鋼管質量檢測用管道機器人的研制

由路， 梁磊， 朱衛

（1.上海開放大學，上海 200043；2.國家知識產權局專利局 專利審查協作北京中心，北京 100081；3.吉林省送變電工程公司，長春 130001）

0 引言

在對無縫鋼管內壁質量檢測中，傳統的檢測方式都是人工進行超聲波探傷、渦流探傷和磁粉探傷[1-2]等，此種方法操作繁瑣，效率低下，且需要熟練的經驗。因而只能采用抽檢的方式，難以保證出廠的每根鋼管都經受檢驗，從而給后續的使用留下了安全隱患。因而研制一種能夠高效準確檢測無縫鋼管內壁質量的設備就變得尤為迫切。進行計算與確定。圖1中：R為管壁內徑，H為連桿支撐點距軸線垂直距離，L為連桿臂長度，r為輪子半徑，θ為連桿與水平軸線夾角。

圖1 支撐臂工作原理簡化模型

1 鋼管質量檢測用管道機器人的結構設計

該管道機器人能夠搭載一臺工業相機設備對無縫鋼管內壁進行信息采集和傳輸，其指標包括：1)管道機器人移動速度5~6 m/min；2)管道機器人可適應的管徑范圍為80~100 mm。

鋼管質量檢測管道機器人由前后端的管徑適應結構、中間的電氣艙體結構和圖像采集設備平臺3部分組成。其中管徑適應結構采用三支撐臂的力封閉可調機構，同時也是機器人的行走部分。此方案的優點是管道機器人能夠充分利用圓形管道空間，與管壁緊密接觸，從而使行走更加可靠[3-4]。

1.1 支撐臂結構及尺寸的確定

機器人三支撐臂與管壁充分接觸時，簡化模型如圖1所示。該模型圖形象地表示出了管道機器人的支撐橫臂結構在管道內壁的接觸情況，并以此來對其結構及尺寸

利用SolidWorks進行三維建模，將支撐臂分為兩部分，即提供動力的主動端和不提供驅動力的從動端，兩者結構形式類似，簡化設計工作量，最終其模型如圖2所示，其單連桿機構可以在中心軸通過套筒進行上滑動，而雙連桿部分則固定在基體上只能繞基體轉動，使用銷釘來充當轉動連接部分。連桿基體連接部分是一個三角架，通過它將3個支撐臂聯接起來進行聯動。

圖2 可調節的彈性支撐結構

1.2 輪系部件結構設計及尺寸的確定

輪系部件由輪胎、輪轂、輪軸、微型軸承、錐齒輪、彈性擋圈等組成，如圖3所示。由于管徑的限制，機器人的整體尺寸及其他部件的尺寸都要向小型化的方向設計：輪胎的直徑約為24 mm，輪軸的直徑為3 mm。為了減小磨損，并增加輪軸旋轉的流暢性，輪軸的支撐中采用了微型深溝球軸承。

圖3 輪系部件

1.3 電動機的安裝與固定

管道機器人采用控制方便的直流電動機進行驅動[5]，為了節省空間，電動機橫向布置在用于支撐的橫臂上，電動機輸出的動力經一對錐齒輪直接驅動支撐輪，見圖4（a）。這種結構充分利用了管道內有限的空間，而且不需要復雜的傳動裝置，傳動簡單可靠。為了讓電動機可靠地固定在橫臂上，內層采用將電動機固定在特制的電動機架上，見圖4（b），外層則通過緊定螺釘將電動機架固定在橫臂上。

