CN116046066A - 一种轨道设备运行状态检测方法及轨道巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轨道设备运行状态检测方法及轨道巡检机器人，检测方法可以快速定位运行问题，包括计算机器人移动的距离、判断机器人运行状态以及判断轨道状态，并将数据上报给上位机，可以预知问题的产生，防患于未然。主动轮的运行状态与其相连接的电机相关，机器人在出现堵转、打滑等情况时电机的电流，位置反馈，转矩等状态均会发生变化，因此通过电机判断机器人运行状态的方式更加的精确高效。机器人的移动距离也可以通过单独设置的增量式编码器与从动轮之间的脉冲当量计算，增量式编码器成本低，安装简单方便。

Description

一种轨道设备运行状态检测方法及轨道巡检机器人

技术领域

本发明属于轨道巡检机器人领域，具体的是一种轨道设备运行状态检测方法及轨道巡检机器人。

背景技术

轨道巡检机器人应用场景广泛，地面的电柜房、发电厂的输煤皮带机、各式管廊隧道等。现场环境复杂程度各式各样，露天，潮湿，积灰，而这些对于轨道的影响各式各样同样也会影响到轨道机器人的运行。针对每种特殊场景每种影响机器人的表现形式也各不相同，积灰较多的地方会导致打滑，轨道上有异物会导致卡住等。

目前市场上轨道式机器人针对运行时轮子打滑、卡住等状态并没有一个高效准确的判断，大多是电机运行到报警故障状态从而整个运行系统才会停止，因此市场上急需一种能高效检测各式运行状态的检测方法。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轨道设备运行状态检测方法及轨道巡检机器人。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种轨道设备运行状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取时间△T内，设备的主动轮的位移距离△ST1、主动轮驱动电机的状态电流、从动轮的位移距离△ST2；

S2、当△ST2＜L、△ST1＞L，L为△T内以最低速度行驶的位移距离；且状态电流与额定电流相同或相近时，则判定主动轮处于打滑状态；

S3、当△ST2＜L，且状态电流大于额定电流，持续时间为n△T时(n≥2)，则判定主动轮处于卡住状态。

上述的检测方法，还用于检测轨道的状态，方法为：

根据恒电流情况下，转矩＝转矩常数*电流；当主动轮经过轨道坑口、轨道连接位置时，转矩会发生变化；

设定θ＝状态电流/转矩∈(a，b)，其中a、b为预设值；

当θ超出(a，b)，则判定轨道存在异常。

上述主动轮的位移距离△ST1的获取，包括以下步骤：

A1、根据主动轮的直径d1、电机编码器单圈脉冲p1和电机减速比k1，得到脉冲当量inc1；即inc1＝((3.14*d1)/k1)/p1；

A2、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内电机编码器的时时脉冲数a1获得主动轮的位移距离△ST1＝a1*inc1。

上述从动轮的位移距离△ST2的获取，包括以下步骤：

B1、通过联轴器设置与从动轮同轴的增量式编码器，速比为1；

B2、根据从动轮的直径d2、增量式编码器单圈脉冲p2，得到脉冲当量inc2；即inc2＝(3.14*d2)/p2；

B3、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内增量式编码器的时时脉冲数a2获得从动轮转动一圈的位移距离△ST2＝a2*inc2。

B4、从动轮的位移距离△ST2＝(△T/t2)*ST1，其中t2为从动轮转动一圈的时间。

上述△T＝2S。

上述步骤S3中的状态电流为，大于额定电流的20％。

一种轨道巡检机器人，适用于上述的检测到方法，包括主动轮和从动轮；

所述主动轮由电机同轴驱动，从动轮通过联轴器设有同轴的增量式编码器；所述电机和增量式编码器分别与控制装置连接；

所述控制装置包括主动轮状态鉴定模块、轨道异常鉴定模块；

所述主动轮状态鉴定模块用于根据一定时间内主动轮和从动轮的位移距离，并结合电机的状态电流与额定电流的差别，判定主动轮是否处于打滑状态、卡死状态；

所述轨道异常鉴定模块用于根据恒状态电流的情况下，主动轮的转矩变化范围，判定轨道是否异常。

上述主动轮状态鉴定模块包括主动轮打滑鉴定单元、主动轮卡死鉴定单元；

所述主动轮打滑鉴定单元，用于：

获取时间△T内，主动轮的位移距离△ST1、主动轮驱动电机的状态电流、从动轮的位移距离△ST2；当△ST2＜L、△ST1＞L，L为△T内以最低速度行驶的位移距离；且状态电流与额定电流相同或相近时，则判定主动轮处于打滑状态；

