本發(fā)明涉及機器人控制系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種斜拉橋纜索爬行機器人的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

纜索是斜拉橋的主要受力構(gòu)件之一，纜索的狀態(tài)與橋梁的安全密切相關(guān)，因此需定期對其進行檢測，用于橋梁纜索檢測的自動化裝備一直備受關(guān)注。為了及時發(fā)現(xiàn)或消除影響斜拉橋的安全隱患，需定期對纜索進行檢測。目前橋梁纜索例行檢測最常見項目為纜索表面保護層的完好情況和纜索的震動擺幅。

現(xiàn)已有的一些斜拉橋纜索爬行機器人存在質(zhì)量重、體積大、爬行時攜帶的線路過多等現(xiàn)象，造成制造成本高、效率低、線路不穩(wěn)定、作業(yè)載荷小等一系列問題。因此，一種斜拉橋纜索爬行機器人的控制系統(tǒng)，用以提高檢測斜拉橋纜索表面的作業(yè)效率、提高有效載荷等具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是，針對上述問題，提供一種斜拉橋纜索爬行機器人的控制系統(tǒng)，解決現(xiàn)有機器人控制系統(tǒng)造價高，線路不穩(wěn)定、作業(yè)載荷小的問題；解決現(xiàn)在有機器人電磁制動器制動能力下降甚至失效的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：種斜拉橋纜索爬行機器人的控制系統(tǒng)，包括指令發(fā)送端與指令接收控制端，發(fā)送端安裝于地面控制箱中，指令接收端安裝在機器人上；所述指令發(fā)送端包括上位機、核心控制器和無線信號發(fā)射模塊，所述指令接收控制端包括無線信號接收模塊和動作驅(qū)動模塊；其中：

所述上位機與所述核心控制器連接，用于將操控機器人的控制信號發(fā)送給核心控制器；

所述核心控制器通過無線信號發(fā)射模塊將對機器人的控制信號發(fā)送給無線信號接收模塊，所述無線信號接收模塊將控制信號傳輸給動作驅(qū)動模塊；

所述動作驅(qū)動模塊包括驅(qū)動單元、制動單元和傳感器單元；所述驅(qū)動單元與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，所述制動單元用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，所述傳感器單元檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將運動結(jié)果反饋到所述核心控制器。

進一步的，所述驅(qū)動單元包括移步電機、上手爪電機和下手爪電機，所述制動單元包括上電磁制動器、下電磁制動器、上電磁鐵和下電磁鐵，所述傳感器單元包括上行程開關(guān)和下行程開關(guān)；

所述移步電機兩端分別連接機器人的上固定架和下固定架；

所述上手爪電機、上電磁制動器、上電磁鐵和上行程開關(guān)均安裝在所述上固定架上；所述上手爪電機與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，所述上電磁制動器、上電磁鐵用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，所述上行程開關(guān)檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將運動結(jié)果反饋到所述核心控制器；

所述下手爪電機、下電磁制動器、下電磁鐵和下行程開關(guān)均安裝在所述下固定架上；所述下手爪電機與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，所述下電磁制動器、下電磁鐵用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，所述下行程開關(guān)檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將結(jié)果反饋到所述核心控制器。

進一步的，所述上位機采用觸摸屏顯示器，所述核心控制器為plc控制器；所述觸摸屏顯示器通過rs-4854w與所述plc控制器進行通信。

進一步的，所述動作plc控制器包括繼電器ka1、ka2、ka3、ka4、ka5、ka6和ka7；所述ka1與所述ka2互鎖及控制電源接入電路的極性，所述ka3控制所述上電磁制動器和所述上手爪電機的通斷，所述ka4控制所述下電磁制動器和所述下手爪電機的通斷，所述ka5控制所述移步電機的通斷，所述ka6控制所述上電磁鐵的通斷，所述ka7控制下電磁鐵的通斷。

進一步的，所述指令接收控制端還包括電壓轉(zhuǎn)換器和12v可充電鋰電池，所述電壓轉(zhuǎn)換器和12v可充電鋰電池均安裝在機器人上。

進一步的，所述無線信號發(fā)射模塊為pt2264芯片無線發(fā)射模塊，所述無線信號接收模塊為pt2272芯片的無線接收模塊，所述pt2264芯片與所述t2272芯片地址位相同。

