（精密仪器及机械专业论文）插接管道焊缝检测机器人扫查轨迹规划及控制的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

上海交通大学博士学位论文摘要 i 1 1 赢i i 皇葺皇i i 宣i 宣i 啊 插接管道焊缝检测机器人扫查轨迹规划与控制的研究 摘要 本论文研究受国防科工委“十五计划”基础项目“核动力装置插接焊缝机器人自 动检测及远程控制装备研究”( 编号：t o l 2 0 0 1 a 0 0 1 ) 资助。研究背景为：核工业中大 量存在插接管道焊缝，这些焊缝是造成核泄漏的易发区，采用超声波手动检测方式进 行焊缝探伤，检查速度慢，人为影响因素大。本文针对该问题研制开发了插接管道焊 缝自动检测机器人系统，开展了以机器入扫查轨迹规划及其控制为核心内容的系统研 究，论文的主要内容与创新点如下： 针对插接管道的相贯线焊缝扫查轨迹特点，设计了一种7 自由度的焊缝扫查机器 人。该机器人安装在具有剖分式、变直径、自动对心等特点的管道夹具上，根据力学 分析结果，设计了两台管道夹具，以分别适应1 0 0 2 0 0 m m 、2 0 0 4 0 0 m m 的管道直径。 与管道夹具对心连接部位，设计了一种可驱动机器人进行3 6 0 。旋转的大转盘，大转 盘上安装着具备三个位置自由度与三个姿态自由度的机器人手臂。该机器人手臂的关 节设有一种电机卸载轴承座，可实现机器人关节输出扭矩与弯矩的分离。该机器人系 统采用上位机( 工控机) 下位机( 单片机) 、单片机步迸电机控制器复合控制驱动 方法，通过上位机的软件控制实现了机器人手动、自动与复位控制功能。 基于齐次坐标变换与d - h 约定关系，通过几何法求解了与相贯线扫查参数相关联 的机器人逆运动学问题。基于管道相贯线表面探块扫查的几何特点，为确定末端探块 位置与姿态，提出并实现了一种与通用机器人欧拉角变换功能类似的坐标转换方法。 通过引入冗余降解参数儿扫查半径r 、被扫管道半径风和管道安装高度h 等参数， 建立了机器人逆运动学求解模型。 基于病毒遗传算法( v e g a ) 建立了插接管道焊缝扫查机器人以最小能量优化为目 标的综合轨迹规划算法，在机器人冗余度空问内确定了综合性能最优的关节姿态。研 究了算法需满足的四大限定条件：肘点障碍碰撞回避条件，任务空间内轨迹扫描精度 条件，机器人极限安装高度限制条件，包含速度与关节力矩的动力学限制条件。对插 接管道焊缝扫查机器人能量最小轨迹的v e g a 计算仿真结果表明：机器人最末连杆三3 处于铅垂状态的轨迹所消耗的能量为最小。本算法无需进行机器人逆运动学求解，避 e l l _ ! , l u i e 自自目e 8 1 _ 第1 页 上海交通大学博士学位论文 摘要 开了冗余机器人必须求解伪逆矩陴及奇异点等难点。 在笛卡儿空间连续轨迹规划问题框架内，研究了末端位置误差受限条件下机器人 轨迹所需最小插值节点的规划模型。在传统节点规划二分算法( b a ) 的基础上提出了 一种新的继承二分算法( i b a ) 。i b a 分为两个步骤：第一步是进行低位置精度的一次 节点b a 规划，第二步是继承第一次规划结果的高位置精度二次b a 节点规划。仿真结 果表明：i b a 所需的i k c ( 逆运动学求解) 次数要少于b a 所需的i k c 次数，在位置控 制精度较高的场合采用i b a 算法能够有效提高控制节点规划的计算效率，从而有利于 提高实时控制的控制效率。 给出并证明了一种主动可控关节与被动柔顺关节相配合、内环与外环控制相分离 的串联机器人位置力控制方法。这种控制方法的核心是将机器人主动关节部分划分 为可控的内环控制部分，被动关节的控制需要通过主动关节的调节来间接实现，被动 柔顺关节的控制是控制系统中的外环控制部分，其功能为：提供并成为主动关节内环 控制系统中的输入量。采用位控与力控分离、主动与被动分离的方法提出了位嚣力 串行控制策略，并建立了插接管道焊缝扫查机器人位置力控制问题模型。仿真研究 了分度角分别为0 。、3 0 。、6 0 。与9 0 。所对应的圆、椭圆及直线的截面线轨迹扫查 控制情况，结果表明存在初始偏差扰动的机器人，经过位置与力控制后都能到达预定 的位置并满足力控制要求，从而证明了整个控制策略的有效性。 模拟核电站插接管道焊缝扫查环境进行了机器人焊缝超声波扫查试验。建立了核 电站插接管道焊缝扫查复合轨迹模型，采用i b a 实现了机器人离线轨迹靓划中的控制 节点规划，校正了机器人初始安装高度。机器人控制试验结果表明：周向、径向复合 轨迹扫查的位置控制精度l m m ，轨迹重复定位误差0 5 t r i m 。机器人在轨迹控制中能 够将超声波探测器准确定位在人工反射体中内含孔隙的部位，探测器能够获取相应的 峰值超声信号，探测器与接触面耦合良好，表明机器人位置力控制满足使用精度要 求。 