CN106965184B - 一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，属于机器人领域。本发明的控制系统，包括指令发送端与指令接收控制端。指令发送端包括上位机、核心控制器和无线信号发射模块，指令接收控制端包括无线信号接收模块和动作驱动模块。上位机与核心控制器连接，用于将操控机器人的控制信号发送给核心控制器；核心控制器通过无线信号发射模块将对机器人的控制信号发送给无线信号接收模块，无线信号接收模块将控制信号传输给动作驱动模块。动作驱动模块包括驱动单元、制动单元和传感器单元。解决现有机器人控制系统造价高，线路不稳定、作业载荷小的问题，以及解决现在有机器人电磁制动器用久后制动能力下降甚至失效的问题。

Description

一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制系统领域，具体为一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统。

背景技术

缆索是斜拉桥的主要受力构件之一，缆索的状态与桥梁的安全密切相关，因此需定期对其进行检测，用于桥梁缆索检测的自动化装备一直备受关注。为了及时发现或消除影响斜拉桥的安全隐患，需定期对缆索进行检测。目前桥梁缆索例行检测最常见项目为缆索表面保护层的完好情况和缆索的震动摆幅。

现已有的一些斜拉桥缆索爬行机器人存在质量重、体积大、爬行时携带的线路过多等现象，造成制造成本高、效率低、线路不稳定、作业载荷小等一系列问题。因此，一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，用以提高检测斜拉桥缆索表面的作业效率、提高有效载荷等具有重要的意义。

发明内容

本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，解决现有机器人控制系统造价高，线路不稳定、作业载荷小的问题；解决现在有机器人电磁制动器制动能力下降甚至失效的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，包括指令发送端与指令接收控制端，发送端安装于地面控制箱中，指令接收端安装在机器人上；所述指令发送端包括上位机、核心控制器和无线信号发射模块，所述指令接收控制端包括无线信号接收模块和动作驱动模块；其中：

所述上位机与所述核心控制器连接，用于将操控机器人的控制信号发送给核心控制器；

所述核心控制器通过无线信号发射模块将对机器人的控制信号发送给无线信号接收模块，所述无线信号接收模块将控制信号传输给动作驱动模块；

所述动作驱动模块包括驱动单元、制动单元和传感器单元；所述驱动单元与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，所述制动单元用于锁定限制机器人执行结构运动，所述传感器单元检测机器人执行结构运动结果，并将运动结果反馈到所述核心控制器。

进一步的，所述驱动单元包括移步电机、上手爪电机和下手爪电机，所述制动单元包括上电磁制动器、下电磁制动器、上电磁铁和下电磁铁，所述传感器单元包括上行程开关和下行程开关；

所述移步电机两端分别连接机器人的上固定架和下固定架；

所述上手爪电机、上电磁制动器、上电磁铁和上行程开关均安装在所述上固定架上；所述上手爪电机与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，所述上电磁制动器、上电磁铁用于锁定限制机器人执行结构运动，所述上行程开关检测机器人执行结构运动结果，并将运动结果反馈到所述核心控制器；

所述下手爪电机、下电磁制动器、下电磁铁和下行程开关均安装在所述下固定架上；所述下手爪电机与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，所述下电磁制动器、下电磁铁用于锁定限制机器人执行结构运动，所述下行程开关检测机器人执行结构运动结果，并将结果反馈到所述核心控制器。

进一步的，所述上位机采用触摸屏显示器，所述核心控制器为PLC控制器；所述触摸屏显示器通过RS-4854W与所述PLC控制器进行通信。

进一步的，所述动作PLC控制器包括继电器KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6和KA7；所述KA1与所述KA2互锁及控制电源接入电路的极性，所述KA3控制所述上电磁制动器和所述上手爪电机的通断，所述KA4控制所述下电磁制动器和所述下手爪电机的通断，所述KA5控制所述移步电机的通断，所述KA6控制所述上电磁铁的通断，所述KA7控制下电磁铁的通断。

