一种基于三点定位密闭空间机器人的应用

2020-09-22刘浒廖志强陈永生林星蓝佳雄

中国设备工程 2020年18期

刘浒，廖志强，陈永生，林星，蓝佳雄

（1.福建华电可门发电有限公司；2.中国华电集团公司福建分公司；3.福建华电电力工程有限公司）

1 背景及意义

检测机器人定位是确定其在工作环境中所处位置的过程，是实现检测机器人记录检测结果的前提条件。位置不准确，机器人检测的数据就没有一点指导意义，也就失去了检测机器人的作用。可以说检测机器人的定位功能是机器人的眼睛。

依据机器人所采用传感器类型的不同，其定位方式有所不同。目前应用较广泛的传感器有超声波、激光器、摄像机、红外线、UWB 定位系统、GPS 定位系统等等。与其相对应的机器人定位技术可分成绝对定位、相对定位技术两大类。所谓的绝对定位是指采地图匹配、GPS 等技术进行定位，精度较高。而相对定位是指通过度量机器人相对于起始位置的方向和距离来推断出机器人当前的位置信息。

针对电厂锅炉的爬壁机器人，工作在密闭的空间，四周全是水冷壁金属管，爬壁机器人需要对水冷壁管进行清洗和测厚，测厚数据需要将检测值和位置坐标记录下来，由于密闭的金属空间限制，GPS 定位，UWB 定位都在很大程度受到干扰，导致位置坐标丢失或者误差大。因此测出来的数据跟实际位置不相符，起不到检测的作用，误导检修人员。对于整个锅炉的检测，检修人员关注的是什么位置厚度值是多少，什么位置需要更换检修。他们关心的是锅炉的相对位置。

图1

2 系统概述

该应用基于固定两点的坐标和两定点分别到机器人（第三点）的距离(L1、L2)确定机器人相对坐标的定位方法。首先在墙壁上确定一点作为原点坐标（0，0，0），在墙壁顶上左右两边确定两个固定点固定定滑轮，通过查图纸或者直接测量确定定滑轮的出线口的坐标（X1,Y1,Z1）和（X2,Y2,Z2）。在机器人上安装编码器装置，将钢丝绳通过编码器的旋转轮子，然后固定在机器人上面钢丝绳收放装置。通过编码器可以测量出定点到机器人的实际距离。流程如图1。

根据已知的两点坐标和坐标到机器人的距离，首先通过计算得到机器人有可能的位置是一个圆形曲线，然后根据三点坐标做个切面，得到机器人有可能的位置在圆形曲线和切面的交点上，最后根据实际情况机器人不会出现在两个定点坐标的上方，从而得到机器人的唯一位置坐标。

3 系统布局

在机器人工作的墙壁上部分找到两个固定孔，钢丝绳通过孔从外面到里面固定到机器人本体上，编码器通过一个机械收放装置固定在机器本体上，机器人在墙壁上爬行，钢丝绳随着机器人的移动收放，始终保持的张紧状态，这样保证编码器检测的固定点到机器人的距离的正确性。

编码器通过机械装置固定在外面，编码器跟随钢丝的的收放无阻力的转动，还要确保不能出现打滑的情况，以保证编码的的读值准确。布局效果如图2。

4 系统关键点

4.1 固定点的相对坐标准确性

机器人的坐标地图是根据现场实际的场景绘制的。根据所选原点、固定点坐标作为参考点来进行确定的。机器人的坐标是根据这三个点的坐标来进行计算的。因此这三个点的位置准确性直接影响到机器人的相对位置信息是否准确。在机器人的定位过程中，存在着很多误差因素。对于这中固定点测量而缠身的误差应该尽可能的避免。

4.2 编码器的选型与安装

编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。通俗来讲编码器是将角位移或者直线位移转换成电信号的一种设备。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。增量式编码器通过计数其输出的脉冲数知道其位置，当断电时必须需要外部记录其位置，因为容易出现掉电数据丢失的情况，而绝对值编码器每个位置都是唯一的，无需其他设备辅助记忆，随意可读取其位置信息。鉴于绝对值式编码器的优势，我们选其作为爬壁机器人的定位编码器。对于编码器的固定装置是我们自行设计研发的一款机械装置，具体原理不在此详细叙述，需要注意的是编码器的随动轮，选取尼龙材质的轮子，相比橡胶轮它不易变形，相比不锈钢的不易打滑。从而尽可能的减小误差。固定编码器也要保证其与轮子的垂直度，编码器的平直度，保证其牢固不会晃动。