專利名稱：無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤裝置。
隨著我國工業(yè)的大發(fā)展，無論在民用和軍用方面需要實(shí)時(shí)跟蹤無人自動(dòng)作業(yè)的地方非常廣泛，其工作量成倍增長，例如巨大的貯氣罐、貯油罐、各類長距離輸送管道、薄殼建筑、核工業(yè)設(shè)施、航天航空工業(yè)外場設(shè)施、密閉管道內(nèi)長距離工件的輸送，探傷、檢測、噴漆、焊接，軍事上的特殊用途等等，迫切需要智能型的實(shí)時(shí)跟蹤無人自動(dòng)化行走裝置。
就球罐焊接而言目前國內(nèi)外無論在手工焊接或者機(jī)械化焊接時(shí)都要依靠焊接工人密切注視焊縫熔池，不斷調(diào)節(jié)焊槍的傳統(tǒng)操作方式。又由于在野外施工時(shí)工作環(huán)境惡劣，這種傳統(tǒng)操作方式的勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)難度高已造成焊工培養(yǎng)困難，流失嚴(yán)重等問題。國內(nèi)使用的自動(dòng)化焊接裝置必須有導(dǎo)軌支持及人工跟蹤焊縫，如美國的BUG-O型焊車和加拿大的GULLO OSCILLATOR型焊接車均為導(dǎo)軌式焊車，焊前需煩雜的導(dǎo)軌安裝，焊接時(shí)需焊接工人實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)對中焊縫，因此仍急需解決無導(dǎo)軌真能全位置自動(dòng)跟蹤不同形式和參數(shù)焊縫的自適應(yīng)控制問題。本發(fā)明申請人于1998年生產(chǎn)出了記憶跟蹤式自動(dòng)弧焊車(專利號98202799.0)在使用中取得了很多經(jīng)驗(yàn)和對產(chǎn)品改進(jìn)的啟示，也為全面解決上述問題準(zhǔn)備了基礎(chǔ)，以備實(shí)現(xiàn)真正意義上的全位置自動(dòng)化的作業(yè)裝置。
本發(fā)明的目的在于針對上述民用和軍事工業(yè)的需求，提供一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人，由行走機(jī)構(gòu)和光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成，其行走機(jī)構(gòu)采用柔性磁輪車式結(jié)構(gòu)的行走車體(1)，而光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器(2)、CCD2傳感器(7)、工作頭高度傳感器(9)、PLC控制系統(tǒng)箱(3)、橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)、縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)和工作頭(8)組成。
行走車體(1)，車體左右各裝有一對磁輪(102)，每對磁輪(102)各自由電動(dòng)機(jī)(103)通過減速器(104)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
CCD1傳感器(2)連接在車體主板(101)上，橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)通過底座與與車體主板(101)連接，CCD2傳感器(7)和縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)連接在橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)的移動(dòng)滑塊(401)上。
擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)和工作頭高度傳感器(9)通過其底座與縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)的移動(dòng)滑塊固定連接，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)的移動(dòng)滑塊與工作頭(8)相連接。
微機(jī)智能控制系統(tǒng)以微機(jī)實(shí)時(shí)控制器為核心，其外圍主要有人機(jī)接口、行走車體直流驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、CCD傳感器信號檢測與處理電路。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果1．本發(fā)明不需導(dǎo)軌支持，通過磁輪吸附在工件表面上能沿工作表面進(jìn)行360°的全位置的自動(dòng)行走，能進(jìn)行各種空間位置的多道、多層、直線和曲線焊縫的自動(dòng)焊接，能進(jìn)行切割、探傷、檢測、傳送、噴漆等工作，不需人工跟蹤，行走車體車速為0～80cm/min，由于采用了柔性機(jī)構(gòu)，行走具有一定的穿越障礙的能力；2．完全實(shí)現(xiàn)了全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤，本發(fā)明軌跡跟蹤精度為±0.5mm，高度跟蹤精度為±1.0mm；3．本發(fā)明可使工作頭實(shí)現(xiàn)多種擺動(dòng)方式，擺幅范圍為±25mm，擺動(dòng)重復(fù)精度為0.5mm；4．本發(fā)明研制的微機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化，集成度高，軟件設(shè)計(jì)模塊化，可靠性高，系統(tǒng)軟件能根據(jù)控制盒面板上各旋鈕、開關(guān)的設(shè)定值來綜合協(xié)調(diào)控制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動(dòng)作。
5．本發(fā)明可用于石油化工、建筑、航空航天、核工業(yè)、造船、冶金等工程，稍加改動(dòng)還可用于軍事用途；6．本發(fā)明根據(jù)工作性質(zhì)和工作環(huán)境的需求，可將本發(fā)明小型化、微型化，因此它的用途會(huì)更廣泛。
附圖的圖面說明如下

圖1A為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖的正視1B為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖的側(cè)視2A為本發(fā)明實(shí)施例工作情況立體示意2B為本發(fā)明實(shí)施例工作情況立體示意圖的仰視3為本發(fā)明微機(jī)智能控制系統(tǒng)組成框4為本發(fā)明行走車體直流驅(qū)動(dòng)電路框5為本發(fā)明步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路框6為本發(fā)明CCD傳感器信號檢測與處理電路圖7為本發(fā)明微機(jī)智能控制系統(tǒng)工作流程圖下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步說明由圖1可見，本發(fā)明主要由行走機(jī)構(gòu)和光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成，其行走機(jī)構(gòu)采用柔性磁輪車式結(jié)構(gòu)的行走車體1，而光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器2、CCD2傳感器7、工作頭高度傳感器9、PLC控制系統(tǒng)箱3、橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)4、縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)5、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)6和工作頭8組成。
