六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì)
六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì),六足行走機(jī)器人設(shè)計(jì),行走,機(jī)器人,設(shè)計(jì)
附錄A
X射線實(shí)時(shí)影象探傷管道機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
摘要
這篇論文介紹了一種檢查大口徑管道焊接連接的機(jī)器人系統(tǒng),它被發(fā)展作為X射線實(shí)時(shí)圖象檢查法 [RTIIT]的自動(dòng)化平臺。該機(jī)器人在管道內(nèi)可以獨(dú)立尋找并確定焊接接縫位置,在同步控制技術(shù)的控制下可以完成對焊縫進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)的任務(wù)。該機(jī)器人系統(tǒng)安裝有一個(gè)小的焦點(diǎn)和具有定向波束的X射線管,因此可以獲得清晰度較高的焊接接縫圖像。關(guān)于該機(jī)器人系統(tǒng)個(gè)別的關(guān)鍵技術(shù)也將被詳細(xì)說明。它的結(jié)構(gòu)是(?) 。
關(guān)鍵詞:X射線探傷、實(shí)時(shí)影象、機(jī)器人
0 介紹
與射線照相檢查方法(RET)相比較,X射線實(shí)時(shí)圖像檢查法(RTIIT)有許多優(yōu)勢,比如較高的效率、較低的成本,更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和對焊接缺陷進(jìn)行即時(shí)評估。此外,最新的技術(shù)允許X射線RTIIT被用在對管道進(jìn)行無損檢測(NDT),并且這個(gè)方法的檢查品質(zhì)和RET[1,2]是一樣的。因此,無損檢測設(shè)備,通常用于管道檢驗(yàn)的基于RET的設(shè)備,需要通過改造變成基于X射線實(shí)時(shí)圖像檢查法的。
使用X射線實(shí)時(shí)圖像檢查法對管道進(jìn)行無損檢測一定要有一個(gè)自動(dòng)化平臺,X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人(irtipr)就是為該目的而設(shè)計(jì)的。事實(shí)上,除了已經(jīng)被解決[3]的涉及X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的問題之外,一些集中在機(jī)器人的智能控制的關(guān)鍵技術(shù)也出現(xiàn)在這篇論文中。,例如,機(jī)器人在管道內(nèi)的獨(dú)立動(dòng)作,同步控制技術(shù)和在管道內(nèi)外之間信息交流配合,我們也將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)( ? )。
1 機(jī)器人的工作原理
這個(gè)X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人由管道內(nèi)和管道外兩部分組成,結(jié)構(gòu)詳見圖1。管道外的部分由圖像采集處理系統(tǒng)(8,9,10),管道外同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(11,12)組成。圖像擴(kuò)大器由管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來推動(dòng)并圍繞管道中心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行采集焊接圖像及通過圖像采集卡將圖象信號傳達(dá)給圖像處理計(jì)算機(jī)。管道內(nèi)的部分由管道內(nèi)電腦(1)、電源和換流器系統(tǒng)(2)、行走及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(3)、X射線系統(tǒng)(4)、管道內(nèi)同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5,6)和焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)(7)。X射線系統(tǒng)中的X射線管由管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)推動(dòng)圍繞管道的中心旋轉(zhuǎn)。
圖1 X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
機(jī)器人主要工作原理說明如下:在焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)的控制下管內(nèi)爬行器完成工作位置的定位,并在定位的位置上處于等待的狀態(tài)。當(dāng)它收到從管道外由低頻電磁波傳達(dá)的指令信號時(shí),管道內(nèi)的電腦立即操縱X射線系統(tǒng)的控制器來實(shí)現(xiàn)管道外的控制。管道內(nèi)和管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由同步控制技術(shù)控制圍繞相同的管道中心旋轉(zhuǎn)并按旋轉(zhuǎn)-照射-旋轉(zhuǎn)的方式完成焊接接縫檢查。