关键词：插接管道焊缝，焊缝检测，机器人，轨迹规划，继承二分法，位置仂控制 被动柔顺性，t 型接头 第1 i 页 上海交通大学博士学位论文 a b a s t r c t - i i i i i i 一 i i 暑i i 置i 嗣| 嗣皇墨薯一 t r a j e c t o r yp l a na n dp o s i t i o n ，i l o r c ec o n t r o l o fw e l dl n s p e c t l o nm a n i p u l a t o rf o r i n t e r s e c t e dp i p e s a b a s t r a c t t h i sp a d e ri sb a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l to ff i f t e e n y e a rp r o g r a m ，r e s e a r c ho n a u t o m a t i ci n s p e c t i o nm a n i p u l a t o ra n dr e m o t ec o n t r o ls y s t e mf o rw e l dd i a g n o s i so f i n t e r s e c t e dp i p e si nn u c l e a rf a c i l i t i e s ( c o d e ：t o l 2 0 0 1 a 0 0 1 ) t h e r ea r em a n yw e l ds e a m s o fi n t e m e c t e dp i p e si nn u c l e a ri n d u s t r y t h o s ew e l ds e a l y i si su s u a l l yi n s p e c t e dt h r o u g h h a n dl a b o r c o n s e q u e n t l y , t h ei n s p e c t i o ne 壤c i e n c yi sm u c hs l o wa n dt h ei n s p e e t i o nr e s u l t c a nb eu n r e l i a b l e an o v e lw e l da u t o m a t i ci n s p e c t i o nr o b o t i cs y s t e mf o ri n t e r s e c t e dp i p e si s d e v e l o p e di n t h i sp a l ：i e tt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ek e yp r o b l e mo f r o b o t i ct r a j e c t o r yp l a na n dp o s i t i o n f o r c ec o n t r o li sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e ra l s o an e ww e l di n s p e c t i o nm a n i p u l a t o rw i t hs e v e nf r e e d o m si sd e s i g n e db a s e do nt h e f e a t u r e so fi n t e r s e c t e dw e l dc u r v e t h em a n i p u l a t o rh a sap i p ec l a m p e rw i h1 1 a i fs t r u c t u r e d d i f f e r e n tp i p ed i a m e t e r sa d a p t e da n ds e l f - a u t o m a t i cc e n t e r e ds t r u c t u r e b a s e do nt h er e s u l t o f m e c h a n i s ma n a l y s i s ，t h ec l a m p e ri sc a t e g o r i z e db yt w og r o u p s ，w h i c hc a nb ea p p l i e df o r 1 0 0 2 0 0 m md i a m e t e rp i p e sa n d2 0 0 4 0 0 m md i a m e t e rp i p e sr e s p e c t i v e l y ab i gr o t a t i o n d i s ci sd e s i g n e da n da d h e r e d 州t 1 1t h ec l a m p e r , w h i c hc a l ld r i v e 也er o b o t i ca r mt or e v o l u t e 3 6 0d e g r e ea b o u tt h ea x i so fc l a m p e dp i p e t h er o b o t i ca r n l ，s u p p o r t e db yt h er o t a t i o nd i s c ， h a s o i n t sw i t ht h r e ep o s i t i o n 行e e d o m sa n dt h r e eo r i e n t a t i o n 矗e e d o m s as p e c i a ll o a d r e l e a s e dm o t o rb e a r i n gs e t 。