（机械设计及理论专业论文）x射线检测实时成像管道机器人技术与理论研究.pdf

摘要 摘要 目前，工程应用的一些大口径( 中6 6 0 m m ) 管道对接焊缝的无损检测设 备还都是基于x 射线照相检测技术的，与x 劓线实时成像检测技术相比，前者 具有检测成本高、检测工艺复杂、难于实现自动化、不能在线评定焊缝缺陷等 缺点。在当前的技术水平条件下，已提出了管道无损检测自动化和机器人化的 要求。而管道机器人是完成管道对接焊缝检测最有效的设备。在国家“8 6 3 ”计 划项目“x 射线检测实时成像管道机器人的研制”( 项目编号2 0 0 1 a a 4 2 2 4 1 0 ) 的支持下，对x 射线检测实时成像管道机器人( x r a yi n s p e c t i o n r e a l - t i m e i m a g i n gp i p e l i n er o b o t ，简称x r a yi r t i p 机器人) 的几项关键技术与理论和涉 及的x 射线实时成像检测技术进行了深入系统的研究。 在所研制的管道机器人中，采用局部自主加远程遥控的控制方式完成工艺 检测任务。首先，机器人在基于多传感器的焊缝自主寻址与定位技术控制下， 完成高效率、高精度和高可靠性的焊缝寻址与定位。与以往的方法相比，该定 位方法具有无射线污染、高效率和高可靠性等优点。然后，机器人在同步旋转 控制技术控制下完成焊缝的透照和焊缝图像的采集。 对于小焦点、定向射束的x 射线实时成像检测技术中管内外同步旋转运动， 文中提出了一种特殊的同步旋转控制方法。该方法以x 射线为视觉源，利用基 准铅丝x 射线图像传递机器人管内外旋转机构同步控制信息，从而实现了所要 求同步旋转运动。该项控制技术具有独创性，并已得到试验验证，为在工程管 道焊缝检测中实现小焦点、定向射束x 射线实时成像检测自动化提供了技术保 证。 以全主动驱动的轮式管道机器人为研究对象，对其弯道通过性进行了理论 研究。提出了用一组组合约束( 几何约束和运动约束) 来描述管道机器人的弯 道通过性的数学模型。采用空问机构刚体位移矩阵的分析方法确定运动约束中 的旋转曲率半径，给出了数值仿真结果。所提出的管道机器人弯道通过性的数 学描述，是其弯道导航策略设计和相应结构设计准则的理论基础。文中给出了 虚拟样机仿真结果。 对管外移动( 或行走) 机器人的基本结构进行了运动综合。同时，为实现 小焦点x 射线实时成像检测技术中的同步旋转运动，提出了一种新型管外旋转 机构，对影响机构性能的诸多因素进行了数值分析，并给出了相应的设计准则。 样机试验表明设计理论正确可行。 哈尔滨工业大学t 学博l 学位沦文 对x 射线实时成像检测技术中焊缝成像问题，从图像放大倍数、管道曲率 的影响以及定位、运动精度等，l 方砸进行了较深入的研究。在数值分析的基础 上，得到相关结论，提出了相应结构和机构的设计准则。 对机器人产业化关键问题之一一可靠性进行了较深入地研究，提出了一种 机器人可靠性分析的模糊评价方法，对所研制的管道机器人可靠性进行了模糊 评价，数据分析结果表明，所研制的机器人硬件系统可以满足产品化的要求。 最后，完成了x r a yi r t i p 机器人样机制造，并已通过国家“8 6 3 ”专家组 验收。 关键词管道机器人；x 射线：实时成像；同步控制技术；导航策略；可靠性 i i a b s t r a c t a b s t r a c t n o w t h e i n s p e c t i o ne q u i p m e n t so f n d t ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t ) ，u s e d i n t h e b u t t w e l do f b i g c a l i b e rp i p e l i n e ，a r eu s u a l l yb a s e do nt h et e c h n i q u eo f x r a yr a d i o g r a p h y c o m p a r e dw i t ht h et e c h n i q u eo fx - r a yr e a l t i m ei m a g i n gi n s p e c t i o n ，t h et e c h n i q u e o f x r a yr a d i o g r a p h yi sw i t hh i g hc o s t s ，c o m p l e xi n s p e c t i o nt e c h n o l o g ya n d d i f f i c u l t t or e a l i z ea u t o m a t i o n u n d e rc u r r e n tt e c h n i q u ec o n d i t i o n ，t h er e q u e s to fa u t o m a t i o n o rr o b o t i z a t i o ni nn d to fp i p e l i n eh a sb e e np r e s e n t e d f u r t h e r m o r et h ep i p e l i n e r o b o ti st h em o s te f f e c t i v ee