專利名稱：混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種三自由度機器人檢測裝置及方法，特別是一種混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置及方法。
背景技術：
三自由度混合驅動柔索并聯機器人以其高剛度、高精度、高負載及結構緊湊等特點，迅速應用于大件裝配、運動模擬、空間對接、加工制造等領域。在專利申請號為 200910233341. 2的專利文獻中，公開了《空間三維平動自由度混合驅動柔索并聯機構》，該混合驅動柔索并聯機器人機構創新出了特殊的混合驅動裝置，該機構是一種新型的、結構簡單的、并兼容了傳統并聯機器人的高效率、高承載力、高可調性及大負載運轉等的特點， 彌補了傳統機械缺乏的柔性和伺服機構不能承受大載荷的缺陷。實現高性能運動輸出的新型空間三維平動自由度柔索并聯機器人。在專利申請號為201010580191. 5的專利文獻中，公開了《三自由度混合驅動柔索并聯機器人控制裝置及方法》，完善了該混合驅動柔索并聯機器人運動的靈活性、穩定性和精確性，提供了一種新型的、較為先進的空間三維平動自由度柔索并聯機器人控制裝置及方法。雖然彌補了并聯機構的慣性大、非線性以及易受系統模型的參數攝動、重物塊在運動中隨機風等外界干擾的影響，但仍然容易出現并聯機器人包括運行中斷、負荷超載等故障，也不能實現實時監控，不能保證并聯機器人的高效率工作，直接影響機構的穩定性及可靠性，機器人的使用安全性和壽命也將大大降低。
發明內容
本發明的目的是要提供一種混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置及方法， 解決并聯機器人容易出現包括運行中斷、負荷超載等故障，不能實現實時監控，不能保證并聯機器人的高效率工作，直接影響機構的穩定性及可靠性的問題。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的檢測裝置及方法運用在空間三維平動自由度混合驅動柔索并聯機器人，主要由傳感器組、信號處理中心及控制中心三大部分組成；其中所述傳感器組包括重力傳感器、光柵位移傳感器、張力傳感器、視覺傳感器；所述的信號處理中心包括信號調理電路、無線信號收發電路、微控制器單元和測量工控機；所述的控制中心包括報警電路、反饋電路、主工控機、顯示設備和伺服電機；在并聯機器人運行時，傳感器組通過調理電路及無線收發電路與信號處理中心的測量工控機連接， 信號處理中心的測量工控機通過通信裝置與控制中心的主工控機連接，主工控機通過伺服電機與傳感器組中的視覺傳感器相連，從而完成信號采集、調理、分析以及最終的電機定位、視覺傳感器呈現故障點。所述的傳感器組共有10個傳感器，包括重力傳感器1個、光柵位移傳感器3個、張力傳感器4個和2個視覺傳感器；其中所述的重力傳感器和光柵位移傳感器均安裝在柔索并聯機器人的載物平臺上，張力傳感器安裝在四根柔索上；所述的3個光柵位移傳感器載物平臺上，3個光柵位移傳感器分別測量X方向、Y方向、Z方向的位移；所述的4個張力傳感器分別安裝在4根柔索上，每一組結構相同；所述的2個視覺傳感器分別安裝在并聯機器人平臺的頂部和底部，分別對并聯機構的柔索和重物進行視頻監控，各個傳感器都連接到信號處理中心的信號調理電路。所述的信號處理中心包括信號調理電路、模/數轉換芯片、微控制器單元、時鐘芯片、無線信號收發芯片、無線信號天線、外部擴展電路接口和測量工控機，其中所述的2個無線信號收發芯片分別與2個無線信號天線連接并形成2個收發信號組，時鐘芯片接入微控制器單元和測量工控機，信號調理電路與模數轉換芯片相連，模數轉換芯片與微控制器單元連接，微控制器單元的輸出端接到一組無線信號發送芯片和外部擴展電路接口，另一個收發信號組接入測量工控機。所述的控制中心包括主工控機、報警模塊、LED顯示模塊、IXD顯示模塊和伺服電機，所述的報警模塊、LED顯示模塊、IXD顯示模塊和伺服電機分別與主工控機連接，主工控機與控制裝置的并聯機器人控制系統連接，伺服電機的輸出端與安裝在平臺頂部的視覺傳感器相連。所述檢測方法包括如下步驟
