CN1173807C - 无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人 - Google Patents

Abstract

一种无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人，由行走机构和光电实时跟踪系统两大部分组成。行走机构采用柔性磁轮车式结构的行走车体(1)，直接吸附于工作表面而行走，而光电实时跟踪系统由传感器(2)、(7)、(9)、PLC控制系统箱(3)、两维跟踪执行机构(4)、(5)、摆动机构(6)和工作头(8)组成。CCD1传感器(2)与横向跟踪执行机构(4)与车体主板(101)相连接，CCD2传感器(7)和纵向跟踪执行机构(5)与横向跟踪执行机构相连接，摆动机构(6)和工作头高度传感器(9)与纵向跟踪执行机构相连接，摆动机构(6)与工作头(8)相连接。本发明可在钢制球形、筒形、管道等内外侧进行直线、曲线多种形式工作，具有精度高，可靠性好，结构简单，实用性良好的优点。

Description

无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人

技术领域

本发明涉及一种无导轨全位置行走光电实时跟踪装置，尤指能在平面俯位，平面仰位，立面纵横向，各种空间位置多道自主行走，按跟踪线跟踪和实现重复跟踪。

背景技术

随着我国工业的大发展，无论在民用和军用方面需要实时跟踪无人自动作业的地方非常广泛，其工作量成倍增长，例如巨大的贮气罐、贮油罐、各类长距离输送管道、薄壳建筑、核工业设施、航天航空工业外场设施、密闭管道内长距离工件的输送，探伤、检测、喷漆、焊接，军事上的特殊用途等等，迫切需要智能型的实时跟踪无人自动化行走装置。

就球罐焊接而言目前国内外无论在手工焊接或者机械化焊接时都要依靠焊接工人密切注视焊缝熔池，不断调节焊枪的传统操作方式。又由于在野外施工时工作环境恶劣，这种传统操作方式的劳动强度大，技术难度高已造成焊工培养困难，流失严重等问题。国内使用的自动化焊接装置必须有导轨支持及人工跟踪焊缝，如美国的BUG-O型焊车和加拿大的GULLO OSCILLATOR型焊接车均为导轨式焊车，焊前需烦杂的导轨安装，焊接时需焊接工人实时调节对中焊缝，因此仍急需解决无导轨真能全位置自动跟踪不同形式和参数焊缝的自适应控制问题。本发明申请人于1998年生产出了记忆跟踪式自动弧焊车(专利号98202799.0)在使用中取得了很多经验和对产品改进的启示，也为全面解决上述问题准备了基础，以备实现真正意义上的全位置自动化的作业装置。

发明内容

根据背景技术所述本发明的目的在于针对上述民用和军事工业的需求，提供一种无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人。

为了实现上述目的本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人，由行走机构和光电实时跟踪系统两大部分组成，其行走机构采用柔性磁轮车式结构的行走车体1，而光电实时跟踪系统，由CCD1(Charge Coupled Device)传感器2、CCD2传感器7、工作头高度传感器9、PLC控制系统箱3、横向跟踪执行机构4、纵向跟踪执行机构5、摆动机构6和工作头8组成。

在行走车体1的左右各装有一车轮组件107，其上装有一对磁轮102，电动机103，减速器104和柔性机构106，每对磁轮102各自由电动机103通过减速器104进行驱动，每个车轮组件107与车体主板101连接，其中的两个磁轮102与十字铰接式柔性机构106相连接。

CCD1传感器2连接在车体主板101上，横向跟踪执行机构4通过底座与与车体主板101连接，CCD2传感器7和纵向跟踪执行机构5连接在横向跟踪执行机构4的移动滑块401上。

摆动机构6和工作头高度传感器9通过其底座与纵向跟踪执行机构5的移动滑块固定连接，摆动机构6的移动滑块与工作头8相连接。

微机智能控制系统以微机实时控制器为核心，其外围主要有人机接口、行走车体直流驱动电路、步进电机控制驱动电路、CCD传感器信号检测与处理电路。

由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点和效果：

1.本发明不需导轨支持，通过磁轮吸附在工件表面上能沿工作表面进行360°的全位置的自动行走，能进行各种空间位置的多道、多层、直线和曲线焊缝的自动焊接，能进行切割、探伤、检测、传送、喷漆等工作，不需人工跟踪，行走车体车速为0～80cm/min，由于采用了柔性机构，行走具有一定的穿越障碍的能力；

