CN214174915U - 一种用于爬壁机器人的导航控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于爬壁机器人的导航控制系统，利用超宽带定位技术获得爬壁机器人的位置信息，系统包括作业机器人、地面电控箱及定位基站组。作业机器人内部设有伺服电机、伺服驱动器、倾角传感器和超宽带模块；地面电控箱内部设有可编程逻辑控制器、工控机和超宽带模块；定位基站组由多个定位基站单元组成，每个定位基站单元包含一个超宽带模块；爬壁机器人在作业工作时，以固定的工作周期循环执行各项控制工作。在可编程逻辑控制器内完成行进方向控制工作，计算获得两侧伺服电机应执行的转速和转向，并通过控制伺服驱动器实现，进而实现爬壁机器人在室内或室外环境下，根据预设行进路线移动，并能在作业过程中自动修正行进方向。

Description

一种用于爬壁机器人的导航控制系统

技术领域

本申请涉及机器人运动控制领域，特别涉及爬壁机器人的导航控制系统。

背景技术

爬壁机器人适用于高空危险作业、船舶清洗作业等环境。控制系统主要用于爬壁机器人的运动控制，包括行进运动速度调整、行进方向调整等。

目前，爬壁机器人的行进控制，多为按照人工操作遥控器的控制指令直接执行。无自主感知行进方向、作业位置的能力，不能实现行进的自动控制。因为现有技术中无行进角度采集和自主调整功能，无法修正由于行进单元打滑、两侧行进单元差异积累等造成的方向偏移；所以若在行进过程中出现行进轮打滑等现象，造成行进轨迹偏离预期轨迹，或是行进至作业平面边缘需调转方向时，需要现场操作人员实时观测并操作遥控器下发控制指令，同时虽然部分现有技术涉及实现机器人导航的方法及系统，但采用GPS定位系统(地面基准站、GPS 接收器)成本较高，且卫星信号不能穿过较大的障碍物，对工作环境有要求，无法在室内或密闭环境下工作。

因此，结合现有技术的不利因素，为改善上述问题，提出一种用于爬壁机器人的导航控制系统成为亟待解决的问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本申请提供一种用于爬壁机器人的导航控制系统。

一种用于爬壁机器人的导航控制系统，包括作业机器人、地面电控箱和定位基站组，所述作业机器人包括伺服电机、伺服驱动器、倾角传感器和第一超宽带模块，所述地面电控箱包括可编程逻辑控制器、工控机、第二超宽带模块，所述定位基站组由定位基站单元组成，所述定位基站单元的数量不少于3个，所述定位基站单元中包含有第三超宽带模块，所述地面电控箱内设置有电力电源，所述电力电源通过电缆与所述作业机器人连接。

优选的，所述伺服电机、所述伺服驱动器、所述倾角传感器和所述第一超宽带模块通过电缆连接，所述伺服电机包括左伺服电机和右伺服电机，所述伺服驱动器包括左伺服驱动器和右伺服驱动器，所述左伺服电机和所述右伺服电机分别设置在所述作业机器人中的两侧位置，所述左伺服驱动器通过电缆与所述左伺服电机连接，所述右伺服驱动器通过电缆与所述右伺服电机连接。

优选的，所述可编程逻辑控制器、所述工控机、所述第二超宽带模块通过通信电缆连接。

优选的，所述第一超宽带模块为定位标签，可跟随所述作业机器人移动，所述第二超宽带模块为定位控制台，所述第一超宽带模块、第二超宽带模块和所述定位基站单元为无线通信方式连接。