1、空間三維平動自由度混合驅動柔索并聯機器人在牽引重物塊運動時，檢測裝置開始初始化，載入系統運行時的危險閾值；
2、安裝在并聯機器人上的1個重力傳感器、3個張力傳感器和4個光柵位移傳感器這三類傳感器開啟，開始進行檢測，所得信號通過信號調理電路處理、模/數轉換后，不斷傳送到微控制單元；
3、微控制單元將初步處理過的信號組再次調解成可無線發送信號后，通過無線信號發送芯片、無線信號接收芯片和兩組天線完成檢測信號組從微控制單元到測量工控機的傳送；
4、測量工控機將對檢測信號組進行初步判斷，檢查各類信號是否超出危險閾值，從而判斷并聯機器人在運行時是否有故障產生，并將每次檢測后產生的檢測信號存儲到與外部接口相連的存儲器中；
5、測量工控機如若判斷出檢測信號超出危險閾值，將通過通信裝置把檢測信號發送給主工控機；
6、主工控機對接收到的檢測信號進行更為詳盡的分析和處理，完成并聯機器人的力學計算、控制系統解算，定位到具體故障點、完成現場狀態呈現并通過LED顯示故障點，運算出控制視覺傳感器的伺服電機的轉角與轉速、完成視頻定位到故障點并通過LCD液晶顯示器顯示故障點的動態視頻實時狀況，此外，主工控機還將解算出的控制信號傳送至并聯機器人的控制系統中進行反饋控制；以保證能在第一時間內檢測故障、記錄故障、分析故障、 修復故障以及接入控制系統用以調整故障；
7、主工控機、測量工控機、微控制單元之間以串行總線方式和無線信號收發進行通信， 構成一個通信網絡系統。有益效果，由于采用了上述方案，安裝上檢測裝置以及采用上述檢測方法，能夠實現空間三維平動自由度運動混合驅動柔索并聯機器人的多傳感器復合實時故障檢測技術。1、空間三維平動自由度混合驅動柔索并聯機器人檢測裝置采用分布式集成化結構，由采集管理級微控制單元、測量管理級測量工控機和操作管理級主控工控機三部分共同完成，并加以無線傳感信號傳輸，通信裝置構成。這種檢測技術綜合了傳感器檢測精度高、抗干擾能力強、可靠性和工控機開放性程度高、信息處理能力強、實時調整優點突出、通用性好的特點；
2、可以對同一個系統處于不同的工作條件中或有不同使用要求時，對控制中心賦予不同的權限，并設置不同的報警臨界值，從而使檢測系統工作合理；
3、本發明運用4類傳感器，各傳感器協同復合工作，大大減小了故障點的檢測的紕漏；
4、以測量工控機為中心的測量系統，采用信號采集與傳感器相結合的方式，最大限度地完成測試工作的全過程，既能實現對信號的采集，又能對所獲信號進行分析處理，實時將處理過的信號組發送給操作管理級；
5、本發明所采用的各類儀器不會給提升系統帶來任何安全隱患，安全可靠；采用的無線通信技術，具有很高的通信速率和通信可靠性，系統響應快速；傳感器節點工作條件好， 安裝維護方便；無線傳感器功耗低；
6、本發明中的視覺傳感器，能夠很好的完成故障點的視覺定位，更精確、具象的呈現工作現場。本發明的優點該三自由度混合驅動柔索并聯機器人多傳感器復合實時故障檢測裝置及方法能夠有效、及時的檢測出機器人的常見的各類故障。采用的分布模式，具有系統響應快速、信息處理能力強、可靠性好；采用的多傳感器復合結構，能更為精確和有效的檢測故障點；無線收發結構，提高了系統的抗干擾性、更為方便的布置各類傳感器；采用的視覺傳感器，能及時直觀的觀察工控現場狀況。本發明的應用能夠大大增強了混合驅動柔索并聯機器人的穩定性和可靠性，從而提高并聯機器人的工作效率。并且，本發明還可逐漸推廣至各類并聯機器人。
