现有控制方式无法实现的远程实时控制，并且解决了现有控制方式的准确性低和效率低的问题。

优选的，第一机械手5包括一对第一手指12，第一手指12包括相铰接的第一节和第二节，第一节和第二节之间也设置有测量角度的传感器6。这种结构方便工作人员操作一对第一手指的张开或闭合。另外，第二机械手11包括一对相互铰接第二手指13，第二手指13的铰接处也设置有驱动机构。第二手指13采用啮合不完全齿轮相互连接，或者采用独立驱动。采用啮合不完全齿轮相互连接只需要在其中一个第二手指安装驱动机构，另一个第二手指由于啮合关系会反方向张开或闭合。

进一步的，第一控制板的输出端经转换板与第一通讯模块、第二通讯模块与第二控制板均通过串口连接。可以实时发送和接收传感器的数据。第一和第二通讯模块均采用无线模块，优选为2.4G高频无线模块。这种通讯方式传输距离超过1km，工作空间大。第一和第二控制板均采用Arduino Due控制板。

作为本发明的一种改进，模拟机械臂的各铰接处均采用阻尼关节，阻尼关节包括设置在相邻两臂铰接处的盖板14、螺杆15和传感器6，其中：

相邻两臂包括第一臂16和第二臂17，相邻两臂的铰接处设置有限位结构，盖板14包括中空的盖板帽18和设置在盖板帽上的圆环状凸台19，凸台19穿过第一臂16的铰接孔与第二臂17的上表面接触，盖板14和第一臂16之间、第二臂17和第一臂16之间均设置有圆环形摩擦片20，螺杆15为中空螺杆，中空螺杆穿过盖板14和第一臂16的铰接孔，连接至第二臂17的铰接孔，将盖板14和第一臂16铰接在第二臂17上；

传感器6包括基部21和位于基部上的转动轴22，转动轴22自第二臂17的铰接孔穿入，从中空螺杆中伸出，传感器6上端配有传感器轴套23，传感器6的转动轴22固定在传感器轴套23上，传感器轴套23固定在第一臂16上，传感器6的基部21固定在第二臂17上。这种结构既能使第一臂相对于第二臂在转角范围内自由转动，又能对模拟机械臂施加预紧力，使机械臂保持特定姿态。

进一步的，传感器6为电位器或旋转编码器，电位器的转角范围为0～300°，限位结构为位于第二臂17与第一臂16的接触面边缘的限位凸台24，第一臂16相对于第二臂17的转角范围限定在0～300°之间的任意角度。限位凸台限定了转角范围，防止超出传感器的转角范围对传感器本身造成伤害，也防止人手的误操作导致工作机械臂做出不可预测的动作。

本发明中，盖板14的圆环状凸台19的末端表面设置有若干等距的第一圆柱突起25，第二臂17的上表面设置有与第一圆柱突起25相适应的第一卡槽26；传感器6的基部21与第二臂17接触的表面上设置有第二圆柱突起27，第二臂17上设置有与第二圆柱突起27相适应的第二卡槽(未示出)。这样盖板与第二臂不会产生相对滑动，传感器的主体和第二臂也不会相对转动。

另一方面，本发明还提供一种上述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的控制方法，包括：

步骤1：如图5所示，模拟机械臂的第一控制板采集传感器的数值，第一通讯模块将采集到的传感器的数值实时发送给工作机械臂的第二通讯模块；

步骤2：如图6所示，工作机械臂上的第二通讯模块接收数据信号后，解析接收到的数据，然后发送相应的脉冲给不同部位的驱动机构，驱动机构转动相应的角度。

优选的，步骤1中，第一控制板连续获得五次传感器的当前值，使用冒泡算法取中间值作为当前传感器的数值。这样可以减小采集到的传感器数值的波动误差。

进一步的，步骤1中，第一通讯模块使用编号+传感器的数据方式发送传感器的数值。这种方式可以有效发送第一控制板获取的多组传感器的数值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，其特征在于，包括模拟机械臂和工作机械臂，其中：

