一种针对大型球罐钢制容器的超声波探伤机器人的制作方法

本发明属于工业特种机器人技术领域，尤其涉及一种针对大型球罐钢制容器的超声波探伤机器人。

背景技术：

随着工业水平的发展，尤其是在石油化工产业，越来越多的大型球罐钢制容器用于工业生产，球罐被用于储存各种易燃易爆的液体和气体原料。因此，对其安全性的要求也越来越高，大型球罐容器的生产是通过各个部分的焊接进行的，会出现很多焊缝，由于焊缝引发的事故有很多，为保证生产过程的安全性，需要对球罐容器的焊缝处进行检测，检查其内部是否存在缺陷。这种检测工作量大，人工检测效率低，需在高处进行作业，具有一定的危险性。

随着机器人技术的发展，机器人被应用于各个领域，爬壁机器人可以吸附在壁面进行移动作业，用机器人代替人工完成高处作业是当前不可阻挡的趋势。

无损检测通过不破坏被测物件的手段来对被测材料进行检测，通过相应的检测指标对材料进行评价。其中，超声波无损检测方法由于其安全性好、检测精度高被广泛应用，超声波探头发出的超声波经耦合剂传入被测物体，通过反射回来的回波来分析被测物体内部状态。

技术实现要素：

针对目前工业生产中对球罐钢制容器焊缝的检测工作，本发明提出了一种针对大型球罐钢制容器的超声波探伤机器人，实现对壁面焊缝进行寻迹导航并对焊缝进行超声波探伤检测。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种针对大型球罐钢制容器的超声波探伤机器人，包括机器人本体、图像采集装置、吸附装置、探伤检测装置和控制系统；

所述图像采集装置为工业相机，安装在机器人本体上，用于拍摄球罐钢制容器壁面焊缝，并将拍摄的图像传给控制系统进行处理，实现焊缝寻迹的功能。

所述控制系统接收图像采集装置发送的球罐钢制容器壁面图像，并作如下处理：

(1)对球罐钢制容器壁面图像进行各向异性滤波处理，具体如下：

先计算图像在(m，n)点的梯度值，设i(m，n)为灰度值，(m，n)点四个方向的灰度梯度为：

根据点(m，n)的梯度值计算点(m，n)对应的扩散函数：

进行图像滤波，为扩散强度的常数，第m+1个点的像素值im+1为：

(2)图像的二值化处理：确定分割阈值，将高于阈值的点灰度值转化为255，低于阈值的点灰度值设为0；

(3)使用图像处理中的sobel算子进行边缘检测，提取图像的边缘信息；

i(m，n)为图像上(m，n)点的灰度值，则点(m，n)的3*3邻域m为：

sobel算子通过两个3*3的矩阵算子和3*3邻域进行卷积运算，分别得到横向梯度值gx和纵向梯度值gy：

点(m，n)处梯度值g为：

设置一个阈值a，当g>a时，像素为0，当g<a时，像素为255；

(4)对处理后的图像提取焊缝的中心线，根据中心线的位置自动调整电机的运转情况。

所述机器人本体包括机身框架与弹性连接结构，机身框架包括前、中、后三个部分，三个部分依次通过弹性连接结构连接，每个部分均装有两个轮子，后部分安装的轮子为主动轮，前中两部分安装的轮子为从动轮，移动过程中通过主动轮的转动来带动机器人本体的运动。

所述吸附装置为永磁体，在机身框架的底部安装五块铝镍钴系永磁合金，在前、中、后三个部分分别安装两块、两块、一块，确保机器人本体在钢制容器的导磁壁面上能够稳定吸附。

所述探伤检测装置通过支架安装在机身框架的前部，探伤检测装置包括涂抹耦合剂装置和超声探伤仪探头，涂抹耦合剂装置安装于最前端，其次为超声探伤仪探头，工作过程中，首先通过涂抹耦合剂装置对壁面涂抹耦合剂，接着使用超声探伤仪探头进行壁面的检测探伤工作；进一步地，支架通过度舵机安装在机身框架的前部，通过舵机的转动改变探伤的位置。

所述控制系统包括单片机控制系统和上位机控制系统，单片机控制系统包括控制芯片、电机驱动器、电机、电源和无线通信模块，所述控制芯片和电机驱动器安装在机身框架的中部，所述电源安装在机身框架的前部，所述电机安装在机身框架的后部，与主动轮连接；通过电源给各个部件供电，通过控制芯片给电机驱动器发出控制信号，电机驱动器根据接收到的控制信号驱动电机进行运转，实现机器人整体的前进、后退和转向功能；所述上位机控制系统用c#软件进行搭建，通过tcp通讯协议实现上位机与单片机控制系统间的通讯。

