鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的研制

由路， 梁磊， 朱衛(wèi)

（1.上海開(kāi)放大學(xué)，上海 200043；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作北京中心，北京 100081；3.吉林省送變電工程公司，長(zhǎng)春 130001）

0 引言

在對(duì)無(wú)縫鋼管內(nèi)壁質(zhì)量檢測(cè)中，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式都是人工進(jìn)行超聲波探傷、渦流探傷和磁粉探傷[1-2]等，此種方法操作繁瑣，效率低下，且需要熟練的經(jīng)驗(yàn)。因而只能采用抽檢的方式，難以保證出廠的每根鋼管都經(jīng)受檢驗(yàn)，從而給后續(xù)的使用留下了安全隱患。因而研制一種能夠高效準(zhǔn)確檢測(cè)無(wú)縫鋼管內(nèi)壁質(zhì)量的設(shè)備就變得尤為迫切。進(jìn)行計(jì)算與確定。圖1中：R為管壁內(nèi)徑，H為連桿支撐點(diǎn)距軸線垂直距離，L為連桿臂長(zhǎng)度，r為輪子半徑，θ為連桿與水平軸線夾角。

圖1 支撐臂工作原理簡(jiǎn)化模型

1 鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該管道機(jī)器人能夠搭載一臺(tái)工業(yè)相機(jī)設(shè)備對(duì)無(wú)縫鋼管內(nèi)壁進(jìn)行信息采集和傳輸，其指標(biāo)包括：1)管道機(jī)器人移動(dòng)速度5~6 m/min；2)管道機(jī)器人可適應(yīng)的管徑范圍為80~100 mm。

鋼管質(zhì)量檢測(cè)管道機(jī)器人由前后端的管徑適應(yīng)結(jié)構(gòu)、中間的電氣艙體結(jié)構(gòu)和圖像采集設(shè)備平臺(tái)3部分組成。其中管徑適應(yīng)結(jié)構(gòu)采用三支撐臂的力封閉可調(diào)機(jī)構(gòu)，同時(shí)也是機(jī)器人的行走部分。此方案的優(yōu)點(diǎn)是管道機(jī)器人能夠充分利用圓形管道空間，與管壁緊密接觸，從而使行走更加可靠[3-4]。

1.1 支撐臂結(jié)構(gòu)及尺寸的確定

機(jī)器人三支撐臂與管壁充分接觸時(shí)，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。該模型圖形象地表示出了管道機(jī)器人的支撐橫臂結(jié)構(gòu)在管道內(nèi)壁的接觸情況，并以此來(lái)對(duì)其結(jié)構(gòu)及尺寸

利用SolidWorks進(jìn)行三維建模，將支撐臂分為兩部分，即提供動(dòng)力的主動(dòng)端和不提供驅(qū)動(dòng)力的從動(dòng)端，兩者結(jié)構(gòu)形式類似，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作量，最終其模型如圖2所示，其單連桿機(jī)構(gòu)可以在中心軸通過(guò)套筒進(jìn)行上滑動(dòng)，而雙連桿部分則固定在基體上只能繞基體轉(zhuǎn)動(dòng)，使用銷釘來(lái)充當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)連接部分。連桿基體連接部分是一個(gè)三角架，通過(guò)它將3個(gè)支撐臂聯(lián)接起來(lái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

圖2 可調(diào)節(jié)的彈性支撐結(jié)構(gòu)

1.2 輪系部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸的確定

輪系部件由輪胎、輪轂、輪軸、微型軸承、錐齒輪、彈性擋圈等組成，如圖3所示。由于管徑的限制，機(jī)器人的整體尺寸及其他部件的尺寸都要向小型化的方向設(shè)計(jì)：輪胎的直徑約為24 mm，輪軸的直徑為3 mm。為了減小磨損，并增加輪軸旋轉(zhuǎn)的流暢性，輪軸的支撐中采用了微型深溝球軸承。

圖3 輪系部件

1.3 電動(dòng)機(jī)的安裝與固定

管道機(jī)器人采用控制方便的直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[5]，為了節(jié)省空間，電動(dòng)機(jī)橫向布置在用于支撐的橫臂上，電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)一對(duì)錐齒輪直接驅(qū)動(dòng)支撐輪，見(jiàn)圖4（a）。這種結(jié)構(gòu)充分利用了管道內(nèi)有限的空間，而且不需要復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)簡(jiǎn)單可靠。為了讓電動(dòng)機(jī)可靠地固定在橫臂上，內(nèi)層采用將電動(dòng)機(jī)固定在特制的電動(dòng)機(jī)架上，見(jiàn)圖4（b），外層則通過(guò)緊定螺釘將電動(dòng)機(jī)架固定在橫臂上。

1.4 管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

綜上，鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)包括管徑自適應(yīng)支撐臂、電器艙體、輪系部件以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的安裝與固定結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)的安裝與固定

