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CN107187960B - 有线控制机器人用线缆收放装置及线缆收放方法 - Google Patents

有线控制机器人用线缆收放装置及线缆收放方法 Download PDF

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CN107187960B
CN107187960B CN201710548014.0A CN201710548014A CN107187960B CN 107187960 B CN107187960 B CN 107187960B CN 201710548014 A CN201710548014 A CN 201710548014A CN 107187960 B CN107187960 B CN 107187960B
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Abstract

本发明公开了一种有线控制机器人用线缆收放装置，包括同步带传动机构、线缆卷取机构、排线机构和线缆收放电机，同步带传动机构包括主驱动同步带轮、卷筒驱动同步带轮、丝杠驱动同步带轮、卷筒驱动同步带和丝杠驱动同步带；线缆卷取机构包括卷筒、第一卷筒支架和第二卷筒支架、第一卷筒轴承、卷筒驱动轴、卷筒驱动轮、第二卷筒轴承、卷筒支撑轴和卷筒随动轮；排线机构包括双向丝杠、第一丝杠支架、第二丝杠支架、第一丝杠轴承、第二丝杠轴承、丝杠滑块、光轴和导线块；本发明还公开了一种有线控制机器人用线缆收放装置的线缆收放方法。本发明线缆收放有序，松紧合适，稳定性及有效性好，减少了线缆出现缠绕、断裂的问题，实用性强，便于推广使用。

Description

有线控制机器人用线缆收放装置及线缆收放方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种有线控制机器人用线缆收放装置及线缆收放方法。
背景技术
电源是保证机器人工作的动力源，而通信系统是保证移动机器人与控制台之间信息的双向传输，使得操作人员能够获得现场和机器人自身状态和动作信息，从而有效对机器人监控与遥操作。机器人供电方式有外部电源供电和电池供电两种，外部电源供电需要外接电源线，电池供电的续航能力较差；机器人通讯方式有无线通讯与有线通讯两种，无线通讯的无线模块体积小、使用方便，但是数据传输的误码率较高，易受电磁干扰，传输有滞后现象。在矿井下、防空洞等巷道环境中，通讯距离短，在电磁干扰严重的场所也无法使用。而在使用外部电源供电和有线通讯时，电源线和通讯线这些线缆的稳定可靠收放是保证机器人有线控制和完成探测任务的必要条件。有线控制机器人要越过各类障碍，线缆很有可能受到划伤或发生缠绕而影响机器人的移动性能，这就对有线控制机器人及其线缆收放方式提出了要求。目前，对于有线控制机器人的线缆收放，一般有拖缆和放缆两种方式。拖缆方式是指线缆一端连接在机器人上，储缆装置如线缆绞盘放置在控制端，机器人前进过程中拖动线缆使其释放达到延长供电距离和通讯距离的目的；放缆方式是指线缆的储缆装置安装在机器人上，随着机器人移动主动或被动地释放线缆延长供电距离和通讯距离。采用拖缆方式时，随着机器人移动与线缆的延长，线缆与地面的摩擦阻力逐渐增大，且在复杂的地形环境下线缆容易卡阻，造成断缆现象，因此一般在地形较为光滑的短距离通讯的情况下采用。采用放缆方式能够减少断缆的情况发生，但是，现有技术中的放缆多采用被动放缆，例如李允旺的博士学位论文《矿井救灾机器人行走机构研究》一文中给出的放缆装置，由光纤绞盘和支架构成，采用被动放缆的方式，仅有线缆卷曲机构，没有动力源和排线机构，放缆基本能够较好的实现，但是，收揽采用手动的方式，当放缆较长时，很难实现很好的收揽，这样也就影响了下次放缆；为此，需要考虑主动放缆的方式，以实现机器人稳定可靠地放缆和收揽，而采用主动放缆时，还需要考虑控制的问题，以达到最好的控制稳定性及有效性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种有线控制机器人用线缆收放装置，其结构简单，设计合理，实现方便且成本低，使用操作简单，线缆收放有序，松紧合适，稳定性及有效性好，实用性强，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：包括线缆收放电机和与线缆收放电机的输出轴连接的同步带传动机构，以及与同步带传动机构均连接的线缆卷取机构和排线机构；
所述同步带传动机构包括主驱动同步带轮、卷筒驱动同步带轮和丝杠驱动同步带轮，所述主驱动同步带轮和卷筒驱动同步带轮上跨接有卷筒驱动同步带，所述卷筒驱动同步带轮和丝杠驱动同步带轮上跨接有丝杠驱动同步带，所述主驱动同步带轮固定连接在线缆收放电机的输出轴上；
所述线缆卷取机构包括卷筒以及间隔设置的第一卷筒支架和第二卷筒支架，所述第一卷筒支架上设置有第一卷筒轴承，所述第一卷筒轴承上安装有卷筒驱动轴，所述卷筒驱动同步带轮固定连接在卷筒驱动轴上，所述卷筒驱动轴上固定连接有卷筒驱动轮，所述卷筒与卷筒驱动轮固定连接；所述第二卷筒支架上安装有卷筒支撑轴，所述卷筒支撑轴上安装有第二卷筒轴承，所述第二卷筒轴承上安装有卷筒随动轮，所述卷筒与卷筒随动轮固定连接；
所述排线机构包括双向丝杠以及间隔设置的第一丝杠支架和第二丝杠支架，所述第一丝杠支架上设置有第一丝杠轴承，所述第二丝杠支架上设置有第二丝杠轴承，所述双向丝杠的一端安装在第一丝杠轴承中，所述双向丝杠的另一端安装在第二丝杠轴承中，所述丝杠驱动同步带轮固定连接在双向丝杠上，所述双向丝杠上螺纹连接有丝杠滑块，所述第一丝杠支架和第二丝杠支架上架设有与双向丝杠相平行的光轴，所述光轴穿过设置在丝杠滑块上的导向孔，所述丝杠滑块顶部设置有用于排线的导线块，所述导线块上设置有供有线控制机器人的线缆穿过的导线孔。
