CN108501976B - 一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统及制动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，包括摩擦制动单元、电动机驱动单元和制动控制系统，摩擦制动单元包括机器人驱动轮、摩擦轮、摩擦轮轴、摩擦连杆、连杆轴、制动连杆、制动轮和制动轮轴，电动机驱动单元包括电动机、齿轮、齿条、齿条导轨、齿条压杆连接轴、压杆和电动机齿轮轴，制动控制系统包括控制器、姿态传感器。本发明还公开了一种单轨道移动机器人的自主平稳制动方法。本发明设计新颖合理，实现方便，制动安全可靠，制动平稳，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

Description

一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统及制动方法

技术领域

本发明属于机器人运动控制技术领域，具体涉及一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统及方法。

背景技术

在电缆隧道、石油管道以及煤矿井下皮带输送机等设备的运行过程中，需要定期进行状态巡检，以便及时发现设备存在的故障隐患，及时采取维修措施排除隐患，确保设备的安全和企业生产的正常运转。轨道移动机器人是一种能够适应设备所在环境空间的检测设备，该设备的平稳运行和制动是保持准确检测的基本条件，因此，在控制运行速度的制动过程中，移动机器人必须能够自主控制自身制动时的平稳性。

目前，在采用单轨道方式的移动机器人运行过程中，轨道处于水平状态，机器人运行工况单一，对于煤矿井下皮带输送机设备，采用单轨道运行，面临在复杂的地质环境，如何确保机器人平稳运行，机器人携带的传感器能够准确检测设备运行状态是当前机器人所不足的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种一种设计新颖合理，实现方便，制动安全可靠，制动平稳，实用性强，使用效果好，便于推广使用的单轨道移动机器人自主平稳制动系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，其特征在于：包括摩擦制动单元、电动机驱动单元和制动控制系统，所述摩擦制动单元包括机器人驱动轮、摩擦轮、摩擦轮轴、摩擦连杆、连杆轴、制动连杆、制动轮和制动轮轴，所述摩擦轮安装在摩擦轮轴上，摩擦轮围绕摩擦轮轴能够旋转，摩擦轮和摩擦连杆通过摩擦轮轴连接，所述摩擦连杆和制动连杆通过连杆轴连接，摩擦连杆和制动连杆之间能够做相对旋转运动，所述制动连杆与制动轮通过制动轮轴连接，制动连杆能够围绕制动轮轴相对制动轮做旋转运动，所述制动轮与制动轮轴固定连接，处于固定静止状态；所述电动机驱动单元包括电动机、齿轮、齿条、齿条导轨、齿条压杆连接轴、压杆和电动机齿轮轴，所述电动机，经过电动机齿轮轴驱动齿轮旋转，所述齿轮与齿条啮合，驱动齿条做往复直线运动，齿轮与齿条啮合组成齿轮齿条副，所述齿条在导轨的约束下，在与齿条垂直方向进行约束，所述压杆齿条轴与齿条连接，随着齿条的运动而往复运动，所述压杆一端与压杆齿条轴连接，一方面随着压杆齿条轴做往复运动，另一方面围绕压杆齿条轴做相对旋转运动，另一端与摩擦轮轴连接，驱动摩擦轮轴运动；所述制动控制系统包括控制器，所述控制器的输入端接有安装在齿条上部导轨附近的检测机器人运行状态的姿态传感器，同时接有机器人自身携带的电源和电动机转子位置传感器，所述控制器的输出端接有电动机。

上述的一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，其特征在于：通过采用活动的连杆轴、制动连杆和摩擦连杆，以确保摩擦轮与制动轮和驱动轮充分接触；所述压杆分别与压杆齿条轴和摩擦轮轴连接，并能够相对旋转，以保证摩擦轮8的运动自由度，使其能够在摩擦连杆的导引下运动；所述齿条，通过与齿轮构成的齿轮齿条运动副，把电动机的选择运动转变为齿条的直线运动；所述姿态传感器，布置于机器人的最顶部，以保证能够更好的检测到机器人在制动过程的姿态变化。