w h i c hc a ni s o l a t et h er o t a t i o nt o r q u ea n db e n d i n gt o r q u e s e p a r a t e l y , i sc o n s t r u c t e di nt h ea r mi o i n t t h ec o n t r o la r c h i t e c t u r eo ft h em a n i p u l a t o ri s b a s e do nc o m p o u n dm i x t u r em e t h o dw i t ht w oc o n t r o l l a y e r s w h i c ha r e s e r v e r ( i p c ) c l i e n t ( m c u ) l a y e ra n dm c u s t e pm o t o rc o n t r o l l e rl a y e r t h r o u g hs o f t w a r e p r o g r a m m i n g t h em a n i p u l a t o rh a st h ef u n c t i o no f a u t o h a n da n dr e s e tc o n t r o lm o d e s t h ei n v e r s ek i n e m a t i c a lp r o b l e mo fm a n i p u l a t o ri nc o n n e c t i o nw i t ht h ei n s p e c t i o n p a r a m e t e r si sr e s o l v e db yg e o m e t r ym e t h o dw i t i lt h eh e l po fh o m o g e n o u sm a t r i x t r a n s f o r m a t i o na n dd - hn o t a t i o n ac o o r d i n a t i o nt r a n s f o r i i l a t i o nm e t h o dt h a tc a nd i r e c t l y f i n dt h ep o s i t i o na n do r i e n t a t i o no fd e t e c t o rm o u n t e do nt h ee n d - e f i e c t o ro fm a n i p u l a t o ri s d e v e l o p e d i th a st h es a m ef u n c t i o no fp o p u l a re u l e rt a i s f o r m a t i o ni na d d i t i o nw i t hs o m e n e wf e a t u r e st h a ta r eu n i q u ef o ri n t e r s e c t e dc u r v es c a n n i n g t h es o l u t i o nm o d e lf o rt h e 第1 1 i 页 上海交通大学博士学位论文a b a s t r c t i n v e r s ek i n e m a t i c a lp r o b l e mi sf e a t u r e db yt h ei n s p e c t i o np a r a m e t e r so fr e d u n d a n c y r e s o l u t i o nf a c t o r r ，s c a n n i n gr a d i u sr ，r a d i u so fi n s p e c t e dp i p e 矗6a n dm o u n t i n g h e i g h to f m a n i p u l a t o rhe t c ac o m p r e h e n s i v e o p t i m i z a t i o n m o d e l f o c u s i n g o ne n e r g ym i n i m i z a t i o no f m a n i p u l a t o rt r a j e c t o r yp l a ni sb u i l tf o rw e l di n s p e c t i o nm a n i p u l a t o rf o ri n t e r s e c t e dp i p e b a s e do nv i r u se v