CN111300194A - 一种控制管道打磨机器人的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制管道打磨机器人的系统及方法，其中方法包括以下步骤：控制打磨机器人沿管道的轴向方向进行爬行，并采集管道内的第一图像信息；根据第一图像信息对管道内需要打磨的焊缝进行检测，并在检测到焊缝后，控制打磨机器人停止爬行；将打磨机器人固定于管道后，根据预设方式获取打磨机构与焊缝的距离信息以及焊缝的第二图像信息，并根据第二图像信息获取焊缝的宽度信息；结合距离信息和宽度信息控制打磨机器人进行打磨。本发明通过运动控制模块结合宽度信息和距离信息实现对焊缝全自动的打磨控制，解决了需要人为控制打磨机器人的问题，降低了控制的成本，提高了控制的效率和质量，可广泛应用于机器人技术领域。

Description

一种控制管道打磨机器人的系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种控制管道打磨机器人的系统及方法。

背景技术

管道运输具有高效、低耗、连续输送、经济、安全和自动化程度高等优势，通常长距离的管道通过焊接的方式连接起来，未打磨的管道焊缝会导致管道极易腐蚀、泄露和断裂。传统的打磨方式有人工手提普通砂轮机进行打磨、利用打磨机对管道内壁进行打磨，但由于受到管道长度和管道内径的限制，很多管道的焊缝很难以人工的方式完成打磨工作。随着机器人技术的发展，现已经有采用机器人对管道进行打磨的机器人，但现在的机器人主要是通过人工进行控制，无法实现全自动的打磨操作，提高了人工成本，而且，人工操作容易出现错误的操作，损坏了机器人。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够全自动对管道进行打磨的系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种控制管道打磨机器人的系统，包括图像采集模块、图像处理模块和打磨机器人，所述打磨机器人包括运动控制模块、测距传感器和伺服驱动模块，所述图像处理模块分别与图像采集模块和运动控制模块连接，所述运动控制模块分别与测距传感器和伺服驱动模块连接，所述图像采集模块和测距传感器均安装在打磨机器人的打磨机构上；

所述图像处理模块用于采集管道内的图像信息，并将图像信息传输至图像处理模块；

所述图像处理模块用于根据图像信息检测管道内需要打磨的焊缝，并在检测到焊缝时，发送停止爬行信息至运动控制模块，以及根据图像信息获取到焊缝的宽度信息后，将宽度信息传输至运动控制模块；

所述测距传感器用于获取打磨机构与焊缝的距离信息，并将距离信息传输至运动控制模块；

所述运动控制模块用于控制打磨机器人在管道内爬行，并在接收到停止爬行信息后，控制打磨机器人停止爬行并固定位置，以及结合宽度信息和距离信息控制打磨机器人对焊缝进行打磨。

进一步，所述伺服驱动模块包括固定单元、轴向驱动单元、径向驱动单元、周向驱动单元和爬行驱动单元，所述运动控制模块分别与固定单元、轴向驱动单元、径向驱动单元、周向驱动单元和爬行驱动单元连接。

进一步，所述运动控制模块获得宽度信息和距离信息后，采用以下方式控制打磨机器人对焊缝进行打磨：

根据宽度信息控制打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；

根据距离信息控制打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；

根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝。

进一步，所述周向驱动单元用于获取并传输打磨机构的力矩值至运动控制模块，所述根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

A1、控制打磨机构采用第一速度沿周向方向对焊缝进行打磨，并获取打磨机构的力矩值；

A2、判断力矩值是否小于第一预设力矩值，若是，返回执行步骤A1；反之，执行步骤A3；

A3、控制打磨机构采用第二速度沿周向方向对焊缝进行打磨后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，执行步骤A4；反之，执行步骤A5；

A4、在第一预设时间内连续获取并判断力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤A1；反之，返回执行步骤A3；

A5、在第二预设时间内控制打磨机构采用第三速度沿周向方向对焊缝进行打磨；

A6、获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤A3；反之，返回执行步骤A5。

进一步，所述图像处理模块包括处理器和显示屏。

进一步，所述图像处理模块通过以太网通讯方式与运动控制模块进行通讯连接。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种控制管道打磨机器人的方法，包括以下步骤：

