基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)

梁東敏 時(shí)三煥

摘 要：機(jī)器人遠(yuǎn)程控制在空間探索、深?？碧胶臀ｋU(xiǎn)環(huán)境作業(yè)等領(lǐng)域具有不可替代的作用?；ヂ?lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和普及以及傳輸速度的不斷提高為機(jī)器人遠(yuǎn)程控制提供了廉價(jià)而便捷的通訊手段。本文設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，取代人工檢測(cè)方式完成焊縫檢測(cè)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)，由機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)被檢測(cè)焊縫進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并將結(jié)果傳送給遠(yuǎn)程檢測(cè)人員。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制；檢測(cè)；機(jī)器人系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）11-0263-01

1 自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管道焊縫缺陷檢測(cè)采用的傳感器是超聲波換能器，使用超聲波換能器檢測(cè)焊縫的掃查方式通?？筛鶕?jù)超聲波換能器主探測(cè)面與焊縫位置關(guān)系分為兩種：①垂直于焊縫掃查，超聲波換能器主探測(cè)面垂直于焊縫切線方向進(jìn)行向心或離心運(yùn)動(dòng)。②平行于焊縫掃查，超聲波換能器主探測(cè)面平行于焊縫切線方向運(yùn)動(dòng)。本論文介紹的機(jī)器人的設(shè)計(jì)和機(jī)器人系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制策略，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，包括固定支座、機(jī)器人手臂、超聲波換能器姿態(tài)和位置控制機(jī)構(gòu)等設(shè)計(jì)。

1.1 固定支座設(shè)計(jì)

固定支座采用移動(dòng)滑塊固定支座，四個(gè)移動(dòng)滑塊作為夾持工具，兩根絲杠作為移動(dòng)滑塊的驅(qū)動(dòng)工具，四個(gè)滑塊的螺距相同，旋轉(zhuǎn)絲杠，滑塊按相同速度移動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)在已知支管直徑變化范圍為？準(zhǔn)100～？準(zhǔn)400mm，能夠適應(yīng)支管的這一直徑變化范圍，實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)定心要求；提供足夠的夾緊力；機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上剖分成兩部分，剖分后采用快速連接裝置將這兩部分結(jié)構(gòu)聯(lián)接為一個(gè)整體；在設(shè)計(jì)上采用快速聯(lián)接裝置，縮短了固定支座安裝、拆卸時(shí)間；可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.2 機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)

機(jī)器人手臂采用關(guān)節(jié)式機(jī)器人結(jié)構(gòu)，固定支座作為機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)座，將機(jī)器人系統(tǒng)（固定支座本身及機(jī)器人手臂）固定在被檢測(cè)管道上，形成機(jī)器人手臂安裝平臺(tái)與定位基準(zhǔn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)檢測(cè)功能。圓周方向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了行星齒輪機(jī)構(gòu)。電機(jī)法蘭盤端面固定在轉(zhuǎn)動(dòng)盤一端，行星小齒輪和機(jī)器人手臂繞被檢測(cè)支管軸線實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成圓周方向上的焊縫檢測(cè)。

2 基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制

管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。機(jī)器人與地面工作站組成局域網(wǎng)，地面工作站人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)作業(yè)。管道檢測(cè)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制結(jié)構(gòu)包括底層控制和高層控制。底層控制由硬件和軟件模塊組成，包括傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及信息交換系統(tǒng)，是機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。本文介紹一種基于C/S模型的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)在服務(wù)器方和本地客戶方均采用了多線程模式，將視頻捕獲壓縮、傳輸、解壓縮、燈模塊分配在不同的線程中運(yùn)行，以提高傳輸速率和效率。

2.1 視頻圖像傳輸

管道檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)，檢測(cè)作業(yè)由機(jī)器人在地下管道內(nèi)進(jìn)行，對(duì)機(jī)器人實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制是通過(guò)地面工作站進(jìn)行的。因此，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的通訊主要是地面和管道內(nèi)信息之間的交換，為了實(shí)時(shí)顯示管內(nèi)的視頻圖像，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的視頻圖像傳輸。在基于WindowsXP平臺(tái)的VisualC++6.0編程環(huán)境下，利用Socket網(wǎng)絡(luò)通信接口分別實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端和客戶端的應(yīng)用程序。服務(wù)器端的主線程利用CCD彩色攝像機(jī)輸入視頻信號(hào)到圖像采集卡，負(fù)責(zé)采集視頻數(shù)據(jù)，用Socket建立和客戶端的連接，并將數(shù)據(jù)傳送出去，同時(shí)開啟一個(gè)預(yù)覽窗口，便于操作人員控制?？蛻舳素?fù)責(zé)用Socket和服務(wù)器連接，接收服務(wù)器傳送過(guò)來(lái)的視頻信號(hào)，解碼并實(shí)時(shí)播放，同時(shí)開啟另一個(gè)線程負(fù)責(zé)圖像檢測(cè)、管內(nèi)檢測(cè)等。

