(上海交通*機(jī)器人研究所, 上?！?00030)
摘 要: 介紹一種新型爬壁機(jī)器人, 它以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測(cè)在役化工容器筒壁對(duì)接環(huán)焊的危害性缺陷. 著重介紹了它的機(jī)械結(jié)構(gòu)及位置調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制算法. 這種機(jī)器人采用磁輪吸附和小車式行走, 利用磁帶導(dǎo)航,光纖傳感器檢測(cè), 具有結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)航性能好、位置調(diào)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(jī)器人
1 引言( In troduction)
超聲串列自動(dòng)掃查機(jī)器人是以某煉油廠加氫反應(yīng)器為具體的應(yīng)用對(duì)象,用來以超聲串列法自動(dòng)掃查和檢測(cè)筒壁對(duì)接環(huán)焊縫的危害缺陷而研制的,并按JB4730-94《壓力容器無損檢測(cè)》的要求,用超聲串列法檢測(cè). 超聲串列法要求一發(fā)、一收探頭中心聲束保持在一個(gè)與焊縫中心線相垂直的平面內(nèi),收發(fā)探頭相對(duì)于串列基準(zhǔn)線須保持等距、反相、勻速移動(dòng). 由于采用手動(dòng)檢測(cè),操作難度大,重復(fù)性差,可比性差而難以實(shí)施. 對(duì)于這種用在圓形筒壁上在役檢測(cè)的機(jī)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(jī)器人,日本的Osaka Gas Co. Ltd公司研制了磁輪爬壁檢測(cè)機(jī)器人,但是售價(jià)昂貴. 從文獻(xiàn)及報(bào)道方面看,國(guó)內(nèi)對(duì)于這種在役磁輪式爬壁機(jī)器人還少有實(shí)用化的樣例,也缺乏這方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)及自動(dòng)控制裝置的研究,因此,對(duì)大厚度焊縫的超聲波探傷自動(dòng)掃查爬壁機(jī)器人的研究是十分必要的.
2 總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)(Total structure and design)
本樣機(jī)由機(jī)械部分、控制部分、導(dǎo)航傳感檢測(cè)部分組成. 重點(diǎn)介紹機(jī)械部分和傳感檢測(cè)部分.
2. 1 結(jié)構(gòu)
本樣機(jī)的機(jī)械部分由導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)體、左右磁輪運(yùn)動(dòng)體組成. 樣機(jī)及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1.設(shè)o 1 x 1 y 1 為機(jī)器人的坐標(biāo)系, 其中原點(diǎn)o 1 在機(jī)器人4個(gè)輪子布局的對(duì)稱中心點(diǎn)上, x 1 為機(jī)器人左右磁輪的對(duì)稱中心線, y 1 平行于串列掃查探頭的導(dǎo)軌. 圖中所示oxy坐標(biāo)的x軸,相當(dāng)于是固定在筒壁上的,與串列掃查基準(zhǔn)線重合, y軸是與其垂直的坐標(biāo), o與o 1 重合. 在這里所謂的串列基準(zhǔn)線是串列掃查時(shí), 作為一發(fā)一收兩探頭等間隔移動(dòng)的所定相對(duì)對(duì)稱基準(zhǔn)線,一般設(shè)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(yùn)動(dòng)體
整個(gè)掃查機(jī)器人靠4個(gè)磁輪的吸力吸附在圓筒壁上,由磁輪的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)、后退, 以及調(diào)整機(jī)器人的位置和方位, 在這里我們選用磁輪而沒有用履帶, 這有利于達(dá)到串列掃查對(duì)運(yùn)動(dòng)精度的要求. 機(jī)器人左右各有兩個(gè)磁輪, 各由交流伺服電機(jī)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(yùn)動(dòng),兩個(gè)磁輪通過齒形帶均可運(yùn)動(dòng),所以都是主動(dòng)輪, 這樣左右磁輪的運(yùn)動(dòng)形成機(jī)器人的兩個(gè)自由度. 當(dāng)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)輪同向等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人向前后移動(dòng), 當(dāng)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(jī)器人向右偏轉(zhuǎn); 反之, 向左偏轉(zhuǎn).
