鋼管內(nèi)檢測機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉晶晶，韓秀林，李建一，周書亮，鄧軍煥，王 洋

（1.華油鋼管有限公司，河北 青縣 062658；2.河北省高壓管線螺旋焊管技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 青縣 062658）

0 前 言

鋼管內(nèi)壁檢測是鋼管質(zhì)量檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。鋼管檢測機(jī)器人不僅可以協(xié)助工作人員檢測內(nèi)壁缺陷，還可以替代檢測人員進(jìn)入一些環(huán)境復(fù)雜、空間狹小的鋼管中，然而這些機(jī)器人的檢測水平與可靠性參差不齊。此外，以往的缺陷檢測過程采用紙質(zhì)記錄的方式，相較電子圖像采集和記錄，紙質(zhì)記錄不便于記錄和查詢，易缺失、出錯(cuò)。本研究從優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)行機(jī)構(gòu)、增強(qiáng)其可靠性、提高機(jī)器人利用率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率以及擴(kuò)大檢測作業(yè)范圍等方面，綜合智能移動(dòng)載體和管道缺陷檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種高可靠性的模塊化控制系統(tǒng)鋼管內(nèi)壁檢測機(jī)器人。

1 設(shè)計(jì)思路

鋼管內(nèi)壁檢測系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的模塊化方式進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)包括視頻采集模塊、鋼管邊緣檢測模塊、無線傳輸模塊、RFID 標(biāo)簽讀取模塊、機(jī)器人本體模塊、移動(dòng)模塊以及智能缺陷專家云引擎數(shù)據(jù)庫等，配合控制軟件、人工智能算法的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)壁缺陷檢測的最優(yōu)化匹配。

硬件部分采用機(jī)器人系統(tǒng)對鋼管進(jìn)行巡檢與探測，不僅要保證各模塊的穩(wěn)定性與精確度，還要考慮各模塊之間協(xié)作的一致性；軟件部分通過無線傳輸系統(tǒng)，由遠(yuǎn)程操作器控制機(jī)器人動(dòng)作，通過RFID射頻技術(shù)，獲取物聯(lián)網(wǎng)鋼管信息，同時(shí)應(yīng)用人工智能算法對采集的圖片進(jìn)行處理，得到缺陷識別結(jié)果，與專有的缺陷專家云數(shù)據(jù)庫交互判斷，從而達(dá)到自動(dòng)化分析檢測的目的。

收集生產(chǎn)現(xiàn)場鋼管內(nèi)壁缺陷信息（圖像和數(shù)據(jù)），并與現(xiàn)有缺陷指標(biāo)數(shù)據(jù)做對比分析，能夠?yàn)楹罄m(xù)搭建云引擎數(shù)據(jù)庫奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。搭建千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境及服務(wù)器磁盤陣列存儲環(huán)境，提高高清視頻圖片傳輸速度與存儲模式，確保后期高清圖片采集存儲的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 機(jī)器人本體模塊

鋼管內(nèi)壁檢測機(jī)器人硬件部分主要由機(jī)器人本體、操作遙控終端和輸送單元（可移動(dòng)升降平臺）三部分組成。機(jī)器人本體主要包括機(jī)械臂、底板、電池、高清云臺、防跌落感應(yīng)系統(tǒng)（如圖1所示）；操作遙控終端包括視頻顯示器、安勤工控機(jī)、無線傳輸模塊、指令操作界面、存儲裝置；輸送單元包括導(dǎo)軌、機(jī)器人平放平臺。