上述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述第一卷筒轴承和第二卷筒轴承均为圆锥滚子轴承。
上述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述卷筒支撑轴内安装有光电滑环。
上述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述卷筒通过螺钉与卷筒驱动轮固定连接；所述卷筒通过螺钉与卷筒随动轮固定连接。
上述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述第一丝杠轴承和第二丝杠轴承均为圆锥滚子轴承。
上述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述导线块通过螺钉与丝杠滑块固定连接。
上述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述线缆收放电机上安装有用于对线缆收放电机转过的圈数进行实时检测的线缆收放电机编码器。
本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便、能够使得线缆收放有序、松紧合适、减少了线缆出现缠绕与断裂的问题的有线控制机器人用线缆收放装置的线缆收放方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、安装：将所述线缆收放装置安装在有线控制机器人上，并将有线控制机器人的线缆缠绕在卷筒上后先穿过光电滑环，再穿过设置在导线块上的导线孔与远端机器人控制箱连接；所述有线控制机器人上设置有用于驱动有线控制机器人的行走轮的行走电机，所述行走电机上安装有用于对行走电机的转速进行实时检测的行走电机编码器，所述远端机器人控制箱内设置有控制器，所述远端机器人控制箱上设置有控制计算机，所述控制器上接有用于连接控制器与控制计算机的通信电路模块，所述线缆收放电机编码器和行走电机编码器均与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端接有行走电机驱动器和线缆收放电机驱动器，所述行走电机与行走电机驱动器的输出端连接，所述线缆收放电机与线缆收放电机驱动器的输出端连接；
步骤二、收放线缆：机器人开始行走前，操作控制计算机，选择线缆收放装置的控制方式为手动控制方式或自动控制方式；
当选择手动控制方式时，收放线缆过程为：操作控制计算机，设定线缆收放电机的转速，并选择线缆释放或线缆收取；控制计算机通过通信电路模块将线缆收放电机的转速传输给控制器，控制器控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以设定的转速正转进行线缆释放或反转进行线缆收取；当线缆释放结束或线缆收取完毕时，操作控制计算机进行停机；
当选择自动控制方式时，收放线缆过程为：
步骤A、查看缠绕在卷筒上的有线控制机器人的线缆层数n和每层排布的排数m，输入控制计算机；并操作控制计算机，设定有线控制机器人行走的行走电机的转速ω2，线缆释放的长度Lx与有线控制机器人行走的距离S的差值阈值X，以及线缆收取的长度Lx′与有线控制机器人行走的距离S的差值阈值X′；其中，n的取值为1～6的整数，m的取值为1～20的整数；
步骤B、控制计算机根据公式ω1＝(D2·ω2)/(D+2(n-1)d)计算得到线缆收放装置的线缆收放电机的转速ω1，其中，D为卷筒的直径，D2为有线控制机器人的行走轮的直径，d为线缆直径；
步骤C、当有线控制机器人前进时，控制器控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以转速ω1正转进行线缆释放，同时，线缆收放电机编码器对线缆收放电机转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器，每检测一次，控制器就根据公式Lx＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆释放的长度Lx，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人行走的距离S，再对有线控制机器人行走的距离S和线缆释放的长度Lx进行比较，当S>Lx时，线缆上的张力会增大，此时，控制器通过线缆收放电机驱动器控制线缆收放电机的转速增大，使线缆释放速度跟上有线控制机器人的行走速度；当S＝Lx时，控制器继续控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以转速ω1正转进行线缆释放；当S<Lx时，控制器再将Lx与S的差值与X进行比较，当Lx与S的差值大于X时，说明线缆释放的速度过快，控制器通过线缆收放电机驱动器控制线缆收放电机的转速减小，当Lx与S的差值小于X时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器继续控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以转速ω1正转进行线缆释放；