进一步的，所述指令接收控制端还包括电压转换器和12V可充电锂电池，所述电压转换器和12V可充电锂电池均安装在机器人上。

进一步的，所述无线信号发射模块为PT2264芯片无线发射模块，所述无线信号接收模块为PT2272芯片的无线接收模块，所述PT2264芯片与所述T2272芯片地址位相同。

进一步的，所述PLC控制器为三菱系列的FX1N-14MT-D控制器。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.基于上述系统，用上位机于将操控机器人的控制信号发送给核心控制器，核心控制器通过无线信号发射模块将对机器人的控制信号发送给无线信号接收模块，无线信号接收模块将控制信号传输给动作驱动模块，驱动单元与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，制动单元用于锁定限制机器人执行结构运动，传感器单元检测机器人执行结构运动结果，并将结果反馈到驱动单元。采用无线传输的通信方式，避免了机器人另外携带通信电缆，增加了机器人可携带有用负载的质量。通过传感器单元的反馈作用，大大减少了机器运动的空行程、降低能耗、提高作业效率。

2.本发明的手爪电机、电磁制动器、电磁铁和行程开关安装在所述机器人固定架上控制机器人的运动，通过电磁制动器和电磁铁的双重制动作用，解决了机器人多次作业后，出现电磁制动器制动能力下降甚至失效的问题，通过对手爪电机的调节，控制手爪电机的行程，使机器人适应不同直径缆索，扩大了机器人的使用范围。

3.本发明上位机采用触摸屏显示器，核心控制器采用PLC控制器；所述触摸屏显示器通过RS-4854W与PLC控制器进行通信。通过触摸屏显示器达成人机友好交互目的，操作方便。PLC控制器具有其低成本、高度网络化、抗干扰性强、可靠性高、通讯功能强的特点，机器人通过使用PCL更加适应野外的作业环境。

4.本发明的指令接收控制端设置有可充电锂电池和电压转换器，机器人作业范围较小时，直接由机器人携带大容量锂电池作为电源，可有效增强整套系统的便携性。机器人作业范围较大时，采用便携式发电机交流220V供电，通过电缆连接机器人供电，将220V电源转换器转化为稳定的12V直流电，可保证机器人的长时间工作可。

5.本控制系统仅需4个输出点，考虑到输入输接口数越多PLC控制器越昂贵以及预留50％备用输出接口等因素，本发明采用三菱系列的FX1N-14MT-D控制器，该PLC控制器具有8个输入接口，6个输出接口，满足设计需求，且具有价格低，响应速度快，工作稳定、故障率低、工作耗电量较等优势。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的动作驱动模块框图。

图3是本发明的FX1N-14MT-D控制器控制电路原理图。

附图中，1-指令发送端、2-指令接收控制端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，包括指令发送端与指令接收控制端，发送端安装于地面控制箱中，指令接收端安装在机器人上；指令发送端包括上位机、核心控制器和无线信号发射模块。

指令接收控制端包括无线信号接收模块和动作驱动模块。机器人作业范围较小时，直接由机器人携带大容量锂电池作为电源，可有效增强整套系统的便携性。机器人作业范围较大时，采用便携式发电机交流220V供电，通过电缆连接机器人供电，将220V电源转换器转化为稳定的12V直流电，可保证机器人的长时间工作可。

本实施例中，上位机为触摸屏显示器，核心控制器为三菱系列的FX1N-14MT-D控制器，无线信号发射模块为PT2264芯片无线发射模块，无线信号接收模块为PT2272芯片的无线接收模块。触摸屏显示器与FX1N-14MT-D控制器连接，用于将操控机器人的控制信号发送给FX1N-14MT-D控制器。

FX1N-14MT-D控制器，FX1N-14MT-D控制器通过PT2264芯片无线发射模块将对机器人的控制信号发送给PT2272芯片的无线接收模块，PT2272芯片的无线接收模块将控制信号传输给动作驱动模块；动作驱动模块包括驱动单元、制动单元和传感器单元；驱动单元与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，制动单元用于锁定限制机器人执行结构运动，传感器单元检测机器人执行结构运动结果，并将结果反馈到FX1N-14MT-D控制器。