行走車體1采用柔性磁輪式結(jié)構(gòu)，車體左右各裝有一對磁輪102，每對磁輪102各自由電動(dòng)機(jī)103通過減速器104進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由此組成一車輪組件與車體主板101連接。行走車體1不需導(dǎo)軌支持，通過磁輪吸附在工作表面上，根據(jù)工件的表面情況和參數(shù)調(diào)整好磁輪102的角度，以期達(dá)到最緊密的接觸。這是由于本發(fā)明采用了磁輪柔性機(jī)構(gòu)106，保證行走車體1既可在曲面工作面外側(cè)工作，也可以內(nèi)側(cè)工作，可適應(yīng)的曲率能在很大范圍內(nèi)變化。同時(shí)又采用柔性機(jī)構(gòu)107使行走具有一定的穿越障礙的能力。行走車體1引導(dǎo)放置時(shí)，以行走車體上的CCD1傳感器2的中心位置與跟蹤線對準(zhǔn)。
行走車體1運(yùn)行時(shí)CCD1傳感器2與左右兩側(cè)的行走驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)103組成一光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器2檢測行走車體1與跟蹤線的偏差，再由左右驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)103的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)偏差調(diào)節(jié)，以保證行走車體1自動(dòng)跟蹤跟蹤線而行走；CCD2傳感器7與橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)4又組成一套自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，以便及時(shí)調(diào)整由于行走車體1跟蹤調(diào)整時(shí)而引起的偏差，由滑塊帶動(dòng)工作頭8左右隨動(dòng)，進(jìn)行長度方向上的工作軌跡線跟蹤。由于是依照與坡口平行的跟蹤線進(jìn)行非接觸的跟蹤，在多層多道焊接的情況下也能實(shí)現(xiàn)重復(fù)自動(dòng)跟蹤。CCD1和CCD2傳感器識別精度為0.03mm，軌跡跟蹤精度為±0.5mm；工作頭高度傳感器9與縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)5組成一套自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，由傳感器觸頭直接測量工作處附近的工作表面高度的變化，以便隨時(shí)檢測工作頭至工件的高度，然后由滑塊帶動(dòng)工作頭進(jìn)行調(diào)整，使工作頭至工件的距離保持恒定。工作頭高度傳感器9的測量精度為0.01mm，高度跟蹤精度為±1.0mm；本發(fā)明裝有擺動(dòng)機(jī)構(gòu)6，故可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)工作，由行走車體1的行走方式與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)6的擺動(dòng)的有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)工作頭的多種擺動(dòng)方式，擺幅為±25mm，擺動(dòng)重復(fù)精度為0.5mm，完全滿足工作頭工作內(nèi)容的使用技術(shù)要求。
本發(fā)明的微機(jī)智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件主要由微機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)箱與各傳感器(CCD1、CCD2、工作頭高度)，電機(jī)的接口電路組成。系統(tǒng)軟件能根據(jù)控制盒面板上旋鈕，開關(guān)的設(shè)定值和軌跡線來綜合協(xié)調(diào)控制行走機(jī)構(gòu)，橫向、縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。
由圖2A、2B可見，圖2A示出本發(fā)明實(shí)施例的工作情況立體示意圖。圖2B為本發(fā)明實(shí)施例工作情況立體示意圖的仰視圖，從圖中可見行走機(jī)構(gòu)采用柔性磁輪車式結(jié)構(gòu)的行走車體1，車體左右各裝有一對磁輪102，每對磁輪102各自由直流電動(dòng)機(jī)通過二級蝸輪蝸桿減速器104進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。磁輪組通過柔性機(jī)構(gòu)107與側(cè)板105相連接，主板101與側(cè)板105二者鉸接，在其間裝有磁輪角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)106(圖中未示出)，能保證各磁輪與工作表面緊密接觸。行走車體1在工作表面的各種空間位置都能穩(wěn)定行走，如前進(jìn)、后退、拐彎等各種運(yùn)行方式。
光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，它包括光電軌跡跟蹤系統(tǒng)與接觸式高度跟蹤系統(tǒng)。前者由CCD傳感器與一個(gè)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，CCD1傳感器2與車體主板101連接，橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)4通過底座與與車體主板101連接，CCD2傳感器7和縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)5連接在橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)4的移動(dòng)滑塊401上，進(jìn)行長度方向的工作軌跡跟蹤。后者由工作頭高度傳感器9(直線電位傳感器)與一個(gè)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)5組成，工作頭高度傳感器9通過其底座與縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)5的移動(dòng)滑塊固定連接，由滑塊帶動(dòng)工作頭進(jìn)行高度方向上的軌跡跟蹤。
又可見擺動(dòng)機(jī)構(gòu)6通過底座與縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)5的移動(dòng)滑塊固定連接，而擺動(dòng)機(jī)構(gòu)6由一個(gè)擺動(dòng)中心傳感器、一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑臺機(jī)構(gòu)及工作頭8夾持機(jī)構(gòu)組成。
由圖3可見，本發(fā)明的運(yùn)行完全由微機(jī)智能控制系統(tǒng)控制，微機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件主要由微機(jī)實(shí)時(shí)控制器與各傳感器、電機(jī)的接口電路組成。
