CN114012747A - 管桁架焊缝表面质量检测机器人及其控制系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管桁架焊缝表面质量检测机器人，包括：第一运动单元和与所述第一运动单元铰接的第二运动单元，以及安装在所述第一运动单元和所述第二运动单元之间用于驱动所述第一运动单元和所述第二运动单元进行翻转运动的第一驱动器；第一运动单元和第二运动单元均包括安装架，安装在所述安装架上的移动机构，以及分别安装在安装架的相对的两侧面上的夹紧移动机构和铺平机构。本发明还涉及一种管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统和一种管桁架焊缝表面质量检测机器人控制方法。本发明提高了管桁架焊缝表面质量检测过程中的自动化程度。

Description

管桁架焊缝表面质量检测机器人及其控制系统、方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种管桁架焊缝表面质量检测机器人。

背景技术

钢结构管桁架因结构稳定、易于构建、重量小、节约成本等优点，在建筑领域有广泛的应用。管桁架的焊接质量对其性能和寿命有着至关重要的影响，工程中需进行焊接质量检测。管桁架空间结构复杂，焊缝检测作业点离地间距大，人工操作危险且不便。因此，应用图像处理技术识别焊缝表面的缺陷，将人类从中解脱出来，是一项机具现实意义和应用前景的工作。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中的至少一个技术问题，提供一种管桁架焊缝表面质量检测机器人及其控制系统、方法。

为实现上述目的，本发明提供一种管桁架焊缝表面质量检测机器人，包括：第一运动单元和与所述第一运动单元铰接的第二运动单元，以及安装在所述第一运动单元和所述第二运动单元之间用于驱动所述第一运动单元和所述第二运动单元进行翻转运动的第一驱动器；

所述第一运动单元和所述第二运动单元均包括安装架，安装在所述安装架上的移动机构，以及分别安装在所述安装架的相对的两侧面上的夹紧移动机构和铺平机构；

所述移动机构包括与管体的一侧抵接并可往复移动的行走轮；

所述夹紧移动机构包括用于夹紧管体的夹紧结构和转动连接在所述夹紧结构的自由端用于抵接管体的另一侧并可配合所述行走轮的移动而移动的从动结构。

根据本发明的一个方面，所述夹紧结构包括两个相对设置的弧形夹板和设置在所述弧形夹板端部用于驱动两个所述弧形夹板张开角度和所述从动结构转动角度的第二驱动器。

根据本发明的一个方面，所述从动结构包括安装座，所述安装座的一端两侧设置两个安装耳，所述安装耳与所述夹紧结构的端部转动连接；所述从动结构还包括：

a.安装在所述安装座上的两个牛眼轮，或，

b.安装在所述安装座上的一个牛眼轮。

根据本发明的一个方面，所述铺平机构包括分别设置在所述第一运动单元和所述第二运动单元的安装架上用于控制所述行走轮垂直于管体中心轴线的两个第三驱动器。

根据本发明的一个方面，还包括设置在所述第一运动单元和/或第二运动单元的安装架的端部的图像采集机构。

根据本发明的一个方面，所述图像采集机构包括安装在所述安装架上的底座，通过安装端可在水平方向转动地支承在所述底座上的机架，支承在所述机架的安装端上用于驱动所述机架在所述底座上转动的第四驱动器，可在竖直方向转动地安装在所述机架的自由端的摄像头，以及与所述摄像头连接用于驱动所述摄像头转动的第五驱动器。

根据本发明的一个方面，所述移动机构还包括支承在所述安装架上用于安装所述行走轮的定位架，以及安装在所述定位架上的驱动电机。

根据本发明的一个方面，所述安装架由顶板、底板以及支承在所述顶板和所述底板之间的多根铜柱构成。

根据本发明的一个方面，所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器和第五驱动器为双轴旋转关节电机。

根据本发明的一个方案，根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人的两个运动单元实际上是由基本沿着中心对称布置的结构，通过两个运动单元中间的铰接以及驱动器的设置，可以在上述第一驱动器的驱动下对两个运动单元分别进行翻转控制，例如当需要两个运动单元运动至与当前管体垂直的或者交叉的管体上时，即可通过第一驱动器驱动其中一个运动单元翻转后抓接到此管体上，然后松开另一个运动单元翻转一定角度，抓接到管体上的运动单元移动一段距离后，再将另一个运动单元转接到该管体上，实现自由智能的爬行，由此可知，该运动灵活智能，不需要人工干涉。