控制打磨机器人沿管道的轴向方向进行爬行，并采集管道内的第一图像信息；

根据第一图像信息对管道内需要打磨的焊缝进行检测，并在检测到焊缝后，控制打磨机器人停止爬行；

将打磨机器人固定于管道后，根据预设方式获取打磨机构与焊缝的距离信息以及焊缝的第二图像信息，并根据第二图像信息获取焊缝的宽度信息；

结合距离信息和宽度信息控制打磨机器人进行打磨。

进一步，所述将打磨机器人固定于管道后，根据预设方式获取打磨机构与焊缝的距离信息以及焊缝的第二图像信息这一步骤，具体为：

将打磨机器人固定于管道后，控制打磨机器人的打磨机构旋转一周，并获得打磨机构与焊缝的距离信息以及第二图像信息。

进一步，所述结合距离信息和宽度信息控制打磨机器人进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

根据宽度信息控制打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；

根据距离信息控制打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；

根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝。

进一步，所述根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

B1、控制打磨机构采用第一速度沿周向方向对焊缝进行打磨，并获取打磨机构的力矩值；

B2、判断力矩值是否小于第一预设力矩值，若是，返回执行步骤B1；反之，执行步骤B3；

B3、控制打磨机构采用第二速度沿周向方向对焊缝进行打磨后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，执行步骤B4；反之，执行步骤B5；

B4、在第一预设时间内连续获取并判断力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤B1；反之，返回执行步骤B3；

B5、在第二预设时间内控制打磨机构采用第三速度沿周向方向对焊缝进行打磨；

B6、获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤B3；反之，返回执行步骤B5。

本发明的有益效果是：本发明通过图像信息获取焊缝的宽度信息，通过测距传感器获取打磨机器人与焊缝的距离信息，运动控制模块结合宽度信息和距离信息实现对焊缝全自动的打磨控制，解决了需要人为控制打磨机器人的问题，降低了控制的成本，提高了控制的效率和质量。

附图说明

图1是本发明一种控制管道打磨机器人的系统的结构框图；

图2是本发明一种控制管道打磨机器人的方法的步骤流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种控制管道打磨机器人的系统，包括图像采集模块、图像处理模块和打磨机器人，所述打磨机器人包括运动控制模块、测距传感器和伺服驱动模块，所述图像处理模块分别与图像采集模块和运动控制模块连接，所述运动控制模块分别与测距传感器和伺服驱动模块连接，所述图像采集模块和测距传感器均安装在打磨机器人的打磨机构上；

所述图像处理模块用于采集管道内的图像信息，并将图像信息传输至图像处理模块；

所述图像处理模块用于根据图像信息检测管道内需要打磨的焊缝，并在检测到焊缝时，发送停止爬行信息至运动控制模块，以及根据图像信息获取到焊缝的宽度信息后，将宽度信息传输至运动控制模块；

所述测距传感器用于获取打磨机构与焊缝的距离信息，并将距离信息传输至运动控制模块；

所述运动控制模块用于控制打磨机器人在管道内爬行，并在接收到停止爬行信息后，控制打磨机器人停止爬行并固定位置，以及结合宽度信息和距离信息控制打磨机器人对焊缝进行打磨。

上述系统的工作原理为：将打磨机器人用于管道打磨时，将打磨机器人放入管道内，打磨机器人自动地沿着管道的轴向方向爬行运动，所述像采集模块跟随着打磨机器人的运动实时采集管道内的图像信息，并将图像信息发送至图像处理模块，所述图像处理模块安放在管道外，所述图像处理模块与图像采集模块可采用有线或无线的连接方式进行通讯连接，具体地，本实施例中通过USB数据通信线进行连接，所述图像处理模块可采用现有的设备来实现，比如工业平板电脑，所述图像采集模块可采用现有的摄像设备来实现，比如高清摄像机或红外摄像头。当图像处理模块接收到图像信息后，根源图像信息检测需要打磨的焊缝，当检测到焊缝时，发送停止爬行信息给运动控制模块，进而控制打磨机器人停止模型，并将打磨机器人固定在管道内。图像采集模块继续采集图像信息，并传输回图像处理模块，图像处理模块根据图像信息获取焊缝的宽度信息，并将宽度信息发送至运动控制模块。运动控制模块结合宽度信息和测距传感器采集的距离信息即可控制打磨机构对焊缝进行打磨，并在打磨完该焊缝之后，继续爬行，检测下一条焊缝，无需人为的控制和监控，极大地节约了人工成本，而且通过自动化控制，反应速度更加快速，提高了打磨的速度，并且可以24小时连续工作，极大地提高了打磨工作的效率。