优选的，所述定位基站单元分布在同一平面内，所述定位基站单元彼此间以无线通信方式连接。

本申请的有益效果：利用超宽带(UWB)定位技术获得爬壁机器人的位置信息，系统包括作业机器人、地面电控箱及定位基站组。所述作业机器人内部设有伺服电机、伺服驱动器、倾角传感器和超宽带(UWB)模块；所述地面电控箱内部设有可编程逻辑控制器(PLC)、工控机和超宽带(UWB)模块；定位基站组由多个定位基站单元组成，每个定位基站单元包含一个超宽带(UWB)模块；爬壁机器人在作业工作时，以固定的工作周期循环执行各项控制工作。每个工作周期内依次完成作业机器人定位、导航控制、行进方向控制。首先由作为定位标签、定位基站、定位控制台的各UWB模块工作获取定位标签的相对坐标位置信息，并传送给地面控制箱中的工控机。在工控机内完成导航控制工作，计算获得作业机器人应执行的行进角度，并传送至可编程逻辑控制器。在可编程逻辑控制器内完成行进方向控制工作，计算获得两侧伺服电机应执行的转速和转向，并通过控制伺服驱动器实现，进而实现爬壁机器人在室内或室外环境下，根据预设行进路线移动，并能在作业过程中自动修正行进方向。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的爬坡机器人导航控制系统的示意图。

图2为本申请提供的作业机器人装置的结构简图。

图3为本申请提供的地面电控箱装置的结构简图。

具体实施方式

参见图1为本申请提供的爬坡机器人导航控制系统的示意图。图2为本申请提供的作业机器人装置的结构简图。

一种用于爬壁机器人的导航控制系统，包括作业机器人、地面电控箱和定位基站组，所述作业机器人包括伺服电机、伺服驱动器、倾角传感器和第一超宽带模块，所述地面电控箱包括可编程逻辑控制器、工控机、第二超宽带模块，所述定位基站组由定位基站单元组成，所述定位基站单元的数量不少于3个，所述定位基站单元中包含有第三超宽带模块，针对本申请的技术方案，在控制原理及方法上以4个超宽带模块组成的定位基站组为例，所述地面电控箱内设置有电力电源，所述电力电源通过电缆与所述作业机器人连接。作业工作现场可提供的地面电源多为交流50Hz220V电能，需要使用电力电源转换为伺服驱动器可使用的电能 (如直流24V或直流48V)。各超宽带模块工作供电多为直流电源(如直流24V)，需要由地面电源通过电源模块转换获得。所述倾角传感器为双轴倾角传感器。双轴倾角传感器可以同时输出传感器两个轴向与水平面的夹角，进而可同时获得机器人行进角度和机器人所在平面倾斜角度，便于确定机器人的行进状态。

参见图3，为本申请提供的地面电控箱装置的结构简图。

上述提及的所述可编程逻辑控制器为PLC。所述可编程逻辑控制器作为运动控制核心，主要实现行进方向控制工作。通过电缆接收作业机器人倾角传感器的角度数值和工控机的指令信息，并下发控制命令至作业机器人的伺服驱动器，所述第二超宽带模块具有通信功能，作为定位控制台，在作业阶段接收其他超宽带模块的数据信息，并发送至所述工控机。所述工控机主要实现导航控制工作。存储预先设定的作业路线，接收超宽带模块数据，处理分析定位信息，计算获得机器人应执行的行进方向，并发送至所述可编程逻辑控制器，提供数据处理分析功能和人机交互接口，在作业工作同时可以记录作业过程中的相关数据，在准备阶段，可控制第二超宽带模块，配置其他超宽带模块。

优选的，所述伺服电机、所述伺服驱动器、所述倾角传感器和所述第一超宽带模块通过电缆连接，所述伺服电机包括左伺服电机和右伺服电机，所述伺服驱动器包括左伺服驱动器和右伺服驱动器，所述左伺服电机和所述右伺服电机分别设置在所述作业机器人中的两侧位置，所述左伺服驱动器通过电缆与所述左伺服电机连接，所述右伺服驱动器通过电缆与所述右伺服电机连接。

