CN116197948A - 一种风电塔架检测机器人平台及其位姿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种风电塔架检测机器人平台及其位姿控制方法，平台主要包括外围平台机架、爬升装置和控制装置，其中爬升装置包括沿着外围平台机架均匀分布的若干爬升模块和连接在各爬升模块之间的若干收紧机构。若干爬升模块两侧的丝杆共同收缩形成一个指向风电塔架的合力，使得平台能够停留在风电塔架上的核心，六个爬升模块与机架相连避免了上下爬升时不同步的问题。外围平台机架和爬升装置上还安装有多个传感器，控制装置通过传感器产生的信号对平台的位姿进行控制。本发明能够有效用于变直径风电塔架的爬升作业，并且在爬升过程中各爬升模块保持同步运行，并且通过及时的位姿监控调整，能够有效实现平台自动安全稳定进行工作的效果。

Description

一种风电塔架检测机器人平台及其位姿控制方法

技术领域

本发明属于风力发电塔架技术领域，具体涉及一种风电塔架检测机器人平台及其位姿控制方法。

背景技术

近年来，随着石油，天然气，煤炭等不可再生资源的日益紧缺，世界各地都加快了对清洁能源、可再生资源的开发利用。其中，风能作为储量大，分布广的清洁能源受到了广泛关注并且对经济发展和能源结构的调整有重要意义。目前广泛采用的发电形式就是将风能转化成机械能再转换成电能的形式。风电塔架在风电系统中起支撑作用，塔架的安全关系着整个发电系统，为此，必须对风电塔架进行定期的维护。在我国，一般的风电塔架高度为50米以上，甚至最高高达160米，直径为2.5米到3.5米之间，最大的塔架直径为7.5米。但是对风电塔架的维护工作绝大多数还是采用人工的方式，该方式存在诸如安全性低，劳动强度大，工作效率慢，因停机时间长而造成发电量损失严重等问题。

相比于人工维护，风电塔架检测机器人平台可在风电塔架上爬升，并可搭载检测机器人。其不仅可以对塔架喷涂、探伤、除锈、清洗，还可以对风电扇叶进行探伤、清洗等功能。但现有的风电塔架检测机器人平台在向塔顶爬升过程中极易产生个别驱动轮打滑，驱动轮碰到焊缝，被外界环境所影响等现象，进而导致整个风电塔架检测机器人平台的水平倾斜，周向移动等问题。这极大地增加了安全隐患，影响整个作业的效率和准确度。

虽然已经有许多学者对风力塔筒机器人检测维护平台的爬升装置进行了研究，但目前的风力塔筒机器人检测维护平台的爬升装置还是主要存在以下缺点：1、只能在等直径塔筒上爬升，无法适用于变直径塔筒；2、爬升装置无法保持同步运行，使得风力塔筒检测维护平台不稳；3、只能在特定材料的塔筒上工作(如电磁式爬升装置)；4、容易产生倾斜和周向移动。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种风电塔架检测机器人平台及其位姿控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于，包括外围平台机架、爬升装置和控制装置；所述外围平台机架是围绕变直径风电塔架设置的多边形机架；所述爬升装置包括沿着外围平台机架均匀分布的若干爬升模块和连接在各爬升模块之间的若干收紧机构，各爬升模块通过收紧机构依次相连形成多边形结构；所述控制装置用于控制爬升模块的爬升和收紧机构的收缩，通过控制收紧机构收缩各爬升模块之间的距离，使得各爬升模块在外围平台机架的限制下，紧贴变直径风电塔架进行爬升。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述外围平台机架由若干框架连接而成，每个爬升模块都对应有相连的框架，连接爬升模块的框架上安装有导向轴。

进一步地，所述爬升模块包括平台模块机箱以及安装在平台模块机箱上的万向脚轮、驱动轮、伺服电机A、链接铰链和直线轴承；

所述万向脚轮用于平台模块机箱在地面的移动，所述驱动轮由伺服电机A驱动，用于平台模块机箱在变直径风电塔架表面的爬升；所述直线轴承安装在链接铰链上，直线轴承与导向轴滑动连接。

进一步地，所述爬升模块还包括准双曲面齿轮减速机、驱动轮轴承支架、十字轴万向联轴器和驱动电机安装板；所述伺服电机A和准双曲面齿轮减速机相连并共同安装在驱动电机安装板上，所述准双曲面齿轮减速机的两侧均连接有十字轴万向联轴器，所述十字轴万向联轴器通过驱动轮轴承支架与驱动轮相连。

