CN106826831B - 检测钢结构壁面的行走机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

检测钢结构壁面的行走机器人控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及特种机器人控制技术领域，尤其是涉及一种检测钢结构壁面的行走机器人控制系统及控制方法。该检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，包括用于行走的行进足、用于固定的吸附足和控制器，通过在行进足和吸附足上设置电磁吸盘，通过继电器控制电磁吸盘的通断电，实现行走机器人在壁面上的吸附；通过控制器对第二舵机、第三舵机和第四舵机的控制，完成行进足和吸附足在壁面上的交替前行；通过在行进足的外周面和底部设置超声测距传感器和红外光电开关，且在吸附足上设置第五舵机，在行进足上设置第一舵机，实现行走机器人的避崖行走、自动避障的功能。

Description

检测钢结构壁面的行走机器人控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及特种机器人控制技术领域，尤其是涉及一种检测钢结构壁面的行走机器人控制系统及控制方法。
背景技术
在役起重机、钢结构桥梁等大型钢结构设备的高空检测作业，目前主要由工人手动完成，这种检测方式需要工人高空作业，不仅劳动强度大、作业效率低，而且存在极大的安全风险。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种检测钢结构壁面的行走机器人控制系统及控制方法。利用该控制系统及控制方法，能够实现钢结构壁面的自动检测，检测效率高，大大降低了工人的劳动强度。
本发明采用的技术方案是：一种检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，其特征在于：包括用于行走的行进足、用于固定的吸附足和控制器，所述行进足和吸附足底部均设有电磁吸盘，所述行进足上设有用于控制行进足旋转的第一舵机，所述行进足的顶部与第一连杆的一端通过第二舵机连接，所述第一连杆的另一端与第二连杆的一端通过第三舵机连接，所述第二连杆的另一端与吸附足的顶部通过第四舵机连接，所述第二舵机、第三舵机和第四舵机相互配合带动行进足向前运动，所述吸附足上设有用于控制行进足、第一连杆和第二连杆做整体旋转的第五舵机；所述行进足外周面上设有用于探测障碍物位置的超声测距传感器和红外光电开关，所述行进足底部设有用于探测行进足位置的超声测距传感器；所述控制器与第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、电磁吸盘、超声测距传感器和红外光电开关均相连。
作为优选，所述行进足和吸附足底部的电磁吸盘均通过继电器控制。
作为优选，所述控制器均通过无线蓝牙的方式与第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机、第五舵机、电磁吸盘、超声测距传感器和红外光电开关进行信号传输。
作为优选，所述行进足外周面上设有两路超声测距传感器和两路红外光电开关，所述两路超声测距传感器和两路红外光电开关均匀布置在行进足外周面上90°范围内。
作为优选，所述行进足底部均匀布置有三路超声测距传感器。
一种检测钢结构壁面的行走机器人控制方法：包括以下步骤：
a、将控制器切换到手动模式，在手动模式下通过控制器的界面操作，使得行走机器人到达待检测钢结构的壁面上；将控制系统状态进行初始化，此时第一舵机所在的行进足和第五舵机所在的吸附足与壁面垂直，第一连杆和第二连杆与壁面夹角均为45°，第一连杆和第二连杆相互之间夹角为90°，吸附足的电磁吸盘所对应的继电器闭合，吸附足的电磁吸盘得电吸附在壁面上，行进足的电磁吸盘未通电贴于壁面；
