CN105004787B - 电力金属部件清扫探伤机器人控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力金属部件清扫探伤机器人控制系统及方法，控制系统：包括一NI sbRIO嵌入式控制主板，其第一接口通过高频数据线外接机器人上设有的各角度传感器和力/力矩传感器，第二接口通过高频数据线依次外接探伤装置上设有的超声导波信号激励/采集板和超声导波探头，第三接口外接射频模块后与一内嵌控制软件的用户机无线连接，第四接口通过CAN总线分别外接机器人上设有的各驱动器和各舵机，驱动器控制伺服电机，各伺服电机则通过带有的编码器反馈连接各对应驱动器。本发明可以实现机器人检测过程的自主轨迹规划，增加可靠度、提高检测效率和灵活度；同时，提高检出率，减少误检和漏检，保障工业管道系统的安全，具有良好的经济价值和社会价值。

Description

电力金属部件清扫探伤机器人控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电力金属部件清扫探伤机器人控制系统。本发明还涉及采用所述系统控制电力金属部件清扫探伤机器人的方法。

背景技术

工业管道广泛应用于自来水及供热系统、发电系统、化工、冶金和制药领域，主要担负运输的任务。管道的应用给人类的生活及生产带来了许多便捷，但同时由于腐蚀、老化、裂纹等缺陷的影响会造成管道的裂隙或破损，泄露的物质可能会对人类生活的环境造成巨大的不利影响。因此，管道的维护、清洁及检测变得至关重要。在我国，火力发电在整个电力系统中仍然占有很大的比例，而金属管道在火力发电中的应用且十分广泛。由于火力发电厂特殊的环境，使运行其中的金属管道易出现裂纹、腐蚀、断裂等缺陷，给电厂的安全运行带来的巨大隐患，同时也关系着千万家庭的正常生活及诸多企业的正常生产，这些缺陷如若未被及时检测发现，将可能会带来巨大的生命财产损失。

然而，考虑到安全因素，目前火力发电厂大多是通过定期停机人为检测的方法来排除管道缺陷的，这种方法不但影响正常的供电，而且工作量大，检测效率低，检测范围有限，存在漏检及误检现象，同时对检测人员而言存在安全威胁。因此，为了高效而安全的检测电力系统的金属部件，需要检测手段更加高效、可靠和高精度，检测载体更加自动化，从而为火力发电提供安全、可靠的技术保障。

我国近年来针对上述问题开展了诸多的研究，其中就包括能够对金属部件进行检测的探伤机器人，并且取得了一定的成果。中国发明专利CN100561213申请公开了一种石油管道超声波检测机器人，采用从动式结构，轮式载体，由机身、行驶机构和检测装置组成，检测装置是超声波探头，安装在机器人的机身前端，该机器人的控制及运动形式单一，只能实现水平管道的运动及检测。中国发明专利申请CN101887137B公开了一种轮式X射线探伤机器人，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、燃料电池等组成，通过采用数字电台传输现场信号给上位控制计算机，在显示器上显示视频信号的方式来实现本体运行控制及工作状态监测；但该控制系统的组成复杂，且设备体积较大，会给现场操作带来诸多不便。

中国发明专利申请CN104149083A公开了一种电力金属部件清扫探伤机器人，包括机器人本体、清扫装置和控制系统，其控制系统的核心为嵌入式计算机主板，采用PC/104总线进行传感器信息的传输；该控制系统主板与现有计算机系统缺乏良好的兼容性，并且所选总线数据传输速率不够理想，超声波信号检测的距离较小。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种电力金属部件清扫探伤机器人控制系统。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种采用上述系统进行电力金属部件清扫探伤机器人控制的方法。

采用本发明的系统和方法，可以实现机器人检测过程的自主轨迹规划，增加机器人在代替人进行复杂而危险的管道检测作业时的可靠度，提高机器人的检测效率，增强机器人作业时的灵活度；同时，提高缺陷的检出率，减少缺陷的误检和漏检，进而保障工业管道系统的安全，本发明具有良好的经济价值和社会价值。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种电力金属部件清扫探伤机器人控制系统，所述的机器人包括本体、清扫装置和探伤装置，其特征是：所述的控制系统设在本体上，其包括一NI sbRIO嵌入式控制主板，其第一接口通过高频数据线外接所述本体上设有的各角度传感器和力/力矩传感器，第二接口通过高频数据线依次外接所述探伤装置上设有的超声导波信号激励/采集板和超声导波探头，第三接口外接射频模块后与一内嵌控制软件的用户机无线连接，第四接口通过CAN总线分别外接所述机器人的本体、清扫装置和探伤装置设有的各驱动器和各舵机，所述的驱动器控制有伺服电机，各伺服电机则通过带有的编码器反馈连接各对应驱动器。