进一步地，所述收紧机构包括电机端和拉力端，这两端分别通过电机端支架和拉力端支架可摆动地安装在相邻的两个平台模块机箱上；

所述电机端包括伺服电机B、伺服电机减速装置、传动轴、万向联轴器、滚珠丝杠、张紧管螺母套、丝杠保护套和激光测距靶；所述伺服电机B安装在电机端支架上，伺服电机B的输出端连接传动轴，所述传动轴还与伺服电机减速装置和万向联轴器相连，所述万向联轴器与滚珠丝杠的一端相连，所述激光测距靶设置在滚珠丝杠的另一端，所述滚珠丝杠的丝杠螺母与张紧管螺母套相连并且外部套设有丝杠保护套；

所述拉力端包括拉力传感器转轴、拉力传感器和激光测距仪套件；所述拉力传感器的一端通过拉力传感器转轴安装在拉力端支架上，拉力传感器的另一端与张紧管螺母套相连，所述激光测距仪套件嵌套安装在张紧管螺母套上；

所述伺服电机B产生的转矩通过伺服电机减速装置、传动轴和万向联轴器传递至滚珠丝杠，驱动滚珠丝杠转动并带动丝杠螺母进行直线移动，所述张紧管螺母套在丝杠螺母的带动下在滚珠丝杠和丝杠保护套之间的空隙中直线移动，所述激光测距仪套件通过测量与激光测距靶之间的距离进而得到张紧管螺母套收缩的距离，所述拉力传感器测量张紧管螺母套收缩时的拉力大小。

进一步地，所述外围平台机架上安装有倾角传感器和三维电子罗盘，所述倾角传感器用于测量外围平台机架在爬升过程中的倾斜角度并产生倾角信号，所述三维电子罗盘提供爬升的导航数据；

所述爬升装置上安装有高度传感器和位移传感器，所述高度传感器用于测量各爬升模块距地面的高度并产生高度信号，所述位移传感器用于测量外围平台机架周向移动的距离并产生位移信号。

进一步地，所述控制装置为包括工控机和运动控制卡的控制箱，所述控制箱安装在某一爬升模块中；所述工控机对倾角传感器、三维电子罗盘、高度传感器和位移传感器采集的信号进行分析，并将分析后的数据发送给运动控制卡，所述运动控制卡根据分析后的数据驱动爬升模块的爬升和收紧机构的收缩。

本发明还提出了一种如上所述的风电塔架检测机器人平台的位姿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集平台的运动状态信号，所述运动状态信号包括倾角传感器产生的倾角信号和高度传感器产生的高度信号；

S2：对采集的运动状态信号进行分析得到测量值，所述测量值为外围平台机架在爬升过程中的倾斜角度和各爬升模块距地面的高度，将测量值与预设阈值相比较，计算得到偏差值；

S3：将计算得到的偏差值经过A/D转换后发送给工控机；工控机根据偏差值来判断平台运动状态是否正常：如果偏差值在合理的偏差值区间内，则平台继续正常工作；如果偏差值超出了偏差值区间，则工控机找出偏差值的修正参数并利用修正参数对偏差值进行校正；

S4：工控机将校正后的数据发送到运动控制卡，运动控制卡利用校正后的数据，通过位置、速度和力矩三种方式生成脉冲信号，脉冲信号发送至爬升模块中负责驱动爬升的伺服电机A和收紧机构中负责驱动收紧的伺服电机B中；

S5：各伺服电机A和各伺服电机B根据接收的脉冲信号，对各爬升模块的爬升距离进行精确控制，完成平台的位姿调整。

进一步地，步骤S3中，工控机首先将倾角偏差值与正常运行情况下的倾角偏差值范围区间进行比较：如果倾角偏差值在倾角偏差值范围区间内，则工控机按照预设指令进行工作；如果倾角偏差值不在倾角偏差值范围区间内，工控机将接收的高度偏差值与标准高度偏差值进行比较，计算得出高度校正参数，同时工控机在三维电子罗盘的导航数据下确定最佳的平台校正所需时间，结合高度校正参数计算出最佳的校正运动速度。

