(上海交通*機器人研究所, 上?！?00030)
摘 要: 介紹一種新型爬壁機器人, 它以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測在役化工容器筒壁對接環(huán)焊的危害性缺陷. 著(zhù)重介紹了它的機械結構及位置調整運動(dòng)控制算法. 這種機器人采用磁輪吸附和小車(chē)式行走, 利用磁帶導航,光纖傳感器檢測, 具有結構緊湊、導航性能好、位置調整方法可行和定位精度高等特點(diǎn).
關(guān)鍵詞: 超聲自動(dòng)串列掃查; 磁輪; 爬壁機器人
1 引言( In troduction)
超聲串列自動(dòng)掃查機器人是以某煉油廠(chǎng)加氫反應器為具體的應用對象,用來(lái)以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測筒壁對接環(huán)焊縫的危害缺陷而研制的,并按JB4730-94《壓力容器無(wú)損檢測》的要求,用超聲串列法檢測. 超聲串列法要求一發(fā)、一收探頭中心聲束保持在一個(gè)與焊縫中心線(xiàn)相垂直的平面內,收發(fā)探頭相對于串列基準線(xiàn)須保持等距、反相、勻速移動(dòng). 由于采用手動(dòng)檢測,操作難度大,重復性差,可比性差而難以實(shí)施. 對于這種用在圓形筒壁上在役檢測的機器人,丹麥的force公司研制了多用途模塊磁輪掃描儀AMS-9、AMS-10等系列磁輪爬壁機器人,日本的Osaka Gas Co. Ltd公司研制了磁輪爬壁檢測機器人,但是售價(jià)昂貴. 從文獻及報道方面看,國內對于這種在役磁輪式爬壁機器人還少有實(shí)用化的樣例,也缺乏這方面的機械結構及自動(dòng)控制裝置的研究,因此,對大厚度焊縫的超聲波探傷自動(dòng)掃查爬壁機器人的研究是十分必要的.
2 總體結構及設計(Total structure and design)
本樣機由機械部分、控制部分、導航傳感檢測部分組成. 重點(diǎn)介紹機械部分和傳感檢測部分.
2. 1 結構
本樣機的機械部分由導軌滑塊運動(dòng)體、左右磁輪運動(dòng)體組成. 樣機及結構簡(jiǎn)圖如圖1.設o 1 x 1 y 1 為機器人的坐標系, 其中原點(diǎn)o 1 在機器人4個(gè)輪子布局的對稱(chēng)中心點(diǎn)上, x 1 為機器人左右磁輪的對稱(chēng)中心線(xiàn), y 1 平行于串列掃查探頭的導軌. 圖中所示oxy坐標的x軸,相當于是固定在筒壁上的,與串列掃查基準線(xiàn)重合, y軸是與其垂直的坐標, o與o 1 重合. 在這里所謂的串列基準線(xiàn)是串列掃查時(shí), 作為一發(fā)一收兩探頭等間隔移動(dòng)的所定相對對稱(chēng)基準線(xiàn),一般設定為在離探傷面距離為0.5跨距的位置.
本文中左指的是y 1 方向,反之為右方向. 各部分的工作原理如下:
(1)左右磁輪運動(dòng)體
整個(gè)掃查機器人靠4個(gè)磁輪的吸力吸附在圓筒壁上,由磁輪的運動(dòng)帶動(dòng)機器人前進(jìn)、后退, 以及調整機器人的位置和方位, 在這里我們選用磁輪而沒(méi)有用履帶, 這有利于達到串列掃查對運動(dòng)精度的要求. 機器人左右各有兩個(gè)磁輪, 各由交流伺服電機經(jīng)諧波減速器減速、同步齒形帶傳動(dòng),帶動(dòng)磁輪沿壁面運動(dòng),兩個(gè)磁輪通過(guò)齒形帶均可運動(dòng),所以都是主動(dòng)輪, 這樣左右磁輪的運動(dòng)形成機器人的兩個(gè)自由度. 當兩個(gè)電機同時(shí)驅動(dòng)4個(gè)輪同向等速轉動(dòng)時(shí),機器人向前后移動(dòng), 當左邊的2個(gè)磁輪的速度大于右邊的兩個(gè)磁輪的速度時(shí), 機器人向右偏轉; 反之, 向左偏轉.