根据本发明的一个方案，夹紧结构包括两个相对设置的弧形夹板和设置在弧形夹板端部用于驱动两个弧形夹板张开角度和从动结构转动角度的第二驱动器。如此设置，本发明的夹紧结构可以根据管桁架上钢管的直径大小调整弧形夹板的张开角度，以实现面对不同直径的钢管管体均可以进行爬行检测，适用性强。

根据本发明的一个方案，从动结构包括安装座，安装座的一端两侧设置两个安装耳，安装耳与夹紧结构的端部转动连接；从动结构还包括安装在安装座上的两个牛眼轮。如此设置，通过第二驱动器的控制，可以使得两个弧形夹板可以紧紧地抓接在钢管上，然后再控制从动结构的转动，使得牛眼轮可以抵接在钢管上，如此实现了机器人在钢管上的稳定抓接和爬行，使得检测过程稳定不会脱落，保证检测质量和检测效率。

根据本发明的一个方案，铺平机构包括分别设置在第一运动单元和第二运动单元的安装架上用于控制行走轮垂直于管体中心轴线的两个第三驱动器。如此设置，可以使得机器人在钢管上检测的过程运行平稳，始终保持与钢管的平行度，使得检测精准，减少误差。

根据本发明的一个方案，图像采集机构包括安装在安装架上的底座，通过安装端可在水平方向转动地支承在底座上的机架，支承在机架的安装端上用于驱动机架在底座上转动的第四驱动器，可在竖直方向转动地安装在机架的自由端的摄像头，以及与摄像头连接用于驱动摄像头转动的第五驱动器。如此设置，可以使得摄像头能够实现全方位多角度的拍摄，使得检测焊缝的过程无死角，能够全面了解钢管焊缝的详细情况，保证检测精准度。

根据本发明的一个方案，安装架由顶板、底板以及支承在顶板和底板之间的多根铜柱构成。由此可知，安装架是一个矩形框架结构，如此设置，能够有效减小机器人的体积，同时减轻重量，使得机器人在管体上爬行时轻便自由，不会因为自身重量过重导致滑体甚至脱落，保证检测精度。

本发明还提供一种管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统，其特征在于，包括：控制器，连接控制直流电机或减速电机、旋转关节电机、测距传感器、角度传感器和压力传感器；

直流电机或减速电机数量为偶数，均等安装在两个运动单元中，用于控制夹持、行走；

旋转关节电机数量为奇数，用于控制转向、翻转；

测距传感器、角度传感器和压力传感器的数量均为偶数，都均等安装在两个运动单元中。

根据本发明的一个方案，直流电机或减速电机，采用PWM的方式进行控制；分为夹持电机和行走电机，其中夹持电机的数量是行走电机数量的两倍。

根据本发明的一个方案，控制器还连接控制有视觉模块，视觉模块安装在云台上，云台中有云台旋转关节电机由控制器连接控制。

根据本发明的一个方案，控制器还通信连接有遥控模块。

根据本发明的一个方案，旋转关节电机包含转向旋转关节电机和翻转旋转关节电机，翻转旋转关节电机为一个。

本发明又提供一种管桁架焊缝表面质量检测机器人控制方法，包括如下步骤：

①扫描接口：以轮询的方式等待外部指令输入；

②接受指令：接收到外部指令后，检查外部指令格式；

③行动判断：基于外部指令中的指令文本，依次判断是否行走指令、夹持指令、翻转指令、云台指令，判断为是则执行指令并返回至步骤①，判断均为否则直接返回至步骤①。

根据本发明的一个方案，所述步骤③中：

行走指令包括方向和速度，其中方向以控制旋转关节电机实现、速度以控制电机实现；

夹持指令包括夹紧压力和夹紧速度，以夹紧动作函数和张开动作函数择一实现控制；

翻转指令包括方向和速度，其中方向和速度均以控制旋转关节电机实现；

云台指令包括角度，以控制旋转关节电机实现。

根据本发明的方案，本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人提高了检测过程中的自动化程度，避免了人工检测易出现的错检、漏检等问题，提高了检测效率。同时，机器人可以适应各种不同的管桁架工况，在各种结构的管体上均可以自由爬行，同时爬行稳定牢靠，能够保证检测焊缝的过程平稳精确，检测范围大且准确，不需要进行复查。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的管桁架焊缝表面质量检测机器人的立体图；