q u i p m e n tt oi n s p e c tb u t tw e l do f p i p e l i n e s o ，s u p p o s e d b yt h eh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a “x - r a y i n s p e c t i o nr e a l t i m ei m a g i n gp i p e l i n er o b o t ( x r a y i r t i p r o b o t ) d e v e l o p m e n t ” ( s e r i a ln u m b e r ：2 0 0 1 a a 4 2 2 4 1 0 ) t h e p a p e r h a ss t u d i e do ns o m ek e y t e c h n i q u e sa n d t h e o r i e so f t h er o b o ta n d x - r a y r e a l - t i m ei m a g i n gi n s p e c t i o n t h er o b o ta d o p t sl o c a la u t o n o m o u sc o n t r o la n dl o n g r a n g er e m o t ec o n t r o lt o a c c o m p l i s ht h ei n s p e c t i o nt a s k ，i no t h e rw o r d s ，t h er o b o t ，u n d e rt h ec o n t r o lo f w e l d s e a ma u t o n o m o u s s e e k i n g a n d l o c a t i n gt e c h n i q u e b a s e do n m u l t i s e n s o r , a c c o m p l i s h e sw e l ds e a ms e e k i n ga n dl o c a t i n g t h et e c h n i q u eh a ss o m ea d v a n t a g e s o fn or a d i o a c t i v e p o l l u t i o n ，h i g he f f i c i e n c y , h i g ha c c u r a c y a n dh i g h r e l i a b i l i t y c o m p a r e d w i t ho t h e rm e t h o d s t h e nt h er o b o ta c c o m p l i s h e sr a d i a t i n gw e l ds e a ma n d c o l l e c t i n gi t si m a g e sw i t ht h es y n c h r o f o l l o wc o n t r o lt e c h n i q u e t h eo p e r a t i o n o fx r a ys y s t e mg o e s o i lb yt h ew a yo f r e m o t ec o n t r o l l i n g a i m i n gt h ei n p i p ea n do u t - p i p es y n c h r o - r o t a t i n ga b o u ts m a l l - f o c a ls p o tx r a y r e a l t i m e i m a g i n gi n s p e c t i o nt e c h n i q u e ，t h e s p e c i a ls y n c h r o r o t a t i n g c o n t r o l t e c h n i q u ei sp r e s e n t e d t h ec o n t r o lt e c h n i q u et a k e sx - r a ya s v i s i o ns o u r c ea n d u t i l i z e st h ei m a g eo fb e n c h m a r kl e a dw i r et ot r a n s m i ts y n c h r o c o n t r o li n f o r m a t i o n b e t w e e nt h ei n p i p ea n do u t p i p er o t a r ym e c h a n i s mo ft h er o b o t ，t h u st h er e q u i r e d s y n c h r o r o t a t i n gm o t i o nw i l lb er e a l i z e d t h ec o n t r o lt e c h n i q u eh a st h eo r i g i n a l i t y a n db e e n p r o v e d i n t e s t ，i t i st h e t e c