本发明还提出了一种如上所述的风电塔架检测机器人平台的位姿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集平台的运动状态信号，所述运动状态信号为位移传感器产生的位移；

S2：对采集的运动状态信号进行分析得到测量值，所述测量值为平台周向移动的距离，将测量值发送给工控机；

S3：所述工控机接受测量值，并根据预设坐标判断测量值是否在期望区间中：如果测量值在期望区间中，则工控机继续执行预设指令；如果测量值不在期望区间中，工控机将平台周向移动的距离与预设坐标进行比较计算，计算得出此时平台的新坐标，并生成补正命令至运动控制卡；

S4：运动控制卡接受补正命令，驱动各爬升模块以新坐标为起点，向预设坐标运动。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的平台没有使用易磨损的绳索进行承载，并且可搭载各种传感器和摄像机，使得作业更加安全；整个平台为多个零部件组装而成，易运输与安装，可以在不同地区的风电塔架进行快速拆装；

2、本发明提出的平台采用了若干爬升模块，利用多边形机架整体环绕风力塔筒的外形结构，为检测维护平台工作提供了大范围的移动空间，同时对若干爬升模块进行协同控制，提高了风力塔筒机器人检测维护平台爬升装置的稳定性，更加安全；

3、本发明采用的爬升模块中，收紧机构拉力端中的激光测距仪测出在空心圆管内部丝杠移动的距离，由平台模块机箱内部控制箱内的工控机控制收紧机构电机端输出拉力，从而获得爬升模块沿外围平台机架上的导向轴移动的动力，保证爬升的驱动轮始终顶紧着塔筒运行；爬升模块的上下移动则依靠工控机控制驱动轮的伺服电机A，并且保证两伺服电机A同步进行运转，实现了爬升模块自动安全稳定进行工作的效果；

4、本发明提出的位姿控制方法，可以通过倾角、高度、位移等传感器监测风电塔架检测机器人平台爬升过程中是否发生了倾斜/偏移，并在发生倾斜/偏移的情况下，分别同时控制爬升模块向上爬升，从而达到对平台的位姿矫正。本发明采用总线控制的方法，将采集的信息统一发送给主控单元，经由主控单元的处理，将不同的信号发送到各个执行机构，从而控制各个爬升模块精确爬升，实现了对平台的倾斜/偏移矫正。此方法最大程度地节约了平台的姿态矫正时间，提高了对风电扇叶及塔架的维护工作的效率，还可以减少在位姿调整过程中对连接件的损伤。

附图说明

图1是一种风电塔架检测机器人平台在塔底的结构示意图。

图2是一种风电塔架检测机器人平台在塔顶的结构示意图。

图3是外围平台机架的局部示意图。

图4是爬升装置的整体结构示意图。

图5是爬升模块的整体结构示意图。

图6是爬升模块底盘驱动的结构示意图。

图7是收紧机构的整体结构示意图。

图8是收紧机构电机端的结构示意图。

图9是收紧机构拉力端的结构示意图。

图10是张紧丝杠机构的组装示意图。

图11是爬升模块力的分解示意图。

图12是位姿控制方法中倾斜问题的控制方法流程示意图。

图13是位姿控制方法中周向运动问题的控制方法的流程示意图。

附图标记如下：外围平台机架1；爬升装置2；爬升模块3；收紧机构4；控制箱5；框架1-1；导向轴1-2；平台模块机箱3-1；万向脚轮3-2；驱动轮3-3、伺服电机A3-4；链接铰链3-5；直线轴承3-6；准双曲面齿轮减速机3-7；驱动轮轴承支架3-8；十字轴万向联轴器3-9；驱动电机安装板3-10；电机端支架4-1；拉力端支架4-2；伺服电机B4-3；伺服电机减速装置4-4；传动轴4-5；万向联轴器4-6；滚珠丝杠4-7；张紧管螺母套4-8；丝杠保护套4-9；激光测距靶4-10；丝杠螺母4-11；拉力传感器转轴4-12；拉力传感器4-13；激光测距仪套件4-14。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本实施例提出了一种风电塔架检测机器人平台，如图1、图2和图4所示，其主要部分包括外围平台机架1、爬升装置2和控制装置。爬升装置2通过轴承铰链与外围平台机架1相连，爬升装置2包括沿着外围平台机架1均匀分布的若干爬升模块3和连接在各爬升模块3之间的若干收紧机构4，各爬升模块3通过收紧机构4依次相连形成多边形结构。

