爬杆防坠落报警装置控制系统设计

杜明雨 刘海宇 程 月 赵 琳

（临沂大学 自动化与电气工程学院，山东 临沂 276000）

目前市场上没有出现与报警系统相结合的攀爬防坠设备，大多数是传统的爬杆脚扣，安全措施不到位，技术要求高，面对突发状况，完全只能依靠个人反应能力，没有外物辅助，生命安全没有保障，而爬钢架的爬杆脚扣应用环境受限，不能普遍应用于高空作业的其他场景，有待开发完善，大量的高强度高危的工作环境，更急需这种降低危险的防坠设备出现。

1 研究内容

1.1 控制系统设计思路

本文研究思路是一款爬杆防坠落报警装置，设计整体控制系统，调节软件程序实现使stm32c8t6作为主控处理，采集压力传感器数字信息，主控处理后驱动装置驱动动力装置做出及时反应并姿态传感器及时反馈信息主控进一步解析数据及时动作，完成快速预定的目标动作。

图1 控制系统结构图

1.2 人体姿态度解析算法

采集多组人体爬杆时的肩关节，股关节，膝盖关节等人体主要关节的弯曲角度，根据PSO粒子群优化算法，仿真出人体躯干部及腰部的整体和垂直杆状倾角。依据人体动态模拟解析出静态渐变姿态数据，继续使用SAPSO算法优化仿真数据，完成姿态估计，追踪渐变姿态数据（设为t时刻），进而提前预测人体下一步姿态模拟数据（t+1时刻），用PID算法继续优化得到收敛性和稳定性比较好的可用数据，完成人体姿态的解析和数据采集。

1.3 硬件组装及硬件调配

与其他攀爬设备相比，本项目进行大量模拟人体下坠参数采集及设备快速准确的调试，优化了突然停驻时给人身体带来的损伤，减少了工作人员长时间工作对人体带来的损伤和身体的大量负荷。

底部脚架安装的压力传感器，及时采集受力结构的压力，数据参数传回主控并反馈给执行机构的电机，带动部分机械装置旋转，进而带动可伸缩装置，从而使压力足够承受人体和整个设备停驻在杆部。

2 工作原理和结构设计

2.1 主要数据采集

1）角度采集。与其他攀爬设备相比，本项目进行大量模拟人体下坠参数采集及设备快速准确的调试，优化了突然停驻时给人身体带来的损伤，减少了工作人员冲撞和坠落带来的意外。项目前期采用MPU—6050姿态传感器采集到的设备参数状态，再进行控制系统处理姿态状况时，对应参数状态从而编制出对应的执行指令。2）压感采集。增设S型压力传感器SBT630BD20和高精度测距仪,参考爬杆的结构普通设备的设计特点以及人员爬杆的着力点的分析。底部脚架安装的压力传感器，及时采集受力结构的压力，数据参数传回主控并反馈给执行机构的电机，带动部分机械装置旋转，进而带动可伸缩装置，从而使压力足够承受人体和整个设备停驻在杆部，以便适应并处理复杂情况，保障生命安全。

2.2 坠落报警装置设计

采集各传感器数据后，选择在腰部增添了警报支撑装置，通过分析姿态数据优化算法后整合可用数据，超出正常范围阈量时发出提前做出意外警报提示，发出强烈声光反应，并及时完成一系列停驻预期动作。

2.3 调配方式

安装并调节外设采集的数据信息调试好通信及各项阈值的设定，形成完整的安全防坠系统，整合人体姿态参数提高佩戴舒适度。

1）以现有的结构为基础，由人员穿戴后靠角度传感器模拟采集人体后仰或下坠角度；2）记录分析各人体姿态数据，构建发力结构数学模型。3）完善动力装置对机械结构的协调运作，采集反馈装配后的人体姿态数据，调整后执行精准快速的动作，协调完善。4）通过调节其他各个传感器的功能和通信，并将各个模块和执行机构整合起来，大量采集人体数据，保证穿戴舒适性实现整体系统协调性与性能可靠性的进一步提升。

除优化设备性能外，本设备的机械结构会在与人体接触的主要部位，在保证牢固的情况下加装了多种有弹性的裕量充足的带扣，增加腰部安全防护，大量的软性弹性装置在保证稳定性的同时还大大减少了工作人员肌肉拉伤的风险，起到降低损伤的作用。可以适用于不同体型的工作人员的穿戴。

2.4 结构方面

解决整体机械性能的可靠性问题，并在此基础上换用性能更加可靠的新材料，增强设备的强度与抗干扰能力。应用新型高强度材料作为机械本体构造，增强了结构的强度并进一步降低整体的重量，降低使用过程中的能耗。同时采用数个抗干扰能力强和有一完整驱动设备电机构成制动伸缩环节，保证整体设备的稳定性和灵活性。本设计的外部辅助爬杆装置提高了安全系数降低了风险，尤其腰部警报支撑装置可以及时地在工作人员分心或者其他意外产生时，立刻做出反应，保护人员安全。

3 结束语

设计整体控制系统，结构灵活方便，安全系数高，采取应用广泛的攀爬设备和防坠措施结合，精准快速动作。调节软件程序实现使stm32c8t6作为主控处理，解析人体姿态数据，提前预测下一步动作反应，优化可用数据，并采集压力传感器数字信息，主控处理后发出预警信息驱动装置带动腰部装置收缩，使人体停驻，进一步跟踪反馈信息，完成预期防坠落的目标动作。