CN101887037B - 轮式x射线探伤机器人装置 - Google Patents

Abstract

一种轮式X射线探伤机器人装置，是由X射线探伤装置、远程无线传输装置、计算机控制装置、差分GPS卫星定位装置、燃料电池(或铅酸电池组)及机器人主体组成，在机器人主体上装有4个红外摄像头，并通过视频传输设备远距离将实时图像传送给操作者，X射线发生器的控制器采用直流电压调节器，调节器由管电压调节旋钮与逆变器相连接，从而使X射线发生器的管电压可以调节。机器人的本体运行控制及工作状态为：采用数字数传电台传输现场信号给上位控制计算机，视频信号在显示器上显示，直观显示，操作方便。不使用同位素源，符合环保要求。悬挂系统使在管道和岩石上不跑偏，不侧翻。

Description

轮式X射线探伤机器人装置

技术领域

本发明涉及一种无损检测技术，具体说涉及一种X射线探伤用轮式机器人。

背景技术

管道焊缝质量检查传统方法为焊口定位方式，所使用的仪器采用γ源定位系统，其定位方式是手提将γ源放在管道预检测焊缝适当位置，并打开γ源窗口，其γ射线辐射，人员立即离开现场，当接收到γ射线后，立即报警。操作者立即前去关闭γ源窗口，快速手提γ源到下一个待检测焊缝，并放置在适当的位置，打开窗口，反复顺序操作，直到工作结束。如果操作者动作失误或防护不当，将受到曝光的X射线或γ射线的辐射，这两种射线对人体都有极大的伤害。

运行过程中存在以下弊端：不符合环保要求；定位不准确，存在5％～10％废片率；国家已明文规定不能在无防护前提下随意使用同位素源；传统设备使用直流接触器控制驱动电机来实现的行走和停车，驱动电流大，浪费能源；而且接触器触点打火花，经常损坏，故障率高，自动化程度很低；停车时惯性大，导致定位不准确。传统方法在管道里的状态只能靠喇叭的鸣叫声来识别。一旦出现故障或喇叭损坏，整台设备与外界无任何联系，只能顺其自然。一旦有故障后，操作者无可奈何。因无航向、角度监测，红外摄像头对内部状态无法了解，且即使拍片后发现有缺陷因无标记也为后续工作带来麻烦。

随着机器人技术的发展，一些对人有危害的工作可选用适宜的机器人安装检测装置就能实现无害化作业。目前尚未见到有适合管道焊缝探伤的机器人装置，而通常的轮式机器人都是三轮或四轮移动机器人，前轮为随动轮只起支撑作用，后轮为主动轮驱车运动，这种结构虽然简单，但运行盲目性大，特别是由于运动中的滑动及地面的起伏等原因，累积误差非常大，无法进行长时间的定位，难于准确定位焊缝缺陷。

发明内容

针对现有γ源定位无损检测装置存在的缺陷，本发明提供一种操作方便、定位准确、不使用同位素源的X射线机器人装置。

解决上述技术问题所采取的具体技术措施是：

一种轮式X射线探伤机器人装置，包括X射线探伤装置、远程无线传输装置、控制系统装置、差分GPS卫星定位装置、燃料电池，其特征是：在机器人本体处的升降机构(22)与悬挂支架(5)中端相连接，升降机构(22)上装有悬挂支架(5)调整电机(12)，在悬挂支架(5)的前端两侧装有伺服电机(19)，伺服电机(19)轴上装有跑轮(21)，在悬挂支架(5)中端两侧及后端两侧装有与前端相同的伺服电机(19)和跑轮(21)，在机器人本体上自前端至后端按序装有伺服电机驱动器(2)，伺服电机驱动器(2)信号输出联接伺服电机(19)信号输入端，2个前端跑轮和2个中端跑轮伺服电机的内侧装有转向发动机(28)，转向发动机由控制站直接发出转向控制指令经PLC控制转向发动机的动作，在伺服电机驱动器(2)上方装有电子罗盘(18)、PLC控制器(20)、无线数据传输器A(10)、温度变送器(23)、压力变送器(24)、陀螺仪(25)、湿度变送器(26)及电量检测变送器(27)，各检测、控制仪器的信号输出输入线缆联接主控计算机(13)，在陀螺仪(25)右侧装有燃料电池(3)，在燃料电池(3)右侧装有升降杆(4)，在升降杆(4)顶端装有两个前视红外摄像头(1)，两个前视红外摄像头(1)相背安装，在升降杆(4)顶端装有GPS接收天线(17)，在升降杆(4)右侧装有包括主控计算机(13)、液晶显示器(14)、无线图像接收器(15)、无线数据传输器B(16)的控制系统装置，在控制系统装置右侧装有X射线发生器(6)，X射线发生器(6)的控制器采用直流电压调节器，调节器由管电压调节旋钮与逆变器相连接，在X射线发生器(6)右侧装有活动手臂(8)，在活动手臂(8)末端装有微距摄像头及打标器(9)，在活动手臂(8)右侧装有两个后视红外摄像头(7)，两个后视红外摄像头(7)相背安装。