外围平台机架1为整个风电塔架检测机器人平台的框架，起支撑作用的同时，该平台的其他零部件也安装在上面。如图3所示，外围平台机架1可拆分为由多个框架1-1连接而成的多边形机架，具体可表现为六个框架1-1，每个框架1-1上有一个导向轴1-2，这些框架1-1通过六角螺栓连接，形成一个近似圆形的多边形机架，既保证了外围平台机架1的强度，也可以在运输前后快速拆装。外围平台机架1上还安装有双轴倾角传感器、三维电子罗盘、风速风向检测装置、监看摄像机等设备。

爬升装置2是风电塔架检测机器人平台的核心，其起着使整个平台稳定贴在塔架上和在塔架上爬升的作用。如图4所示，该实施例中，爬升装置2主要由6个爬升模块3与各自相连的收紧机构4共同构成的六边形结构。

进一步参见图5，爬升模块3是爬升装置2上升下降的核心，爬升模块3包括平台模块机箱3-1以及安装在平台模块机箱3-1上的万向脚轮3-2、驱动轮3-3、伺服电机A 3-4、链接铰链3-5和直线轴承3-6。每个爬升模块3下方有四个万向脚轮3-2，起到支撑整个平台和在地面移动的作用。四个驱动轮3-3由两个伺服电机A 3-4驱动，用于平台模块机箱3-]在变直径风电塔架表面的爬升。直线轴承3-6安装在链接铰链3-5上端，并且直线轴承3-6与外围平台机架1上的导向轴1-2滑动连接使得爬升模块3可以沿指向塔筒半径方向移动。图1和图2分别示出了风电塔架检测机器人平台在塔底和在塔顶的示意图，由图可知，爬升模块3可沿着导向轴1-2朝指向塔筒中心的方向移动，进而抱紧塔筒，实现从底端到顶端的爬升。外围平台机架1的直径和爬升模块3可径向移动的距离都是根据塔筒的高度和变径范围来进行设置的。

如图6所示，爬升模块3的底盘驱动主要包括高效型准双曲面齿轮减速机3-7、驱动轮轴承支架3-8、十字轴万向联轴器3-9和驱动电机安装板3-10。伺服电机A 3-4与准双曲面齿轮减速机18连接并共同安装在驱动电机安装板3-10上。准双曲面齿轮减速机3-7的两侧分别通过驱动电机减速机轴与十字轴万向联轴器3-9相连。十字轴万向联轴器3-9通过驱动轮轴与驱动轮轴承支架3-8相连。同样的，双曲面齿轮减速机3-7将伺服电机A 3-4产生的小转矩转换为大转矩进而带动橡胶驱动轮3-3转动，实现平台模块机箱3-1的整体运动。

相邻的两个平台模块机箱3-1通过图7所示的收紧机构4相连接，收紧机构4可分为电机端和拉力端，这两端分别通过电机端支架4-1和拉力端支架4-2可小幅度摆动地安装在相邻的两个平台模块机箱3-1上。

如图8所示，电机端包括伺服电机B 4-3、伺服电机减速装置4-4、传动轴4-5、万向联轴器4-6、滚珠丝杠4-7、张紧管螺母套4-8、丝杠保护套4-9和激光测距靶4-10。其中，张紧管螺母套4-8、激光测距靶4-10、滚珠丝杠4-7、丝杠保护套4-9构成了如图10所示的张紧丝杠机构。伺服电机减速装置4-4通过伺服电机安装座与传动轴4-5相连，传动轴4-5又与万向联轴器4-6相连，万向联轴器4-6通过内六角螺钉与滚珠丝杠4-7相连。电机端支架4-1通过两个轴承支座与伺服电机安装座连接。滚珠丝杠4-7的丝杠螺母4-11通过内六角螺钉与张紧管螺母套4-8相连并且外部设置丝杠保护套4-9，滚珠丝杠4-7前端面设置激光测距靶4-10。

如图9所示，拉力端包括拉力传感器转轴4-12、拉力传感器4-13和激光测距仪套件4-14。拉力传感器转轴4-12右端安装高精度拉力传感器4-13，拉力传感器4-13通过一节张紧管螺母套4-8与激光测距仪套件4-14相连，电机端的张紧管螺母套4-8与拉力端的激光测距仪套件4-14通过内六角螺钉相连。同样的，拉力端也有相同的机构支架，即拉力端支架4-2，拉力端支架4-2通过两个轴承支座与拉力传感器转轴4-12连接。

