用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的製作方法
2024-01-19 18:01:15 3
本實用新型涉及電力巡視領域，特別是指一種用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統。
背景技術：
巡線機器人工作在架空高壓線路上，用來檢測線路及絕緣子、懸垂線夾等附屬部件的狀態，清理掛在線路上的雜物。通常巡線機器人通過滾輪在線路上行走，通過工作機械臂清理雜物以及輔助越障。
對於巡線機器人上的工作機械臂，目前主要有以下兩種控制方式：(1)編程控制：將事先編好的程序代碼上傳到機械臂的控制板上，機械臂按照程序指令做相應動作，這種控制方式通常用在生產線上，每臺機械臂做重複、固定的工作；(2)遙控控制：使用遙控器、無線手柄等對機械臂進行控制。這種控制方式中，依據通信協議，事先定義各按鍵、搖杆的功能，通過WiFi、紅外等通信方式控制。
但是由於電力線路通常較複雜，巡線過程中遇到的狀況不可預測，雜物的種類、大小未知，採用以上兩種控制方式會存在不能遠程實時控制、準確性低和效率低的問題。
技術實現要素：
本實用新型提供一種既能通過地面上的模擬機械臂遠程實時控制高壓線上巡線機器人的工作機械臂，又能保證巡線作業準確、高效率進行的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統。
為解決上述技術問題，本實用新型提供技術方案如下：
一方面，本實用新型提供一種用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統，包括模擬機械臂和工作機械臂，其中：
所述模擬機械臂依據所述工作機械臂按一定比例製作，所述模擬機械臂包括鉸接設置在一底座上的第一連架杆，所述第一連架杆的末端鉸接有第一上臂，所述第一上臂的末端鉸接有第一小臂，所述第一小臂的末端鉸接有第一機械手，所述底座、第一連架杆、第一上臂、第一小臂和第一機械手的鉸接處均設置有測量旋轉角度的傳感器；
所述工作機械臂用於設置在巡線機器人上，所述工作機械臂包括鉸接設置在所述巡線機器人的機架上的第二連架杆，所述第二連架杆的末端鉸接有第二上臂，所述第二上臂的末端鉸接有第二小臂，所述第二小臂的末端鉸接有第二機械手，所述機架、第二連架杆、第二上臂、第二小臂和第二機械手的鉸接處均設置有驅動機構；
所述模擬機械臂的控制電路包括第一控制板，所述第一控制板的輸入端連接所述傳感器，所述第一控制板的輸出端經轉換板連接有第一通訊模塊；
所述工作機械臂的控制電路包括第二控制板，所述第二控制板的輸入端連接有與所述第一通訊模塊進行通信的第二通訊模塊，所述第二控制板的輸出端分別經驅動板連接所述驅動機構。
進一步的，所述第一機械手包括一對第一手指，所述第一手指包括相鉸接的第一節和第二節，所述第一節和第二節之間也設置有測量角度的傳感器；
所述第二機械手包括一對相互鉸接第二手指，所述第二手指的鉸接處也設置有驅動機構。
進一步的，所述第二手指採用嚙合不完全齒輪相互連接，或者採用獨立驅動。
進一步的，所述第一控制板的輸出端經轉換板與第一通訊模塊、第二通訊模塊與第二控制板均通過串口連接，所述第一和第二通訊模塊均為無線模塊。
進一步的，所述模擬機械臂的各鉸接處均採用阻尼關節，所述阻尼關節包括設置在相鄰兩臂鉸接處的蓋板、螺杆和所述傳感器，其中：
所述相鄰兩臂包括第一臂和第二臂，所述相鄰兩臂的鉸接處設置有限位結構，所述蓋板包括中空的蓋板帽和設置在所述蓋板帽上的圓環狀凸臺，所述凸臺穿過所述第一臂的鉸接孔與所述第二臂的上表面接觸，所述蓋板和第一臂之間、所述第二臂和第一臂之間均設置有圓環形摩擦片，所述螺杆為中空螺杆，所述中空螺杆穿過所述蓋板和第一臂的鉸接孔，連接至所述第二臂的鉸接孔，將所述蓋板和第一臂鉸接在所述第二臂上；
所述傳感器包括基部和位於所述基部上的轉動軸，所述轉動軸自所述第二臂的鉸接孔穿入，從所述中空螺杆中伸出，所述傳感器上端配有傳感器軸套，所述傳感器的轉動軸固定在所述傳感器軸套上，所述傳感器軸套固定在所述第一臂上，所述傳感器的基部固定在所述第二臂上。
進一步的，所述傳感器為電位器或旋轉編碼器，所述限位結構為位於所述第二臂與第一臂的接觸面邊緣的限位凸臺。