進一步的，所述plc控制器為三菱系列的fx1n-14mt-d控制器。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.基于上述系統(tǒng)，用上位機于將操控機器人的控制信號發(fā)送給核心控制器，核心控制器通過無線信號發(fā)射模塊將對機器人的控制信號發(fā)送給無線信號接收模塊，無線信號接收模塊將控制信號傳輸給動作驅(qū)動模塊，驅(qū)動單元與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，制動單元用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，傳感器單元檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將結(jié)果反饋到驅(qū)動單元。采用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑苊饬藱C器人另外攜帶通信電纜，增加了機器人可攜帶有用負載的質(zhì)量。通過傳感器單元的反饋作用，大大減少了機器運動的空行程、降低能耗、提高作業(yè)效率。

2.本發(fā)明的手爪電機、電磁制動器、電磁鐵和行程開關(guān)安裝在所述機器人固定架上控制機器人的運動，通過電磁制動器和電磁鐵的雙重制動作用，解決了機器人多次作業(yè)后，出現(xiàn)電磁制動器制動能力下降甚至失效的問題，通過對手爪電機的調(diào)節(jié)，控制手爪電機的行程，使機器人適應(yīng)不同直徑纜索，擴大了機器人的使用范圍。

3.本發(fā)明上位機采用觸摸屏顯示器，核心控制器采用plc控制器；所述觸摸屏顯示器通過rs-4854w與plc控制器進行通信。通過觸摸屏顯示器達成人機友好交互目的，操作方便。plc控制器具有其低成本、高度網(wǎng)絡(luò)化、抗干擾性強、可靠性高、通訊功能強的特點，機器人通過使用pcl更加適應(yīng)野外的作業(yè)環(huán)境。

4.本發(fā)明的指令接收控制端設(shè)置有可充電鋰電池和電壓轉(zhuǎn)換器，機器人作業(yè)范圍較小時，直接由機器人攜帶大容量鋰電池作為電源，可有效增強整套系統(tǒng)的便攜性。機器人作業(yè)范圍較大時，采用便攜式發(fā)電機交流220v供電，通過電纜連接機器人供電，將220v電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的12v直流電，可保證機器人的長時間工作可。

5.本控制系統(tǒng)僅需4個輸出點，考慮到輸入輸接口數(shù)越多plc控制器越昂貴以及預(yù)留50％備用輸出接口等因素，本發(fā)明采用三菱系列的fx1n-14mt-d控制器，該plc控制器具有8個輸入接口，6個輸出接口，滿足設(shè)計需求，且具有價格低，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定、故障率低、工作耗電量較等優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明的動作驅(qū)動模塊框圖。

圖3是本發(fā)明的fx1n-14mt-d控制器控制電路原理圖。

附圖中，1-指令發(fā)送端、2-指令接收控制端。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示一種斜拉橋纜索爬行機器人的控制系統(tǒng)，包括指令發(fā)送端與指令接收控制端，發(fā)送端安裝于地面控制箱中，指令接收端安裝在機器人上；指令發(fā)送端包括上位機、核心控制器和無線信號發(fā)射模塊。

指令接收控制端包括無線信號接收模塊和動作驅(qū)動模塊。機器人作業(yè)范圍較小時，直接由機器人攜帶大容量鋰電池作為電源，可有效增強整套系統(tǒng)的便攜性。機器人作業(yè)范圍較大時，采用便攜式發(fā)電機交流220v供電，通過電纜連接機器人供電，將220v電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的12v直流電，可保證機器人的長時間工作可。

本實施例中，上位機為觸摸屏顯示器，核心控制器為三菱系列的fx1n-14mt-d控制器，無線信號發(fā)射模塊為pt2264芯片無線發(fā)射模塊，無線信號接收模塊為pt2272芯片的無線接收模塊。觸摸屏顯示器與fx1n-14mt-d控制器連接，用于將操控機器人的控制信號發(fā)送給fx1n-14mt-d控制器。

fx1n-14mt-d控制器，fx1n-14mt-d控制器通過pt2264芯片無線發(fā)射模塊將對機器人的控制信號發(fā)送給pt2272芯片的無線接收模塊，pt2272芯片的無線接收模塊將控制信號傳輸給動作驅(qū)動模塊；動作驅(qū)動模塊包括驅(qū)動單元、制動單元和傳感器單元；驅(qū)動單元與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，制動單元用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，傳感器單元檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將結(jié)果反饋到fx1n-14mt-d控制器。

觸摸屏顯示器與fx1n-14mt-d控制器通過rs-4854w進行通信，觸摸屏顯示器將提供普通操作人員與技術(shù)員兩種操作入口，根據(jù)權(quán)限的不同兩種入口提供了不同的操作指令。觸摸屏顯示器將操作指令通過串行傳輸送至fx1n-14mt-d控制器，fx1n-14mt-d控制器可將內(nèi)部軟元件的狀態(tài)反饋給觸摸屏顯示器，通過讀取這些軟元件的狀態(tài)，觸摸屏顯示器可將機器人的狀態(tài)實時顯示提供給機器人控制人員，形成友好的人機互動。