b、将控制器切换到自动模式，控制器依次控制第四舵机、第三舵机和第二舵机转动，带动行进足在壁面上前行，同时行进足外周面上超声测距传感器和红外光电开关探测行进足前方的障碍物信息，将行进足前方障碍物信息传送到控制器中，控制器综合分析障碍物信息；
c、若行进足前方有障碍物，则控制第五舵机转动带动行进足、第一连杆和第二连杆作整体旋转，重复步骤b，直至行进足前方没有障碍物；若行进足前方没有障碍物，则第五舵机不转动，行进足在壁面上继续前行；
d、当行进足前行到再次与壁面处于垂直状态且第一连杆与第二连杆之间的夹角为150°时，位于行进足底部的超声测距传感器获取各自的位置信息，将位置信息传输到控制器中，控制器综合行进足底部的超声测距传感器位置信息，分析判断行进足是否处于壁面边界外，进而控制第五舵机转动的转动角度和方向；
e、若行进足处于壁面边界外，则控制器控制第五舵机转动带动行进足、第一连杆和第二连杆作整体旋转，重复步骤d，直至第五舵机不转动，即行进足处于壁面边界内；若行进足处于壁面边界内，控制器控制行进足的电磁吸盘所对应的继电器闭合，行进足的电磁吸盘得电吸附在壁面上，此时行进足和吸附足同时吸附在壁面上，此时检测设备开始工作完成所在位置的检测任务；
f、检测设备完成所在位置的检测工作后，控制器控制吸附足的电磁吸盘对应的继电器断开，吸附足的电磁吸盘贴于壁面，控制器依次控制第二舵机、第三舵机和第四舵机带动吸附足向前运动，运动到第一舵机所在的行进足和第五舵机所在的吸附足与壁面垂直，第一连杆和第二连杆与壁面夹角分别为45°，第一连杆和第二连杆相互之间夹角为90°为止；控制器控制吸附足的电磁吸盘对应的继电器闭合，吸附足的电磁吸盘得电吸附在壁面上，控制器控制行进足的电磁吸盘对应的继电器断开，行进足的电磁吸盘断电贴于壁面，此时行走机器人回到初始化状态；
g、重复步骤b～f，即可完成下一个壁面位置的检测，当行走机器人遍历钢结构的所有壁面后，切换到手动模式，使行走机器人返回地面。
作为优选，所述步骤b中，行进足外周面上90°范围内均匀设置有两路超声测距传感器和两路红外光电开关，行进足上设有控制行进足自转的第一舵机，控制器通过第一舵机控制行进足旋转，实现行进足前方180°范围内障碍物信息的探测。
作为优选，所述步骤d中，行进足底部均匀设置有三路超声测距传感器，行进足上设有控制行进足自转的第一舵机，控制器通过第一舵机控制行进足旋转，实现行进足底部多个位置信息的检测。
本发明取得的有益效果是：通过在行进足和吸附足上设置电磁吸盘，通过继电器控制电磁吸盘的通断电，实现行走机器人在壁面上的吸附；通过控制器对第二舵机、第三舵机和第四舵机的控制，完成行进足和吸附足在壁面上的交替前行；通过在行进足的外周面和底部设置超声测距传感器和红外光电开关，且在吸附足上设置第五舵机，在行进足上设置第一舵机，实现行走机器人的避崖行走、自动避障的功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的行进足结构示意图；
图3为行走机器人初始状态结构示意图；
图4为行走机器人检测状态结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-2所示，本发明的一种检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，包括行进足1、吸附足2、第一舵机31、第二舵机32、第三舵机33、第四舵机34、第五舵机35、第一连杆41、第二连杆42和控制器8，行进足1和吸附足2底部均设有电磁吸盘5，控制器8通过控制继电器的通断电来控制电磁吸盘5是否吸附在刚结构的壁面上，第一舵机31设置在行进足1用于控制行进足1的自转角度和方向，第二舵机32设置在行进足1与第一连杆41的连接处，用来控制行进足1与第一连杆41的相对转动，第三舵机33设置在第一连杆41与第二连杆42的连接处，用来控制第一连杆41与第二连杆42的相对转动，第四舵机34设置在第二连杆42与吸附足2连接处，用来控制第二连杆42与吸附足2的相对转动，控制器8通过对第二舵机32、第三舵机33和第四舵机34的控制，可以实现行进足1或吸附足2在壁面上的行走；第五舵机35设置在吸附足2上，用于控制行进,1、第一连杆41和第二连杆42相对于吸附足2作整体旋转。
