一種智能自循跡焊縫探傷機器人

張丹陽,李 臻

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

0 引言

機器人是當今世界各國科技人員的一個研究熱點，它將傳統的機械結構和近代新興的電子技術結合在一起[1]。機械結構作為機器人的“軀體”，電子技術使其具有“智慧”，從而能代替人工做一些危險的工作。爬壁機器人作為機器人領域中的一個重要組成部分，它又把傳統的地面移動機器人技術和吸附技術結合起來，可在一定角度甚至垂直壁面上爬行并作業[2]。目前對于壓力容器和輸油管道的缺陷檢測，大多由人工來完成，一方面浪費了人力，另一方面檢測效率低且危險性高。因此，研制出一種可代替人工對缺陷進行檢測的智能機器人顯得尤為重要。本文所設計的爬壁機器人正是針對機械制造業中壓力容器和石化工業中輸油管道的缺陷檢測問題。

1 爬壁機器人的研究現狀

世界上第一臺爬壁機器人樣機是由日本大阪府立大學工學部的西亮教授于1966年研制而成,其吸附原理基于負壓吸附;1975年,西亮以實用性為目標,研發出以單吸盤為吸附結構的第二代爬壁機器人樣機[3]。自此之后,爬壁機器人在日本得到了快速發展，這也使得日本成為了世界機器人大國。隨后，英國、美國、西班牙、德國以及俄羅斯等國也對爬壁機器人展開了深入的研究。

美國西雅圖的Henry R Seemann 在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式爬壁機器人 “Autocrawler” ，其兩條履帶上各裝有數個小吸附室, 隨著履帶的移動, 吸附室連續形成真空腔而使得履帶貼緊壁面行走[4]。20世紀90年代初, 英國樸次茅斯工藝學校研制了一種多足行走式的爬壁機器人，機器人周圍可根據任務的需要安裝不同數量的機器腿，機器腿通過模擬大型動物臂部肌肉的功能進行移動，其吸附能力通過機器人腹部和腿端部的真空吸盤來實現[5]。

國內的各大高校和研究所在爬壁機器人領域也取得了重大的進展。自1988年國家“863”高技術計劃實施以來，哈爾濱工業大學機器人研究所先后研制了磁吸附和真空吸附兩個系列5種型號的爬壁機器人。上海大學也較早地展開對爬壁機器人的研究，研制出采用負壓吸附的多吸盤6足獨立驅動行走爬壁機器人[6-7]。近年來，北京航空航天大學和上海交通大學也相繼展開了對爬壁機器人的研究，研制出了墻壁清洗機器人的樣機[8-9]。

經過半個多世紀的發展，爬壁機器人所必須具有的兩個基本且重要的功能(即吸附功能和移動功能)已日趨成熟。目前，吸附方式主要有負壓吸附、磁吸附以及新興的仿生材料吸附等；移動方式主要有輪式、多足式、履帶式。不同的吸附方式和移動方式各有其優缺點和局限性，應根據所涉及的工況條件進行合理地選擇和搭配。

2 機器人的整體設計

智能自循跡焊縫探傷機器人包括驅動系統、吸附系統、控制系統、供電系統、伸縮檢測系統、數據傳輸系統、照明系統、噴涂系統、探傷系統以及循跡系統。機器人的整體結構簡圖如圖1所示。

2.1 機器人各部分的設計

(1) 驅動系統：該系統位于機器人車體內部，如圖2所示，由4個直流減速電機組成，最大負載為30 kg，主要用于提供機器行走的動力，檢測速率為2.5 m/min。

(2) 控制系統：該系統位于機器人車體內部與上部，如圖2和圖3所示，包括STC89C51型單片機、無線收發模塊、繼電器、電源轉換模塊以及2塊電機驅動板，通過計算機編程并導入至單片機芯片以實現智能控制；無線收發模塊和繼電器相互配合以實現人工控制；電機驅動板用于驅動電機工作；電源轉換模塊用于將12 V電壓轉換為單片機所使用的5 V電。

