一種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，特別是涉及一種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國際工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，機(jī)器人已越來越多的被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，其中一類機(jī)器人就是管外機(jī)器人。管外機(jī)器人是用于檢查管道是否有故障或是否存在安全隱患?，F(xiàn)有工業(yè)用管道的特點是管徑多變，轉(zhuǎn)向復(fù)雜，具有三通、四通等管接頭設(shè)計，法蘭、閥門或檢測儀表在管道各處布置，且管道由各類吊裝或地面支持架支撐。運行在此類管道外的檢測或維修的機(jī)器人首先要具備隨管道前進(jìn)或轉(zhuǎn)向的功能，也要具備翻越各類管道外障礙物的功能，同時，為了提高管道檢測與維修的效率，管外機(jī)器人還應(yīng)該具有一定速度的運動能力。
[0003]中國實用新型專利申請公布號為CN104972460 A，公開了一種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人，該機(jī)器人包括用于承載檢測設(shè)備的承載梁、多關(guān)節(jié)前夾持機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)后夾持機(jī)構(gòu)、前翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、后翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、夾持開合機(jī)構(gòu)、軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)和周向驅(qū)動機(jī)構(gòu)。該機(jī)器人在理論上可實現(xiàn)全向輪式運動和翻轉(zhuǎn)越障運動，全向輪式運動包括軸向移動、周向移動和360螺旋運動。
[0004]上述機(jī)器人是在光滑的管道上運行工作，并且其僅提供了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，沒有提供機(jī)器人的控制部分。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制裝置。
[0006]本實用新型是這樣實現(xiàn)的:
[0007]—種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制裝置，包括主控單元、人機(jī)交互單元、舵機(jī)驅(qū)動單元和通訊單元，所述人機(jī)交互單元、舵機(jī)驅(qū)動單元和通訊單元分別與主控單元連接；
[0008]所述人機(jī)交互單元包括鍵盤和觸屏IXD;
[0009]所述舵機(jī)驅(qū)動單元包括RS485串行通訊總線、CAN總線和兩個以上機(jī)器人舵機(jī)驅(qū)動芯片，所述機(jī)器人舵機(jī)驅(qū)動芯片通過RS485串行通訊總線或CAN總線與主控單元通訊連接；
[0010]通訊單元包括RS232串行通訊總線和以太網(wǎng)通訊模塊，主控單元通過所述RS232串行通訊總線與上位機(jī)通訊連接，主控單元通過以太網(wǎng)通訊模塊與其他機(jī)器人通訊連接。
[0011 ] 進(jìn)一步的，所述主控單元包括ARM處理器。
[0012]進(jìn)一步的，還主控單元還包括9軸姿態(tài)傳感器，9軸姿態(tài)傳感器連接于所述ARM處理器。
[0013]進(jìn)一步的，還包括電源管理單元，所述電源管理單元包括12V直流電源電路和與12V直流電源電路連接的降壓模塊，所述降壓模塊輸出5V和3.3V直流電源。
[0014]本實用新型的有益效果為:本實用新型多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制裝置包括主控單元、人機(jī)交互單元、舵機(jī)驅(qū)動單元和通訊單元，所述舵機(jī)驅(qū)動單元通過RS485串行通訊總線、CAN總線使舵機(jī)驅(qū)動芯片與主控單元通訊連接，可控制機(jī)器人完成全向輪式運動和翻轉(zhuǎn)式運動兩種運動，所述通訊單元包括RS232串行通訊總線和以太網(wǎng)通訊模塊，可實現(xiàn)機(jī)器人之間組網(wǎng)協(xié)調(diào)，實現(xiàn)作業(yè)區(qū)域合理分配與協(xié)調(diào)，避免重復(fù)作業(yè)以提高作業(yè)效率。
【附圖說明】
[0015]圖1為多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人在管道上某時刻的運行狀態(tài)圖；