進一步的，所述蓋板的圓環狀凸臺的末端表面設置有若干等距的第一圓柱突起，所述第二臂的上表面設置有與所述第一圓柱突起相適應的第一卡槽；所述傳感器的基部與所述第二臂接觸的表面上設置有第二圓柱突起，所述第二臂上設置有與所述第二圓柱突起相適應的第二卡槽。
另一方面，本實用新型還提供一種上述的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的控制方法，包括：
步驟1：所述模擬機械臂的第一控制板採集所述傳感器的數值，所述第一通訊模塊將採集到的所述傳感器的數值實時發送給所述工作機械臂的第二通訊模塊；
步驟2：所述工作機械臂上的第二通訊模塊接收數據信號後，解析接收到的數據，然後發送相應的脈衝給不同部位的所述驅動機構，所述驅動機構轉動相應的角度。
其中，所述步驟1中，所述第一通訊模塊使用編號+傳感器的數據方式發送所述傳感器的數值。
本實用新型具有以下有益效果：
本實用新型的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統，工作時作業人員用手操縱模擬機械臂，通過採集模擬機械臂上傳感器的值，傳輸至工作機械臂的控制板，控制板根據傳感器值的變化量，控制對應的驅動機構轉動相應的角度。這樣，模擬機械臂的動作便映射到了巡線機器人的工作機械臂上，實現了無線模擬控制。由於本實用新型的模擬控制系統包括模擬機械臂和工作機械臂，工作機械臂與模擬機械臂的結構對應，兩者之間的通信實時連接，即使模擬機械臂沒有做出動作，模擬機械臂也會將每個傳感器的位置信號發送到工作機械臂上，實現了現有控制方式無法實現的遠程實時控制，並且解決了現有控制方式的準確性低和效率低的問題。
附圖說明
圖1為本實用新型的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的模擬機械臂的結構示意圖；
圖2為本實用新型的巡線機器人的結構示意圖；
圖3為本實用新型的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的工作機械臂的機械手的嚙合連接示意圖；
圖4為本實用新型的用於模擬機械臂的阻尼關節的整體結構示意圖；
圖5為本實用新型的用於模擬機械臂的阻尼關節的整體結構爆炸圖；
圖6為本實用新型的用於模擬機械臂的阻尼關節的蓋板、第一臂和第二臂的連接爆炸圖；
圖7為本實用新型的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的模擬機械臂的控制電路示意圖；
圖8為本實用新型的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的工作機械臂的控制電路示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
一方面，本實用新型提供一種用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統，如圖1-8所示，包括模擬機械臂和工作機械臂，其中：
模擬機械臂依據工作機械臂按一定比例製作，模擬機械臂包括鉸接設置在一底座1上的第一連架杆2，第一連架杆2的末端鉸接有第一上臂3，第一上臂3的末端鉸接有第一小臂4，第一小臂4的末端鉸接有第一機械手5，底座1、第一連架杆2、第一上臂3、第一小臂4和第一機械手5的鉸接處均設置有測量旋轉角度的傳感器6；
工作機械臂用於設置在巡線機器人上，工作機械臂包括鉸接設置在巡線機器人的機架7上的第二連架杆8，第二連架杆8的末端鉸接有第二上臂9，第二上臂9的末端鉸接有第二小臂10，第二小臂10的末端鉸接有第二機械手11，機架7、第二連架杆8、第二上臂9、第二小臂10和第二機械手11的鉸接處均設置有驅動機構；
模擬機械臂的控制電路包括第一控制板，第一控制板的輸入端連接所述傳感器，第一控制板的輸出端經轉換板連接有第一通訊模塊；
工作機械臂的控制電路包括第二控制板，第二控制板的輸入端連接有與第一通訊模塊進行通信的第二通訊模塊，第二控制板的輸出端分別經驅動板連接驅動機構。