本发明具有以下优点：

1.本发明可以代替人工进行高处作业，避免了人工操作的危险性。

2.本发明在金属壁面行动灵活，工作效率高。

3.本发明可通过远程计算机进行通讯控制，控制简单方便。

4.本发明除了用于大型球罐钢制容器的检测外还可用于其他领域，例如搜救、探险等。

附图说明

图1为本发明超声波探伤机器人整体结构示意图；

图2为本发明超声波探伤机器人的轮子、电机、永磁体的安装示意图；

图3为本发明超声波探伤机器人的控制芯片、电源、电机驱动器的安装示意图；

图4为本发明控制单元硬件框图；

图5为本发明硬件部分电路图；

图6为本发明控制单元上位机界面框图；

图7为本发明超声波探伤机器人越障过程示意图；

图8为本发明超声波探伤机器人跨越直角壁面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，本发明提供的一种针对大型球罐钢制容器的超声波探伤机器人，包括机器人本体、图像采集装置、吸附装置、探伤检测装置和控制系统；机器人本体包括机身框架与弹性连接结构，吸附装置安装于机身的下部，探伤检测装置安装于机身的前部，控制系统安装于机身的内部；图像采集装置为工业相机，安装在机器人本体上，用于拍摄球罐钢制容器壁面焊缝，并将拍摄的图像传给控制系统进行处理，实现焊缝寻迹的功能。控制系统接收图像采集装置发送的球罐钢制容器壁面图像，并作如下处理：

(1)对球罐钢制容器壁面图像进行各向异性滤波处理，具体如下：

先计算图像在(m，n)点的梯度值，设i(m，n)为灰度值，(m，n)点四个方向的灰度梯度为：

根据点(m，n)的梯度值计算点(m，n)对应的扩散函数：

进行图像滤波，为扩散强度的常数，第m+1个点的像素值im+1为：

(2)图像的二值化处理：确定分割阈值，将高于阈值的点灰度值转化为255，低于阈值的点灰度值设为0；

(3)使用图像处理中的sobel算子进行边缘检测，提取图像的边缘信息；

i(m，n)为图像上(m，n)点的灰度值，则点(m，n)的3*3邻域m为：

sobel算子通过两个3*3的矩阵算子和3*3邻域进行卷积运算，分别得到横向梯度值gx和纵向梯度值gy：

点(m，n)处梯度值g为：

设置一个阈值a，当g>a时，像素为0，当g<a时，像素为255；

(4)对处理后的图像提取焊缝的中心线，根据中心线的位置自动调整电机的运转情况。

参照图2，所述机器人本体包括机身框架1与弹性连接结构2，机身框架1包括前、中、后三个部分，三个部分依次通过弹性连接结构2连接，每个部分均装有两个轮子，后部分安装的轮子为主动轮1-1，前中两部分安装的轮子为从动轮1-2，移动过程中通过主动轮1-1的转动来带动机器人本体的运动。

所述吸附装置为永磁体1-4，在机身框架1的底部安装五块铝镍钴系永磁合金，在前、中、后三个部分分别安装两块、两块、一块，确保机器人本体在钢制容器的导磁壁面上能够稳定吸附。

所述探伤检测装置通过支架安装在机身框架1的前部，探伤检测装置包括涂抹耦合剂装置4和超声探伤仪探头3，涂抹耦合剂装置4安装于最前端，其次为超声探伤仪探头3，工作过程中，首先通过涂抹耦合剂装置4对壁面涂抹耦合剂，接着使用超声探伤仪探头3进行壁面的检测探伤工作；进一步地，支架通过180度舵机安装在机身框架1的前部，可通过舵机的转动改变探伤的位置。

参照图3和图4，所述控制系统包括单片机控制系统和上位机控制系统，单片机控制系统包括控制芯片2-1、电机驱动器2-3、电机1-3、电源2-2和无线通信模块，所述控制芯片2-1和电机驱动器2-3安装在机身框架1的中部，所述电源2-2安装在机身框架1的前部，所述电机1-3安装在机身框架1的后部，与主动轮1-1连接；通过电源2-2给各个部件供电，通过控制芯片2-1给电机驱动器2-3发出控制信号，电机驱动器2-3根据接收到的控制信号驱动电机1-3进行运转，实现机器人整体的前进、后退和转向功能；一种具体的实现方式如下，但不限于此：

参照图5，控制芯片2-1为stm32f103，电机驱动器2-3为l298n芯片，电源2-2为12v直流电源，直流电源分别给stm32f103和l298n芯片供电，给stm32f103供电时需通过直流稳压芯片将电压转化为3.3v，电机1-3为12v直流减速电机，stm32f103给l298n芯片发送pwm信号，12v直流减速电机与l298n芯片连接，通过l298n芯片来控制12v直流减速电机的运转情况。

参照图6，为上位机界面框图，上位机控制系统用c#软件进行搭建，通过tcp通讯协议实现上位机与单片机控制系统间的通讯。

参照图7和图8，为机器人越障示意图，机器人本体的机身框架1分为三节，之间通过弹簧结构进行连接，当遇见障碍物3-2时，整体结构仿照蜈蚣运动的方式，遇到障碍物3-2的机身框架1会向上凸起，没有遇到障碍物3-2的机身框架1保持原来的状态，整体过程可通过弹簧结构的拉伸来实现，确保机器人本体在钢制容器壁面3-1上的稳定运行。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。