[0016]圖2為本實用新型機(jī)器人在管道上翻轉(zhuǎn)時的狀態(tài)圖；
[0017]圖3為機(jī)器人夾持開合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5為機(jī)器人硬件控制裝置層級架構(gòu)圖；
[0020]圖6為機(jī)器人控制裝置硬件框圖；
[0021 ]圖7為機(jī)器人各類運動的控制策略圖；
[0022]圖8為機(jī)器人控制裝置的控制邏輯框圖。
[0023]標(biāo)號說明:
[0024]1、設(shè)備承載梁;2、前翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié);3、后翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；
[0025]4、軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu);5、周向驅(qū)動機(jī)構(gòu);6、前夾持機(jī)構(gòu)；
[0026]7、后夾持機(jī)構(gòu);8、夾持開合機(jī)構(gòu)，1、小管徑管道；
[0027]11、大管徑管道;14、夾持開合舵機(jī);18、主機(jī)架；
[0028]19、左向活動機(jī)架;20、右向活動機(jī)架;27、夾持開合舵機(jī)舵盤；
[0029]28、蝸輪軸軸承座;29、鋼絲繩繞線盤;30、蝸桿;31、蝸輪；
[0030]32、蝸輪軸;33、線盤套筒;34、蝸輪套筒;35、鋼絲繩；
[0031]36、滑輪;39、夾持機(jī)構(gòu)末節(jié)機(jī)架。
【具體實施方式】
[0032]為詳細(xì)說明本實用新型的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合實施方式并配合附圖詳予說明。
[0033]本實用新型實施方式公開了一種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制裝置。請參閱圖1以及圖2，該多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人主要用于汽車生產(chǎn)線管道檢修，包括設(shè)備承載梁、前夾持機(jī)構(gòu)、后夾持機(jī)構(gòu)和夾持開合機(jī)構(gòu)，所述設(shè)備承載梁用于安裝檢修設(shè)備如攝像機(jī)、X射線儀、超聲波探傷儀等等，前夾持機(jī)構(gòu)通過前翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)鉸接于設(shè)備承載梁的一端，后夾持機(jī)構(gòu)通過后翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)鉸接于設(shè)備承載梁的另一端，所述前夾持機(jī)構(gòu)或后夾持機(jī)構(gòu)上設(shè)置有軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)，設(shè)備承載梁上設(shè)置有周向驅(qū)動機(jī)構(gòu)，所述夾持開合機(jī)構(gòu)通過蝸輪傳動結(jié)構(gòu)和鋼絲繩驅(qū)動如夾持機(jī)構(gòu)和后夾持機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)。
[0034]請參閱圖3和圖4，圖3為機(jī)器人夾持開合機(jī)構(gòu)驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)示意圖，圖4為機(jī)器人夾持開合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。夾持開合機(jī)構(gòu)8包括夾持開合舵機(jī)14，蝸桿30，蝸輪31，蝸輪軸32，鋼絲繩繞線盤29，鋼絲繩35和滑輪36。夾持開合舵機(jī)14通過夾持開合舵機(jī)舵盤27帶動蝸桿30轉(zhuǎn)動，蝸輪31和鋼絲繩繞線盤29都安裝在蝸輪軸32上，蝸桿30與蝸輪31—起形成具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動副，蝸桿30的轉(zhuǎn)動帶動蝸輪31轉(zhuǎn)動，進(jìn)而通過蝸輪軸32的轉(zhuǎn)動帶動鋼絲繩繞線盤29轉(zhuǎn)動，鋼絲繩35分別繞過安裝在左向活動機(jī)架19、右向活動機(jī)架20、夾持機(jī)構(gòu)各節(jié)機(jī)架上的滑輪36，最終固結(jié)在夾持機(jī)構(gòu)第3節(jié)機(jī)架39末端;鋼絲繩繞線盤29的轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)鋼絲繩35的收短與放長，進(jìn)而實現(xiàn)前夾持機(jī)構(gòu)6和后夾持機(jī)構(gòu)7的閉合與張開。