当有线控制机器人后退时，控制器控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以转速ω1反转进行线缆收取，同时，线缆收放电机编码器对线缆收放电机转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器，每检测一次，控制器就根据公式Lx′＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆收取的长度Lx′，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人行走的距离S，再对有线控制机器人行走的距离S和线缆收取的长度Lx′进行比较，当S<Lx′时，线缆上的张力会增大，此时，控制器通过线缆收放电机驱动器控制线缆收放电机的转速减小，使线缆释放速度跟上有线控制机器人的行走速度；当S＝Lx′时，控制器继续控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以转速ω1反转进行线缆收取；当S>Lx′时，控制器再将S与Lx′的差值与X′进行比较，当S与Lx′的差值大于X′时，说明线缆收取的速度过慢，控制器通过线缆收放电机驱动器控制线缆收放电机的转速增大，当S与Lx′的差值小于X′时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器继续控制线缆收放电机驱动器驱动线缆收放电机以转速ω1反转进行线缆收取；
其中，L为线缆总长度，i为有线控制机器人行走传动比，t为有线控制机器人行走的时间；
步骤二中，线缆收放电机转动时，带动主驱动同步带轮转动，主驱动同步带轮通过卷筒驱动同步带带动卷筒驱动同步带轮转动，卷筒驱动同步带轮通过丝杠驱动同步带带动丝杠驱动同步带轮转动，卷筒驱动同步带轮作为中间传输轮实现了扭矩的传递，卷筒驱动同步带轮带动所述线缆卷取机构动作，丝杠驱动同步带轮带动所述排线机构动作；其中，所述线缆卷取机构的动作过程为：卷筒驱动同步带轮带动卷筒驱动轴转动，卷筒驱动轴带动卷筒驱动轮转动，进而带动卷筒转动，实现线缆的释放和收取；所述排线机构的动作过程为：卷筒驱动同步带轮带动双向丝杠转动，通过双向丝杠和丝杠滑块的配合把转动转变为丝杠滑块的左右移动，导线块随丝杠滑块一起运动，利用导线块的移动实现有线控制机器人的线缆的排布，将有线控制机器人的线缆整齐地缠绕在卷筒上。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的有线控制机器人用线缆收放装置，由同步带传动机构、线缆卷取机构和排线机构三个模块构成，利用一台线缆收放电机来实现线缆的收放和排布，且能够实现线缆的主动释放和收取，与现有技术中仅能被动释放线缆，无法自动收取线缆的被动放缆方式相比，能够实现机器人稳定可靠地放缆和收揽，且线缆收放有序，松紧合适，稳定性及有效性好。
2、本发明有线控制机器人用线缆收放装置的结构简单，设计合理，实现方便且成本低。
3、本发明的有线控制机器人用线缆收放装置使用时，安装在有线控制机器人上，并将有线控制机器人的线缆穿过设置在导线块上的导线孔，使用操作简单。
4、本发明有线控制机器人用线缆收放装置的工作稳定性和可靠性高。
5、本发明的有线控制机器人用线缆收放装置，主要用于有线控制机器人，能够实现线缆的主动释放和收取与机器人行走相配合，能够为机器人的有线控制建立稳定的通信线路，保证控制信号和相关传感器信息及电源的稳定传输，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
6、本发明的有线控制机器人用线缆收放装置的线缆收放方法步骤简单，实现方便，具有手动控制和自动控制两种控制方式，在使用自动控制方式时，通过将线缆释放或收取长度与机器人行走距离进行比较，能够使得线缆释放或收取长度始终与机器人行走距离相配合，使得线缆收放有序，松紧合适，减少了线缆出现缠绕、断裂的问题。
综上所述，本发明的设计合理，实现方便且成本低，使用操作简单，线缆收放有序，松紧合适，稳定性及有效性好，减少了线缆出现缠绕、断裂的问题，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明有线控制机器人用线缆收放装置的结构示意图。
图2为本发明同步带传动机构的结构示意图。
图3为本发明线缆卷取机构的结构示意图。
图4为本发明排线机构的结构示意图。
图5为本发明在有线控制机器人上的使用状态示意图。
图6为本发明控制器与其他各单元的电路连接框图。
图7为本发明有线控制机器人用线缆收放装置的线缆收放方法的方法流程框图。
附图标记说明:
1—线缆收放电机； 2—同步带传动机构； 2-1—主驱动同步带轮；
2-2—卷筒驱动同步带； 2-3—卷筒驱动同步带轮； 2-4—丝杠驱动同步带；
2-5—丝杠驱动同步带轮； 3—线缆卷取机构； 3-1—卷筒；
3-2—第一卷筒支架； 3-3—第二卷筒支架； 3-4—第一卷筒轴承；
3-5—卷筒驱动轴； 3-6—卷筒驱动轮； 3-7—卷筒支撑轴；
3-8—第二卷筒轴承； 3-9—卷筒随动轮； 3-10—光电滑环；
4—排线机构； 4-1—双向丝杠； 4-2—第一丝杠支架；
4-3—第二丝杠支架； 4-4—第一丝杠轴承； 4-5—第二丝杠轴承；
4-6—丝杠滑块； 4-7—光轴； 4-8—导线块；
4-9—导线孔； 5—有线控制机器人； 6—线缆收放电机编码器；
7—线缆收放装置； 8—行走电机； 9—行走电机编码器；
10—控制器； 11—控制计算机； 12—通信电路模块；
13—行走电机驱动器； 14—线缆收放电机驱动器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的有线控制机器人用线缆收放装置，包括线缆收放电机1和与线缆收放电机1的输出轴连接的同步带传动机构2，以及与同步带传动机构2均连接的线缆卷取机构3和排线机构4；
结合图2，所述同步带传动机构2包括主驱动同步带轮2-1、卷筒驱动同步带轮2-3和丝杠驱动同步带轮2-5，所述主驱动同步带轮2-1和卷筒驱动同步带轮2-3上跨接有卷筒驱动同步带2-2，所述卷筒驱动同步带轮2-3和丝杠驱动同步带轮2-5上跨接有丝杠驱动同步带2-4，所述主驱动同步带轮2-1固定连接在线缆收放电机1的输出轴上；