o l u t i o n a r yg e n e t i ca l g o r i t h m ( v e g a ) t h i sm o d e lc a nh e l pt o d e t e r m i n et h eo p t i m a li o i n tp o s i t i o na n do r i e n t a t i o ni 1 1t h er o b o t i cr e d u n d a n c ys p a c e t h i s o p t i m i z a t i o na l g o r i t h ms h o u l dm e e tf o u rr e q u i r e m e n t s ，w h i c ha r e o i n to b s t a c l ea v o i d a n c e ， p o s i t i o na c c u r a c yi nt r a j e c t o r yt r a c k i n g ，m o u n t i n gh e i g h tl i m i t a t i o na n dj o i n tt o r q u ea n d d y n a m i c sl i m i t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l to fe n e r g ym i n i m i z a t i o no fw i m i pb vv e g a s h o w st h a tt h ee n e r g yc o n s u m e db yt h em a n i p u l a t o ri sm i n i m i z e dw h e nt h e1 a s tl i n k a g e a l l 1o fm a n i p u l a t o ri so nt h es t a t eo fv e r t i c a lo r i e n t a t i o n t l i so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m d o e s n tn e e dt of i n dt h ei n v e r s ek i n e m a t i c ss o l u t i o na n dc a na v o i dt h ep r o b l e mo f s i n g u l a r i t yo rp s e u d o - i n v e r s em a t r i x 1 1 1 em i n i m a lk n o tp o i n t sp l a ns t r a t e g yf o rc a t e r s i a nc o n t i n u o u st r a j e c t o r yt r a c k i n gi s i n v e ：s t i g a t e du n d e rb o u n d e dt r a j e c t o r yp o s i t i o ne r r o r an e wk n o tp o i n t sp l a na l g o r i t h mo f i n h e r i t a n c eb i s e c t i o na l g o f i t h m ( i b a li s d e v e l o p e db a s e do n c o n v e n t i o n a lb i s e c t i o n a l g o r i t h m ( b a ) m ah a st w os t e p s 1 1 1 ef i r s ts t e pi st h ek n o tp o i n tp l a nu n d e rt h el o w e r p o s i t i o na c c u r a c yb yb a n l es e c o n ds t e pi st h ek n o tp o i n tp l a l lu n d e rt h eh i g h e rp o s i t i o n a c c u r a c yb yi n h e r i t st h er e s u l t so ft h ef i r s ts t e p t h er e s u l t so ft h ec o m p a r a t i v es i m u l a t i o n o fb aa n di b as h o w st h a t 廿1 en u m b e ro fi n v e r s ek i n e m a t i c a lc a l c u l a t i o n ( i k c ) n e e d e db y l b ai sl o w e rt h a nt h a tn e e d e db yp u r eb a i ti ss h o w nt h a tt h ec o m p u t a t i o ne 位c i