CN110216685B - 一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法 - Google Patents

一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110216685B
CN110216685B CN201910193057.0A CN201910193057A CN110216685B CN 110216685 B CN110216685 B CN 110216685B CN 201910193057 A CN201910193057 A CN 201910193057A CN 110216685 B CN110216685 B CN 110216685B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rope
coordinate system
movable platform
pulley
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910193057.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110216685A (zh
Inventor
朱龙飞
包能胜
邝慧玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shantou University
Original Assignee
Shantou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shantou University filed Critical Shantou University
Priority to CN201910193057.0A priority Critical patent/CN110216685B/zh
Publication of CN110216685A publication Critical patent/CN110216685A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110216685B publication Critical patent/CN110216685B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/954—Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明实施例公开了一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人，包括视觉检测动平台、4个伺服机构、4个滑轮机构、4个柔性绳索，所述4个滑轮机构分别固定于煤仓4个拐角处，所述视觉检测动平台与所述4个柔性绳索连接并分别绕设经所述4个滑轮机构与所述4个伺服机构连接。本发明实施例还公开了一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人的控制方法。采用本发明，实现了视觉检测云台精确的空间定位以及实时的视觉图像处理，取代了传统人工检测的方式，极大的提高了工作效率，降低了设备检修的维护成本。本发明使运动过程中即便绳索安装板不平，相机依然保持水平作业的特点，为悬索并联机器人运动时末端执行器不平稳提供了新的解决方案。

Description

一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法
技术领域
本发明涉及大空间内壁缺陷检测领域和柔索并联机器人领域，尤其涉及一种用于煤仓、电厂烟囱等大空间内壁的裂缝、锈蚀、凹坑、衬板翘起、螺栓缺失等缺陷视觉检测的悬索并联机器人及控制方法。
背景技术
煤仓是燃煤电厂在生产过程中存储煤的容器，煤仓内衬板一般采用不锈钢或超高分子量聚乙烯板，由于不锈钢衬板价格便宜，韧性好，安装制作简单且耐冲击，目前在燃煤电厂中应用得比较广泛。但是不锈钢会因焊接、表面划伤等原因接触到燃煤中的氯和硫而腐蚀，而衬板腐蚀过度会有脱落的危险，还会造成煤仓受损。
因此，煤仓内壁需要定期检测。但是目前现有的煤仓内壁检测手段主要是人工检测，要将煤仓静置约半个月，等粉尘沉降，有毒气体排出后，依赖工人带防爆照明灯进入煤仓内部一点一点地查看。煤仓的体积庞大，检测周期长，检测一次会耽误电厂不少的生产工作。且煤仓内部粉尘严重，还含有CO等有毒气体，对检测工人的安全构成威胁。
专利[ZL201720834837.5]采用无人机的方式进入煤仓内部拍摄图片进行瑕疵检测分析,但此方法有无人机螺旋桨扬尘、内定位难度高、无人机在煤灰粉尘、可燃性气体环境中容易引发爆炸等隐患。且无人机续航时间短，负载能力差，煤仓空间尺寸大，使其较难实际运用于生产实际。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法。可用于煤仓、电厂烟囱等大空间内壁的裂缝等缺陷视觉检测。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人，包括视觉检测动平台(100)、4个伺服机构(200)、4个滑轮机构(300)、4个柔性绳索(202)，所述4个滑轮机构(300)分别固定于煤仓(400)4个拐角处，所述视觉检测动平台与所述4个柔性绳索连接并分别绕设经所述4个滑轮机构与所述4个伺服机构连接；
所述4个伺服机构(200)均包括绕线滚筒(201)、直线轴承(205)、安装底板(208)、压线机构(210)、编码器(2005)、编码器轮(209)、伺服电机(211)，所述绕线滚筒(201)通过联轴器(212)与伺服电机(211)连接，柔性绳索绕经所述压线机构(210)、编码器轮(209)缠绕在绕线滚筒(201)上，所述编码器(2005)通过编码器轮(209)测出柔性绳索(202)的精确长度变化，通过机器人空间姿态控制方法，确认目标空间位置对应的柔性绳索(202)的长度，实现对视觉检测平台的空间位置控制。
进一步地，所述4个伺服机构(200)还包括同步轮组(203)、丝杆(204)、直线轴承(205)、换向轴承(206)、原点开关(207)；
所述丝杆(204)通过所述同步轮组(203)与所述绕线滚筒(201)同步转动，换向轴承(206)设置于滑动块上，所述滑动块设置于所述丝杆(204)上，且与所述直线轴承(205)固定连接，所述原点开关用于检测所述滑动块的滑动极限位置。
更进一步地，所述视觉检测动平台(100)包括2轴无线光学变焦云台相机(106)、绳索安装板(102)、2轴平衡结构(103，105)、以及配重模块(101)，所述2轴无线光学变焦云台相机安装于所述2轴平衡结构底端，所述配重模块(101)设置于顶端，所述绳索安装板设置于中部。
相应地，本发明实施例还提供了一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人的控制方法如下步骤。
步骤1.建立动平台空间姿态和绳长关系模型