本實用新型的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統，工作時作業人員用手操縱模擬機械臂，通過採集模擬機械臂上傳感器的值，傳輸至工作機械臂的控制板，控制板根據傳感器值的變化量，控制對應的驅動機構轉動相應的角度。這樣，模擬機械臂的動作便映射到了巡線機器人的工作機械臂上，實現了無線模擬控制。由於本實用新型的模擬控制系統包括模擬機械臂和工作機械臂，工作機械臂與模擬機械臂的結構對應，兩者之間的通信實時連接，即使模擬機械臂沒有做出動作，模擬機械臂也會將每個傳感器的位置信號發送到工作機械臂上，實現了現有控制方式無法實現的遠程實時控制，並且解決了現有控制方式的準確性低和效率低的問題。
優選的，第一機械手5包括一對第一手指12，第一手指12包括相鉸接的第一節和第二節，第一節和第二節之間也設置有測量角度的傳感器6。這種結構方便工作人員操作一對第一手指的張開或閉合。另外，第二機械手11包括一對相互鉸接第二手指13，第二手指13的鉸接處也設置有驅動機構。第二手指13採用嚙合不完全齒輪相互連接，或者採用獨立驅動。採用嚙合不完全齒輪相互連接只需要在其中一個第二手指安裝驅動機構，另一個第二手指由於嚙合關係會反方向張開或閉合。
進一步的，第一控制板的輸出端經轉換板與第一通訊模塊、第二通訊模塊與第二控制板均通過串口連接。可以實時發送和接收傳感器的數據。第一和第二通訊模塊均採用無線模塊，優選為2.4G高頻無線模塊。這種通訊方式傳輸距離超過1km，工作空間大。第一和第二控制板均採用Arduino Due控制板。
作為本實用新型的一種改進，模擬機械臂的各鉸接處均採用阻尼關節，阻尼關節包括設置在相鄰兩臂鉸接處的蓋板14、螺杆15和傳感器6，其中：
相鄰兩臂包括第一臂16和第二臂17，相鄰兩臂的鉸接處設置有限位結構，蓋板14包括中空的蓋板帽18和設置在蓋板帽上的圓環狀凸臺19，凸臺19穿過第一臂16的鉸接孔與第二臂17的上表面接觸，蓋板14和第一臂16之間、第二臂17和第一臂16之間均設置有圓環形摩擦片20，螺杆15為中空螺杆，中空螺杆穿過蓋板14和第一臂16的鉸接孔，連接至第二臂17的鉸接孔，將蓋板14和第一臂16鉸接在第二臂17上；
傳感器6包括基部21和位於基部上的轉動軸22，轉動軸22自第二臂17的鉸接孔穿入，從中空螺杆中伸出，傳感器6上端配有傳感器軸套23，傳感器6的轉動軸22固定在傳感器軸套23上，傳感器軸套23固定在第一臂16上，傳感器6的基部21固定在第二臂17上。這種結構既能使第一臂相對於第二臂在轉角範圍內自由轉動，又能對模擬機械臂施加預緊力，使機械臂保持特定姿態。
進一步的，傳感器6為電位器或旋轉編碼器，電位器的轉角範圍為0～300°，限位結構為位於第二臂17與第一臂16的接觸面邊緣的限位凸臺24，第一臂16相對於第二臂17的轉角範圍限定在0～300°之間的任意角度。限位凸臺限定了轉角範圍，防止超出傳感器的轉角範圍對傳感器本身造成傷害，也防止人手的誤操作導致工作機械臂做出不可預測的動作。
本實用新型中，蓋板14的圓環狀凸臺19的末端表面設置有若干等距的第一圓柱突起25，第二臂17的上表面設置有與第一圓柱突起25相適應的第一卡槽26；傳感器6的基部21與第二臂17接觸的表面上設置有第二圓柱突起27，第二臂17上設置有與第二圓柱突起27相適應的第二卡槽(未示出)。這樣蓋板與第二臂不會產生相對滑動，傳感器的主體和第二臂也不會相對轉動。
另一方面，本實用新型還提供一種上述的用於巡線機器人機械臂的模擬控制系統的控制方法，包括：
步驟1：如圖5所示，模擬機械臂的第一控制板採集傳感器的數值，第一通訊模塊將採集到的傳感器的數值實時發送給工作機械臂的第二通訊模塊；
步驟2：如圖6所示，工作機械臂上的第二通訊模塊接收數據信號後，解析接收到的數據，然後發送相應的脈衝給不同部位的驅動機構，驅動機構轉動相應的角度。
優選的，步驟1中，第一控制板連續獲得五次傳感器的當前值，使用冒泡算法取中間值作為當前傳感器的數值。這樣可以減小採集到的傳感器數值的波動誤差。
進一步的，步驟1中，第一通訊模塊使用編號+傳感器的數據方式發送傳感器的數值。這種方式可以有效發送第一控制板獲取的多組傳感器的數值。
以上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。