六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì),六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,設(shè)計(jì) 附錄A X射線(xiàn)實(shí)時(shí)影象探傷管道機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 摘要 這篇論文介紹了一種檢查大口徑管道焊接連接的機(jī)器人系統(tǒng)，它被發(fā)展作為X射線(xiàn)實(shí)時(shí)圖象檢查法 [RTIIT]的自動(dòng)化平臺(tái)。該機(jī)器人在管道內(nèi)可以獨(dú)立尋找并確定焊接接縫位置，在同步控制技術(shù)的控制下可以完成對(duì)焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)的任務(wù)。該機(jī)器人系統(tǒng)安裝有一個(gè)小的焦點(diǎn)和具有定向波束的X射線(xiàn)管，因此可以獲得清晰度較高的焊接接縫圖像。關(guān)于該機(jī)器人系統(tǒng)個(gè)別的關(guān)鍵技術(shù)也將被詳細(xì)說(shuō)明。它的結(jié)構(gòu)是（？） 。 關(guān)鍵詞：X射線(xiàn)探傷、實(shí)時(shí)影象、機(jī)器人 0 介紹 與射線(xiàn)照相檢查方法（RET）相比較，X射線(xiàn)實(shí)時(shí)圖像檢查法（RTIIT）有許多優(yōu)勢(shì)，比如較高的效率、較低的成本，更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和對(duì)焊接缺陷進(jìn)行即時(shí)評(píng)估。此外，最新的技術(shù)允許X射線(xiàn)RTIIT被用在對(duì)管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)（NDT），并且這個(gè)方法的檢查品質(zhì)和RET[1，2]是一樣的。因此，無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，通常用于管道檢驗(yàn)的基于RET的設(shè)備，需要通過(guò)改造變成基于X射線(xiàn)實(shí)時(shí)圖像檢查法的。 使用X射線(xiàn)實(shí)時(shí)圖像檢查法對(duì)管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)一定要有一個(gè)自動(dòng)化平臺(tái)，X射線(xiàn)探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人（irtipr）就是為該目的而設(shè)計(jì)的。事實(shí)上，除了已經(jīng)被解決[３]的涉及X射線(xiàn)探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的問(wèn)題之外，一些集中在機(jī)器人的智能控制的關(guān)鍵技術(shù)也出現(xiàn)在這篇論文中。，例如，機(jī)器人在管道內(nèi)的獨(dú)立動(dòng)作，同步控制技術(shù)和在管道內(nèi)外之間信息交流配合，我們也將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)（ ？ ）。 1 機(jī)器人的工作原理 這個(gè)X射線(xiàn)探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人由管道內(nèi)和管道外兩部分組成，結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。管道外的部分由圖像采集處理系統(tǒng)（8，9，10），管道外同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（11，12）組成。圖像擴(kuò)大器由管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)推動(dòng)并圍繞管道中心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行采集焊接圖像及通過(guò)圖像采集卡將圖象信號(hào)傳達(dá)給圖像處理計(jì)算機(jī)。管道內(nèi)的部分由管道內(nèi)電腦（1）、電源和換流器系統(tǒng)（２）、行走及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（３）、X射線(xiàn)系統(tǒng)（４）、管道內(nèi)同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（５,6）和焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)（７）。X射線(xiàn)系統(tǒng)中的X射線(xiàn)管由管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)圍繞管道的中心旋轉(zhuǎn)。 圖1 X射線(xiàn)探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 機(jī)器人主要工作原理說(shuō)明如下：在焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)的控制下管內(nèi)爬行器完成工作位置的定位，并在定位的位置上處于等待的狀態(tài)。當(dāng)它收到從管道外由低頻電磁波傳達(dá)的指令信號(hào)時(shí)，管道內(nèi)的電腦立即操縱X射線(xiàn)系統(tǒng)的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)管道外的控制。