CN108358072A - 一种爬壁机器人的辅助吊装设备及控制方法 - Google Patents

一种爬壁机器人的辅助吊装设备及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种爬壁机器人的辅助吊装设备及控制方法，它属于爬壁机器人领域。本发明解决了由于爬壁机器人自身的吸力不够，可能导致爬壁机器人从工作面上脱落下来，造成爬壁机器人工作不便利，而且存在安全隐患的问题。本发明利用整体承重模式控制方法将爬壁机器人吊装到指定工作位置，利用部分承重模式控制方法保持爬壁机器人的正常工作状态，而且，通过PID张力控制全闭环系统可以对爬壁机器人的负载进行实时、自动称重。本发明可以应用于吸盘式爬壁机器人的辅助吊装领域用。

Description

一种爬壁机器人的辅助吊装设备及控制方法
技术领域
本发明涉及爬壁机器人领域，具体涉及一种爬壁机器人的辅助吊装设备及控制方法。
背景技术
爬壁喷丸机器人是一种吸附在工作面，进而进行喷漆、清洁等任务的机器人。而另一方面，轮船由于长期处于湿度较高的环境下，更需要一种机器人来为船体进行除锈、喷漆等工作。已有的爬壁机器人往往采用磁吸式的方式吸附在工作面上，但是爬壁机器人自身的重量过高，体积过大，当它直接应用在轮船船体的除锈、喷漆工作中，可能会由于爬壁机器人自身的吸盘吸力不够导致爬壁机器人从工作面上脱落下来，造成爬壁机器人工作不便利、存在安全隐患。
发明内容
本发明的目的是为解决由于吸力不够导致爬壁机器人从工作面上脱落下来，造成爬壁机器人工作不便利，而且存在安全隐患的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
根据本发明的第一方面，提供了一种爬壁机器人的辅助吊装设备，包括：
吊装单元、张力传感单元和移动车，其中：
所述吊装单元包括卷扬机、卷扬机支架和支撑臂；
卷扬机支架固设在移动车上，卷扬机固定在卷扬机支架上；
支撑臂的一端与卷扬机支架连接，且支撑臂的另一端与卷扬机的定滑轮连接；
张力传感单元包括张力传感器、第一导向轮、第二导向轮和背板，张力传感器、第一导向轮和第二导向轮均设置在背板上，且第一导向轮和第二导向轮沿背板的长度方向、对称分布于张力传感器的两侧；背板固设在支撑臂上；
所述卷扬机的钢丝绳的一端固定在卷扬机的卷筒上，钢丝绳的另一端依次绕过第二导向轮的上部侧壁、张力传感器、第一导向轮的上部侧壁和定滑轮后，悬于支撑臂的外侧；且张力传感器的感应探头与钢丝绳相接触；
所述张力传感器用于检测钢丝绳的张力数据；
所述移动车上设置有配重块。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面的爬壁机器人辅助吊装设备的控制方法，包括整体承重模式控制方法和部分承重模式控制方法；
整体承重模式控制方法具体为：
步骤A、下位机PLC初始化准备工作完成后，设置卷扬伺服电机工作的运动方向和运动速度，且设定卷扬伺服电机的工作模式为位置模式；下位机PLC按照设定好的参数将控制信号发送给卷扬伺服电机，卷扬伺服电机工作；
步骤B、爬壁机器人竖直方向向上提升，在爬壁机器人向上升起的过程中，张力传感器实时检测钢丝绳上的张力数据，并将张力数据信号实时发送至下位机PLC；
步骤C、下位机PLC将卷扬距离、卷扬速度和接收到的钢丝绳张力数据存储并上传至人机交互界面；
步骤D、在爬壁机器人向上升起的过程中，下位机PLC实时检测吊装行程数据；
步骤E、若下位机PLC判断钢丝绳上的张力数据正常、吊装行程未达到极限且吊装工作未结束，则卷扬伺服电机接收控制信号保持持续工作状态；
步骤F、若步骤E中，下位机PLC判断钢丝绳上的张力数据不正常、吊装行程达到极限或吊装完成，则下位机PLC将终止工作信号发送至卷扬伺服电机，卷扬伺服电机停止工作，吊装工作结束；
步骤G、不断重复步骤B～步骤E的过程，直至将爬壁机器人吊装至指定工作位置，下位机PLC发出部分承重模式控制信号至卷扬伺服电机，卷扬伺服电机切换到部分承重模式工作状态。
部分承重模式控制方法具体为：
