基于人機交互的供熱管道爬行檢測機器人研究

通遼熱電有限責任公司 吳占斌 金 一 呂 巖 田 雪 韓 濱

1 引言

機器人是一種自動化的機器設備，具備有一些與人或生物相似的能力，如感知、規劃、運動及動作能力的協作等，機器人技術被視為20世紀人類最偉大的發明之一。特種機器人工作于非結構環境中，即工作在無法事先布置好的條件下進行，而且在工作進行過程中，環境或工作的內容可能隨時發生變化[1]。開發非結構環境下工作的特種機器人，使人脫離危險作業的生產第一線，減輕人的勞動強度，是機器人發展的一個必然方向。目前國際上特種機器人技術的研究和開發非常活躍。在研究和開發的過程中，人們逐步認識到特種機器人技術的本質是由感知、決策、行動和交互四大技術組成的結合體。隨著人們對特種機器人智能化本質認識的加深，特種機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。特種機器人的新機構、新結構、新傳感器和新型伺服驅動系統的開發，先進的控制算法、控制策略已經成為機器人研究的一個重要領域。

供熱管道檢測機器人是針對輸送管道的管網檢測滲漏、腐蝕等有直觀觀測效果，研制的一種特種機器人，綜合智能移動技術和管道缺陷無損視頻捕捉技術[2-3]。這類機器人能進入人所不及、復雜多變的非結構管道環境中，通過攜帶的攝像頭裝置和作業裝置，以保障管道的安全和暢通無阻地工作[4]。

管道檢測機器人主要應用于供熱公司不同管徑的供熱管道，能夠對供熱管網進行系統和詳盡的檢測評估。管道檢測機器人的研究為管道的檢測、維護提供了新的技術手段，改變了傳統管道開挖抽檢的單一模式[5]。這種檢測技術提高了管道檢測的準確性，便于管道工程管理，維護人員分析了解管道缺陷產生的原因，開展對缺陷的評估，制訂管道維護方案，消除管道安全隱患，在事故發生前就有計劃地維修或更換管段，對于大量挖掘困難的小區、城市街道等也能夠進行監測，從而節約大量的維修費用，降低管道維護成本，保障人民生活及財產安全。管道檢測機器人也同樣提高了管網檢測的效率，以往由人工檢測，檢測的速度很慢，往往還有很多遺漏的情況，使用管道檢測機器人后，管道檢測效率不僅提高了2倍以上速度，也減少了需要的檢測人員。因此，開展管道檢測機器人的研究具有重要的科學意義和明顯的社會經濟效益[6-7]。目前，管道檢測機器人的研究得到了各國的高度重視，也得到了我家部委和相關行業的重視。大量的管道檢測維護需求為管道檢測機器人的研究開發和應用提供了廣闊的市場空間，將逐漸成為一項十分巨大的產業工程[8]。

目前，許多供熱管道檢測設備局限于整套產品十分笨重，出現場時攜帶不方便，而對于能適用于特殊管道工況且能完成檢測任務的輪式機器人和電纜車本身沒有太多便攜化的空間[9]。針對如何不影響機器人固有功能前提下完成爬行機器人便攜化成為重要的研究方向。此外，具有人機交互的智能管道內爬行檢測機器人的研究也是一大熱點[10]。為此，本文進行了適應于供熱管道內檢測的便攜化人機交互式爬行機器人的研究。

2 爬行機器人系統設計

供熱管道檢查機器人能適應供熱管內的工作環境，且可搭載視頻等傳感檢測設備。主要構成包括爬行器（輪式機器人）、工業計算機和電纜車三部分。爬行器攜帶高清網絡攝像頭、有毒氣體傳感器，紅外傳感器等設備進入管線探測巡檢，工業計算機負責遠程控制爬行器，即時觀察回傳的管線內部視頻，生成報告并存儲，電纜車負責給爬行器提供電力和通信用纜。

2.1 管道爬行機器人的特點

2.1.1 設計功能

管道機器人檢查系統最基本的結構有攝像頭、控制器、監控顯示器等。其主要工作對象是供熱管網，檢測管道缺陷情況及定位信息，通過專業軟件處理和分析，報道管網真實情況，為供熱管網提供一定積極的服務作用。采用滾動車輪式機器人，動力采用電機驅動，頂部設有攝像頭、顯示器，底部設有控制器。

爬行器機身模塊化結構設計，各部分器件獨立防水，并有安全氣壓監控，穩定性強，可根據不同工況需求，快速拆裝模塊，使用方便，維護簡易。采用4輪獨立驅動，具有超強的越障性能，附帶車身傾斜角度顯示與防傾覆報警功能單次作業時間可達2小時，可搭載其他設備，載重可達50kg。

2.1.2 工作環境

管道機器人爬行功能主要具有結構簡單，負載能力較大且易于控制，采取電動移動方式，機器人裝備結構輕、動作穩定、操作簡單、移動速度快、轉彎容易、便于操作。電動車輪結構簡單且靈活，轉向靈活及可靠。具體操作環境、使用工況管道屬于豎直管道，機器人使用繩索掉下管道里進行觀看。

爬行機器人性能參數：機器人本體780×480×330mm，重35kg（標配10寸輪尺寸），適用DN600以上管徑，防護等級Ip68，像素前攝像頭310萬，后攝像頭300萬，鏡頭旋轉角度360°軸向旋轉，90°徑向旋轉，雙電池供電，續航2小時；線纜車540×420×590mm，重45kg，線纜長度1000m，電池續航6小時。