本发明的有益效果：

1、机器人的本体运行控制及工作状态用控制器采集现场各种信号，解释后通过程序流程控制，需人为参与时，采用数字数传电台传输现场信号给上位控制计算机的操作员站做控制或通过上位控制计算机将已建立万维网和WAP网连接的工程师站做控制，视频采用远距离视频传输设备将红外摄像头图像信号传给上位机，五路视频信号经画面分割器在显示器上显示，直观显示，操作方便。

2、电机的驱动采用闭环控制精度高，定位准确。

3、不使用同位素源，符合环保要求。

4、增加悬挂系统，使在管道和岩石上不跑偏，不侧翻。

5、机器人自身装有“健康”的温度、湿度、压力、电量、遇水探头等传感器，使机器人根据外界条件自动调整工作状态，增加使用寿命，降低故障的发生。

6、新能源的应用使供电没有噪声，在反应生成物水中无有害成分，周转时间短，只需重新加入燃料，使用寿命长，并可在任何电压下馈电而不影响电池寿命。

7、在管道的焊缝检测中，其操作者可以有效地避免射线对人体的辐射，在运行过程中，焊缝位置可以准确显示出来，保证准确的定位精度，因操作者在管道的一端无线遥控操作，无需在管线随爬行器的运行而往复行走，从而减少操作者的劳动强度，因X射线发生器管电压可以调节并达到额定电压，其检测厚度增加，并减少曝光时间和检测时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是本发明的电气原理示意框图；

图5是直流探伤机控制器原理图；

图6是操作程序流程图。

图中：1、前视红外摄像头；2、伺服电机驱动器；3、燃料电池；4、升降杆；5、悬挂系统；6、X射线发生器；7、后视红外摄像头；8、机器手臂；9、微距摄像头及打标器；10、无线数据传输器A；11、无线图像传送器；12、悬挂系统调整电机；13、主控计算机；14、液晶显示器；15、无线图像接收器；16、无线数据传输器B；17、GPS接收天线及模块；18、电子罗盘；19、伺服电机；20、PLC；21、跑轮；22、升降机构；23、温度变送器；24、压力变送器；25、陀螺仪；26、湿度变送器；27、电量检测变送器；28、转向发动机。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的结构和工作原理。

一种轮式X射线探伤机器人装置，如图1、图2、图3所示，在机器人本体处的升降机构22与悬挂支架5中端相连接，升降机构22上装有悬挂支架5调整电机12，在悬挂支架5的前端两侧装有伺服电机19，伺服电机19轴上装有跑轮21，在悬挂支架5中端两侧及后端两侧装有与前端相同的伺服电机19和跑轮21。由于机器人跑轮半径及机器人结构尺寸的误差、运动中的滑动及地面的起伏等原因，累积误差非常大，无法进行长时间的定位，所以采用六轮驱动方式，每个轮子有自己独立的伺服电机。本装置的2个前端跑轮和2个中端跑轮伺服电机的内侧还有独立的转向发动机28。转向发动机能控制转360度内任何角度。这四个转向跑轮还可以使机器人突然转向和弯曲(成弓形转向)。跑轮的悬挂系统类似“摇杆-转向架”系统，其作用是将跑轮和机器人本体有机地连接起来。在旧式铁路系统中，“转向架”是一个火车车盘有6个能沿曲线轨迹旋转运动的轮子，将这个结构引入到机器人车轮悬挂系统中。而“摇杆”可以保证机器人机体的平衡，能够在多个轮子之间变化的位移内来回摆动。悬挂系统最重要的作用就是适应机器人在圆柱形管道和地面多岩石地形上运动时的突然变化。如果机器人的一边轮子经过管道内突起物或地面上岩石时，机器人的一边会高起来，机器人的悬挂系统摇杆会将另一边向下转甚至超出6轮的中心位置，以保持机体平衡。这种设计可以使机器人在任何方向倾斜45度而不会翻倒。但是，机器人内部的程序检测到倾斜超过30度的时候就启动“错误保护限位”。

