燃料電池混合動力驅動的移動焊接機器人無線控制系統的製作方法

2023-10-20 14:15:52 1

本發明涉及移動焊接機器人控制系統，尤其是涉及一種燃料電池混合動力驅動的移動焊接機器人無線控制系統。

背景技術：

移動焊接機器人在現代造船、石油、機械、化工以及航天等領域應用越來越廣泛，如進行大型艦船艙體、甲板、船身的焊接、大型球罐的焊接以及大型石油輸送管道的野外對接作業、水下作業等，但是移動焊接機器人普遍採用蓄電池作為其動力或者電纜供電進行驅動，而蓄電池具有功率密度低、單次充電時間長、使用壽命短、體積重量大等缺點，電纜供電受電纜長度及環境影響，這兩方面都極大地限制了移動焊接機器人在以上領域的應用。

除此之外，普通的焊接機器人在焊前必須通過人為的方式將機器人本體和焊炬調節到合適的位姿，這種焊接方法需要加強設備與操控人員之間的交換，在一定程度上浪費了財力和人力且無法滿足在複雜、惡劣的焊接環境下焊接的需求。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種燃料電池混合動力驅動的移動焊接機器人無線控制系統。為了更好的解決上述問題，使焊接機器人能夠更加快速有效、穩定且自動化程度高的去執行複雜環境下的焊接任務，需要研究一種比能高、續航時間長、使用壽命長的可移動能源動力，快速響應移動焊接機器人所需功率，且該移動機器人能夠通過無線遙控來尋找焊縫，並進行焊炬位置與焊縫位置比較，由控制器發送位置驅動信號控制焊炬達到待焊狀態，避免大量的人機互動。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種燃料電池混合動力驅動的移動焊接機器人無線控制系統，該機器人包括機器人本體模塊、焊炬位置調節模塊、傳感掃描模塊和燃料電池混合動力供電模塊，其特徵在於，所述的系統還包括無線數字控制模塊，所述的無線數字控制模塊分別連接焊炬位置調節模塊、傳感掃描模塊和機器人本體模塊，所述的燃料電池混合動力供電模塊分別連接無線數字控制模塊、機器人本體模塊、傳感掃描模塊和焊炬位置調節模塊；

傳感掃描模塊獲取焊縫二維偏差信息，傳輸至無線數字控制模塊，無線數字控制模塊控制焊炬位置調節模塊和機器人本體模塊，調節機器人本體模塊到達準確的焊接位置。

所述的無線數字控制模塊包括stm32f104晶片和外部電路，所述的stm32f104晶片通過外部電路分別連接焊炬位置調節模塊、傳感掃描模塊和機器人本體模塊。

所述的外部電路包括傳感器信號濾波單元、電機驅動單元和無線收發單元，所述的傳感器信號濾波單元連接傳感掃描模塊，所述的電機驅動單元分別連接焊炬位置調節模塊、傳感掃描模塊和機器人本體模塊。

所述的電機驅動單元包括舵機驅動器、步進電機驅動器和直流伺服電機驅動器。

所述的傳感掃描模塊包括相互連接的舵機和雷射位移傳感器，所述的舵機驅動器連接舵機。

所述的機器人本體模塊包括車架、驅動輪和前置萬向輪，所述的驅動輪上設有直流無刷伺服電機，所述的直流伺服電機驅動器連接直流無刷伺服電機。

所述的焊炬位置調節模塊包括十字滑塊和與十字滑塊連接的絲槓，所述的絲槓上設有絲槓步進電機，所述的步進電機驅動器連接所述的絲槓步進電機。

所述的系統還包括手持遙控設備，所述的手持遙控設備連接無線收發單元。

所述的燃料電池混合動力供電模塊包括燃料電池、鋰電池、dc/dc變換器，所述的燃料電池和鋰電池分別連接dc/dc變換器，所述的dc/dc變換器分別連接無線數字控制模塊、機器人本體模塊、傳感掃描模塊和焊炬位置調節模塊，所述的stm32f104晶片連接dc/dc變換器。