[0035]該機(jī)器人首先可實現(xiàn)在管道上的軸向輪式運動，周向360°輪式運動，繞管道螺旋式運動，在管道上的翻轉(zhuǎn)運動，通過三通四通五通等管道接口、管道外壁支撐結(jié)構(gòu)、法蘭盤、儀表等障礙物的180°翻轉(zhuǎn)運動，在相鄰管道之間的跨越運動。軸向驅(qū)動機(jī)構(gòu)4用于實現(xiàn)機(jī)器人的軸向運動，軸向驅(qū)動電機(jī)帶動機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)上的主動輪;周向驅(qū)動機(jī)構(gòu)5用于實現(xiàn)機(jī)器人的周向運動，周向驅(qū)動電機(jī)帶動機(jī)器人周向主動輪，輸出周向運動O軸向運動與周向運動相耦合可實現(xiàn)機(jī)器人繞管道螺旋式運動。夾持開合機(jī)構(gòu)8通過夾持開合電機(jī)驅(qū)動，采用欠驅(qū)動控制方式，利用鋼絲繩牽引實現(xiàn)機(jī)器人多關(guān)節(jié)夾持機(jī)構(gòu)的開合。
[0036]請參閱圖5和圖6，本一種多關(guān)節(jié)全向式管外機(jī)器人控制裝置包括上位機(jī)和兩個以上機(jī)器人，其中，每個機(jī)器人采用嵌入式控制系統(tǒng)，嵌入式控制系統(tǒng)在單機(jī)運作時可以獨立工作，當(dāng)多機(jī)協(xié)同工作時，通過上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和統(tǒng)一控制。
[0037]在本實施方式中，該機(jī)器人的翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動單元、軸向和軸向驅(qū)動單元優(yōu)選使用Dynamixel MX106R舵機(jī);夾持開合驅(qū)動單元優(yōu)選使用Dynamixel MX64R。該舵機(jī)的特點在于伺服驅(qū)動部分已經(jīng)在舵機(jī)中集成，伺服驅(qū)動的指令通過RS485多點分支總線以專有格式的數(shù)據(jù)包形式進(jìn)行讀寫。所以在硬件上，控制裝置主要實現(xiàn)電源管理、安全防護(hù)、運動控制、指令存取、人機(jī)界面、和接口通訊功能。軟件方面，控制裝置需要實現(xiàn)與各個功能相對應(yīng)的底層硬件驅(qū)動程序，通過適當(dāng)?shù)牟僮飨到y(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)資源調(diào)度和具體功能實現(xiàn)。
[0038]機(jī)器人的主控芯片優(yōu)選為意法半導(dǎo)體公司的ARMSTM32芯片，基于主控芯片所設(shè)計的控制裝置硬件架構(gòu)將實現(xiàn)機(jī)器人的軸向運動、軸向運動、前后關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)運動、前后夾持機(jī)構(gòu)開合運動共7個伺服舵機(jī)驅(qū)動信號輸出、人機(jī)交互指令接收、傳感器信號接收、智能運動速度控制等功能。
[0039]其中，主控芯片ARM STM32芯片與翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動單元、軸向和軸向驅(qū)動單元的驅(qū)動舵機(jī)通訊采用RS485異步串行總線接口，機(jī)器人與上位的通訊采用RS232穿行通訊接口，機(jī)器人之間的組網(wǎng)通訊采用LAN以太網(wǎng)接口。
[0040]STM32具有3個可同時使用的UART外設(shè)單元。通過MAX3232和MAX3485進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后直接進(jìn)行RS232和RS485通信。所以為了實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，需要額外的TCP/IP硬件協(xié)議棧，本控制裝置選用了通過SPI總線驅(qū)動的以太網(wǎng)控制器ENC28J60。通過簡單的外圍電路設(shè)計和具有脈沖變壓器的HR911105A網(wǎng)線插頭就可以直接工作。其他的數(shù)字量、模擬量控現(xiàn)場I/O由STM32I/0 口直接驅(qū)動。
[0041]機(jī)器人的電源主要負(fù)責(zé)保障管外機(jī)器人和控制裝置的電源供應(yīng)，由于汽車生產(chǎn)線管道檢修機(jī)器人使用的MXl 06R舵機(jī)與MX64R使用的是12V直流供電方案，控制裝置使用的5V和3.3V電源為了滿足機(jī)器人的多種電壓需求，本實施方式中，5V和3.3V電源可以通過12V電源使用線性穩(wěn)壓原件獲得。
[0042]本實用新型所設(shè)計的汽車生產(chǎn)線管道檢修機(jī)器人硬件控制裝置將安全防護(hù)與電源管理進(jìn)行了整合設(shè)計