e n c yo f k n o tp o i n t sp l a ni si m p r o v e dm u c hb yi b ae s p e c i a l l yf o rc a s eo fh i g hp o s i t i o na c c u r a c y t r a c k i n g a p o s i t i o n f o r c ec o n t r 0 1s t r a t e g yo fs e r i a lm a n i p u l a t o r , i nw h i c h t h ea c t i v ec o m p l i a n c e j o i n t sc o o p e r a t e sw i 也p a s s i v eo n ea n di n l i n ec o n t r o ll o o pi s o l a t e sf r o mo u t l i n eo n e ，i s p r o p o s e da n dd e m o n s t r a t e d t h ec o r eo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yi s t os e p a r a t et h ea c t i v e c o m p l i a n c ei o i n t si n t oi n l i n ec o n t r o ll o o pa n dv i c ev e r s a t h ep a s s i v ec o m p l i a n c ej o i n t s s h o u l db ec o n t r o l l e db ya c t i v ec o m p l i a n c ei o i n t si n d i r e c t l y t h ec o n t r o ip a r tf o rt h ed r i v e n o fp a s s i v ec o m p l i a n c e o i n t si ss e e na st h eo u t l i n ec o n l r o ll o o p 1 1 1 eo u t p u to ft h ep a s s i v e i o i n t s c o n t r 0 1i st h ei n p u tf o rt h ei a l i n el o o pc o n t r 0 1o f a c t i v ec o m p l i a n c e o i n t s t h ew h o l e c o n t r o ls t r a t e g yi sc o n c e r n i n gw i t hb o t ht l l ep o s i t i o na n df o - r o ec o n t r o la n di sb a s e do nt h e i s o l a t i o no fs e p a r a t e da c t i v ea n dp a s s i v ec o n t r o lp a r t s a c c o r d i n g l y , t h ep o s i t i o n f o r c e c o n t r o lm o d e lf o rw i m i pi sb u i l ts u c c e s s f u l l y as e r i e so fs i m u l a t i o ni sc o n d u c t e dt o d e m o n s t r a t e 也ep e r f o r m a l l c eo fm a n i p u l a t o r sp o s i t i o n f o r c ec o n t r o lo nv a r i o u st r a c k i n g p a t h si n c l u d i n gc i r c l e e l l i p s ea n ds t r a i g h tl i n e ，w h i c ha r ej na c c o r d a n t ew i t ht h ed i v i d e d s c a n n i n ga n g l e so f0 。3 0 0 6 0 。