爬桿防墜落報(bào)警裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜明雨 劉海宇 程 月 趙 琳

（臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276000）

目前市場(chǎng)上沒有出現(xiàn)與報(bào)警系統(tǒng)相結(jié)合的攀爬防墜設(shè)備，大多數(shù)是傳統(tǒng)的爬桿腳扣，安全措施不到位，技術(shù)要求高，面對(duì)突發(fā)狀況，完全只能依靠個(gè)人反應(yīng)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(yīng)用環(huán)境受限，不能普遍應(yīng)用于高空作業(yè)的其他場(chǎng)景，有待開發(fā)完善，大量的高強(qiáng)度高危的工作環(huán)境，更急需這種降低危險(xiǎn)的防墜設(shè)備出現(xiàn)。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

本文研究思路是一款爬桿防墜落報(bào)警裝置，設(shè)計(jì)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(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置做出及時(shí)反應(yīng)并姿態(tài)傳感器及時(shí)反饋信息主控進(jìn)一步解析數(shù)據(jù)及時(shí)動(dòng)作，完成快速預(yù)定的目標(biāo)動(dòng)作。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 人體姿態(tài)度解析算法

采集多組人體爬桿時(shí)的肩關(guān)節(jié)，股關(guān)節(jié)，膝蓋關(guān)節(jié)等人體主要關(guān)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(dòng)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(jì)，追蹤漸變姿態(tài)數(shù)據(jù)（設(shè)為t時(shí)刻），進(jìn)而提前預(yù)測(cè)人體下一步姿態(tài)模擬數(shù)據(jù)（t+1時(shí)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(shè)備相比，本項(xiàng)目進(jìn)行大量模擬人體下墜參數(shù)采集及設(shè)備快速準(zhǔn)確的調(diào)試，優(yōu)化了突然停駐時(shí)給人身體帶來的損傷，減少了工作人員長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)人體帶來的損傷和身體的大量負(fù)荷。

底部腳架安裝的壓力傳感器，及時(shí)采集受力結(jié)構(gòu)的壓力，數(shù)據(jù)參數(shù)傳回主控并反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)，帶動(dòng)部分機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)可伸縮裝置，從而使壓力足夠承受人體和整個(gè)設(shè)備停駐在桿部。

2 工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要數(shù)據(jù)采集

1）角度采集。與其他攀爬設(shè)備相比，本項(xiàng)目進(jìn)行大量模擬人體下墜參數(shù)采集及設(shè)備快速準(zhǔn)確的調(diào)試，優(yōu)化了突然停駐時(shí)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(xiàng)目前期采用MPU—6050姿態(tài)傳感器采集到的設(shè)備參數(shù)狀態(tài)，再進(jìn)行控制系統(tǒng)處理姿態(tài)狀況時(shí)，對(duì)應(yīng)參數(shù)狀態(tài)從而編制出對(duì)應(yīng)的執(zhí)行指令。2）壓感采集。增設(shè)S型壓力傳感器SBT630BD20和高精度測(cè)距儀,參考爬桿的結(jié)構(gòu)普通設(shè)備的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及人員爬桿的著力點(diǎn)的分析。底部腳架安裝的壓力傳感器，及時(shí)采集受力結(jié)構(gòu)的壓力，數(shù)據(jù)參數(shù)傳回主控并反饋給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)，帶動(dòng)部分機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)可伸縮裝置，從而使壓力足夠承受人體和整個(gè)設(shè)備停駐在桿部，以便適應(yīng)并處理復(fù)雜情況，保障生命安全。

2.2 墜落報(bào)警裝置設(shè)計(jì)

采集各傳感器數(shù)據(jù)后，選擇在腰部增添了警報(bào)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(shí)發(fā)出提前做出意外警報(bào)提示，發(fā)出強(qiáng)烈聲光反應(yīng)，并及時(shí)完成一系列停駐預(yù)期動(dòng)作。

2.3 調(diào)配方式

安裝并調(diào)節(jié)外設(shè)采集的數(shù)據(jù)信息調(diào)試好通信及各項(xiàng)閾值的設(shè)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(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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(gòu)建發(fā)力結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。3）完善動(dòng)力裝置對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)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(zhǔn)快速的動(dòng)作，協(xié)調(diào)完善。4）通過調(diào)節(jié)其他各個(gè)傳感器的功能和通信，并將各個(gè)模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)整合起來，大量采集人體數(shù)據(jù)，保證穿戴舒適性實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)協(xié)調(diào)性與性能可靠性的進(jìn)一步提升。

除優(yōu)化設(shè)備性能外，本設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)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(hù)，大量的軟性彈性裝置在保證穩(wěn)定性的同時(shí)還大大減少了工作人員肌肉拉傷的風(fēng)險(xiǎn)，起到降低損傷的作用?？梢赃m用于不同體型的工作人員的穿戴。

2.4 結(jié)構(gòu)方面

解決整體機(jī)械性能的可靠性問題，并在此基礎(chǔ)上換用性能更加可靠的新材料，增強(qiáng)設(shè)備的強(qiáng)度與抗干擾能力。應(yīng)用新型高強(qiáng)度材料作為機(jī)械本體構(gòu)造，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并進(jìn)一步降低整體的重量，降低使用過程中的能耗。同時(shí)采用數(shù)個(gè)抗干擾能力強(qiáng)和有一完整驅(qū)動(dòng)設(shè)備電機(jī)構(gòu)成制動(dòng)伸縮環(huán)節(jié)，保證整體設(shè)備的穩(wěn)定性和靈活性。本設(shè)計(jì)的外部輔助爬桿裝置提高了安全系數(shù)降低了風(fēng)險(xiǎn)，尤其腰部警報(bào)支撐裝置可以及時(shí)地在工作人員分心或者其他意外產(chǎn)生時(shí)，立刻做出反應(yīng)，保護(hù)人員安全。

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)整體控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)靈活方便，安全系數(shù)高，采取應(yīng)用廣泛的攀爬設(shè)備和防墜措施結(jié)合，精準(zhǔn)快速動(dòng)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(yù)測(cè)下一步動(dòng)作反應(yīng)，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(yù)警信息驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)腰部裝置收縮，使人體停駐，進(jìn)一步跟蹤反饋信息，完成預(yù)期防墜落的目標(biāo)動(dòng)作。