(2)導(dǎo)軌滑塊運(yùn)動(dòng)體
采用交流伺服電機(jī)經(jīng)齒輪減速器和同步齒形帶帶動(dòng)兩滑塊在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng), 形成機(jī)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齒形輪的另一邊的齒形帶上, 所以兩滑塊隨著齒形帶的運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)軌上同向或反向直線運(yùn)動(dòng), 帶動(dòng)固定在滑塊上的探頭相對(duì)機(jī)器人中心線同向或反向運(yùn)動(dòng).
調(diào)整爬壁機(jī)器人的中心線與串列基準(zhǔn)線相平行, 就可確保收、發(fā)探頭相對(duì)串列基準(zhǔn)線等距離運(yùn)動(dòng),符合串列掃查的運(yùn)動(dòng)要求. 同時(shí)電機(jī)與光電碼盤連接,通過計(jì)數(shù)脈沖算出收發(fā)探頭入射點(diǎn)間距離,通過與壁面壓緊的滾輪和與之相聯(lián)的光電編碼器檢測(cè)機(jī)器人方向前進(jìn)、后退距離. 3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)用工控機(jī)伺服控制,通過軟件編程來實(shí)現(xiàn).
2. 2 傳感導(dǎo)引系統(tǒng)
傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器. 外部傳感器為:
(1)傳感器檢測(cè)導(dǎo)引方案采用在筒壁上沿平行焊縫方向貼導(dǎo)向帶, 通過安裝在車體上的4個(gè)對(duì)顏色敏感的光纖傳感器(傳感器固定在傳感器盒上)來檢測(cè)機(jī)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)的光電碼盤檢測(cè)x方向的移動(dòng)距離.
內(nèi)部傳感器為: x 向y向的運(yùn)動(dòng)控制用內(nèi)部傳感器,即是伺服電機(jī)軸上的3個(gè)位移光電碼盤. 以平行于焊縫的參考線為定位參考基準(zhǔn),布置好導(dǎo)向帶,導(dǎo)向帶采用表面光滑且無凹陷的磁條作為底層, 在磁條上鋪設(shè)固定寬度的白色色帶用于導(dǎo)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(biāo)系, 相當(dāng)于是固定在機(jī)器人本體上的. x ‘ 1 傳感器對(duì)稱中心線上與x 1 軸平行, y ‘1 軸通過1、2傳感器, o ‘1 為傳感器坐標(biāo)原點(diǎn).o ‘< x ‘< y ‘< 為導(dǎo)引帶坐標(biāo)系, x ‘< 軸為與x軸平行且與導(dǎo)引帶中心線重合,相當(dāng)于是固定在筒壁上的坐標(biāo)軸, o ‘< 為沒有位置誤差、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用來限制機(jī)器人小車向x軸方向運(yùn)動(dòng)過程中,在y軸方向的偏移,傳感器3、4用來限制機(jī)器人小車相對(duì)x軸方向的偏斜. 一旦小車偏移, 4個(gè)傳感器分別有一個(gè)以上作出反應(yīng), 計(jì)算機(jī)根據(jù)反饋過來的情況對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)整. 光纖傳感器5主要用于減小小車沿X 方向前進(jìn)過程中的積累誤差, 沿導(dǎo)航帶每隔1000mm設(shè)置路標(biāo),傳感器5檢測(cè)到此路標(biāo),通過光電編碼器6獲得小車的當(dāng)前位置, 計(jì)算小車從當(dāng)前位置與實(shí)際位置的誤差并調(diào)整小車從當(dāng)前位置到實(shí)際位置, 避免距離過長(zhǎng)造成積累誤差過大的缺點(diǎn).