触摸屏显示器与FX1N-14MT-D控制器通过RS-485 4W进行通信，触摸屏显示器将提供普通操作人员与技术员两种操作入口，根据权限的不同两种入口提供了不同的操作指令。触摸屏显示器将操作指令通过串行传输送至FX1N-14MT-D控制器，FX1N-14MT-D控制器可将内部软元件的状态反馈给触摸屏显示器，通过读取这些软元件的状态，触摸屏显示器可将机器人的状态实时显示提供给机器人控制人员，形成友好的人机互动。

本控制系统采用的是PT2264无线发射模块，PT2264拥有4位(D0-D3)数据端管脚，任意组合的数据端管脚接通时，无线信号经编码后从Dout输出端发出，若数据端管脚持续接通，则编码芯片也会持续发射信号，其编码信号有：地址码、数据码、同步码组成完整的码字。可以在OSC1、OSC2处接入电阻决定无线信号的发射频率，电阻阻值一般在430KΩ-470KΩ间选择。PT2264芯片的工作范围为2.6V-15V，其发射功率随着工作电压的增高而增大，发射距离也就越远，在无遮蔽物的开阔地带最大传输距离可达2公里。经过试验，当工作电压达到12V时，开阔地带传输距离至少可达400m，满足设计需要，当工作电压继续增加时，传输距离并无明显增加，所以选择的工作电压为12V。由于无线信号发射时间短，且发射频繁，选择输出类型为晶体管输出的PLC控制器。PLC控制器按照工作电源的不同可分为交流输入型与直流输入型，其中交流输入型工作电压为AC 100～220V，直流输入型为DC 12～24V，考虑到机器人的多为野外作业、PLC控制器工作耗电量较低等情况，PLC控制器选择蓄电池供电更方便，所以本控制方法采用的是直流输入型。本控制方法仅需4个输出点，考虑到输入输接口数越多PLC控制器越昂贵以及预留50％备用输出接口等因素，最后选择的是三菱系列的FX1N-14MT-D控制器，该PLC控制器具有8个输入接口，6个输出接口，满足设计需求，且具有价格低，响应速度快，工作稳定、故障率低等优势。

如图2所示，驱动单元包括移步电机、上手爪电机和下手爪电机，制动单元包括上电磁制动器、下电磁制动器、上电磁铁和下电磁铁，传感器单元包括上行程开关和下行程开关；

移步电机两端分别连接机器人的上固定架和下固定架；上手爪电机、上电磁制动器、上电磁铁和上行程开关均安装在上固定架上；上手爪电机与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，上电磁制动器、上电磁铁用于锁定限制机器人执行结构运动，上行程开关检测机器人执行结构运动结果，并将结果反馈到FX1N-14MT-D控制器；下手爪电机、下电磁制动器、下电磁铁和下行程开关均安装在下固定架上；下手爪电机与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，下电磁制动器、下电磁铁用于锁定限制机器人执行结构运动，下行程开关检测机器人执行结构运动结果，并将结果反馈到FX1N-14MT-D控制器。