h n o l o g y a s s u r a n c et h a tt h e i n s p e c t i o n o f s m a l l f o c a ls p o tx - r a yr e a l - t i m ei m a g i n gr e a l i z e sa u t o m a t i o ni np i i ) e l i n e t h ep i p e l i n er o b o to fa l l - d r i v e nw h e e l si s r e g a r d e da s r e s e a r c ho b j e c ta n d t h e o r e t i c a la n a l y s i so f t r a v e l i n g c a p a b i l i t yi ne l b o w b e n dp i p eh a sb e e nc a r r i e do n o n e g r o u po f c o n s t r a i n t si sp r e s e n t e dt od e p i c tt h er o b o t st r a v e l i n g p e r f o r m a n c ei n i i 哈尔滨丁业人学工学博上学位论文 e l b o wb e n dp i p e t h ea n a l y t i c a lm e t h o do fm a t r i xi s a d o p t e da b o u tr i g i db o d y d i s p l a c e m e n to fs p a c em e c h a n i s mt o d e t e r m i n et h ec u r v a t u r er a d i u si nm o t i o n c o n s t r a i n t ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r eg i v e n t h eg r o u po f c o n s t r a i n t si st h e d e s i g nc r i t e r i o n so fs t e e r i n g i ne l b o wb e n dp i p ea n ds t r u c t u r eo ft h er o b o t t h e s i m u l a t i o no fv i r t u a l p r o t o t y p e ，b a s e d o na b o v e - m e n t i o n e d t h e o r y , h a s b e e n a c c o m p l i s h e d s o m eb a s i cs t r u c t u r e so fo u t p i p er o b o th a sb e e ns y n t h e s i z e do nt h eb a s i so f k i n e m a t i c s i no r d e rt or e a l i z et h e s y n c h r o n o u sr o t a t i o n m o t i o ni nt h ex - r a y r e a l t i m ei m a g i n gi n s p e c t i o nt e c h n i q u e ，o n en e w t y p eo u t - p i p er o t a r ym e c h a n i s m i s p r o p o s e d f a c t o ri n f l u e n c i n g m e c h a n i s mp e r f o r m a n c ea r e a n a l y z e d i nn u m e r i c a n a l y s i sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g nc r i t e r i o n sa r ep r o v i d e d t h et e s tr e s u l t sp r o v e t h ep r o t o t y p e sd e s i g n t h e o r yi sc o r r e c ta n d f e a s i b l e ， a i m i n gt h ep r o b l e mo fw e l ds e a mi m a g i n gi nt h ex - r a yr e a l - t i m ei n s p e c t i o n t e c h n i q u e ，s e v e r a l i n f l u e n c ef a c t o r , s u c ha st h e i m a g em a g n i f i c a t i o n ，p i p e l i n e c u r v a t u r e ，p r e c i s i o no fm o t i o na n dl o c a t i o na n dt h ei n c l