所述主动轮卡死鉴定单元，用于：

获取时间△T内，主动轮驱动电机的状态电流、从动轮的位移距离△ST2；当△ST2＜L，且主动轮的状态电流大于额定电流，持续时间为n△T时(n≥2)，则判定主动轮处于卡住状态。

上述主动轮的位移距离△ST1的获取，包括以下步骤：

A1、根据主动轮的直径d1、电机编码器单圈脉冲p1和电机减速比k1，得到脉冲当量inc1；即inc1＝((3.14*d1)/k1)/p1；

A2、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内电机编码器的时时脉冲数a1获得主动轮的位移距离△ST1＝a1*inc1；

所述从动轮的位移距离△ST2的获取，包括以下步骤：

B2、根据从动轮的直径d2、增量式编码器单圈脉冲p2，得到脉冲当量inc2；即inc2＝(3.14*d2)/p2；

B3、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内增量式编码器的时时脉冲数a2获得从动轮转动一圈的位移距离△ST2＝a2*inc2。

上述的轨道巡检机器人，还包括与控制装置连接的图像采集模块，

所述图像采集模块用于当轨道异常鉴定模块判定轨道为异常时，获取轨道异常处的图像，获取方式包括拍摄、录像。

本发明的有益之处在于：

机器人在使用过程中运维费用较高，往往后期运维成本比前期调试更高，本发明提供了一种轨道设备运行状态检测方法，可以快速定位运行问题，包括计算机器人移动的距离、判断机器人运行状态以及判断轨道状态，并将数据上报给上位机，可以预知问题的产生，防患于未然。主动轮的运行状态与其相连接的电机相关，机器人在出现堵转，打滑等情况时电机的电流，位置反馈，转矩等状态均会发生变化，因此通过电机判断机器人运行状态的方式更加的精确高效，且电机的替换方便快捷，接线量大大减少。

针对运行状态其主要表现形式是轮子卡住，打滑，跳动，因此只需要检测轮子的运行状态便可以反馈处当前机器人所处的运动状态，而轮子按照动力分为主动轮和从动轮。机器人的移动距离可以为通过电机与主动轮之间的脉冲当量计算，也可以通过单独设置的增量式编码器与从动轮之间的脉冲当量计算，增量式编码器成本低，安装简单方便。

当检测到机器人状态异常或轨道异常时，图像采集模块拍摄异常状态画面给上位机，维修人员可以事先通过画面判断事故原因，并针对事故原因携带相关工具进行现场维修，大大提高维修效率。

附图说明

图1为轨道巡检机器人的主视图；

图2为轨道巡检机器人的立体图；

图3为图1中B向剖视图。

图中，1、轨道，2、电机，3、从动轮，4、主动轮，5、结构框架，5-1、上层固定板，5-2、竖向板，5-3、下层安装板，6、电机固定座，7、固定安装座。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

因主动轮的运行状态与其相连接的电机相关，巡检机器人在出现堵转，打滑等情况时电机的电流，位置反馈，转矩等状态均会发生变化。针对大量反馈的状态，电机的选型尤为重要，因此选取支持CANOPEN协议的电机，针对时时反馈状态电流、电压、转矩、电机转速、电机实际位置、电机错误状态等选取PDO(过程对象数据)进行数据处理。

一种轨道设备运行状态检测方法，包括轨道，以及设于轨道上且沿轨道方向往复运动的轨道巡检机器人，该方法通过巡检机器人的电机反馈设备运行状态。

轨道巡检机器人，设有由电机同轴驱动的主动轮和从动轮，从动轮通过联轴器设有同轴的增量式编码器，电机和增量式编码器分别与控制装置连接；控制装置与图像采集模块连接；控制装置包括主动轮状态鉴定模块、轨道异常鉴定模块；主动轮状态鉴定模块包括主动轮打滑鉴定单元、主动轮卡死鉴定单元。

检测方法的具体步骤如下：

S1、监控机器人的位移距离：

A、通过主动轮监控位移距离：

A1、测量实际机器人主动轮的直径为d1，根据主动轮直径d1、电机编码器单圈脉冲p1和电机减速比k1，得到脉冲当量inc1；即inc1＝((3.14*d1)/k1)/p1；

