油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第26卷第5期 2004年9月文章編號(hào):1002-0446(2004)05-0385-06機(jī)器人ROBOTVol.26,No.5Sept.,2004油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)田蘭圖,楊向東,趙建東,賴慶文,陳懇(北京清華大學(xué)精儀系制造所,北京100084)X摘 要:研究智能爬壁機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)及其系統(tǒng),提出了機(jī)器人在大型垂直罐壁移動(dòng)作業(yè)的路徑規(guī)劃方法,并分析了抗傾覆機(jī)構(gòu)的作用,設(shè)計(jì)給出了機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng).系統(tǒng)以磁吸附爬壁機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)載體,采用非接觸式無(wú)損檢測(cè)技術(shù),并配備多種傳感器,具備較高的智能化水平.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠、定位精度高,大幅度提高了檢測(cè)

2、效率.關(guān)鍵詞:爬壁機(jī)器人;無(wú)損檢測(cè);抗傾覆機(jī)構(gòu);姿態(tài)控制中圖分類號(hào): TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: BStructureandControlSystemDesignofaWallClimbingRobotforOilcanTestingTIANLan-tu,YANGXiang-dong,ZHAOJian-dong,LAIQing-wen,CHENKen(InstituteofManufacturingEngineering,DepartmentofPrecisionInstrumentsandMechanology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abs

3、tract:Thetestingtechnologyandthesystemofintelligentwallclimbingrobotarestudiedinthispaper.Apathplanningmethodformotiononverticalwallsispresented,thefunctionoftheant-iupsetdeviceisanalyzed,andthegeneralstructureandcontrolsystemisdesigned.Itsmainbodyisawallclimbingrobotusingpermanentmagnetictracks.Ano

4、n-contactNDT(non-destructivetesting)technologyandvarioussensorsareappliedtothisrobot,whichgiveithighintell-igence.Fieldexperimentsindicatethattheequipmentisinhighlyautomaticlevel.Itcanmovestably,hasahighlocaliza-tionprecision,andgreatlyimprovestheefficiencyofoilcantesting.Keywords:wallclimbingrobot;

5、non-destructivetesting(NDT);ant-iupsetdevice;attitudecontrol1 引言(Introduction)油罐是石化企業(yè)中最常見(jiàn)的儲(chǔ)存設(shè)備,由于壓力的作用以及雨水和油品的侵蝕,罐壁可能產(chǎn)生凹坑、裂紋、內(nèi)部孔洞等缺陷,這些缺陷不僅會(huì)造成油品泄漏,甚至可能引起火災(zāi),因此必須定期進(jìn)行檢測(cè).目前,對(duì)油罐的檢測(cè)均由人工實(shí)現(xiàn),需搭建腳手架,效率很低且危險(xiǎn)性高.隨著石化工業(yè)的迅速發(fā)展,企業(yè)對(duì)檢測(cè)技術(shù)的要求也越來(lái)越高,研制自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備勢(shì)在必行.鑒于油罐檢測(cè)任務(wù)的特點(diǎn),自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要著重解決如下一些關(guān)鍵技術(shù):(1)研制可靠的運(yùn)動(dòng)載體,能夠按照預(yù)先設(shè)定的路徑攜

6、帶檢測(cè)探頭遍歷整個(gè)油罐內(nèi)表面,并保證一定的精度;(2)系統(tǒng)體積小、安裝調(diào)試方便、易于操縱、檢測(cè)效率高、定位精度高;(3)采用的檢測(cè)方法不能對(duì)油罐壁造成損傷,且適合于對(duì)金屬平面作高速自動(dòng)掃查.清華大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室研制的大型油罐自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)TH-ClimberÑ以磁吸附爬壁機(jī)器人為載體,將渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于油罐檢測(cè),很好地解決了這一問(wèn)題.與常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備相比,該系統(tǒng)引入了配有多傳感器系統(tǒng)的智能機(jī)器人,在檢測(cè)靈活性和可靠性上有不可比擬的優(yōu)勢(shì);此外,采用渦流檢測(cè)技術(shù)能夠在檢測(cè)探頭不與油罐壁面直接接觸的情況下,對(duì)表面或近表面缺陷進(jìn)行探測(cè),從而為探頭的高速運(yùn)動(dòng)提供了可靠保障.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