当收紧机构正常工作时，伺服电机减速装置4-4将伺服电机B 4-3产生的小转矩转换为较大的转矩，从而将较大的转矩通过传动轴4-5和万向联轴器4-6传递到滚珠丝杠4-7上。滚珠丝杠4-7在较大转矩的作用下发生转动，从而带动滚珠丝杠4-7上的丝杠螺母4-11进行移动。张紧管螺母套4-8在丝杠螺母4-11的带动下向右侧也就是电机端移动，缓慢地进入到滚珠丝杠4-7与丝杠保护套4-9中间的空隙中。因此与之相连的激光测距仪套件4-14与激光测距靶板4-10之间的距离减小，从而可以测量出丝杠螺母4-11移动的距离，进而得到张紧丝杠机构收缩的距离。同样的，与激光测距仪套件4-14相连的拉力传感器4-13也可以测量出张紧丝杠机构在收缩时的拉力大小。

其中，滚珠丝杠4-7可将伺服电机B 4-3的旋转运动转化为张紧丝杠机构的直线运动。万向联轴器4-6可以调整轴之间的角度偏差，即当两个轴不在同一直线上时，调整它们之间的角度偏差，以确保有效地传递动力和转矩。传动轴4-5与伺服电机减速装置4-4的传动方式为蜗轮蜗杆传动，这样传动比大传动效果平稳，并且当平台进行工作时，电机端无需输出拉力，蜗轮蜗杆传动适用于间歇运转的设备，并且蜗轮蜗杆传动的自锁性好，提高了爬升装置在爬升过程中的安全性。高精度拉力传感器4-13能够更加精准的维持爬升装置的平稳工作，激光测距仪套件4-14测量张紧管螺母套4-8移动的距离，有利于爬升模块3姿态的调整。

在本实施例中，控制装置具体为包括工控机和运动控制卡的控制箱5，如图5所示，控制箱5安装在某一爬升模块3的平台模块机箱3-1中，而其安装位置可根据需要设置在机架或者地面。工控机对各传感器采集的信号进行分析，并将分析后的数据发送给运动控制卡，运动控制卡根据分析后的数据驱动爬升模块3的爬升和收紧机构4的收缩，具体为控制爬升装置2中多个伺服电机A 3-4和多个伺服电机B 4-3的工作。其中，12个伺服电机A 3-4作为EtherCAT总线系统中的子站并通过线形拓扑连接，通过工控机和运动控制卡实现伺服电机的同步启动和停止。

如图11所示，以任意一个爬升模块3为例，爬升装置2能贴紧风电塔架的原理是：每个爬升模块3在张紧丝杠机构收缩产生的拉力F1、F2的作用下，其合力F_合指向风电塔架中心，并且作用在爬升模块3的驱动轮3-3上。因此，整个爬升装置2在竖直方向上重力F3与摩擦力F4平衡，从而使得爬升装置2能平稳的贴紧在风电塔架上。其中，F1、F2分别表示爬升模块3两端的拉力，F3表示爬升模块3的重力，F4表示爬升模块3与风电塔架间的摩擦力，F_合表示两根丝杠共同作用下的合力，F5表示风电塔架对爬升模块3的支持力。

如图1和图2所示，风电塔架检测机器人平台进行爬行工作时，整个平台可以看作套住整个塔架，6个爬升模块3分布在塔架的周围。此时爬升装置2在外围平台机架1的正下方。平台得电并接收到控制指令后开始爬升，首先爬升装置2的6根张紧丝杠机构同步开始收缩，每个爬升模块3都会形成一个指向风电塔架的一个合力F_合，在F_合的作用下，爬升装置2在万向脚轮3-2的支撑下沿着导向轴1-2的方向在地面上逐渐向塔架靠近直至贴紧塔架，完成了爬升模块3对塔架的顶紧。然后，爬升模块3的伺服电机A 3-4在控制下同步启动，驱动轮3-3开始转动。当爬升模块3的驱动轮3-3开始运动时，对塔架的作用力大于自身重力时，整个平台开始克服自身重力在塔架上爬行。此时外围平台机架1上的双轴倾角传感器和三维电子罗盘开始给平台的爬升进行导航，保证了爬行的稳定性，同时监控摄像机和风向、风速检测器会将平台的数据实时传送到控制端，操作人员也可以实时对平台的稳定性进行监测控制。爬升模块3在向上爬行的过程中，因为塔架直径越往塔顶变得越小，逐渐沿着导向轴1-2从外围平台机架1的正下方移动出来。