(2)導軌滑塊運動(dòng)體
采用交流伺服電機經(jīng)齒輪減速器和同步齒形帶帶動(dòng)兩滑塊在導軌上運動(dòng), 形成機器人的第三個(gè)自由度. 由于兩滑塊分別固聯(lián)在嚙入齒形輪的一邊和離開(kāi)齒形輪的另一邊的齒形帶上, 所以?xún)苫瑝K隨著(zhù)齒形帶的運動(dòng)而在導軌上同向或反向直線(xiàn)運動(dòng), 帶動(dòng)固定在滑塊上的探頭相對機器人中心線(xiàn)同向或反向運動(dòng).
調整爬壁機器人的中心線(xiàn)與串列基準線(xiàn)相平行, 就可確保收、發(fā)探頭相對串列基準線(xiàn)等距離運動(dòng),符合串列掃查的運動(dòng)要求. 同時(shí)電機與光電碼盤(pán)連接,通過(guò)計數脈沖算出收發(fā)探頭入射點(diǎn)間距離,通過(guò)與壁面壓緊的滾輪和與之相聯(lián)的光電編碼器檢測機器人方向前進(jìn)、后退距離. 3個(gè)自由度的運動(dòng)用工控機伺服控制,通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現.
2. 2 傳感導引系統
傳感器分為內部傳感器和外部傳感器. 外部傳感器為:
(1)傳感器檢測導引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導向帶, 通過(guò)安裝在車(chē)體上的4個(gè)對顏色敏感的光纖傳感器(傳感器固定在傳感器盒上)來(lái)檢測機器人本體的位置偏移和方位偏移.
(2)由另一緊壓壁面的自由輪帶動(dòng)的光電碼盤(pán)檢測x方向的移動(dòng)距離.
內部傳感器為: x 向y向的運動(dòng)控制用內部傳感器,即是伺服電機軸上的3個(gè)位移光電碼盤(pán). 以平行于焊縫的參考線(xiàn)為定位參考基準,布置好導向帶,導向帶采用表面光滑且無(wú)凹陷的磁條作為底層, 在磁條上鋪設固定寬度的白色色帶用于導航. 傳感器的平面布置如圖2所示.
圖中o ‘1 x ‘1 y ‘1 為傳感器盒坐標系, 相當于是固定在機器人本體上的. x ‘ 1 傳感器對稱(chēng)中心線(xiàn)上與x 1 軸平行, y ‘1 軸通過(guò)1、2傳感器, o ‘1 為傳感器坐標原點(diǎn).o ‘< x ‘< y ‘< 為導引帶坐標系, x ‘< 軸為與x軸平行且與導引帶中心線(xiàn)重合,相當于是固定在筒壁上的坐標軸, o ‘< 為沒(méi)有位置誤差、方位誤差時(shí)在x ‘1 上與o ‘1 重合的點(diǎn),y ‘< 垂直于x ‘< . 圖中1、2、3、4分別表示4個(gè)傳感器,傳感器1、2用來(lái)限制機器人小車(chē)向x軸方向運動(dòng)過(guò)程中,在y軸方向的偏移,傳感器3、4用來(lái)限制機器人小車(chē)相對x軸方向的偏斜. 一旦小車(chē)偏移, 4個(gè)傳感器分別有一個(gè)以上作出反應, 計算機根據反饋過(guò)來(lái)的情況對機器人進(jìn)行調整. 光纖傳感器5主要用于減小小車(chē)沿X 方向前進(jìn)過(guò)程中的積累誤差, 沿導航帶每隔1000mm設置路標,傳感器5檢測到此路標,通過(guò)光電編碼器6獲得小車(chē)的當前位置, 計算小車(chē)從當前位置與實(shí)際位置的誤差并調整小車(chē)從當前位置到實(shí)際位置, 避免距離過(guò)長(cháng)造成積累誤差過(guò)大的缺點(diǎn).
3 掃查運動(dòng)( Scann ing movement)
超聲串列掃查要求一發(fā)一收的兩只探頭相對串列基準線(xiàn)等距離移動(dòng),這里我們稱(chēng)之謂掃查運動(dòng),探頭是固定在滑塊上的. 運動(dòng)掃查的具體步驟如下:
(1) 機器人首先尋找零位, 找到零位后機器人開(kāi)始沿x軸運動(dòng).