i n eo fi m a g i n g p l a n e ，h a v e b e e ns t u d i e dd e e p l y n u m e r i c a la n a l y s i si sg i v e n ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d b a s e do nt h ec o n c l u s i o n s ，t h ed e s i g nc r i t e r i o n so fs t r u c t u r eh a v eb e e np r o p o s e d o n eo f k e yp r o b l e m sa b o u ti n d u s t r i a l i z a t i o no f r o b o ti sr e l i a b i l i t yo fr o b o t s o t h er e l i a b i l i t yo fr o b o th a sb e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r t h ef u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d o f r e l i a b i l i t ya n a l y s i so f r o b o ti sp u tf o r w a r d ，a n dt h ef u z z ye v a l u a t i o ni sa p p l i e df o r t h ex r a yi n s p e c t i o nr e a l - t i m ei m a g i n gp i p e l i n er o b o t i tc a ns a yt h a tu n d e ru pt o d a t et e c h n o l o g yt h ed e v e l o p e dr o b o tc a nr e a c hh i g hr e l i a b i l i t ya n dm e e tt h er e q u e s t o ft h ec o m m e r c i a l i z a t i o nb a s e do nd a t aa n a l y s i s f i n a l l y , t h ep r o t o t y p eo fx r a yi r t i pr o b o th a sb e e nm a n u f a c t u r e d ，a n dt h e r o b o th a sa l r e a d yc h e c k e da n da c c e p t e d b y t h ee x p e g so f h i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m o fc h i n a k e y w o r d sp i p e l i n er o b o t ，x r a y , r e a l - t i m ei m a g i n g ，s y n c h r o c o n t r o lt e c h n i q u e s t e e r i n gs t r a t e g y , r e l i a b i l i t y 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 机器人诞生于本世纪8 0 年代初。到了9 0 年代，随着计算机技术、微电子 技术、网络技术的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展，并已成为热点技 术。各种用于非制造业的机器人也有了长足的进展，如海洋开发、宇宙探测、 采掘、管道检测、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出或实现了自 动化和机器人化的要求。特别是管道机器人技术，无论是其机械结构还是其自 主控制技术也得到了很大的发展。 管道机器人技术最显著的应用之一就是与无损检测技术相结合而研发的自 动化检测设备，并随着这两项技术的各自最新进展，而诞生了一些新的无损检 测自动化设备。 1 2 机器人技术综述 1 2 1 机器人的热点技术 非制造业的机器人与制造业的相比，主要特点是工作环境的非结构化和不 确定性，因而对机器人的适应性要求更高。机器人在以下几个方面正在成为热 点技术。 ( 1 ) 机器人机械本体对机器人机械本体采用有限元分析、模态分析及仿 真设计等现代设计方法实现了优化设计。德国k u k a 机器人公司，已将某种机 器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，同时探索 新的高强度轻质材料( 如轻质铝合金材料的应用) ，进一步提高负载自重比， 大大提高了机器人的性能1 1 2 】。 同时机械结构向模块化、可重构方向发展。如关节模块中的伺服电机、减 速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整 机【3 。6 j 。