六足行走機器人設計,六足行走機器人設計,行走,機器人,設計 附錄A X射線實時影象探傷管道機器人的關鍵技術 摘要 這篇論文介紹了一種檢查大口徑管道焊接連接的機器人系統(tǒng)，它被發(fā)展作為X射線實時圖象檢查法 [RTIIT]的自動化平臺。該機器人在管道內可以獨立尋找并確定焊接接縫位置，在同步控制技術的控制下可以完成對焊縫進行質量檢驗的任務。該機器人系統(tǒng)安裝有一個小的焦點和具有定向波束的X射線管，因此可以獲得清晰度較高的焊接接縫圖像。關于該機器人系統(tǒng)個別的關鍵技術也將被詳細說明。它的結構是（？） 。 關鍵詞：X射線探傷、實時影象、機器人 0 介紹 與射線照相檢查方法（RET）相比較，X射線實時圖像檢查法（RTIIT）有許多優(yōu)勢，比如較高的效率、較低的成本，更容易實現(xiàn)自動化和對焊接缺陷進行即時評估。此外，最新的技術允許X射線RTIIT被用在對管道進行無損檢測（NDT），并且這個方法的檢查品質和RET[1，2]是一樣的。因此，無損檢測設備，通常用于管道檢驗的基于RET的設備，需要通過改造變成基于X射線實時圖像檢查法的。 使用X射線實時圖像檢查法對管道進行無損檢測一定要有一個自動化平臺，X射線探傷實時影象管道機器人（irtipr）就是為該目的而設計的。事實上，除了已經被解決[３]的涉及X射線探傷實時影象管道機器人的問題之外，一些集中在機器人的智能控制的關鍵技術也出現(xiàn)在這篇論文中。，例如，機器人在管道內的獨立動作，同步控制技術和在管道內外之間信息交流配合，我們也將機器人的結構（ ？ ）。 1 機器人的工作原理 這個X射線探傷實時影象管道機器人由管道內和管道外兩部分組成，結構詳見圖1。管道外的部分由圖像采集處理系統(tǒng)（8，9，10），管道外同步旋轉機構和它的驅動系統(tǒng)（11，12）組成。圖像擴大器由管道外旋轉機構來推動并圍繞管道中心旋轉進行采集焊接圖像及通過圖像采集卡將圖象信號傳達給圖像處理計算機。管道內的部分由管道內電腦（1）、電源和換流器系統(tǒng)（２）、行走及其驅動系統(tǒng)（３）、X射線系統(tǒng)（４）、管道內同步旋轉機構及其驅動系統(tǒng)（５,6）和焊接接縫獨立尋找及定位系統(tǒng)（７）。X射線系統(tǒng)中的X射線管由管道內的旋轉機構推動圍繞管道的中心旋轉。 圖1 X射線探傷實時影象管道機器人的結構 機器人主要工作原理說明如下：在焊接接縫獨立尋找及定位系統(tǒng)的控制下管內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)。當它收到從管道外由低頻電磁波傳達的指令信號時，管道內的電腦立即操縱X射線系統(tǒng)的控制器來實現(xiàn)管道外的控制。管道內和管道外的旋轉機構由同步控制技術控制圍繞相同的管道中心旋轉并按旋轉-照射-旋轉的方式完成焊接接縫檢查。 ２ 機器人的控制系統(tǒng) 與工藝步驟的工作原理相比，X射線irtipr的控制系統(tǒng)主要由一些關鍵技術組成，例如以X射線圖象標準檢查程序為基礎的同步控制技術和以數(shù)據(jù)合成及低頻電磁波傳遞為基礎的焊接接縫獨立尋找及定位技術。 2.1 管道內和管道外旋轉機構的同步控制技術 根據(jù) X射線實時圖象檢查法的技術要求，X射線管和圖像增強器必須圍繞同時地同一個中心旋轉。因為X射線irtipr采用無線的工作方式，機器人管道內同管道外的部分是不可能的由電纜連接著的。如何在管道內外旋轉機構的控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)同步信息通信，或如何實現(xiàn)同步控制，變成必須被解決的關鍵技術。 同步旋轉可以被描述為：當管道內的旋轉機構帶動X射線管到旋轉α角時，管道外的旋轉機構也帶動圖像增強器同時繞同樣的中心旋轉到相同的角度（圖2）。因為金屬管道的遮擋作用和無線的特征，現(xiàn)有的通信手段很難完成在管道內外控制信息的通信（４,5）。根據(jù)X射線探傷實時影象管道機器人的特殊性，我們提出這同步控制方案如下：將一個垂直于焊接接縫的標準檢查程序導線設置在X射線管的照射窗上；當 X射線照射到焊接接縫時，標準檢查程序導線也在管道外的電腦上成像。只要管道內和管道外旋轉機構處于同步的位置，即X射線管的照射窗和圖像增強器的軸是重合的（α=0）（圖2），標準檢查程序導線成像在電腦屏幕的中心位置。標準檢查程序導線的成像和標準檢查程序的中心線重合，看圖3。當管道內旋轉機構旋轉α角時，在屏幕上標準檢查程序導線的成像偏離標準檢查程序中心線，距離為H 。