圖1為本發明所述的混合驅動柔索并聯機器人檢測裝置基本結構圖。圖2為本發明所述的混合驅動柔索并聯機器人檢測裝置示意框圖。圖3為本發明所述的混合驅動柔索并聯機器人檢測方法的總流程圖。圖4為本發明所述的混合驅動柔索并聯機器人檢測方法的視覺傳感器子流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本次的具體實施是在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1 圖1中，此實例主要以三自由度柔索混合驅動并聯機器人為平臺展現所述檢測裝置的主要結構。本實例中，所述三自由度柔索混合驅動并聯機器人主要由四根柔索 4、h、h、k , 一個三自由度并聯機構平臺1，四個混合驅動器2，四根柔索塔3，一個載物平臺4，一個視覺傳感器支架5構成。其中四根柔索塔成矩形豎直固定在三自由度并聯機構平臺上，四根柔索4、4、4、4兩端分別與載物平臺和四個混合驅動器相連接，并繞于柔索塔的滑輪上。視覺傳感器豎直固定于三自由度并聯機構平臺上，支架一端延伸到載物平臺上
端，另一端延伸到載物平臺下端。所述載物平臺將放置重物塊。 本實例中，重力傳感器A，選用壓電式重力傳感器，粘貼于載物平臺上。 位移傳感器B，選用三個同類光柵位移傳感器，分別為X方向光柵位移傳感器、Y方
向光柵位移傳感器、Z方向光柵位移傳感器，同樣粘貼于載物平臺上。張力傳感器C，選用四個同類應變片式張力傳感器，分別對應粘貼于四根柔孝i 4、4、A上，分別為第一張力傳感器、第二張力傳感器、第三張力傳感器、第四張力傳感器。所述視覺傳感器A、^，選用兩個同類CCD視覺攝像傳感器，A安裝于視覺傳感器支架上端，A安裝于視覺傳感器支架下端。圖2中，本發明主要包括傳感器組、信號處理中心及控制中心三大部分組成。傳感器組通過調理電路及無線收發電路與信號處理中心的測量工控機連接，信號處理中心的測量工控機通過通信裝置與控制中心的主工控機連接，主工控機通過伺服電機與傳感器組中的視覺傳感器相連。所述的傳感器組共有10個傳感器，包括重力傳感器1個、光柵位移傳感器3個、張力傳感器4個和2個視覺傳感器。其中重力傳感器和光柵位移傳感器安裝在柔索并聯機器人的載物平臺上，張力傳感器安裝在在四根柔索上。所述的3個光柵位移傳感器分別安裝載物平臺上，3個光柵位移傳感器分別測量X方向、Y方向、Z方向的位移，4個在柔索上的張力傳感器，每一組結構相同，2個視覺傳感器分別安裝在視覺傳感器支架的頂部和底部，分別對并聯機構的柔索和重物進行視頻監控。各個傳感器都連接到信號處理中心的信號調理電路。所述的信號處理中心包括信號調理電路、模/數轉換芯片、微控制器單元、時鐘芯片、無線信號收發芯片、無線信號天線、外部擴展電路接口和測量工控機。其中2個無線信號收發芯片分別與2個無線信號天線連接并形成2個收發信號組，時鐘芯片接入微控制器單元和測量工控機，信號調理電路與模數轉換芯片相連，模數轉換芯片與微控制器單元連接，從微控制器單元接到一組無線信號發送芯片和外部擴展電路接口，另一個收發信號組接入測量工控機。所述的控制中心包括主工控機、報警模塊、LED顯示模塊、IXD顯示模塊和伺服電機。報警模塊、LED顯示模塊、IXD顯示模塊和伺服電機分別于主工控機連接，主工控機與控制裝置的并聯機器人控制系統連接，伺服電機的輸出端與安裝在平臺頂部的視覺傳感器相連。所述的無線收發為UWB無線收發芯片和PCB天線組成，其中UWB無線發射芯片的輸出端與PCB天線連接，接收芯片的輸入端與天線連接，UWB發射芯片再分別于微控制單元和測量工控機連接。所述的通信裝置選用專用通信RS-232/RS-485轉換器用于主控工控機和測量工控機之間的通信。