所述的各伺服电机通过减速器减速增扭。

所述的NI sbRIO嵌入式控制主板，用于伺服电机和舵机的运动控制、超声导波信号的激励与采集控制、本体电磁吸盘线圈电流的控制、以及接收与分析角度传感器及力/力矩传感器采集到的数据；

用户机，为内嵌控制软件的电脑，用于操作人员对机器人进行直观的控制命令发送；

射频模块，以无线的方式接收用户机发出的各项控制指令，同时传输伺服电机、舵机及各类传感器反馈的各项参数数据；

驱动器，解析数据指令，设定速度、加/减速度等命令，驱动伺服电机按指定要求启动、停机或加速，对伺服电机进行过载、短路或欠压保护；

编码器，将伺服电机的各项转动参数进行编制、转换为可用的电信号，检测反馈伺服电机速度、位置和角位移信息；

减速器，用来降速，提高伺服电机的输出扭矩，同时降低负载的惯量；

伺服电机，用来实现机器人关节的旋转，使机器人按照规定路径运动；

舵机，用来驱动清扫装置的转动，同时将旋转的角度转化为直线运动来提升或降下探头装置；

CAN总线，用来连接控制主板、驱动器和编码器，实现数据的传输；

超声导波信号激励与采集板，用来激励产生可用来进行缺陷检测的超声导波，同时初步处理采集所得的管道缺陷回波信号；

超声导波探头，用来将超声导波信号发送到所要检测的管道中，并接收采集缺陷回波信号；

角度传感器，采集伺服电机输出轴的角位移，并将数据反馈给所述控制主板；

力/力矩传感器，记录机器人在运动过程中与外部管道的接触力或力矩信息，将采集的力及力矩信息传输给所述控制主板；

高频数据线，用来以高速传输速率将上述各类传感器采集的数据信息传输给所述控制主板。

解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种采用上述系统控制电力金属部件清扫探伤机器人的方法，其特征是包括以下步骤：

步骤1，用户机控制软件读入某一组步态数据，并将该数据及相关指令通过无线局域网发送出去；

步骤2，搭载在机器人上的射频模块接收到上述发送的步态数据及指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；