实施例二

针对实施例一提出的风电塔架检测机器人平台在工作中可能产生的倾斜问题，本实施例提出了一种风电塔架检测机器人平台的位姿控制方法。如图12所示，该方法具体包括如下步骤。

S1：检测变直径风电塔架检测机器人平台的运动状态并采集运动状态信号。

在本实施例中，状态信号包括倾角信号和高度信号。倾角信号来自于安装在外围平台机架1的倾角传感器，高度信号来自于安装在爬升模块3的高度传感器。

S2：对采集的状态信号进行分析得到测量值，将测量值与预设的测量值阈值相比较，并计算得到偏差值。

其中，测量值即为平台爬升和下降过程中的实时参数，而阈值为预设的平台正常工作的参数。在本实施例中，在平台上预先设置多个倾角传感器和高度传感器，分别设置编号为i(i＝1，2，...，5，6)，各传感器分别对应各爬升模块3，爬升模块3的编号同样设置为i(i＝1，2，...，5，6)。对倾角信号进行分析得到平台在爬升过程中的倾斜角度α，将其与预设的正常倾角β进行比较计算得到偏差值Δθ。对高度信号进行分析得到各个爬升模块3距地面的高度h_i(i＝1，2，...，5，6)。将其与预设的高度差ΔH比较计算得到高度偏差值Δh_i(i＝1，2，...，5，6)。

S3：将计算的偏差值先通过A/D转换将其转换为数字量，再将转化后的数据发送给工控机。工控机根据偏差值来判断平台运动状态是否正常。如果偏差值在合理的偏差值区间I内，将继续正常工作。如果偏差值超出了区间I，则代表平台发生了倾斜。由工控机负责找出偏差值的修正参数并利用修正参数对偏差值进行校正。

实施例中，工控机对接收的倾角偏差值Δ0进行分析并与正常运行情况下的倾角偏差值范围区间I比较。如果Δθ在区间I内，则工控机将继续按照原先设定好的指令工作，即正常接收数据，处理数据以及发送正常工作指令给运动控制卡。如果Δθ_i在区间I外，则代表平台发生了倾斜，此时工控机开始进行倾斜校正并发送停止指令给对应的爬升模块3。工控机将接收的高度信号偏差值Δh_i(i＝1，2，...，5，6)与标准高度偏差值ΔH比较，通过计算得出高度校正参数。

实施例中，工控机在三维电子罗盘的导航数据下确定最佳的平台校正所需时间t，并结合高度校正参数计算出最佳的校正运动速度v_i(i＝1，2，...，5，6)，并将其发送给运动控制卡。

S4：将校正后的数据发送到各个运动控制卡，各个运动控制卡利用校正后的数据，通过位置、速度和力矩三种方式生成对各自对应的伺服电机(A和B)的脉冲信号。

S5：各个伺服电机(A和B)根据接收的脉冲信号，实现对各个爬行模块3的爬升距离的精确控制，从而完成了平台的位姿调整。

其中，当平台爬升或者下降时，倾角偏差值Δθ_i在区间I外或者任意高度偏差值Δh_i超过预设的高度差ΔH时，则平台停止，对应爬升模块3根据偏差值进行位姿调整。

实施例三

针对实施例一提出的风电塔架检测机器人平台在工作中可能产生的偏移问题，本实施例提出了一种风电塔架检测机器人平台的位姿控制方法。如图13所示，该方法具体包括如下步骤。