该四索牵引并联机器人是6自由度欠约束结构，为了描述动平台的位置姿态，建立全局坐标系O-xyz，在动平台中心建立局部坐标系P-xyz。
建立如下式(1)的动平台空间姿态和绳长模型：
Figure GDA0002141290990000021
将模型(1)经过移项整理得动平台空间姿态和绳长模型(2)(3):
Figure GDA0002141290990000022
Figure GDA0002141290990000023
动平台中心点位姿相对于全局坐标系为
Figure GDA0002141290990000031
式(1)、式(2)中，PO为局部坐标系中的原点(即动平台中心)相对于全局坐标系O中的位置矢量，Po＝[Px，Py，Pz]T；
Figure GDA0002141290990000032
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure GDA0002141290990000033
Figure GDA0002141290990000034
表示局部坐标系P中绳索i在动平台的安装位置，
Figure GDA0002141290990000035
Figure GDA0002141290990000036
表示全局坐标系O中绳索i与滑轮最高点接触的位置，
Figure GDA0002141290990000037
Figure GDA0002141290990000038
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置
Figure GDA0002141290990000039
相对于绳索i与滑轮最高点接触的位置
Figure GDA00021412909900000310
的位置矢量；将滑轮i最高点到动平台绳索i的安装位置这段绳索长度，定义为绳索i的长度，记为li；i取值为[1,2,3,4]；
RP表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵，其表达式为：
Figure GDA00021412909900000311
式(4)、(5)中，α表示动平台绕局部坐标系x轴旋转的角度；β表示动平台绕局部坐标系y轴旋转的角度；γ表示动平台绕局部坐标系z轴旋转的角度；其旋转顺序为先绕局部坐标系z轴旋转γ，再绕局部坐标系y轴旋转β；最后绕局部坐标系x轴旋转α。
步骤2.考虑滑轮半径的影响，修正动平台空间姿态和绳长关系模型
步骤2.1根据式(6)、(7)、(8)求θi
Figure GDA00021412909900000312
Figure GDA00021412909900000313
θi＝π-θi，1-θi，2# (8)
式(6)～(8)中，
Figure GDA00021412909900000329
表示滑轮的半径大小；
Figure GDA00021412909900000314
表示全局坐标系O中滑轮i的轴心点坐标位置，
Figure GDA00021412909900000315
Figure GDA00021412909900000316
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure GDA00021412909900000317
θi表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000318
到滑轮最高点
Figure GDA00021412909900000319
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000320
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA00021412909900000321
的线段所成夹角；θi，1表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000322
到绳索安装点
Figure GDA00021412909900000323
的线段与全局坐标系z轴所成夹角；θi，2表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000324
到绳索安装点
Figure GDA00021412909900000325
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000326
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA00021412909900000327
的线段所成夹角；
步骤2.2建立修正后的绳长模型
Figure GDA00021412909900000328
式(9)中l′i表示考虑滑轮半径的影响修正后的绳索i的长度；
Figure GDA0002141290990000041
表示滑轮的半径大小；
Figure GDA0002141290990000042
表示全局坐标系O中滑轮i的轴心点坐标位置，
Figure GDA0002141290990000043
Figure GDA0002141290990000044
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure GDA0002141290990000045
θi表示滑轮轴心点
Figure GDA0002141290990000046
到滑轮最高点
Figure GDA0002141290990000047
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA0002141290990000048
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA0002141290990000049
的线段所成夹角；θi，2表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000410
到绳索安装点
Figure GDA00021412909900000411
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000412
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA00021412909900000413
的线段所成夹角。
步骤3.考虑绳索在受到拉力作用下的形变，修正动平台空间姿态和绳长关系模型
根据胡克定理
Figure GDA00021412909900000414
得
Figure GDA00021412909900000415
式(10)、(11)中，E表示金属丝线材的杨氏模量，单位N/m；F表示外力大小，单位N；l表示金属丝绳索的原长，单位m；s为金属丝绳索的横截面积，单位m2；σ表示金属丝线材的拉伸形变伸长量，单位m。
把步骤2中式(9)算得的绳索修正长度l′i带入式(12)，得到考虑滑轮半径和绳索形变的双重影响，修正后的绳索长度l″i