进一步作为优选的实施方式，所述伺服驱动模块包括固定单元、轴向驱动单元、径向驱动单元、周向驱动单元和爬行驱动单元，所述运动控制模块分别与固定单元、轴向驱动单元、径向驱动单元、周向驱动单元和爬行驱动单元连接。

所述固定单元用于在打磨机器人停止爬行后，对机器人进行固定，具体的一种实施方式为：通过电磁阀控制气缸，气缸推动定位块抵住管道的内壁，即可将管道打磨机固定在管道中需要打磨的位置，保证打磨时固定牢固，并实现定心。所述轴向驱动单元用于驱动打磨机构沿管道的轴向方向进行移动，从而使打磨机构对准焊缝。所述径向驱动单元用于驱动打磨机构沿管道的径向方向运动，从而使打磨机构贴近焊缝，并进行打磨。所述周向驱动单元用于驱动打磨机构沿着管道进行圆周运动，从而对整圈焊缝进行打磨。所述爬行驱动单元用于驱动打磨机器人在管道内沿轴向方向爬行，具体地，可通过在机器人上安装驱动滚轮或者通过绳索拉动打磨机器人进行爬行移动。

进一步作为优选的实施方式，所述运动控制模块获得宽度信息和距离信息后，采用以下方式控制打磨机器人对焊缝进行打磨：

根据宽度信息控制打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；

根据距离信息控制打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；

根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝。

所述宽度信息包括焊缝的位置信息和焊缝的宽度信息，运动控制模块通过发送信息至轴向驱动单元，进而驱动打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；接着，发送信息至径向驱动单元，驱动打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；最后，发送信息至周向驱动单元，驱动打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝，即打磨机构沿周向方向运动了一周。

进一步作为优选的实施方式，所述周向驱动单元用于获取并传输打磨机构的力矩值至运动控制模块，所述根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

C1、控制打磨机构采用第一速度沿周向方向对焊缝进行打磨，并获取打磨机构的力矩值；

C2、判断力矩值是否小于第一预设力矩值，若是，返回执行步骤C1；反之，执行步骤C3；

C3、控制打磨机构采用第二速度沿周向方向对焊缝进行打磨后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，执行步骤C4；反之，执行步骤C5；

C4、在第一预设时间内连续获取并判断力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤C1；反之，返回执行步骤C3；

C5、在第二预设时间内控制打磨机构采用第三速度沿周向方向对焊缝进行打磨；

C6、获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤C3；反之，返回执行步骤C5。

所述第一速度＞第二速度＞第三速度，开始控制打磨机构的进给速度为第一速度，在打磨过程中，如果遇到焊缝过硬难以打磨，机力矩过大时，强硬地进给容易损坏打磨机构，在人为控制机器人打磨时，由于难以判断力矩值，所以容易损坏打磨机构。当判断到力矩值大于第一预设力矩值时，降低打磨机构的进给速度，采用第二速度进给运行。获取并判断第二速度进给时的力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，则说明第二速度下，打磨机构工作安全；反之，说明打磨机构工作不安全，所述第二预设力矩值可以等于第一预设力矩值，也可以小于第一预设力矩值。判断在第一预设时间内，力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，说明已经将过硬的焊缝打磨掉，此时可以将进给调回第一速度，提高打磨的速度；反之，说明过硬的焊缝还没有打磨掉，而且还需要继续降低进给速度，以保护打磨机构的安全。将进给速度调低至第三速度，所述第三速度可以为0，或者较低的速度，在本实施例中，第三速度为0。打磨机构在零速原地条件下进行打磨，并在打磨第二预设时间后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，逐渐地将进给速度调升至第二速度，反之，继续原地进行打磨。本实施例根据力矩值来调控打磨机构的进给速度，加大地保护了打磨机构的安全性。