上述的一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，其特征在于：姿态传感器为MPU6050运动处理传感器。

本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、制动效果好、制动平稳性高的一种单轨道移动机器人的自主平稳制动方法，其特征在于，该方法的具体过程为：

当移动机器人在单轨道上需要停止时，控制器接通电源，电源经过控制器到达电动机，电动机开始旋转，经过电动机齿轮轴驱动齿轮旋转，齿条在齿轮的带动下，向下运动，同时经过压杆齿条轴带动压杆一起向下运动，摩擦轮在压杆的作用下，沿着摩擦连杆和制动连杆产生的轨迹向下移动，与驱动轮和制动轮接触，产生摩擦力，实现移动机器人停止；

当移动机器人运行在从高到低的非水平轨道段时，控制器接通电源，电源经过控制器到达电动机，电动机开始旋转，经过电动机齿轮轴驱动齿轮旋转，齿条在齿轮的带动下，向下运动，同时经过压杆齿条轴带动压杆一起向下运动，摩擦轮在压杆的作用下，沿着摩擦连杆和制动连杆产生的轨迹向下移动，与驱动轮和制动轮接触，产生摩擦力，实现移动机器人匀速运行。

以上过程中，姿态传感器对移动机器人的运行状态实施检测，并将检测数据输入控制器，控制器对姿态信号与预先设定的制动稳定性阈值进行比较，同时，电动机转子位置传感器实施检测电动机转子相对于电动机定子的位置，将检测数据输入控制器，当输入的姿态信号超过阈值时，控制器控制电动机反向旋转，并根据转子位置传感器的输入数据来控制电动机转过的角度。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，是一种电动机提供驱动力的制动系统，结构简单，制造容易，经济实用。

2、本发明的单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，采用姿态传感器检测移动机器人的制动状态，并将其信号与预先设定的阈值进行比较，实现平稳制动。

3、本发明采用姿态传感器和电动机转子位置传感器的信号作为控制器的输入信号，当机器人运行在下坡轨道段时，能够实施的调整制动力的大小，保证制动稳定性。

4、本发明的单轨道移动机器人的自主平稳制动方法的方法步骤简单，实现方便，制动效果好，制动平稳性高。

5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，计算量小，误判率低，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明单轨道移动机器人的自主平稳制动系统结构示意图。

图2为本发明控制器与其它各元件的电路连接关系示意图。

附图标记说明:

1—轨道； 2—制动轮轴； 3—制动轮；

4—制动连杆； 5—连杆轴； 6—摩擦连杆；

7—摩擦轮轴； 8—摩擦轮； 9—电动机；

10—电动机齿轮轴； 11—齿条导轨； 12—姿态传感器；

13—齿条； 14—齿轮； 15—机器人驱动轮；

16—压杆； 17—齿条压杆连接轴； 18—控制器；

19—电源； 20—电动机转子位置传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的单轨道移动机器人的自主平稳制动控制系 统，包括摩擦制动单元、电动机驱动单元和制动控制系统，所述摩擦制动 单元包括机器人驱动轮15、摩擦轮8、摩擦轮轴7、摩擦连杆6、连杆轴5、 制动连杆4、制动轮3和制动轮轴2，所述摩擦轮8安装在摩擦轮轴7上， 摩擦轮8围绕摩擦轮轴7能够旋转，摩擦轮8和摩擦连杆6通过摩擦轮轴 7连接，所述摩擦连杆6和制动连杆4通过连杆轴5连接，摩擦连杆6和 制动连杆4之间能够做相对旋转运动，所述制动连杆4与制动轮3通过制 动轮轴2连接，制动连杆4能够围绕制动轮轴2相对制动轮3做旋转运动， 所述制动轮3与制动轮轴2固定连接，处于固定静止状态；所述电动机驱 动单元包括电动机9、齿轮14、齿条13、齿条导轨11、齿条压杆连接轴 17、压杆16和电动机齿轮轴10，所述电动机9，经过电动机齿轮轴10驱 动齿轮14旋转，所述齿轮14与齿条13啮合，驱动齿条13做往复直线运 动，齿轮与齿条啮合组成齿轮齿条副，所述齿条13在导轨11的约束下， 在与齿条垂直方向进行约束，所述齿条压杆连接轴17与齿条13连接，随 着齿条的运动而往复运动，所述压杆16一端与齿条压杆连接轴17连接， 一方面随着齿条压杆连接轴17做往复运动，另一方面围绕齿条压杆连接 轴做相对旋转运动，另一端与摩擦轮轴7连接，驱动摩擦轮轴运动；结合 图2，所述制动控制系统包括控制器18，所述控制器18的输入端接有安 装在齿条13上部导轨11附近的检测机器人运行状态的姿态传感器12，同 时接有机器人自身携带的电源19和电动机转子位置传感器20，所述控制 器18的输出端接有电动机9。