PT2264无线发射模块的数据端管脚D0-D3待机情况下为低电平，PLC控制器的输出端将其任意组合上拉至高电平即可实现无线信号的发送。晶体管输出PLC控制器分为源型输入与漏型输入，所谓源型与漏型是相对于PLC控制器的公共端(COM端)而言，电流从PLC控制器公共端流出为源型，电流流入则为漏型。所选FX1N-14MT-D控制器为漏型PLC控制器，所以在输端口Y需增加PNP型三极管，所选型号为S9015。PT2272芯片的无线接收模块采用的是与PT2264发射电路配套的PT2272接收电路。PT2272按照功能的不同可分为锁存型与暂存型：锁存型指的是，当接收到无线信号时，PT2272芯片的数据输出管脚输出高电平，信号消失后继续保持高电平状态，直至再次接收到相同的信号时，数据输出管脚变为低电平；暂存型指的是，当接收到无线信号时，PT2272芯片的数据输出管脚输出高电平，信号消失后变为低电平。考虑到机器人执行相应动作需一定的时间，以及野外作业需尽降低电能的消耗等实际情况，本设计采用的是锁存型。一般来讲，PT2264发射芯片与PT2272接收芯片需配对使用，也就是说它们的地址位需完全相同。例如将PT2262发射芯片的管脚1接电源正、管脚6接电源负，其余地址管脚悬空，那么PT2272接收芯片也需将管脚3接电源正、管脚6接电源负，其余地址管脚悬空。这样接收芯片才能接收到无线信号，否则接收芯片不会有任何反应。当两者地址码相同时，接收芯片输出的信号经过一级放大电路即可控制继电器的通断进而实现对负载的控制。

如图3所示，FX1N-14MT-D控制器控制电路原理图，包括继电器KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6和KA7；KA1与KA2互锁，控制接入电源的正负极，KA3控制上电磁制动器和上手爪电机的通断，KA4控制下电磁制动器和下手爪电机的通断，KA5控制移步电机的通断，KA6控制上电磁铁的通断，KA7控制下电磁铁的通断。

以下由机器人上升的一个动作周期对系统控制原理进行说明：

机器人初始状态为，上固定架和下固定架均处于夹紧状态，移步电机M7、移步电机M8和移步电机M9处于收紧状态。

上固定架松开，KA6断开，上电磁铁YA1、上电磁铁YA2和上电磁铁YA3断电，KA2接通电源反向供电，KA3接通，上电磁制动器YB1、上电磁制动器YB2和上电磁制动器YB3通电解除锁定，上夹紧电机M1、上夹紧电机M2和上夹紧电机M3接通反转带动夹紧臂向外侧转动松开缆索，上夹紧电机M1、上夹紧电机M2和上夹紧电机M3触发上行程开关，KA2和KA3断开。

上固定架上移，KA1接通电源正向供电，KA5接通，移步电机M7、移步电机M8和移步电机M9通电正转，带动上固定架上移。

上固定架夹紧，KA6断开，上电磁铁YA1、上电磁铁YA2和上电磁铁YA3断电，KA1接通正向供电，KA3接通，上电磁制动器YB1、上电磁制动器YB2和上电磁制动器YB3通电解除锁定，上夹紧电机M1、上夹紧电机M2和上夹紧电机M3接通正转带动夹紧臂向内侧转动夹紧缆索，夹紧到位后KA6闭合，上电磁铁YA1、上电磁铁Y2A和上电磁铁YA3通电吸合，随后KA3断开，上电磁制动器YB1、上电磁制动器YB2和上电磁制动器YB3、上夹紧电机M1、上夹紧电机M2和上夹紧电机M3断电。

下固定架松开，KA7断开，下电磁铁YA4、下电磁铁YA5和下电磁铁YA6断电，KA2接通反向电源供电，KA4接通，下电磁制动器YB4、下电磁制动器YB5和下电磁制动器YB6通电解除锁定，下夹紧电机M4、下夹紧电机M5和下夹紧电机M6接通反转带动夹紧臂向外侧转动松开缆索，下夹紧电机M4、下夹紧电机M5和下夹紧电机M6触发下行程开关，KA2和KA3断开。

下固定架上移，KA2接通电源反向供电，KA5接通，移步电机M7、移步电机M8和移步电机M9通电反转，带动下固定架上移。

下固定架夹紧，KA7断开，下电磁铁YA4、下电磁铁YA5和下电磁铁YA6断电，KA1接通正向供电，KA4接通，下电磁制动器YB4、下电磁制动器YB5和下电磁制动器YB6通电解除锁定，下夹紧电机M4、下夹紧电机M5和下夹紧电机M6接通正转带动夹紧臂向内侧转动夹紧缆索，夹紧到位后KA7闭合，下电磁铁YA1、下电磁铁YA2和下电磁铁YA3通电吸合，随后KA3断开，下电磁制动器YB4、下电磁制动器YB5和下电磁制动器YB6、下夹紧电机M4、下夹紧电机M5和下夹紧电机M6断电。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (6)