步骤S1、设置卷扬伺服电机的承重比例系数，且设定卷扬伺服电机工作在力矩模式；下位机PLC按照设定好的参数将控制信号发送给卷扬伺服电机；
步骤S2、在爬壁机器人工作过程中，下位机PLC实时检测吊装是否达到行程极限；
步骤S3、若步骤S2检测到爬壁机器人吊装达到行程极限或爬壁机器人工作结束，则下位机PLC将终止工作信号发送给卷扬伺服电机，卷扬伺服电机的工作模式切换到位置模式，吊装工作结束；
步骤S4、若步骤S2中检测吊装行程未达到极限，且爬壁机器人工作未结束，则下位机PLC将卷扬距离、卷扬速度和接收到的钢丝绳张力数据存储并上传至人机交互界面；且卷扬伺服电机仍工作在力矩模式；
步骤S5、张力传感器实时检测钢丝绳张力数据，并将钢丝绳张力数据实时发送给下位机PLC，下位机PLC单元判断钢丝绳上的张力是否正常；
步骤S6、如果步骤S5判断钢丝绳上的张力正常，则按照下位机PLC设定好的承重比例系数构成PID张力控制全闭环系统；
步骤S7、若步骤S5判断钢丝绳上张力不正常，下位机PLC将终止工作信号发送给卷扬伺服电机，吊装工作结束；
步骤S8、不断重复步骤S4～S6的过程，直至爬壁机器人完成工作。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种爬壁机器人的辅助吊装设备及控制方法，本发明利用整体承重模式控制方法将爬壁机器人吊装到指定工作位置，在爬壁机器人工作过程中，利用部分承重模式控制方法可以解决爬壁机器人由于自身吸力不够，导致的爬壁机器人从工作面上脱落的问题，而且通过PID张力控制全闭环系统的承重比例系数设置，辅助吊装设备可以对爬壁机器人的负载进行自动称重。在整体承重模式控制方法和部分承重模式控制方法中，张力传感单元中的张力传感器实时检测钢丝绳上的张力数据，并将检测到的张力数据实时发送给下位机PLC，同时下位机PLC实时检测吊装行程数据，下位机PLC判断钢丝绳上的张力大小是否正常及吊装行程是否达到极限，以控制辅助吊装设备的工作状态。
本发明可以应用于带有吸盘的爬壁机器人的吊装领域，既可以用来将爬壁机器人吊装到指定工作位置，又可以防止爬壁机器人由于自身吸盘吸力不够向下脱落，发生危险。
附图说明
图1为本发明所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的吊装单元、张力传感单元和移动车的结构示意图；
其中：虚线框内为张力传感单元A；
图2为本发明所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的张力传感单元的放大的结构图；
图3为本发明所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的整体承重模式控制方法的流程图；
图4为本发明所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的部分承重模式控制方法的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备包括吊装单元、张力传感单元和移动车4，其中：
所述吊装单元包括卷扬机1、卷扬机支架2和支撑臂3；
卷扬机支架2固设在移动车上，卷扬机1固定在卷扬机支架2上；
支撑臂3的一端与卷扬机支架2连接，且支撑臂3的另一端与卷扬机1的定滑轮连接；
张力传感单元包括张力传感器6、第一导向轮5、第二导向轮8和背板7，张力传感器6、第一导向轮5和第二导向轮8均设置在背板7上，且第一导向轮5和第二导向轮8沿背板7的长度方向、对称分布于张力传感器6的两侧；背板7固设在支撑臂3上；
所述卷扬机1的钢丝绳9的一端固定在卷扬机1的卷筒上，钢丝绳9的另一端依次绕过第二导向轮8的上部侧壁、张力传感器6、第一导向轮5的上部侧壁和定滑轮后，悬于支撑臂3的外侧；且张力传感器6的感应探头与钢丝绳9相接触；
所述张力传感器6用于检测钢丝绳的张力数据；