2 鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的電控系統(tǒng)研發(fā)

2.1 鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)是控制管道機(jī)器人的靈魂部分，該部分設(shè)計(jì)的原則是在滿足功能的前提下追求結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、控制靈活和運(yùn)行可靠。本文針對(duì)管道機(jī)器人的控制，應(yīng)用宏晶公司產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)作為核心微處理器，結(jié)合電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線藍(lán)牙收發(fā)器等傳感器對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行控制。其中加速度傳感器用來(lái)傳遞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置信息，USB高速數(shù)據(jù)線路則是將工業(yè)相機(jī)采集的內(nèi)壁圖像實(shí)時(shí)采集傳輸至上位機(jī)。

圖5 管道機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 電路主板的PCB設(shè)計(jì)與制作

電路主板置于管道機(jī)器人電氣艙體內(nèi)部，集成了STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)、藍(lán)牙收發(fā)器、加速度傳感器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及程序燒寫(xiě)口、電源接口、開(kāi)關(guān)電路、穩(wěn)壓電路等。使用Altium Designer軟件完成原理圖設(shè)計(jì)并制作出PCB文件。該P(yáng)CB板為雙面板且絕大部分元件為貼片式。其中藍(lán)牙模塊通過(guò)與主板單片機(jī)的串口進(jìn)行連接，負(fù)責(zé)無(wú)線發(fā)送與接收數(shù)據(jù)；加速度傳感器模塊則通過(guò)連接并固定在主板上，隨機(jī)器人機(jī)體一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷記錄加速度數(shù)據(jù)并通過(guò)IIC通信協(xié)議與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)信息。最終組裝好的電路實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

圖6 集成電路控制板

3 鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的上位機(jī)開(kāi)發(fā)及試驗(yàn)研究

3.1 鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)

上位機(jī)軟件是用戶和管道機(jī)器人的交流媒介，除了要實(shí)現(xiàn)收發(fā)指令數(shù)據(jù)的功能，還應(yīng)具有一定的界面友好性，力求操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定。

為了實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信和圖像采集，該上位機(jī)具有串口功能，并能實(shí)時(shí)將工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像顯示在屏幕中供用戶察看。對(duì)于上位機(jī)界面設(shè)計(jì)及編程，有多種語(yǔ)言工具可供選擇，這里采用的是MATLAB工具進(jìn)行的軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。其內(nèi)嵌的GUI工具能夠完成各種各具特色的界面設(shè)計(jì)，其最終上位機(jī)界面如圖7所示。

3.2 鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的爬管試驗(yàn)研究

經(jīng)過(guò)硬件組裝和電路板裝配，最終基于鋼管質(zhì)量檢測(cè)用管道機(jī)器人的物理樣機(jī)如圖8（a）。

圖7 上位機(jī)運(yùn)行界面

圖8 管道機(jī)器人樣機(jī)及爬管試驗(yàn)圖

1)試驗(yàn)條件與內(nèi)容。為了驗(yàn)證管道機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的管徑并能在控制下穩(wěn)定爬行，試驗(yàn)中使用了3種不同內(nèi)徑的圓管，直徑分別為 92、100、105 mm，其中有一根為工廠生產(chǎn)的鋼管，三管長(zhǎng)度均在1.5 m左右。測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)條件包括為機(jī)器人供電的鋰電池、卷尺、秒表、萬(wàn)用表等器材以及導(dǎo)線若干。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)分別采用低速檔和高速檔測(cè)量其在不同管徑中的前進(jìn)和后退的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和位移，間接得出速率值，在此基礎(chǔ)上，又利用萬(wàn)用表測(cè)出了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)的電池輸出電壓與電流，間接得到其工作功耗和靜止功耗。測(cè)試圖見(jiàn)圖8（b）。

2)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)管道機(jī)器人的前進(jìn)、后退速率、功率等進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該樣機(jī)能夠按照較高速率在不同內(nèi)徑的管道中運(yùn)行，在測(cè)試中，最高的前進(jìn)速率達(dá)到了172.2 mm/s，即10.3 m/min；最低的前進(jìn)速率也達(dá)到了116.6 mm/s,即6.99 m/min，其最大消耗功率為4.83 W，最小為2.87 W。

4 結(jié)論

基于工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀并結(jié)合現(xiàn)代各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，本文提出了以圖像檢測(cè)為手段的鋼管內(nèi)壁質(zhì)量檢測(cè)方案，將機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)較成功地應(yīng)用于鋼管質(zhì)檢環(huán)節(jié)，為傳統(tǒng)的鋼管質(zhì)檢開(kāi)創(chuàng)了新的局面。所設(shè)計(jì)并研制的管道機(jī)器人采用直輪式帶支撐臂可伸縮結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)一定范圍的直管內(nèi)徑并且能在自主開(kāi)發(fā)的上位機(jī)控制下穩(wěn)定行走，成功采集到了管道內(nèi)壁高清全景圖像。