一种轮式机器人打滑卡阻检测系统及方法与流程

本发明属于轮式机器人技术领域，具体涉及一种轮式机器人打滑卡阻检测系统及方法。

背景技术：

工业机器人普遍采用四轮轮式结构，轮式机器人在接触面匀速行进过程中，如果电机输出转矩大于接触面所能提供的最大附着力转矩，则出现打滑；如果接触面存在影响车轮转动的障碍物，则出现卡阻。打滑和卡阻情况下机器人本体将变速前进，甚至出现停止。

目前的轮式机器人打滑检测方案有三种，第一种是在行走轮上安装两种以上测量传感器，如码盘、激光、红外，基于两种传感器数据计算不同时刻的位姿作出判断，此方法需要2种至少4个传感器，成本较高，任意传感器故障将导致系统失效；第二种是在机器人本体上安装加速度传感器，利用加速度积分得到速度数据实现检测，由于加速度数据存在误差和噪声，导致检测准确率不高；第三种是基于北斗或gps速度数据实现检测，但是存在局限性，对于室内等环境信号不佳无法使用，而且速度数据精度差导致漏判。更重的是这三种方案无法分辨打滑和卡阻，无法向维修人员提供故障信息。因此，有必要采纳一种更可靠、更简单的方法检测机器人是否发生打滑、卡阻。

核电站反应堆压力容器密封面清洗机器人采用四轮轮式结构，具备对密封面进行打磨、抛光和吸尘的功能，要求在正常运行过程中保持匀速运动，一旦检测到打滑或卡阻，必须立即停止打磨、抛光，避免造成打磨量超限。因此，需要一种既可靠又简便方法检测打滑、卡阻。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种轮式机器人打滑卡阻检测系统及方法，能够可靠、方便地判断机器人本体是否发生打滑、卡阻，并能够区别打滑和卡阻的类别。

本发明的技术方案如下：一种轮式机器人打滑卡阻检测系统，该系统包括第一测距传感器、第二测距传感器、控制中心模块以及显示单元，其中，所述的第一测距传感器和第二测距传感器分别安装在轮式机器人同侧的前后轮上；所述的第一传感器、第二传感器分别与控制中心模块连接，利用控制中心模块获取轮式机器人前轮和后轮的距离差；电机电流采集单元与控制中心模块相连接，并将实时电机电流数据传输至控制中心，并利用控制中心在前后轮距离差确定打滑卡阻发生的基础上，利用采集的实时电机电流确定发生打滑或卡阻的类型，并利用显示单元显示检测结果。

所述的控制中心模块包括运算单元和存储单元，所述的第一测距传感器和第二测距传感器与运算单元相连接，并利用运算单元将所述的第一测距传感器和第二测距传感器之间采集前后轮的数据转换为前后轮的距离差；电机电流采集单元为驱动器或变频器或电流测量传感器，其可直接读取电机电流信号，并传输至与其相连的运算单元；存储单元与上述各个模块相连接，存储采集数据及运算数据。

所述的第一测距传感器和第二测距传感器为码盘式光电传感器，或者为旋变压器；所述的控制中心模块为plc，或工控机，或单片机；所述的显示单元为显示屏或指示灯。

一种轮式机器人打滑卡阻检测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、利用轮式机器人前后轮的测距传感器，获得一定时间间隔内的前后轮运动距离差；

步骤2、根据轮式机器人前轮和后轮运动距离差，判断其是否发生打滑或卡阻；

步骤3、获取轮式机器人发生打滑或卡阻时刻的电机电流数据，并判断发生打滑或卡阻的类型；

步骤4、将检测结果通过显示单元进行输出显示。

5、根据权利要求4所述的一种轮式机器人打滑卡阻检测方法，其特征在于：所述的步骤3中判断发生打滑或卡阻时，确定发生打滑或是卡阻类型的具体步骤为：

步骤3.1、利用电流采集单元直接获得轮式机器人电机电流数据；

在判定轮式机器人发生打滑或卡阻时，利用电流采集单元获得当前时刻轮式机器人电机电流数据i1；

步骤3.2、利用轮式机器人电机电流数据判断产生打滑或是产生卡阻；

设定电流阈值i0，如果电机电流i1＞设定值i0，那么判断发生卡阻；如果电机电流i1≤设定值i0，那么判定发生打滑。

所述的步骤1中利用轮式机器人前后轮的测距传感器，获得一定时间间隔内的前后轮运动距离差的具体步骤为：

步骤1.1、获取某一时刻轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据；

获取第一时刻t1轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据

步骤1.2、获取另一时刻轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据；

获取第二时刻t2轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据，其中，第二时刻t2为第一时刻t1之后的某一时刻；

步骤1.3、获取两个时间间隔内轮式机器人前轮和后轮运动的距离差；

设第一时刻t1前轮编码器值为n1t1，后轮编码器值为n2t1，第二时刻t2前轮编码器值为n1t2，后轮编码器值为n2t2；那么在第一时刻t1与第二时刻t2时间间隔内，前轮运动距离s1为：