Figure GDA00021412909900000416
式(12)中，l″i表示考虑滑轮半径和绳索形变的双重影响下，修正后的绳索i的长度；l0表示绕线轴到相对应的滑轮的长度；l′i表示仅考虑滑轮半径的影响下，修正后的绳索i的长度；E表示本机器人系统中钢索线材的杨氏模量，单位N/m；Fi表示绳索i所受拉力，单位N；s为金属丝绳索的横截面积，单位m2。
步骤4.假定绳索模型为理想状态下的直线模型，忽略自身重力作用下的弯曲，将所述绳长模型对时间t进行求导，得到绳长随时间变化的雅克比矩阵。
步骤4.1对
Figure GDA00021412909900000417
求时间t的导数，得到全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度
Figure GDA00021412909900000418
其中，
Figure GDA00021412909900000419
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度；v为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的平动速度，
Figure GDA00021412909900000420
w为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的角速度为，
Figure GDA00021412909900000421
即
Figure GDA0002141290990000051
故而
Figure GDA0002141290990000052
式(15)中，
Figure GDA0002141290990000053
表示动平台中心点位姿变化速度，
Figure GDA0002141290990000054
RP表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵；I为3阶单位矩阵。
步骤4.2根据式(16)求绳索i的单位向量
Figure GDA0002141290990000055
式(16)中，ui表示绳索i的单位向量；
Figure GDA0002141290990000056
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置
Figure GDA0002141290990000057
相对于绳索i与滑轮最高点接触的位置
Figure GDA0002141290990000058
的位置矢量
步骤4.3将所述绳长模型对时间t进行求导，如式(17)所示，得到绳长随时间变化的雅克比矩阵，式(18)。
Figure GDA0002141290990000059
式(17)中，
Figure GDA00021412909900000510
表示全局坐标系O中，绳索i长度变化速度，
Figure GDA00021412909900000511
Figure GDA00021412909900000512
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度；Jinv为绳长随时间变化的雅克比矩阵，又称逆速度雅克比矩阵。其中，
Figure GDA00021412909900000513
Figure GDA00021412909900000514
式(19)中，ui表示绳索i的单位向量；RP表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵；
Figure GDA00021412909900000515
表示局部坐标系P中绳索i在动平台的安装位置，
Figure GDA00021412909900000516
Figure GDA00021412909900000517
步骤5.建立运动学正解方程，并求最优解。
步骤5.1由动平台空间姿态和绳长关系模型(2)，得第i根柔索长度的运动学正解方程(21)
Figure GDA0002141290990000061
步骤5.2求运动学正解方程的最优解。
步骤5.2.1
由于本机器人系统欠约束，有无穷多个解。根据最小势能原理，力学系统处于稳定平衡时，势能最小，即Pz最小。使用牛顿迭代法，多次迭代，得到最优解(x1，y1，z1，α1，β1，γ1)。
步骤5.2.2
具体计算时，求反解时只要求得到目标的三维空间位置(x0，y0，z0)，由于云台的复合铰链结构，安装板角度对云台相机的角度不产生影响，第一次计算时默认目标位置(x0，y0，z0，0，0，0)，通过计算，可以求出线长l1～l4；再求正解，根据势能最小原理，多次迭代得(x1，y1，z1，α1，β1，γ1)，此时(x0，y0，z0)已经与(x1，y1，z1)发生偏移，比较Δx＝x1-x0；Δy＝y1-y0；Δz＝z1-z0是否达到精度要求。如果达不到要求，设置目标位姿为(x0，y0，z0，α1，β1，γ1)，再次计算l1～l4；……多次迭代，再次计算比较第j次迭代xj-x0；yj-y0；zj-z0是否达到精度要求。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明实现了视觉检测云台精确的空间定位以及实时的视觉图像处理，取代了传统人工检测的方式，极大的提高了工作效率，降低了设备检修的维护成本。本发明公布的悬索并联机器人通过视觉检测动平台的结构，使运动过程中即便绳索安装板不平，相机依然保持水平作业的特点，为悬索并联机器人运动时末端执行器不平稳提供了新的解决方案。
附图说明
图1为本发明煤仓内壁缺陷检测悬索并联机器人总效果图。各部件分别为：
100——视觉检测动平台、300——滑轮机构、400——煤仓
图2为本发明煤仓检测系统中视觉检测动平台示意图。各部件分别为：
106——2轴无线光学变焦云台相机、103，105——2轴平衡结构、1004——电池、101——配重模块3、102——绳索安装板。
图3-a为本发明煤仓检测系统中伺服机构装配体的主视图。
201——绕线滚筒、202——柔性绳索、203——同步轮组、204——丝杆、205——直线轴承、206——换向轴承、207——原点开关、208——安装底板、209——编码器轮(209)、210——压线机构、211——伺服电机、212——联轴器。
图3-b为本发明煤仓检测系统中伺服机构装配体的后视图。
213——编码器。
图4为本发明煤仓检测系统中滑轮机构示意图。
301——轴承座、302——滑轮支座、303——墙壁安装支架
图5为本发明煤仓内壁缺陷检测悬索并联机器人运动学模型坐标系示意图。
图6为本发明煤仓内壁缺陷检测悬索并联机器人运动学模型矢量计算示意图。
图7为本发明煤仓内壁缺陷检测悬索并联机器人滑轮局部示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明实施例的一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人，如图1所示安装。