图2为机器人在两个相互垂直的钢管上运动过程图；

图3为机器人在十字交叉的钢管上运动过程图；

图4表示根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人适应管径变化的示意图；

图5示意性表示根据本发明的一种实施方式的图像采集机构的立体图；

图6示意性表示根据本发明的一种实施方式的移动机构结构图；

图7示意性表示根据本发明的一种实施方式的电路连接原理框图；

图8示意性表示根据本发明的一种实施方式的处理流程示意图；

图9示意性表示根据本发明的另一种实施方式的管桁架焊缝表面质量检测机器人的立体图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的管桁架焊缝表面质量检测机器人的立体图。如图1所示，根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人，包括：第一运动单元1和与第一运动单元1铰接的第二运动单元2，以及安装在第一运动单元1和第二运动单元2之间用于驱动第一运动单元1和第二运动单元2进行翻转运动的第一驱动器3。如图1所示，在本实施方式中，第一运动单元1和第二运动单元2均包括安装架A，安装在安装架A上的移动机构B，以及分别安装在安装架A的相对的两侧面(图中上下两侧面)的夹紧移动机构C和铺平机构D。移动机构B包括与管体的一侧抵接并可往复移动的行走轮B1，夹紧移动机构C包括用于夹紧管体的夹紧结构C1和转动连接在夹紧结构C1的自由端用于抵接管体的另一侧并可配合行走轮B1的移动而移动的从动结构C2。

由以上设置可知，根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人的两个运动单元实际上是由基本沿着中心对称布置的结构，通过两个运动单元中间的铰接以及驱动器的设置，可以在上述第一驱动器的驱动下对两个运动单元分别进行翻转控制，例如当需要两个运动单元运动至与当前管体垂直的或者交叉的管体上时，即可通过第一驱动器驱动其中一个运动单元翻转后抓接到此管体上，然后松开另一个运动单元翻转一定角度，移动一段距离后，再将另一个运动单元转接到该管体上，实现自由智能的爬行，由此可知，该运动灵活智能，不需要人工干涉，具体实现过程如图2和图3所示，图2为机器人在两个相互垂直的钢管上运动过程图，图3为机器人在十字交叉的钢管上运动过程图。

进一步地，如图1所示，在本实施方式中，夹紧结构C1包括两个相对设置的弧形夹板C11和设置在弧形夹板C11端部用于驱动两个弧形夹板C11张开角度和从动结构C2转动角度的第二驱动器C12。图4示意性表示根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人适应管径变化的示意图，如图4示，根据上述设置，本发明的夹紧结构C1可以根据管桁架上钢管的直径大小调整弧形夹板C11的张开角度，以实现面对不同直径的钢管管体均可以进行爬行检测，适用性强。

进一步地，如图1所示，在本实施方式中，从动结构C2包括安装座C21，安装座C21的一端两侧(图1中上端左右两侧)设置两个安装耳C211，安装耳C211与夹紧结构C1的端部(图中下端)转动连接；从动结构C2还包括安装在安装座C21上的两个牛眼轮C22。如此设置，通过第二驱动器C12的控制，可以使得两个弧形夹板C11可以紧紧地抓接在钢管上，然后再控制从动结构C2的转动，使得牛眼轮可以抵接在钢管上，如此实现了机器人在钢管上的稳定抓接和爬行，使得检测过程稳定不会脱落，保证检测质量和检测效率。作为本实施方式中牛眼轮C22的另一特例，如图9所示，从动结构C2还包括安装在安装座C21上的一个牛眼轮C22，该牛眼轮C22倾斜向上。

一般的，第二驱动器C12可采用舵机(含驱动器和电机)，亦可采用电机直驱，图1示意性给出了采用舵机的方案，而图9示意性给出了采用电机直驱的方案。容易理解的，基于第二驱动器C12实现的功能，两种方式可统称为旋转关节电机。

进一步地，如图1所示，在本实施方式中，铺平机构D包括分别设置在第一运动单元1和第二运动单元2的安装架A上用于控制行走轮B1垂直于管体中心轴线的两个第三驱动器D1。如此设置，可以使得机器人在钢管上检测的过程运行平稳，始终保持与钢管的平行度，使得检测精准，减少误差。

进一步地，如图1所示，在本实施方式中，管桁架焊缝表面质量检测机器人，还包括：设置在第一运动单元1的安装架A的端部的图像采集机构E。当然，在本发明中，图像采集机构E可以设置在第一运动单元1和/或第二运动单元2的安装架A上，具体可以根据需求进行设置。如此设置，可以通过图像采集机构E对管体上的焊缝表面进行实时智能拍摄，在本实施方式中，图像采集机构E可自带4G(5G)或者wifi网络功能实现通讯，例如通过手机APP控制摄像头采集焊缝图像，采集到的图像实时传送到指定的云计算平台，云计算平台对图片进行预处理、分割、特征提取、缺陷分类，将结果反馈给机器人，机器人记录有缺陷焊缝的位置，焊工根据机器人提供缺陷焊缝的类型与位置对焊缝进行修复工作。