优选的，所述可编程逻辑控制器、所述工控机、所述第二超宽带模块通过通信电缆连接。

优选的，所述第一超宽带模块为定位标签，可跟随所述作业机器人移动，所述第二超宽带模块为定位控制台，所述第一超宽带模块、第二超宽带模块和所述定位基站单元为无线通信方式连接。

这里提及的所述第一超宽带模块、第二超宽带模块和所述定位基站单元均具有按照UWB(超宽带)技术标准进行无线通信的功能，所述第一超宽带模块为定位标签，是定位求解的目标点，跟随作业机器人移动。所述第二超宽带模块通过与所述定位标签和所述定位基站单元之间的无线通信，下发启动定位或其他工作指令，并接收定位标签和定位基站单元发送的距离数据，用于计算定位标签在定位坐标系中的位置。所述定位基站单元中的所述第三超宽带模块在现场布置后保持静止，通过所述定位标签与各定位基站单元相互发送符合UWB技术标准且带有时间信息的无线信号，结合接收信号时间(TOA)法，计算定位标签与定位基站单元之间的距离。

优选的，所述定位基站单元分布在同一平面内，呈接近长方形的形式布局，所述定位基站单元彼此间以无线通信方式连接。在准备阶段，通过相互发送电磁波信号，获得测距数据，在此基础上建立坐标系。所述定位基站单元内的第三超宽带模块的工作供电由附近地面电源或电池提供。

本申请的有益效果：利用超宽带(UWB)定位技术获得爬壁机器人的位置信息，系统包括作业机器人、地面电控箱及定位基站组。所述作业机器人内部设有伺服电机、伺服驱动器、倾角传感器和超宽带(UWB)模块；所述地面电控箱内部设有可编程逻辑控制器(PLC)、工控机和超宽带(UWB)模块；定位基站组由多个定位基站单元组成，每个定位基站单元包含一个超宽带(UWB)模块；爬壁机器人在作业工作时，以固定的工作周期循环执行各项控制工作。每个工作周期内依次完成作业机器人定位、导航控制、行进方向控制。首先由作为定位标签、定位基站、定位控制台的各UWB模块工作获取定位标签的相对坐标位置信息，并传送给地面控制箱中的工控机。在工控机内完成导航控制工作，计算获得作业机器人应执行的行进角度，并传送至可编程逻辑控制器。在可编程逻辑控制器内完成行进方向控制工作，计算获得两侧伺服电机应执行的转速和转向，并通过控制伺服驱动器实现，进而实现爬壁机器人在室内或室外环境下，根据预设行进路线移动，并能在作业过程中自动修正行进方向。

领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种用于爬壁机器人的导航控制系统，其特征在于，包括作业机器人、地面电控箱和定位基站组，所述作业机器人包括伺服电机、伺服驱动器、倾角传感器和第一超宽带模块，所述地面电控箱包括可编程逻辑控制器、工控机、第二超宽带模块，所述定位基站组由定位基站单元组成，所述定位基站单元的数量不少于3个，所述定位基站单元中包含有第三超宽带模块，所述地面电控箱内设置有电力电源，所述电力电源通过电缆与所述作业机器人连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于爬壁机器人的导航控制系统，其特征在于，所述伺服电机包括左伺服电机和右伺服电机，所述伺服驱动器包括左伺服驱动器和右伺服驱动器，所述左伺服电机和所述右伺服电机分别设置在所述作业机器人中的两侧位置，所述左伺服驱动器通过电缆与所述左伺服电机连接，所述右伺服驱动器通过电缆与所述右伺服电机连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于爬壁机器人的导航控制系统，其特征在于，所述第一超宽带模块为定位标签，可跟随所述作业机器人移动，所述第二超宽带模块为定位控制台，所述第一超宽带模块、第二超宽带模块和所述定位基站单元为无线通信方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于爬壁机器人的导航控制系统，其特征在于，所述定位基站单元分布在同一平面内，所述定位基站单元彼此间以无线通信方式连接。

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