4滑轮机构(300)固定于煤仓(400)4个拐角处，如图1。绕线滚筒(201)通过联轴器(212)与伺服电机(211)连接。
所述4个伺服机构(200)均包括绕线滚筒(201)、直线轴承(205)、安装底板(208)、压线机构(210)、编码器(2013)、编码器轮(209)、伺服电机(211)，所述绕线滚筒(201)通过联轴器(212)与伺服电机(211)连接，柔性绳索绕经所述压线机构(210)、编码器轮(209)缠绕在绕线滚筒(201)上，所述编码器(213)通过编码器轮(209)测出柔性绳索(202)的精确长度变化，通过机器人空间姿态控制方法，确认目标空间位置对应的柔性绳索(202)的长度，实现对视觉检测平台的空间位置控制。
压线机构(210)为压线轮，使得柔性绳索能准确带动编码器轮(209)转动。
4个伺服机构(200)还包括同步轮组(203)、丝杆(204)、直线轴承(205)、换向轴承(206)、原点开关(207)、安装底板(208)；
所述丝杆(204)通过所述同步轮组(203)与所述绕线滚筒(201)同步转动，换向轴承(206)设置于滑动块上，所述滑动块设置于所述丝杆(204)上，且与所述直线轴承(205)固定连接，所述原点开关用于检测所述滑动块的滑动极限位置。
柔性绳索(202)缠绕在绕线滚筒(201)上，柔性绳索(202)通过换向轴承(206)绕过编码器轮(209)、压线机构(210)，再经过滑轮机构(300)连接与视觉检测动平台(100)的绳索安装板(102)上的4个安装位置连接。绕线滚筒(201)通过同步轮组(203)和丝杆(204)传动，使设备在运行过程中柔性绳索(202)能够以螺旋线在绕线滚筒上收放卷。
所述视觉检测动平台(100)包括2轴无线光学变焦云台相机(106)、绳索安装板(102)、2轴平衡结构(103，105)、以及配重模块(101)，所述2轴无线光学变焦云台相机安装于所述2轴平衡结构底端，所述配重模块(101)设置于顶端，所述绳索安装板设置于中部。
换向轴承(206)设置于滑动块上，滑动块设置于所述丝杆(204)上，且与所述直线轴承(205)固定连接，原点开关(207)包括设置于安装底板(208)上的光电眼，滑动块上设置有一感应板，当感应板随滑动块滑动并置于光电眼时，发出触发信号。
硬件安装完毕之后，通电打开软件，设置煤仓的形状、尺寸、相机等参数
本发明实施例还提供了应用于上述用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人的控制方法，包括如下步骤：
步骤1.建立动平台空间姿态和绳长关系模型
该四索牵引并联机器人是6自由度欠约束结构，为了描述动平台的位置姿态，建立全局坐标系O-xyz，在动平台中心建立局部坐标系P-xyz。
建立如下式(1)的动平台空间姿态和绳长模型：
Figure GDA0002141290990000081
将模型(1)经过移项整理得动平台空间姿态和绳长模型(2)(3):
Figure GDA0002141290990000082
Figure GDA0002141290990000083
动平台中心点位姿相对于全局坐标系为
Figure GDA0002141290990000084
式(1)、式(2)中，Po为局部坐标系中的原点(即动平台中心)相对于全局坐标系O中的位置矢量，Po＝[Px，Py，Pz]T；
Figure GDA0002141290990000085
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure GDA0002141290990000091
Figure GDA0002141290990000092
表示局部坐标系P中绳索i在动平台的安装位置，
Figure GDA0002141290990000093
Figure GDA0002141290990000094
表示全局坐标系O中绳索i与滑轮最高点接触的位置，
Figure GDA0002141290990000095
Figure GDA0002141290990000096
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置
Figure GDA0002141290990000097
相对于绳索i与滑轮最高点接触的位置
Figure GDA0002141290990000098
的位置矢量；将滑轮i最高点到动平台绳索i的安装位置这段绳索长度，定义为绳索i的长度，记为li；i取值为[1,2,3,4]；
RP表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵，其表达式为：
Figure GDA0002141290990000099
式(4)、(5)中，α表示动平台绕局部坐标系x轴旋转的角度；β表示动平台绕局部坐标系y轴旋转的角度；γ表示动平台绕局部坐标系z轴旋转的角度；其旋转顺序为先绕局部坐标系z轴旋转γ，再绕局部坐标系y轴旋转β；最后绕局部坐标系x轴旋转α。
步骤2.考虑滑轮半径的影响，修正动平台空间姿态和绳长关系模型
步骤2.1根据式(6)、(7)、(8)求θi
Figure GDA00021412909900000910
Figure GDA00021412909900000911
θi＝π-θi，1-θi，2# (8)
式(6)～(8)中，
Figure GDA00021412909900000912
表示滑轮的半径大小；
Figure GDA00021412909900000913
表示全局坐标系O中滑轮i的轴心点坐标位置，
Figure GDA00021412909900000914
Figure GDA00021412909900000915
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure GDA00021412909900000916
θi表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000917
到滑轮最高点
Figure GDA00021412909900000918
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000919
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA00021412909900000920
的线段所成夹角；θi，1表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000921
到绳索安装点
Figure GDA00021412909900000922
的线段与全局坐标系z轴所成夹角；θi，2表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000923
到绳索安装点
Figure GDA00021412909900000924
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000925