所述的燃料電池混合動力供電模塊安裝於車架下方，所述的焊炬位置調節模塊安裝於車架正上方，所述的十字滑塊通過鋁板連接所述的傳感掃描模塊。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、可遙控調節焊接機器人待焊狀態：本發明在焊前通過手持遙控設備對焊接機器人進行多自由度控制並調整自己的位姿達到待焊狀態，從而在複雜的焊接環境下大大提高了焊接的自主性；

2、全數位化控制：本發明移動焊接機器人採用基於stm32f104嵌入式處理器的控制系統實現了對機器人多自由度的全數位化控制，並實現了複雜、實時性高的焊縫跟蹤控制過程；

3、混合動力驅動提高焊接靈活性：本發明解決了傳統蓄電池驅動的焊接機器人存在的電池續航能力差、充電時間長以及能量密度小的問題，採用比能高、續航時間長、使用壽命長的可移動能源動力，移動焊接機器人採用燃料電池與蓄電池的混合動力驅動系統代替傳統電纜，實現兩者之間的優勢互補，更好地滿足焊接機器人的功率需求，充分發揮混合動力系統的效能，從而大大提高了焊接的靈活性；

4、實時掃描和定位焊縫位置：本發明移動焊接機器人採用雷射位移傳感器外加舵機掃描機構構成的傳感掃描系統實現對焊縫的位置信息的實時掃描，從而快速有效的對焊縫進行探測和定位。

附圖說明

圖1為本發明系統結構圖；

圖2為焊接機器人控制系統結構框圖；

圖3為焊縫跟蹤信號處理及控制示意圖；

圖4為燃料電池混合動力系統結構框圖；

圖5為soc為50％時混合動力系統的電流變化曲線；

圖6為soc為70％時混合動力系統的電流變化曲線；

圖7為差速驅動的移動焊接機器人結構示意圖；

圖中：1、燃料電池混合動力供電系統；2、十字滑塊3、步進電機；4、數字控制系統；5、焊炬；6、舵機；7、雷射位移傳感器；8、萬向輪；9、驅動輪；10、機器人本體系統；11、焊縫。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬於本發明保護的範圍。

實施例

本發明涉及一種燃料電池混合動力驅動的移動焊接機器人無線控制系統，包括供電電源單元、焊槍驅動設備、雷射位移傳感器、主控制器、十字滑塊以及機器人本體。所述供電電源單元由燃料電池、蓄電池以及能量管理單元組成的混合動力構成。所述機器人本體中兩後輪由兩個直流無刷電機差速驅動，前兩輪為輔助輪。所述十字滑塊與焊槍驅動設備和雷射位移傳感器相連，用以對焊炬的橫向偏差進行細調。所述雷射位移傳感器利用舵機掃描焊縫的二維偏差信息，並將位置信號反饋到主控制器。所述主控制器與焊槍驅動設備連接，基於雷射位移傳感器反饋的位置信號控制焊槍驅動設備達到所述的焊縫位置。