第一种情况：码盘光电传感器安装在输出轴上：

s1＝|n1t2-n1t1|/编码器脉冲频率×轮子周长

第二种情况：码盘光电传感器安装在电机末端上：

s1＝|n1t2-n1t1|/编码器脉冲频率/减速机减速比×轮子周长

同理，在第一时刻t1与第二时刻t2时间间隔内，后轮运动距离s2为：

第一种情况：码盘光电传感器安装在输出轴上：

s2＝|n2t2-n2t1|/编码器脉冲频率×轮子周长；

第二种情况：码盘光电传感器安装在电机末端上：

s2＝|n2t2-n2t1|/编码器脉冲频率/减速机减速比×轮子周长；

获得第一时刻t1与第二时刻t2时间间隔内，前轮和后轮运动距离差为：

△s1＝|s2-s1|。

所述的步骤1中码盘光电传感器可单独安装在轮式机器人输出轴上编码器，或者安装在电机末端编码器，保证能够同时获取前轮和后轮码盘光电传感器数据；所述的第二时刻t2与第一时刻t1的时间间隔为0.5s。

所述的步骤1中利用轮式机器人前后轮的测距传感器，获得一定时间间隔内的前后轮运动距离差的具体步骤为：

步骤1.1、获取一段时间间隔内轮式机器人前轮和后轮旋转编码器数据，并将编码器数据转化为车轮轴旋转角度；

采集第一时刻t3到第二时刻t4时间间隔之内轮式机器人前轮和后轮旋转编码器数据，并将旋转编码器数据转化为车轮轴旋转角度；

步骤1.2、根据旋转编码器数据，获得前轮和后轮在时间间隔内运动距离；

在第一时刻t3到第二时刻t4时间间隔内，利用前轮和后轮旋转编码数据获得的同侧前轮转动角度为α，后轮转动角度为β；则同侧前轮在t3至t4时间间隔内的运动距离为：

s3＝α/360×轮子周长

同侧后轮在t3至t4时间间隔内的运动距离为：

s4＝β/360×轮子周长

步骤1.3、获得相应时间间隔内前后轮运动距离差；

获得第一时刻t3到第二时刻t4时间间隔内，轮式机器人前轮和后轮运动距离差为：

△s2＝|s3-s4|。

所述的步骤2中判断其是否发生打滑或卡阻的具体步骤为：

根据试验结果设定打滑或卡阻的距离差常数为s0，当前后轮运动距离差大于所设定的距离差s0时，判定四轮轮式机器人发生打滑或卡阻。

所述的步骤3.2中设定的电流阈值i0选择大于电机额度电流2倍以上的数值，优选为额定电流5倍数值。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种轮式机器人打滑卡阻检测系统及方法，能够根据前轮和后轮运动距离差实现打滑和卡阻的检测，并能够进一步区分发生卡阻还是打滑；此外，该系统对硬件要求简单，仅需2个测距传感器，对传感器种类无要求，系统简单，检测结果可靠。

附图说明

图1为本发明所述的一种轮式机器人打滑卡阻检测系统示意图；

图2为本发明所述的一种轮式机器人打滑卡阻检测方法流程图；

图3为本发明所述的另一种轮式机器人打滑卡阻检测方法流程图；

图中：1、第一测距传感器；2、第二测距传感器；3、电流采集单元；4、运算单元；5、存储单元；6、显示单元。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所述，一种轮式机器人打滑卡阻检测系统，包括第一测距传感器1、第二测距传感器2、控制中心以及显示单元6，其中，第一测距传感器1和第二测距传感器2分别安装在轮式机器人的前后轮上，第一测距传感器1和第二测距传感器2与控制中心模块中的运算单元4、存储单元5进行连接，并利用运算单元4对第一测距传感器1和第二测距传感器2的测量数据进行处理，获得轮式机器人前后轮的距离差；电流采集单元与运算单元4、存储单元5相连接，利用电流采集单元可获得轮式机器人电机电流信号，运算单元4对第一测距传感器1和第二测距传感器2的测量、运算数据以及电流采集单元获得的电机电流信号进行处理后，将数据传输至存储单元5进行存储，并通过与控制中心相连接的显示单元6显示检测结果，其中，第一测距传感器1和第二测距传感器2为码盘式光电传感器，或者旋转变压器；控制中心模块为plc，或工控机，或单片机；显示单元6为显示屏或指示灯；电流采集单元3为驱动器、变频器或电流测量传感器。

实施例1

一种轮式机器人打滑卡阻检测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、利用轮式机器人前后轮的测距传感器，获得一定时间间隔内的前后轮运动距离差；

步骤1.1、获取某一时刻轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据；

获取第一时刻t1轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据，其中，码盘光电传感器可单独安装在轮式机器人输出轴上编码器，或者安装在电机末端编码器，保证能够同时获取前轮和后轮码盘光电传感器数据；