本控制系統(tǒng)采用的是pt2264無線發(fā)射模塊，pt2264擁有4位(d0-d3)數(shù)據(jù)端管腳，任意組合的數(shù)據(jù)端管腳接通時，無線信號經(jīng)編碼后從dout輸出端發(fā)出，若數(shù)據(jù)端管腳持續(xù)接通，則編碼芯片也會持續(xù)發(fā)射信號，其編碼信號有：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成完整的碼字?？梢栽趏sc1、osc2處接入電阻決定無線信號的發(fā)射頻率，電阻阻值一般在430kω-470kω間選擇。pt2264芯片的工作范圍為2.6v-15v，其發(fā)射功率隨著工作電壓的增高而增大，發(fā)射距離也就越遠，在無遮蔽物的開闊地帶最大傳輸距離可達2公里。經(jīng)過試驗，當工作電壓達到12v時，開闊地帶傳輸距離至少可達400m，滿足設(shè)計需要，當工作電壓繼續(xù)增加時，傳輸距離并無明顯增加，所以選擇的工作電壓為12v。由于無線信號發(fā)射時間短，且發(fā)射頻繁，選擇輸出類型為晶體管輸出的plc控制器。plc控制器按照工作電源的不同可分為交流輸入型與直流輸入型，其中交流輸入型工作電壓為ac100～220v，直流輸入型為dc12～24v，考慮到機器人的多為野外作業(yè)、plc控制器工作耗電量較低等情況，plc控制器選擇蓄電池供電更方便，所以本控制方法采用的是直流輸入型。本控制方法僅需4個輸出點，考慮到輸入輸接口數(shù)越多plc控制器越昂貴以及預(yù)留50％備用輸出接口等因素，最后選擇的是三菱系列的fx1n-14mt-d控制器，該plc控制器具有8個輸入接口，6個輸出接口，滿足設(shè)計需求，且具有價格低，響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定、故障率低等優(yōu)勢。

如圖2所示，驅(qū)動單元包括移步電機、上手爪電機和下手爪電機，制動單元包括上電磁制動器、下電磁制動器、上電磁鐵和下電磁鐵，傳感器單元包括上行程開關(guān)和下行程開關(guān)；

移步電機兩端分別連接機器人的上固定架和下固定架；上手爪電機、上電磁制動器、上電磁鐵和上行程開關(guān)均安裝在上固定架上；上手爪電機與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，上電磁制動器、上電磁鐵用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，上行程開關(guān)檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將結(jié)果反饋到fx1n-14mt-d控制器；下手爪電機、下電磁制動器、下電磁鐵和下行程開關(guān)均安裝在下固定架上；下手爪電機與機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)相連，并驅(qū)動機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，下電磁制動器、下電磁鐵用于鎖定限制機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動，下行程開關(guān)檢測機器人執(zhí)行結(jié)構(gòu)運動結(jié)果，并將結(jié)果反饋到fx1n-14mt-d控制器。

pt2264無線發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)端管腳d0-d3待機情況下為低電平，plc控制器的輸出端將其任意組合上拉至高電平即可實現(xiàn)無線信號的發(fā)送。晶體管輸出plc控制器分為源型輸入與漏型輸入，所謂源型與漏型是相對于plc控制器的公共端(com端)而言，電流從plc控制器公共端流出為源型，電流流入則為漏型。所選fx1n-14mt-d控制器為漏型plc控制器，所以在輸端口y需增加pnp型三極管，所選型號為s9015。pt2272芯片的無線接收模塊采用的是與pt2264發(fā)射電路配套的pt2272接收電路。pt2272按照功能的不同可分為鎖存型與暫存型：鎖存型指的是，當接收到無線信號時，pt2272芯片的數(shù)據(jù)輸出管腳輸出高電平，信號消失后繼續(xù)保持高電平狀態(tài)，直至再次接收到相同的信號時，數(shù)據(jù)輸出管腳變?yōu)榈碗娖剑粫捍嫘椭傅氖?，當接收到無線信號時，pt2272芯片的數(shù)據(jù)輸出管腳輸出高電平，信號消失后變?yōu)榈碗娖??？紤]到機器人執(zhí)行相應(yīng)動作需一定的時間，以及野外作業(yè)需盡降低電能的消耗等實際情況，本設(shè)計采用的是鎖存型。一般來講，pt2264發(fā)射芯片與pt2272接收芯片需配對使用，也就是說它們的地址位需完全相同。例如將pt2262發(fā)射芯片的管腳1接電源正、管腳6接電源負，其余地址管腳懸空，那么pt2272接收芯片也需將管腳3接電源正、管腳6接電源負，其余地址管腳懸空。這樣接收芯片才能接收到無線信號，否則接收芯片不會有任何反應(yīng)。當兩者地址碼相同時，接收芯片輸出的信號經(jīng)過一級放大電路即可控制繼電器的通斷進而實現(xiàn)對負載的控制。