7、表明,該系統(tǒng)智能化程度高,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠,大大提高了油罐檢測(cè)的效率.386 機(jī) 器 人2004年9月2 總體結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件(Generalstructureandkeycomponents)2.1總體方案與機(jī)械結(jié)構(gòu)為了對(duì)大型油罐的整個(gè)內(nèi)壁進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè),油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人應(yīng)具備3個(gè)方面的基本功能,即無(wú)損檢測(cè)、吸附和運(yùn)動(dòng).常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有磁粉檢測(cè)6、射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、渦流檢測(cè)等.在這些檢測(cè)方法中,渦流檢測(cè)不需要附加機(jī)構(gòu)和成像底片、探頭和壁面不需接觸,因而尤其適用于對(duì)平直壁面進(jìn)行連續(xù)快速掃查.爬壁機(jī)器人的吸附方式可以采用真空吸附、電磁吸附、永磁吸附、推動(dòng)力吸附等.相對(duì)于其它吸附方式,永磁吸附具

8、有吸附力大、受表面狀況影響小、系統(tǒng)意外斷電不影響吸附力等優(yōu)點(diǎn).油罐壁為鋼制材料,表面多有銹跡和油污,且高度很大,因而非常適合于應(yīng)用永磁吸附.爬壁機(jī)器人通常采用的運(yùn)動(dòng)方式1414789動(dòng)方式,也即以兩個(gè)后輪(圖中為上方兩個(gè)輪)為主驅(qū)動(dòng)輪,它們分別由一臺(tái)直流伺服電機(jī)通過(guò)諧波減速器驅(qū)動(dòng).在本體正對(duì)壁面一側(cè),裝有渦流檢測(cè)組件,該組件通過(guò)直流小電機(jī)和同步帶機(jī)構(gòu)帶動(dòng)渦流探頭在垂直于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路線的方向上往復(fù)移動(dòng),換向動(dòng)作靠繼電器和行程開關(guān)實(shí)現(xiàn).此外,為完成自動(dòng)檢測(cè)任務(wù),爬壁機(jī)器人必須具備一定的智能,這包括自動(dòng)糾正運(yùn)動(dòng)路徑的偏差、自動(dòng)識(shí)別本體所處的位置(主要是判斷本體是否運(yùn)動(dòng)至罐頂或罐底)等.為了實(shí)現(xiàn)這些功

9、能,機(jī)器人需要安裝多種傳感器,如表1所示.表1 機(jī)器人傳感器Table1傳感器傾斜計(jì)光電接近開關(guān)CMOS攝像頭廠商AGI(美國(guó))浙江洞頭臺(tái)灣百特Sensorsoftherobot作用監(jiān)測(cè)機(jī)器人姿態(tài)偏角性能描述測(cè)量范圍:?25b精度:0.01b測(cè)量距離:10cm無(wú)線傳輸紅外夜視功能判斷本體是否到達(dá)罐頂或罐底實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人工作環(huán)境有車輪式、履帶式、足腳式、框架式等.其中履帶式爬壁機(jī)器人5吸附力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、運(yùn)動(dòng)速度較快,優(yōu)點(diǎn)比較明顯,應(yīng)用最為廣泛.綜合分析油罐檢測(cè)任務(wù)的實(shí)際需要和現(xiàn)場(chǎng)條件,采用履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人,并配以渦流檢測(cè)方式是最為實(shí)際和可靠的方案.依據(jù)此總體方案所設(shè)計(jì)的機(jī)器人

10、本體結(jié)構(gòu)如圖1所示.2.2 抗傾覆機(jī)構(gòu)機(jī)器人在側(cè)壁運(yùn)動(dòng)時(shí),要跨越焊縫和一些不規(guī)則的表面凸起,很容易在重力作用下剝離壁面.為了避免這種現(xiàn)象,在機(jī)器人兩側(cè)分別安裝了一條支撐桿,如圖2(b)所示.支撐桿的末端安裝有支撐輪.這套機(jī)構(gòu)即為抗傾覆機(jī)構(gòu),其作用可以通過(guò)圖2來(lái)分析.圖中,G為機(jī)器人及其負(fù)載的總重量,M為履帶接壁段吸附力的等效集中力,f為壁面對(duì)履帶接壁段摩擦力的等效集中力,N為沒(méi)有安裝抗傾覆機(jī)構(gòu)時(shí)壁面對(duì)履帶接壁段支持力的等效集中力,R1和R2分別為安裝抗傾覆機(jī)構(gòu)以后壁面對(duì)履帶接壁段和支撐輪支持力的等效集中力,L為前后帶輪的中心距,H為機(jī)器人重心與壁面間的距離,S為后帶輪與支撐輪的中心距.為了比較