在机器人本体上自前端至后端按序装有伺服电机驱动器2，伺服电机驱动器2连接伺服电机19，在伺服电机驱动器2上方装有电子罗盘18、PLC控制器20、无线数据传输器A10、温度变送器23、压力变送器24、陀螺仪25、湿度变送器26、电量检测变送器27，各检测、控制仪器的信号输出输入线缆联接主控计算机13，机器人传感器部分采用陀螺仪、加速度计、红外摄相机、遇水探头、霍尔传感器，监测机器人自身“健康”的温度、湿度、压力、电量的传感器和变送器，GPS卫星接收模块和天线与电子罗盘和编码器、陀螺仪组成的多传感器系统作为机器人的定位传感器，利用联合卡尔曼滤波器融合多传感器信息，对露天机器人进行定位，实现较高的定位精度。由于在室内GPS无法正常工作，采用伺服电机闭环系统与陀螺仪作为第二定位传感器推算机器人的速度、角度和位置等信息，用于室内定位。在导航系统中，机器人位置的确定可以通过计算法定位系统(利用GPS卫星接收模块和天线与电子罗盘和编码器、陀螺仪组成的多传感器系统作为机器人的定位、方向等记录数据进行计算)或用伺服电机和编码器构成的闭环系统与陀螺仪，推算机器人的速度、角度和位置等信息，并对计算法的值进行修正，否则无法利用计算法所得的结果，各种电气装置相互联接关系如图4所示。

在陀螺仪右侧装有燃料电池3，燃料电池结构上没有机械运动部件，供电没有噪声，在反应生成物水中无有害成分；周转时间短，只需重新加入燃料；使用寿命长，并可在任何电压下馈电而不影响电池寿命；又因其高功率密度、低作业温度、高效率等特点作为首选。

在燃料电池3右侧装有升降杆4，在升降杆4顶端装有两个前视红外摄像头1，两个前视红外摄像头1相背安装，在升降杆4顶端装有GPS接收天线17，在升降杆4下部右侧装有主控计算机13、液晶显示器14、无线图像接收器15、无线数据传输器B16。控制部分采用上位主控计算机，下位控制器这两者之间采用无线远距离数据传输接收设备完成数据交换，当主控计算机接在互联网，还可以通过远程计算机和手机登录相应的万维网或WAP网址对已建立链接的机器人的工作参数查询和设置。无线远距离数据传输链路的建立选用性能指标较优的数字数传电台，采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化技术，具有高性能、高可靠的特点。电台提供标准的RS232数据接口，可直接与计算机、数据采集器、RTU、PLC、数据终端、GPS接收机、红外摄像机等连接，传输速率从9600～19200bps，误码率低于10^-6，发射功率由软件调节，任何型号的电台可设置为主站或远程站使用，无中转通信距离达50km，能适应室内或室外的恶劣工作环境。电台数据和语音兼容，可工作于单工、半双工、时分双工TDD、全双工方式，收发同频或异频中转组网，并具有远程诊断、测试、监控功能，满足各种应用的远距离、高速度、高可靠的数据采集和控制。

在控制系统装置右侧装有X射线发生器6，X射线发生器6的控制器如图5所示，采用直流电压调节器，调节器由管电压调节旋钮与逆变器相连接，从而使X射线发生器的管电压可以调节。在X射线发生器6右侧装有活动手臂8，在活动手臂8末端装有微距摄像头及打标器9，在活动手臂8右侧装有两个后视红外摄像头7，两个后视红外摄像头7相背安装。