管道內(nèi)和管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由同步控制技術(shù)控制圍繞相同的管道中心旋轉(zhuǎn)并按旋轉(zhuǎn)-照射-旋轉(zhuǎn)的方式完成焊接接縫檢查。 ２ 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 與工藝步驟的工作原理相比，X射線(xiàn)irtipr的控制系統(tǒng)主要由一些關(guān)鍵技術(shù)組成，例如以X射線(xiàn)圖象標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?yàn)榛A(chǔ)的同步控制技術(shù)和以數(shù)據(jù)合成及低頻電磁波傳遞為基礎(chǔ)的焊接接縫獨(dú)立尋找及定位技術(shù)。 2.1 管道內(nèi)和管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的同步控制技術(shù) 根據(jù) X射線(xiàn)實(shí)時(shí)圖象檢查法的技術(shù)要求，X射線(xiàn)管和圖像增強(qiáng)器必須圍繞同時(shí)地同一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閄射線(xiàn)irtipr采用無(wú)線(xiàn)的工作方式，機(jī)器人管道內(nèi)同管道外的部分是不可能的由電纜連接著的。如何在管道內(nèi)外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)同步信息通信，或如何實(shí)現(xiàn)同步控制，變成必須被解決的關(guān)鍵技術(shù)。 同步旋轉(zhuǎn)可以被描述為：當(dāng)管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)X射線(xiàn)管到旋轉(zhuǎn)α角時(shí)，管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也帶動(dòng)圖像增強(qiáng)器同時(shí)繞同樣的中心旋轉(zhuǎn)到相同的角度（圖2）。因?yàn)榻饘俟艿赖恼趽踝饔煤蜔o(wú)線(xiàn)的特征，現(xiàn)有的通信手段很難完成在管道內(nèi)外控制信息的通信（４,5）。根據(jù)X射線(xiàn)探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的特殊性，我們提出這同步控制方案如下：將一個(gè)垂直于焊接接縫的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn)設(shè)置在X射線(xiàn)管的照射窗上；當(dāng) X射線(xiàn)照射到焊接接縫時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn)也在管道外的電腦上成像。只要管道內(nèi)和管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于同步的位置，即X射線(xiàn)管的照射窗和圖像增強(qiáng)器的軸是重合的（α=0）（圖2），標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn)成像在電腦屏幕的中心位置。標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn)的成像和標(biāo)準(zhǔn)檢查程序的中心線(xiàn)重合，看圖3。當(dāng)管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)α角時(shí)，在屏幕上標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn)的成像偏離標(biāo)準(zhǔn)檢查程序中心線(xiàn)，距離為H 。距離H被用作管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤輸入使調(diào)節(jié)自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直到這距離H為零或小于指定值，管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作可以被實(shí)現(xiàn)。 試驗(yàn)和模擬證明以上同步控制技術(shù)是正確的。這種同步動(dòng)作滿(mǎn)足X射線(xiàn)探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的技術(shù)要求。 這種方法以 X射線(xiàn)當(dāng)做觀測(cè)信號(hào)源，管道內(nèi)和管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作信息通過(guò)X射線(xiàn)圖象的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)檢查程序中心線(xiàn)距離確定，從而執(zhí)行同步動(dòng)作.這種方法已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利。 圖2 同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 圖3 X射線(xiàn)圖象的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€(xiàn) ⒉２焊接接縫的獨(dú)立尋找及定位技術(shù) 獨(dú)立尋找并定位意味著在管道內(nèi)機(jī)器人沒(méi)有任何其他干涉僅借助于傳感器自動(dòng)地決定哪里是工作位置.