楊東宇，孫振國,，姜 萍，于傲然

（1. 清華大學(xué)天津高端裝備研究院， 天津 300304；2. 清華大學(xué)機(jī)械工程系， 北京 100084）

0 引言

球罐和大型加氫反應(yīng)器等石油化工裝備都屬于特種設(shè)備，這類設(shè)備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、安全性能要求高等特點(diǎn)，使用過程中常用于存放化工產(chǎn)品和原料，通常需要承壓工作，存在較大安全隱患[1]。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在設(shè)備的制造和使用過程中，都需要對(duì)母材和焊縫進(jìn)行探傷檢測，檢查其內(nèi)部是否存在未焊透、未融合、裂紋、夾雜、氣孔等缺陷[2]。目前此類特種設(shè)備的探傷檢測都采用人工操作方式，其檢測流程復(fù)雜、危險(xiǎn)性高且效率低下，特別是有些檢測現(xiàn)場還可能存在有害氣體污染，工作條件極其艱苦，屬于高危作業(yè)。

承壓設(shè)備常使用的檢測方式有射線檢測、超聲檢測、衍射時(shí)差法超聲檢測等，其中，超聲檢測和衍射時(shí)差法超聲檢測應(yīng)用最廣泛，具有儀器成本較低，穿透能力強(qiáng)，檢出率高等特點(diǎn)[3]。在實(shí)際作業(yè)中，人工手持掃查器，將探頭貼合在受檢工件表面，在接觸面涂抹耦合液，保證探頭能夠良好接觸，緩慢移動(dòng)探頭，同時(shí)觀察探傷儀屏幕顯示的檢測結(jié)果，判斷受檢工件是否存在缺陷，人工探傷作業(yè)如圖1所示。檢測過程中，需要同時(shí)兼顧多種操作，對(duì)操作人員要求較高，檢測效率低下。在操作人員進(jìn)行仰面檢測、高空檢測等作業(yè)任務(wù)時(shí)，操作過程極易產(chǎn)生危險(xiǎn)，造成不良后果[4]。

圖1 人工探傷作業(yè)

針對(duì)上述特種設(shè)備檢測中存在的諸多問題，亟需提高大型壓力容器無損檢測的自動(dòng)化和智能檢測水平，研制替代操作人員的自動(dòng)化檢測機(jī)器人。本研究設(shè)計(jì)了一款替代人工進(jìn)行檢測作業(yè)的永磁爬壁探傷機(jī)器人，該永磁爬壁探傷機(jī)器人搭載探傷儀器，可有效降低探傷檢測的操作風(fēng)險(xiǎn)，提高檢測作業(yè)效率。

1 爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

球罐和大型加氫反應(yīng)器等特種設(shè)備一般為鋼制材料，具有導(dǎo)磁性，公稱厚度較大，且表面較為粗糙[4-6]。根據(jù)被測工件的特殊性，本設(shè)計(jì)選用永磁吸附式爬壁機(jī)器人作為載體，搭載探傷檢測設(shè)備，對(duì)工件進(jìn)行無損探傷檢測作業(yè)[7]。

爬壁探傷機(jī)器人由移動(dòng)平臺(tái)、掃查架、控制盒和永磁吸附體4 部分構(gòu)成。移動(dòng)平臺(tái)外形尺寸為300 mm×300 mm×200 mm，負(fù)載10 kg，采用2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪差動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，以及一個(gè)帶永磁吸附的萬向輪作為輔助支撐輪實(shí)現(xiàn)與工件的穩(wěn)定接觸。3個(gè)永磁吸附體呈等邊三角形布置，具有較高穩(wěn)定性，保證移動(dòng)平臺(tái)不從工件上脫落、傾覆，保證驅(qū)動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生打滑，以實(shí)現(xiàn)爬壁探傷機(jī)器人能夠在受檢工件上穩(wěn)定安全作業(yè)。吸附體可根據(jù)工件的曲率半徑大小，通過螺母調(diào)節(jié)角度和高度，保證永磁吸附體可以與工件保持均勻氣隙，以提供可靠吸附力。爬壁機(jī)器人的控制盒采用背負(fù)方式，控制盒包含運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和探傷檢測儀器。安裝超聲探頭的掃查器安裝在機(jī)器人的前端，隨著機(jī)器人在受檢工件上移動(dòng)，探頭可以不斷采集受檢工件探傷數(shù)據(jù)。爬壁探傷機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 爬壁探傷機(jī)器人

