基于人機(jī)交互的供熱管道爬行檢測機(jī)器人研究

通遼熱電有限責(zé)任公司 吳占斌 金 一 呂 巖 田 雪 韓 濱

1 引言

機(jī)器人是一種自動化的機(jī)器設(shè)備，具備有一些與人或生物相似的能力，如感知、規(guī)劃、運(yùn)動及動作能力的協(xié)作等，機(jī)器人技術(shù)被視為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。特種機(jī)器人工作于非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，即工作在無法事先布置好的條件下進(jìn)行，而且在工作進(jìn)行過程中，環(huán)境或工作的內(nèi)容可能隨時發(fā)生變化[1]。開發(fā)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的特種機(jī)器人，使人脫離危險作業(yè)的生產(chǎn)第一線，減輕人的勞動強(qiáng)度，是機(jī)器人發(fā)展的一個必然方向。目前國際上特種機(jī)器人技術(shù)的研究和開發(fā)非?；钴S。在研究和開發(fā)的過程中，人們逐步認(rèn)識到特種機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是由感知、決策、行動和交互四大技術(shù)組成的結(jié)合體。隨著人們對特種機(jī)器人智能化本質(zhì)認(rèn)識的加深，特種機(jī)器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。特種機(jī)器人的新機(jī)構(gòu)、新結(jié)構(gòu)、新傳感器和新型伺服驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)，先進(jìn)的控制算法、控制策略已經(jīng)成為機(jī)器人研究的一個重要領(lǐng)域。

供熱管道檢測機(jī)器人是針對輸送管道的管網(wǎng)檢測滲漏、腐蝕等有直觀觀測效果，研制的一種特種機(jī)器人，綜合智能移動技術(shù)和管道缺陷無損視頻捕捉技術(shù)[2-3]。這類機(jī)器人能進(jìn)入人所不及、復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)管道環(huán)境中，通過攜帶的攝像頭裝置和作業(yè)裝置，以保障管道的安全和暢通無阻地工作[4]。

管道檢測機(jī)器人主要應(yīng)用于供熱公司不同管徑的供熱管道，能夠?qū)峁芫W(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)和詳盡的檢測評估。管道檢測機(jī)器人的研究為管道的檢測、維護(hù)提供了新的技術(shù)手段，改變了傳統(tǒng)管道開挖抽檢的單一模式[5]。這種檢測技術(shù)提高了管道檢測的準(zhǔn)確性，便于管道工程管理，維護(hù)人員分析了解管道缺陷產(chǎn)生的原因，開展對缺陷的評估，制訂管道維護(hù)方案，消除管道安全隱患，在事故發(fā)生前就有計劃地維修或更換管段，對于大量挖掘困難的小區(qū)、城市街道等也能夠進(jìn)行監(jiān)測，從而節(jié)約大量的維修費(fèi)用，降低管道維護(hù)成本，保障人民生活及財產(chǎn)安全。管道檢測機(jī)器人也同樣提高了管網(wǎng)檢測的效率，以往由人工檢測，檢測的速度很慢，往往還有很多遺漏的情況，使用管道檢測機(jī)器人后，管道檢測效率不僅提高了2倍以上速度，也減少了需要的檢測人員。因此，開展管道檢測機(jī)器人的研究具有重要的科學(xué)意義和明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益[6-7]。目前，管道檢測機(jī)器人的研究得到了各國的高度重視，也得到了我家部委和相關(guān)行業(yè)的重視。大量的管道檢測維護(hù)需求為管道檢測機(jī)器人的研究開發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊的市場空間，將逐漸成為一項十分巨大的產(chǎn)業(yè)工程[8]。

目前，許多供熱管道檢測設(shè)備局限于整套產(chǎn)品十分笨重，出現(xiàn)場時攜帶不方便，而對于能適用于特殊管道工況且能完成檢測任務(wù)的輪式機(jī)器人和電纜車本身沒有太多便攜化的空間[9]。針對如何不影響機(jī)器人固有功能前提下完成爬行機(jī)器人便攜化成為重要的研究方向。此外，具有人機(jī)交互的智能管道內(nèi)爬行檢測機(jī)器人的研究也是一大熱點(diǎn)[10]。為此，本文進(jìn)行了適應(yīng)于供熱管道內(nèi)檢測的便攜化人機(jī)交互式爬行機(jī)器人的研究。

2 爬行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

供熱管道檢查機(jī)器人能適應(yīng)供熱管內(nèi)的工作環(huán)境，且可搭載視頻等傳感檢測設(shè)備。主要構(gòu)成包括爬行器（輪式機(jī)器人）、工業(yè)計算機(jī)和電纜車三部分。爬行器攜帶高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭、有毒氣體傳感器，紅外傳感器等設(shè)備進(jìn)入管線探測巡檢，工業(yè)計算機(jī)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制爬行器，即時觀察回傳的管線內(nèi)部視頻，生成報告并存儲，電纜車負(fù)責(zé)給爬行器提供電力和通信用纜。