2.完全实现了全位置行走光电实时跟踪，本发明轨迹跟踪精度为±0.5mm，高度跟踪精度为±1.0mm；

3.本发明可使工作头实现多种摆动方式，摆幅范围为±25mm，摆动重复精度为0.5mm；

4.本发明研制的微机智能控制系统结构紧凑，模块化，集成度高，软件设计模块化，可靠性高，系统软件能根据控制盒面板上各旋钮、开关的设定值来综合协调控制各机构的运行动作。

5.本发明可用于石油化工、建筑、航空航天、核工业、造船、冶金等工程，稍加改动还可用于军事用途；

6.本发明根据工作性质和工作环境的需求，可将本发明小型化、微型化，因此它的用途会更广泛。

附图说明

图1A为本发明结构原理示意图的正视图

图1B为本发明结构原理示意图的侧视图

图2A为本发明实施例工作情况立体示意图

图2B为本发明实施例工作情况立体示意图的仰视图

图3为本发明微机智能控制系统组成框图

图4为本发明行走车体直流驱动电路框图

图5为本发明步进电机控制驱动电路框图

图6为本发明CCD传感器信号检测与处理电路

图7为本发明微机智能控制系统工作流程图

具体实施方式

由图1A和图1B可见，本发明主要由行走机构和光电实时跟踪系统两大部分组成，其行走机构采用柔性磁轮车式结构的行走车体1，而光电实时跟踪系统，由CCD1传感器2、CCD2传感器7、工作头高度传感器9、PLC控制系统箱3、横向跟踪执行机构4、纵向跟踪执行机构5、摆动机构6和工作头8组成。

行走车体1采用柔性磁轮式结构，车体左右各装有一对磁轮102，每对磁轮102各自由电动机103通过减速器104进行驱动，由此组成车轮组件107，每个车轮组件107与车体主板101连接，其中的两个磁轮102与十字铰接式柔性机构106相连接。行走车体1不需导轨支持，通过磁轮吸附在工作表面上，根据工件的表面情况和参数调整好磁轮102的角度，以期达到最紧密的接触。这是由于本发明采用了磁轮柔性机构106，保证行走车体1既可在曲面工作面外侧工作，也可以内侧工作，可适应的曲率能在很大范围内变化。同时又采用柔性机构106使行走具有一定的穿越障碍的能力。行走车体1引导放置时，以行走车体上的CCD1传感器2的中心位置与跟踪线对准。

行走车体1运行时CCD1传感器2与左右两侧的行走驱动电动机103组成一光电实时跟踪系统，由CCD1传感器2检测行走车体1与跟踪线的偏差，再由左右驱动电动机103的转速差实现偏差调节，以保证行走车体1自动跟踪跟踪线而行走；CCD2传感器7与横向跟踪执行机构4又组成一套自动跟踪系统，以便及时调整由于行走车体1跟踪调整时而引起的偏差，由滑块带动工作头8左右随动，进行长度方向上的工作轨迹线跟踪。由于是依照与坡口平行的跟踪线进行非接触的跟踪，在多层多道焊接的情况下也能实现重复自动跟踪。CCD1和CCD2传感器识别精度为0.03mm，轨迹跟踪精度为±0.5mm；工作头高度传感器9与纵向跟踪执行机构5组成一套自动跟踪系统，由传感器触头直接测量工作处附近的工作表面高度的变化，以便随时检测工作头至工件的高度，然后由滑块带动工作头进行调整，使工作头至工件的距离保持恒定。工作头高度传感器9的测量精度为0.01mm，高度跟踪精度为±1.0mm；本发明装有摆动机构6，故可实现摆动工作，由行走车体1的行走方式与摆动机构6的摆动的有机结合，可实现工作头的多种摆动方式，摆幅为±25mm，摆动重复精度为0.5mm，完全满足工作头工作内容的使用技术要求。

本发明的微机智能控制系统，系统的硬件主要由微机实时控制系统箱与各传感器(CCD1、CCD2、工作头高度)，电机的接口电路组成。系统软件能根据控制盒面板上旋钮，开关的设定值和轨迹线来综合协调控制行走机构，横向、纵向跟踪执行机构和摆动机构。

由图2A、2B可见，图2A示出本发明实施例的工作情况立体示意图。图2B为本发明实施例工作情况立体示意图的仰视图，从图中可见：

行走机构采用柔性磁轮车式结构的行走车体1，车体左右各装有一对磁轮102，每对磁轮102各自由直流电动机通过二级蜗轮蜗杆减速器104进行驱动。磁轮组通过柔性机构106与侧板105相连接，主板101与侧板105二者铰接，在其间装有磁轮角度调节机构(图中未示出)，能保证各磁轮与工作表面紧密接触。行走车体1在工作表面的各种空间位置都能稳定行走，如前进、后退、拐弯等各种运行方式。

