一种多关节全向式管外机器人控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及机器人控制领域，特别是涉及一种多关节全向式管外机器人控制
目.0
【背景技术】
[0002]随着国际工业生产技术的不断发展与进步，机器人已越来越多的被应用于工业生产过程中，其中一类机器人就是管外机器人。管外机器人是用于检查管道是否有故障或是否存在安全隐患。现有工业用管道的特点是管径多变，转向复杂，具有三通、四通等管接头设计，法兰、阀门或检测仪表在管道各处布置，且管道由各类吊装或地面支持架支撑。运行在此类管道外的检测或维修的机器人首先要具备随管道前进或转向的功能，也要具备翻越各类管道外障碍物的功能，同时，为了提高管道检测与维修的效率，管外机器人还应该具有一定速度的运动能力。
[0003]中国实用新型专利申请公布号为CN104972460 A，公开了一种多关节全向式管外机器人，该机器人包括用于承载检测设备的承载梁、多关节前夹持机构、多关节后夹持机构、前翻转关节、后翻转关节、夹持开合机构、轴向驱动机构和周向驱动机构。该机器人在理论上可实现全向轮式运动和翻转越障运动，全向轮式运动包括轴向移动、周向移动和360螺旋运动。
[0004]上述机器人是在光滑的管道上运行工作，并且其仅提供了机器人的结构，没有提供机器人的控制部分。
【实用新型内容】
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多关节全向式管外机器人控制装置。
[0006]本实用新型是这样实现的:
[0007]—种多关节全向式管外机器人控制装置，包括主控单元、人机交互单元、舵机驱动单元和通讯单元，所述人机交互单元、舵机驱动单元和通讯单元分别与主控单元连接；
[0008]所述人机交互单元包括键盘和触屏IXD;
[0009]所述舵机驱动单元包括RS485串行通讯总线、CAN总线和两个以上机器人舵机驱动芯片，所述机器人舵机驱动芯片通过RS485串行通讯总线或CAN总线与主控单元通讯连接；
[0010]通讯单元包括RS232串行通讯总线和以太网通讯模块，主控单元通过所述RS232串行通讯总线与上位机通讯连接，主控单元通过以太网通讯模块与其他机器人通讯连接。
[0011 ] 进一步的，所述主控单元包括ARM处理器。
[0012]进一步的，还主控单元还包括9轴姿态传感器，9轴姿态传感器连接于所述ARM处理器。
[0013]进一步的，还包括电源管理单元，所述电源管理单元包括12V直流电源电路和与12V直流电源电路连接的降压模块，所述降压模块输出5V和3.3V直流电源。
[0014]本实用新型的有益效果为:本实用新型多关节全向式管外机器人控制装置包括主控单元、人机交互单元、舵机驱动单元和通讯单元，所述舵机驱动单元通过RS485串行通讯总线、CAN总线使舵机驱动芯片与主控单元通讯连接，可控制机器人完成全向轮式运动和翻转式运动两种运动，所述通讯单元包括RS232串行通讯总线和以太网通讯模块，可实现机器人之间组网协调，实现作业区域合理分配与协调，避免重复作业以提高作业效率。
【附图说明】
[0015]图1为多关节全向式管外机器人在管道上某时刻的运行状态图；
[0016]图2为本实用新型机器人在管道上翻转时的状态图；
[0017]图3为机器人夹持开合机构结构示意图；
[0018]图4为机器人夹持机构结构示意图；
[0019]图5为机器人硬件控制装置层级架构图；
[0020]图6为机器人控制装置硬件框图；
[0021 ]图7为机器人各类运动的控制策略图；
[0022]图8为机器人控制装置的控制逻辑框图。
[0023]标号说明:
[0024]1、设备承载梁;2、前翻转关节;3、后翻转关节；
[0025]4、轴向驱动机构;5、周向驱动机构;6、前夹持机构；
[0026]7、后夹持机构;8、夹持开合机构，1、小管径管道；
[0027]11、大管径管道;14、夹持开合舵机;18、主机架；
[0028]19、左向活动机架;20、右向活动机架;27、夹持开合舵机舵盘；
[0029]28、蜗轮轴轴承座;29、钢丝绳绕线盘;30、蜗杆;31、蜗轮；
[0030]32、蜗轮轴;33、线盘套筒;34、蜗轮套筒;35、钢丝绳；
[0031]36、滑轮;39、夹持机构末节机架。
【具体实施方式】
[0032]为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