2.1 管道爬行機(jī)器人的特點(diǎn)

2.1.1 設(shè)計功能

管道機(jī)器人檢查系統(tǒng)最基本的結(jié)構(gòu)有攝像頭、控制器、監(jiān)控顯示器等。其主要工作對象是供熱管網(wǎng)，檢測管道缺陷情況及定位信息，通過專業(yè)軟件處理和分析，報道管網(wǎng)真實(shí)情況，為供熱管網(wǎng)提供一定積極的服務(wù)作用。采用滾動車輪式機(jī)器人，動力采用電機(jī)驅(qū)動，頂部設(shè)有攝像頭、顯示器，底部設(shè)有控制器。

爬行器機(jī)身模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各部分器件獨(dú)立防水，并有安全氣壓監(jiān)控，穩(wěn)定性強(qiáng)，可根據(jù)不同工況需求，快速拆裝模塊，使用方便，維護(hù)簡易。采用4輪獨(dú)立驅(qū)動，具有超強(qiáng)的越障性能，附帶車身傾斜角度顯示與防傾覆報警功能單次作業(yè)時間可達(dá)2小時，可搭載其他設(shè)備，載重可達(dá)50kg。

2.1.2 工作環(huán)境

管道機(jī)器人爬行功能主要具有結(jié)構(gòu)簡單，負(fù)載能力較大且易于控制，采取電動移動方式，機(jī)器人裝備結(jié)構(gòu)輕、動作穩(wěn)定、操作簡單、移動速度快、轉(zhuǎn)彎容易、便于操作。電動車輪結(jié)構(gòu)簡單且靈活，轉(zhuǎn)向靈活及可靠。具體操作環(huán)境、使用工況管道屬于豎直管道，機(jī)器人使用繩索掉下管道里進(jìn)行觀看。

爬行機(jī)器人性能參數(shù)：機(jī)器人本體780×480×330mm，重35kg（標(biāo)配10寸輪尺寸），適用DN600以上管徑，防護(hù)等級Ip68，像素前攝像頭310萬，后攝像頭300萬，鏡頭旋轉(zhuǎn)角度360°軸向旋轉(zhuǎn)，90°徑向旋轉(zhuǎn)，雙電池供電，續(xù)航2小時；線纜車540×420×590mm，重45kg，線纜長度1000m，電池續(xù)航6小時。

2.2 機(jī)器人的組成

機(jī)器人本體包括機(jī)器人的云臺以及伸縮檢測頭。其中機(jī)器人的爬行吸附機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的主體部分，主要功能是搭載傳感器、攝像頭等檢測設(shè)備，裝配云臺或伸縮檢測頭等末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及為機(jī)器人本體提供動力。云臺與伸縮檢測頭屬于末端的檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別具備不同的功能與檢測范圍。機(jī)器人本體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 爬行機(jī)器人框架

2.2.1 線纜車設(shè)計

第一關(guān)節(jié)作為車體，主要管理機(jī)器人的動力爬行關(guān)節(jié)，供熱管道檢測機(jī)器人本體分為車體、行走機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中車體是搭載平臺，搭載傳感檢測用功能部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

車尾連接固定拖纜，檢測機(jī)器人的電源和數(shù)據(jù)采用有線傳輸，一旦機(jī)器人在內(nèi)部發(fā)生故障，可以通過拖纜將機(jī)器人拖出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接口連接不同檢測任務(wù)下的不同檢測探頭。兩個攝像頭與照明模塊分布在車體的前方和后方兩個方向。機(jī)器人車體正前方的紅外測距傳感器，實(shí)時測量記載機(jī)器人在管道內(nèi)部的高度信息及數(shù)據(jù)資料。電路板通過固定座安裝在車體內(nèi)部。

2.2.2 云臺設(shè)計

云臺的主要作用是通過在攝像頭不斷調(diào)整位置角度，對機(jī)器人爬行環(huán)境和SG熱傳管內(nèi)壁區(qū)域進(jìn)行視頻檢測時，實(shí)現(xiàn)攝像頭的位姿不斷調(diào)整?？紤]到云臺的末端位姿需要在空間中三個方向上變換，所以采用三軸機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)較為合適，如圖2所示。

圖2 云臺機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)建模

另外結(jié)合機(jī)器人功能上的要求，并且基于機(jī)器人在SG熱傳管內(nèi)部的工作環(huán)境和使用方案，云臺的構(gòu)型要滿足以下幾點(diǎn)：首先是自由度要求，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時云臺必須具備2個自由度；其次是檢測范圍的要求，云臺末端可以偵查正前方，以及360°旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到對管道內(nèi)壁的檢測和拍照記錄。