1.4 管道機器人的總體結構

綜上，鋼管質量檢測用管道機器人的總體結構包括管徑自適應支撐臂、電器艙體、輪系部件以及驅動電動機的安裝與固定結構等部分構成，其總體結構如圖5所示。

圖4 電動機的安裝與固定

2 鋼管質量檢測用管道機器人的電控系統研發

2.1 鋼管質量檢測用管道機器人的電控系統設計

電控系統是控制管道機器人的靈魂部分，該部分設計的原則是在滿足功能的前提下追求結構精簡、控制靈活和運行可靠。本文針對管道機器人的控制，應用宏晶公司產的STC89C52RC單片機作為核心微處理器，結合電動機驅動器、無線藍牙收發器等傳感器對管道機器人進行控制。其中加速度傳感器用來傳遞機器人運動的實時位置信息，USB高速數據線路則是將工業相機采集的內壁圖像實時采集傳輸至上位機。

圖5 管道機器人總體結構圖

2.2 電路主板的PCB設計與制作

電路主板置于管道機器人電氣艙體內部，集成了STC89C52RC單片機最小系統、藍牙收發器、加速度傳感器、電動機驅動器以及程序燒寫口、電源接口、開關電路、穩壓電路等。使用Altium Designer軟件完成原理圖設計并制作出PCB文件。該PCB板為雙面板且絕大部分元件為貼片式。其中藍牙模塊通過與主板單片機的串口進行連接，負責無線發送與接收數據；加速度傳感器模塊則通過連接并固定在主板上，隨機器人機體一起運動，同時不斷記錄加速度數據并通過IIC通信協議與單片機交換數據信息。最終組裝好的電路實物圖見圖6。

圖6 集成電路控制板

3 鋼管質量檢測用管道機器人的上位機開發及試驗研究

3.1 鋼管質量檢測用管道機器人上位機軟件的開發

上位機軟件是用戶和管道機器人的交流媒介，除了要實現收發指令數據的功能，還應具有一定的界面友好性，力求操作簡單，運行穩定。

為了實現與單片機的通信和圖像采集，該上位機具有串口功能，并能實時將工業相機拍攝的圖像顯示在屏幕中供用戶察看。對于上位機界面設計及編程，有多種語言工具可供選擇，這里采用的是MATLAB工具進行的軟件開發設計。其內嵌的GUI工具能夠完成各種各具特色的界面設計，其最終上位機界面如圖7所示。

3.2 鋼管質量檢測用管道機器人的爬管試驗研究

經過硬件組裝和電路板裝配，最終基于鋼管質量檢測用管道機器人的物理樣機如圖8（a）。

圖7 上位機運行界面

圖8 管道機器人樣機及爬管試驗圖

1)試驗條件與內容。為了驗證管道機器人能夠適應不同的管徑并能在控制下穩定爬行，試驗中使用了3種不同內徑的圓管，直徑分別為 92、100、105 mm，其中有一根為工廠生產的鋼管，三管長度均在1.5 m左右。測試時，試驗條件包括為機器人供電的鋰電池、卷尺、秒表、萬用表等器材以及導線若干。試驗進行時分別采用低速檔和高速檔測量其在不同管徑中的前進和后退的運動時間和位移，間接得出速率值，在此基礎上，又利用萬用表測出了機器人運動和靜止時的電池輸出電壓與電流，間接得到其工作功耗和靜止功耗。測試圖見圖8（b）。

2)試驗測試結果。經過對管道機器人的前進、后退速率、功率等進行測試，測試結果表明該樣機能夠按照較高速率在不同內徑的管道中運行，在測試中，最高的前進速率達到了172.2 mm/s，即10.3 m/min；最低的前進速率也達到了116.6 mm/s,即6.99 m/min，其最大消耗功率為4.83 W，最小為2.87 W。

4 結論

基于工業生產的現狀并結合現代各項技術的發展，本文提出了以圖像檢測為手段的鋼管內壁質量檢測方案，將機器人視覺技術較成功地應用于鋼管質檢環節，為傳統的鋼管質檢開創了新的局面。所設計并研制的管道機器人采用直輪式帶支撐臂可伸縮結構能夠適應一定范圍的直管內徑并且能在自主開發的上位機控制下穩定行走，成功采集到了管道內壁高清全景圖像。