圖1 機器人的整體結構簡圖

1-直流減速電機；2-單片機；3-電源轉換模塊；4-電機驅動板

(3) 供電系統：該系統位于機器人車體中部，如圖3和圖1所示，由3塊12 V 7 000 mAh的鋰電池(以下簡稱鋰電池)、2塊1 200 mAh 30C的航空電池(以下簡稱航空電池)和2塊12 V 10 W的太陽能板共同供電。3塊鋰電池中1塊為單片機、1個電機驅動板、燈珠以及橫掃機構供電；1塊為2個電機、噴涂系統和6口繼電器供電；1塊為剩余2個電機和1個電機驅動板供電。2塊航空電池中1塊為機械臂供電；1塊為ZigBee數據遠傳系統、圖像傳輸模塊供電。太陽能電池板則在機器人工作時對鋰電池進行充電，以提高機器的續航能力。

(4) 數據傳輸系統：該系統如圖3和圖4所示，包括圖像接收模塊和ZigBee數據傳輸模塊。圖像接收模塊將車體前端攝像頭的影像資料傳輸至移動設備，移動設備包括電腦或手機；數據傳輸模塊將車體搭載的各類傳感器包括溫濕度傳感器、氣體傳感器、火焰傳感器以及超聲波檢測數據傳輸至移動設備。

(5) 探傷系統：該系統如圖3和圖4所示，由往復式區域橫掃模塊、超聲波探傷模塊和上位機界面組成。往復式區域橫掃模塊位于車體前端，掃描范圍300 mm，掃描速率250 mm/s，其上可夾帶超聲波探頭；超聲波探傷模塊即超聲波換能器，其可放置在往復式區域橫掃模塊之上，隨著橫掃機構可對壁面進行探測；上位機界面即超聲波換能器；其所接收的信號通過5.4 GHz無線傳輸至遠端上位機界面，通過顯示在上位機界面上的波形判斷是否有缺陷。

(6) 噴涂系統：該系統如圖4所示，位于車體后端，由耦合劑和噴涂液兩部分組成。車體正常工作時，由水泵抽取耦合劑配合超聲波檢測儀對壁面進行探傷；當探傷模塊探測到缺陷信號時，水泵抽取噴涂液對缺陷區域進行噴涂標記，以提高檢測精度與檢測效率。

1-往復式橫掃機構；2-煙霧傳感器;3-無線收發模塊；4-鋰電池；5-ZigBee數據傳輸模塊;6-航空電池；7-溫濕度傳感器

1-伸縮檢測模塊；2-圖像傳輸模塊；3-超聲波探頭；4-大型永磁鐵；5-噴涂模塊

(7) 伸縮檢測系統：該系統如圖4所示，位于機器人車體頂部，采用6自由度內設金屬舵機的機械臂結構，可用其夾帶超聲波探頭對車體難以到達的區域進行檢測。

(8) 吸附系統：該系統如圖4和圖5所示，采用永磁吸附為主電磁吸附為輔的吸附方式。永磁吸附即在4個輪子與壁面接觸面周圍放置一圈單個可負載2 kg的釹鐵硼永磁鐵，以及在機器底部放置6個平均分布的單個可負載10 kg的永磁鐵；電磁吸附即在4個輪子內部纏繞滿均勻分布的線圈，隨后用直流電源對其進行通電，根據奧斯特的電流磁效應原理即電生磁原理，在輪子周圍會形成一定強度的磁場，輔助機器吸附在壁面上。

1-小型永磁鐵；2-彈簧；3-小燈珠；4-擋板；5-焊縫夾

(9) 照明系統：該系統如圖5和圖6所示，采用2個3 W聚光燈和6個3 W的小燈珠。聚光燈位于車體前端，用來在光線暗淡的區域向攝像頭提供視野；小燈珠位于車體周圍，照亮車體周圍區域的同時方便操作者進行觀察與操作。