a n d9 0 0 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e s i r e d p o s i t i o na n df o r c ea c c u r a c yi sa r a i n e db yt h em a n i p u l a t o ra f t e rt h es p e c i f i e dc o n t r 0 1 s 打a t e g yi sa p p l i e dw h e nam o d e r a t ei n i t i a lp o s i t i o na n df o r c ee r r o ri s f i r s tg i v e n t h e a v a i l a b i l i t yo f t h i sc o n t r o ls t r a t e g yi sa l s op r o v e n 第1 v 页 上海交通大学博士学位论文a b a s t r c t a nu l t r a s o n i cw e l di n s p e c t i o ne x p e r i m e n tf o rw i m l pm a ts i m u l a t e st h er e a l e n v i r o n m e n to fn u c l e a rp l a n ti sd o n e t h ec o m p o u n ds c a n n i n gt r a j e c t o r yi s c a r e f u l l y d e s i g n e da n ds p e c i f i e d t h ek n o tc o n t r o lp o i n t sf o rs m o o t hp a t ht r a c k i n ga r ec a l c u l a t e da n d p l a n n e db yi b af o rf o u rc h a r a c t e r i s t i ct r a j e c t o r i e s t h eb i a se r r o ro fm o u n t i n gh e i g h to f m a n i p u l a t o ri sc a l i b r a t e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es c a n n i n gp o s i t i o n a c c u r a c yi sl e s sa n de q u a lt ol m mf o ra l t e r n a t ec o m p o u n dt r a j e c t o r i e sa n dt h er e p e a t e d a l l o c a t i o na c c u r a c yc a nb e1 e s sa n de q u a lt o0 5 r a m t h ep o s i t i o no fu l t r a s o n i cd e t e c t o rc a n b ec o n t r o l l e dt oa r b i t r a r yp r e s c r i b e dp l a c ew h e r et h ev o i d h o l ei sb u r i e di na r t i f l c i a l r e f l e c t i n gb o d ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gp e a ks i g n a lc a r lb ea c q u i r e da c c o r d i n g l y i tr e f l e c t s t h a tt h ec o m p a c ts u r f a c eb e t w e e nt h ed e t e c t o ra n dt l l es u r f a c eo f p i p ej sc o u p l e dw e l lu n d e r r e a s o n a b l ep r e s s u r e i ta l s op r o v e dt h a tt h ep o s i t i o na n df o r c ea c c u r a c ym a c h e st h e a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n tu n d e rt h ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：p i p ew e l di n s p e c t i o n ，m a n i p u l a t o r , r o b o t ，t r a j e c t o r yp l a n ，i n h e r i t a n c ek n o t p l a n ，p o s i t i o n f o r c ec o n t r o l ，p a s s i v ec o m p l i a n c e ，t j o i n t 第v 页 上海交通大学学位论文答辨决议书 匪圈 匝画 匿囫 鄢波同学的博士学位论文“插接管道焊缝检测机器人扫描轨迹规划与控制的 研究”是在国防科工委“十五计划”( t 0 1 2 0 0 1 a 0 0 1 ) 项目的基础上进行研究的结 果。该论文围绕着插接管道焊缝扫查机器人的研制，丌展了以机器人扫查轨迹舰 划及其位置控制为核心内容的系统研究，论文的选题具有一定的理论意义与较大 的实用价值，其主要创新成果为：1 设计开发了一种新型7 自由度焊缝扫查机器 入系统，可应用于插接管道相贯线焊缝的超声波自动检洌0 。