在机器人本体上装有4个红外摄像头，并通过视频传输设备远距离将实时图像传送给操作者。当机器人开始运行时，摄像头随时监视管道内的情况，并将信息传递给装在驱动部分内的无线图像传送器，其信号发射并传送给控制器的无线图像接收器，并在液晶显示器上显示机器人在管道内或室外的实际运行情况。当到达管道焊缝检测点时，立即停车并开始曝光。4个工程避障红外摄像机，保证在管道内和夜间可视，两个一组分别安装在机器人的前部和后部。这些摄像机用来建立出前方大约3米内的地形的三维图像，所建立的三维图像可以防止机器人迷路或者撞到不明物体。每个摄像机大概120度的视角。摄像机的夹角和高度是模拟人的双眼的，所以图像会和亲眼见到一样。前方两个摄像机安置在位于机器人升降杆顶端，全景摄像升降杆装置允许它完成旋转360度以获全景。机器人的手臂，有3个关节：肩、肘和腕，由伺服电机构成能够操作微型摄像机延伸、弯曲和转动一定角度，手臂末端是一个转动架，形状像一个十字形。转动架类似人手的结构，可以操作微距摄像机用来提供管道内和其它近距离图像，并能将发现的缺陷做好标记。在传感器检测同一环境或同一物体的同一性质时，传感器提供的数据可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系统裁决。裁决的方法有多种，如加权平均法、决策法等。

操作程序如图6所示：数据控制链路开始启动，程序进入“系统初始化”程序，开始“读外部输入”，将各变送器传感器数据读入，此后程序进入“有无故障”判断程序，如果有故障则“显示故障类型”，进而进入“相应故障处理程序”，故障排除或在“有无故障”程序中判断无故障，程序进入“机器人本体发送数据”程序将各种输入信号发送至控制站，在“控制站接收数据并显示”数据。数据控制链路启动的同时视频采集链路启动，程序进入“系统初始化”程序，进而“将机器人本体图像实时发送”，“控制站接收图像”并“显示实时环境”，实时环境信息与控制站接收的数据同时输入“根据状态设置系统参数”程序，设置的系统参数发送至控制站，控制站在“控制站发送运行数据”中按程序处理后输出并通过无线数据传输器发送至计算机上显示机器人状态，“机器人本体接收数据并响应”，程序进入“运行至检测点”，视频采集链路返回，数据控制链路继续，“触发X射线发生器”，“拍片完成一个检测点的工作”，“结束一个工作流程”。

Claims (1)

1.一种轮式X射线探伤机器人装置，包括X射线探伤装置、远程无线传输装置、控制系统装置、差分GPS卫星定位装置、燃料电池，其特征是：在机器人本体处的升降机构(22)与悬挂支架(5)中端相连接，升降机构(22)上装有悬挂支架(5)调整电机(12)，在悬挂支架(5)的前端两侧装有伺服电机(19)，伺服电机(19)轴上装有跑轮(21)，在悬挂支架(5)中端两侧及后端两侧装有与前端相同的伺服电机(19)和跑轮(21)，在机器人本体上自前端至后端按序装有伺服电机驱动器(2)，伺服电机驱动器(2)信号输出联接伺服电机(19)信号输入端，2个前端跑轮和2个中端跑轮伺服电机的内侧装有转向发动机(28)，转向发动机由控制站直接发出转向控制指令经PLC控制转向发动机的动作，在伺服电机驱动器(2)上方装有电子罗盘(18)、PLC控制器(20)、无线数据传输器A(10)、温度变送器(23)、压力变送器(24)、陀螺仪(25)、湿度变送器(26)及电量检测变送器(27)，各检测、控制仪器的信号输出输入线缆联接主控计算机(13)，在陀螺仪(25)右侧装有燃料电池(3)，在燃料电池(3)右侧装有升降杆(4)，在升降杆(4)顶端装有两个前视红外摄像头(1)，两个前视红外摄像头(1)相背安装，在升降杆(4)顶端装有GPS接收天线(17)，在升降杆(4)右侧装有包括主控计算机(13)、液晶显示器(14)、无线图像接收器(15)、无线数据传输器B(16)的控制系统装置，在控制系统装置右侧装有X射线发生器(6)，X射线发生器(6)的控制器采用直流电压调节器，调节器由管电压调节旋钮与逆变器相连接，在X射线发生器(6)右侧装有活动手臂(8)，在活动手臂(8)末端装有微距摄像头及打标器(9)，在活动手臂(8)右侧装有两个后视红外摄像头(7)，两个后视红外摄像头(7)相背安装。

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