(10) 循跡系統：該系統如圖5和圖6所示，由擋板、滑軌、焊縫夾以及兩側光電傳感器組成。當機體正常工作時，焊縫夾會夾著焊縫直行；當焊縫發生左偏移時，焊縫會驅使擋板沿著滑軌向右移動，進而觸發光電傳感器發出信號，通過控制系統對兩側電機進行調速，左側電機速度減小，右側電機速度加快，以達到向左轉向的目的；當焊縫發生右偏移時，焊縫會驅使擋板沿著滑軌向左移動，進而觸發光電傳感器發出信號，通過控制系統對兩側電機進行調速，右側電機速度減小，左側電機速度加快，以達到向右轉向的目的。

1-聚光燈；2-右側光電傳感器；3-滑軌；4-大型永磁鐵；5-焊縫夾；6-左側光電傳感器

2.2 機器人的工作原理

在使用時，輪子四周的小型永磁鐵以及車體底部的大型永磁鐵配合輪子內部纏繞的線圈，使車體可以安全地吸附在壓力容器壁面上。智能自循跡焊縫探傷機器人的工作流程為：首先通過遙控器發出信號，由無線收發模塊接收信號，人工控制機體在壓力容器壁面上行走，同時車體前端的圖像傳輸模塊工作，將車體前端的影像傳輸至匹配的移動設備上；當出現焊縫時，焊縫夾會夾著焊縫行走，此時智能控制開始工作，同時橫掃機構開啟，超聲波探頭隨著橫掃機構來回對焊縫區域進行往復式檢測；當焊縫向左偏移時，會驅使擋板沿著滑軌向右移動，進而觸發右側光電傳感器發出信號，由單片機通過電機驅動板降低左側電機的速度，通過電機驅動板增加右側電機的速度，達到向左轉向的目的；當焊縫向右偏移時，會驅使擋板沿著滑軌向左移動，進而觸發左側光電傳感器發出信號，由單片機通過電機驅動板降低右側電機的速度，通過電機驅動板增加左側電機的速度，達到向右轉向的目的；彈簧可自適應壁面的高度，聚光燈和小燈珠可根據光線的強弱而啟動，伸縮檢測裝置可夾帶超聲波探頭對彎頭等復雜區域進行檢測，超聲波檢測到的信號可通過無線收發模塊傳輸至外置示波器中；若檢測到缺陷，噴涂系統立即在缺陷區域進行標記，在整個機體工作的同時，煙霧傳感器、溫濕度傳感器對機體周圍的環境進行實時監測，若出現特殊情況，可通過ZigBee數據傳輸模塊傳輸至匹配移動設備并使用蜂鳴器報警。

與現有技術相比，本次設計的顯著益處為：采用輪式移動方式和磁吸附方式相結合，控制方便，轉彎靈活，吸附力大；車體前端設有攝像頭和照明裝置，便于操作者觀察與操作；頂部設有機械臂裝置，可對彎頭等特殊區域進行檢測；太陽能則可提高機體續航能力；各類傳感器在機體工作時可對機體周圍環境進行實時監測，若出現特殊情況，立即報警；噴涂系統則可對缺陷區域進行標記，提高效率與精度；循跡系統則可免除人工操作，降低檢測誤差，提高效率，體現智能化。

3 結語

介紹了一種可以自主追蹤焊縫并且同時進行探傷的爬壁機器人，體現了機器人的智能化。該機器人采用輪式移動方式和磁吸附方式相結合，吸附牢固，控制方便，轉彎靈活。機器人機體上所搭載的各類模塊相互配合，相互協作，體現了機器人的多元化。未來可以在本文研究的基礎上開發一些前沿的吸附材料，使吸附功能更加可靠，還可加入安全防范措施，避免機器突然墜落造成的機器損壞以及人員受傷。