步骤3，上述控制主板根据上述指令，将上述一组步态数据通过CAN总线发往到驱动器中；

步骤4，上述驱动器接收到上述步态数据，然后解析数据，并且根据数据中的要求设定指定的角位移、转速、位置或启动、停机，并将解析后的信息传输给相应的伺服电机；

步骤5，上述伺服电机接收到上述解析信息，并做出指定的运动，并将运动传递给减速器；

步骤6，上述减速器将上述伺服电机传递的运动进行降速，并提升扭矩，然后输出给负载；

步骤7，编码器将上述伺服电机的运动参数进行编制、转换为可用的电信号，然后将此转换后的信号反馈给相应的驱动器；

步骤8，上述转换后的电信号输入给相应驱动器，该驱动器对上述伺服电机的运动与原始指令数据进行对比评估，如有差别，则进行修改补偿；

步骤9，上述修改补偿过程重复步骤4～8，直至伺服电机的运动与原始指令数据无差别为止；

步骤10，角度传感器将从动部件的运动参数转换成模拟信号，再传输给上述控制主板；

步骤11，上述控制主板中的模数转换电路将上述模拟信号转换成数字信号，然后评估判断从动件是否到达指定位置，若未到达则进行角度修正；

步骤12，上述角度修改过程重复步骤4～步骤11，直至从动件到达指定位置为止；

步骤13，上述控制主板同时控制流过电磁吸盘中线圈电流的大小，以使吸盘产生磁力吸附，将机器人固定在管道上；

步骤14，力/力矩传感器，记录机器人在运动过程中电磁吸盘与外部管道的接触力/力矩信息，将采集的信息传输给上述控制主板；

步骤15，上述控制主板接收到上述力/力矩信息，转换后与制定的力/力矩对比，若未达到制定的数值，则进行力/力矩修正；

步骤16，上述力/力矩修正过程重复步骤13～步骤15，直至电磁吸盘吸牢，机器人稳定为止；

步骤17，按指令对管道进行清扫或对管道进行探伤。

以下步骤为机器人对管道进行清扫的控制方法：

清1，用户机控制软件通过无线局域网发送出清扫指令；

清2，搭载在机器人上的射频模块接收到上述指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；

清3，上述控制主板根据上述指令，产生舵机控制信号，并通过CAN总线传输给指定舵机；

清4，上述舵机接收到上述控制信号后转动，并将转动传递给清扫连杆，带动毛刷清扫管道。

以下步骤为机器人对管道进行探伤的控制方法：

探1，用户机控制软件通过无线局域网发送出探伤指令；

探2，搭载在机器人上的射频模块接收到上述指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；

探3，上述控制主板根据上述指令，产生舵机控制信号，并通过CAN总线传输给舵机；

探4，上述舵机接收到上述控制信号后转动，并将转动传递给螺杆转化成直线运动，推动超声导波探头贴合管道；

探5，上述控制主板同时根据上述指令，产生激励超声导波的控制信号，通过高频数据线传输给超声导波信号激励与采集板；

探6，上述超声导波信号激励与采集板接收到控制信号，释放激励电流，传输给上述超声导波探头；

探7，上述超声导波探头接收激励电流，启动晶振，产生超声导波，并将超声导波传输到管道中；

探8，上述超声导波探头将接收到的缺陷回波传输给上述超声导波信号激励与采集板；

探9，上述超声导波信号激励与采集板将缺陷信号转变为的数字信号传输到上述控制主板的存储区域；

探10，上述控制主板将上述数字信号传输给射频模块，通过无线局域网将数据传输给用户机。

有益效果：本发明采用多个回路的PID控制算法来控制伺服电机，同时结合各种传感器反馈的数据进行对比评估，以使机器人在四种管道环境中完成攀爬步态，并可以进行自主调整以适应不同的作业环境，在机器人行进过程中可以控制舵机以清扫管道；还可以通过控制超声导波信号激励与采集板及超声导波探头，对存在缺陷的管道进行探伤，以确定缺陷的位置，及时修补缺陷，达到保障电厂正常运行的目的。

因此，本发明具体有如下优点：1.本发明采用嵌入式主板，具备成本低、尺寸小、高集成度、低功耗等特性，且配有内置I/O、实时处理器，可用于实现自定制嵌入式控制和监控应用；2.本发明采用射频模块，整合了收发电路的功能，以特小体积更低成本实现高速数据传输的功能，可在拥挤的ISM频段中达到稳定可靠的短距离数据传输而互不干扰，避免了拖缆给机器人带来的不便；3.本发明采用多个独立的闭环回路的控制方法，多个传感器的运用，可以确保机器人准确的完成指定的运动；4.本发明采用高频数据线，可以连接高速外接设备，使数据传输速度更快，实现机器人的快速响应；5.本发明采用CAN总线进行数据传输，可以使多个模块使用同一信息传输路径，简化了系统接口设计。

附图说明

图1是本发明的控制系统框图；

图2是本发明的控制方法流程图；

图3是本发明的伺服电机控制框图；

图4是本发明的舵机控制框图；

图5是本发明的控制系统安装示意图；

图6是本发明的超声导波探伤过程框图；

图7是本发明的力/力矩传感器工作框图；

图8是本发明的角速度传感器工作框图；

图9(a)～(d)是本发明的控制方法应用到机器人单管爬行、清扫及探伤过程示意图；

图10(a)～10(c)是本发明的控制方法应用到机器人弯管爬行的示意图；

图11(a)～11(c)是本发明的控制方法应用到机器人管间切换的示意图；

图12(a)～12(e)是本发明的控制方法应用到机器人管屏切换的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步的介绍。

本发明的电力金属部件清扫探伤机器人控制系统实施例，本发明所述的电力金属部件清扫探伤机器人特指中国发明专利申请CN104149083A中的机器人，参见图5，该机器人包括本体、清扫装置Ⅱ和探伤装置Ⅲ。

本体包括三个平行排布且纵向设置的柱形的纵向回转关节I-2，I-3，I-4，两个与纵向回转关节相垂直的柱形的行走回转关节I-1、I-5、一对电磁吸盘Ⅵ-1、Ⅵ-2和四块连接板，各纵向回转关节之间通过与其中两块连接板固连构成可转动连接，行走回转关节的上端通过另外两块连接板与位于两侧的纵向回转关节固连构成可转动连接使各回转关节串联成一体，行走回转关节I-1、I-5可沿竖向平面旋转，具有五个自由度。

电磁吸盘Ⅵ-1、Ⅵ-2分别固定在行走回转关节的下端上，清扫装置Ⅱ和探伤装置Ⅲ分别安装在行走回转关节的柱身上。

参见中国发明专利申请CN104149083A的说明书附图。

该机器人所述的纵向回转关节和行走回转关节均分别包括筒形基座、封堵住筒形基座一端的封装盖板、设有编码器的伺服电机、减速器、位于筒形基座另一端外的筒形的旋转外壳和固定在旋转外壳外端上的连接法兰，设有编码器的伺服电机位于筒形基座中的前部，所述减速器的动力输入端与伺服电机的动力输出端相连，所述减速器的动力输出端与连接法兰连接，在所述旋转外壳与减速器之间设有用于支撑旋转外壳的支承组件；设置在回转关节内的控制单元包括用于连接电源/信号线的连接器、分别与连接器相连的第一控制器和第二控制器，所述连接器插装在封装盖板上，所述第一控制器竖向安装在所述筒形基座中的后部，所述第二控制器横向安装在所述筒形基座中的前部且位于伺服电机的外围。