(2) 在運動(dòng)的過(guò)程中, 通過(guò)傳感器檢測機器人沿y方向是否有偏移,相對于y方向是否有偏轉.
(3) 若檢測出來(lái)有偏移和偏轉, 則機器人通過(guò)調整運動(dòng),調整到要求的精度范圍以?xún)?
(4) 調整完成后,這時(shí)滑塊及探頭作相向、相反運動(dòng)一次,實(shí)現當前截面的串列掃查.
(5) 機器人繼續沿x軸方向運動(dòng)某一距離, 并按(2)、(3)、(4)步驟對下一截面進(jìn)行串列掃查.
4 調整運動(dòng)( Adjusting movement)
為滿(mǎn)足超聲探測的要求,機器人必須根據傳感器狀態(tài)及時(shí)作出相應的調整運動(dòng). 如圖1所示,導向傳感器設定為4個(gè)傳感器,正常情況下, 4個(gè)傳感器的光纖與白色色帶接觸傳感器的顯示燈是亮的,當機器人偏移到掃查規定范圍外時(shí),光纖傳感器接觸到磁帶,傳感器顯示燈滅,這時(shí)機器人要根據具體的情況調整. 調整是根據4個(gè)傳感器檢測的情況來(lái)進(jìn)行的,對于可能遇到的情況,按位移、方位(角度)偏移可分4種,按傳感器的狀態(tài)根據排列組合的原理可分為15種情況. 例如: 1滅2亮3滅4亮、1滅2亮3亮4滅等等. 根據傳感器的狀態(tài),通過(guò)調整運動(dòng)控制方法,調整機器人達到要求的位置和方位精度.
機器人的調整運動(dòng)基本算法有位置調整和角度調整兩種,具體分析如下:
4. 1 位置偏移的調整
調整機器人本體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)小車(chē))位置偏差總共分為以下步驟:
(1) 小車(chē)繞中心旋轉一個(gè)角度φ1 , 如圖所示的小車(chē)虛線(xiàn)位置,其中實(shí)線(xiàn)為小車(chē)無(wú)偏移位置;
(2) 小車(chē)繞轉過(guò)的方向前進(jìn)x1 距離;
(3)小車(chē)停止運動(dòng)繞中心反向旋轉φ2 ;
(4)小車(chē)沿x軸方向后退到初始x 坐標處. 這樣小車(chē)可以實(shí)現y軸方向上的位移, 而x軸方向上的位置保持不變從而實(shí)現對它位置偏差的調整.
本文設o 1 o ‘1 距離為l, o 1 o ‘1 與y1 軸的夾角為γ, l與γ都是機器人的結構參數,小車(chē)旋轉角α,小車(chē)由o ‘1 離開(kāi)y ‘1 的距離引起橫向偏移量ΔX,由傳感器反應出來(lái)的o ‘1 偏移x ‘ 的距離為小車(chē)縱向偏移量ΔY. 上述各步驟的計算如下:
(1) 小車(chē)轉過(guò)φ1 角, 縱向偏移ΔY φ1 , 橫向偏移ΔX φ1 ,其式為:
(2)小車(chē)沿轉過(guò)的角度前進(jìn)x1的距離,縱向偏移ΔY x1 ,橫向偏移ΔX x1[/ht橫向偏移:ml], 其式為:
此時(shí)x方向的總偏移為:
4. 3 既有位置偏移又有角度偏移的調整
實(shí)際操作中先按位置偏移的方式,校正好位置,然后按角度偏移的方式校正好角度.以上所推出的公式均為理論值, 在機器人的實(shí)際位置調整過(guò)程中, 向左偏和向右偏時(shí)由于受重力和阻力的影響,機器人的偏移量是不同的,在具體的實(shí)踐過(guò)程中要適當進(jìn)行補償.
5 結論( Conclusion)
按本文介紹的自動(dòng)掃查爬壁機器人的結構,研制了樣機,并在實(shí)驗室及現場(chǎng)半徑為1700mm的石化圓筒容器表面進(jìn)行了運行試驗. 實(shí)驗表明:這種對稱(chēng)磁輪形式的爬壁機器人結構是可行的,運動(dòng)靈活,能順利實(shí)現掃查運動(dòng)和調整運動(dòng),并達到超聲串列掃查所要求的運動(dòng)精度.