3 爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

如圖3所示，爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)可分為兩部分：就地端控制器和遠(yuǎn)程端控制器。就地端控制器主要實(shí)現(xiàn)就地采樣檢測的功能；遠(yuǎn)程端控制器主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。

圖3 上位機(jī)控制器框架

3.1 機(jī)器人就地端控制器

機(jī)器人就地端控制程序是通過C語言在Keil軟件上編寫而成，使用庫函數(shù)的編寫方法。STM32提供了豐富的固件庫函數(shù)，方便廣大編程者調(diào)用，固件庫是一種固件函數(shù)包，它包括了絕大多數(shù)外設(shè)的驅(qū)動描述與應(yīng)用實(shí)例。通過使用固件庫，開發(fā)者無需掌握底層硬件細(xì)節(jié)，就可以控制硬件外設(shè)。

機(jī)器人的車體和末端執(zhí)行器分別配置獨(dú)立的控制器，兩者之間采用主從結(jié)構(gòu)，其中車體控制器為主機(jī)，末端執(zhí)行器上的控制器為從機(jī)，兩者通過485協(xié)議通信。車體與云臺等末端執(zhí)行器中的硬件電路均采用模塊化設(shè)計。以車體控制器為例，機(jī)器人本體包括核心處理器模塊、電源模塊、485通訊模塊、距離傳感器模塊、陀螺儀模塊、微型攝像頭模塊、LED驅(qū)動模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等。

操作臺實(shí)質(zhì)上為多通道人機(jī)界面，主要由功能按鈕以及組合液晶顯示屏組成。操作臺的觸摸、按鍵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，USB鍵盤輸入必需資料。通過網(wǎng)口或Wifi與爬行器主控和網(wǎng)絡(luò)攝像頭通信。高清輸出的?？低曈脖P錄像機(jī)8108HFS-ST，它每個通道都是4CIF輸出，能夠?qū)崟r將車體及云臺及伸縮臂上返回的視頻信號進(jìn)行處理并通過顯示器顯示。視頻播放存儲支持最多8路的視頻播放與存儲。通過光纖電纜連接，客戶端能夠播放實(shí)時視頻和歷史記錄。本地解碼網(wǎng)絡(luò)攝像頭視頻，并即時疊加管道信息，爬行器信息等資料到屏幕。高亮屏幕顯示網(wǎng)絡(luò)攝像頭回傳的視頻。

3.2 機(jī)器人遠(yuǎn)程端控制器

遠(yuǎn)程端控制程序主要包括控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，通信模塊和仿真模塊以及人機(jī)界面模塊等。數(shù)據(jù)處理及維護(hù)軟件模塊是整個軟件的基礎(chǔ)，為整個軟件提供分析數(shù)據(jù)，其包含系統(tǒng)各個部分的狀態(tài)信息。

控制模塊主要功能是依據(jù)機(jī)器人檢測任務(wù)，規(guī)劃機(jī)器人路徑、軌跡及運(yùn)動參數(shù)，規(guī)劃末端執(zhí)行器位姿調(diào)整及工作狀態(tài)等。通訊模塊負(fù)責(zé)管理遠(yuǎn)程控制器和就地端控制器之間的通信，包括發(fā)送讀指令，收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)送寫指令，控制系統(tǒng)運(yùn)行。采用抗拉力強(qiáng)的光纖通訊，數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱訒r輕量化平板觸控終端，終端與線纜車之間采用無線傳輸技術(shù)可進(jìn)入DN400以上的管道，單次最長檢測距離可達(dá)1000m，可適用于大直徑管道、箱涵等。遠(yuǎn)程端控制器程序配置包括顯示系統(tǒng)狀態(tài)顯示與參數(shù)設(shè)置界面和顯示車體視頻的視頻界面，并在后臺配置有顯示和管理系統(tǒng)狀態(tài)的后臺界面。

4 結(jié)語

本文提出一種基于人機(jī)交互的供熱管道檢測爬行機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計方法，機(jī)器人設(shè)計滿足便攜化要求，同時具備就地端和遠(yuǎn)程端的交互能力，能夠適應(yīng)管道檢測過程中各種突發(fā)狀況。爬行機(jī)器人既融合機(jī)器人的自動化，也引入人類監(jiān)測者的判斷和操作，加強(qiáng)整個系統(tǒng)的智能性，有效提高了工作效率，避免了不必要的能耗操作，對未來維修和檢測供熱管道的機(jī)器人研究具有重要指導(dǎo)價值。