该机器人所述的纵向回转关节为三个，用于连接纵向回转关节的连接板是长形直板，该长形直板两端分设有安装孔，其中两个相邻的纵向回转关节的旋转外壳分别通过连接法兰与其中一个长形直板的两端连接固连构成可转动连接，另一个纵向回转关节的旋转外壳通过连接法兰和上述之一的纵向回转关节的筒形基座外壁分别与另一个长形直板的两端固连构成可转动连接；用于连接竖向回转关节和行走回转关节的连接板是直角弯折板，所述行走回转关节的筒形基座外壁分别与位于两侧的纵向回转关节的筒形基座外壁通过直角弯折板固连构成可转动连接。

该机器人所述的支承组件包括轴承和轴承座，所述减速器部分伸入旋转外壳内成为减速器的伸出部，所述轴承座套装在所述减速器的伸出部上，所述轴承座分别与所述筒形基座、减速器的机壳固定连接，所述轴承套于所述轴承座上，所述旋转外壳套于所述轴承上，所述减速器的动力输出端伸入所述连接法兰并固接。

该机器人所述的回转关节还包括轴承端盖和垫片，所述轴承包括第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，所述轴承座的外表面圆周设有限位凸条，第一、二角接触球轴承分布在所述限位凸条的两侧，所述连接法兰的内面圆周设有限位凸缘，所述第一角接触球轴承限位在所述限位凸条和限位凸缘之间；所述轴承端盖为圆环形，其横截面是一对朝向内垂直弯折的截面，即形成竖向环面和水平环面，所述轴承端盖位于筒形基座和旋转外壳之间，且所述轴承端盖的竖向环面与所述旋转外壳的端面固定连接，所述水平环面伸入旋转外壳内顶触在第二角接触球轴承上，将第二角接触球轴承限位在轴承端盖与限位凸条之间。

该机器人所述的清扫装置包括第一连接卡环、第一舵机、清扫连杆和毛刷，所述第一舵机固定在清扫连杆的上端上，所述毛刷安装在清扫连杆的下端，所述第一连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住所述第一舵机并固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在所述行走回转关节的筒形基座外壁上，位于清扫装置上的控制单元安装在所述清扫装置的夹持臂上。

该机器人所述的探伤装置包括第二连接卡环、第二舵机、导向筒、螺杆、进给筒和设置在进给筒下端的超声导波探头，所述第二舵机固定在所述导向筒的上端，所述第二连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住所述第二舵机并固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在行走回转关节的筒形基座外壁上；所述螺杆向上伸入所述导向筒内且其上端与所述第二舵机的动力输出端连接，所述进给筒套于所述螺杆上且二者为螺纹配合；所述导向筒的下部设有长形限位孔，所述进给筒的外壁上部设有限位块，所述限位块位于所述长形限位孔中以限位进给筒的行程。

该机器人还包括安装在机器人本体上用于激发超声导波进行探伤的信号激励和数据采集器，所述超声导波探头连接在一悬挂弹簧的下端上，悬挂弹簧的上端固定在安装于进给筒的下端的呈空心壳体的探头安装架内，所述探头安装架的侧面设有用于添加耦合剂的开孔，所述探头安装架的内壁上设有引流槽，所述引流槽由主槽和与主槽相通的分支槽组成，所述主槽与开孔直接连通，所述分支槽将耦合剂引流至超声导波探头上。

该机器人所述的电磁吸盘包括上壳、下盖板、线圈和防尘器，所述上壳是内部中间设有中空竖轴的盖体，在所述盖体中形成一环形安装腔，所述线圈缠绕在所述中空竖轴上并位于所述环形安装腔中，所述下盖板是中部开孔的板体，所述下盖板扣合固定在所述上壳的下端上，所述下盖板的中部开孔与所述上壳的中空竖轴对接连通；所述环形安装腔的下端内缘设有环形凹槽，所述防尘器安装在所述凹槽中；所述电力金属部件清扫探伤机器人还包括设置在机器人本体上的位姿或力/力矩传感器，所述力/力矩传感器包括六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器设置在电磁吸盘与行走回转关节之间，所述六维力/力矩传感器固定在磁力吸盘上壳的上表面上，所述连接法兰的中心通孔为管形通道，管形通道向下穿入六维力/力矩传感器的中心孔中固定，将六维力/力矩传感器固定在行走回转关节和电磁吸盘之间。

参见图1和图5，本发明所述的控制系统则设在机器人的本体上，其包括一NIsbRIO嵌入式控制主板，其第一接口通过高频数据线外接所述本体上设有的5个角度传感器和2个力/力矩传感器，第二接口通过高频数据线依次外接所述探伤装置上设有的超声导波信号激励/采集板和超声导波探头，第三接口外接射频模块后与一内嵌控制软件的用户机无线连接，第四接口通过CAN总线分别外接所述机器人的本体、清扫装置和探伤装置上设有的5块驱动器和2台舵机，驱动器控制5台伺服电机，各伺服电机通过带有的编码器反馈连接各对应的驱动器，各伺服电机外联有减速器。