控制器之間采用ISA總線相連，用于設備的設置、程序下載和運行中的信號傳遞。綜合圖1和圖2，所述的檢測方法，空間三維平動自由度混合驅動柔索并聯機器人的載物平臺放入重物塊，并準備牽引重物塊運動時，檢測裝置開始工作。檢測系統開始初始化，載入系統運行時的初始設定的危險閾值；安裝在并聯機器人上的1個重力傳感器、3個張力傳感器和4個光柵位移傳感器這三類傳感器開啟，開始對柔索張力、重物塊重量、載物平臺位移進行實時無間斷檢測，并將三類傳感器檢測中所得信號通過信號調理電路處理、 模/數轉換，將信號進行濾波、放大、再濾波、調理、去噪處理，并將傳感器采集的模擬信號轉換為數字信號，不斷傳送到微控制單元；微控制單元將初步處理過的信號組再次調解成可無線發送信號后，通過無線信號發送芯片、無線信號接收芯片和兩組天線完成檢測信號組從微控制單元到測量工控機的傳送；測量工控機將對檢測信號組進行初步判斷，對比傳感器得到的信號，檢查各類信號是否超出危險閾值，從而判斷出并聯機器人在運行時是否有故障產生，并將檢測后產生的檢測信號存儲到與外部接口相連的存儲器中。
如果測量工控機判斷出檢測信號超出危險閾值，將通過通信裝置把檢測信號發送給主工控機；主工控機對接收到的檢測信號進行更為詳盡的分析和處理，完成并聯機器人的力學計算、控制系統解算，定位到具體故障點、完成現場狀態呈現并通過LED顯示故障點，并調用視頻子系統，運算出控制視覺傳感器的伺服電機的轉角與轉速，位于平臺頂部的傳感器主要檢測4根柔索的實時狀態，并由伺服電機進行控制，構成反饋；位于平臺底部的傳感器主要檢測重物塊以及載物平臺的實時狀態，由主控制機直接控制，兩個視頻傳感器共同工作，從而定位到故障點。并通過LCD液晶顯示器顯示故障點的動態視頻實時狀況，此外，主工控機還將解算出的控制信號傳送至并聯機器人的控制系統中進行反饋控制；以保證能在第一時間內檢測故障、記錄故障、分析故障、修復故障以及接入控制系統用以調整故障；主工控機、測量工控機、微控制單元之間以串行總線方式和無線信號收發進行通信，構成一個通信網絡系統。
權利要求
1.一種混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置，其特征是檢測裝置包括傳感器組、信號處理中心及控制中心三大部分；其中所述傳感器組包括重力傳感器、光柵位移傳感器、張力傳感器、視覺傳感器；所述的信號處理中心包括信號調理電路、無線信號收發電路、 微控制器單元和測量工控機；所述的控制中心包括報警電路、反饋電路、主工控機、顯示設備和伺服電機；在并聯機器人運行時，傳感器組通過調理電路及無線收發電路與信號處理中心的測量工控機連接，信號處理中心的測量工控機通過通信裝置與控制中心的主工控機連接，主工控機通過伺服電機與傳感器組中的視覺傳感器相連，從而完成信號采集、調理、 分析以及 最終的電機定位、視覺傳感器呈現故障點。
2.根據權利要求1所述的混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置，其特征是所述的傳感器組共有10個傳感器，包括重力傳感器1個、光柵位移傳感器3個、張力傳感器4 個和2個視覺傳感器；其中所述的重力傳感器和光柵位移傳感器均安裝在柔索并聯機器人的載物平臺上，張力傳感器安裝在四根柔索上；所述的3個光柵位移傳感器載物平臺上，3 個光柵位移傳感器分別測量X方向、Y方向、Z方向的位移；所述的4個張力傳感器分別安裝在4根柔索上，每一組結構相同；所述的2個視覺傳感器分別安裝在并聯機器人平臺的頂部和底部，分別對并聯機構的柔索和重物進行視頻監控，各個傳感器都連接到信號處理中心的信號調理電路。