2 機(jī)器人的控制系統(tǒng)
與工藝步驟的工作原理相比,X射線irtipr的控制系統(tǒng)主要由一些關(guān)鍵技術(shù)組成,例如以X射線圖象標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?yàn)榛A(chǔ)的同步控制技術(shù)和以數(shù)據(jù)合成及低頻電磁波傳遞為基礎(chǔ)的焊接接縫獨(dú)立尋找及定位技術(shù)。
2.1 管道內(nèi)和管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的同步控制技術(shù)
根據(jù) X射線實(shí)時(shí)圖象檢查法的技術(shù)要求,X射線管和圖像增強(qiáng)器必須圍繞同時(shí)地同一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閄射線irtipr采用無線的工作方式,機(jī)器人管道內(nèi)同管道外的部分是不可能的由電纜連接著的。如何在管道內(nèi)外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)同步信息通信,或如何實(shí)現(xiàn)同步控制,變成必須被解決的關(guān)鍵技術(shù)。
同步旋轉(zhuǎn)可以被描述為:當(dāng)管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)X射線管到旋轉(zhuǎn)α角時(shí),管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也帶動(dòng)圖像增強(qiáng)器同時(shí)繞同樣的中心旋轉(zhuǎn)到相同的角度(圖2)。因?yàn)榻饘俟艿赖恼趽踝饔煤蜔o線的特征,現(xiàn)有的通信手段很難完成在管道內(nèi)外控制信息的通信(4,5)。根據(jù)X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的特殊性,我們提出這同步控制方案如下:將一個(gè)垂直于焊接接縫的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€設(shè)置在X射線管的照射窗上;當(dāng) X射線照射到焊接接縫時(shí),標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€也在管道外的電腦上成像。只要管道內(nèi)和管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于同步的位置,即X射線管的照射窗和圖像增強(qiáng)器的軸是重合的(α=0)(圖2),標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€成像在電腦屏幕的中心位置。標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€的成像和標(biāo)準(zhǔn)檢查程序的中心線重合,看圖3。當(dāng)管道內(nèi)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)α角時(shí),在屏幕上標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€的成像偏離標(biāo)準(zhǔn)檢查程序中心線,距離為H 。距離H被用作管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的錯(cuò)誤輸入使調(diào)節(jié)自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直到這距離H為零或小于指定值,管道外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作可以被實(shí)現(xiàn)。
試驗(yàn)和模擬證明以上同步控制技術(shù)是正確的。這種同步動(dòng)作滿足X射線探傷實(shí)時(shí)影象管道機(jī)器人的技術(shù)要求。
這種方法以 X射線當(dāng)做觀測信號源,管道內(nèi)和管道外的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作信息通過X射線圖象的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€偏離標(biāo)準(zhǔn)檢查程序中心線距離確定,從而執(zhí)行同步動(dòng)作.這種方法已經(jīng)申請發(fā)明專利。
圖2 同步旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 圖3 X射線圖象的標(biāo)準(zhǔn)檢查程序?qū)Ь€
⒉2焊接接縫的獨(dú)立尋找及定位技術(shù)