所述的NI sbRIO嵌入式控制主板，用于伺服电机和舵机的运动控制、超声导波信号的激励与采集控制、本体电磁吸盘线圈电流的控制、以及接收与分析角度传感器及力/力矩传感器采集到的数据；

用户机，为内嵌控制软件的电脑，用于操作人员对机器人进行直观的控制命令发送；

射频模块，以无线的方式接收用户机发出的各项控制指令，同时传输伺服电机、舵机及各类传感器反馈的各项参数数据；

驱动器，解析数据指令，设定速度、加/减速度等命令，驱动伺服电机按指定要求启动、停机或加速，对伺服电机进行过载、短路或欠压保护；

编码器，将伺服电机的各项转动参数进行编制、转换为可用的电信号，检测反馈伺服电机速度、位置和角位移信息；

减速器，用来降速，提高伺服电机的输出扭矩，同时降低负载的惯量；

伺服电机，用来实现机器人关节的旋转，使机器人按照规定路径运动；

舵机，用来驱动清扫装置的转动，同时将旋转的角度转化为直线运动来提升或降下探头装置；

CAN总线，用来连接控制主板、驱动器和编码器，实现数据的传输；

超声导波信号激励与采集板，用来激励产生可用来进行缺陷检测的超声导波，同时初步处理采集所得的管道缺陷回波信号；

超声导波探头，用来将超声导波信号发送到所要检测的管道中，并接收采集缺陷回波信号；

角度传感器，采集伺服电机输出轴的角位移，并将数据反馈给所述控制主板；

力/力矩传感器，记录机器人在运动过程中与外部管道的接触力或力矩信息，将采集的力及力矩信息传输给所述控制主板；

高频数据线，用来以高速传输速率将上述各类传感器采集的数据信息传输给所述控制主板。

图5所示为本发明的控制系统安装示意图，包括一台用户机，两块射频模块，一块NI sbRIO嵌入式控制主板，多条CAN总线，五块驱动器，五台伺服电机，五块编码器，五台减速器，两台舵机，多条高频数据线，一块超声导波信号激励与采集板，一只超声导波探头，五个角度传感器，两台力/力矩传感器。

本发明所述用户机为一种PC机，其中的控制软件具有直观、易操作的界面，用户可以根据软件提示，点击按键即能进行操作，控制机器人完成某种攀爬步态，使用机器人进行管道清扫，借助机器人进行管道无损探伤。

如图3所示为本发明的伺服电机控制框图；如图8所示为本发明的角速度传感器工作框图。

本实施例中，若想要控制机器人进行攀爬，则首先使用用户机中的控制软件读入想要机器人进行某种爬行方式的一组步态数据，然后通过连接在用户机上的射频模块收发器将该组步态数据及相关指令借助无线局域网发送给作业的机器人；机器人上搭载的射频模块接收到上述发送的步态数据及指令，然后将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；控制主板会根据上述指令，将上述一组步态数据通过CAN总线发往给五个的驱动器；五个驱动器接收到上述步态数据，之后首先解析数据中所包含的指令信息，然后再根据数据中的所包含的参数数值设定指定的角位移、转速、位置或启动、停机等，并将设定后的参数信息传输给相应的伺服电机；伺服电机接收到设定的参数信息，并按照参数信息要求做出指定的运动，伺服电机输出轴将指定的运动传递给减速器；减速器将上述运动进行降速提升扭矩，然后输出给从动件；为了保证伺服电机完成指定的运动，安装在伺服电机上的编码器会将伺服电机的运动参数进行编制、转换为电信号，然后将此信号反馈给与伺服电机相连的相应的驱动器中；驱动器可以对上述伺服电机的运动与原始数据中的参数数值进行对比，如有差别，则要对伺服电机的转动参数进行修改或补偿，直至使伺服电机的运动满足原始数据中的要求为止。而为了使从动件到达完成指定的运动，安装在伺服电机旁的角度传感器可以将从动部件的运动参数转换成模拟信号，传输给控制主板；控制主板中的模数转换电路将上述模拟信号转换成数字信号，然后评估判断从动件是否到达指定位置，若未到达则对伺服电机的步态数据指令进行修正，直至从动件到达指定位置为止。

如图7为本发明的力/力矩传感器工作框图。控制主板根据用户机的指令信息来控制流过电磁吸盘中线圈电流的大小，使吸盘产生磁力，将机器人吸附在所要攀爬的管道上。为了确定电磁吸盘是否产生足够的吸附力，就需要通过力/力矩传感器来测定电磁吸盘的力/力矩大小，力/力矩传感器可以时刻记录机器人在运动过程中电磁吸盘与外部管道的接触力/力矩信息，并将采集的信息传输给控制主板；控制主板接收到上述力/力矩信息，然后与指令中包含的力/力矩信息进行对比，若未达到指定的力/力矩数值，则将进行力/力矩修正；根据修正的信息控制电磁吸盘中线圈的电流大小，直至电磁吸盘吸牢，机器人稳定为止。