所述移动车4上设置有配重块。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备进行进一步的限定，本实施方式中的所述卷扬机1的电机为卷扬伺服电机。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备进行进一步的限定，本实施方式中所述辅助吊装设备还包含有下位机PLC，所述下位机PLC用来接收张力传感器6发送的张力数据，且下位机PLC用来发送控制信号给卷扬机1的卷扬伺服电机和移动车4的主动伺服电机。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备进行进一步的限定，本实施方式所述移动车4下端面的四角处固设有万向轮。
本发明的辅助吊装设备用于吊装吸盘式爬壁机器人。本发明的辅助吊装设备的工作原理为：下位机PLC按照设定好的卷扬方向、距离和速度将控制信号发送给卷扬伺服电机，随之卷扬伺服电机开始工作。卷扬伺服电机初始工作时，钢丝绳外悬于定滑轮外部的长度逐渐增加，直至将地面上的爬壁机器人钩住；然后在下位机PLC上重新设置卷扬方向、距离和速度，下位机PLC将控制信号发送至卷扬伺服电机，此时卷扬伺服电机开始反向工作，即将爬壁机器人吊起到实际工作时所需的高度。
由于爬壁机器人的工作位置精度的要求，可能需要辅助吊装设备吊装爬壁机器人在水平方向移动，以便爬壁机器人在水平方向的位置更加精确，这样就需要移动车在水平方向移动来带动爬壁机器人在水平方向上移动，此时，可以利用下位机PLC发送控制信号给移动车的主动伺服电机，那么移动车按照控制信号中的运动方向、距离和速度信息进行水平方向移动，不断重复以上过程，即可以将爬壁机器人吊装到指定的工作位置。
在将爬壁机器人吊装到指定工作位置的过程中，钢丝绳上的张力数据可以通过张力传感器的示值经过几何关系运算来实时获得，并且得到的钢丝绳上的张力数据被实时发送到下位机PLC。下位机PLC判断钢丝绳上张力大小是否正常，如果下位机PLC判断钢丝绳上张力小于预设的最小阈值，那么下位机PLC发送控制信号给爬壁机器人，爬壁机器人接收控制信号，将其自身的四个真空吸盘直接吸附在工作面上，而不会直接从空中坠下发生危险。
同时在爬壁机器人的辅助吊装工作过程中，下位机PLC实时检测或工作人员实时观察吊装行程是否达到极限，若吊装行程达到极限，则下位机PLC发送终止工作信号至卷扬伺服电机，吊装工作停止。
具体实施方式五：本实施方式所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的控制方法，所述辅助吊装控制方法包括整体承重模式控制方法和部分承重模式控制方法。
本实施方式中的整体承重模式控制方法用来将爬壁机器人吊装到指定工作位置，这个工作过程中辅助吊装设备承担爬壁机器人全部的自重。
部分承重模式控制方法应用于爬壁机器人的工作状态中的控制，此时，辅助吊装设备承担爬壁机器人部分的自重。
具体实施方式六：结合图3说明本实施方式。本实施方式对实施方式五所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的控制方法进行进一步的限定，本实施方式中的整体承重模式控制方法的具体过程为：
步骤A、下位机PLC初始化准备工作完成后，设置卷扬伺服电机工作的运动方向和运动速度，且设定卷扬伺服电机的工作模式为位置模式；下位机PLC按照设定好的参数将控制信号发送给卷扬伺服电机，卷扬伺服电机工作；
步骤B、爬壁机器人竖直方向向上提升，在爬壁机器人向上升起的过程中，张力传感器实时检测钢丝绳上的张力数据，并将张力数据信号实时发送至下位机PLC；
步骤C、下位机PLC将卷扬距离、卷扬速度和接收到的钢丝绳张力数据存储并上传至人机交互界面；
步骤D、在爬壁机器人向上升起的过程中，下位机PLC实时检测吊装行程数据；
步骤E、若下位机PLC判断钢丝绳上的张力数据正常、吊装行程未达到极限且吊装工作未结束，则卷扬伺服电机接收控制信号保持持续工作状态；
步骤F、若步骤E中，下位机PLC判断钢丝绳上的张力数据不正常、吊装行程达到极限或吊装完成，则下位机PLC将终止工作信号发送至卷扬伺服电机，卷扬伺服电机停止工作，吊装工作结束；