进一步作为优选的实施方式，所述图像处理模块包括处理器和显示屏。

用户可以通过显示屏查看打磨机器人的工作情况，并通过显示屏输入操作指令，更加方便用户对打磨机器人的控制。

进一步作为优选的实施方式，所述图像处理模块通过以太网通讯方式与运动控制模块进行通讯连接。

通过以太网，图像处理模块可以和运动控制模块进行快速的信息传输，提高控制的质量。

综上所述，本实施例一种控制管道打磨机器人的系统至少具有如下有益效果：

(1)、通过图像信息获取焊缝的宽度信息，通过测距传感器获取打磨机器人与焊缝的距离信息，运动控制模块结合宽度信息和距离信息实现对焊缝全自动的打磨控制，解决了需要人为控制打磨机器人的问题，降低了控制的成本，提高了控制的效率和质量。

(2)、实时获取打磨机构的力矩值，并根据力矩值控制打磨机构的进给速度，避免进给速度太快，损坏了打磨机构，或者进给速度太慢，影响了打磨的效率，既保障打磨机构的安全，又提高了打磨效率。

实施例二

如图2所示，本实施例提供了一种控制管道打磨机器人的方法，包括以下步骤：

S1、控制打磨机器人沿管道的轴向方向进行爬行，并采集管道内的第一图像信息；

S2、根据第一图像信息对管道内需要打磨的焊缝进行检测，并在检测到焊缝后，控制打磨机器人停止爬行；

S3、将打磨机器人固定于管道后，根据预设方式获取打磨机构与焊缝的距离信息以及焊缝的第二图像信息，并根据第二图像信息获取焊缝的宽度信息；

S4、结合距离信息和宽度信息控制打磨机器人进行打磨。

其中，步骤S3具体为：将打磨机器人固定于管道后，控制打磨机器人的打磨机构旋转一周，并获得打磨机构与焊缝的距离信息以及第二图像信息。

当打磨机器人在管道内爬行时，图像采集模块固定不动，随着打磨机器的移动进行拍摄，并将拍摄到的图像传输至图像处理模块。当打磨机器人固定后，控制打磨机器人的打磨机构旋转一周，此时，图像采集模块充分采集焊缝的第二图像信息，图像处理模块对第二图像信息进行分析，从而计算出焊缝的宽度。

其中，所述步骤S4具体包括步骤S41～S43：

S41、根据宽度信息控制打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；

S42、根据距离信息控制打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；

S43、根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝。

其中，步骤S43中所述根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨这一步骤，具体包括步骤D1～D6：

D1、控制打磨机构采用第一速度沿周向方向对焊缝进行打磨，并获取打磨机构的力矩值；

D2、判断力矩值是否小于第一预设力矩值，若是，返回执行步骤D1；反之，执行步骤D3；

D3、控制打磨机构采用第二速度沿周向方向对焊缝进行打磨后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，执行步骤D4；反之，执行步骤D5；

D4、在第一预设时间内连续获取并判断力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤D1；反之，返回执行步骤D3；

D5、在第二预设时间内控制打磨机构采用第三速度沿周向方向对焊缝进行打磨；

D6、获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤D3；反之，返回执行步骤D5。

上述方法，通过图像信息获取焊缝的宽度信息，通过测距传感器获取打磨机器人与焊缝的距离信息，运动控制模块结合宽度信息和距离信息实现对焊缝全自动的打磨控制，解决了需要人为控制打磨机器人的问题，降低了控制的成本，提高了控制的效率和质量。

本实施例的一种控制管道打磨机器人的方法，与实施例一的一种控制管道打磨机器人的系统具有一一对应关系，具备实施例一中所述系统的相应的功能和有益效果。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种控制管道打磨机器人的系统，其特征在于，包括图像采集模块、图像处理模块和打磨机器人，所述打磨机器人包括运动控制模块、测距传感器和伺服驱动模块，所述图像处理模块分别与图像采集模块和运动控制模块连接，所述运动控制模块分别与测距传感器和伺服驱动模块连接，所述图像采集模块和测距传感器均安装在打磨机器人的打磨机构上；

所述图像处理模块用于采集管道内的图像信息，并将图像信息传输至图像处理模块；

所述图像处理模块用于根据图像信息检测管道内需要打磨的焊缝，并在检测到焊缝时，发送停止爬行信息至运动控制模块，以及根据图像信息获取到焊缝的宽度信息后，将宽度信息传输至运动控制模块；