如图4所示，为本发明的舵机控制框图。若要控制机器人对管道进行清扫作业，首先用户机控制软件通过无线局域网发送出清扫指令；搭载在机器人上的射频模块接收到上述指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；上述控制主板根据上述指令，产生舵机控制信号，并通过CAN总线传输给指定舵机；上述舵机接收到上述控制信号后转动，并将转动传递给清扫连杆，带动毛刷清扫管道。

如图6所示，为本发明的超声导波探伤过程框图。首先用户机控制软件通过无线局域网发送出探伤指令，通过连接在用户机上的射频模块收发器将探伤指令发送出去；搭载在机器人上的射频模块接收到上述指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；控制主板根据上述指令，产生舵机控制信号以及激励超声导波的控制信号，舵机控制信号并通过CAN总线传输给舵机；舵机接收到上述控制信号后开始根据指令要求进行转动，并将转动传递给螺杆转化成直线运动，推动超声导波探头向下移动，直至贴合管道；激励超声导波的控制信号通过高频数据线传输给超声导波信号激励与采集板，该电路板接收到控制信号后，会使其上的电容器件释放出激励电流，然后再将该激励电流传输给已经贴合在管道薄壁上的超声导波探头中；该激励电流可以促使超声导波探头启动其中的晶振器件，进而产生超声导波，其后超声导波将沿着管道内壁传输；当超声导波遇到管壁缺陷或者到达管端就会反射回波，该回波信号到达超声导波探头处时，将会被其接收采集；采集所得的回波信号将会被传输给超声导波信号激励与采集板，超声导波信号激励与采集板将回波信号转变为的数字信号传输到控制主板的存储区域；然后借助射频模块，通过无线局域网将数据传输给用户机，用户机便可以根据回波信号分析判断所检测的管道是否有缺陷，缺陷属于何种类型。

如图2所示，为本发明的控制方法流程图。下面将结合附图9～12，说明本发明所述控制系统及方法在机器人爬行、清扫、探伤实施例中的应用过程。

机器人单管爬行、清扫和探伤控制过程，如图9(a)～(d)所示：

1.如图9(a)所示，通过本发明系统及方法控制机器人电磁吸盘Ⅳ-1及电磁吸盘Ⅳ-2通电产生足够的吸附力，而使机器人吸附在管道上，此时伺服电机被控制在初始零位，舵机及探头均未工作。

2.如图9(b)所示，通过本发明系统及方法控制机器人电磁吸盘Ⅳ-2断电，机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3、伺服电机Ⅰ-4回转指定的角度，使机器人后身沿管道前进到指定位置，并处于收缩状态。

3.如图9(c)所示，通过本发明系统及方法控制机器人电磁吸盘Ⅳ-2通电，然后电磁吸盘Ⅳ-1断电，机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3、伺服电机Ⅰ-4回转与过程2相反的角度，使机器人前身沿管道前进到指定位置，并处于伸展状态，在前进过程中控制舵机转动，使毛刷清扫管道。

4.如图9(d)所示，通过本发明系统及方法控制舵机在清扫任务完成后停止转动，控制电磁吸盘Ⅳ-1通电，电磁吸盘Ⅳ-2断电，机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3、伺服电机Ⅰ-4回转指定的角度，使机器人由伸展状态向收缩状态运动，在此过程中控制舵机运动，使超声导波探头与管道薄壁贴合，可以使探头进行定点或直线扫查检测。

机器人弯管爬行控制过程，如图10(a)～(c)所示：

1.如图10(a)所示，通过本发明系统及方法控制机器人电磁吸盘Ⅳ-1及电磁吸盘Ⅳ-2通电产生足够的吸附力，而使机器人吸附在管道上，此时伺服电机被控制在初始零位，舵机及探头均未工作。

2.如图10(b)所示，通过本发明系统及方法控制机器人电磁吸盘Ⅳ-2断电，机器人伺服电机Ⅰ-1回转指定的角度，使机器人后身旋转到前方弯管上方的指定位置，此时控制电磁吸盘Ⅳ-2通电，产生足够吸附力，使机器人后身吸附在前方弯管上。

3.如图10(c)所示，通过本发明系统及方法控制机器人电磁吸盘Ⅳ-1断电，控制机器人伺服电机Ⅰ-5回转指定的角度，使机器人前身旋转到前方弯管上方的指定位置，控制电磁吸盘Ⅳ-1通电，产生足够吸附力，使机器人后身吸附在前方弯管上。此时即完成机器人弯管爬行的控制。