A2、脉冲当量＝(电机转动一圈主动轮位移的距离/电机单圈反馈脉冲数)，即根据电机编码器的时时脉冲数a1获取主动轮(巡检机器人)的位移距离ST1＝a1*inc1。

B、通过从动轮监控位移距离：

B1、通过联轴器设置与从动轮同轴的增量式编码器(选用沃森道夫编码器，特选防爆版本编码器，型号BTH58-ENX60M1-B0612-J10SB-A2-EX)，速比优为1。若使用其他速比一般只能用齿轮传动，齿轮间隙会造成误差的产生，如果是速比为1同轴传动则误差会小很多，而且也易于安装。

B2、测量实际机器人从动轮直径为d2，根据从动轮直径d2、增量式编码器单圈脉冲p2，得到脉冲当量inc2；即inc2＝(3.14*d2)/p2；

B3、脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据增量式编码器的时时脉冲数a2获得从动轮的位移距离ST2＝a2*inc2。

S2、主动轮打滑鉴定单元：

设定每2S监控ST1、ST2的变化量△ST1、△ST2，计算巡检机器人2s内最低速度的位移距离L，当△ST2＜L、△ST1＞L，且电机的反馈状态电流与额定电流相同或相近时，则判定巡检机器人属于打滑状态，记录当前位移值并上报给上位机。

S3、主动轮卡死鉴定单元：

设定每2S去监控ST1、ST2的变化量△ST1、△ST2，计算机器人2s内最低速度的位移距离L，当△ST2＜L，且电机2的反馈状态电流大于额定电流的20％，持续时间大于5S时，则判定巡检机器人属于卡住状态，记录当前位移值并上报给上位机。

其中，状态电流可通过CanOpen协议从电机驱动器中直接采集得来，并通过TCP协议传输到上位机界面上可以实时展示。额定电流为电机在额定电压下，按照额定功率运行的电流。

S4、轨道异常鉴定模块：

转矩＝转矩常数*电流，因当巡检机器人的电机运行在恒电流情况下，电流与转矩成固定比例，巡检机器人在经过轨道坑口、连接位置时，转矩会发生变化，因为阻力问题导致的变化，因而电流也会变化：

T≈9549P/N，其中，T为转矩，N是转速，P是功率；

P＝U*I，其中，U是母线电压，I是电流；

因此，转矩T≈9549(U*I)/N。

设定状态电流与转矩之间比例θ发生变化的波动范围，即状态电流/转矩＝θ∈(a，b)，其中a、b为预设值；当超过该波动范围时，则认为轨道存在异常。其中a、b预设值：a＝额定电流/力矩，b＝峰值最大电流/力矩，这额定电流和峰值最大电流参数均为电机出厂时配置参数。

关于转矩(扭矩)：

首先，轨道检测需要明确两个输入的物理量，一个是整段轨道需要分成多少段去做轨道检测，其次是巡检速度，得到每段检测的理论运行时间。

机器人所需扭矩(T)计算：

T＝W*sin(Theta*2π/180)*D/2/1000*Ks+L

扭矩与功率换算公式：

T＝9549*P/N，其中P＝U*I。

根据上述公式换算出如下表所示的工况下的扭矩，得出电机的所需扭矩，再换算成额定电流。

对电机的选型要求是：最终输出扭矩>机器人运行所需扭矩，因此Moons步进电机符合要求。

在示波器采样通道中选取(位置通道，采样触发为变化触发)，电流通道，采样触发为阈值触发加超时时间，阈值为额定电流值，超时时间是预设电流波动时间((巡检分段距离/巡检速度)得出)。

图像采集模块：

当轨道异常鉴定模块判定当前轨道为异常状态时，控制装置驱动图像采集模块(摄像头)以拍摄或录像的方式获取轨道异常处的图像；可进一步上传至上位机。

如图1-3所示，为本发明的一种轨道巡检机器人的结构示意图，包括结构框架5，以及设置在结构框架5上的运动单元和图像采集单元。

其中，运动单元包括：

电机2，电机2与结构框架5固定连接；

主动轮4，轮轴与电机轴固定，轮缘置于轨道1的下端或上端；

从动轮3，多个从动轮分别置于轨道1的两侧的滑轨内，起到限位和辅助滑动的作用。

结构框架5包括上层固定板5-1、下层安装板5-3，通过多个竖向板5-2连接固定；上层固定板5-1与下层安装板5-3之间设有电机固定座6，用于固定安装电机2，且电机2的转轴与主动轮4连接。于上层固定板5-1的上端设有多个固定安装座7，用于固定从动轮3；机器人运动时，电机2驱动主动轮4带动从动轮3沿轨道1方向往复运动。