同时开展机器人新型机构的研究。 利用并联机构与机器人技术相结合，实现高精度测量、加工和微驱动、微 操作，这是机器人技术向数控技术的拓展。为实现机器人和数控技术一体化奠 哈尔滨工业学丁学博士学位论义 定了基础。意大利c o m a u 公司，日本f a n u c 等公司已开发出了此类产品 7 - 9 1 。 而微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。 微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技 术、通信技术以及行走技术等方面【l “j 。 ( 2 ) 机器人控制技术在控制系统设计上，当代机器人发展特点不是追求 全自治系统( 可靠性低) ，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即由遥 控及监控技术和机器人自主技术构成完整的监控、遥控操作系统 1 3 - 1 8 l ，使智能 机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就 是这种系统成功应用的最著名实例。同时，机器人控制系统的性能进一步提高， 已实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，基于图形操作的界面也 已问世，某些领域的离线编程已实用化 2 , 7 , 9 1 。 机器人控制系统向着基于p c 机的丌放型控制器方向发展，以便于标准化、 模块化、网络化。器件集成度提高，控制柜小巧，大大提高了系统的可靠性、 易操作性和可维修性 1 9 - 2 2 1 。 多智能体( m u l t i a g e n t ) 协调控制技术是目前机器人控制研究的一个崭新 领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学 习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 ( 3 ) 多传感系统为提高机器人的自主性和适应性，多种传感器的组合使 用是其问题解决的关键l l ”1 - 1 2 , 17 1 。而多传感器的成功应用关键在于有效可行的 多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感 器融合算法。日本k a w a s a k i 、y a s k a 、a 、f a n u c 和瑞典a b b 、德国k u k a 、 r e i s 等公司皆推出了多传感产品，应用于装配、焊接生产线的机器人和遥控机 器人中。 ( 4 ) 可靠性i f r ( 国际机器人联合会) 1 9 9 0 2 0 0 0 年调查【2 3 】显示：出于 微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了 很大提高。过去机器人的可靠性m t b f 一般为几千小时，而现在已达到5 力i 小 时，几乎可以满足任何场合的需求 9 , 1 1 1 。 我国机器人技术除了应用的水平、应用领域和应用规模上和国外比还有一 定的距离，还有一个特点是可靠性低于国外产品。机器人的智能化应是安全可 靠的，除了要求机器人应具有对各种意外情况应变的能力、能及时采取预防措 施和安全对策以及人机系统的自诊断和自修复故障外，还要求组成机器人的系 统( 包括硬件、软件、) 是可靠的。文献 2 4 1 提供了组数据：进口的弧焊机器 人1 3 能完全正常运转、充分发挥效益：1 3 处于负荷不满或不能完全正常运转 第1 章绪论 状态，原因是生产管理及使用维护问题；还有1 3 不能正常使用，总量达2 3 的机器人不能可靠地工作，这是惊人的浪费。 可靠性低的原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是 应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用 化程度低、控制系统( 包括软硬件) 和关键零部件( a c 伺服系统、r v 减速器、 关键轴承等) 可靠性不过关【2 “、成本也高，而引起质量、可靠性不稳定。因此 迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通 用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 除了上述几方面的热点技术以外，虚拟机器人技术、软机器人技术、仿人 和仿生技术、机器人远程操作技术等也在各自的应用领域展开研究。 在国家“十五”规划中已将遥控加局部自主系统构成和控制策略研究、基 于多传感器的智能移动机器人的导航和定位技术研究、机器人化机械列入重点 攻关项目。其内容包括导航和定位系统的系统结构；在结构环境或非结构环境 中导航和定位方法研究：感知系统的传感器和信息处理系统的构成和多传感器 信息融合技术；根据传感器数据建立环境模型的方法：模糊逻辑的推理方法用 于移动机器人导航的研究。 1 2 2 管道机器人发展综述 管道机器人分为管内应用和管外应用两种结构形式，分别实现管内或管外 运动的设计要求。 