3 掃查運(yùn)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(duì)串列基準(zhǔn)線等距離移動(dòng),這里我們稱之謂掃查運(yùn)動(dòng),探頭是固定在滑塊上的. 運(yùn)動(dòng)掃查的具體步驟如下:
(1) 機(jī)器人首先尋找零位, 找到零位后機(jī)器人開始沿x軸運(yùn)動(dòng).
(2) 在運(yùn)動(dòng)的過程中, 通過傳感器檢測(cè)機(jī)器人沿y方向是否有偏移,相對(duì)于y方向是否有偏轉(zhuǎn).
(3) 若檢測(cè)出來有偏移和偏轉(zhuǎn), 則機(jī)器人通過調(diào)整運(yùn)動(dòng),調(diào)整到要求的精度范圍以內(nèi).
(4) 調(diào)整完成后,這時(shí)滑塊及探頭作相向、相反運(yùn)動(dòng)一次,實(shí)現(xiàn)當(dāng)前截面的串列掃查.
(5) 機(jī)器人繼續(xù)沿x軸方向運(yùn)動(dòng)某一距離, 并按(2)、(3)、(4)步驟對(duì)下一截面進(jìn)行串列掃查.
4 調(diào)整運(yùn)動(dòng)( Adjusting movement)
為滿足超聲探測(cè)的要求,機(jī)器人必須根據(jù)傳感器狀態(tài)及時(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整運(yùn)動(dòng). 如圖1所示,導(dǎo)向傳感器設(shè)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(dāng)機(jī)器人偏移到掃查規(guī)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(jī)器人要根據(jù)具體的情況調(diào)整. 調(diào)整是根據(jù)4個(gè)傳感器檢測(cè)的情況來進(jìn)行的,對(duì)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(jù)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(jù)傳感器的狀態(tài),通過調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制方法,調(diào)整機(jī)器人達(dá)到要求的位置和方位精度.
機(jī)器人的調(diào)整運(yùn)動(dòng)基本算法有位置調(diào)整和角度調(diào)整兩種,具體分析如下:
4. 1 位置偏移的調(diào)整
調(diào)整機(jī)器人本體(以下簡(jiǎn)稱小車)位置偏差總共分為以下步驟:
(1) 小車?yán)@中心旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度φ1 , 如圖所示的小車虛線位置,其中實(shí)線為小車無偏移位置;
(2) 小車?yán)@轉(zhuǎn)過的方向前進(jìn)x1 距離;
(3)小車停止運(yùn)動(dòng)繞中心反向旋轉(zhuǎn)φ2 ;
(4)小車沿x軸方向后退到初始x 坐標(biāo)處. 這樣小車可以實(shí)現(xiàn)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(xiàn)對(duì)它位置偏差的調(diào)整.
本文設(shè)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù),小車旋轉(zhuǎn)角α,小車由o ‘1 離開y ‘1 的距離引起橫向偏移量ΔX,由傳感器反應(yīng)出來的o ‘1 偏移x ‘ 的距離為小車縱向偏移量ΔY. 上述各步驟的計(jì)算如下:
(1) 小車轉(zhuǎn)過φ1 角, 縱向偏移ΔY φ1 , 橫向偏移ΔX φ1 ,其式為:
(2)小車沿轉(zhuǎn)過的角度前進(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(diào)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(jī)器人的實(shí)際位置調(diào)整過程中, 向左偏和向右偏時(shí)由于受重力和阻力的影響,機(jī)器人的偏移量是不同的,在具體的實(shí)踐過程中要適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)償.
5 結(jié)論( Conclusion)
按本文介紹的自動(dòng)掃查爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu),研制了樣機(jī),并在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)半徑為1700mm的石化圓筒容器表面進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)表明:這種對(duì)稱磁輪形式的爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)是可行的,運(yùn)動(dòng)靈活,能順利實(shí)現(xiàn)掃查運(yùn)動(dòng)和調(diào)整運(yùn)動(dòng),并達(dá)到超聲串列掃查所要求的運(yùn)動(dòng)精度.