进一步地，图5示意性表示根据本发明的一种实施方式的图像采集机构的立体图。如图5所示，在本实施方式中，图像采集机构E包括安装在安装架A上的底座E1，通过安装端(图中下端)可在水平方向转动地支承在底座E1上的机架E2，支承在机架E2的安装端上用于驱动机架E2在底座E1上转动的第四驱动器E3，可在竖直方向转动地安装在机架E2的自由端的摄像头E4，以及与摄像头E4连接用于驱动摄像头E4转动的第五驱动器E5。如此设置，可以使得摄像头E4能够实现全方位多角度的拍摄，使得检测焊缝的过程无死角，能够全面了解钢管焊缝的详细情况，保证检测精准度。

进一步地，图6示意性表示根据本发明的一种实施方式的移动机构结构图。如图6所示，在本实施方式中，移动机构B还包括支承在安装架A上用于安装行走轮B1的定位架B2，以及安装在定位架B2上的驱动电机B3。如此设置，可以使得行走轮B1稳定地支承在安装架A上，通过驱动电机B3的驱动，使得行走轮B1可以在管体上稳定的运动。

在本实施方式中，安装架A由顶板A1、底板A2以及支承在顶板A1和底板A2之间的多根铜柱A3构成。由此可知，安装架A是一个矩形框架结构，如此设置，能够有效减小机器人的体积，同时减轻重量，使得机器人在管体上爬行时轻便自由，不会因为自身重量过重导致滑体甚至脱落，保证检测精度。

此外，如上设置，在本实施方式中，第一驱动器3、第二驱动器C12、第三驱动器D1、第四驱动器E3和第五驱动器E5为双轴旋转关节电机。这样可以通过旋转关节电机实时有效地控制机器人的各部分运动，保证稳定智能地运动，保证各部分的运动配合精确有效。

图7示意性表示根据本发明的一种实施方式的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统的连接示意图。如图7所示，根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统包括：控制器，连接控制直流电机或减速电机、旋转关节电机、测距传感器、角度传感器和压力传感器；

直流电机或减速电机数量为偶数，均等安装在两个运动单元中，用于控制夹持、行走；

旋转关节电机数量为奇数，用于控制转向、翻转；

测距传感器、角度传感器和压力传感器的数量均为偶数，都均等安装在两个运动单元中。

进一步地，直流电机或减速电机，采用PWM的方式进行控制；分为夹持电机和行走电机，其中夹持电机的数量是行走电机数量的两倍。

进一步地，控制器还连接控制有视觉模块，视觉模块安装在云台上，云台中有云台旋转关节电机由控制器连接控制。

进一步地，控制器还通信连接有遥控模块。

进一步地，旋转关节电机包含转向旋转关节电机和翻转旋转关节电机，翻转旋转关节电机为一个。

作为一种被实践的实施方式，控制器的引脚分配及连接方式如表1所示。

表1控制器引脚分配

图8示意性表示根据本发明的一种实施方式的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制方法的流程示意图。如图8所示，根据本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制方法，包括如下步骤：

①扫描接口：以轮询的方式等待外部指令输入；

②接受指令：接收到外部指令后，检查外部指令格式；

③行动判断：基于外部指令中的指令文本，依次判断是否行走指令、夹持指令、翻转指令、云台指令，判断为是则执行指令并返回至步骤①，判断均为否则直接返回至步骤①。

进一步地，步骤③中：

行走指令包括方向和速度，其中方向以控制旋转关节电机实现、速度以控制电机实现；

夹持指令包括夹紧压力和夹紧速度，以夹紧动作函数和张开动作函数择一实现控制；

翻转指令包括方向和速度，其中方向和速度均以控制旋转关节电机实现；

云台指令包括角度，以控制旋转关节电机实现。

根据本发明的上述方案，本发明的管桁架焊缝表面质量检测机器人提高了检测过程中的自动化程度，避免了人工检测易出现的错检、漏检等问题，提高了检测效率。同时，机器人可以适应各种不同的管桁架工况，在各种结构的管体上均可以自由爬行，同时爬行稳定牢靠，能够保证检测焊缝的过程平稳精确，检测范围大且准确，不需要进行复查。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.管桁架焊缝表面质量检测机器人，其特征在于，包括：第一运动单元(1)和与所述第一运动单元(1)铰接的第二运动单元(2)，以及安装在所述第一运动单元(1)和所述第二运动单元(2)之间用于驱动所述第一运动单元(1)和所述第二运动单元(2)进行翻转运动的第一驱动器(3)；