3.根據權利要求1所述的混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置，其特征是所述的信號處理中心包括信號調理電路、模/數轉換芯片、微控制器單元、時鐘芯片、無線信號收發芯片、無線信號天線、外部擴展電路接口和測量工控機，其中所述的2個無線信號收發芯片分別與2個無線信號天線連接并形成2個收發信號組，時鐘芯片接入微控制器單元和測量工控機，信號調理電路與模數轉換芯片相連，模數轉換芯片與微控制器單元連接，微控制器單元的輸出端接到一組無線信號發送芯片和外部擴展電路接口，另一個收發信號組接入測量工控機。
4.根據權利要求1所述的混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置，其特征是所述的控制中心包括主工控機、報警模塊、LED顯示模塊、LCD顯示模塊和伺服電機，所述的報警模塊、LED顯示模塊、IXD顯示模塊和伺服電機分別與主工控機連接，主工控機與控制裝置的并聯機器人控制系統連接，伺服電機的輸出端與安裝在平臺頂部的視覺傳感器相連。
5.一種混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測方法，其特征是所述的檢測方法包括如下步驟.1、空間三維平動自由度混合驅動柔索并聯機器人在牽引重物塊運動時，檢測裝置開始初始化，載入系統運行時的危險閾值；.2、安裝在并聯機器人上的1個重力傳感器、3個張力傳感器和4個光柵位移傳感器這三類傳感器開啟，開始進行檢測，所得信號通過信號調理電路處理、模/數轉換后，不斷傳送到微控制單元；.3、微控制單元將初步處理過的信號組再次調解成可無線發送信號后，通過無線信號發送芯片、無線信號接收芯片和兩組天線完成檢測信號組從微控制單元到測量工控機的傳送；.4、測量工控機將對檢測信號組進行初步判斷，檢查各類信號是否超出危險閾值，從而判斷并聯機器人在運行時是否有故障產生，并將每次檢測后產生的檢測信號存儲到與外部接口相連的存儲器中；.5、測量工控機如若判斷出檢測信號超出危險閾值，將通過通信裝置把檢測信號發送給主工控機；.6、主工控機對接收到的檢測信號進行更為詳盡的分析和處理，完成并聯機器人的力學計算、控制系統解算，定位到具體故障點、完成現場狀態呈現并通過LED顯示故障點，運算出控制視覺傳感器的伺服電機的轉角與轉速、完成視頻定位到故障點并通過LCD液晶顯示器顯示故障點的動態視頻實時狀況，此外，主工控機還將解算出的控制信號傳送至并聯機器人的控制系統中進行反饋控制；以保證能在第一時間內檢測故障、記錄故障、分析故障、 修復故障以及接入控制系統用以調整故障；.7、主工控機、測量工控機、微控制單元之間以串行總線方式和無線信號收發進行通信， 構成一個通信網絡系統。
全文摘要
一種混合驅動柔索并聯機器人實時故障檢測裝置及方法，屬于三自由度機器人檢測裝置及方法。檢測裝置包括傳感器組、信號處理中心及控制中心三大部分；在并聯機器人運行時，傳感器組通過調理電路及無線收發電路與信號處理中心的測量工控機連接，信號處理中心的測量工控機通過通信裝置與控制中心的主工控機連接，主工控機通過伺服電機與傳感器組中的視覺傳感器相連，從而完成信號采集、調理、分析以及最終的電機定位、視覺傳感器呈現故障點。優點該檢測裝置及方法能夠有效、及時的檢測出機器人的常見的各類故障。系統響應快速、信息處理能力強、可靠性好、工作效率高；能精確和有效的檢測故障點；采用的視覺傳感器，能及時直觀的觀察工控現場狀況。
文檔編號B25J19/00GK102431036SQ201110275899
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月19日 優先權日2011年9月19日
發明者吳瑕, 曹建斌, 朱真才, 林俊, 訾斌, 魏明生 申請人:中國礦業大學