1 2 2 1 管外机器人法国的j v e r t u t 早在2 0 世纪7 0 年代提出了轮腿式管外 ( 内) 轴向行走机构模型i p r i v ( i np i p er e m o t ei n s p e c tv e h i c l e ) 2 6 ，见图卜1 。 机构采用轮腿式结构，以轮作为行走构件，以腿作为支撑构件，通过腿的张合 运动抱紧和松开管道而驱动机构前进。 在此基础上日本的细贝( h i d e m ih o s o k a i ) 和福田( t o s h i of u k u d a ) 2 0 世 纪8 0 年代提出了一种模块关节手臂式的m a r k m 管外轴向行走机构 2 7 捌，见 图1 - 2 。并在9 0 年代做出了改进【2 9 ，它通过手臂交替的抱紧管道而驱动机构前 进。除了能沿管道外部爬行以外，还能跨越法兰、t 型和l 管道、相邻管道。 9 0 年代又提出了m a r k i v 管外行走机构【3 ，见图1 3 ，采用两条相互垂直的可 滑动的柔性臂，其中一条柔性臂紧贴着管道沿轴向布置，另一条周向布置，臂 上的吸盘可吸附在管道外表面上，两臂交替滑动而驱动机构前进。 图1 - 4 是北京富急公司经销的一种割管机，由一种张紧在管道上的传动链 实现机构周向回转运动。 哈尔滨t 业大学工学博士学位论文 美国e n v i s i o n 1 公司2 0 0 0 年设计推出的一些小型管外轴向行走机构，见图 - 赫日i 相哺l 图1 - 1i p r i v 结构图 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo f i p r i v 图l - 3 m a r k i v 结构图 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo f m a r k i v 艘 图1 - 2m a r k m 结构图 f i g 1 - 2t h es t r u c t u mo f m a r k m 图l 一种割管机 f i g 1 - 4t h ec u t t e ro f p i p e l i n e 1 - 5 a ) ，多采用磁性轮结构，实现轴向行走，并可作小范围内周向运动。图1 5 b ) 是一种周向爬行器，它利用一条金属软带紧箍在管道上作为轨道，通过齿轮齿 条由行走轮带动车体沿金属软带上行走，从而驱动仪器作旋转运动，承载力较 低。国内三磊电子公司 3 2 1 提出了一种依靠结构的弹性变形实现周向行走的管外 旋转机构，见图1 6 ，但不能适应管径的变化，承载力也较低。 图1 7 是一种超声波检测用的管外爬行器，它依靠磁性传动链与齿轮的啮 合实现管外周向运动的，爬行器上安装有行走轮。 西班牙学者利用s t e w a r t - g o u g h 并联机构做出一种攀登机器人 3 3 - 3 7 】，见图 1 _ 8 不仅能爬水平管，还能爬立管。该攀登机器人主要由上下两个圆环、六个 直线驱动器、夹钳和球铰组成。攀登时首先由夹钳固定一个圆环于管道上，之 第1 章绪论 小 a ) 图1 - 5e n v i s i o n 产品 f i g 1 5t h ep r o d u c t so f e n v i s i o nc o r p 图1 - 6 三磊公司产品 f i g 1 6t h ep r o d u c t so f s a n l e ic o r p 图l - 7 一种管外爬行器 f i g 1 - 7t h ec r a w l e r - 5 - 图1 - 8 种管外行走的并联机器人 f i g 1 - 8t h ep a r a l l e lp i p e l i n er o b o t 堕i ：鎏王、业查堂三兰堡主兰垡兰苎 后另一个圆环上的夹钳被释放，并按规划的路径，由六个直线驱动器驱动该圆 环沿管道运动，上述过程交替进行完成攀登任务。 由这些不同时期的管外行走机构结构可见，有的针对自由度实现问题，有 的是针对具体工程应用而设计的。 1 2 2 2 管内机器人是国内外管道机器人研究者重点研究内容，为实现管内运 动提出了各种不同的管内机器人结构形式，也已取得了显著成果【3 8 】。哈尔滨工 业大学管道机器人课题组至2 0 世纪8 0 年代，一直从事管内机器人的研究工作， 图卜9 是哈尔滨工业大学管道机器人课题组研发的管内机器人样机1 3 9 州，已成 功应用于管内喷涂、补口和油管内表面淬火管道机器人中。 图1 - 9 管内机器人样机 f i g 1 - 9t h ep r o t o t y p e s o f p i p e l i n er o b o t 1 3 管道x 射线检测技术最新进展 1 _ 3 1x 射线照相检测技术 目前，工程中应用的管道对接焊缝无损检测方法都是基于x 射线照相检测 技术的i3 8 】，其检测原理如图1 1 0 所示。左图是外部透照法，采用定向x 射线 源从管道外侧透照，在管道另一侧的胶片上感光成像，每道环型焊缝的检测需 转换多次x 射线源的透照角度。应用于小管径管道对接焊缝的无损探伤，该方 法存在双层壁投影而导致评片困难的特点。右图是内部透照法，智能移动载体 携带周向x 射线源进入管道，将x 射线源焦点对准于管道环状焊缝处，然后在 第1 章绪论 ( a ) 外部透照法( b ) 内部透照法 图1 1 0x 射线照相检测原理 f i g 1 - 1 0t h ek e t c ho f x - r a yr a d i o g r a p h y 管内发射x 射线，在管外预先贴好的一周感光胶片上曝光成像。