如圖3所示，fx1n-14mt-d控制器控制電路原理圖，包括繼電器ka1、ka2、ka3、ka4、ka5、ka6和ka7；ka1與ka2互鎖，控制接入電源的正負極，ka3控制上電磁制動器和上手爪電機的通斷，ka4控制下電磁制動器和下手爪電機的通斷，ka5控制移步電機的通斷，ka6控制上電磁鐵的通斷，ka7控制下電磁鐵的通斷。

以下由機器人上升的一個動作周期對系統(tǒng)控制原理進行說明：

機器人初始狀態(tài)為，上固定架和下固定架均處于夾緊狀態(tài)，移步電機m7、移步電機m8和移步電機m9處于收緊狀態(tài)。

上固定架松開，ka6斷開，上電磁鐵ya1、上電磁鐵ya2和上電磁鐵ya3斷電，ka2接通電源反向供電，ka3接通，上電磁制動器yb1、上電磁制動器yb2和上電磁制動器yb3通電解除鎖定，上夾緊電機m1、上夾緊電機m2和上夾緊電機m3接通反轉(zhuǎn)帶動夾緊臂向外側(cè)轉(zhuǎn)動松開纜索，上夾緊電機m1、上夾緊電機m2和上夾緊電機m3觸發(fā)上行程開關(guān)，ka2和ka3斷開。

上固定架上移，ka1接通電源正向供電，ka5接通，移步電機m7、移步電機m8和移步電機m9通電正轉(zhuǎn)，帶動上固定架上移。

上固定架夾緊，ka6斷開，上電磁鐵ya1、上電磁鐵ya2和上電磁鐵ya3斷電，ka1接通正向供電，ka3接通，上電磁制動器yb1、上電磁制動器yb2和上電磁制動器yb3通電解除鎖定，上夾緊電機m1、上夾緊電機m2和上夾緊電機m3接通正轉(zhuǎn)帶動夾緊臂向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動夾緊纜索，夾緊到位后ka6閉合，上電磁鐵ya1、上電磁鐵y2a和上電磁鐵ya3通電吸合，隨后ka3斷開，上電磁制動器yb1、上電磁制動器yb2和上電磁制動器yb3、上夾緊電機m1、上夾緊電機m2和上夾緊電機m3斷電。

下固定架松開，ka7斷開，下電磁鐵ya4、下電磁鐵ya5和下電磁鐵ya6斷電，ka2接通反向電源供電，ka4接通，下電磁制動器yb4、下電磁制動器yb5和下電磁制動器yb6通電解除鎖定，下夾緊電機m4、下夾緊電機m5和下夾緊電機m6接通反轉(zhuǎn)帶動夾緊臂向外側(cè)轉(zhuǎn)動松開纜索，下夾緊電機m4、下夾緊電機m5和下夾緊電機m6觸發(fā)下行程開關(guān)，ka2和ka3斷開。

下固定架上移，ka2接通電源反向供電，ka5接通，移步電機m7、移步電機m8和移步電機m9通電反轉(zhuǎn)，帶動下固定架上移。

下固定架夾緊，ka7斷開，下電磁鐵ya4、下電磁鐵ya5和下電磁鐵ya6斷電，ka1接通正向供電，ka4接通，下電磁制動器yb4、下電磁制動器yb5和下電磁制動器yb6通電解除鎖定，下夾緊電機m4、下夾緊電機m5和下夾緊電機m6接通正轉(zhuǎn)帶動夾緊臂向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動夾緊纜索，夾緊到位后ka7閉合，下電磁鐵ya1、下電磁鐵ya2和下電磁鐵ya3通電吸合，隨后ka3斷開，下電磁制動器yb4、下電磁制動器yb5和下電磁制動器yb6、下夾緊電機m4、下夾緊電機m5和下夾緊電機m6斷電。

上述說明是針對本發(fā)明較佳可行實施例的詳細說明，但實施例并非用以限定本發(fā)明的專利申請范圍，凡本發(fā)明所提示的技術(shù)精神下所完成的同等變化或修飾變更，均應(yīng)屬于本發(fā)明所涵蓋專利范圍。