11、安裝抗傾覆機(jī)構(gòu)前后機(jī)器人所能提供的最大抗傾覆力矩,假設(shè)兩種情況均處于翻轉(zhuǎn)臨界狀態(tài),此時(shí)履帶接壁段所受壁面的支持力呈三角形分布10.顯然,圖(a)可以提供的最大抗傾覆力矩為:圖1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)Fig.1 StructureoftherobotbodyTR1max=M6(1)本體左右側(cè)各有前后兩個(gè)帶輪,分別與裝有永磁體塊的履帶嚙合,構(gòu)成運(yùn)動(dòng)部件.機(jī)器人采用后驅(qū)而對(duì)于圖(b),:TR2=R16+R第26卷第5期田蘭圖等: 油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)研究387=R1+(M-R1)+S62累積誤差比較嚴(yán)重、容易造成漏檢且不易對(duì)機(jī)器人本體和缺陷進(jìn)行定位;而上下往復(fù)式運(yùn)動(dòng)則恰好相反.應(yīng)用于油罐檢測(cè)時(shí)

12、,更重要的是能夠保證檢測(cè)和定位的精度,而不是速度,因此上下往復(fù)式相對(duì)較優(yōu).上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),相鄰路徑線之間應(yīng)錯(cuò)開約一個(gè)車寬的距離,采用圖3所示的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).圖中,初始狀態(tài)下機(jī)器人豎直向上運(yùn)動(dòng),到達(dá)罐頂時(shí),安裝在機(jī)器人頂部的光電開關(guān)感應(yīng)到罐頂,輸出高電平從而觸發(fā)自動(dòng)反向中斷,通過(guò)兩個(gè)連續(xù)的轉(zhuǎn)彎實(shí)現(xiàn)路徑線之間的橫向移動(dòng).為了保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),兩段轉(zhuǎn)彎路徑線應(yīng)該相切,一種簡(jiǎn)單的方法是用兩段相切的圓弧路徑來(lái)實(shí)現(xiàn).其中,B為機(jī)器(a) (b)人寬度,R為轉(zhuǎn)彎半徑,5為兩個(gè)轉(zhuǎn)彎過(guò)程切換時(shí)的姿態(tài)角,VL、VR分別為左右輪質(zhì)心線速度,DX和DY分別為調(diào)整過(guò)程的橫向和縱向移動(dòng)量.圖2 抗傾覆機(jī)構(gòu)分析Fig.2

13、Analysisoftheant-iupsetdevice當(dāng)機(jī)器人翻轉(zhuǎn)趨勢(shì)加劇時(shí),上述R1將減小,同時(shí)R2增大.這時(shí),根據(jù)抗傾覆機(jī)構(gòu)支撐輪與輪軸的連接方式不同可以分兩種情況來(lái)討論.(1)鉸鏈連接這種情況下,支撐輪可以自由旋轉(zhuǎn),無(wú)法為機(jī)器人本體提供阻動(dòng)摩擦力.因此R1不能小于G/L,否則機(jī)器人將沿壁面下滑,其中L為履帶表面與壁面的摩擦系數(shù).若設(shè)S=L/2,則最大抗傾覆力矩為:L 6=M+M-(2)66(2)固定連接TR2max=M-這時(shí),支撐輪不能轉(zhuǎn)動(dòng),可以提供抵抗重力作用的摩擦力,假設(shè)支撐輪與壁面之間的摩擦系數(shù)也為L(zhǎng),則無(wú)論R1、R2怎樣變化,總的摩擦力是恒定的,且總能保證機(jī)器人不下滑.當(dāng)R1