光电实时跟踪系统，它包括光电轨迹跟踪系统与接触式高度跟踪系统。前者由CCD传感器与一个用步进电机驱动的横向跟踪执行机构组成，CCD1传感器2与车体主板101连接，横向跟踪执行机构4通过底座与与车体主板101连接，CCD2传感器7和纵向跟踪执行机构5连接在横向跟踪执行机构4的移动滑块401上，进行长度方向的工作轨迹跟踪。后者由工作头高度传感器9(直线电位传感器)与一个用步进电机驱动的纵向跟踪执行机构5组成，工作头高度传感器9通过其底座与纵向跟踪执行机构5的移动滑块固定连接，由滑块带动工作头进行高度方向上的轨迹跟踪。

又可见摆动机构6通过底座与纵向跟踪执行机构5的移动滑块固定连接，而摆动机构6由一个摆动中心传感器、一个步进电机驱动的滑台机构及工作头8夹持机构组成。

由图3可见，本发明的运行完全由微机智能控制系统控制，微机智能控制系统硬件主要由微机实时控制器与各传感器、电机的接口电路组成。

1.核心控制器

核心控制器包括CPU模块，A/D与D/A模块和电源模块。CPU模块能实现复杂的实时控制功能，其指令执行时间仅为0.2us，满足本系统的要求，同时有大量的算术和逻辑运算指令和电机控制信号输出，如将其编程为PWM工作方式，可方便地实现直流电机调速，如将其编程为PTO工作方式，可实现步进电机调速。CPU模块还具有大量的位存储器、计数器与定时器，可灵活运用于程序控制。

2.人机接口

人机接口的功能是把人的意愿转变为控制器可以接受的信号并输入给控制器，把系统的运行状态或参数转换为直观的自然现象如数字、图象、声音等。本系统的输入命令分为数字控制量和车速、摆速、摆速、滞时四个模拟量，输出只有一个，即行走车体1的速度。

3.行走机构直流驱动电路(见图4框图)

采用PWM控制技术进行调速、拐弯、正反行走等功能。

4.步进电机控制驱动电路

由图5可知，机器人光电实时跟踪机构及工作头摆动机构均由步进电机驱动，采用微细步控制技术，由微机实时控制器进行闭环控制。

5.CCD传感器信号检测与处理电路

由图6可知，系统采用特别的CCD固态摄像传感器，在光电源照射下，工作跟踪线通过透镜在CCD芯片表面成像，其信号经过数值化处理及D/A转换，可以获得一个模拟量信号电压，以反映工作跟踪线与传感器中心线间的偏差。

由图7可知，本发明在运行时微机智能控制系统的全部工作流程。

Claims (3)

1.一种无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人，由行走机构和光电实时跟踪系统两大部分组成，行走机构采用柔性磁轮车式结构的行走车体(1)，其特征在于：在行走车体(1)的左右各装有一车轮组件(107)，其上装有一对磁轮(102)，电动机(103)，减速器(104)和柔性机构(106)，每对磁轮(102)各自由电动机(103)通过减速器(104)进行驱动，每个车轮组件(107)与车体主板(101)连接，其中两个磁轮(102)与十字铰接式柔性机构(106)相连接；光电实时跟踪系统，由CCD1传感器(2)、CCD2传感器(7)、工作头高度传感器(9)、PLC控制系统箱(3)、横向跟踪执行机构(4)、纵向跟踪执行机构(5)、摆动机构(6)和工作头(8)组成，CCD1传感器(2)连接在车体主板(101)上，横向跟踪执行机构(4)通过底座与与车体主板(101)连接，CCD2传感器(7)和纵向跟踪执行机构(5)连接在横向跟踪执行机构(4)的移动滑块(401)上，摆动机构(6)和工作头高度传感器(9)通过其底座与纵向跟踪执行机构(5)的移动滑块固定连接，摆动机构(6)的移动滑块与工作头(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人，其特征在于：车体主板(101)与侧板(105)之间铰接，并装有磁轮角度调节机构(108)。

3.根据权利要求1所述的无导轨全位置行走光电实时跟踪特种机器人，其特征在于：本发明的微机智能控制系统以微机实时控制器为核心，其外围主要有人机接口、行走车体直流驱动电路、步进电机控制驱动电路、CCD传感器信号检测与处理电路。

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