步骤1.2、获取另一时刻轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据；

获取第二时刻t2轮式机器人同侧前轮和后轮码盘光电传感器数据，其中，第二时刻t2为第一时刻t1之后的某一时刻，优选第二时刻t2与第一时刻t1的时间间隔为0.5s；

步骤1.3、获取两个时间间隔内轮式机器人前轮和后轮运动的距离差；

设第一时刻t1前轮编码器值为n1t1，后轮编码器值为n2t1，第二时刻t2前轮编码器值为n1t2，后轮编码器值为n2t2；那么在第一时刻t1与第二时刻t2时间间隔内，前轮运动距离s1为：

第一种情况：码盘光电传感器安装在输出轴上：

s1＝|n1t2-n1t1|/编码器脉冲频率×轮子周长

第二种情况：码盘光电传感器安装在电机末端上：

s1＝|n1t2-n1t1|/编码器脉冲频率/减速机减速比×轮子周长

同理，在第一时刻t1与第二时刻t2时间间隔内，后轮运动距离s2为：

第一种情况：码盘光电传感器安装在输出轴上：

s2＝|n2t2-n2t1|/编码器脉冲频率×轮子周长；

第二种情况：码盘光电传感器安装在电机末端上：

s2＝|n2t2-n2t1|/编码器脉冲频率/减速机减速比×轮子周长；

获得第一时刻t1与第二时刻t2时间间隔内，前轮和后轮运动距离差为：

△s1＝|s2-s1|

步骤2、根据轮式机器人前轮和后轮运动距离差，判断其是否发生打滑或卡阻；

根据试验结果设定打滑或卡阻的距离差常数为s0，当前后轮运动距离差大于所设定的距离差时，即△s1＞s0，判定四轮轮式机器人发生打滑或卡阻；

步骤3、获取轮式机器人发生打滑或卡阻时刻的电机电流数据，并判断发生打滑或卡阻的类型；

步骤3.1、利用电流采集单元直接获得轮式机器人电机电流数据；

在判定轮式机器人发生打滑或卡阻时，利用电流采集单元获得当前时刻轮式机器人电机电流数据i1；

步骤3.2、利用轮式机器人电机电流数据判断产生打滑或是产生卡阻；

设定电流阈值i0，如果电机电流i1＞设定值i0，那么判断发生卡阻；如果电机电流i1≤设定值i0，那么判定发生打滑；其中，电流阈值i0选择大于电机额度电流2倍以上的数值，优选为额定电流5倍数值；

步骤4、将检测结果通过显示单元进行输出显示。

实施例2

一种轮式机器人打滑卡阻检测方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、利用轮式机器人前后轮的测距传感器，获得一定时间间隔内的前后轮运动距离差；

步骤1.1、获取一段时间间隔内轮式机器人前轮和后轮旋转编码器数据，并将编码器数据转化为车轮轴旋转角度；

采集第一时刻t3到第二时刻t4时间间隔之内轮式机器人前轮和后轮旋转编码器数据，并将旋转编码器数据转化为车轮轴旋转角度；

步骤1.2、根据旋转编码器数据，获得前轮和后轮在时间间隔内运动距离；

在第一时刻t3到第二时刻t4时间间隔内，利用前轮和后轮旋转编码数据获得的同侧前轮转动角度为α，后轮转动角度为β；则同侧前轮在t3至t4时间间隔内的运动距离为：

s3＝α/360×轮子周长

同侧后轮在t3至t4时间间隔内的运动距离为：

s4＝β/360×轮子周长

步骤1.3、获得相应时间间隔内前后轮运动距离差；

获得第一时刻t3到第二时刻t4时间间隔内，轮式机器人前轮和后轮运动距离差为：

△s2＝|s3-s4|

步骤2、根据轮式机器人前轮和后轮运动距离差，判断其是否发生打滑或卡阻；

根据试验结果设定打滑或卡阻的距离差常数为s0，当前后轮运动距离差大于所设定的距离差时，即△s2＞s0，判定四轮轮式机器人发生打滑或卡阻；

步骤3、获取轮式机器人发生打滑或卡阻时刻的电机电流数据，并判断发生打滑或卡阻的类型；

步骤3.1、利用电流采集单元直接获得轮式机器人电机电流数据；

在判定轮式机器人发生打滑或卡阻时，利用电流采集单元获得当前时刻轮式机器人电机电流数据i1；

步骤3.2、利用轮式机器人电机电流数据判断产生打滑或是产生卡阻；

设定电流阈值i0，如果电机电流i1＞设定值i0，那么判断发生卡阻；如果电机电流i1≤设定值i0，那么判定发生打滑；其中，电流阈值i0选择大于电机额度电流2倍以上的数值，优选为额定电流5倍数值；

步骤4、将检测结果通过显示单元进行输出显示。