4.完成机器人弯管爬行控制后，控制其清扫及探伤的过程同步骤9(a)～(d)。

机器人管间切换控制过程，如图11(a)～(c)所示：

1.如图11(a)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1及电磁吸盘Ⅳ-2通电产生足够吸附力，使机器人吸附在管道上，此时伺服电机被控制在初始零位，舵机及探头均未工作。

2.如图11(b)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1断电，控制机器人伺服电机Ⅰ-5回转指定角度，使机器人前身旋转到旁边的管道上方的指定位置，控制电磁吸盘Ⅳ-1通电，产生足够吸附力，使机器人前身吸附在旁边管道上。

3.如图11(c)所示，通过本发明系统及方法控制控制机器人电磁吸盘Ⅳ-2断电，控制伺服电机Ⅰ-1回转与过程2相反的角度，使机器人后身旋转到旁边的管道上方的指定位置，控制电磁吸盘Ⅳ-2通电，产生足够吸附力，使机器人后身吸附在旁边管道上。此时即完成机器人管间切换的控制。

4.完成机器人管间切换控制后，控制其清扫及探伤的过程同步骤9(a)～(d)。

机器人管屏切换控制过程，如图12(a)～(e)所示：

1.如图12(a)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1及电磁吸盘Ⅳ-2通电产生足够吸附力，使机器人吸附在管道上，此时伺服电机被控制在初始零位，舵机及探头均未工作。

2.如图12(b)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1断电，控制机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3及伺服电机Ⅰ-4转动指定角度，使机器人前身抬升到指定位置。

3.如图12(c)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1保持断电，电磁吸盘Ⅳ-2保持通电，控制机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3及伺服电机Ⅰ-4转动指定角度，使机器人前身翻转至电磁吸盘Ⅳ-1接触到上方管道的位置，此时控制电磁吸盘1通电，产生足够吸附力，使机器人前身吸附在上方管道上。

4.如图12(d)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1保持通电，电磁吸盘Ⅳ-2断电，控制机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3及伺服电机Ⅰ-4转动指定角度，使机器人后身抬离原先管道至指定位置。

5.如图12(e)所示，通过本发明系统及方法控制电磁吸盘Ⅳ-1保持通电，电磁吸盘Ⅳ-2保持断电，控制机器人伺服电机Ⅰ-2、伺服电机Ⅰ-3及伺服电机Ⅰ-4转动指定角度，使机器人后身翻转至电磁吸盘Ⅳ-2接触到上方管道的位置，此时控制电磁吸盘Ⅳ-2通电，产生足够吸附力，使机器人后身吸附在上方管道上。此时即完成机器人管屏切换的控制。

6.完成机器人管屏切换控制后，控制其清扫及探伤的过程同步骤9(a)～(d)。

Claims (5)

1.一种电力金属部件清扫探伤机器人控制方法，所述的机器人包括本体、清扫装置和探伤装置，所述的控制方法中采用了如下的控制系统：所述的控制系统设在本体上，其包括一NI sbRIO嵌入式控制主板，其第一接口通过高频数据线外接所述本体上设有的各角度传感器和力/力矩传感器，第二接口通过高频数据线依次外接所述探伤装置上设有的超声导波信号激励/采集板和超声导波探头，第三接口外接射频模块后与一内嵌控制软件的用户机无线连接，第四接口通过CAN总线分别外接所述机器人的本体、清扫装置和探伤装置设有的各驱动器和各舵机，所述的驱动器控制伺服电机，各伺服电机则通过带有的编码器反馈连接各对应驱动器；

其特征是：所述的控制方法包括以下步骤：

步骤1，用户机控制软件读入某一组步态数据，并将该数据及相关指令通过无线局域网发送出去；

步骤2，搭载在机器人上的射频模块接收到上述发送的步态数据及指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；