所述测距传感器用于获取打磨机构与焊缝的距离信息，并将距离信息传输至运动控制模块；

所述运动控制模块用于控制打磨机器人在管道内爬行，并在接收到停止爬行信息后，控制打磨机器人停止爬行并固定位置，以及结合宽度信息和距离信息控制打磨机器人对焊缝进行打磨。

2.根据权利要求1所述的一种控制管道打磨机器人的系统，其特征在于，所述伺服驱动模块包括固定单元、轴向驱动单元、径向驱动单元、周向驱动单元和爬行驱动单元，所述运动控制模块分别与固定单元、轴向驱动单元、径向驱动单元、周向驱动单元和爬行驱动单元连接。

3.根据权利要求2所述的一种控制管道打磨机器人的系统，其特征在于，所述运动控制模块获得宽度信息和距离信息后，采用以下方式控制打磨机器人对焊缝进行打磨：

根据宽度信息控制打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；

根据距离信息控制打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；

根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝。

4.根据权利要求3所述的一种控制管道打磨机器人的系统，其特征在于，所述周向驱动单元用于获取并传输打磨机构的力矩值至运动控制模块，所述根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

A1、控制打磨机构采用第一速度沿周向方向对焊缝进行打磨，并获取打磨机构的力矩值；

A2、判断力矩值是否小于第一预设力矩值，若是，返回执行步骤A1；反之，执行步骤A3；

A3、控制打磨机构采用第二速度沿周向方向对焊缝进行打磨后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，执行步骤A4；反之，执行步骤A5；

A4、在第一预设时间内连续获取并判断力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤A1；反之，返回执行步骤A3；

A5、在第二预设时间内控制打磨机构采用第三速度沿周向方向对焊缝进行打磨；

A6、获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤A3；反之，返回执行步骤A5。

5.根据权利要求1所述的一种控制管道打磨机器人的系统，其特征在于，所述图像处理模块包括处理器和显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种控制管道打磨机器人的系统，其特征在于，所述图像处理模块通过以太网通讯方式与运动控制模块进行通讯连接。

7.一种控制管道打磨机器人的方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制打磨机器人沿管道的轴向方向进行爬行，并采集管道内的第一图像信息；

根据第一图像信息对管道内需要打磨的焊缝进行检测，并在检测到焊缝后，控制打磨机器人停止爬行；

将打磨机器人固定于管道后，根据预设方式获取打磨机构与焊缝的距离信息以及焊缝的第二图像信息，并根据第二图像信息获取焊缝的宽度信息；

结合距离信息和宽度信息控制打磨机器人进行打磨。

8.根据权利要求7所述的一种控制管道打磨机器人的方法，其特征在于，所述将打磨机器人固定于管道后，根据预设方式获取打磨机构与焊缝的距离信息以及焊缝的第二图像信息这一步骤，具体为：

将打磨机器人固定于管道后，控制打磨机器人的打磨机构旋转一周，并获得打磨机构与焊缝的距离信息以及第二图像信息。

9.根据权利要求8所述的一种控制管道打磨机器人的方法，其特征在于，所述结合距离信息和宽度信息控制打磨机器人进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

根据宽度信息控制打磨机构沿管道的轴向方向移动至焊缝的正上方；

根据距离信息控制打磨机构沿管道的径向方向移动至焊缝上；

根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨，直至打磨完该焊缝。

10.根据权利要求9所述的一种控制管道打磨机器人的方法，其特征在于，所述根据预设的进给程序控制打磨机构沿管道的周向方向对焊缝进行打磨这一步骤，具体包括以下步骤：

B1、控制打磨机构采用第一速度沿周向方向对焊缝进行打磨，并获取打磨机构的力矩值；

B2、判断力矩值是否小于第一预设力矩值，若是，返回执行步骤B1；反之，执行步骤B3；

B3、控制打磨机构采用第二速度沿周向方向对焊缝进行打磨后，获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，执行步骤B4；反之，执行步骤B5；

B4、在第一预设时间内连续获取并判断力矩值是否都小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤B1；反之，返回执行步骤B3；

B5、在第二预设时间内控制打磨机构采用第三速度沿周向方向对焊缝进行打磨；

B6、获取并判断力矩值是否小于第二预设力矩值，若是，返回执行步骤B3；反之，返回执行步骤B5。

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