為實(shí)現(xiàn)對(duì)特種設(shè)備的自動(dòng)檢測，爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)是關(guān)鍵所在。本設(shè)計(jì)根據(jù)爬壁探傷機(jī)器人所要達(dá)到的要求，著重介紹爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

2 爬壁機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)可以分為機(jī)器人控制單元和操作臺(tái)單元兩部分。其中機(jī)器人控制單元為下位機(jī)，負(fù)責(zé)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制和探傷信號(hào)采集，選用開源硬件BeagleBone Black嵌入式單板計(jì)算機(jī)作為主控制器，通過UART 端口將運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，通過IO 口控制超聲板卡拾取探傷數(shù)據(jù)，通過USB讀取攝像頭獲取到的周圍環(huán)境圖像。

BeagleBone Black 是德州儀器開發(fā)的一套基于ARMCor?tex-A8 的低成本的AM335X 開源硬件，采用工業(yè)級(jí)的MPU，在圖像、圖形處理、外設(shè)和諸如EtherCAT 和PROFIBUS 的工業(yè)接口方面進(jìn)行了增強(qiáng)，主頻高達(dá)1 GHz，相比于市面上主流的微處理器，主頻高、性能優(yōu)良、接口豐富，便于維護(hù)升級(jí)[8]。

操作臺(tái)單元采用嵌入式工控機(jī)GK3000作為上位機(jī)，工業(yè)搖桿作為爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信號(hào)的輸入端，顯示屏用來顯示人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)反饋探傷數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。工控機(jī)GK3000搭載Intel酷睿i3處理器，2 G內(nèi)存，60 G固態(tài)硬盤，具有豐富的外圍擴(kuò)展接口，采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，功耗低、運(yùn)行穩(wěn)定性高、體積小巧、重量輕，便于工程現(xiàn)場使用。操作臺(tái)配備計(jì)量泵，用于給探頭供給耦合液，使探頭與受檢工件可以良好接觸，以保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定拾取探傷數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制信號(hào)穩(wěn)定、有效地傳遞，機(jī)器人控制單元與操作臺(tái)單元通過有線局域網(wǎng)傳遞信號(hào)，機(jī)器人攜帶拖纜。爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

3 爬壁機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

開源機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）是面向機(jī)器人的開源后操作系統(tǒng)，提供了類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，如底層設(shè)備控制、進(jìn)程間消息傳遞和程序包管理等，還提供了相關(guān)開發(fā)工具和庫，方便獲取、編譯代碼，以及在多個(gè)控制器之間運(yùn)行程序進(jìn)行分布式計(jì)算[9-10]。

ROS 本質(zhì)上是一種分布式機(jī)器人軟件框架，采用當(dāng)前流行的面向服務(wù)的軟件技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將節(jié)點(diǎn)（node）間數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)，以便輕松集成不同功能的代碼，節(jié)點(diǎn)封裝在數(shù)據(jù)包中，從而使在不同的機(jī)器人上無需做過多改動(dòng)就能重用成熟代碼，具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)、精簡、集成和開源的特點(diǎn)[11-12]。

在主控制器BeagleBone Black 和工控機(jī)上均安裝LinuxU?buntu操作系統(tǒng)和Kinetic版本的ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)。在Bea?gleBone Black 和工控機(jī)上運(yùn)行不同的控制節(jié)點(diǎn)node，機(jī)器人節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4 所示，不同節(jié)點(diǎn)間通過UDP 通信方式實(shí)現(xiàn)雙機(jī)數(shù)據(jù)交換?？刂七^程分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種模式。