1.一种斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，其特征在于：包括指令发送端与指令接收控制端，发送端安装于地面控制箱中，指令接收端安装在机器人上；所述指令发送端包括上位机、核心控制器和无线信号发射模块，所述指令接收控制端包括无线信号接收模块和动作驱动模块；其中：

所述上位机与所述核心控制器连接，用于将操控机器人的控制信号发送给核心控制器；

所述核心控制器通过无线信号发射模块将对机器人的控制信号发送给无线信号接收模块，所述无线信号接收模块将控制信号传输给动作驱动模块；

所述动作驱动模块包括驱动单元、制动单元和传感器单元；所述驱动单元与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，所述制动单元用于锁定限制机器人执行结构运动，所述传感器单元检测机器人执行结构运动结果，并将运动结果反馈到所述核心控制器；所述驱动单元包括移步电机、上手爪电机和下手爪电机，所述制动单元包括上电磁制动器、下电磁制动器、上电磁铁和下电磁铁，所述传感器单元包括上行程开关和下行程开关；所述移步电机两端分别连接机器人的上固定架和下固定架；所述上手爪电机、上电磁制动器、上电磁铁和上行程开关均安装在所述上固定架上；所述上手爪电机与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，所述上电磁制动器、上电磁铁用于锁定限制机器人执行结构运动，所述上行程开关检测机器人执行结构运动结果，并将运动结果反馈到所述核心控制器；所述下手爪电机、下电磁制动器、下电磁铁和下行程开关均安装在所述下固定架上；所述下手爪电机与机器人执行结构相连，并驱动机器人执行结构运动，所述下电磁制动器、下电磁铁用于锁定限制机器人执行结构运动，所述下行程开关检测机器人执行结构运动结果，并将结果反馈到所述核心控制器；

机器人初始状态为，上固定架和下固定架均处于夹紧状态，移步电机处于收紧状态，机器人向上移动的循环步骤为：

上电磁铁断电，上电磁制动器通电解除锁定后，使上固定架松开，移步电机通电正转，带动上固定架上移，再使上固定架夹紧，并通过上电磁铁通电，上电磁制动器断电锁定上固定架；

下电磁铁断电，下电磁制动器通电解除锁定后，使下固定架松开，移步电机通电反转，带动下固定架上移，再使下固定架夹紧，并通过下电磁铁通电，下电磁制动器断电锁定下固定架。

2.根据权利要求1所述的斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，其特征在于：所述上位机采用触摸屏显示器，所述核心控制器为PLC控制器；所述触摸屏显示器通过RS-4854W与所述PLC控制器进行通信。

3.根据权利要求2所述的斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，其特征在于：所述PLC控制器包括继电器KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6和KA7；所述KA1与所述KA2互锁及控制电源接入电路的极性，所述KA3控制所述上电磁制动器和所述上手爪电机的通断，所述KA4控制所述下电磁制动器和所述下手爪电机的通断，所述KA5控制所述移步电机的通断，所述KA6控制所述上电磁铁的通断，所述KA7控制下电磁铁的通断。

4.根据权利要求1所述的斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，其特征在于：所述指令接收控制端还包括电压转换器和12V可充电锂电池，所述电压转换器和12V可充电锂电池均安装在机器人上。

5.根据权利要求1所述的斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，其特征在于：所述无线信号发射模块为PT2264芯片无线发射模块，所述无线信号接收模块为PT2272芯片的无线接收模块，所述PT2264芯片与所述T2272芯片地址位相同。

6.根据权利要求2所述的斜拉桥缆索爬行机器人的控制系统，其特征在于：所述PLC控制器为三菱系列的FX1N-14MT-D控制器。

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