如图2所示，行进足1外周面上设有用于探测障碍物位置的两路超声测距传感器6和两路红外光电开关7，两路超声测距传感器6和两路红外光电开关7均匀设置在行进足1外周面的90°范围内，能够有效探测行进足1一侧的障碍物信息，第一舵机31可以带动行进足1绕自身轴向作90°旋转，从而能够实现行进足1前面180°范围内无死角的探测，同时能够减少传感器的个数，降低成本。行进足1顶部呈120°布置有三路超声测距传感器6，经由第一舵机31带动行进足1作60°自转，可用来探测行进足1足底对称分布的6个位置是否处于崖中(即壁面边界外)，判断行进足处于崖中的程度，并据此得出第五舵机35需要转动的方向和角度，从而实现行走机器人避崖行走。
控制器8选用的单片机芯片带有多通道较高精度的A/D和多通道增强型带死区控制PWM波形发生器，多个硬件串口，并自带五路PWM模块，且其程序存储和数据存储空间相对较大。单片机将规划好的步态参数存入，根据定时器产生的时钟将相应关节数据发送到底层驱动单元，同时通过传感器返回的信号感知周围环境，并及时对运动状态进行调整。
控制器8通过通讯模块与第一舵机31、第二舵机32、第三舵机33、第四舵机34、第五舵机35、电磁吸盘5、超声测距传感器6和红外光电开关7进行双向信号传输，通讯模块选用型号HC-06蓝牙模块，蓝牙模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，频率为2.4GHz，可自行设置常用波特率，配对以后当全双工串口使用，空旷地通讯的有效距离为10m。
一种检测钢结构壁面的行走机器人控制方法：包括以下步骤：
a、将控制器8切换到手动模式，在手动模式下通过控制器8的界面操作，使得行走机器人到达待检测钢结构的壁面上；将控制系统状态进行初始化，此时第一舵机31所在的行进足1和第五舵机35所在的吸附足2与壁面垂直，第一连杆41和第二连杆42与壁面夹角均为45°，第一连杆41和第二连杆42相互之间夹角为90°，吸附足2的电磁吸盘5所对应的继电器闭合，吸附足2的电磁吸盘5得电吸附在壁面上，行进足1的电磁吸盘5未通电贴于壁面；
b、将控制器5切换到自动模式，控制器5依次控制第四舵机34、第三舵机33和第二舵机32转动，带动行进足1在壁面上前行，同时行进足1外周面上超声测距传感器6和红外光电开关7探测行进足1前方的障碍物信息，行进足1外周面上90°范围内均匀设置有两路超声测距传感器6和两路红外光电开关7，行进足1上设有控制行进足1自转的第一舵机31，控制器8通过第一舵机31控制行进足1旋转，实现行进足1前方180°范围内障碍物信息的探测，将行进足1前方障碍物信息传送到控制器8中，控制器8综合分析障碍物信息；
c、若行进足1前方有障碍物，则控制第五舵机35转动带动行进足1、第一连杆41和第二连杆42作整体旋转，重复步骤b，直至行进足1前方没有障碍物；若行进足1前方没有障碍物，则第五舵机35不转动，行进足1在壁面上继续前行；
d、当行进足1前行到再次与壁面处于垂直状态且第一连杆41与第二连杆42之间的夹角为150°时，位于行进足1底部的超声测距传感器6获取各自的位置信息，行进足1底部均匀设置有三路超声测距传感器6，行进足1上设有控制行进足1自转的第一舵机31，控制器8通过第一舵机31控制行进足1旋转，实现行进足1底部多个位置信息的检测，将位置信息传输到控制器8中，控制器8综合行进足1底部的超声测距传感器6位置信息，分析判断行进足1是否处于壁面边界外，进而控制第五舵机35转动的转动角度和方向；