2.2 服務(wù)器端

服務(wù)端安裝在管道機(jī)器人本體的嵌入式系統(tǒng)中，服務(wù)器系統(tǒng)啟動(dòng)之后就建立一個(gè)Socket，一旦檢測(cè)到客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的網(wǎng)絡(luò)連接，就與客戶端建立連接，此后如果接收到客戶端傳送請(qǐng)求，就開啟一個(gè)傳送線程將數(shù)據(jù)壓縮打包傳送給客戶端，同時(shí)開啟另一個(gè)線程把采集壓縮后的數(shù)據(jù)在本地回放。如果尚未開始采集數(shù)據(jù)，那么將暫停發(fā)送。操作者點(diǎn)擊傳送按鈕之后，系統(tǒng)就開始獲取視頻數(shù)據(jù)，此時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸正式開始。

服務(wù)器端采用了雙緩沖技術(shù)，每個(gè)緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，每個(gè)線程處理不同的事情。一個(gè)線程負(fù)責(zé)從圖像采集卡緩存中取出視頻數(shù)據(jù)，將其壓縮后放人緩沖區(qū)；另一個(gè)線程是Socket通信線程，負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)中讀出壓縮的視頻數(shù)據(jù)，發(fā)送給客戶端，然后釋放內(nèi)存空間交由采集和壓縮線程存放后續(xù)數(shù)據(jù)。

2.3 客戶端

客戶端安裝在地面控制站的工控計(jì)算機(jī)中，在客戶端，完成圖像數(shù)據(jù)的接收和回放，同時(shí)接收服務(wù)器另一臺(tái)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)母鳈z測(cè)參數(shù)，并與圖像信息協(xié)調(diào)，在同一界面中顯示。實(shí)現(xiàn)圖像延時(shí)，既可以在服務(wù)器端也可以在客戶端。在服務(wù)器端，可以先設(shè)定延時(shí)時(shí)間，等待到達(dá)延時(shí)時(shí)間再將數(shù)據(jù)包從發(fā)送緩沖區(qū)取出、發(fā)送。在客戶端，待等待時(shí)間到達(dá)后，再?gòu)慕邮站彌_區(qū)把數(shù)據(jù)取出、回放?？紤]到圖像信息和其他信息顯示要協(xié)調(diào)在同一臺(tái)客戶計(jì)算機(jī)上，因此，為接收數(shù)據(jù)方便，采用在客戶端延時(shí)顯示的方法，對(duì)接收到的幀進(jìn)行計(jì)數(shù)，待幀數(shù)達(dá)到延時(shí)時(shí)間再顯示圖像。

2.4 TCP協(xié)議和UDP協(xié)議的聯(lián)合使用

基于Socket的Client/Server模式的應(yīng)用設(shè)計(jì)有兩種通訊服務(wù)類型：一種是面向連接的TCP協(xié)議，另一種是無(wú)連接的UDP協(xié)議。管道機(jī)器人控制命令的傳輸要求是可靠、準(zhǔn)確、及時(shí)，而命令本身占用極小的網(wǎng)絡(luò)帶寬。鑒于命令傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，為了保證控制命令的正確傳輸，采用面向連接的TCP來(lái)設(shè)計(jì)客戶機(jī)和服務(wù)器之間的命令傳輸協(xié)議。而實(shí)時(shí)圖像的傳輸不同于傳統(tǒng)的下載整個(gè)文件后播放的方法，它要求圖像的實(shí)時(shí)傳輸和實(shí)時(shí)播放，要求服務(wù)器發(fā)送穩(wěn)定的圖像數(shù)據(jù)流，客戶方一邊接收數(shù)據(jù)一邊恒速的播放，因此采用無(wú)連接的UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)CCD攝像機(jī)獲得機(jī)器人作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像，經(jīng)由視頻采集卡，將圖像轉(zhuǎn)化為24位的幀彩色位圖圖像，然后將圖像送入視頻編碼解碼器，對(duì)圖像進(jìn)行壓縮。

參考文獻(xiàn)

[1]徐志暉.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[2]李 鵬，馬書根，李 斌，王越超.具有自適應(yīng)能力管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（1）：154～161.

收稿日期：2018-3-12