14、=0時(shí),壁面的全部支持力都作用在支撐輪上,抗傾覆力矩最大,仍設(shè)S=L/2,有:+S=ML(3)2是未加抗傾覆機(jī)構(gòu)時(shí)的6倍.此外,從上述兩種情況TR2max=M的對(duì)比我們還可以得出結(jié)論:抗傾覆機(jī)構(gòu)的支撐輪與輪軸固定連接時(shí),具有更好的抗傾覆能力.圖3 機(jī)器人的路徑規(guī)劃Fig.3 Pathplanningoftherobot整個(gè)換向動(dòng)作控制過(guò)程可以描述為:(1)機(jī)器人到達(dá)罐頂,光電開關(guān)輸出電平翻轉(zhuǎn),觸發(fā)中斷;(2)驅(qū)動(dòng)輪反向,并改變左右輪速度大小,走第一段圓弧路徑,直至偏角達(dá)到5;(3)改變兩輪速度,走第二段圓弧路徑,直到偏角為0,此時(shí)即已實(shí)現(xiàn)DX的移動(dòng)量;(4)驅(qū)動(dòng)輪反向,向上運(yùn)動(dòng)DY,補(bǔ)償上述過(guò)

15、程中縱向移動(dòng)造成的漏檢;(5)驅(qū)動(dòng)輪再次反向,退出中斷子程,機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng).若機(jī)器人到達(dá)罐底,控制過(guò)程與上述相似.3 路徑規(guī)劃(Pathplanning)路徑規(guī)劃主要是指對(duì)機(jī)器人在圓柱形油罐側(cè)壁運(yùn)動(dòng)方式的規(guī)劃.可能的路徑方案有兩種:螺旋上升式和上下往復(fù)式.對(duì)兩種方案的分析表明:螺旋上升,388 機(jī) 器 人2004年9月n2=kR=R-B/2n11+k(4)(5)4.1 硬件結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)為上下兩層體系結(jié)構(gòu),上位機(jī)采用工控機(jī),為主控計(jì)算機(jī),用于參數(shù)初始化、任務(wù)規(guī)劃和狀態(tài)監(jiān)控;下位機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制卡,負(fù)責(zé)底層的運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)采集和處理.二者通過(guò)RS232通訊,為了提高其傳輸距離,在傳輸線上配置RS23

16、2增強(qiáng)器,可以將RS232的傳輸距離提高至1km以上.所采用的運(yùn)動(dòng)控制卡具有CAN總線、RS232接口、DA、AD、步進(jìn)電機(jī)輸出、數(shù)字I/O、碼盤輸入等輸入輸出接口,為多傳感器系統(tǒng)融合的基體.系統(tǒng)的整體框圖如圖4所示.該系統(tǒng)從功能上可以分為運(yùn)動(dòng)控制單元、渦流檢測(cè)單元和攝像單元3個(gè)部分.=R(1-cos<)<=arccos1-22R 2-R-22DY=(6)式中,n1、n2為兩輪轉(zhuǎn)速,k為二者之比.由以上3式,首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論分析確定轉(zhuǎn)彎半徑以及兩輪轉(zhuǎn)速,然后由DX的限定值計(jì)算出轉(zhuǎn)角5以及縱向移動(dòng)量DY,最后編程實(shí)現(xiàn)上述的控制過(guò)程.4 控制系統(tǒng)(Controlsystem)圖4 控

17、制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardwarestructureofthecontrolsystem4.2 編程結(jié)構(gòu)下位機(jī)程序使用BALDOR公司開發(fā)的專用運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言MintMT編寫,用于實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)和姿態(tài)環(huán)的底層運(yùn)動(dòng)控制.上位機(jī)程序是在VB6.0環(huán)境下開發(fā)的GUI界面,用于發(fā)送初始參數(shù)、控制下位機(jī)程序進(jìn)程、讀取和顯示狀態(tài).開發(fā)時(shí),將調(diào)試編譯好的MintMT程序下載到控制卡的存儲(chǔ)器內(nèi),由上位機(jī)程序控制其進(jìn)程;上位機(jī)程序通過(guò)MintMT的ActiveX控件與下位機(jī)程序接口,并調(diào)用預(yù)置于控制卡中的運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)函數(shù).這一編程結(jié)構(gòu)可以用圖5來(lái)描述,它具有執(zhí)行速度快、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn).圖6所

18、示為系統(tǒng)的GUI界面.該界面可以分為上中下3個(gè)部分,其中上部和中部為狀態(tài)顯示區(qū),所顯示的信息包括機(jī)器人的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度,油罐的高度和直徑,缺陷位置坐標(biāo)等;下部為控制區(qū),通過(guò)相應(yīng)操作可以在自動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)控制模式之間測(cè)程序和保存油罐缺陷分布圖.圖5 編程結(jié)構(gòu)Fig.5 Softwarearchitecture4.3 姿態(tài)控制算法設(shè)計(jì)設(shè)本體兩輪質(zhì)心線速度分別為v1和v2,瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為R,則本體的姿態(tài)角速度可以表達(dá)為:X=<=.v1+v22R將¨式代入上式,并考慮到v2=kv1,以及令k-1第26卷第5期田蘭圖等: 油罐檢測(cè)爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)研究389=$k,得到:v1X