结合图3，所述线缆卷取机构3包括卷筒3-1以及间隔设置的第一卷筒支架3-2和第二卷筒支架3-3，所述第一卷筒支架3-2上设置有第一卷筒轴承3-4，所述第一卷筒轴承3-4上安装有卷筒驱动轴3-5，所述卷筒驱动同步带轮2-3固定连接在卷筒驱动轴3-5上，所述卷筒驱动轴3-5上固定连接有卷筒驱动轮3-6，所述卷筒3-1与卷筒驱动轮3-6固定连接；所述第二卷筒支架3-3上安装有卷筒支撑轴3-7，所述卷筒支撑轴3-7上安装有第二卷筒轴承3-8，所述第二卷筒轴承3-8上安装有卷筒随动轮3-9，所述卷筒3-1与卷筒随动轮3-9固定连接；
结合图4，所述排线机构4包括双向丝杠4-1以及间隔设置的第一丝杠支架4-2和第二丝杠支架4-3，所述第一丝杠支架4-2上设置有第一丝杠轴承4-4，所述第二丝杠支架4-3上设置有第二丝杠轴承4-5，所述双向丝杠4-1的一端安装在第一丝杠轴承4-4中，所述双向丝杠4-1的另一端安装在第二丝杠轴承4-5中，所述丝杠驱动同步带轮2-5固定连接在双向丝杠4-1上，所述双向丝杠4-1上螺纹连接有丝杠滑块4-6，所述第一丝杠支架4-2和第二丝杠支架4-3上架设有与双向丝杠4-1相平行的光轴4-7，所述光轴4-7穿过设置在丝杠滑块4-6上的导向孔，所述丝杠滑块4-6顶部设置有用于排线的导线块4-8，所述导线块4-8上设置有供有线控制机器人5的线缆穿过的导线孔4-9。
本发明的线缆收放装置，不仅包括线缆卷取机构，还包括线缆收放电机、同步带传动机构和排线机构，同步带传送机构用于将线缆收放电机的动力传递给线缆卷取机构和排线机构，在机器人上使用时，与远端机器人控制箱内的控制器相配合，能够实现线缆的主动释放和收取，与现有技术中仅能被动释放线缆，无法自动收取线缆的被动放缆方式相比，能够实现机器人稳定可靠地放缆和收揽，且线缆收放有序，松紧合适，稳定性及有效性好。
本实施例中，所述第一卷筒轴承3-4和第二卷筒轴承3-8均为圆锥滚子轴承。通过在线缆卷取机构3中使用成对的圆锥滚子轴承，第一个圆锥滚子轴承用来支撑安装卷筒驱动轴3-5，第二个圆锥滚子轴承用来支撑安装卷筒支撑轴3-7，使得线缆卷取机构3有了双向承受轴向力的功能，在进行线缆卷取时，具有了更好的稳定性和可靠性。
如图3所示，本实施例中，所述卷筒支撑轴3-7内安装有光电滑环3-10。光电滑环3-10用来实现信号从旋转平台向静止平台的传输，防止线缆因为卷筒3-1的旋转而产生扭曲变形，造成联接中断，信息传递和电源供应失败，保证了线缆释放和收取的稳定性和可靠性，能够保证机器人的持续稳定工作。
本实施例中，所述卷筒3-1通过螺钉与卷筒驱动轮3-6固定连接；所述卷筒3-1通过螺钉与卷筒随动轮3-9固定连接。将卷筒3-1通过螺钉与卷筒驱动轮3-6和卷筒随动轮3-9固定连接，能够保证卷筒3-1的安装稳固性。
本实施例中，所述第一丝杠轴承4-4和第二丝杠轴承4-5均为圆锥滚子轴承。通过在排线机构4中使用成对的圆锥滚子轴承，第一个圆锥滚子轴承和第二个圆锥滚子轴承相配合用来支撑安装双向丝杠4-1，使得排线机构4有了双向承受轴向力的功能，具有了更好的稳定性和可靠性。
本实施例中，所述导线块4-8通过螺钉与丝杠滑块4-6固定连接。采用螺钉将导线块4-8固定连接在丝杠滑块4-6顶部，使得导线块4-8与丝杠滑块4-6的连接可靠，导线块4-8能够随丝杠滑块4-6一起运动，利用导线块4-8的移动实现有线控制机器人5的线缆的排布，将有线控制机器人5的线缆整齐地缠绕在卷筒3-1上。
具体实施时，所述双向丝杆17的两端均设置有轴肩，所述双向丝杆17的两端分别通过第一丝杠轴承4-4和第二丝杠轴承4-5与轴肩的配合进行定位；所述光轴4-7的两端均设置有轴肩，所述光轴4-7的两端通过轴肩分别与第一丝杠支架4-2和第二丝杠支架4-3配合进行定位。
本实施例中，所述线缆收放电机1上安装有用于对线缆收放电机1转过的圈数进行实时检测的线缆收放电机编码器6。通过设置线缆收放电机编码器6，能够对线缆收放电机1转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器10。
如图7所示，本发明的有线控制机器人用线缆收放装置的线缆收放方法，包括以下步骤：
步骤一、安装：如图5所示，将所述线缆收放装置7安装在有线控制机器人5上，并将有线控制机器人5的线缆缠绕在卷筒3-1上后先穿过光电滑环3-10，再穿过设置在导线块4-8上的导线孔4-9与远端机器人控制箱连接；结合图6，所述有线控制机器人5上设置有用于驱动有线控制机器人5的行走轮的行走电机8，所述行走电机8上安装有用于对行走电机8的转速进行实时检测的行走电机编码器9，所述远端机器人控制箱内设置有控制器10，所述远端机器人控制箱上设置有控制计算机11，所述控制器10上接有用于连接控制器10与控制计算机11的通信电路模块12，所述线缆收放电机编码器6和行走电机编码器9均与控制器10的输入端连接，所述控制器10的输出端接有行走电机驱动器13和线缆收放电机驱动器14，所述行走电机8与行走电机驱动器13的输出端连接，所述线缆收放电机1与线缆收放电机驱动器14的输出端连接；
步骤二、收放线缆：机器人开始行走前，操作控制计算机11，选择线缆收放装置7的控制方式为手动控制方式或自动控制方式；
当选择手动控制方式时，收放线缆过程为：操作控制计算机11，设定线缆收放电机1的转速，并选择线缆释放或线缆收取；控制计算机11通过通信电路模块12将线缆收放电机1的转速传输给控制器10，控制器10控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以设定的转速正转进行线缆释放或反转进行线缆收取；当线缆释放结束或线缆收取完毕时，操作控制计算机11进行停机；
当选择自动控制方式时，收放线缆过程为：
步骤A、查看缠绕在卷筒3-1上的有线控制机器人5的线缆层数n和每层排布的排数m，输入控制计算机11；并操作控制计算机11，设定有线控制机器人5行走的行走电机8的转速ω2，线缆释放的长度Lx与有线控制机器人5行走的距离S的差值阈值X，以及线缆收取的长度Lx′与有线控制机器人5行走的距离S的差值阈值X′；其中，n的取值为1～6的整数，m的取值为1～20的整数；