這種控制方式就是“智能控制”。尋找及定位系統(tǒng)的精確度和可靠性與機(jī)器人是否可以實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)獨(dú)立行動(dòng)有直接關(guān)系。如果這個(gè)系統(tǒng)是無(wú)效的，機(jī)器人將在管道中“死亡”或“迷路”[6]。 大略地說(shuō)，檢測(cè)焊接位置接縫方法如下：（1）利用編碼器或圓弧測(cè)定器；（２）利用焊接接縫表面伸出凹面變化的位移所引起位移；（３）利用焊縫表面接縫導(dǎo)電；（４）利用放射性同位素（比如γ射線(xiàn)信號(hào)源）；（５）利用觀測(cè)；（６）利用低頻電磁波。 因?yàn)檫@種方法受許多因素的影響，例如：行進(jìn)時(shí)剎車(chē)、管道內(nèi)的環(huán)境、人為的因素、放射性的傷害、定位的精確度和效率，僅僅使用一種方法是不能獲得滿(mǎn)意效果的。 考慮到焊接接縫的規(guī)則排列,即每個(gè)焊接接縫的間距大約12m,和各種位置檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),以多種成象設(shè)備為基礎(chǔ)的焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)被提出來(lái)改善和提高精確度、效率和可靠性的局限。多種成象設(shè)備由圓弧測(cè)定器、CCD攝像機(jī)和低頻電磁波的接收器和發(fā)射極組成。系統(tǒng)的框圖如圖4。 圖4 焊接接縫獨(dú)立尋找并定位系統(tǒng) 系統(tǒng)采用定位反饋來(lái)提高定位的效率。反饋成像構(gòu)成的視覺(jué)反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的定位。 合成數(shù)據(jù)以三種測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，圓弧測(cè)定器的數(shù)據(jù)、低頻電磁波以及圖象，使用優(yōu)先估計(jì)算法處理數(shù)據(jù)。根據(jù)三種定位法的特征，上述數(shù)據(jù)在不同的范圍分別地有效。如果x1表示圓弧測(cè)定器的測(cè)量數(shù)據(jù)，x2是低頻電磁波，x3是圖象。X表示機(jī)器人在管道的內(nèi)實(shí)際位置，各個(gè)焊接接縫的間距是12m。那么，三種測(cè)量數(shù)據(jù)的有效作用范圍如下：x∈[1 ,12m]；x2∈[0.1m ,1m]；x3 ∈[-10cm,10cm]，最后的定位目標(biāo)是x3 = 0.三種測(cè)量數(shù)據(jù)有效范圍描述如下：當(dāng)距離x1相距焊接接縫位置是大于100cm時(shí)，使用圓弧測(cè)定器是為了提高定位效率，并且機(jī)器人在管道內(nèi)以高速移動(dòng)；當(dāng)數(shù)據(jù)x2是小于100cm時(shí)，控制器變成低頻電磁波，并且讓機(jī)器人以低速度移動(dòng)；當(dāng)焊接接縫進(jìn)入這圖象范圍時(shí)，采用圖象伺服系統(tǒng)獲得精確的定位。 數(shù)據(jù)合成規(guī)律可以表示為：X = X1 如果（x3 > - 10）且（x3 < 10），那么X =x3；以上方法實(shí)現(xiàn)了模糊控制并且完美地解決了精確度以及定位效率之間的矛盾。定位精確度的測(cè)試結(jié)果在≤±3毫米內(nèi)，可以滿(mǎn)足這設(shè)計(jì)要求。 ⒉３低頻電磁波的傳遞 除了定位的作用，低頻電磁波還被利用于傳送管道內(nèi)外部分之間的開(kāi)—關(guān)信號(hào)?？紤]它的危險(xiǎn)，X射線(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)從管道外遙控操縱。因?yàn)檫@機(jī)器人是無(wú)線(xiàn)的以及考慮到金屬管道的遮擋作用，其他的方法不能完成管道內(nèi)外部分之間傳送開(kāi)—關(guān)信號(hào)的任務(wù)。所以低頻電磁波被采用來(lái)發(fā)送操作命令到管道內(nèi)控制x射線(xiàn)系統(tǒng)。 3 結(jié)論 這X射線(xiàn)irtipr的關(guān)鍵技術(shù)是保證為X射線(xiàn)rtiit實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如果一個(gè)機(jī)器人采用沒(méi)有電纜的工作方式且它的管道內(nèi)外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步控制技術(shù)沒(méi)有被解決，它根本不可能為X射線(xiàn)rtiit實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。焊接接縫獨(dú)立尋找及定位技術(shù)是有形的具體化的智能機(jī)器人，也保證了機(jī)器人工作的高可靠性。低頻電磁波實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)外部分控制系統(tǒng)之間在金屬管道遮擋條件下的信息交流，并且起到了閉環(huán)的控制系統(tǒng)的作用。以這些關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)的X射線(xiàn)irtipr可被用于對(duì)這大口徑管道（在660～1400mm）的檢查，工作距離大約2km，工作速度在18m / min.因?yàn)檫@機(jī)器人安裝有一小的焦點(diǎn)以及定向波束X射線(xiàn)管，與其它X射線(xiàn)管相比可以獲得較高的清晰度的焊接接縫圖像。這些關(guān)鍵技術(shù)在測(cè)試中被證明是完美地滿(mǎn)足了X射線(xiàn)rtiit的技術(shù)要求。