步骤G、不断重复步骤B～步骤E的过程，直至将爬壁机器人吊装至指定工作位置，下位机PLC发出部分承重模式控制信号至卷扬伺服电机，卷扬伺服电机切换到部分承重模式工作状态。
具体实施方式七：结合图4说明本实施方式。本实施方式对实施方式六所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的控制方法进行进一步的限定，本实施方式中的部分承重模式控制方法的具体过程为：
步骤S1、设置卷扬伺服电机的承重比例系数，且设定卷扬伺服电机工作在力矩模式；下位机PLC按照设定好的参数将控制信号发送给卷扬伺服电机；
步骤S2、在爬壁机器人工作过程中，下位机PLC实时检测吊装是否达到行程极限；
步骤S3、若步骤S2检测到爬壁机器人吊装达到行程极限或爬壁机器人工作结束，则下位机PLC将终止工作信号发送给卷扬伺服电机，卷扬伺服电机的工作模式切换到位置模式，吊装工作结束；
步骤S4、若步骤S2中检测吊装行程未达到极限，且爬壁机器人工作未结束，则下位机PLC将卷扬距离、卷扬速度和接收到的钢丝绳张力数据存储并上传至人机交互界面；且卷扬伺服电机仍工作在力矩模式；
步骤S5、张力传感器实时检测钢丝绳张力数据，并将钢丝绳张力数据实时发送给下位机PLC，下位机PLC单元判断钢丝绳上的张力是否正常；
步骤S6、如果步骤S5判断钢丝绳上的张力正常，则按照下位机PLC设定好的承重比例系数构成PID张力控制全闭环系统；
步骤S7、若步骤S5判断钢丝绳上张力不正常，下位机PLC将终止工作信号发送给卷扬伺服电机，吊装工作结束；
步骤S8、不断重复步骤S4～S6的过程，直至爬壁机器人完成工作。
承重比例系数根据爬壁机器人自身的重力和爬壁机器人负载的重力来确定。
本实施方式中设定辅助吊装设备的承重比例系数为0.8，通过PID张力控制全闭环系统，可以保证爬壁机器人工作过程中钢丝绳上的张力大小始终保持为爬壁机器人自身重力和爬壁机器人负载重力之和的80％左右，而其余20％左右的重力通过爬壁机器人的吸盘吸附在工作面上来负载，同时依靠爬壁机器人吸盘的吸附来承担20％的力，可以使爬壁机器人较稳定地固定在工作面上。
由于钢丝绳上的张力大小始终保持在爬壁机器人自重和负载重力之和的80％左右，所以通过下位机PLC检测的钢丝绳上张力大小就可以实时对爬壁机器人的负载进行自动称重，即实现辅助吊装设备的自动称重功能。
当下位机PLC检测到张力传感器发送来的钢丝绳张力小于设定的阈值时，下位机PLC控制爬壁机器人的四个真空吸盘全部吸附到工作面上，防止爬壁机器人从工作面直接坠落发生危险；或者当下位机PLC检测到钢丝绳张力大于爬壁机器人自身重力和负载重力之和的90％时，辅助吊装设备启动急停功能，以防止吊装力过大将爬壁机器人拉离工作面。
只有下位机PLC检测钢丝绳上张力数据正常且吊装行程未达到极限，辅助吊装设备才能连续工作，直至爬壁机器人完成喷漆、除锈等工作。
在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种爬壁机器人的辅助吊装设备，其特征在于：所述辅助吊装设备包括吊装单元、张力传感单元和移动车(4)，其中：
所述吊装单元包括卷扬机(1)、卷扬机支架(2)和支撑臂(3)；
卷扬机支架(2)固设在移动车上，卷扬机(1)固定在卷扬机支架(2)上；
支撑臂(3)的一端与卷扬机支架(2)连接，且支撑臂(3)的另一端与卷扬机(1)的定滑轮连接；
张力传感单元包括张力传感器(6)、第一导向轮(5)、第二导向轮(8)和背板(7)，张力传感器(6)、第一导向轮(5)和第二导向轮(8)均设置在背板(7)上，且第一导向轮(5)和第二导向轮(8)沿背板(7)的长度方向、对称分布于张力传感器(6)的两侧；背板(7)固设在支撑臂(3)上；
所述卷扬机(1)的钢丝绳(9)的一端固定在卷扬机(1)的卷筒上，钢丝绳(9)的另一端依次绕过第二导向轮(8)的上部侧壁、张力传感器(6)、第一导向轮(5)的上部侧壁和定滑轮后，悬于支撑臂(3)的外侧；且张力传感器(6)的感应探头与钢丝绳(9)相接触；