如圖1所示，機器人本體是一套長80cm寬45cm的不鏽鋼車架，車架後兩輪分別由兩個直流無刷電機驅動作為驅動輪9，前兩輪為輔助輪。利用所述驅動輪的差速運轉實現焊接機器人的軌跡運動。本發明基於燃料電池混合動力移動焊接機器人主要包括燃料電池混合動力供電系統1、機器人本體系統10、焊炬位置調節系統、傳感掃描系統和數字控制系統4。所述燃料電池混合動力系統包括燃料電池、鋰電池、dc/dc變換器和系統控制器。所述機器人本體系統包括由兩個直流無刷電機驅動的後輪和兩個前置萬向輪以及車架。所述焊炬位置調節系統主要包含步進電機3驅動的十字滑塊2。所述的傳感掃描系統包括舵機和雷射位移傳感器7。所述數字控制系統包括stm32f104主控晶片、外部電路以及無線通信模塊。所述燃料電池混合動力供電系統位於機器人車架的下方，給機器人各驅動器和控制器供電。所述焊炬位置調節系統安裝在機器人車身正上方，通過十字滑塊連接的兩個絲槓對焊炬5進行位置細調。所述傳感掃描系統通過鋁板與十字滑塊2固連，雷射位移傳感器7和驅動舵機固定在鋁板上，利用舵機6帶動雷射傳感器進行焊縫11掃描獲取二維偏差信息。機器人本體的後車身底部安裝有兩個對稱的萬向輪8，萬向輪通過卡扣安裝在後車身底部，前車身底部同時安裝有兩個直流無刷電機，車輪與直流無刷電機固連，同時直流無刷電機與各自的驅動器連接。所述數字控制系統利用stm32f104作為主控晶片處理焊縫的信息，計算出電機的調整頻率及佔空比從而完成焊縫跟蹤控制。控制系統採用的是stm32f104嵌入式處理器，外圍電路主要包括底層的邏輯控制電路、傳感器信號濾波電路、電機驅動電路以及無線收發模塊。所述的數字控制系統多方位的全數位化控制。

焊炬位置調節系統由步進電機驅動的十字滑塊構成。所述十字滑塊固定在焊接機器人本體車身面上，焊炬與傳感器與所述十字滑塊通過鋁板固連。所述十字滑塊由兩個步進電機驅動絲槓來實現焊炬位置的微調。

傳感掃描系統由雷射位移傳感器和舵機構成。所述雷射位移傳感器利用舵機進行掃描控制，進而在焊接過程中獲得焊縫的二維偏差信息。

圖4為燃料電池混合動力內部結構框圖。供電電源系統通過驅動控制器連接焊接機器人本體，所述的供電電源單元包括主電源、輔助電源和能量管理單元，所述的主電源為質子交換膜燃料電池，所述輔助電源為蓄電池，所述的燃料電池輸出端通過buck型dc/dc變換器連接至驅動控制器，所述的蓄電池並聯於buck型dc/dc變換器輸出端。在這個動力系統中，利用燃料電池和鋰電池作為供能裝置，能量管理系統通過控制dc/dc變換器的功率輸出為驅動電機提供能量，驅動電機將電能轉換為機械能。其中採用電流控制型buck變換器實現燃料電池輸出電流的控制，其電路參數為，l＝0.012h，c＝0.0025f，開關頻率為10khz；蓄電池的容量為10a·h，蓄電池的荷電狀態的設定值為60％，燃料電池額定功率為500w，額定電壓為24v。燃料電池和蓄電池具體參數見表1。為驗證負載功率需求變化時燃料電池混合動力系統的能量分配效果，在t＝2s時增加負載端的功率需求，並保持功率恆定至t＝6s，在t>6s後減小功率需求。

圖5為蓄電池初始荷電狀態為50％時燃料電池混合動力系統電流變化曲線。當蓄電池的soc剩餘電量小於其設定值60％時，在系統的啟動階段，系統的功率需求由蓄電池供給；當燃料電池進入穩定工作狀態後，負載的功率需求小於燃料電池的最大功率且蓄電池的soc小於其設定值，混合動力系統進入燃料電池單獨驅動模式，此時蓄電池處於充電狀態；當負載功率需求增加，在負載功率需求增加的瞬間，負載的功率增加部分由蓄電池供給，由於負載的功率需求大於燃料電池的最大功率，當燃料電池達到新的功率輸出穩定工作狀態後，混合驅動系統進入燃料電池+蓄電池聯合驅動模式；當負載功率需求減小至小於燃料電池的最大功率輸出的工作過程中，負載功率需求變化時系統首先進入能量回收模式，然後進入燃料電池單獨驅動模式，此時蓄電池處於充電狀態。