其中的机器人央具实 现了管道的变径自动对心夹紧。2 通过几何法建立了与相贯线扫查参数相关的 冗余机器人逆运动学模型。其中提出并实现了种类欧拉角变换功能的坐标转换 方法。3 基于病毒遗传算法( v e g a ) 建立了焊缝扫查机器人避障、轨迹位置精 度、动力学限制及能量最小为目标的综合轨迹规划算法。该算法有效地避丌了冗 余机器人的伪逆矩阵及奇异点等难点。4 研究了术端位置误差受限条件下的机 器人轨迹所需最小插值节点的规划算法。相对传统的节点规划二分算法( b a ) 提 出了一种新的可减少逆运动学求解次数的继承二分算法( i b a ) ，陔算法能在位置 控制精度较高的场合内有效提高控制节点规划的计算效率。5 给出并证明了一 种主动可控关节与被动柔顺关节相配合、内环与外坏控制相分离的机器人位置力 控制方法。通过该控制算法实现了机器人术端执行器在玻动柔顺扫查条件下的位 置力控制，从而有利于机器人在不精确环境下的扫查，立置定位与压紧力保i 正? 研究结果表明该生已掌握了本学科扎实的理论基础和系统的专门知以，具有独立 从事科学研究的能力。论文具有创新性。在答辩过程中能正确回答所提出的问 题，经答辩委员会认真讨论并无记名投票，一致通过鄢波博：学位论文答辩，并 建议授予工学博士学位。 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交 通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：研瘕 指导教师签名：孝；lf 虱正 日期：猡，年6 月5 日日期：2 ，。f # 占月厂日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鼾痕 ， 日期：加蛑占月s 日 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 萱- ii i - i 葺i 萱置i 蠢萱_ 第一章绪论 插接管道焊缝检测( 扫啬) 机器人系统有着广阔的工业应用背景及较强的开发使用价值，本 文拟针对该特种应用机器人进行系统的研究。本章首先阐明了本论文的立足点，给出了论文研究 的必要性及其可行性。接着综述了管道焊缝检测装置的研究现状及其发展趋势，重点介绍了管道 焊缝自动检测机器人技术，详述了机器人轨迹规划、位置，力控制等机器人学方面的研究状况。最 后提出了论文的结构框架及其技术研究路线。 1 1 插接管道焊缝检测机器人系统的研究背景与意义 焊接工艺在核电、桥梁、建筑、船舶、航空、汽车及家用电气等各种工业领域中有着广泛的 应用”】。焊接产品在制造过程中往往会出现焊缝质量缺陷，产品在使用过程中其焊接结构也会由 于环境的影响而引发焊缝裂纹，这些缺陷都不同程度地对产品的失效行为产生影响- 极端情况下 甚至会发生结构断裂与爆炸等灾难性事故涮。工、监上管道之间的焊缝连接十分普遍，其中既有两 管道端口之间的环形焊缝，也有两管道插接而形成的1 、型、y 型或k 型管道焊缝，这两种焊缝的焊 接方法在焊接专业领域内分别称为环形焊( g i r t h w e l d ) 3 1 与对接焊( b u t t w e l d ) 1 4 1 图i - i 为不 同类型对接焊管道接头外形示意图。一般而言，生产过程中的焊接接头缺陷与开裂是焊接结构失 效的主要原因，资料表明我国焊接过程中产生的接头焊缝缺陷一般约占焊缝长度的o 2 - - - 6 ，皂 厂等能源部门的事教统计结果表明，属于焊接质量的事故占1 8 ，9 4 3 9 j 。在工业部门中，对焊 缝质量进行检测是确保焊接结构安全的熏要手段。 凸舀，刍 t 型y 型 k 型 图卜1 不同类型对接焊接管道示意圆 f i g 1 - ls c h e m a t i cf i g u r eo f d i f f e r e n tt y p e so f b u t cw e l dp i p e s 一般对焊缝内部的缺陷检测通常是采用无损检测方式m ( n o nd e s t r u c t i v et e s t ，简称n d t ) ， 其中包括射线检测7 ( r t ) 、漏磁检测f 8 1 ( m t ) 与超声波检测f 9 l ( u t ) 等。其中射线检测是利用 x 射线蜀b 射线穿透金属时产生的射线圈来检验金属内部结构，通过胶片可以留下永久性的检测记 录。超声检测则是利用焊件中的缺骼对超声波的反射进行缺骼检测，相对射线检测超声检测对构 件的厚度及缺陷位置不加限定，尤其能够检测射线无法达到的接头部位1 6 】a 超声波检测尤其适用 于对接焊缝的检测，因为超声c 扫描成像可以提供焊接缺陷在不同深度层面上的二维声学图像， 置，_ 量曼曼_ 鼍皇ii i ljt 第1 页 i i 上i 海交通大学博士学位论文 i i i i i 第- 一童i l i 绪鹜j 由此得到缺陷的形状、位置、分布和取向等信息f 1 0 j 。国内、外对于t 型接头的超声波焊缝检测研 究很多”“1 ”，一般对于t 型钢管的对接焊缝检测方法如图1 2 所示。 