e、若行进足1处于壁面边界外，则控制器8控制第五舵机35转动带动行进足1、第一连杆41和第二连杆42作整体旋转，重复步骤d，直至第五舵机35不转动，即行进足1处于壁面边界内；若行进足1处于壁面边界内，控制器8控制行进足1的电磁吸盘5所对应的继电器闭合，行进足1的电磁吸盘5得电吸附在壁面上，此时行进足1和吸附足2同时吸附在壁面上，此时检测设备开始工作完成所在位置的检测任务；
f、检测设备完成所在位置的检测工作后，控制器8控制吸附足2的电磁吸盘5对应的继电器断开，吸附足2的电磁吸盘5贴于壁面，控制器8依次控制第二舵机32、第三舵机33和第四舵机34带动吸附足2向前运动，运动到第一舵机31所在的行进足1和第五舵机35所在的吸附足2与壁面垂直，第一连杆41和第二连杆42与壁面夹角分别为45°，第一连杆41和第二连杆42相互之间夹角为90°为止；控制器8控制吸附足2的电磁吸盘5对应的继电器闭合，吸附足2的电磁吸盘5得电吸附在壁面上，控制器8控制行进足1的电磁吸盘5对应的继电器断开，行进足1的电磁吸盘5断电贴于壁面，此时行走机器人回到初始化状态；
g、重复步骤b～f，即可完成下一个壁面位置的检测，当行走机器人遍历钢结构的所有壁面后，切换到手动模式，使行走机器人返回地面。

Claims (4)

1.一种检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，其特征在于：包括用于行走的行进足(1)、用于固定的吸附足(2)和控制器(8)，所述行进足(1)和吸附足(2)底部均设有电磁吸盘(5)，所述行进足(1)上设有用于控制行进足(1)旋转的第一舵机(31)，所述行进足(1)的顶部与第一连杆(41)的一端通过第二舵机(32)连接，所述第一连杆(41)的另一端与第二连杆(42)的一端通过第三舵机(33)连接，所述第二连杆(42)的另一端与吸附足(2)的顶部通过第四舵机(34)连接，所述第二舵机(32)、第三舵机(33)和第四舵机(34)相互配合带动行进足(1)向前运动，所述吸附足(2)上设有用于控制行进足(1)、第一连杆(41)和第二连杆(42)作整体旋转的第五舵机(35)；所述行进足(1)外周面上设有用于探测障碍物位置的超声测距传感器(6)和红外光电开关(7)，所述行进足(1)底部设有用于探测行进足位置的超声测距传感器(6)；所述控制器(8)与第一舵机(31)、第二舵机(32)、第三舵机(33)、第四舵机(34)、第五舵机(35)、电磁吸盘(5)、超声测距传感器(6)和红外光电开关(7)均相连；所述行进足(1)和吸附足(2)底部的电磁吸盘(5)均通过继电器控制，所述行进足(1)外周面上设有两路超声测距传感器(6)和两路红外光电开关(7)，所述两路超声测距传感器(6)和两路红外光电开关(7)均匀布置在行进足(1)外周面上90°范围内；所述行进足(1)底部均匀布置有三路超声测距传感器(6)；
利用该控制系统检测钢结构壁面的控制方法：包括以下步骤：
a、将控制器(8)切换到手动模式，在手动模式下通过控制器(8)的界面操作，使得行走机器人到达待检测钢结构的壁面上；将控制系统状态进行初始化，此时第一舵机(31)所在的行进足(1)和第五舵机(35)所在的吸附足(2)与壁面垂直，第一连杆(41)和第二连杆(42)与壁面夹角均为45°，第一连杆(41)和第二连杆(42)相互之间夹角为90°，吸附足(2)的电磁吸盘(5)所对应的继电器闭合，吸附足(2)的电磁吸盘(5)得电吸附在壁面上，行进足(1)的电磁吸盘(5)未通电贴于壁面；