所述模拟机械臂依据所述工作机械臂按一定比例制作，所述模拟机械臂包括铰接设置在一底座上的第一连架杆，所述第一连架杆的末端铰接有第一上臂，所述第一上臂的末端铰接有第一小臂，所述第一小臂的末端铰接有第一机械手，所述底座、第一连架杆、第一上臂、第一小臂和第一机械手的铰接处均设置有测量旋转角度的传感器；

所述工作机械臂用于设置在巡线机器人上，所述工作机械臂包括铰接设置在所述巡线机器人的机架上的第二连架杆，所述第二连架杆的末端铰接有第二上臂，所述第二上臂的末端铰接有第二小臂，所述第二小臂的末端铰接有第二机械手，所述机架、第二连架杆、第二上臂、第二小臂和第二机械手的铰接处均设置有驱动机构；

所述模拟机械臂的控制电路包括第一控制板，所述第一控制板的输入端连接所述传感器，所述第一控制板的输出端经转换板连接有第一通讯模块；

所述工作机械臂的控制电路包括第二控制板，所述第二控制板的输入端连接有与所述第一通讯模块进行通信的第二通讯模块，所述第二控制板的输出端分别经驱动板连接所述驱动机构；

所述模拟机械臂的各铰接处均采用阻尼关节，所述阻尼关节包括设置在相邻两臂铰接处的盖板、螺杆和所述传感器，其中：

所述相邻两臂包括第一臂和第二臂，所述相邻两臂的铰接处设置有限位结构，所述盖板包括中空的盖板帽和设置在所述盖板帽上的圆环状凸台，所述凸台穿过所述第一臂的铰接孔与所述第二臂的上表面接触，所述盖板和第一臂之间、所述第二臂和第一臂之间均设置有圆环形摩擦片，所述螺杆为中空螺杆，所述中空螺杆穿过所述盖板和第一臂的铰接孔，连接至所述第二臂的铰接孔，将所述盖板和第一臂铰接在所述第二臂上；

所述传感器包括基部和位于所述基部上的转动轴，所述转动轴自所述第二臂的铰接孔穿入，从所述中空螺杆中伸出，所述传感器上端配有传感器轴套，所述传感器的转动轴固定在所述传感器轴套上，所述传感器轴套固定在所述第一臂上，所述传感器的基部固定在所述第二臂上。

2.根据权利要求1所述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，其特征在于，所述第一机械手包括一对第一手指，所述第一手指包括相铰接的第一节和第二节，所述第一节和第二节之间也设置有测量角度的传感器；

所述第二机械手包括一对相互铰接第二手指，所述第二手指的铰接处也设置有驱动机构。

3.根据权利要求2所述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，其特征在于，所述第二手指采用啮合不完全齿轮相互连接，或者采用独立驱动。

4.根据权利要求1所述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，其特征在于，所述传感器为电位器或旋转编码器，所述限位结构为位于所述第二臂与第一臂的接触面边缘的限位凸台。

5.根据权利要求4所述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统，其特征在于，所述盖板的圆环状凸台的末端表面设置有若干等距的第一圆柱突起，所述第二臂的上表面设置有与所述第一圆柱突起相适应的第一卡槽；所述传感器的基部与所述第二臂接触的表面上设置有第二圆柱突起，所述第二臂上设置有与所述第二圆柱突起相适应的第二卡槽。

6.权利要求1-5中任一所述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：所述模拟机械臂的第一控制板采集所述传感器的数值，所述第一通讯模块将采集到的所述传感器的数值实时发送给所述工作机械臂的第二通讯模块；

步骤2：所述工作机械臂上的第二通讯模块接收数据信号后，解析接收到的数据，然后发送相应的脉冲给不同部位的所述驱动机构，所述驱动机构转动相应的角度。

7.根据权利要求6所述的用于巡线机器人机械臂的模拟控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，所述第一通讯模块使用编号+传感器的数据方式发送所述传感器的数值。