所述张力传感器(6)用于检测钢丝绳的张力数据；
所述移动车(4)上设置有配重块。
2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备，其特征在于：所述卷扬机(1)的电机为卷扬伺服电机。
3.根据权利要求2所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备，其特征在于：所述辅助吊装设备还包含有下位机PLC，所述下位机PLC用来接收张力传感器(6)发送的张力数据，且下位机PLC用来发送控制信号给卷扬机(1)的卷扬伺服电机和移动车(4)的主动伺服电机。
4.根据权利要求3所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备，其特征在于：所述移动车(4)下端面的四角处固设有万向轮。
5.基于权利要求1所述的一种爬壁机器人的辅助吊装设备的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括整体承重模式控制方法和部分承重模式控制方法。
6.基于权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述整体承重模式控制方法的具体控制过程为：
步骤A、下位机PLC初始化准备工作完成后，设置卷扬伺服电机工作的运动方向和运动速度，且设定卷扬伺服电机的工作模式为位置模式；下位机PLC按照设定好的参数将控制信号发送给卷扬伺服电机，卷扬伺服电机工作；
步骤B、爬壁机器人竖直方向向上提升，在爬壁机器人向上升起的过程中，张力传感器实时检测钢丝绳上的张力数据，并将张力数据信号实时发送至下位机PLC；
步骤C、下位机PLC将卷扬距离、卷扬速度和接收到的钢丝绳张力数据存储并上传至人机交互界面；
步骤D、在爬壁机器人向上升起的过程中，下位机PLC实时检测吊装行程数据；
步骤E、若下位机PLC判断钢丝绳上的张力数据正常、吊装行程未达到极限且吊装工作未结束，则卷扬伺服电机接收控制信号保持持续工作状态；
步骤F、若步骤E中，下位机PLC判断钢丝绳上的张力数据不正常、吊装行程达到极限或吊装完成，则下位机PLC将终止工作信号发送至卷扬伺服电机，卷扬伺服电机停止工作，吊装工作结束；
步骤G、不断重复步骤B～步骤E的过程，直至将爬壁机器人吊装至指定工作位置，下位机PLC发出部分承重模式控制信号至卷扬伺服电机，卷扬伺服电机切换到部分承重模式工作状态。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述部分承重模式控制方法的具体过程为：
步骤S1、设置卷扬伺服电机的承重比例系数，且设定卷扬伺服电机工作在力矩模式；下位机PLC按照设定好的参数将控制信号发送给卷扬伺服电机；
步骤S2、在爬壁机器人工作过程中，下位机PLC实时检测吊装是否达到行程极限；
步骤S3、若步骤S2检测到爬壁机器人吊装达到行程极限或爬壁机器人工作结束，则下位机PLC将终止工作信号发送给卷扬伺服电机，卷扬伺服电机的工作模式切换到位置模式，吊装工作结束；
步骤S4、若步骤S2中检测吊装行程未达到极限，且爬壁机器人工作未结束，则下位机PLC将卷扬距离、卷扬速度和接收到的钢丝绳张力数据存储并上传至人机交互界面；且卷扬伺服电机仍工作在力矩模式；
步骤S5、张力传感器实时检测钢丝绳张力数据，并将钢丝绳张力数据实时发送给下位机PLC，下位机PLC单元判断钢丝绳上的张力是否正常；
步骤S6、如果步骤S5判断钢丝绳上的张力正常，则按照下位机PLC设定好的承重比例系数构成PID张力控制全闭环系统；
步骤S7、若步骤S5判断钢丝绳上张力不正常，下位机PLC将终止工作信号发送给卷扬伺服电机，吊装工作结束；
步骤S8、不断重复步骤S4～S6的过程，直至爬壁机器人完成工作。
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