本发明通过采用活动的连杆轴5、制动连杆4和摩擦连杆6，以确 保摩擦轮8与制动轮3和驱动轮15充分接触；所述压杆16分别与齿条压 杆连接轴17和摩擦轮轴7连接，并能够相对旋转，以保证摩擦轮8的运 动自由度，使其能够在摩擦连杆6的导引下运动；所述齿条13，通过与齿 轮14构成的齿轮齿条运动副，把电动机9的选择运动转变为齿条13的直 线运动；所述姿态传感器12，布置于机器人的最顶部，以保证能够更好的 检测到机器人在制动过程的姿态变化。

本实施例中，姿态传感器为MPU6050运动处理传感器。

本发明的制动控制系统对单轨道移动机器人自主平稳制动方法，具体过程为：

当移动机器人在单轨道上需要停止时，控制器18接通电源19， 电源19经过控制器18到达电动机9，电动机9开始旋转，经过电动机齿 轮轴10驱动齿轮14旋转，齿条13在齿轮14的带动下，向下运动，同时 经过齿条压杆连接轴17带动压杆16一起向下运动，摩擦轮8在压杆的作 用下，沿着摩擦连杆6和制动连杆4产生的轨迹向下移动，与驱动轮和制 动轮接触，产生摩擦力，实现移动机器人停止；

当移动机器人运行在从高到低的非水平轨道段时，控制器18接通 电源19，电源19经过控制器18到达电动机9，电动机9开始旋转，经过 电动机齿轮轴10驱动齿轮14旋转，齿条13在齿轮14的带动下，向下运 动，同时经过齿条压杆连接轴17带动压杆16一起向下运动，摩擦轮8在 压杆的作用下，沿着摩擦连杆6和制动连杆4产生的轨迹向下移动，与驱 动轮和制动轮接触，产生摩擦力，实现移动机器人匀速运行。

以上过程中，姿态传感器12对移动机器人的运行状态实施检测，并将检测数据输入控制器18，控制器18对姿态信号与预先设定的制动稳定性阈值进行比较，同时，电动机转子位置传感器20实施检测电动机转子相对于电动机定子的位置，将检测数据输入控制器18，当输入的姿态信号超过阈值时，控制器18控制电动机9反向旋转，并根据转子位置传感器的输入数据来控制电动机9转过的角度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，其特征在于：包括摩擦制动单元、电动机驱动单元和制动控制系统，所述摩擦制动单元包括机器人驱动轮(15)、摩擦轮(8)、摩擦轮轴(7)、摩擦连杆(6)、连杆轴(5)、制动连杆(4)、制动轮(3)和制动轮轴(2)，所述摩擦轮(8)安装在摩擦轮轴(7)上，摩擦轮(8)围绕摩擦轮轴(7)能够旋转，摩擦轮(8)和摩擦连杆(6)通过摩擦轮轴(7)连接，所述摩擦连杆(6)和制动连杆(4)通过连杆轴(5)连接，摩擦连杆(6)和制动连杆(4)之间能够做相对旋转运动，所述制动连杆(4)与制动轮(3)通过制动轮轴(2)连接，制动连杆(4)能够围绕制动轮轴(2)相对制动轮(3)做旋转运动，所述制动轮(3)与制动轮轴(2)固定连接，处于固定静止状态；所述电动机驱动单元包括电动机(9)、齿轮(14)、齿条(13)、齿条导轨(11)、齿条压杆连接轴(17)、压杆(16)和电动机齿轮轴(10)，所述电动机(9)，经过电动机齿轮轴(10)驱动齿轮(14)旋转，所述齿轮(14)与齿条(13)啮合，驱动齿条(13)做往复直线运动，齿轮与齿条啮合组成齿轮齿条副，所述齿条(13)在导轨(11)的约束下，在与齿条垂直方向进行约束，所述齿条压杆连接轴(17)与齿条(13)连接，随着齿条的运动而往复运动，所述压杆(16)一端与齿条压杆连接轴(17)连接，一方面随着齿条压杆连接轴(17)做往复运动，另一方面围绕齿条压杆连接轴做相对旋转运动，另一端与摩擦轮轴(7)连接，驱动摩擦轮轴运动；所述制动控制系统包括控制器(18)，所述控制器(18)的输入端接有安装在齿条(13)上部导轨(11)附近的检测机器人运行状态的姿态传感器(12)，同时接有机器人自身携带的电源(19)和电动机转子位置传感器(20)，所述控制器(18)的输出端接有电动机(9)。