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA00021412909900000926
的线段所成夹角；
步骤2.2建立修正后的绳长模型
Figure GDA00021412909900000927
式(9)中l′i表示考虑滑轮半径的影响修正后的绳索i的长度；
Figure GDA00021412909900000928
表示滑轮的半径大小；
Figure GDA00021412909900000929
表示全局坐标系O中滑轮i的轴心点坐标位置，
Figure GDA00021412909900000930
Figure GDA00021412909900000931
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure GDA00021412909900000932
θi表示滑轮轴心点
Figure GDA00021412909900000933
到滑轮最高点
Figure GDA00021412909900000934
的线段与滑轮轴心点
Figure GDA0002141290990000101
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA0002141290990000102
的线段所成夹角；θi，2表示滑轮轴心点
Figure GDA0002141290990000103
到绳索安装点
Figure GDA0002141290990000104
的线段与滑轮轴心
Figure GDA0002141290990000105
到绳索i在滑轮上的切点
Figure GDA0002141290990000106
的线段所成夹角。
步骤3.考虑绳索在受到拉力作用下的形变，修正动平台空间姿态和绳长关系模型
根据胡克定理
Figure GDA0002141290990000107
得
Figure GDA0002141290990000108
式(10)、(11)中，E表示金属丝线材的杨氏模量，单位N/m；F表示外力大小，单位N；l表示金属丝绳索的原长，单位m；s为金属丝绳索的横截面积，单位m2；σ表示金属丝线材的拉伸形变伸长量，单位m。
把步骤2中式(9)算得的绳索修正长度l′i带入式(12)，得到考虑滑轮半径和绳索形变的双重影响，修正后的绳索长度l″i
Figure GDA0002141290990000109
式(12)中，l″i表示考虑滑轮半径和绳索形变的双重影响下，修正后的绳索i的长度；l0表示绕线轴到相对应的滑轮的长度；l′i表示仅考虑滑轮半径的影响下，修正后的绳索i的长度；E表示本机器人系统中钢索线材的杨氏模量，单位N/m；Fi表示绳索i所受拉力，单位N；s为金属丝绳索的横截面积，单位m2。
步骤4.假定绳索模型为理想状态下的直线模型，忽略自身重力作用下的弯曲，将所述绳长模型对时间t进行求导，得到绳长随时间变化的雅克比矩阵。
步骤4.1对
Figure GDA00021412909900001010
求时间t的导数，得到全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度
Figure GDA00021412909900001011
其中，
Figure GDA00021412909900001012
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度；v为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的平动速度，
Figure GDA00021412909900001013
w为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的角速度为，
Figure GDA00021412909900001014
即
Figure GDA00021412909900001015
故而
Figure GDA00021412909900001016
式(15)中，
Figure GDA0002141290990000111
表示动平台中心点位姿变化速度，
Figure GDA0002141290990000112
RP表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵；I为3阶单位矩阵。
步骤4.2根据式(16)求绳索i的单位向量
Figure GDA0002141290990000113
式(16)中，ui表示绳索i的单位向量；
Figure GDA0002141290990000114
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置
Figure GDA0002141290990000115
相对于绳索i与滑轮最高点接触的位置
Figure GDA0002141290990000116
的位置矢量
步骤4.3将所述绳长模型对时间t进行求导，如式(17)所示，得到绳长随时间变化的雅克比矩阵，式(18)。
Figure GDA0002141290990000117
式(17)中，
Figure GDA0002141290990000118
表示全局坐标系O中，绳索i长度变化速度，
Figure GDA0002141290990000119
Figure GDA00021412909900001110
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度；Jinv为绳长随时间变化的雅克比矩阵，又称逆速度雅克比矩阵。其中，
Figure GDA00021412909900001111
Figure GDA00021412909900001112
式(19)中，ui表示绳索i的单位向量；RP表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵；
Figure GDA00021412909900001113
表示局部坐标系P中绳索i在动平台的安装位置，
Figure GDA00021412909900001114
Figure GDA00021412909900001115
步骤5.建立运动学正解方程，并求最优解。
步骤5.1由动平台空间姿态和绳长关系模型(2)，得第i根柔索长度的运动学正解方程(21)
Figure GDA00021412909900001116
步骤5.2求运动学正解方程的最优解。
步骤5.2.1
由于本机器人系统欠约束，有无穷多个解。根据最小势能原理，力学系统处于稳定平衡时，势能最小，即Pz最小。使用牛顿迭代法，多次迭代，得到最优解(x1，y1，z1，α1，β1，γ1)。
步骤5.2.2