所述第一运动单元(1)和所述第二运动单元(2)均包括安装架(A)，安装在所述安装架(A)上的移动机构(B)，以及分别安装在所述安装架(A)的相对的两侧面上的夹紧移动机构(C)和铺平机构(D)；

所述移动机构(B)包括与管体的一侧抵接并可往复移动的行走轮(B1)；

所述夹紧移动机构(C)包括用于夹紧管体的夹紧结构(C1)和转动连接在所述夹紧结构(C1)的自由端用于抵接管体的另一侧并可配合所述行走轮(B1)的移动而移动的从动结构(C2)。

2.根据权利要求1所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人，其特征在于，所述夹紧结构(C1)包括两个相对设置的弧形夹板(C11)和设置在所述弧形夹板(C11)端部用于驱动两个所述弧形夹板(C11)张开角度和所述从动结构(C2)转动角度的第二驱动器(C12)。

3.根据权利要求2所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人，其特征在于，所述从动结构(C2)包括安装座(C21)，所述安装座(C21)的一端两侧设置两个安装耳(C211)，所述安装耳(C211)与所述夹紧结构(C1)的端部转动连接；所述从动结构(C2)还包括：

a.安装在所述安装座(C21)上的两个牛眼轮(C22)，或，

b.安装在所述安装座(C21)上的一个牛眼轮(C22)。

4.根据权利要求3所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人，其特征在于，所述铺平机构(D)包括分别设置在所述第一运动单元(1)和所述第二运动单元(2)的安装架(A)上用于控制所述行走轮(B1)垂直于管体中心轴线的两个第三驱动器(D1)；还包括设置在所述第一运动单元(1)和/或第二运动单元(2)的安装架(A)的端部的图像采集机构(E)。

5.根据权利要求4所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人，其特征在于，所述图像采集机构(E)包括安装在所述安装架(A)上的底座(E1)，通过安装端可在水平方向转动地支承在所述底座(E1)上的机架(E2)，支承在所述机架(E2)的安装端上用于驱动所述机架(E2)在所述底座(E1)上转动的第四驱动器(E3)，可在竖直方向转动地安装在所述机架(E2)的自由端的摄像头(E4)，以及与所述摄像头(E4)连接用于驱动所述摄像头(E4)转动的第五驱动器(E5)；

所述移动机构(B)还包括支承在所述安装架(A)上用于安装所述行走轮(B1)的定位架(B2)，以及安装在所述定位架(B2)上的驱动电机(B3)；

安装架(A)由顶板(A1)、底板(A2)以及支承在所述顶板(A1)和所述底板(A2)之间的多根铜柱(A3)构成；

第一驱动器(3)、第二驱动器(C12)、第三驱动器(D1)、第四驱动器(E3)和第五驱动器(E5)为双轴旋转关节电机。

6.一种管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统，其特征在于，包括：控制器，连接控制直流电机或减速电机、旋转关节电机、测距传感器、角度传感器和压力传感器；

直流电机或减速电机数量为偶数，均等安装在两个运动单元中，用于控制夹持、行走；

旋转关节电机数量为奇数，用于控制转向、翻转；

测距传感器、角度传感器和压力传感器的数量均为偶数，都均等安装在两个运动单元中。

7.根据权利要求6所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统，其特征在于，所述直流电机或减速电机，采用PWM的方式进行控制；直流电机或减速电机分为夹持电机和行走电机，其中夹持电机的数量是行走电机数量的两倍；所述旋转关节电机包含转向旋转关节电机和翻转旋转关节电机，翻转旋转关节电机为一个。

8.根据权利要求6所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制系统，其特征在于，所述控制器还连接控制有视觉模块，视觉模块安装在云台上，云台中有云台旋转关节电机由控制器连接控制；所述控制器还通信连接有遥控模块。

9.一种管桁架焊缝表面质量检测机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

①扫描接口：以轮询的方式等待外部指令输入；

②接受指令：接收到外部指令后，检查外部指令格式；

③行动判断：基于外部指令中的指令文本，依次判断是否行走指令、夹持指令、翻转指令、云台指令，判断为是则执行指令并返回至步骤①，判断均为否则直接返回至步骤①。

10.根据权利要求9所述的管桁架焊缝表面质量检测机器人控制方法，其特征在于，所述步骤③中：

行走指令包括方向和速度，其中方向以控制旋转关节电机实现、速度以控制电机实现；

夹持指令包括夹紧压力和夹紧速度，以夹紧动作函数和张开动作函数择一实现控制；

翻转指令包括方向和速度，其中方向和速度均以控制旋转关节电机实现；

云台指令包括角度，以控制旋转关节电机实现。

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