2.2 機器人的組成

機器人本體包括機器人的云臺以及伸縮檢測頭。其中機器人的爬行吸附機構作為機器人的主體部分，主要功能是搭載傳感器、攝像頭等檢測設備，裝配云臺或伸縮檢測頭等末端執行機構以及為機器人本體提供動力。云臺與伸縮檢測頭屬于末端的檢測執行機構，分別具備不同的功能與檢測范圍。機器人本體構成如圖1所示。

圖1 爬行機器人框架

2.2.1 線纜車設計

第一關節作為車體，主要管理機器人的動力爬行關節，供熱管道檢測機器人本體分為車體、行走機構和執行機構。其中車體是搭載平臺，搭載傳感檢測用功能部件和執行機構。

車尾連接固定拖纜，檢測機器人的電源和數據采用有線傳輸，一旦機器人在內部發生故障，可以通過拖纜將機器人拖出，執行機構接口連接不同檢測任務下的不同檢測探頭。兩個攝像頭與照明模塊分布在車體的前方和后方兩個方向。機器人車體正前方的紅外測距傳感器，實時測量記載機器人在管道內部的高度信息及數據資料。電路板通過固定座安裝在車體內部。

2.2.2 云臺設計

云臺的主要作用是通過在攝像頭不斷調整位置角度，對機器人爬行環境和SG熱傳管內壁區域進行視頻檢測時，實現攝像頭的位姿不斷調整?？紤]到云臺的末端位姿需要在空間中三個方向上變換，所以采用三軸機械臂的結構較為合適，如圖2所示。

圖2 云臺機械臂運動學建模

另外結合機器人功能上的要求，并且基于機器人在SG熱傳管內部的工作環境和使用方案，云臺的構型要滿足以下幾點：首先是自由度要求，機器人在執行任務時云臺必須具備2個自由度；其次是檢測范圍的要求，云臺末端可以偵查正前方，以及360°旋轉，以達到對管道內壁的檢測和拍照記錄。

3 爬行機器人控制系統設計

如圖3所示，爬行機器人的控制系統可分為兩部分：就地端控制器和遠程端控制器。就地端控制器主要實現就地采樣檢測的功能；遠程端控制器主要實現人機交互的功能。

圖3 上位機控制器框架

3.1 機器人就地端控制器

機器人就地端控制程序是通過C語言在Keil軟件上編寫而成，使用庫函數的編寫方法。STM32提供了豐富的固件庫函數，方便廣大編程者調用，固件庫是一種固件函數包，它包括了絕大多數外設的驅動描述與應用實例。通過使用固件庫，開發者無需掌握底層硬件細節，就可以控制硬件外設。

機器人的車體和末端執行器分別配置獨立的控制器，兩者之間采用主從結構，其中車體控制器為主機，末端執行器上的控制器為從機，兩者通過485協議通信。車體與云臺等末端執行器中的硬件電路均采用模塊化設計。以車體控制器為例，機器人本體包括核心處理器模塊、電源模塊、485通訊模塊、距離傳感器模塊、陀螺儀模塊、微型攝像頭模塊、LED驅動模塊、電機驅動模塊等。

操作臺實質上為多通道人機界面，主要由功能按鈕以及組合液晶顯示屏組成。操作臺的觸摸、按鍵進行遠程控制，USB鍵盤輸入必需資料。通過網口或Wifi與爬行器主控和網絡攝像頭通信。高清輸出的?？低曈脖P錄像機8108HFS-ST，它每個通道都是4CIF輸出，能夠實時將車體及云臺及伸縮臂上返回的視頻信號進行處理并通過顯示器顯示。視頻播放存儲支持最多8路的視頻播放與存儲。通過光纖電纜連接，客戶端能夠播放實時視頻和歷史記錄。本地解碼網絡攝像頭視頻，并即時疊加管道信息，爬行器信息等資料到屏幕。高亮屏幕顯示網絡攝像頭回傳的視頻。

3.2 機器人遠程端控制器

遠程端控制程序主要包括控制模塊、數據處理模塊，通信模塊和仿真模塊以及人機界面模塊等。數據處理及維護軟件模塊是整個軟件的基礎，為整個軟件提供分析數據，其包含系統各個部分的狀態信息。

控制模塊主要功能是依據機器人檢測任務，規劃機器人路徑、軌跡及運動參數，規劃末端執行器位姿調整及工作狀態等。通訊模塊負責管理遠程控制器和就地端控制器之間的通信，包括發送讀指令，收集系統數據，發送寫指令，控制系統運行。采用抗拉力強的光纖通訊，數據傳輸低延時輕量化平板觸控終端，終端與線纜車之間采用無線傳輸技術可進入DN400以上的管道，單次最長檢測距離可達1000m，可適用于大直徑管道、箱涵等。遠程端控制器程序配置包括顯示系統狀態顯示與參數設置界面和顯示車體視頻的視頻界面，并在后臺配置有顯示和管理系統狀態的后臺界面。

4 結語

本文提出一種基于人機交互的供熱管道檢測爬行機器人系統設計方法，機器人設計滿足便攜化要求，同時具備就地端和遠程端的交互能力，能夠適應管道檢測過程中各種突發狀況。爬行機器人既融合機器人的自動化，也引入人類監測者的判斷和操作，加強整個系統的智能性，有效提高了工作效率，避免了不必要的能耗操作，對未來維修和檢測供熱管道的機器人研究具有重要指導價值。