一種基于三點定位密閉空間機器人的應用

劉滸，廖志強，陳永生，林星，藍佳雄

（1.福建華電可門發(fā)電有限公司；2.中國華電集團公司福建分公司；3.福建華電電力工程有限公司）

1 背景及意義

檢測機器人定位是確定其在工作環(huán)境中所處位置的過程，是實現(xiàn)檢測機器人記錄檢測結(jié)果的前提條件。位置不準確，機器人檢測的數(shù)據(jù)就沒有一點指導意義，也就失去了檢測機器人的作用。可以說檢測機器人的定位功能是機器人的眼睛。

依據(jù)機器人所采用傳感器類型的不同，其定位方式有所不同。目前應用較廣泛的傳感器有超聲波、激光器、攝像機、紅外線、UWB 定位系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)等等。與其相對應的機器人定位技術(shù)可分成絕對定位、相對定位技術(shù)兩大類。所謂的絕對定位是指采地圖匹配、GPS 等技術(shù)進行定位，精度較高。而相對定位是指通過度量機器人相對于起始位置的方向和距離來推斷出機器人當前的位置信息。

針對電廠鍋爐的爬壁機器人，工作在密閉的空間，四周全是水冷壁金屬管，爬壁機器人需要對水冷壁管進行清洗和測厚，測厚數(shù)據(jù)需要將檢測值和位置坐標記錄下來，由于密閉的金屬空間限制，GPS 定位，UWB 定位都在很大程度受到干擾，導致位置坐標丟失或者誤差大。因此測出來的數(shù)據(jù)跟實際位置不相符，起不到檢測的作用，誤導檢修人員。對于整個鍋爐的檢測，檢修人員關(guān)注的是什么位置厚度值是多少，什么位置需要更換檢修。他們關(guān)心的是鍋爐的相對位置。

圖1

2 系統(tǒng)概述

該應用基于固定兩點的坐標和兩定點分別到機器人（第三點）的距離(L1、L2)確定機器人相對坐標的定位方法。首先在墻壁上確定一點作為原點坐標（0，0，0），在墻壁頂上左右兩邊確定兩個固定點固定定滑輪，通過查圖紙或者直接測量確定定滑輪的出線口的坐標（X1,Y1,Z1）和（X2,Y2,Z2）。在機器人上安裝編碼器裝置，將鋼絲繩通過編碼器的旋轉(zhuǎn)輪子，然后固定在機器人上面鋼絲繩收放裝置。通過編碼器可以測量出定點到機器人的實際距離。流程如圖1。

根據(jù)已知的兩點坐標和坐標到機器人的距離，首先通過計算得到機器人有可能的位置是一個圓形曲線，然后根據(jù)三點坐標做個切面，得到機器人有可能的位置在圓形曲線和切面的交點上，最后根據(jù)實際情況機器人不會出現(xiàn)在兩個定點坐標的上方，從而得到機器人的唯一位置坐標。

3 系統(tǒng)布局

在機器人工作的墻壁上部分找到兩個固定孔，鋼絲繩通過孔從外面到里面固定到機器人本體上，編碼器通過一個機械收放裝置固定在機器本體上，機器人在墻壁上爬行，鋼絲繩隨著機器人的移動收放，始終保持的張緊狀態(tài)，這樣保證編碼器檢測的固定點到機器人的距離的正確性。

編碼器通過機械裝置固定在外面，編碼器跟隨鋼絲的的收放無阻力的轉(zhuǎn)動，還要確保不能出現(xiàn)打滑的情況，以保證編碼的的讀值準確。布局效果如圖2。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵點

4.1 固定點的相對坐標準確性

機器人的坐標地圖是根據(jù)現(xiàn)場實際的場景繪制的。根據(jù)所選原點、固定點坐標作為參考點來進行確定的。機器人的坐標是根據(jù)這三個點的坐標來進行計算的。因此這三個點的位置準確性直接影響到機器人的相對位置信息是否準確。在機器人的定位過程中，存在著很多誤差因素。對于這中固定點測量而纏身的誤差應該盡可能的避免。

4.2 編碼器的選型與安裝

編碼器是將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。通俗來講編碼器是將角位移或者直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種設備。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。增量式編碼器通過計數(shù)其輸出的脈沖數(shù)知道其位置，當斷電時必須需要外部記錄其位置，因為容易出現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)丟失的情況，而絕對值編碼器每個位置都是唯一的，無需其他設備輔助記憶，隨意可讀取其位置信息。鑒于絕對值式編碼器的優(yōu)勢，我們選其作為爬壁機器人的定位編碼器。對于編碼器的固定裝置是我們自行設計研發(fā)的一款機械裝置，具體原理不在此詳細敘述，需要注意的是編碼器的隨動輪，選取尼龍材質(zhì)的輪子，相比橡膠輪它不易變形，相比不銹鋼的不易打滑。從而盡可能的減小誤差。固定編碼器也要保證其與輪子的垂直度，編碼器的平直度，保證其牢固不會晃動。

圖2

5 結(jié)語

實踐證明，通過上述方式可以實現(xiàn)機器人的精準定位，滿足檢測信息與位置信息結(jié)合的要求，讓機器人檢測得到有效的應用。但也存在一些缺陷，如前期準備時間長等問題，后續(xù)還需要在實踐中不斷完善和改進。