内部透照法具 有工作效率高、成像质量好、可应用智能化载体等特点，适用于中( 大) 管径、 长距离管道检测，是目前流行的管道对接焊缝无损探伤方法。 2 0 世纪9 0 年代，英国、法国和比利时研发的基于x 射线照相检测技术的 典型设备一管道检测机器人，如图1 - 1 1 所示。 a ) 英国j m e 射线检测机器人 b ) 比利时a i b 射线检测机器人 c ) 法国i r i s1 0x r a y 射线检测机器人 图i - l1 管道射线检测机器人 f i g 1 - 11t h er a d i a li n s p e c t i o np i p e l i n er o b o t 哈尔演t 业大学工学博十学位论文 哈尔滨工业大学于2 0 0 0 年研制成功的野外大口径管道对接焊缝x 射线探伤 机器人样机，如图1 1 2 所示。该机器人采用c c d 实现精确定位。 图1 1 2 管道射线检测机器人 f i g 1 1 2t h er a d i a li n s p e c t i o np i p e l i n er o b o t 1 3 2x 射线实时成像检测技术 x 射线实时成像检测技术主要有两大类：一种是基于x 射线图像增强器的 实时成像技术的，如图1 1 3 所示。被检测件的x 射线图像经图像增强器成像 后，由图像采集系统采集并传输到计算机中。一种是x 射线数字实时成像检测 图l 一1 3 基于图像增强器的x 射线实时成像检测系统 f i g - 1 _ 1 2 x r a yr e a l _ t i m e i m a g i n g i n s p e c t i o ns y s t e m b a s e d o n i m a g e i n t e n s i f i e r 技术，如图1 1 4 所示，亦称为x 射线数字照相。被检测件的x 射线图像经由 c m o s 数字成像板成像后，直接转化为数字信号并传输到计算机中。 8 图1 - 1 4x 射线数字照相检测系统 f i g 1 - 1 4t h es k e t c ho f d i g i t a lx r a yr a d i o g r a p h ys y s t e m 两者的差别在于成像器件的不同，图1 1 5 和图1 1 6 分别为一种德国 y x l o n 公司x 射线图像增强器和美国e n v i s i o n 公司c m o s 数字平板成像 器。 图象增强器诞生于2 0 世纪5 0 年代初，经过几十年的发展，主要是改进图 像增强器输入屏材料以提高亮度。现在图象增强器的亮度增益提高了1 0 几倍， 第l 章绪论 图1 1 5 图像增强器 f i g 1 - 1 5t h ei m a g ei n t e n s i f i e r 图l - 1 6c m o s 数字成像板 f i g 1 1 6t h ec m o sd i g i t a l - i m a g i n gb a o r d 亮度增益高达1 0 0 0 0 以上，输出屏上的图象亮度可达0 3 10 3 c d m 2 。图象 增强器动态范围的典型值为2 0 0 0 ：1 ，中心分辨力典型值为4 0 6 0l p c l l l 以 上。在中等厚度范围内，其象质计灵敏度已接近胶片x 射线照相的水平，且性 能指标稳定，极大地促进了x 射线实时成像检测技术的工业应用。 由表1 - 1 可见【4 7 1 ，荧光屏实时成像系统的灵敏度和分辨率都很高，但需要 低照度超高灵敏度摄像机；半导体检测器阵列( 一种数字化实时成像检测系统) 的分辨率很高，但灵敏度很低，不能满足一般探伤的质量标准要求；而x 射线 表1 - 1 主要x 射线实时成像系统性能比较 系统荧光屏 x 射线闲x 射线图像半导体检测敏x 射线光 烁晶体 增强器器阵列导摄像管 分辨率l p m i l l 。1 4 51 052 02 0 对比灵敏度， 212 1 05 适宜能量k v2 5 - 3 0 02 5 1 0 0 05 - 1 0 0 02 0 1 5 02 0 - 2 5 0 最佳能量l k v 1 2 02 0 0 1 0 01 0 07 5 对x 射线敏感性低中高中低 使用寿命，年1 0未定3未定5 图像增强器实时成像系统的分辨率和灵敏度都比较高。由表中可见，若增强器 输入屏材料采用x 射线闪烁晶体完成射线到可见光的转换，则其分辨率和灵敏 度还可以大幅度提高。 而c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es i l i c o n ) 图像传感器和c c d 图像传 感器在2 0 世纪7 0 年代同时起步，9 0 年代，随着大规模集成电路设计与制造技 术进入深亚微米阶段，沉寂多年的c m o s 图像技术重新被启动。2 0 0 1 年美国 圣克拉拉的r a d i c o ni m a g i n g 公司才推出其商品化成像部件一r a d e y e2 型大面 积图像传感器。该成像器的有效面积仅为4 9 2 m m x 4 9 2 m m ，由1 0 2 4 x 1 0 2 4 矩阵 式硅光敏二极管构成，像元中心距为4 8 9 r n ，动态范围 1 0 0 0 0 ：1 ，极限分辨率 哈尔滨工业人学工学博+ 学位论文 达4lp i n m 。