磁轮式超声串列自动扫查爬壁机器人结构及位置调整

徐芸, 刘宝生, 费燕琼, 赵锡芳
(上海交通*机器人研究所, 上海　200030)

摘　要: 介绍一种新型爬壁机器人, 它以超声串列法自动扫查和检测在役化工容器筒壁对接环焊的危害性缺陷. 着重介绍了它的机械结构及位置调整运动控制算法. 这种机器人采用磁轮吸附和小车式行走, 利用磁带导航,光纤传感器检测, 具有结构紧凑、导航性能好、位置调整方法可行和定位精度高等特点.
关键词: 超声自动串列扫查; 磁轮; 爬壁机器人

1　引言( In troduction)
　　超声串列自动扫查机器人是以某炼油厂加氢反应器为具体的应用对象,用来以超声串列法自动扫查和检测筒壁对接环焊缝的危害缺陷而研制的,并按JB4730-94《压力容器无损检测》的要求,用超声串列法检测. 超声串列法要求一发、一收探头中心声束保持在一个与焊缝中心线相垂直的平面内,收发探头相对于串列基准线须保持等距、反相、匀速移动. 由于采用手动检测,操作难度大,重复性差,可比性差而难以实施. 对于这种用在圆形筒壁上在役检测的机器人,丹麦的force公司研制了多用途模块磁轮扫描仪AMS-9、AMS-10等系列磁轮爬壁机器人,日本的Osaka Gas Co. Ltd公司研制了磁轮爬壁检测机器人,但是售价昂贵. 从文献及报道方面看,国内对于这种在役磁轮式爬壁机器人还少有实用化的样例,也缺乏这方面的机械结构及自动控制装置的研究,因此,对大厚度焊缝的超声波探伤自动扫查爬壁机器人的研究是十分必要的.

2　总体结构及设计(Total structure and design)
　　本样机由机械部分、控制部分、导航传感检测部分组成. 重点介绍机械部分和传感检测部分.
　　2. 1　结构
　　本样机的机械部分由导轨滑块运动体、左右磁轮运动体组成. 样机及结构简图如图1.设o ₁ x ₁ y ₁ 为机器人的坐标系, 其中原点o ₁ 在机器人4个轮子布局的对称中心点上, x ₁ 为机器人左右磁轮的对称中心线, y ₁ 平行于串列扫查探头的导轨. 图中所示oxy坐标的x轴,相当于是固定在筒壁上的,与串列扫查基准线重合, y轴是与其垂直的坐标, o与o ₁ 重合. 在这里所谓的串列基准线是串列扫查时, 作为一发一收两探头等间隔移动的所定相对对称基准线,一般设定为在离探伤面距离为0.5跨距的位置.