距離H被用作管道外旋轉機構控制系統(tǒng)的錯誤輸入使調節(jié)自身旋轉運動直到這距離H為零或小于指定值，管道外旋轉機構同步動作可以被實現(xiàn)。 試驗和模擬證明以上同步控制技術是正確的。這種同步動作滿足X射線探傷實時影象管道機器人的技術要求。 這種方法以 X射線當做觀測信號源，管道內和管道外的旋轉機構同步動作信息通過X射線圖象的標準檢查程序導線偏離標準檢查程序中心線距離確定，從而執(zhí)行同步動作.這種方法已經申請發(fā)明專利。 圖2 同步旋轉機構 圖3 X射線圖象的標準檢查程序導線 ⒉２焊接接縫的獨立尋找及定位技術 獨立尋找并定位意味著在管道內機器人沒有任何其他干涉僅借助于傳感器自動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器人是否可以實現(xiàn)在管道內獨立行動有直接關系。如果這個系統(tǒng)是無效的，機器人將在管道中“死亡”或“迷路”[6]。 大略地說，檢測焊接位置接縫方法如下：（1）利用編碼器或圓弧測定器；（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電；（４）利用放射性同位素（比如γ射線信號源）；（５）利用觀測；（６）利用低頻電磁波。 因為這種方法受許多因素的影響，例如：行進時剎車、管道內的環(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意效果的。 考慮到焊接接縫的規(guī)則排列,即每個焊接接縫的間距大約12m,和各種位置檢測方法優(yōu)點和缺點,以多種成象設備為基礎的焊接接縫獨立尋找及定位系統(tǒng)被提出來改善和提高精確度、效率和可靠性的局限。多種成象設備由圓弧測定器、CCD攝像機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 焊接接縫獨立尋找并定位系統(tǒng) 系統(tǒng)采用定位反饋來提高定位的效率。反饋成像構成的視覺反饋系統(tǒng)實現(xiàn)精確的定位。 合成數(shù)據(jù)以三種測量數(shù)據(jù)為基礎，圓弧測定器的數(shù)據(jù)、低頻電磁波以及圖象，使用優(yōu)先估計算法處理數(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表示圓弧測定器的測量數(shù)據(jù)，x2是低頻電磁波，x3是圖象。X表示機器人在管道的內實際位置，各個焊接接縫的間距是12m。那么，三種測量數(shù)據(jù)的有效作用范圍如下：x∈[1 ,12m]；x2∈[0.1m ,1m]；x3 ∈[-10cm,10cm]，最后的定位目標是x3 = 0.三種測量數(shù)據(jù)有效范圍描述如下：當距離x1相距焊接接縫位置是大于100cm時，使用圓弧測定器是為了提高定位效率，并且機器人在管道內以高速移動；當數(shù)據(jù)x2是小于100cm時，控制器變成低頻電磁波，并且讓機器人以低速度移動；當焊接接縫進入這圖象范圍時，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。定位精確度的測試結果在≤±3毫米內，可以滿足這設計要求。 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外部分之間的開—關信號?？紤]它的危險，X射線系統(tǒng)經從管道外遙控操縱。因為這機器人是無線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外部分之間傳送開—關信號的任務。所以低頻電磁波被采用來發(fā)送操作命令到管道內控制x射線系統(tǒng)。 3 結論 這X射線irtipr的關鍵技術是保證為X射線rtiit實現(xiàn)自動化。如果一個機器人采用沒有電纜的工作方式且它的管道內外旋轉機構同步控制技術沒有被解決，它根本不可能為X射線rtiit實現(xiàn)自動化。焊接接縫獨立尋找及定位技術是有形的具體化的智能機器人，也保證了機器人工作的高可靠性。低頻電磁波實現(xiàn)了管道內外部分控制系統(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。以這些關鍵技術為基礎的X射線irtipr可被用于對這大口徑管道（在660～1400mm）的檢查，工作距離大約2km，工作速度在18m / min.因為這機器人安裝有一小的焦點以及定向波束X射線管，與其它X射線管相比可以獲得較高的清晰度的焊接接縫圖像。這些關鍵技術在測試中被證明是完美地滿足了X射線rtiit的技術要求。