具体实施时，X和X′的取值相等且均取值为线缆收放装置7的卷筒3-1到地面的高度；
步骤B、控制计算机11根据公式ω1＝(D2·ω2)/(D+2(n-1)d)计算得到线缆收放装置的线缆收放电机1的转速ω1，其中，D为卷筒3-1的直径，D2为有线控制机器人5的行走轮的直径，d为线缆直径；
步骤C、当有线控制机器人5前进时，控制器10控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以转速ω1正转进行线缆释放，同时，线缆收放电机编码器6对线缆收放电机1转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器10，每检测一次，控制器10就根据公式Lx＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆释放的长度Lx，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人5行走的距离S，再对有线控制机器人5行走的距离S和线缆释放的长度Lx进行比较，当S>Lx时，线缆上的张力会增大，此时，控制器10通过线缆收放电机驱动器14控制线缆收放电机1的转速增大，使线缆释放速度跟上有线控制机器人5的行走速度；当S＝Lx时，控制器10继续控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以转速ω1正转进行线缆释放；当S<Lx时，控制器10再将Lx与S的差值与X进行比较，当Lx与S的差值大于X时，说明线缆释放的速度过快，控制器10通过线缆收放电机驱动器14控制线缆收放电机1的转速减小，当Lx与S的差值小于X时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器10继续控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以转速ω1正转进行线缆释放；
当有线控制机器人5后退时，控制器10控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以转速ω1反转进行线缆收取，同时，线缆收放电机编码器6对线缆收放电机1转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器10，每检测一次，控制器10就根据公式Lx′＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆收取的长度Lx′，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人5行走的距离S，再对有线控制机器人5行走的距离S和线缆收取的长度Lx′进行比较，当S<Lx′时，线缆上的张力会增大，此时，控制器10通过线缆收放电机驱动器14控制线缆收放电机1的转速减小，使线缆释放速度跟上有线控制机器人5的行走速度；当S＝Lx′时，控制器10继续控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以转速ω1反转进行线缆收取；当S>Lx′时，控制器10再将S与Lx′的差值与X′进行比较，当S与Lx′的差值大于X′时，说明线缆收取的速度过慢，控制器10通过线缆收放电机驱动器14控制线缆收放电机1的转速增大，当S与Lx′的差值小于X′时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器10继续控制线缆收放电机驱动器14驱动线缆收放电机1以转速ω1反转进行线缆收取；
其中，L为线缆总长度，i为有线控制机器人5行走传动比，t为有线控制机器人5行走的时间；
步骤二中，线缆收放电机1转动时，带动主驱动同步带轮2-1转动，主驱动同步带轮2-1通过卷筒驱动同步带2-2带动卷筒驱动同步带轮2-3转动，卷筒驱动同步带轮2-3通过丝杠驱动同步带2-4带动丝杠驱动同步带轮2-5转动，卷筒驱动同步带轮2-3作为中间传输轮实现了扭矩的传递，卷筒驱动同步带轮2-3带动所述线缆卷取机构3动作，丝杠驱动同步带轮2-5带动所述排线机构4动作；其中，所述线缆卷取机构3的动作过程为：卷筒驱动同步带轮2-3带动卷筒驱动轴3-5转动，卷筒驱动轴3-5带动卷筒驱动轮3-6转动，进而带动卷筒3-1转动，实现线缆的释放和收取；卷筒支撑轴3-7对卷筒3-1起支撑作用，光电滑环3-10用来实现信号从旋转平台向静止平台的传输，防止线缆因为卷筒3-1的旋转而产生扭曲变形，造成联接中断，信息传递和电源供应失败；所述排线机构4的动作过程为：卷筒驱动同步带轮2-3带动双向丝杠4-1转动，通过双向丝杠4-1和丝杠滑块4-6的配合把转动转变为丝杠滑块4-6的左右移动，导线块4-8随丝杠滑块4-6一起运动，利用导线块4-8的移动实现有线控制机器人5的线缆的排布，将有线控制机器人5的线缆整齐地缠绕在卷筒3-1上。通过将光轴4-7穿过设置在丝杠滑块4-6上的导向孔，能够对丝杠滑块4-6的转动进行限制，防止丝杠滑块4-6的转动影响排线效果。
本发明的有线控制机器人用线缆收放装置的线缆收放方法，具有手动控制和自动控制两种控制方式，在使用自动控制方式时，通过将线缆释放或收取长度与机器人行走距离进行比较，能够使得线缆释放或收取长度始终与机器人行走距离相配合，使得线缆收放有序，松紧合适，减少了线缆出现缠绕、断裂的问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种有线控制机器人用线缆收放装置，包括线缆收放电机(1)和与线缆收放电机(1)的输出轴连接的同步带传动机构(2)，以及与同步带传动机构(2)均连接的线缆卷取机构(3)和排线机构(4)；