b、将控制器(8)切换到自动模式，控制器(8)依次控制第四舵机(34)、第三舵机(33)和第二舵机(32)转动，带动行进足(1)在壁面上前行，同时行进足(1)外周面上超声测距传感器(6)和红外光电开关(7)探测行进足(1)前方的障碍物信息，将行进足(1)前方障碍物信息传送到控制器(8)中，控制器(8)综合分析障碍物信息；
c、若行进足(1)前方有障碍物，则控制第五舵机(35)转动带动行进足(1)、第一连杆(41)和第二连杆(42)作整体旋转，重复步骤b，直至行进足(1)前方没有障碍物；若行进足(1)前方没有障碍物，则第五舵机(35)不转动，行进足(1)在壁面上继续前行；
d、当行进足(1)前行到再次与壁面处于垂直状态且第一连杆(41)与第二连杆(42)之间的夹角为150°时，位于行进足(1)底部的超声测距传感器(6)获取各自的位置信息，将位置信息传输到控制器(8)中，控制器(8)综合行进足(1)底部的超声测距传感器(6)位置信息，分析判断行进足(1)是否处于壁面边界外，进而控制第五舵机(35)转动的转动角度和方向；
e、若行进足(1)处于壁面边界外，则控制器(8)控制第五舵机(35)转动带动行进足(1)、第一连杆(41)和第二连杆(42)作整体旋转，重复步骤d，直至第五舵机(35)不转动，即行进足(1)处于壁面边界内；若行进足(1)处于壁面边界内，控制器(8)控制行进足(1)的电磁吸盘(5)所对应的继电器闭合，行进足(1)的电磁吸盘(5)得电吸附在壁面上，此时行进足(1)和吸附足(2)同时吸附在壁面上，此时检测设备开始工作完成所在位置的检测任务；
f、检测设备完成所在位置的检测工作后，控制器(8)控制吸附足(2)的电磁吸盘(5)对应的继电器断开，吸附足(2)的电磁吸盘(5)贴于壁面，控制器(8)依次控制第二舵机(32)、第三舵机(33)和第四舵机(34)带动吸附足(2)向前运动，运动到第一舵机(31)所在的行进足(1)和第五舵机(35)所在的吸附足(2)与壁面垂直，第一连杆(41)和第二连杆(42)与壁面夹角分别为45°，第一连杆(41)和第二连杆(42)相互之间夹角为90°为止；控制器(8)控制吸附足(2)的电磁吸盘(5)对应的继电器闭合，吸附足(2)的电磁吸盘(5)得电吸附在壁面上，控制器(8)控制行进足(1)的电磁吸盘(5)对应的继电器断开，行进足(1)的电磁吸盘(5)断电贴于壁面，此时行走机器人回到初始化状态；
g、重复步骤b～f，即可完成下一个壁面位置的检测，当行走机器人遍历钢结构的所有壁面后，切换到手动模式，使行走机器人返回地面。
2.根据权利要求1所述的检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，其特征在于：所述控制器(8)均通过无线蓝牙的方式与第一舵机(31)、第二舵机(32)、第三舵机(33)、第四舵机(34)、第五舵机(35)、电磁吸盘(5)、超声测距传感器(6)和红外光电开关(7)进行信号传输。
3.根据权利要求1所述的检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，其特征在于：所述步骤b中，行进足(1)外周面上90°范围内均匀设置有两路超声测距传感器(6)和两路红外光电开关(7)，行进足(1)上设有控制行进足(1)自转的第一舵机(31)，控制器(8)通过第一舵机(31)控制行进足(1)旋转，实现行进足(1)前方180°范围内障碍物信息的探测。
4.根据权利要求1或3所述的检测钢结构壁面的行走机器人控制系统，其特征在于：所述步骤d中，行进足(1)底部均匀设置有三路超声测距传感器(6)，行进足(1)上设有控制行进足(1)自转的第一舵机(31)，控制器(8)通过第一舵机(31)控制行进足旋转，实现行进足(1)底部多个位置信息的检测。
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