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        爬桿防墜落報警裝置控制系統(tǒng)設計

        2021-03-06 05:31:06杜明雨劉海宇
        卷宗 2021年1期
        關鍵詞:優(yōu)化結構設備

        杜明雨 劉海宇 程 月 趙 琳

        (臨沂大學 自動化與電氣工程學院,山東 臨沂 276000)

        目前市場上沒有出現(xiàn)與報警系統(tǒng)相結合的攀爬防墜設備,大多數(shù)是傳統(tǒng)的爬桿腳扣,安全措施不到位,技術要求高,面對突發(fā)狀況,完全只能依靠個人反應能力,沒有外物輔助,生命安全沒有保障,而爬鋼架的爬桿腳扣應用環(huán)境受限,不能普遍應用于高空作業(yè)的其他場景,有待開發(fā)完善,大量的高強度高危的工作環(huán)境,更急需這種降低危險的防墜設備出現(xiàn)。

        1 研究內(nèi)容

        1.1 控制系統(tǒng)設計思路

        本文研究思路是一款爬桿防墜落報警裝置,設計整體控制系統(tǒng),調(diào)節(jié)軟件程序?qū)崿F(xiàn)使stm32c8t6作為主控處理,采集壓力傳感器數(shù)字信息,主控處理后驅(qū)動裝置驅(qū)動動力裝置做出及時反應并姿態(tài)傳感器及時反饋信息主控進一步解析數(shù)據(jù)及時動作,完成快速預定的目標動作。

        圖1 控制系統(tǒng)結構圖

        1.2 人體姿態(tài)度解析算法

        采集多組人體爬桿時的肩關節(jié),股關節(jié),膝蓋關節(jié)等人體主要關節(jié)的彎曲角度,根據(jù)PSO粒子群優(yōu)化算法,仿真出人體軀干部及腰部的整體和垂直桿狀傾角。依據(jù)人體動態(tài)模擬解析出靜態(tài)漸變姿態(tài)數(shù)據(jù),繼續(xù)使用SAPSO算法優(yōu)化仿真數(shù)據(jù),完成姿態(tài)估計,追蹤漸變姿態(tài)數(shù)據(jù)(設為t時刻),進而提前預測人體下一步姿態(tài)模擬數(shù)據(jù)(t+1時刻),用PID算法繼續(xù)優(yōu)化得到收斂性和穩(wěn)定性比較好的可用數(shù)據(jù),完成人體姿態(tài)的解析和數(shù)據(jù)采集。

        1.3 硬件組裝及硬件調(diào)配

        與其他攀爬設備相比,本項目進行大量模擬人體下墜參數(shù)采集及設備快速準確的調(diào)試,優(yōu)化了突然停駐時給人身體帶來的損傷,減少了工作人員長時間工作對人體帶來的損傷和身體的大量負荷。

        底部腳架安裝的壓力傳感器,及時采集受力結構的壓力,數(shù)據(jù)參數(shù)傳回主控并反饋給執(zhí)行機構的電機,帶動部分機械裝置旋轉(zhuǎn),進而帶動可伸縮裝置,從而使壓力足夠承受人體和整個設備停駐在桿部。

        2 工作原理和結構設計

        2.1 主要數(shù)據(jù)采集

        1)角度采集。與其他攀爬設備相比,本項目進行大量模擬人體下墜參數(shù)采集及設備快速準確的調(diào)試,優(yōu)化了突然停駐時給人身體帶來的損傷,減少了工作人員沖撞和墜落帶來的意外。項目前期采用MPU—6050姿態(tài)傳感器采集到的設備參數(shù)狀態(tài),再進行控制系統(tǒng)處理姿態(tài)狀況時,對應參數(shù)狀態(tài)從而編制出對應的執(zhí)行指令。2)壓感采集。增設S型壓力傳感器SBT630BD20和高精度測距儀,參考爬桿的結構普通設備的設計特點以及人員爬桿的著力點的分析。底部腳架安裝的壓力傳感器,及時采集受力結構的壓力,數(shù)據(jù)參數(shù)傳回主控并反饋給執(zhí)行機構的電機,帶動部分機械裝置旋轉(zhuǎn),進而帶動可伸縮裝置,從而使壓力足夠承受人體和整個設備停駐在桿部,以便適應并處理復雜情況,保障生命安全。

        2.2 墜落報警裝置設計

        采集各傳感器數(shù)據(jù)后,選擇在腰部增添了警報支撐裝置,通過分析姿態(tài)數(shù)據(jù)優(yōu)化算法后整合可用數(shù)據(jù),超出正常范圍閾量時發(fā)出提前做出意外警報提示,發(fā)出強烈聲光反應,并及時完成一系列停駐預期動作。

        2.3 調(diào)配方式

        安裝并調(diào)節(jié)外設采集的數(shù)據(jù)信息調(diào)試好通信及各項閾值的設定,形成完整的安全防墜系統(tǒng),整合人體姿態(tài)參數(shù)提高佩戴舒適度。

        1)以現(xiàn)有的結構為基礎,由人員穿戴后靠角度傳感器模擬采集人體后仰或下墜角度;2)記錄分析各人體姿態(tài)數(shù)據(jù),構建發(fā)力結構數(shù)學模型。3)完善動力裝置對機械結構的協(xié)調(diào)運作,采集反饋裝配后的人體姿態(tài)數(shù)據(jù),調(diào)整后執(zhí)行精準快速的動作,協(xié)調(diào)完善。4)通過調(diào)節(jié)其他各個傳感器的功能和通信,并將各個模塊和執(zhí)行機構整合起來,大量采集人體數(shù)據(jù),保證穿戴舒適性實現(xiàn)整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)性與性能可靠性的進一步提升。

        除優(yōu)化設備性能外,本設備的機械結構會在與人體接觸的主要部位,在保證牢固的情況下加裝了多種有彈性的裕量充足的帶扣,增加腰部安全防護,大量的軟性彈性裝置在保證穩(wěn)定性的同時還大大減少了工作人員肌肉拉傷的風險,起到降低損傷的作用。可以適用于不同體型的工作人員的穿戴。

        2.4 結構方面

        解決整體機械性能的可靠性問題,并在此基礎上換用性能更加可靠的新材料,增強設備的強度與抗干擾能力。應用新型高強度材料作為機械本體構造,增強了結構的強度并進一步降低整體的重量,降低使用過程中的能耗。同時采用數(shù)個抗干擾能力強和有一完整驅(qū)動設備電機構成制動伸縮環(huán)節(jié),保證整體設備的穩(wěn)定性和靈活性。本設計的外部輔助爬桿裝置提高了安全系數(shù)降低了風險,尤其腰部警報支撐裝置可以及時地在工作人員分心或者其他意外產(chǎn)生時,立刻做出反應,保護人員安全。

        3 結束語

        設計整體控制系統(tǒng),結構靈活方便,安全系數(shù)高,采取應用廣泛的攀爬設備和防墜措施結合,精準快速動作。調(diào)節(jié)軟件程序?qū)崿F(xiàn)使stm32c8t6作為主控處理,解析人體姿態(tài)數(shù)據(jù),提前預測下一步動作反應,優(yōu)化可用數(shù)據(jù),并采集壓力傳感器數(shù)字信息,主控處理后發(fā)出預警信息驅(qū)動裝置帶動腰部裝置收縮,使人體停駐,進一步跟蹤反饋信息,完成預期防墜落的目標動作。

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