具体计算时，求反解时只要求得到目标的三维空间位置(x0，y0，z0)，由于云台的复合铰链结构，安装板角度对云台相机的角度不产生影响，第一次计算时默认目标位置(x0，y0，z0，0，0，0)，通过计算，可以求出线长l1～l4；再求正解，根据势能最小原理，多次迭代得(x1，y1，z1，α1，β1，γ1)，此时(x0，y0，z0)已经与(x1，y1，z1)发生偏移，比较Δx＝x1-x0；Δy＝y1-y0；Δz＝z1-z0是否达到精度要求。如果达不到要求，设置目标位姿为(x0，y0，z0，α1，β1，γ1)，再次计算l1～l4；……多次迭代，再次计算比较第j次迭代xj-x0；yj-y0；zj-z0是否达到精度要求。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人，其特征在于，包括视觉检测动平台（100）、4个伺服机构（200）、4个滑轮机构（300）、4个柔性绳索（202），所述4个滑轮机构（300）分别固定于煤仓（400）4个拐角处，所述视觉检测动平台与所述4个柔性绳索连接并分别绕设经所述4个滑轮机构与所述4个伺服机构连接；
所述4个伺服机构（200）均包括绕线滚筒（201）、直线轴承（205）、安装底板（208）、压线机构（210）、编码器（2005）、编码器轮（209）、伺服电机（211），所述绕线滚筒（201）通过联轴器（212）与伺服电机（211）连接，柔性绳索绕经所述压线机构（210）、编码器轮（209）缠绕在绕线滚筒（201）上，所述编码器（2005）通过编码器轮（209）测出柔性绳索（202）的精确长度变化，通过机器人空间姿态控制方法，确认目标空间位置对应的柔性绳索（202）的长度，实现对视觉检测平台的空间位置控制；
所述4个伺服机构（200）还包括同步轮组（203）、丝杆（204）、直线轴承（205）、换向轴承（206）、原点开关（207）；
所述丝杆（204）通过所述同步轮组（203）与所述绕线滚筒（201）同步转动，换向轴承（206）设置于滑动块上，所述滑动块设置于所述丝杆（204）上，且与所述直线轴承（205）固定连接，所述原点开关用于检测所述滑动块的滑动极限位置；
所述视觉检测动平台（100）包括2轴无线光学变焦云台相机（106）、绳索安装板（102）、2轴平衡结构（103，105）、以及配重模块（101），所述2轴无线光学变焦云台相机安装于所述2轴平衡结构底端，所述配重模块（101）设置于顶端，所述绳索安装板设置于中部；
所述用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人包括以下控制步骤：
步骤1. 建立动平台空间姿态和绳长关系模型：
Figure 812756DEST_PATH_IMAGE001
经过移项整理得动平台空间姿态和绳长模型：
Figure 916847DEST_PATH_IMAGE002
Figure 634267DEST_PATH_IMAGE003
动平台中心点位姿相对于全局坐标系为
Figure 29476DEST_PATH_IMAGE004
Figure 30799DEST_PATH_IMAGE005
为局部坐标系中的原点（即动平台中心）相对于全局坐标系O中的位置矢量，
Figure 853262DEST_PATH_IMAGE006
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure 57978DEST_PATH_IMAGE007
；
Figure 256878DEST_PATH_IMAGE008
表示局部坐标系P中绳索i在动平台的安装位置，
Figure 112708DEST_PATH_IMAGE009
;
Figure 106072DEST_PATH_IMAGE010
表示全局坐标系O中绳索i与滑轮最高点接触的位置，
Figure 798084DEST_PATH_IMAGE011
；
Figure 535096DEST_PATH_IMAGE012
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置
Figure 245432DEST_PATH_IMAGE013
相对于绳索i与滑轮最高点接触的位置
Figure 675276DEST_PATH_IMAGE014
的位置矢量；将滑轮i最高点到动平台绳索i的安装位置这段绳索长度，定义为绳索i的长度，记为
Figure 854585DEST_PATH_IMAGE016
；i取值为[1,2,3,4]；
Figure 129708DEST_PATH_IMAGE017
表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵，其表达式为：
Figure 965989DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 301156DEST_PATH_IMAGE020
表示动平台绕局部坐标系x轴旋转的角度；
Figure 967760DEST_PATH_IMAGE022
表示动平台绕局部坐标系y轴旋转的角度；
Figure 46575DEST_PATH_IMAGE023
表示动平台绕局部坐标系z轴旋转的角度；其旋转顺序为先绕局部坐标系z轴旋转
Figure 997082DEST_PATH_IMAGE023
，再绕局部坐标系y轴旋转
Figure 768729DEST_PATH_IMAGE022
；最后绕局部坐标系x轴旋转
Figure 391471DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤2：修正动平台空间姿态和绳长关系模型，消除滑轮半径的影响，
建立修正后的绳长模型：
Figure 273977DEST_PATH_IMAGE024
其中
Figure 813411DEST_PATH_IMAGE026
表示考虑滑轮半径的影响修正后的绳索i的长度；ρ表示滑轮的半径大小；
Figure 755960DEST_PATH_IMAGE027
表示全局坐标系O中滑轮i的轴心点坐标位置，
Figure 131577DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 552194DEST_PATH_IMAGE013
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置,
Figure 211715DEST_PATH_IMAGE029
；
Figure 325164DEST_PATH_IMAGE031
表示滑轮轴心点
Figure 453657DEST_PATH_IMAGE027
到滑轮最高点
Figure 677965DEST_PATH_IMAGE014
的线段与滑轮轴心点
Figure 660834DEST_PATH_IMAGE027
到绳索i在滑轮上的切点
Figure 945184DEST_PATH_IMAGE032
的线段所成夹角；
Figure 295394DEST_PATH_IMAGE033
表示滑轮轴心点
Figure 323393DEST_PATH_IMAGE027
到绳索安装点
Figure 957506DEST_PATH_IMAGE013
的线段与滑轮轴心点
Figure 147179DEST_PATH_IMAGE027
到绳索i在滑轮上的切点
Figure 719105DEST_PATH_IMAGE032
的线段所成夹角；