19、=$kB(7)取閾值為0.05b.這一算法避免了過(guò)于頻繁的控制動(dòng)作,從而消除了頻繁動(dòng)作造成的振蕩11.第三,設(shè)置控制量上限.PID控制器的輸出為$k,即兩輪相對(duì)轉(zhuǎn)速差.當(dāng)誤差值較大時(shí),按照PID算式計(jì)算出的|$k|也會(huì)較大,兩輪轉(zhuǎn)速相差較大.由于維持機(jī)器人吸附于壁面的吸附力很大,從而履帶接壁段與罐壁之間存在較大的靜摩擦力,車體很難靈活轉(zhuǎn)向,如果兩輪轉(zhuǎn)速差比較大,容易造成卡死.為了避免這種現(xiàn)象,可以為|$k|設(shè)置一個(gè)上限值$kmax:-$kmax$k=$k$kmax$k<-$kmax|$k|$kmax$k>$kmax(9)因此,本體角速度與$k成正比.筆者設(shè)計(jì)的PID姿態(tài)控制器正是基

20、于這一結(jié)論構(gòu)建的,圖7是其原理框圖.5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論(Experimentandconclusion)圖6 系統(tǒng)GUI用戶界面Fig.6 GUIofthesystem基于上述設(shè)計(jì)和研究,研制了爬壁機(jī)器人樣機(jī)TH_ClimberÑ,并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和油罐現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn).圖8顯示了樣機(jī)在油罐內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況.圖7 PID姿態(tài)控制器Fig.7 PIDattitudecontroller控制器參數(shù)初值由RobertsPD提出的歸一參數(shù)整定法得到,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行調(diào)整.為了改善控制器的控制效果,筆者在控制器設(shè)計(jì)中采取了如下一些改進(jìn)方法.第一,采用變速積分算法.其思想是在計(jì)算PID算式的積分項(xiàng)時(shí)

21、,在誤差值E(k)前面加上一個(gè)系數(shù)c,c的取值滿足下式:1c=B<|E(k)|A+BA|E(k)|>A+B0(8)圖8 TH-ClimberI樣機(jī)及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.8 TH-ClimberIanditsfieldapplication|E(k)|BA和B可以根據(jù)實(shí)際的控制效果不斷調(diào)整,筆者優(yōu)化后的取值為A=1b、B=0.5b.這一算法實(shí)現(xiàn)了用比例作用消除大偏差,用積分作用消除小偏差的理想調(diào)節(jié)特性,可以很好地消除積分飽和現(xiàn)象,大大減小超調(diào)量.第二,設(shè)置死區(qū).也即當(dāng)誤差絕對(duì)值小于某一個(gè)很小的閾值時(shí),不再對(duì)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,直到誤差再次.11圖9中兩圖分別為自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和加入姿態(tài)調(diào)整后機(jī)器

22、人姿態(tài)角隨時(shí)間變化的曲線.可以看到,在自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差存在隨機(jī)性,對(duì)初始誤差沒(méi)有調(diào)整作用;加入姿態(tài)調(diào)整以后,機(jī)器人的初始誤差得到迅速調(diào)整,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后,其姿態(tài)角只在給定角度(這里為0b)附近有微小變化.390 機(jī) 器 人2004年9月實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用都表明,TH-ClimberÑ具有較高的運(yùn)動(dòng)速度、穩(wěn)定性和定位精度:其最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)8m/min,可跨越高10mm以上的焊縫和表面凸起等障礙,角度誤差可控制在?0.2b以內(nèi).系統(tǒng)配置的渦流檢測(cè)儀可以在快速掃查過(guò)程中檢測(cè)出寬0.5mm、深0.5mm的裂紋和直徑1mm的孔洞.該智能機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)很好地滿足了油罐自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)的需要,具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值.圖9 姿態(tài)控制器實(shí)驗(yàn)效果Fig.9 Experimenteffectoftheattitudecontroller參考文獻(xiàn) (References)1NishiA,MiyagiH.Wal-lclimbingrobotusingpropulsiveforceofpropellerJ.TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEn-gineers,PartC,1991,57(543):3585-3591