1．核心控制器核心控制器包括CPU模塊，A/D與D/A模塊和電源模塊。CPU模塊能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制功能，其指令執(zhí)行時(shí)間僅為0.2us，滿足本系統(tǒng)的要求，同時(shí)有大量的算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令和電機(jī)控制信號輸出，如將其編程為PWM工作方式，可方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，如將其編程為PTO工作方式，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速。CPU模塊還具有大量的位存儲器、計(jì)數(shù)器與定時(shí)器，可靈活運(yùn)用于程序控制。
2．人機(jī)接口人機(jī)接口的功能是把人的意愿轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破骺梢越邮艿男盘柌⑤斎虢o控制器，把系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)或參數(shù)轉(zhuǎn)換為直觀的自然現(xiàn)象如數(shù)字、圖象、聲音等。本系統(tǒng)的輸入命令分為數(shù)字控制量和車速、擺速、擺速、滯時(shí)四個(gè)模擬量，輸出只有一個(gè)，即行走車體1的速度。
3．行走機(jī)構(gòu)直流驅(qū)動(dòng)電路采用PWM控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)速、拐彎、正反行走等功能。
4．步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路由圖5可知，機(jī)器人光電實(shí)時(shí)跟蹤機(jī)構(gòu)及工作頭擺動(dòng)機(jī)構(gòu)均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用微細(xì)步控制技術(shù)，由微機(jī)實(shí)時(shí)控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。
5．CCD傳感器信號檢測與處理電路由圖6可知，系統(tǒng)采用特別的CCD固態(tài)攝像傳感器，在光電源照射下，工作跟蹤線通過透鏡在CCD芯片表面成像，其信號經(jīng)過數(shù)值化處理及D/A轉(zhuǎn)換，可以獲得一個(gè)模擬量信號電壓，以反映工作跟蹤線與傳感器中心線間的偏差。
由圖7可知，本發(fā)明在運(yùn)行時(shí)微機(jī)智能控制系統(tǒng)的全部工作流程。
權(quán)利要求
1．一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人，由行走機(jī)構(gòu)和光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成，行走機(jī)構(gòu)采用柔性磁輪車式結(jié)構(gòu)的行走車體(1)，其特征在于行走車體(1)，車體左右各裝有一對磁輪(102)，每對磁輪(102)各自由電動(dòng)機(jī)(103)通過減速器(104)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器(2)、CCD2傳感器(7)、工作頭高度傳感器(9)、PLC控制系統(tǒng)箱(3)、橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)、縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)和工作頭(8)組成；CCD1傳感器(2)連接在車體主板(101)上，橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)通過底座與與車體主板(101)連接，CCD2傳感器(7)和縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)連接在橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)的移動(dòng)滑塊(401)上，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)和工作頭高度傳感器(9)通過其底座與縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)的移動(dòng)滑塊固定連接，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)的移動(dòng)滑塊與工作頭(8)相連接。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人，其特征在于磁輪(102)與側(cè)板(105)之間裝有柔性機(jī)構(gòu)(107)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人，其特征在于車體主板(101)與側(cè)板(105)之間鉸接，并裝有磁輪角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(106)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人，其特征在于本發(fā)明的微機(jī)智能控制系統(tǒng)以微機(jī)實(shí)時(shí)控制器為核心，其外圍主要有人機(jī)接口、行走車體直流驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路、CCD傳感器信號檢測與處理電路。
全文摘要
一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實(shí)時(shí)跟蹤特種機(jī)器人,由行走機(jī)構(gòu)和光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成。行走機(jī)構(gòu)采用柔性磁輪車式結(jié)構(gòu)的行走車體(1),直接吸附于工作表面而行走,而光電實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)由傳感器(2)、(7)、(9)、PLC控制系統(tǒng)箱(3)、兩維跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)、(5)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)和工作頭(8)組成。CCD1傳感器(2)與橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(4)與車體主板(101)相連接,CCD2傳感器(7)和縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)與橫向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接,擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)和工作頭高度傳感器(9)與縱向跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接,擺動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)與工作頭(8)相連接。本發(fā)明可在鋼制球形、筒形、管道等內(nèi)外側(cè)進(jìn)行直線、曲線多種形式工作,具有精度高,可靠性好,結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)用性良好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B25J11/00GK1323678SQ0010743
公開日2001年11月28日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者蔣力培, 吳忠憲, 焦向東, 薛龍, 馬宏澤 申請人:中國石化集團(tuán)第十建設(shè)公司, 北京石油化工學(xué)院