S1：检测变直径风电塔架检测机器人平台的运动状态并采集运动状态信号。

其中，运动状态信号为位移信号，位移信号由安装在各爬升模块3的位移传感器发送。

S2：对采集的信号进行分析，将分析后的数据发送给工控机。

其中，测量值为平台周向移动的距离d_i(i＝1，2，…，5，6)，将移动距离di进行计算得到平均移动距离

S3：工控机接收信息，并根据预设坐标判断其是否在期望区间X中，根据判断结果，选择执行原先命令还是执行对预设坐标的补正命令。

其中，预设坐标为平台以正常状态运行的坐标。

本实施例中，工控机接收到平台的平均移动距离

判断其是否在期望区间X中，如果/>

在期望区间X中，代表平台发生的周向移动的影响可忽略，则工控机继续执行之前的预设指令。如果测量结果超出期望区间X，工控机将平均移动距离/>

与预设坐标进行比较计算，得出此时平台的新坐标。爬升模块3在爬升过程中执行补正命令，向预设坐标运动，并到达预设坐标。

S4：运动控制卡接受补正命令，驱动各爬升模块以新坐标为起点，向预设坐标运动。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于，包括外围平台机架(1)、爬升装置(2)和控制装置；所述外围平台机架(1)是围绕变直径风电塔架设置的多边形机架；所述爬升装置(2)包括沿着外围平台机架(1)均匀分布的若干爬升模块(3)和连接在各爬升模块(3)之间的若干收紧机构(4)，各爬升模块(3)通过收紧机构(4)依次相连形成多边形结构；所述控制装置用于控制爬升模块(3)的爬升和收紧机构(4)的收缩，通过控制收紧机构(4)收缩各爬升模块(3)之间的距离，使得各爬升模块(3)在外围平台机架(1)的限制下，紧贴变直径风电塔架进行爬升。

2.如权利要求1所述的一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于：所述外围平台机架(1)由若干框架(1-1)连接而成，每个爬升模块(3)都对应有相连的框架(1-1)，连接爬升模块(3)的框架(1-1)上安装有导向轴(1-2)。

3.如权利要求2所述的一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于：所述爬升模块(3)包括平台模块机箱(3-1)以及安装在平台模块机箱(3-1)上的万向脚轮(3-2)、驱动轮(3-3)、伺服电机A(3-4)、链接铰链(3-5)和直线轴承(3-6)；

所述万向脚轮(3-2)用于平台模块机箱(3-1)在地面的移动，所述驱动轮(3-3)由伺服电机A(3-4)驱动，用于平台模块机箱(3-1)在变直径风电塔架表面的爬升；所述直线轴承(3-6)安装在链接铰链(3-5)上，直线轴承(3-6)与导向轴(1-2)滑动连接。

4.如权利要求3所述的一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于：所述爬升模块(3)还包括准双曲面齿轮减速机(3-7)、驱动轮轴承支架(3-8)、十字轴万向联轴器(3-9)和驱动电机安装板(3-10)；所述伺服电机A(3-4)和准双曲面齿轮减速机(3-7)相连并共同安装在驱动电机安装板(3-10)上，所述准双曲面齿轮减速机(3-7)的两侧均连接有十字轴万向联轴器(3-9)，所述十字轴万向联轴器(3-9)通过驱动轮轴承支架(3-8)与驱动轮(3-3)相连。

5.如权利要求3所述的一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于：所述收紧机构(4)包括电机端和拉力端，这两端分别通过电机端支架(4-1)和拉力端支架(4-2)可摆动地安装在相邻的两个平台模块机箱(3-1)上；

所述电机端包括伺服电机B(4-3)、伺服电机减速装置(4-4)、传动轴(4-5)、万向联轴器(4-6)、滚珠丝杠(4-7)、张紧管螺母套(4-8)、丝杠保护套(4-9)和激光测距靶(4-10)；所述伺服电机B(4-3)安装在电机端支架(4-1)上，伺服电机B(4-3)的输出端连接传动轴(4-5)，所述传动轴(4-5)还与伺服电机减速装置(4-4)和万向联轴器(4-6)相连，所述万向联轴器(4-6)与滚珠丝杠(4-7)的一端相连，所述激光测距靶(4-10)设置在滚珠丝杠(4-7)的另一端，所述滚珠丝杠(4-7)的丝杠螺母(4-11)与张紧管螺母套(4-8)相连并且外部套设有丝杠保护套(4-9)；

所述拉力端包括拉力传感器转轴(4-12)、拉力传感器(4-13)和激光测距仪套件(4-14)；所述拉力传感器(4-13)的一端通过拉力传感器转轴(4-12)安装在拉力端支架(4-2)上，拉力传感器(4-13)的另一端与张紧管螺母套(4-8)相连，所述激光测距仪套件(4-14)嵌套安装在张紧管螺母套(4-8)上；