步骤3：修正动平台空间姿态和绳长关系模型消除绳索在受到拉力作用下的形变的影响，
考虑滑轮半径和绳索形变的双重影响，修正后的绳索长度
Figure 285216DEST_PATH_IMAGE035
：
Figure 39414DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 399988DEST_PATH_IMAGE037
表示绕线轴到相对应的滑轮的长度；
Figure 459211DEST_PATH_IMAGE026
表示仅考虑滑轮半径的影响下，修正后的绳索i的长度；E表示本用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人系统中绳索线材的杨氏模量，；
Figure 829013DEST_PATH_IMAGE038
表示绳索i所受拉力，s为金属丝绳索的横截面积；
步骤4：将上述绳长模型对时间t进行求导，得到绳长随时间变化的雅克比矩阵；
步骤5：由动平台空间姿态和绳长关系模型，得第i根绳索长度的运动学正解方程
Figure 906559DEST_PATH_IMAGE039
求运动学正解方程的最优解。
2.根据权利要求1所述的用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人，其特征在于，所述步骤4具体包括：
步骤4.1：对
Figure 703614DEST_PATH_IMAGE040
求时间t的导数，得到全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度
Figure 515712DEST_PATH_IMAGE041
其中，
Figure 689204DEST_PATH_IMAGE042
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度；
Figure 638835DEST_PATH_IMAGE043
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的平动速度，
Figure 606791DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 906185DEST_PATH_IMAGE045
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的角速度为，
Figure 617790DEST_PATH_IMAGE046
，即
Figure 669928DEST_PATH_IMAGE047
故而
Figure 808785DEST_PATH_IMAGE048
其中，
Figure 64317DEST_PATH_IMAGE049
表示动平台中心点位姿变化速度，
Figure 314033DEST_PATH_IMAGE050
表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵；
Figure 751836DEST_PATH_IMAGE051
为3阶单位矩阵
步骤4.2：根据以下公式求绳索i的单位向量
Figure 61595DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 132319DEST_PATH_IMAGE054
表示绳索i的单位向量；
Figure 857830DEST_PATH_IMAGE055
表示全局坐标系O中绳索i在动平台的安装位置
Figure 150140DEST_PATH_IMAGE040
相对于绳索i与滑轮最高点接触的位置
Figure 630800DEST_PATH_IMAGE056
的位置矢量；
步骤4.3：将绳长模型对时间t进行求导，得到绳长随时间变化的雅克比矩阵，
Figure 923241DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 718021DEST_PATH_IMAGE058
表示全局坐标系O中，绳索i长度变化速度，
Figure 412308DEST_PATH_IMAGE059
；
Figure 985241DEST_PATH_IMAGE042
为全局坐标系O中动平台绳索i安装点的速度；
Figure 30557DEST_PATH_IMAGE060
为绳长随时间变化的雅克比矩阵，又称逆速度雅克比矩阵
其中：
Figure 629029DEST_PATH_IMAGE061
Figure 177822DEST_PATH_IMAGE062
Figure 452814DEST_PATH_IMAGE054
表示绳索i的单位向量；
Figure 719847DEST_PATH_IMAGE017
表示全局坐标系O相对于动平台P的空间旋转矩阵；
Figure 856431DEST_PATH_IMAGE063
表示局部坐标系P中绳索i在动平台的安装位置，
Figure 259730DEST_PATH_IMAGE064
。
CN201910193057.0A 2019-03-12 2019-03-12 一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法 Active CN110216685B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910193057.0A CN110216685B (zh) 2019-03-12 2019-03-12 一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910193057.0A CN110216685B (zh) 2019-03-12 2019-03-12 一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110216685A CN110216685A (zh) 2019-09-10
CN110216685B true CN110216685B (zh) 2021-02-02

Family

ID=67822390

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910193057.0A Active CN110216685B (zh) 2019-03-12 2019-03-12 一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110216685B (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112611497B (zh) * 2019-09-18 2022-01-28 马洪文 并联杆系多维力传感器结构
CN110861081B (zh) * 2019-10-14 2021-10-26 北京航空航天大学 一种欠约束索并联机器人末端执行器的自主定位方法
CN112091946B (zh) * 2020-09-16 2022-03-25 哈尔滨工业大学 一种上置式多自由度绳驱并联机器人