2.按照权利要求1所述的一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，其特征在于：采用活动的连杆轴(5)、制动连杆(4)和摩擦连杆(6)，以确保摩擦轮(8)与制动轮(3)和驱动轮(15)充分接触；所述压杆(16)分别与齿条压杆连接轴(17)和摩擦轮轴(7)连接，并能够相对旋转，以保证摩擦轮(8)的运动自由度，使其能够在摩擦连杆(6)的导引下运动；所述齿条(13)，通过与齿轮(14)构成的齿轮齿条运动副，把电动机(9)的选择运动转变为齿条(13)的直线运动；所述姿态传感器(12)，布置于机器人的最顶部，以保证能够更好的检测到机器人在制动过程的姿态变化。

3.按照权利要求1所述的一种单轨道移动机器人的自主平稳制动系统，其特征在于：姿态传感器为MPU6050运动处理传感器。

4.一种利用如权利要求1所述的自主平稳制动系统对单轨道移动机器人进行平稳制动的方法，其特征在于，该方法的具体过程为：

当移动机器人在单轨道上需要停止时，控制器(18)接通电源(19)，电源(19)经过控制器(18)到达电动机(9)，电动机(9)开始旋转，经过电动机齿轮轴(10)驱动齿轮(14)旋转，齿条(13)在齿轮(14)的带动下，向下运动，同时经过齿条压杆连接轴(17)带动压杆(16)一起向下运动，摩擦轮(8)在压杆的作用下，沿着摩擦连杆(6)和制动连杆(4)产生的轨迹向下移动，与驱动轮和制动轮接触，产生摩擦力，实现移动机器人停止；

当移动机器人运行在从高到低的非水平轨道段时，控制器(18)接通电源(19)，电源(19)经过控制器(18)到达电动机(9)，电动机(9)开始旋转，经过电动机齿轮轴(10)驱动齿轮(14)旋转，齿条(13)在齿轮(14)的带动下，向下运动，同时经过齿条压杆连接轴(17)带动压杆(16)一起向下运动，摩擦轮(8)在压杆的作用下，沿着摩擦连杆(6)和制动连杆(4)产生的轨迹向下移动，与驱动轮和制动轮接触，产生摩擦力，实现移动机器人匀速运行；

以上过程中，姿态传感器(12)对移动机器人的运行状态实施检测，并将检测数据输入控制器(18)，控制器(18)对姿态信号与预先设定的制动稳定性阈值进行比较，同时，电动机转子位置传感器(20)实施检测电动机转子相对于电动机定子的位置，将检测数据输入控制器(18)，当输入的姿态信号超过阈值时，控制器(18)控制电动机(9)反向旋转，并根据转子位置传感器的输入数据来控制电动机(9)转过的角度。

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