獨(dú)立尋找并定位意味著在管道內(nèi)機(jī)器人沒有任何其他干涉僅借助于傳感器自動(dòng)地決定哪里是工作位置.這種控制方式就是“智能控制”。尋找及定位系統(tǒng)的精確度和可靠性與機(jī)器人是否可以實(shí)現(xiàn)在管道內(nèi)獨(dú)立行動(dòng)有直接關(guān)系。如果這個(gè)系統(tǒng)是無效的,機(jī)器人將在管道中“死亡”或“迷路”[6]。
大略地說,檢測焊接位置接縫方法如下:(1)利用編碼器或圓弧測定器;(2)利用焊接接縫表面伸出凹面變化的位移所引起位移;(3)利用焊縫表面接縫導(dǎo)電;(4)利用放射性同位素(比如γ射線信號源);(5)利用觀測;(6)利用低頻電磁波。
因?yàn)檫@種方法受許多因素的影響,例如:行進(jìn)時(shí)剎車、管道內(nèi)的環(huán)境、人為的因素、放射性的傷害、定位的精確度和效率,僅僅使用一種方法是不能獲得滿意效果的。
考慮到焊接接縫的規(guī)則排列,即每個(gè)焊接接縫的間距大約12m,和各種位置檢測方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),以多種成象設(shè)備為基礎(chǔ)的焊接接縫獨(dú)立尋找及定位系統(tǒng)被提出來改善和提高精確度、效率和可靠性的局限。多種成象設(shè)備由圓弧測定器、CCD攝像機(jī)和低頻電磁波的接收器和發(fā)射極組成。系統(tǒng)的框圖如圖4。
圖4 焊接接縫獨(dú)立尋找并定位系統(tǒng)
系統(tǒng)采用定位反饋來提高定位的效率。反饋成像構(gòu)成的視覺反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確的定位。
合成數(shù)據(jù)以三種測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),圓弧測定器的數(shù)據(jù)、低頻電磁波以及圖象,使用優(yōu)先估計(jì)算法處理數(shù)據(jù)。根據(jù)三種定位法的特征,上述數(shù)據(jù)在不同的范圍分別地有效。如果x1表示圓弧測定器的測量數(shù)據(jù),x2是低頻電磁波,x3是圖象。X表示機(jī)器人在管道的內(nèi)實(shí)際位置,各個(gè)焊接接縫的間距是12m。那么,三種測量數(shù)據(jù)的有效作用范圍如下:x∈[1 ,12m];x2∈[0.1m ,1m];x3 ∈[-10cm,10cm],最后的定位目標(biāo)是x3 = 0.三種測量數(shù)據(jù)有效范圍描述如下:當(dāng)距離x1相距焊接接縫位置是大于100cm時(shí),使用圓弧測定器是為了提高定位效率,并且機(jī)器人在管道內(nèi)以高速移動(dòng);當(dāng)數(shù)據(jù)x2是小于100cm時(shí),控制器變成低頻電磁波,并且讓機(jī)器人以低速度移動(dòng);當(dāng)焊接接縫進(jìn)入這圖象范圍時(shí),采用圖象伺服系統(tǒng)獲得精確的定位。
數(shù)據(jù)合成規(guī)律可以表示為:X = X1 如果(x3 > - 10)且(x3 < 10),那么X =x3;以上方法實(shí)現(xiàn)了模糊控制并且完美地解決了精確度以及定位效率之間的矛盾。定位精確度的測試結(jié)果在≤±3毫米內(nèi),可以滿足這設(shè)計(jì)要求。
⒉3低頻電磁波的傳遞
除了定位的作用,低頻電磁波還被利用于傳送管道內(nèi)外部分之間的開—關(guān)信號??紤]它的危險(xiǎn),X射線系統(tǒng)經(jīng)從管道外遙控操縱。因?yàn)檫@機(jī)器人是無線的以及考慮到金屬管道的遮擋作用,其他的方法不能完成管道內(nèi)外部分之間傳送開—關(guān)信號的任務(wù)。所以低頻電磁波被采用來發(fā)送操作命令到管道內(nèi)控制x射線系統(tǒng)。
3 結(jié)論
這X射線irtipr的關(guān)鍵技術(shù)是保證為X射線rtiit實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如果一個(gè)機(jī)器人采用沒有電纜的工作方式且它的管道內(nèi)外旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)同步控制技術(shù)沒有被解決,它根本不可能為X射線rtiit實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。焊接接縫獨(dú)立尋找及定位技術(shù)是有形的具體化的智能機(jī)器人,也保證了機(jī)器人工作的高可靠性。低頻電磁波實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)外部分控制系統(tǒng)之間在金屬管道遮擋條件下的信息交流,并且起到了閉環(huán)的控制系統(tǒng)的作用。以這些關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)的X射線irtipr可被用于對這大口徑管道(在660~1400mm)的檢查,工作距離大約2km,工作速度在18m / min.因?yàn)檫@機(jī)器人安裝有一小的焦點(diǎn)以及定向波束X射線管,與其它X射線管相比可以獲得較高的清晰度的焊接接縫圖像。這些關(guān)鍵技術(shù)在測試中被證明是完美地滿足了X射線rtiit的技術(shù)要求。
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