[0033]本实用新型实施方式公开了一种多关节全向式管外机器人控制装置。请参阅图1以及图2，该多关节全向式管外机器人主要用于汽车生产线管道检修，包括设备承载梁、前夹持机构、后夹持机构和夹持开合机构，所述设备承载梁用于安装检修设备如摄像机、X射线仪、超声波探伤仪等等，前夹持机构通过前翻转关节铰接于设备承载梁的一端，后夹持机构通过后翻转关节铰接于设备承载梁的另一端，所述前夹持机构或后夹持机构上设置有轴向驱动机构，设备承载梁上设置有周向驱动机构，所述夹持开合机构通过蜗轮传动结构和钢丝绳驱动如夹持机构和后夹持机构的各关节。
[0034]请参阅图3和图4，图3为机器人夹持开合机构驱动单元结构示意图，图4为机器人夹持开合机构结构示意图。夹持开合机构8包括夹持开合舵机14，蜗杆30，蜗轮31，蜗轮轴32，钢丝绳绕线盘29，钢丝绳35和滑轮36。夹持开合舵机14通过夹持开合舵机舵盘27带动蜗杆30转动，蜗轮31和钢丝绳绕线盘29都安装在蜗轮轴32上，蜗杆30与蜗轮31—起形成具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动副，蜗杆30的转动带动蜗轮31转动，进而通过蜗轮轴32的转动带动钢丝绳绕线盘29转动，钢丝绳35分别绕过安装在左向活动机架19、右向活动机架20、夹持机构各节机架上的滑轮36，最终固结在夹持机构第3节机架39末端;钢丝绳绕线盘29的转动可实现钢丝绳35的收短与放长，进而实现前夹持机构6和后夹持机构7的闭合与张开。
[0035]该机器人首先可实现在管道上的轴向轮式运动，周向360°轮式运动，绕管道螺旋式运动，在管道上的翻转运动，通过三通四通五通等管道接口、管道外壁支撑结构、法兰盘、仪表等障碍物的180°翻转运动，在相邻管道之间的跨越运动。轴向驱动机构4用于实现机器人的轴向运动，轴向驱动电机带动机器人夹持机构上的主动轮;周向驱动机构5用于实现机器人的周向运动，周向驱动电机带动机器人周向主动轮，输出周向运动O轴向运动与周向运动相耦合可实现机器人绕管道螺旋式运动。夹持开合机构8通过夹持开合电机驱动，采用欠驱动控制方式，利用钢丝绳牵引实现机器人多关节夹持机构的开合。
[0036]请参阅图5和图6，本一种多关节全向式管外机器人控制装置包括上位机和两个以上机器人，其中，每个机器人采用嵌入式控制系统，嵌入式控制系统在单机运作时可以独立工作，当多机协同工作时，通过上位机系统进行调度和统一控制。
[0037]在本实施方式中，该机器人的翻转关节驱动单元、轴向和轴向驱动单元优选使用Dynamixel MX106R舵机;夹持开合驱动单元优选使用Dynamixel MX64R。该舵机的特点在于伺服驱动部分已经在舵机中集成，伺服驱动的指令通过RS485多点分支总线以专有格式的数据包形式进行读写。所以在硬件上，控制装置主要实现电源管理、安全防护、运动控制、指令存取、人机界面、和接口通讯功能。软件方面，控制装置需要实现与各个功能相对应的底层硬件驱动程序，通过适当的操作系统进行系统资源调度和具体功能实现。
[0038]机器人的主控芯片优选为意法半导体公司的ARMSTM32芯片，基于主控芯片所设计的控制装置硬件架构将实现机器人的轴向运动、轴向运动、前后关节翻转运动、前后夹持机构开合运动共7个伺服舵机驱动信号输出、人机交互指令接收、传感器信号接收、智能运动速度控制等功能。
[0039]其中，主控芯片ARM STM32芯片与翻转关节驱动单元、轴向和轴向驱动单元的驱动舵机通讯采用RS485异步串行总线接口，机器人与上位的通讯采用RS232穿行通讯接口，机器人之间的组网通讯采用LAN以太网接口。
[0040]STM32具有3个可同时使用的UART外设单元。通过MAX3232和MAX3485进行电平转换后直接进行RS232和RS485通信。所以为了实现以太网通信，需要额外的TCP/IP硬件协议栈，本控制装置选用了通过SPI总线驱动的以太网控制器ENC28J60。通过简单的外围电路设计和具有脉冲变压器的HR911105A网线插头就可以直接工作。其他的数字量、模拟量控现场I/O由STM32I/0 口直接驱动。
[0041]机器人的电源主要负责保障管外机器人和控制装置的电源供应，由于汽车生产线管道检修机器人使用的MXl 06R舵机与MX64R使用的是12V直流供电方案，控制装置使用的5V和3.3V电源为了满足机器人的多种电压需求，本实施方式中，5V和3.3V电源可以通过12V电源使用线性稳压原件获得。
[0042]本实用新型所设计的汽车生产线管道检修机器人硬件控制装置将安全防护与电源管理进行了整合设计