　　本文中左指的是y ₁ 方向,反之为右方向. 各部分的工作原理如下:
　　(1)左右磁轮运动体
　　整个扫查机器人靠4个磁轮的吸力吸附在圆筒壁上,由磁轮的运动带动机器人前进、后退, 以及调整机器人的位置和方位, 在这里我们选用磁轮而没有用履带, 这有利于达到串列扫查对运动精度的要求. 机器人左右各有两个磁轮, 各由交流伺服电机经谐波减速器减速、同步齿形带传动,带动磁轮沿壁面运动,两个磁轮通过齿形带均可运动,所以都是主动轮, 这样左右磁轮的运动形成机器人的两个自由度. 当两个电机同时驱动4个轮同向等速转动时,机器人向前后移动, 当左边的2个磁轮的速度大于右边的两个磁轮的速度时, 机器人向右偏转; 反之, 向左偏转.
　　(2)导轨滑块运动体
　　采用交流伺服电机经齿轮减速器和同步齿形带带动两滑块在导轨上运动, 形成机器人的第三个自由度. 由于两滑块分别固联在啮入齿形轮的一边和离开齿形轮的另一边的齿形带上, 所以两滑块随着齿形带的运动而在导轨上同向或反向直线运动, 带动固定在滑块上的探头相对机器人中心线同向或反向运动.
　　调整爬壁机器人的中心线与串列基准线相平行, 就可确保收、发探头相对串列基准线等距离运动,符合串列扫查的运动要求. 同时电机与光电码盘连接,通过计数脉冲算出收发探头入射点间距离,通过与壁面压紧的滚轮和与之相联的光电编码器检测机器人方向前进、后退距离. 3个自由度的运动用工控机伺服控制,通过软件编程来实现.
　　2. 2　传感导引系统
　　传感器分为内部传感器和外部传感器. 外部传感器为:
　　(1)传感器检测导引方案采用在筒壁上沿平行焊缝方向贴导向带, 通过安装在车体上的4个对颜色敏感的光纤传感器(传感器固定在传感器盒上)来检测机器人本体的位置偏移和方位偏移.
　　(2)由另一紧压壁面的自由轮带动的光电码盘检测x方向的移动距离.
　　内部传感器为: x 向y向的运动控制用内部传感器,即是伺服电机轴上的3个位移光电码盘. 以平行于焊缝的参考线为定位参考基准,布置好导向带,导向带采用表面光滑且无凹陷的磁条作为底层, 在磁条上铺设固定宽度的白色色带用于导航. 传感器的平面布置如图2所示.

　　图中o ^‘₁ x ^‘₁ y ^‘₁ 为传感器盒坐标系, 相当于是固定在机器人本体上的. x ^‘ ₁ 传感器对称中心线上与x ₁ 轴平行, y ^‘₁ 轴通过1、2传感器, o ^‘₁ 为传感器坐标原点.o ^‘< x ^‘< y ^‘< 为导引带坐标系, x ^‘< 轴为与x轴平行且与导引带中心线重合,相当于是固定在筒壁上的坐标轴, o ^‘< 为没有位置误差、方位误差时在x ^‘₁ 上与o ^‘₁ 重合的点,y ^‘< 垂直于x ^‘< . 图中1、2、3、4分别表示4个传感器,传感器1、2用来限制机器人小车向x轴方向运动过程中,在y轴方向的偏移,传感器3、4用来限制机器人小车相对x轴方向的偏斜. 一旦小车偏移, 4个传感器分别有一个以上作出反应, 计算机根据反馈过来的情况对机器人进行调整. 光纤传感器5主要用于减小小车沿X 方向前进过程中的积累误差, 沿导航带每隔1000mm设置路标,传感器5检测到此路标,通过光电编码器6获得小车的当前位置, 计算小车从当前位置与实际位置的误差并调整小车从当前位置到实际位置, 避免距离过长造成积累误差过大的缺点.

3　扫查运动( Scann ing movement)
　　超声串列扫查要求一发一收的两只探头相对串列基准线等距离移动,这里我们称之谓扫查运动,探头是固定在滑块上的. 运动扫查的具体步骤如下:
　　(1) 机器人首先寻找零位, 找到零位后机器人开始沿x轴运动.
　　(2) 在运动的过程中, 通过传感器检测机器人沿y方向是否有偏移,相对于y方向是否有偏转.
　　(3) 若检测出来有偏移和偏转, 则机器人通过调整运动,调整到要求的精度范围以内.
　　(4) 调整完成后,这时滑块及探头作相向、相反运动一次,实现当前截面的串列扫查.
　　(5) 机器人继续沿x轴方向运动某一距离, 并按(2)、(3)、(4)步骤对下一截面进行串列扫查.