圖6為蓄電池初始狀態為70％時燃料電池混合動力系統電流變化曲線。當蓄電池的soc大於其設定值60％時，混合動力系統進入蓄電池單獨驅動模式；當負載功率需求增加且超過蓄電池的額定放電能力，在負載功率需求增加的瞬間，負載的功率增加部分由蓄電池進行供給，當燃料電池達到新的功率輸出穩定工作狀態後，混合驅動系統進入燃料電池+蓄電池聯合驅動模式；當負載功率需求減小時，蓄電池的soc大於其設定值，混合動力系統首先進入能量回收模式，隨後系統的功率由蓄電池單獨供給，燃料電池處於待機狀態。

表1燃料電池和蓄電池具體參數

傳感掃描系統中的傳感信號處理及控制如圖3所示。焊接過程中，雷射位移傳感器在旋轉舵機的帶動下實時掃描坡口截面，其中雷射位移傳感器採用歐姆龍公司生產的zx-ld40雷射位移傳感器，該傳感器採用高速採樣，採樣速率為0.15ms，解析度可達2μm。雷射位移傳感器檢測出掃描舵機在每個掃描角度θ時所對應的位移量k，在經過坐標變換、數據處理後可得到焊縫坡口的二維偏差信息。將此偏差信息送入機器人主控制器，主控制器根據焊縫跟蹤控制策略驅動十字滑塊對焊炬進行高低、左右方向上的偏差調節。如果此時橫向偏差較大，這時還需要同時對移動焊接機器人本體的位姿進行調節，使得偏差控制在一定範圍之內。

如圖7所示為差速驅動的移動焊接機器人結構示意圖，兩後輪分別由兩個電機差速驅動，前兩輪為輔助輪；兩個步進電機分別驅動焊炬的橫向和高低方向調節；焊炬安裝於機器人本體一側。axy、bx1y1分別為如圖3所建立的全局坐標系和移動坐標系。移動焊接機器人本體的質心為c點，焊炬在w點，位於移動焊接機器人本體的s點的為十字滑塊。

移動焊接機器人本體和十字滑塊的聯合調節，兩者的協調控制實現焊縫的精確實時跟蹤，將滑模變結構控制應用於機器人本體和十字滑塊的協調控制中，建立基於動力學模型的機器人本體和十字滑塊聯合調節焊縫偏差的滑模變結構控制器。單獨驅動的兩驅動輪進行橫向偏差的粗調，十字滑塊進行細調，焊炬的橫向偏差控制滑塊左右移動，消除偏差。當橫向滑塊的偏差小於設定值時，橫向滑塊單獨進行偏差調節，兩驅動輪已設定的線速度保持勻速直行，當橫向滑塊的偏差大於設定值且移動焊接機器人本體方位角達到一定值時，兩驅動輪和橫向滑塊聯合參與偏差調節。十字滑塊採用帶死區閥值的比例調節策略。避免在微小偏差附近震蕩，焊炬的橫向偏差小於一定值，滑塊不動作，偏差大於一定值，滑塊按系統設定的上下限偏差進行調節。

本發明的控制系統結構框圖如圖2所示，stm32f104晶片作為整個控制系統的核心，負責在焊縫跟蹤過程中所有信息的處理與運算，同時根據處理的結果控制十字滑塊、移動機器人本體以及掃描舵機的運動。本發明利用編碼器對兩個直流無刷伺服電機的轉速進行測量，並採用校正算法將測量值和實際值進行實時校正，從而滿足系統穩定性的要求。所述的燃料電池混合動力電源系統分別為控制系統和驅動系統提供不同等級的電壓。為了滿足本發明在複雜、惡劣的焊接環境下，本發明採用無線通信模塊利用手持遙控設備進行機器人的姿態調整並使之達到待焊狀態，大大降低了操作人員的危險性。為了提高整個控制系統的可靠性以及響應速度，驅動系統部分採用了專門的驅動器。

燃料電池混合動力驅動的移動焊接機器人系統的具體實施方式不僅能夠實現對焊縫的實時、高精度跟蹤，滿足跟蹤誤差的要求，而且可以通過燃料電池功率輸出管理策略和蓄電池充放電管理策略實現混合動力系統合理的能量分配，兼具兩者的優點同時彌補各自的不足，提高了能量利用率、快速起動性能、穩定性，延長使用壽命。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。