所述伺服电机B(4-3)产生的转矩通过伺服电机减速装置(4-4)、传动轴(4-5)和万向联轴器(4-6)传递至滚珠丝杠(4-7)，驱动滚珠丝杠(4-7)转动并带动丝杠螺母(4-11)进行直线移动，所述张紧管螺母套(4-8)在丝杠螺母(4-11)的带动下在滚珠丝杠(4-7)和丝杠保护套(4-9)之间的空隙中直线移动，所述激光测距仪套件(4-14)通过测量与激光测距靶(4-10)之间的距离进而得到张紧管螺母套(4-8)收缩的距离，所述拉力传感器(4-13)测量张紧管螺母套(4-8)收缩时的拉力大小。

6.如权利要求1-5任一所述的一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于：所述外围平台机架(1)上安装有倾角传感器和三维电子罗盘，所述倾角传感器用于测量外围平台机架(1)在爬升过程中的倾斜角度并产生倾角信号，所述三维电子罗盘提供爬升的导航数据；

所述爬升装置(2)上安装有高度传感器和位移传感器，所述高度传感器用于测量各爬升模块(3)距地面的高度并产生高度信号，所述位移传感器用于测量外围平台机架(1)周向移动的距离并产生位移信号。

7.如权利要求6所述的一种风电塔架检测机器人平台，其特征在于：所述控制装置为包括工控机和运动控制卡的控制箱(5)，所述控制箱(5)安装在某一爬升模块(3)中；所述工控机对倾角传感器、三维电子罗盘、高度传感器和位移传感器采集的信号进行分析，并将分析后的数据发送给运动控制卡，所述运动控制卡根据分析后的数据驱动爬升模块(3)的爬升和收紧机构(4)的收缩。

8.一种如权利要求7所述的风电塔架检测机器人平台的位姿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集平台的运动状态信号，所述运动状态信号包括倾角传感器产生的倾角信号和高度传感器产生的高度信号；

S2：对采集的运动状态信号进行分析得到测量值，所述测量值为外围平台机架在爬升过程中的倾斜角度和各爬升模块距地面的高度，将测量值与预设阈值相比较，计算得到偏差值；

S3：将计算得到的偏差值经过A/D转换后发送给工控机；工控机根据偏差值来判断平台运动状态是否正常：如果偏差值在合理的偏差值区间内，则平台继续正常工作；如果偏差值超出了偏差值区间，则工控机找出偏差值的修正参数并利用修正参数对偏差值进行校正；

S4：工控机将校正后的数据发送到运动控制卡，运动控制卡利用校正后的数据，通过位置、速度和力矩三种方式生成脉冲信号，脉冲信号发送至爬升模块中负责驱动爬升的伺服电机A和收紧机构中负责驱动收紧的伺服电机B中；

S5：各伺服电机A和各伺服电机B根据接收的脉冲信号，对各爬升模块的爬升距离进行精确控制，完成平台的位姿调整。

9.如权利要求8所述的位姿控制方法，其特征在于：步骤S3中，工控机首先将倾角偏差值与正常运行情况下的倾角偏差值范围区间进行比较：如果倾角偏差值在倾角偏差值范围区间内，则工控机按照预设指令进行工作；如果倾角偏差值不在倾角偏差值范围区间内，工控机将接收的高度偏差值与标准高度偏差值进行比较，计算得出高度校正参数，同时工控机在三维电子罗盘的导航数据下确定最佳的平台校正所需时间，结合高度校正参数计算出最佳的校正运动速度。

10.一种如权利要求7所述的风电塔架检测机器人平台的位姿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采集平台的运动状态信号，所述运动状态信号为位移传感器产生的位移；

S2：对采集的运动状态信号进行分析得到测量值，所述测量值为平台周向移动的距离，将测量值发送给工控机；

S3：所述工控机接受测量值，并根据预设坐标判断测量值是否在期望区间中：如果测量值在期望区间中，则工控机继续执行预设指令；如果测量值不在期望区间中，工控机将平台周向移动的距离与预设坐标进行比较计算，计算得出此时平台的新坐标，并生成补正命令至运动控制卡；

S4：运动控制卡接受补正命令，驱动各爬升模块以新坐标为起点，向预设坐标运动。

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