图像采集单元包括检测云台，以及设置在检测云台上的摄像头；检测云台设于上层固定板5-1的下端。根据使用需求，检测云台可以设置为转向平台，可带动摄像头进行360°旋转，当检测到轨道1出现异常时，摄像头自动拍摄异常画面，并上传至上位机，维修人员可以通过采集的画面确定轨道问题，并携带相关工具进行现场维修，提高维修效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种轨道设备运行状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取时间△T内，设备的主动轮的位移距离△ST1、主动轮驱动电机的状态电流、从动轮的位移距离△ST2；

S2、当△ST2＜L、△ST1＞L，L为△T内以最低速度行驶的位移距离；且状态电流与额定电流相同或相近时，则判定主动轮处于打滑状态；

S3、当△ST2＜L，且状态电流大于额定电流，持续时间为n△T时(n≥2)，则判定主动轮处于卡住状态。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还用于检测轨道的状态，方法为：

根据恒电流情况下，转矩＝转矩常数*电流；当主动轮经过轨道坑口、轨道连接位置时，转矩会发生变化；

设定θ＝状态电流/转矩∈(a，b)，其中a、b为预设值；

当θ超出(a，b)，则判定轨道存在异常。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述主动轮的位移距离△ST1的获取，包括以下步骤：

A1、根据主动轮的直径d1、电机编码器单圈脉冲p1和电机减速比k1，得到脉冲当量inc1；即inc1＝((3.14*d1)/k1)/p1；

A2、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内电机编码器的时时脉冲数a1获得主动轮的位移距离△ST1＝a1*inc1。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述从动轮的位移距离△ST2的获取，包括以下步骤：

B1、通过联轴器设置与从动轮同轴的增量式编码器，速比为1；

B2、根据从动轮的直径d2、增量式编码器单圈脉冲p2，得到脉冲当量inc2；即inc2＝(3.14*d2)/p2；

B3、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内增量式编码器的时时脉冲数a2获得从动轮的位移距离△ST2＝a2*inc2。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述△T＝2S。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤S3中的状态电流为，大于额定电流的20％。

7.一种轨道巡检机器人，其特征在于，适用于权利要求1-6任一项所述的检测到方法，包括主动轮和从动轮；

所述主动轮由电机同轴驱动，从动轮通过联轴器设有同轴的增量式编码器；所述电机和增量式编码器分别与控制装置连接；

所述控制装置包括主动轮状态鉴定模块、轨道异常鉴定模块；

所述主动轮状态鉴定模块用于根据一定时间内主动轮和从动轮的位移距离，并结合电机的状态电流与额定电流的差别，判定主动轮是否处于打滑状态、卡死状态；

所述轨道异常鉴定模块用于根据恒状态电流的情况下，主动轮的转矩变化范围，判定轨道是否异常。

8.根据权利要求7所述的轨道巡检机器人，其特征在于，所述主动轮状态鉴定模块包括主动轮打滑鉴定单元、主动轮卡死鉴定单元；

所述主动轮打滑鉴定单元，用于：

获取时间△T内，主动轮的位移距离△ST1、主动轮驱动电机的状态电流、从动轮的位移距离△ST2；当△ST2＜L、△ST1＞L，L为△T内以最低速度行驶的位移距离；且状态电流与额定电流相同或相近时，判定主动轮处于打滑状态；

所述主动轮卡死鉴定单元，用于：

获取时间△T内，主动轮驱动电机的状态电流、从动轮的位移距离△ST2；当△ST2＜L，且主动轮的状态电流大于额定电流，持续时间为n△T时(n≥2)，判定主动轮处于卡住状态。

9.根据权利要求8所述的轨道巡检机器人，其特征在于，所述主动轮的位移距离△ST1的获取，包括以下步骤：

A1、根据主动轮的直径d1、电机编码器单圈脉冲p1和电机减速比k1，得到脉冲当量inc1；即inc1＝((3.14*d1)/k1)/p1；

A2、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内电机编码器的时时脉冲数a1获得主动轮的位移距离△ST1＝a1*inc1；

所述从动轮的位移距离△ST2的获取，包括以下步骤：

B2、根据从动轮的直径d2、增量式编码器单圈脉冲p2，得到脉冲当量inc2；即inc2＝(3.14*d2)/p2；

B3、根据脉冲当量＝(电机转动一圈的位移距离/电机单圈反馈脉冲数)，即可根据△T时间内增量式编码器的时时脉冲数a2获得从动轮转动一圈的位移距离△ST2＝a2*inc2。

10.根据权利要求7所述的轨道巡检机器人，其特征在于，还包括与控制装置连接的图像采集模块，

所述图像采集模块用于当轨道异常鉴定模块判定轨道为异常时，获取轨道异常处的图像，获取方式包括拍摄、录像。

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