步骤3，上述控制主板根据上述指令，将上述一组步态数据通过CAN总线发往到驱动器中；

步骤4，上述驱动器接收到上述步态数据，然后解析数据，并且根据数据中的要求设定指定的角位移、转速、位置或启动、停机，并将解析后的信息传输给相应的伺服电机；

步骤5，上述伺服电机接收到上述解析信息，并做出指定的运动，并将运动传递给减速器；

步骤6，上述减速器将上述伺服电机传递的运动进行降速，并提升扭矩，然后输出给负载；

步骤7，编码器将上述伺服电机的运动参数进行编制、转换为可用的电信号，然后将此转换后的信号反馈给相应的驱动器；

步骤8，上述转换后的电信号输入给相应驱动器，该驱动器对上述伺服电机的运动与原始指令数据进行对比评估，如有差别，则进行修改补偿；

步骤9，上述修改补偿过程重复步骤4～8，直至伺服电机的运动与原始指令数据无差别为止；

步骤10，角度传感器将从动部件的运动参数转换成模拟信号，再传输给上述控制主板；

步骤11，上述控制主板中的模数转换电路将上述模拟信号转换成数字信号，然后评估判断从动件是否到达指定位置，若未到达则进行角度修正；

步骤12，上述角度修改过程重复步骤4～步骤11，直至从动件到达指定位置为止；

步骤13，上述控制主板同时控制流过电磁吸盘中线圈电流的大小，以使吸盘产生磁力吸附，将机器人固定在管道上；

步骤14，力/力矩传感器，记录机器人在运动过程中电磁吸盘与外部管道的接触力/力矩信息，将采集的信息传输给上述控制主板；

步骤15，上述控制主板接收到上述力/力矩信息，转换后与制定的力/力矩对比，若未达到制定的数值，则进行力/力矩修正；

步骤16，上述力/力矩修正过程重复步骤13～步骤15，直至电磁吸盘吸牢，机器人稳定为止；

步骤17，按指令对管道进行清扫或对管道进行探伤。

2.根据权利要求1所述的电力金属部件清扫探伤机器人控制 方法，其特征是：所述的步骤17中对管道进行清扫具体包括以下子步骤：

清1，用户机控制软件通过无线局域网发送出清扫指令；

清2，搭载在机器人上的射频模块接收到上述指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；

清3，上述控制主板根据上述指令，产生舵机控制信号，并通过CAN总线传输给指定舵机；

清4，上述舵机接收到上述控制信号后转动，并将转动传递给清扫连杆，带动毛刷清扫管道。

3.根据权利要求2所述的电力金属部件清扫探伤机器人控制 方法，其特征是：所述的步骤17中对管道进行探伤具体包括以下子步骤：

探1，用户机控制软件通过无线局域网发送出探伤指令；

探2，搭载在机器人上的射频模块接收到上述指令，并将其传输给NI sbRIO嵌入式控制主板；

探3，上述控制主板根据上述指令，产生舵机控制信号，并通过CAN总线传输给舵机；

探4，上述舵机接收到上述控制信号后转动，并将转动传递给螺杆转化成直线运动，推动超声导波探头贴合管道；

探5，上述控制主板同时根据上述指令，产生激励超声导波的控制信号，通过高频数据线传输给超声导波信号激励与采集板；

探6，上述超声导波信号激励与采集板接收到控制信号，释放激励电流，传输给上述超声导波探头；

探7，上述超声导波探头接收激励电流，启动晶振，产生超声导波，并将超声导波传输到管道中；

探8，上述超声导波探头将接收到的缺陷回波传输给上述超声导波信号激励与采集板；

探9，上述超声导波信号激励与采集板将缺陷信号转变为的数字信号传输到上述控制主板的存储区域；

探10，上述控制主板将上述数字信号传输给射频模块，通过无线局域网将数据传输给用户机。

4.根据权利要求3所述的电力金属部件清扫探伤机器人控制方法，其特征是：所述的控制系统中的各伺服电机通过减速器减速增扭。

5.根据权利要求4所述的电力金属部件清扫探伤机器人控制方法，其特征是：所述的控制系统中的NI sbRIO嵌入式控制主板，用于伺服电机和舵机的运动控制、超声导波信号的激励与采集控制、本体电磁吸盘线圈电流的控制、以及接收与分析角度传感器及力/力矩传感器采集到的数据；

用户机，为内嵌控制软件的电脑，用于操作人员对机器人进行直观的控制命令发送；

射频模块，以无线的方式接收用户机发出的各项控制指令，同时传输伺服电机、舵机及各类传感器反馈的各项参数数据；

驱动器，解析数据指令，设定速度、加/减速度等命令，驱动伺服电机按指定要求启动、停机或加速，对伺服电机进行过载、短路或欠压保护；

编码器，将伺服电机的各项转动参数进行编制、转换为可用的电信号，检测反馈伺服电机速度、位置和角位移信息；

减速器，用来降速，提高伺服电机的输出扭矩，同时降低负载的惯量；

伺服电机，用来实现机器人关节的旋转，使机器人按照规定路径运动；

舵机，用来驱动清扫装置的转动，同时将旋转的角度转化为直线运动来提升或降下探头装置；

CAN总线，用来连接控制主板、驱动器和编码器，实现数据的传输；

超声导波信号激励与采集板，用来激励产生可用来进行缺陷检测的超声导波，同时初步处理采集所得的管道缺陷回波信号；

超声导波探头，用来将超声导波信号发送到所要检测的管道中，并接收采集缺陷回波信号；

角度传感器，采集伺服电机输出轴的角位移，并将数据反馈给所述控制主板；

力/力矩传感器，记录机器人在运动过程中与外部管道的接触力或力矩信息，将采集的力及力矩信息传输给所述控制主板；

高频数据线，用来以高速传输速率将上述各类传感器采集的数据信息传输给所述控制主板。