所述同步带传动机构(2)包括主驱动同步带轮(2-1)、卷筒驱动同步带轮(2-3)和丝杠驱动同步带轮(2-5)，所述主驱动同步带轮(2-1)和卷筒驱动同步带轮(2-3)上跨接有卷筒驱动同步带(2-2)，所述卷筒驱动同步带轮(2-3)和丝杠驱动同步带轮(2-5)上跨接有丝杠驱动同步带(2-4)，所述主驱动同步带轮(2-1)固定连接在线缆收放电机(1)的输出轴上；
所述线缆卷取机构(3)包括卷筒(3-1)以及间隔设置的第一卷筒支架(3-2)和第二卷筒支架(3-3)，所述第一卷筒支架(3-2)上设置有第一卷筒轴承(3-4)，所述第一卷筒轴承(3-4)上安装有卷筒驱动轴(3-5)，所述卷筒驱动同步带轮(2-3)固定连接在卷筒驱动轴(3-5)上，所述卷筒驱动轴(3-5)上固定连接有卷筒驱动轮(3-6)，所述卷筒(3-1)与卷筒驱动轮(3-6)固定连接；所述第二卷筒支架(3-3)上安装有卷筒支撑轴(3-7)，所述卷筒支撑轴(3-7)上安装有第二卷筒轴承(3-8)，所述第二卷筒轴承(3-8)上安装有卷筒随动轮(3-9)，所述卷筒(3-1)与卷筒随动轮(3-9)固定连接；
所述排线机构(4)包括双向丝杠(4-1)以及间隔设置的第一丝杠支架(4-2)和第二丝杠支架(4-3)，所述第一丝杠支架(4-2)上设置有第一丝杠轴承(4-4)，所述第二丝杠支架(4-3)上设置有第二丝杠轴承(4-5)，所述双向丝杠(4-1)的一端安装在第一丝杠轴承(4-4)中，所述双向丝杠(4-1)的另一端安装在第二丝杠轴承(4-5)中，所述丝杠驱动同步带轮(2-5)固定连接在双向丝杠(4-1)上，所述双向丝杠(4-1)上螺纹连接有丝杠滑块(4-6)，所述第一丝杠支架(4-2)和第二丝杠支架(4-3)上架设有与双向丝杠(4-1)相平行的光轴(4-7)，所述光轴(4-7)穿过设置在丝杠滑块(4-6)上的导向孔，所述丝杠滑块(4-6)顶部设置有用于排线的导线块(4-8)，所述导线块(4-8)上设置有供有线控制机器人(5)的线缆穿过的导线孔(4-9)；
所述线缆收放电机(1)上安装有用于对线缆收放电机(1)转过的圈数进行实时检测的线缆收放电机编码器(6)；
其特征在于：采用该线缆收放装置进行线缆收放的方法包括以下步骤：
步骤一、安装：将所述线缆收放装置(7)安装在有线控制机器人(5)上，并将有线控制机器人(5)的线缆缠绕在卷筒(3-1)上后先穿过光电滑环(3-10)，再穿过设置在导线块(4-8)上的导线孔(4-9)与远端机器人控制箱连接；所述有线控制机器人(5)上设置有用于驱动有线控制机器人(5)的行走轮的行走电机(8)，所述行走电机(8)上安装有用于对行走电机(8)的转速进行实时检测的行走电机编码器(9)，所述远端机器人控制箱内设置有控制器(10)，所述远端机器人控制箱上设置有控制计算机(11)，所述控制器(10)上接有用于连接控制器(10)与控制计算机(11)的通信电路模块(12)，所述线缆收放电机编码器(6)和行走电机编码器(9)均与控制器(10)的输入端连接，所述控制器(10)的输出端接有行走电机驱动器(13)和线缆收放电机驱动器(14)，所述行走电机(8)与行走电机驱动器(13)的输出端连接，所述线缆收放电机(1)与线缆收放电机驱动器(14)的输出端连接；
步骤二、收放线缆：机器人开始行走前，操作控制计算机(11)，选择线缆收放装置(7)的控制方式为手动控制方式或自动控制方式；
当选择手动控制方式时，收放线缆过程为：操作控制计算机(11)，设定线缆收放电机(1)的转速，并选择线缆释放或线缆收取；控制计算机(11)通过通信电路模块(12)将线缆收放电机(1)的转速传输给控制器(10)，控制器(10)控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以设定的转速正转进行线缆释放或反转进行线缆收取；当线缆释放结束或线缆收取完毕时，操作控制计算机(11)进行停机；
当选择自动控制方式时，收放线缆过程为：
步骤A、查看缠绕在卷筒(3-1)上的有线控制机器人(5)的线缆层数n和每层排布的排数m，输入控制计算机(11)；并操作控制计算机(11)，设定有线控制机器人(5)行走的行走电机(8)的转速ω2，线缆释放的长度Lx与有线控制机器人(5)行走的距离S的差值阈值X，以及线缆收取的长度Lx′与有线控制机器人(5)行走的距离S的差值阈值X′；其中，n的取值为1～6的整数，m的取值为1～20的整数；
步骤B、控制计算机(11)根据公式ω1＝(D2·ω2)/(D+2(n-1)d)计算得到线缆收放装置的线缆收放电机(1)的转速ω1，其中，D为卷筒(3-1)的直径，D2为有线控制机器人(5)的行走轮的直径，d为线缆直径；
步骤C、当有线控制机器人(5)前进时，控制器(10)控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1正转进行线缆释放，同时，线缆收放电机编码器(6)对线缆收放电机(1)转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器(10)，每检测一次，控制器(10)就根据公式Lx＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆释放的长度Lx，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人(5)行走的距离S，再对有线控制机器人(5)行走的距离S和线缆释放的长度Lx进行比较，当S>Lx时，线缆上的张力会增大，此时，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速增大，使线缆释放速度跟上有线控制机器人(5)的行走速度；当S＝Lx时，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1正转进行线缆释放；当S<Lx时，控制器(10)再将Lx与S的差值与X进行比较，当Lx与S的差值大于X时，说明线缆释放的速度过快，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速减小，当Lx与S的差值小于X时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1正转进行线缆释放；