圖1 機(jī)器人本體小車結(jié)構(gòu)示意圖

本研究設(shè)計(jì)的鋼管內(nèi)檢測機(jī)器人尺寸適用管徑508～1 620 mm。為滿足機(jī)器人在管道內(nèi)穩(wěn)定行走，綜合比較輪式、蠕動(dòng)式、履帶式、多足行走、螺旋驅(qū)動(dòng)等方式，輪式驅(qū)動(dòng)具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、主動(dòng)轉(zhuǎn)向性好、運(yùn)動(dòng)效率高、可靠性好等特點(diǎn)，因此移動(dòng)裝置采用錐齒輪+鏈條傳動(dòng)雙電機(jī)輪式驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)管道直徑變化，并且具備較高和均勻的運(yùn)行速度，保障機(jī)器人穩(wěn)定性和靈活性。機(jī)械臂設(shè)計(jì)采用絲杠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)升降，以適應(yīng)不同管徑距離。在機(jī)器人幾何中心位置安裝陀螺儀傳感器，用于測量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)是否處于水平的姿態(tài)。

機(jī)械臂前端掛載相機(jī)，由3個(gè)120°或4個(gè)90°攝像頭組成可以360°環(huán)視的攝像頭組，結(jié)合補(bǔ)光燈一起安裝在控制云臺上，以保證拍攝圖像清晰無死角，相機(jī)安裝減震裝置，相機(jī)工作時(shí)角度不受機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)影響。電源為內(nèi)部的各種檢測裝置及控制裝置提供動(dòng)力，線纜式電源具有不斷電優(yōu)點(diǎn)，且機(jī)器人故障時(shí)可通過抗拉電纜收回，但負(fù)載較重。無纜式電源可攜帶電池組，配備電量檢測、自動(dòng)返航功能，保證為機(jī)器人提供可靠動(dòng)力系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)采用無纜式電源。

2.1.2 輸送單元模塊（可移動(dòng)升降平臺）

輸送單元模塊（可移動(dòng)升降平臺）根據(jù)機(jī)器人尺寸匹配設(shè)計(jì)，如圖2 所示。輸送單元可根據(jù)需求由電池或電源模塊供電，控制信號線與主控板上相應(yīng)接口連接。輸送單元工作中搭載機(jī)器人本體小車自動(dòng)運(yùn)行到指定地點(diǎn)。

圖2 可移動(dòng)升降平臺

2.1.3 操作遙控終端

操作遙控終端主要由安裝箱體、視頻顯示器、工控機(jī)、存儲裝置、指令操控界面、I/O控制端等組成。操作遙控終端是機(jī)器人手動(dòng)號令的發(fā)動(dòng)者，控制鋼管內(nèi)壁檢測機(jī)器人按照指令動(dòng)作，并將機(jī)器人的狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給操作者。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件利用QT5.12 和Visual Studio 2017 開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL。主要功能包括操作遙控終端控制系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、人工智能算法和缺陷云數(shù)據(jù)庫。

2.2.1 上位機(jī)操作遙控終端控制系統(tǒng)

機(jī)器人按上位機(jī)操作遙控終端控制系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，采集鋼管內(nèi)部圖像，并對工裝進(jìn)行校位，確定機(jī)器人工作位置，發(fā)現(xiàn)問題實(shí)時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)收發(fā)、圖像接收、發(fā)送控制命令等功能。操作控制終端界面如圖3 所示。

圖3 操作控制終端界面

2.2.2 無線傳輸系統(tǒng)

無線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸、鋼管信息數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取o線傳輸系統(tǒng)接收機(jī)器人傳輸?shù)囊曨l信息，并轉(zhuǎn)發(fā)來自控制中心的機(jī)器人控制命令。機(jī)器人對錄制的視頻實(shí)時(shí)存儲，并通過RFID 芯片自動(dòng)獲取物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中鋼管的管號信息及生產(chǎn)信息，形成內(nèi)檢檢測報(bào)告。機(jī)器人系統(tǒng)與現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)信息集成，在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)把控鋼管檢測信息，并做出相應(yīng)的處理。機(jī)器人本體無線網(wǎng)絡(luò)控制流程和可移動(dòng)升降平臺無線網(wǎng)絡(luò)控制流程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人本體無線網(wǎng)絡(luò)控制和可移動(dòng)升降平臺無線網(wǎng)絡(luò)控制流程圖