圖4 機(jī)器人節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

手動(dòng)控制模式時(shí)，搖桿控制節(jié)點(diǎn)（joy_node）采集到搖桿按鍵和軸的數(shù)據(jù)信息，并向teleop_joy 節(jié)點(diǎn)發(fā)布主題。經(jīng)由teleop_joy 節(jié)點(diǎn)將輸入的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息。move_base 節(jié)點(diǎn)訂閱teleop_joy 節(jié)點(diǎn)發(fā)布的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，進(jìn)而控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

自動(dòng)控制模式時(shí)，通過攝像頭節(jié)點(diǎn)（cam_node）提取采集的圖像數(shù)據(jù)信息，利用ROS 平臺(tái)下的cv_bridge功能包可以將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過image_view 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行顯示。同時(shí)visual_tracking節(jié)點(diǎn)訂閱cam_node發(fā)布的圖像數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，再由move_base節(jié)點(diǎn)將運(yùn)動(dòng)參數(shù)轉(zhuǎn)化成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。操作人員在人機(jī)交互界面設(shè)置的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)，通過ui_node節(jié)點(diǎn)發(fā)布給visu?al_tracking節(jié)點(diǎn)，經(jīng)進(jìn)一步處理后，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

針對(duì)檢測作業(yè)任務(wù)的具體需求， 和國家標(biāo)準(zhǔn)NBT 47013.10-2015 承壓設(shè)備無損檢測——衍射時(shí)差法超聲檢測，設(shè)計(jì)出爬壁探傷機(jī)器人控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面，人機(jī)交互界面如圖5 所示。界面左側(cè)上部分顯示A-Scan 波形，左側(cè)下部分顯示D-Scan圖像，右側(cè)上部分為探傷參數(shù)的設(shè)置區(qū)域，右側(cè)下部分為攝像頭采集的圖像信息和跟蹤焊縫的情況。探傷操作人員根據(jù)工件實(shí)際情況設(shè)置探傷參數(shù)，然后根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的A-Scan波形和D-Scan圖像判斷工件是否存在內(nèi)部缺陷。

圖5 人機(jī)交互界面

4 試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證爬壁機(jī)器人的技術(shù)可行性，在曲率半徑為8.5 m，厚度為20 mm，材料為Q345R 的球殼板上進(jìn)行了機(jī)器人全位置作業(yè)和曲面自適應(yīng)性能測試，測試內(nèi)容包括機(jī)器人平動(dòng)、轉(zhuǎn)向、焊縫跟蹤等，受檢工件參數(shù)如表1所示，爬壁機(jī)器人現(xiàn)場試驗(yàn)如圖6所示。全位置作業(yè)測試結(jié)果表明，研制的爬壁機(jī)器人不僅能夠穩(wěn)定可靠吸附于工件曲面進(jìn)行焊縫探傷作業(yè)，未出現(xiàn)傾覆、脫落、滑移等現(xiàn)象，而且能夠良好適應(yīng)曲面曲率變化并靈活運(yùn)動(dòng)，證明了該爬壁機(jī)器人技術(shù)的可行性和較好的工程應(yīng)用前景。

表1 受檢工件參數(shù)

圖6 爬壁機(jī)器人現(xiàn)場試驗(yàn)

5 結(jié)束語

本研究利用開源機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）設(shè)計(jì)了一種永磁吸附式爬壁探傷機(jī)器人控制系統(tǒng)方案，詳細(xì)闡述了軟硬件的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與實(shí)現(xiàn)方式。機(jī)器人使用嵌入式開源硬件Beagle?Bone Black作為開發(fā)平臺(tái)，同時(shí)將嵌入式系統(tǒng)融入其中，具有低成本、高性能、易擴(kuò)展等特點(diǎn)。分析結(jié)果表明：

（1）提出并研制了一種爬壁探傷機(jī)器人，通過持載相應(yīng)檢測儀器，能夠在大曲率的壓力容器曲面上完成探傷檢測等作業(yè)任務(wù)；

（2）在吸附力可保證機(jī)器人全位置作業(yè)的條件下，掃查結(jié)構(gòu)具有良好的曲面自適應(yīng)能力；

（3）在球殼板上進(jìn)行了焊縫探傷實(shí)驗(yàn)，證明了本文提出的爬壁探傷機(jī)器人的技術(shù)可行性和工程實(shí)用性。