当有线控制机器人(5)后退时，控制器(10)控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1反转进行线缆收取，同时，线缆收放电机编码器(6)对线缆收放电机(1)转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器(10)，每检测一次，控制器(10)就根据公式L′x＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆收取的长度L′x，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人(5)行走的距离S，再对有线控制机器人(5)行走的距离S和线缆收取的长度L′x进行比较，当S<L′x时，线缆上的张力会增大，此时，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速减小，使线缆释放速度跟上有线控制机器人(5)的行走速度；当S＝L′x时，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1反转进行线缆收取；当S>L′x时，控制器(10)再将S与L′x的差值与X′进行比较，当S与L′x的差值大于X′时，说明线缆收取的速度过慢，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速增大，当S与L′x的差值小于X′时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1反转进行线缆收取；
其中，L为线缆总长度，i为有线控制机器人(5)行走传动比，t为有线控制机器人(5)行走的时间；
步骤二中，线缆收放电机(1)转动时，带动主驱动同步带轮(2-1)转动，主驱动同步带轮(2-1)通过卷筒驱动同步带(2-2)带动卷筒驱动同步带轮(2-3)转动，卷筒驱动同步带轮(2-3)通过丝杠驱动同步带(2-4)带动丝杠驱动同步带轮(2-5)转动，卷筒驱动同步带轮(2-3)作为中间传输轮实现了扭矩的传递，卷筒驱动同步带轮(2-3)带动所述线缆卷取机构(3)动作，丝杠驱动同步带轮(2-5)带动所述排线机构(4)动作；其中，所述线缆卷取机构(3)的动作过程为：卷筒驱动同步带轮(2-3)带动卷筒驱动轴(3-5)转动，卷筒驱动轴(3-5)带动卷筒驱动轮(3-6)转动，进而带动卷筒(3-1)转动，实现线缆的释放和收取；所述排线机构(4)的动作过程为：卷筒驱动同步带轮(2-3)带动双向丝杠(4-1)转动，通过双向丝杠(4-1)和丝杠滑块(4-6)的配合把转动转变为丝杠滑块(4-6)的左右移动，导线块(4-8)随丝杠滑块(4-6)一起运动，利用导线块(4-8)的移动实现有线控制机器人(5)的线缆的排布，将有线控制机器人(5)的线缆整齐地缠绕在卷筒(3-1)上。
2.按照权利要求1所述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述第一卷筒轴承(3-4)和第二卷筒轴承(3-8)均为圆锥滚子轴承。
3.按照权利要求1所述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述卷筒支撑轴(3-7)内安装有光电滑环(3-10)。
4.按照权利要求1所述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述卷筒(3-1)通过螺钉与卷筒驱动轮(3-6)固定连接；所述卷筒(3-1)通过螺钉与卷筒随动轮(3-9)固定连接。
5.按照权利要求1所述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述第一丝杠轴承(4-4)和第二丝杠轴承(4-5)均为圆锥滚子轴承。
6.按照权利要求1所述的有线控制机器人用线缆收放装置，其特征在于：所述导线块(4-8)通过螺钉与丝杠滑块(4-6)固定连接。
7.一种采用如权利要求1所述线缆收放装置进行线缆收放的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、安装：将所述线缆收放装置(7)安装在有线控制机器人(5)上，并将有线控制机器人(5)的线缆缠绕在卷筒(3-1)上后先穿过光电滑环(3-10)，再穿过设置在导线块(4-8)上的导线孔(4-9)与远端机器人控制箱连接；所述有线控制机器人(5)上设置有用于驱动有线控制机器人(5)的行走轮的行走电机(8)，所述行走电机(8)上安装有用于对行走电机(8)的转速进行实时检测的行走电机编码器(9)，所述远端机器人控制箱内设置有控制器(10)，所述远端机器人控制箱上设置有控制计算机(11)，所述控制器(10)上接有用于连接控制器(10)与控制计算机(11)的通信电路模块(12)，所述线缆收放电机编码器(6)和行走电机编码器(9)均与控制器(10)的输入端连接，所述控制器(10)的输出端接有行走电机驱动器(13)和线缆收放电机驱动器(14)，所述行走电机(8)与行走电机驱动器(13)的输出端连接，所述线缆收放电机(1)与线缆收放电机驱动器(14)的输出端连接；