2.2.3 人工智能算法

系統(tǒng)所采用的檢測算法是基于目前最新的人工智能深度學(xué)習(xí)框架，在16 種算法（顯著性檢測、超像素分割、貝葉斯缺陷識別模型、基于深度學(xué)習(xí)的缺陷缺陷檢測算法等）測試和對比的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)，形成了一種精度高且能達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測要求的缺陷識別定位算法。利用機(jī)器人傳回的數(shù)據(jù)，將視頻采樣為關(guān)鍵幀圖像，并對圖像中的缺陷進(jìn)行有效識別和抓取，將提取到的缺陷圖像定位標(biāo)記保存，當(dāng)檢測到故障點(diǎn)時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)警，并在大屏幕上顯示故障圖像和故障位置，以便操作人員進(jìn)行人工確認(rèn)。

2.2.4 缺陷云數(shù)據(jù)庫

缺陷云數(shù)據(jù)庫對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和管理，形成鋼管內(nèi)檢檢測報(bào)告，為缺陷模型的建立形成大數(shù)據(jù)支持。

3 運(yùn)行過程

鋼管檢測機(jī)器人運(yùn)行過程如圖5所示。鋼管檢測機(jī)器人收到指令，由輸送單元（可移動(dòng)升降平臺）攜帶機(jī)器人從原始位置出發(fā)，到達(dá)管口處，觸發(fā)距離傳感器，機(jī)器人向管內(nèi)移動(dòng)，傳感器同時(shí)觸發(fā)控制端工控機(jī)程序，機(jī)器人檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)開始工作，畫面?zhèn)骰毓た貦C(jī)。機(jī)器人行進(jìn)到管端后，前端傳感器發(fā)出指令，控制系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)停止工作，同時(shí)機(jī)器人退回至輸送單元（可移動(dòng)升降平臺）初始位置，結(jié)束作業(yè)，生成檢測報(bào)告進(jìn)行分析存儲。

圖5 鋼管檢測機(jī)器人工作流程圖

4 應(yīng)用效果

經(jīng)過調(diào)試，鋼管內(nèi)壁檢測機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定、靈活，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)可自適應(yīng)不同的管徑，同時(shí)可清晰地抓拍當(dāng)前幀畫面，快速檢索定位，為檢測人員提供數(shù)據(jù)分析。軟件部分經(jīng)過不斷優(yōu)化，與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)深度集成，通過在生產(chǎn)現(xiàn)場針對不同缺陷的鋼管進(jìn)行反復(fù)模擬訓(xùn)練學(xué)習(xí)，收集了大量新型缺陷/缺欠，規(guī)避壓痕、焊渣、鐵屑等非缺陷因素。根據(jù)現(xiàn)場測試情況，持續(xù)優(yōu)化人工智能算法，不斷充實(shí)完善數(shù)據(jù)庫，并在現(xiàn)場對成品檢測后的鋼管利用人工智能算法及缺陷引擎數(shù)據(jù)庫進(jìn)行缺陷識別測試，與成品實(shí)際檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，對現(xiàn)有缺陷數(shù)據(jù)庫中的缺陷/缺欠識別率達(dá)到97%。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的鋼管內(nèi)壁檢測機(jī)器人將多傳感器數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，軟硬件平臺協(xié)同工作，增強(qiáng)了機(jī)器人整體的穩(wěn)定性與可靠性，可適用鋼管規(guī)格Φ508 mm～Φ1 620 mm。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度最高可達(dá)4 m/min，能夠提高鋼管內(nèi)表面缺陷在線檢測的效率，減少人為檢測失誤，解決檢測條件困難、人員作業(yè)空間受限條件下的鋼管內(nèi)表面檢測難題，保證鋼管檢測過程高效、可靠地讀取和記錄鋼管信息，不僅為提高鋼管內(nèi)壁檢測機(jī)器人的檢測效果提供了參考，而且對鋼管內(nèi)壁檢測自動(dòng)化、信息化水平提升具有重要意義。