CN112847444A (zh) * 2020-12-31 2021-05-28 洛阳尚奇机器人科技有限公司 一种柔性驱动的视觉跟踪装置设计及控制方法
CN113334373B (zh) * 2021-05-14 2023-03-14 广西电网有限责任公司电力科学研究院 变电站室内自动巡检机器人系统控制方法
CN113650035A (zh) * 2021-09-16 2021-11-16 南京信息工程大学 一种绳驱动汽车换挡机器人
CN114351541B (zh) * 2021-09-27 2023-11-07 广西北投交通养护科技集团有限公司 一种泡沫轻质混凝土自动化浇筑系统
CN114084855A (zh) * 2021-10-09 2022-02-25 四川美术学院 一种废墟搜救自动化平台
CN114460899B (zh) * 2022-01-27 2024-05-03 北京北特圣迪科技发展有限公司 一种基于预测绳索长度的四柔索牵引并联执行器运动姿态控制方法
CN114643584B (zh) * 2022-05-17 2022-09-30 中国科学技术大学 一种绳索牵引并联机器人快速终端滑模同步控制方法
CN115127002B (zh) * 2022-07-07 2023-07-21 哈尔滨工业大学（深圳） 一种室内超大空间作业的绳驱并联机器人
CN115070771B (zh) * 2022-07-19 2022-12-30 中国科学技术大学 一种绳索牵引并联机器人弹性双环同步控制方法
CN118483666B (zh) * 2024-07-15 2024-09-17 成都世源频控技术股份有限公司 一种基于无人机的雷达模拟测试系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03103015A (ja) * 1989-09-16 1991-04-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 先端けん引型マニピュレータケーブル架渉車
EP0674974A1 (en) * 1994-03-29 1995-10-04 General Electric Company Maintenance system
CN1129382A (zh) * 1994-09-20 1996-08-21 富士通株式会社 用于在局部区域跟踪图象的跟踪装置
CN2703487Y (zh) * 2004-04-30 2005-06-08 刘宝利 高效多功能大楼清洁机
CN102117075A (zh) * 2011-01-28 2011-07-06 西安电子科技大学 悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法
CN109048911A (zh) * 2018-08-31 2018-12-21 河南工程学院 一种基于矩形特征的机器人视觉控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03103015A (ja) * 1989-09-16 1991-04-30 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 先端けん引型マニピュレータケーブル架渉車
EP0674974A1 (en) * 1994-03-29 1995-10-04 General Electric Company Maintenance system
CN1129382A (zh) * 1994-09-20 1996-08-21 富士通株式会社 用于在局部区域跟踪图象的跟踪装置
CN2703487Y (zh) * 2004-04-30 2005-06-08 刘宝利 高效多功能大楼清洁机
CN102117075A (zh) * 2011-01-28 2011-07-06 西安电子科技大学 悬索牵引摄影摄像机机位的控制方法
CN109048911A (zh) * 2018-08-31 2018-12-21 河南工程学院 一种基于矩形特征的机器人视觉控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110216685A (zh) 2019-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110216685B (zh) 一种用于煤仓内壁缺陷检测的悬索并联机器人及控制方法
CN104925159B (zh) 一种侦察型可越障机器蛇
CN110465844B (zh) 一种打磨机器人及其工作方法
CN103303449B (zh) 一种水下作业机器人
Xu et al. Developing a climbing robot for repairing cables of cable-stayed bridges
EP3059484B1 (en) Autonomous robot for the inspection and maintenance of large-sized pipes and method of its exploitation
JP2535550Y2 (ja) 水中移動型検査装置
US3262593A (en) Wall-mounted support structure
CN101693368B (zh) 一种大型板材安装机械手
CN110861729B (zh) 一种大直径主缆与管道检测机器人
SA519402326B1 (ar) تنظيف وحدات تتبع الشمس بدون ماء باستخدام روبوت
CN105945900A (zh) 一种变电站室内巡检机器人
JPH0776797B2 (ja) 遠隔処理装置用の遠隔操作可能な位置決め兼支持装置
CN101279619A (zh) 高机动球形探测机器人
CN209080129U (zh) 一种用于水下设施圆管结构的清洗和检测机器人
CN109823872B (zh) 一种智能平粮机器人及平粮控制系统
TWI576579B (zh) 檢查與維修模組及系統與檢查模組
CN112407345A (zh) 空间机械臂悬吊微重力模拟装置
CN103398297A (zh) 一种排管检测机器人
CN115091474A (zh) 一种超高压架空输电线路全方位高精度巡检机器人
JPWO2009136567A1 (ja) 物品搬送ロボット装置
CN210915147U (zh) 一种平衡式升降检测机器人
CN111805501A (zh) 柔性可变径永磁吸附麦轮式爬筒机器人系统
Ciszewski et al. Design, modelling and laboratory testing of a pipe inspection robot
JP2018118525A (ja) 飛行作業体、および、それを用いた作業システム

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant