CN111301546B - 一种爬壁机器人的控制系统及控制方法 - Google Patents

一种爬壁机器人的控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种爬壁机器人的控制系统及控制方法，属于机器人技术领域。爬壁机器人包括左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮、右后磁轮和机身，左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮和右后磁轮内分别嵌有能够吸附在钢铁壁面上的永磁体，左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮和右后磁轮分别通过驱动电机与机身相连接，控制系统包括初始化模块、通讯模块、参数输入模块、状态显示模块、机器人运动控制模块和报警及急停模块。本爬壁机器人的每个磁轮由单个电机进行驱动，以保证足够的驱动力，在永磁体的作用下，爬壁机器人的各个磁轮均能稳定吸附在钢铁壁面上，在控制系统和相应的控制方法下，爬壁机器人能够行走到需要的位置，实现操作的自动化。

Description

一种爬壁机器人的控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种爬壁机器人的控制系统及控制方法。
背景技术
当前对于大型船舶、石化储罐和风机塔筒等大型钢结构件的探伤、除锈和焊接等作业，主要还是以人工方式为主。以船舶除锈为例，现阶段一般采用的方法是搭建脚手架或者是采用高空作业平台进行作业，工人在脚手架上或者高空作业平台上进行作业，虽然投资低，但是作业效率低下，并且现场的作业环境恶劣，对工人身体健康影响很大。
随着技术的进步，出现了一些半自动的作业方式，比如安装轨道，该作业方式在效率上有所提升，但是前期准备时间长，对于非平面作业有较大的限制。
发明内容
本发明针对现有的技术存在的上述问题，提供一种爬壁机器人的控制系统，本发明所要解决的技术问题是：如何控制机器人行走到需要的位置，实现操作的自动化。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种爬壁机器人的控制系统，其特征在于，所述爬壁机器人包括左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮、右后磁轮和机身，所述左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮和右后磁轮内分别嵌有能够吸附在钢铁壁面上的永磁体，所述左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮和右后磁轮分别通过驱动电机与机身相连接，所述控制系统包括初始化模块、通讯模块、参数输入模块、状态显示模块、机器人运动控制模块和报警及急停模块，所述初始化模块与通讯模块电连接，所述通讯模块与机器人运动控制模块电连接，所述参数输入模块与机器人运动控制模块电连接，所述状态显示模块与机器人运动控制模块电连接，所述报警及急停模块与机器人运动控制模块电连接。
爬壁机器人的左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮和右后磁轮分别通过对应的驱动电机驱动(作为一种实施例，驱动电机为减速电机)，即每个磁轮由单个电机进行驱动，以保证足够的驱动力，在永磁体的作用下，爬壁机器人的各个磁轮均能稳定吸附在钢铁壁面上。机器人运动控制模块接收用户的指令后，控制机器人进行直线行走、转弯行走，报警及急停模块用于机器人系统故障警告及机器人进行紧急停止，即在控制系统和相应的控制方法下，爬壁机器人搭载其他作业工具且能够行走到需要的位置，从而实现操作的自动化。
在上述的一种爬壁机器人的控制系统中，所述初始化模块用于对系统进行初始化操作，该初始化操作包括速度值、差速值、加速度值和时间参数的初始值设置。
在上述的一种爬壁机器人的控制系统中，所述通讯模块用于控制盒与下位控制器之间的通讯及相关通讯参数的获取，包括各个轴状态机的读取及总线状态的读取，所述通讯模块根据不同的通讯状态进行不同的处理。
在上述的一种爬壁机器人的控制系统中，参数输入模块用于作业时相关参数的输入，所述参数包括速度值、差速值、加速度值、加速时间和减速时间。
在上述的一种爬壁机器人的控制系统中，所述状态显示模块用于系统实时状态的显示，包括各轴状态机值、驱动器实时电流、温度、转速、总线状态和电机使能状态及运动模式的显示。
本发明的另一个目的在于，提供一种爬壁机器人的控制方法，该控制方法能够使爬壁机器人根据不同的指令进行相应的动作。
一种爬壁机器人的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)、爬壁机器人的控制系统对驱动电机保存的位置值进行回零，按照输入的默认参数值对控制器进行参数的初始化操作；
(2)、若总线状态正常，则进行伺服电机的使能操作，使能操作后若各轴的轴状态机正常，则各轴电机进入准备运行状态，否则根据相应的错误提示进行故障的排除；
(3)、爬壁机器人的控制系统根据不同指令进行相应的动作，各种相应的动作定义为一种工作状态。
在上述的一种爬壁机器人的控制方法中，所述工作状态包括如下情形：
状态A：如果所述爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是机器人开始直线行走或者停止直线行走，则控制系统运行机器人运动控制模块的直行功能块；
状态B：如果所述爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是机器人开始转弯行走或者停止转弯行走，则系统运行机器人运动控制模块的转弯功能块，根据用户输入的运行速度值和两侧车轮的差速值，爬壁机器人的控制系统进行判断往左侧转弯或者是往右侧转弯，判断的准则是：若左侧车轮速度值小于右侧车轮速度值，则爬壁机器人往左侧转弯，若右侧车轮速度值小于左侧车轮速度值，则爬壁机器人往右侧转弯；
状态C：如果所述爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是从当前行走状态切换到其他行走状态，系统根据爬壁机器人当前运行的大方向往前或者是往后进行判断，若当前运行的大方向与用户所给运行方向一致的时候，爬壁机器人的控制系统的运动控制模块进行两侧车轮的在线速度调整，否则，先停止机器人运行后再进行用户控制指令的操作；
状态D：如果所述爬壁机器人的控制系统检测到总线状态或者某个轴的轴状态机发生异常时，控制系统自动开启保护功能，机器人处于保护状态，处于运行中的机器人自动进行紧急停止，处于停止状态下的机器人不能启动，保护功能开启后，控制系统将错误信息反馈到用户界面，供用户参考；
状态E：如果所述爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是进行紧急停止，则运行紧急停止功能模块，停止机器人运行。
在上述的一种爬壁机器人的控制方法中，状态A中的直行功能块包含定速巡航和定距离运动，直线行走可以分为往前直线行走和往后直线行走。
直行功能块包含两种：一种是定速巡航，根据用户输入的运行速度值，机器人会以一定的速度进行直线运动，用户下达停止命令，机器人停止；另一种是定距离运动，爬壁机器人的控制系统根据用户输入运行距离，运行完指定的距离后，机器人自动停止。
在上述的一种爬壁机器人的控制方法中，状态B中的转弯包括左前方转弯、右前方转弯、左后方转弯和右后方转弯。
在上述的一种爬壁机器人的控制方法中，状态C中的所述切换包括直线行走状态的切换、转弯状态的切换和直线行走状态与转弯行走状态之间的切换。
直线行走状态的切换，即往前直线行走和往后直线行走两种状态之间的切换，转弯状态的切换，即左前方转弯、右前方转弯、左后方转弯和右后方转弯四种状态之间的切换，直线行走状态与转弯行走状态之间的切换，如往前直线行走状态切换到左后方转弯状态等。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本爬壁机器人的左前磁轮、右前磁轮、左后磁轮和右后磁轮分别通过对应的驱动电机驱动，即每个磁轮由单个电机进行驱动，以保证足够的驱动力，在永磁体的作用下，爬壁机器人的各个磁轮均能稳定吸附在钢铁壁面上，在控制系统和相应的控制方法下，爬壁机器人能够行走到需要的位置，从而实现操作的自动化。
附图说明
图1是爬壁机器人的结构示意图。
图2是控制系统的结构示意图。
图3是爬壁机器人的工作原理框图。
图中，1、左前磁轮；2、右前磁轮；3、左后磁轮；4、右后磁轮；5、机身；6、驱动电机。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-2所示，在本爬壁机器人的控制系统中，爬壁机器人包括左前磁轮1、右前磁轮2、左后磁轮3、右后磁轮4和机身，左前磁轮1、右前磁轮2、左后磁轮3和右后磁轮4内分别嵌有能够吸附在钢铁壁面上的永磁体，左前磁轮1、右前磁轮2、左后磁轮3和右后磁轮4分别通过驱动电机6与机身相连接，控制系统包括初始化模块、通讯模块、参数输入模块、状态显示模块、机器人运动控制模块和报警及急停模块，初始化模块与通讯模块电连接，通讯模块与机器人运动控制模块电连接，参数输入模块与机器人运动控制模块电连接，状态显示模块与机器人运动控制模块电连接，报警及急停模块与机器人运动控制模块电连接。
爬壁机器人的左前磁轮1、右前磁轮2、左后磁轮3和右后磁轮4分别通过对应的驱动电机6驱动(作为一种实施例，驱动电机6为减速电机)，即每个磁轮由单个电机进行驱动，以保证足够的驱动力，在永磁体的作用下，爬壁机器人的各个磁轮均能稳定吸附在钢铁壁面上。机器人运动控制模块接收用户的指令后，控制机器人进行直线行走、转弯行走，报警及急停模块用于机器人系统故障警告及机器人进行紧急停止，即在控制系统和相应的控制方法下，爬壁机器人搭载其他作业工具且能够行走到需要的位置，从而实现操作的自动化。
初始化模块用于对系统进行初始化操作，该初始化操作包括速度值、差速值、加速度值和时间参数的初始值设置。
通讯模块用于控制盒与下位控制器之间的通讯及相关通讯参数的获取，包括各个轴状态机的读取及总线状态的读取，通讯模块根据不同的通讯状态进行不同的处理。
参数输入模块用于作业时相关参数的输入，参数包括速度值、差速值、加速度值、加速时间和减速时间。
状态显示模块用于系统实时状态的显示，包括各轴状态机值、驱动器实时电流、温度、转速、总线状态和电机使能状态及运动模式的显示。
图3为本爬壁机器人的工作原理框图，本实施例中，爬壁机器人的控制方法包括如下步骤：
(1)、爬壁机器人的控制系统对驱动电机6保存的位置值进行回零，按照输入的默认参数值对控制器进行参数的初始化操作；
(2)、若总线状态正常，则进行伺服电机的使能操作，使能操作后若各轴的轴状态机正常，则各轴电机进入准备运行状态，否则根据相应的错误提示进行故障的排除；
(3)、爬壁机器人的控制系统根据不同指令进行相应的动作，各种相应的动作定义为一种工作状态。
工作状态包括如下情形：
状态A：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是机器人开始直线行走或者停止直线行走，则控制系统运行机器人运动控制模块的直行功能块；
状态B：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是机器人开始转弯行走或者停止转弯行走，则系统运行机器人运动控制模块的转弯功能块，根据用户输入的运行速度值和两侧车轮的差速值，爬壁机器人的控制系统进行判断往左侧转弯或者是往右侧转弯，判断的准则是：若左侧车轮速度值小于右侧车轮速度值，则爬壁机器人往左侧转弯，若右侧车轮速度值小于左侧车轮速度值，则爬壁机器人往右侧转弯；
状态C：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是从当前行走状态切换到其他行走状态，系统根据爬壁机器人当前运行的大方向往前或者是往后进行判断，若当前运行的大方向与用户所给运行方向一致的时候，爬壁机器人的控制系统的运动控制模块进行两侧车轮的在线速度调整，否则，先停止机器人运行后再进行用户控制指令的操作；
状态D：如果爬壁机器人的控制系统检测到总线状态或者某个轴的轴状态机发生异常时，控制系统自动开启保护功能，机器人处于保护状态，处于运行中的机器人自动进行紧急停止，处于停止状态下的机器人不能启动，保护功能开启后，控制系统将错误信息反馈到用户界面，供用户参考；
状态E：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是进行紧急停止，则运行紧急停止功能模块，停止机器人运行。
状态A中的直行功能块包含定速巡航和定距离运动，直线行走可以分为往前直线行走和往后直线行走。
直行功能块包含两种：一种是定速巡航，根据用户输入的运行速度值，机器人会以一定的速度进行直线运动，用户下达停止命令，机器人停止；另一种是定距离运动，爬壁机器人的控制系统根据用户输入运行距离，运行完指定的距离后，机器人自动停止。
状态B中的转弯包括左前方转弯、右前方转弯、左后方转弯和右后方转弯。
状态C中的切换包括直线行走状态的切换、转弯状态的切换和直线行走状态与转弯行走状态之间的切换。
直线行走状态的切换，即往前直线行走和往后直线行走两种状态之间的切换，转弯状态的切换，即左前方转弯、右前方转弯、左后方转弯和右后方转弯四种状态之间的切换，直线行走状态与转弯行走状态之间的切换，如往前直线行走状态切换到左后方转弯状态等。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种爬壁机器人的控制系统，其特征在于，所述爬壁机器人包括左前磁轮（1）、右前磁轮（2）、左后磁轮（3）、右后磁轮（4）和机身，所述左前磁轮（1）、右前磁轮（2）、左后磁轮（3）和右后磁轮（4）内分别嵌有能够吸附在钢铁壁面上的永磁体，所述左前磁轮（1）、右前磁轮（2）、左后磁轮（3）和右后磁轮（4）分别通过驱动电机（6）与机身相连接，所述控制系统包括初始化模块、通讯模块、参数输入模块、状态显示模块、机器人运动控制模块和报警及急停模块，所述初始化模块与通讯模块电连接，所述通讯模块与机器人运动控制模块电连接，所述参数输入模块与机器人运动控制模块电连接，所述状态显示模块与机器人运动控制模块电连接，所述报警及急停模块与机器人运动控制模块电连接；爬壁机器人的控制系统根据不同指令进行相应的动作，各种相应的动作定义为一种工作状态；
工作状态包括如下情形：
状态A：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是机器人开始直线行走或者停止直线行走，则控制系统运行机器人运动控制模块的直行功能块；
状态B：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是机器人开始转弯行走或者停止转弯行走，则系统运行机器人运动控制模块的转弯功能块，根据用户输入的运行速度值和两侧车轮的差速值，爬壁机器人的控制系统进行判断往左侧转弯或者是往右侧转弯，判断的准则是：若左侧车轮速度值小于右侧车轮速度值，则爬壁机器人往左侧转弯，若右侧车轮速度值小于左侧车轮速度值，则爬壁机器人往右侧转弯；
状态C：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是从当前行走状态切换到其他行走状态，系统根据爬壁机器人当前运行的大方向往前或者是往后进行判断，若当前运行的大方向与用户所给运行方向一致的时候，爬壁机器人的控制系统的运动控制模块进行两侧车轮的在线速度调整，否则，先停止机器人运行后再进行用户控制指令的操作；
状态D：如果爬壁机器人的控制系统检测到总线状态或者某个轴的轴状态机发生异常时，控制系统自动开启保护功能，机器人处于保护状态，处于运行中的机器人自动进行紧急停止，处于停止状态下的机器人不能启动，保护功能开启后，控制系统将错误信息反馈到用户界面，供用户参考；
状态E：如果爬壁机器人的控制系统接收到用户的控制指令是进行紧急停止，则运行紧急停止功能模块，停止机器人运行。
2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的控制系统，其特征在于，所述初始化模块用于对系统进行初始化操作，该初始化操作包括速度值、差速值、加速度值和时间参数的初始值设置。
3.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的控制系统，其特征在于，所述通讯模块用于控制盒与下位控制器之间的通讯及相关通讯参数的获取，包括各个轴状态机的读取及总线状态的读取，所述通讯模块根据不同的通讯状态进行不同的处理。
4.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的控制系统，其特征在于，参数输入模块用于作业时相关参数的输入，所述参数包括速度值、差速值、加速度值、加速时间和减速时间。
5.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的控制系统，其特征在于，所述状态显示模块用于系统实时状态的显示，包括各轴状态机值、驱动器实时电流、温度、转速、总线状态和电机使能状态及运动模式的显示。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述控制系统的爬壁机器人的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
（1）、爬壁机器人的控制系统对驱动电机（6）保存的位置值进行回零，按照输入的默认参数值对控制器进行参数的初始化操作；
（2）、若总线状态正常，则进行伺服电机的使能操作，使能操作后若各轴的轴状态机正常，则各轴电机进入准备运行状态，否则根据相应的错误提示进行故障的排除；
（3）、爬壁机器人的控制系统根据不同指令进行相应的动作，各种相应的动作定义为一种工作状态。
7.根据权利要求6所述控制系统的爬壁机器人的控制方法，其特征在于，状态A中的直行功能块包含定速巡航和定距离运动，直线行走分为往前直线行走和往后直线行走。
8.根据权利要求6所述控制系统的爬壁机器人的控制方法，其特征在于，状态B中的转弯包括左前方转弯、右前方转弯、左后方转弯和右后方转弯。
9.根据权利要求6所述控制系统的爬壁机器人的控制方法，其特征在于，状态C中的所述切换包括直线行走状态的切换、转弯状态的切换和直线行走状态与转弯行走状态之间的切换。
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