步骤二、收放线缆：机器人开始行走前，操作控制计算机(11)，选择线缆收放装置(7)的控制方式为手动控制方式或自动控制方式；
当选择手动控制方式时，收放线缆过程为：操作控制计算机(11)，设定线缆收放电机(1)的转速，并选择线缆释放或线缆收取；控制计算机(11)通过通信电路模块(12)将线缆收放电机(1)的转速传输给控制器(10)，控制器(10)控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以设定的转速正转进行线缆释放或反转进行线缆收取；当线缆释放结束或线缆收取完毕时，操作控制计算机(11)进行停机；
当选择自动控制方式时，收放线缆过程为：
步骤A、查看缠绕在卷筒(3-1)上的有线控制机器人(5)的线缆层数n和每层排布的排数m，输入控制计算机(11)；并操作控制计算机(11)，设定有线控制机器人(5)行走的行走电机(8)的转速ω2，线缆释放的长度Lx与有线控制机器人(5)行走的距离S的差值阈值X，以及线缆收取的长度L′x与有线控制机器人(5)行走的距离S的差值阈值X′；其中，n的取值为1～6的整数，m的取值为1～20的整数；
步骤B、控制计算机(11)根据公式ω1＝(D2·ω2)/(D+2(n-1)d)计算得到线缆收放装置的线缆收放电机(1)的转速ω1，其中，D为卷筒(3-1)的直径，D2为有线控制机器人(5)的行走轮的直径，d为线缆直径；
步骤C、当有线控制机器人(5)前进时，控制器(10)控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1正转进行线缆释放，同时，线缆收放电机编码器(6)对线缆收放电机(1)转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器(10)，每检测一次，控制器(10)就根据公式Lx＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆释放的长度Lx，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人(5)行走的距离S，再对有线控制机器人(5)行走的距离S和线缆释放的长度Lx进行比较，当S>Lx时，线缆上的张力会增大，此时，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速增大，使线缆释放速度跟上有线控制机器人(5)的行走速度；当S＝Lx时，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1正转进行线缆释放；当S<Lx时，控制器(10)再将Lx与S的差值与X进行比较，当Lx与S的差值大于X时，说明线缆释放的速度过快，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速减小，当Lx与S的差值小于X时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1正转进行线缆释放；
当有线控制机器人(5)后退时，控制器(10)控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1反转进行线缆收取，同时，线缆收放电机编码器(6)对线缆收放电机(1)转过的圈数进行周期性检测并将检测到的信号输出给控制器(10)，每检测一次，控制器(10)就根据公式L′x＝L-m·π·[nD+n(n-1)d]计算得到线缆收取的长度L′x，并根据公式S＝i·πD2·ω2·t计算得到有线控制机器人(5)行走的距离S，再对有线控制机器人(5)行走的距离S和线缆收取的长度L′x进行比较，当S<L′x时，线缆上的张力会增大，此时，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速减小，使线缆释放速度跟上有线控制机器人(5)的行走速度；当S＝L′x时，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1反转进行线缆收取；当S>L′x时，控制器(10)再将S与L′x的差值与X′进行比较，当S与L′x的差值大于X′时，说明线缆收取的速度过慢，控制器(10)通过线缆收放电机驱动器(14)控制线缆收放电机(1)的转速增大，当S与L′x的差值小于X′时，说明线缆的释放速度还在合理的范围内，控制器(10)继续控制线缆收放电机驱动器(14)驱动线缆收放电机(1)以转速ω1反转进行线缆收取；
其中，L为线缆总长度，i为有线控制机器人(5)行走传动比，t为有线控制机器人(5)行走的时间；
步骤二中，线缆收放电机(1)转动时，带动主驱动同步带轮(2-1)转动，主驱动同步带轮(2-1)通过卷筒驱动同步带(2-2)带动卷筒驱动同步带轮(2-3)转动，卷筒驱动同步带轮(2-3)通过丝杠驱动同步带(2-4)带动丝杠驱动同步带轮(2-5)转动，卷筒驱动同步带轮(2-3)作为中间传输轮实现了扭矩的传递，卷筒驱动同步带轮(2-3)带动所述线缆卷取机构(3)动作，丝杠驱动同步带轮(2-5)带动所述排线机构(4)动作；其中，所述线缆卷取机构(3)的动作过程为：卷筒驱动同步带轮(2-3)带动卷筒驱动轴(3-5)转动，卷筒驱动轴(3-5)带动卷筒驱动轮(3-6)转动，进而带动卷筒(3-1)转动，实现线缆的释放和收取；所述排线机构(4)的动作过程为：卷筒驱动同步带轮(2-3)带动双向丝杠(4-1)转动，通过双向丝杠(4-1)和丝杠滑块(4-6)的配合把转动转变为丝杠滑块(4-6)的左右移动，导线块(4-8)随丝杠滑块(4-6)一起运动，利用导线块(4-8)的移动实现有线控制机器人(5)的线缆的排布，将有线控制机器人(5)的线缆整齐地缠绕在卷筒(3-1)上。
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