图卜2t 型管道对接焊缝超声检测结构图 f i g i - 2s t r u c t u r eo f u l t r a s o n i ci n s p e c t i o nf o rb u t tw e l do f ts h a p ep i p e s 图】_ 2 所示的探头其反射面总是以一定的角度倾斜以形成超声波发生方向与探测器底面形成 所需的折射角，于是可以在不接触焊缝本体的条件下在焊缝外圈检测焊缝质量情况。对于此类 焊缝的检测。要求图1 = 2 中的探头紧贴在被探管道表面，并根据焊缝坡口的方向做相应的轨迹移 动。传统的方法都是基于手动方式进行，然而手工超声波检测存在着人为的影响因素，使得焊缝 超声波捡测存在不准或漏检等情况f j ”，迫切需要采用自动焊缝超声检测系统来代替传统的手工检 测。国内外对自动焊缝检测系统的研制进行了大量的工作”“”，然而众多的自动焊缝检测装置都 是基于射线检测方式f 1 ，少部分管道焊缝超声检测装置也都是基于管道的环形焊缝进行的设计 ”“。对接焊缝的自动检测装置一直停留在初期发展阶段m j 离实际应并j 存在较大差距，急切需要 大力发展。 本论文即是在此背景下，基于国防科工委“十五计划”基础计划项目“核动力装置插接焊缝 机器人自动检测及远程控制装备研究”口w ( 编号；t 0 1 2 0 0 1 a 0 0 1 ) 的基础上形成的。核电站中运 送核废料的管道大量存在插接管道的对接焊缝，为防j e 核废料的泄漏，目前国内一般仍采用超声 波手动检测方式”j 。此法除检查速度慢，人为园素影响大外，若核电站在役检查时仍采用手动检 测方式，检测人员受放射性侵害太大，严重影响着他们的身体健康。而且，因受检查时间的严格 限制，难免会出现漏检现象，更增加了人为检测误差的风险1 1 “。为减少检测中人为因素的影响和 尽量减少人员在放射性场所受辐射的剂量水平，本文设计了一种插接管道焊缝自动扫查机器人装 置，并对插接管道焊缝检测机器人系统进行了深入的研究。 皇曼曼鼻曼皇芭量皇皇曼曼寰皇量皇蔓置曩鼍! 夸阜曼曼量量胃自葛曼! | r 一t i l l 曼! 毫 第2 页 i 上i 海交通大学博士学位论文l i1 1 第一章 _ ：l 蝥i i 1 2 管道焊缝检测装置的研究现状 管道焊缝检测机器人根据焊缝的不同形状特性与焊接结构体特点具有不同的功能与形式，大 体上可分为管内焊缝检测机器人与管外焊缝检测机器人。其中管内机器人在国外一般统称为“管 道智能猪”( p i p e l i n ei n t e l l i g e n tp i g ，简称p i g ) ，顾名恩义即是一种在管道内爬行的机器人，一般 适用于地下燃气、燃油输送管道等较难定点探钡4 等环境。如日本工业大学航空机械系s h i g e oh i r o s e 与h i d e t a k a o h n o “。1 等人先后开发了t h e s i 、i i 、i i i 型管道内部爬行机器人，该种机器人由圆 周分布的轮子以一定的张紧力接触管壁，通过电机米驱动，并能灵巧地通过管道中的弯道部分。 日本y o k o h a m a 国立大学的c h iz h u p l 开发出了一种应用于污水排泄管道探测的管内移动机器人， 该机器人系统由四大部分组成：管道检溯机器人行走装置、作业操纵装置、用于污水采集的注射 器系统及机器人控制系统。美国卡内萋梅隆大学机器人技术学院的h a g e ns e h e m p f l 2 8 】教授在美国 国家航空和宇奇航天局( n a s a ) 的资助下成功开发了一种长距离、无缆方式的管道内爬机器人 检测装置一- - e x p l o r e r 。我国国内对管道内爬机器人的研制也很多，其中哈尔滨工业大学的邓 宗全b 。”等人先后开发过螺旋驱动式管内移动机器八与平面四点支撑的r i p - r 型管内移动机器 人。上海交通大学与云南省合作开发出一种油气管道管内自动探测机器人”“，该机器人采用平行 四边形机构的轮式驱动装置可在不同内径的管道内爬行。以上这些机器人均为通用的管道内部爬 行机器人，根据管道检测任务的不同可以配备不同内容的检铡器。目前用于焊缝检测与观察的管 道内部爬行机器人研究也相当深入1 3 2 - 3 4 ，此类机器人均配备有视频采集探测头，能够实时地将焊 缝的状态传输出来以供观察同时还配备了x 射线、漏磁等检测装置可以对焊缝进行无损探伤。 对于管道外表面的探测绝大部分也是采用外管或外壁爬行式机器人，此类机器人多数会采用 电磁或真空吸盘贴紧被探表面，机器人匹周安置四个轮子或铺上两条履带，通过拖线式电动或气 动源来驱动。如英国p o r t s m o u t h 大学的w h i t e ”博士开发了一种用于核辐射危险环境下进行焊缝检 测的爬壁机器人，该机器人采用高精密的伺服电机进行位置定位采用气动方式驱动爬行装置运 动。美国f 1 0 r i d a 州立大学的a d s 妒”博士开发了一种在危险封闭环境中进行探测的爬行机器入，该 机器人能对核反应堆中废料排泄容器的焊缝进行探测，它既耐高温也不怕高强度的核辐射。日本 东京燃气有限公司的f u j l 诅【”1 设计了一种可对圆形压力容器罐进行焊缝检测的爬行机器