4　调整运动( Adjusting movement)
　　为满足超声探测的要求,机器人必须根据传感器状态及时作出相应的调整运动. 如图1所示,导向传感器设定为4个传感器,正常情况下, 4个传感器的光纤与白色色带接触传感器的显示灯是亮的,当机器人偏移到扫查规定范围外时,光纤传感器接触到磁带,传感器显示灯灭,这时机器人要根据具体的情况调整. 调整是根据4个传感器检测的情况来进行的,对于可能遇到的情况,按位移、方位(角度)偏移可分4种,按传感器的状态根据排列组合的原理可分为15种情况. 例如: 1灭2亮3灭4亮、1灭2亮3亮4灭等等. 根据传感器的状态,通过调整运动控制方法,调整机器人达到要求的位置和方位精度.
　　机器人的调整运动基本算法有位置调整和角度调整两种,具体分析如下:

　　4. 1　位置偏移的调整
　　调整机器人本体(以下简称小车)位置偏差总共分为以下步骤:
　　(1) 小车绕中心旋转一个角度φ1 , 如图所示的小车虚线位置,其中实线为小车无偏移位置;
　　(2) 小车绕转过的方向前进x1 距离;
　　(3)小车停止运动绕中心反向旋转φ2 ;
　　(4)小车沿x轴方向后退到初始x 坐标处. 这样小车可以实现y轴方向上的位移, 而x轴方向上的位置保持不变从而实现对它位置偏差的调整.
　 　本文设o ₁ o ^‘₁ 距离为l, o ₁ o ^‘₁ 与y1 轴的夹角为γ, l与γ都是机器人的结构参数,小车旋转角α,小车由o ^‘₁ 离开y ^‘₁ 的距离引起横向偏移量ΔX,由传感器反应出来的o ^‘₁ 偏移x ^‘ 的距离为小车纵向偏移量ΔY. 上述各步骤的计算如下:
　　(1) 小车转过φ1 角, 纵向偏移ΔY _φ1 , 横向偏移ΔX _φ1 ,其式为:

　　(2)小车沿转过的角度前进x1的距离,纵向偏移ΔY _x1 ,横向偏移ΔX _x1[/ht横向偏移:ml], 其式为: 　　(3)小车反转φ2 角产生纵向偏移ΔY _φ2 和横向偏移ΔX _φ2 ,其式为: 　　(4)为了补偿在x轴上的偏移,小车后退ΔX _1反 纵向偏移: 　　综上所述, 为了调整ΔY的位置偏移,需小车转过的角度和移动的距离的关系式为: 　　由于偏移与移动的距离和转动的角度有关系,在偏移量一定的情况下, x ₁ 越大, 则φ ₁ 越小. 这要根据具体的情况来选择:考虑到小车转动时需要克服滑动摩擦,电机功率消耗大等现象,φ ₁ 不能太大,x ₁ 过大,则运动调整所需的时间将很长. 　　4. 2　角度偏差的调整　　角度偏差的调整方案为: 1)让小车转动一个角度,补偿角度偏差, 但此时又产生位置偏差; 2)按位置偏差的方式来弥补位置偏差,其式为: 　　(2) 补偿ΔY _φ1 和ΔX _φ1 　　·补偿ΔYφ ₁ 按照上面位置调整的前3个步骤,小车旋转φ2 和沿旋转的方向前进x ₂ ,反转φ ₂ ,其式为: 即: 　　根据位置调整的推导可知, 在这个过程中产生了ΔX[html]^‘ 的横向位移,其式为:

此时x方向的总偏移为:

　　4. 3　既有位置偏移又有角度偏移的调整
　　实际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为理论值, 在机器人的实际位置调整过程中, 向左偏和向右偏时由于受重力和阻力的影响,机器人的偏移量是不同的,在具体的实践过程中要适当进行补偿.

5　结论( Conclusion)
　　按本文介绍的自动扫查爬壁机器人的结构,研制了样机,并在实验室及现场半径为1700mm的石化圆筒容器表面进行了运行试验. 实验表明:这种对称磁轮形式的爬壁机器人结构是可行的,运动灵活,能顺利实现扫查运动和调整运动,并达到超声串列扫查所要求的运动精度.