2 0 0 2 年美国e n v i s i o n 公司最新生产了x ym i n i 数字化x 射 线检测系统( e n v i s i o n s c a ng w - 2 ) ，参见图1 5 b ，可在一秒内获得被检工件的高 质量的图像，工件厚度从薄的胶片到1 0 m m 的钢板。此系统采用c m o s 图像处 理技术( 图像分辨率达8 0 微米) ，比c c d 技术的精确度高1 0 倍。但检测范围 较小，仅为2 5 x 3 6 m m 。价格也很贵，约1 0 万美元，台。 虽然x 射线数字实时成像检测技术的显像元件的像元尺寸达到极小，因而 成像质量及分辨率优于基于图像增强器的x 射线系统，但目前市场上的c m o s 图像传感器，一直没有摆脱光照灵敏度低、信噪比低和图像分辨率低的缺点， 且受该系统检测面积小、透照厚度薄等因素的影响，x 射线数字实时成像检测 技术的检测系统还只能应用于密度较小、尺寸也较小的被检工件 4 7 4 8 】。同时由 于价格因素的影响，这种数字实时成像检测系统在国内工业中几乎还未得到使 用。在国外，这种系统也仅在美国、德国等国家得到应用。 尽管如此，随着c m o s 技术的不断完善，x 射线数字照相是x 射线时实 成像检测技术最终发展目标，也必将在我国得到应用。 比较两种x 射线实时成像检测技术，当采用微( 小) 焦点x 射线机成像、 高清晰度图像增强技术、高分辨率数字采集技术和计算机数字化图像处理技术、 高分辨率图像显示技术以及采用投影放大的透照工艺时，并考虑到经济性，可 以说，基于x 射线图像增强器的实时成像技术，就目前技术水平而言，比x 射 线数字实时成像检测技术更具有工程意义，并且，其成像质量与胶片照相底片 相当甚至更好， 1 3 3 典型的x 射线实时成像系统 目前国外已有较成熟的小焦点x 射线实时成像检测系统，如德国y x l o n 公司m g 系列、s m a r t 系列的恒压x 射线实时成像系统，如图1 1 7 所示，性 能指标都很优秀。射线能量在1 6 0 2 2 0 k v ，焦点尺寸为0 4 m m 0 4 m m ，已 能满足工业管道的无损检测质量要求。 m g 系列的x 射线实时成像检测系统体积较大，只能应用于管道直径大于 4 ，9 0 0 m m 的管道检测；而s m a r t 系列体积较小，可应用于管道直径大于毋 4 5 0 m m 的管道检测。 综上所述，x 射线照相检测技术与x 射线实时成像检测技术根本差异，在 于成像方法的不同，因此，前者与现在先进的小焦点定向射束的x 射线实时成 像检测技术在技术和经济性上还有质的差别【4 7 5 0 l 。前者具有检测成本高、检测 工艺复杂、难于实现自动化、不能在线评定焊缝缺陷等缺点。现有的管道机器 第1 章绪论 图1 1 7 德国y x l o nx 射线实时成像系统 f i g 】- 1 7 t h e x - r a yr e a l l i m e i m a g i n gs y s t e mo f y x l o n i n g e r m a n y 人技术水平已允许x 射线实时成像检测技术产品化，并且，管道无损检测工程 中已提出了应用x 射线实时成像检测技术的要求，以提高检测效率和经济性。 1 4 课题来源及目的意义 课题来源于国家“8 6 3 ”项目：“x 射线检测实时成像管道机器人的研制” ( 项目编号：2 0 0 1 a a 4 2 2 4 1 0 ) 。 课题的研究将在以下几个方面做出有意义的工作。 ( 1 ) 研制一台基于x 射线实时成像检测技术的、应用于野外大口径管道( 毋 6 6 0 妒1 4 0 0 ) 对接焊缝无损检测的机器人样机，并对其中关键的检测工艺问题 和相应的管道机器人技术进行系统地理论研究。并为该项技术产业化做一些前 沿基础工作。 根据国外积累的管线维修数据，管道安全策略的投资情况如表1 2 所示【5 ”。 可见对管线进行主动维护是最佳作法，即在管线铺设施工中作好质量检测，消 灭一切可能缺陷是提高管线使用寿命和使用安全性的重要措施。因此，世界发 达国家对管道施工过程中的质量检测和无损探伤自动化设备的重视程度很高。 表1 - 2 三种管道安全策略成本比较 采取的措施更换管道被动维护 主动维护 投资成本( $ k i n ) 1 0 0 0 0 0 05 0 0 0 0 0 1 2 6 0 0 目前，基于图像增强器的、小焦点定向射束x 射线实时成像检测技术的管 道机器人还未有同类产品出现。 堕叠鎏三些查兰三兰堡主兰生丝苎 ( 2 ) 取代工程中应用的基于x 射线照相检测技术的探伤设备，以提高经济 效益。 x 射线照相检测技术消耗的胶片和洗片成本是很高的，相应的x 射线实时成 像检测技术消耗的储存介质一光盘的成本是极低的。资料研究表明【4 9 1 ：1 0 0 公里 庐1 1 1 8 m m 管道的x 射线照相检测，直接消耗的胶片成本近2 1 0 万元，而x 射线 实时成像检测直接消耗的成本不到5 0 0 0 元。一套x 射线检测实时成像管道机器 人的成本大约在百万元之间，由于设备配置选择不同，价格会有些浮动。可见， 1 0 0 公里管道检测节省的胶片费用就可以一次性收回投资。 ( 3 ) 课题研究的一些关键机器人技术具有通用性，也可用于x 射线数字化 实时