基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人

摘要

本发明提供一种基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人，包括车架二、Mecanum轮二、伺服电机二、前循迹传感器二、后循迹传感器二、数字平板、永磁磁铁二和运动控制盒二，运动控制盒二设于车架二上，前循迹传感器二设于车架二的前端，后循迹传感器二设于车架二的后端，车架二的中部设有数字平板，数字平板设于车架二的底部，车架二的两侧分别设有Mecanum轮二，伺服电机二连接运动控制盒二，车架二的底部两侧分别设有永磁磁铁二；该机器人可进行全方向移动，即除了能实现进退、横移、原地转弯外，还能实现围绕任意一点进行旋转运动，尤其在电站锅炉、球罐、立式储罐等大型在役承压特种设备中，可以大大提高机器人对设备曲表面上焊缝检测的灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人。

背景技术

我国是承压特种设备制造大国，承压特种设备制造数量居世界第一。承压特种设备是工业的基础装备，石化、电力、航空航天等各个行业，以及国防、民生各个领域均需要各种承压特种设备。提高我国承压特种设备的国际竞争力，制造能力和产品质量，具有战略意义。

无损检测是承压特种设备制造质量把关的关键手段，又是制约生产能力的瓶颈。目前国内承压特种设备制造中，焊缝无损检测的70%采用胶片射线照相法。该方法检测工期长，效率低，图像保管和复制困难，且消耗大量石油、银资源，还产生暗室废液污染环境，因此急需改进和提高。

数字平板射线照相是近十年发展的无损检测新技术，具有检测速度快，效率高，灵敏度高，图像保存、复制和调用方便，节能环保等优点。但由于数字平板射线照相技术的数字平板探测器无法像胶片一样贴在容器内壁，所以该技术无法采用单壁透照方式在中等直径到大直径容器焊缝检测中应用，目前只能采用双壁透照方式检测直径1m以下的管道和气瓶的焊缝。

近年来，特种设备数量不断高速增长。这就对保证特种设备高质量、高效率、高水平的检验检测提出了新的挑战。目前，国内外大型球罐、立式储罐等在役承压特种设备的自动化数字射线检测工艺装备存在空白，且现有的检测机器人对设备曲面上焊缝检测的灵活性相对不足，不能满足需求。

如专利号为ZL200510018933.4公开的一种检测机器人，对于大型球罐、立式储罐由于无法定位在被检测对象体上，无法实现检测。

如申请号为201410005169.6公开的一种储罐焊缝X射线检测机器人，只能够实现横向与纵向移动，不能任意方向移动或旋转，灵活性不足，且需要额外的部件来辅助以实现机器人的移动与定位。

承压特种设备涉及公共安全，对质量要求高，需要先进的无损检测技术保驾护航，应提高承压特种设备制造能力和质量水平，同时提高我国无损检测技术水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人存在的大型球罐、立式储罐等在役承压设备的自动化数字射线检测工艺装备存在空白，且现有的检测机器人对设备曲面上焊缝检测的灵活性相对不足，不能满足需求等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人，包括车架二、Mecanum轮二、伺服电机二、前循迹传感器二、后循迹传感器二、数字平板、永磁磁铁二和运动控制盒二，运动控制盒二设于车架二上，前循迹传感器二设于车架二的前端，后循迹传感器二设于车架二的后端，车架二的中部设有数字平板，数字平板设于车架二的底部，车架二的两侧分别设有Mecanum轮二，Mecanum轮二连接有伺服电机二，伺服电机二连接运动控制盒二，车架二的底部两侧分别设有永磁磁铁二。

进一步地，Mecanum轮二的数量均为四个，Mecanum轮二分别设于车架二的四个端部。

进一步地，该数字平板探测器端机器人设置在被检测对象的一侧，被检测对象如球罐等人孔处即出入口位置设有WiFi中继器。

进一步地，车架二为由若干纵筋与若干横筋垂直设置而成的方形结构。

进一步地，永磁磁铁二与被检测对象间分别设有间隙，即永磁磁铁二的最底面高于Mecanum轮二的最底面，永磁磁铁二与被检测对象的距离大于Mecanum轮二与被检测对象的距离。

进一步地，车架二设有悬架隔振装置，包括柔性单元、水平机构，柔性单元的一端设于磁铁固定座的顶部平台，柔性单元的另一端活动连接车架固定座，磁铁固定座的底部连接有永磁磁铁二，车架固定座通过水平机构连接轴承座的凸台，轴承座与磁铁固定座分别通过螺栓连接伺服电机二，磁铁固定座与伺服电机二间设有电机固定板，伺服电机二通过轮轴连接Mecanum轮二。

进一步地，水平机构采用一个以上的H型连杆，一个以上的H型连杆平行安装且位于同一竖直面上构成平行四连杆机构，H型连杆的两端分别通过销轴连接车架固定座的凸台、轴承座的凸台。

进一步地，柔性单元通过螺栓固定在磁铁固定座的顶部平台和压板间，柔性单元由若干片弹簧叠加构成，片弹簧包括设于中间的长片簧，片弹簧的长度由长片簧向两端递减，长片簧间隙配合在固定座的空槽内。

本发明的有益效果是：

一、该种基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人，采用全方位Mecanum轮结构，基于四个Mecanum轮的全方位移动机器人通过磁吸附在球罐表面，并携带数字射线检测系统对焊缝进行检测，能够实现在球罐等被检测对象表面的全方向移动，机器人可以灵活地检测各种走向的焊缝。

二、该种基于Mecanum轮的数字射线检测数字平板探测器端机器人，能够多自由度的自动跟踪焊缝，能够实现高灵敏度高可靠性，高效低成本，节能环保，可以取代胶片照相，实现承压特种设备制造的检测技术升级。

三、该种检测机器人，可进行全方向移动，即除了能实现进退、横移、原地转弯外，还能实现围绕任意一点进行旋转运动，尤其在电站锅炉、球罐、立式储罐等大型在役承压特种设备中，可以大大提高机器人对设备曲面上焊缝检测的灵活性。

四、该检测机器人可实现数字平板射线检测技术在4m以上直径承压设备的应用，采用单壁透照方式完成各种形式焊缝的检测，并实现检测自动化，检测效率可提高五倍，检测工期可缩短到胶片照相的十分之一，检测成本可降低到胶片照相的三分之一，并可以使承压特种设备的制造工期和成本随之降低。

五、目前国内承压设备制造的射线检测的年产值超过10亿元，胶片和药品消耗成本约4亿元，采用数字平板射线检测技术不需使用胶片，不仅节省大量费用，而且节省大量聚酯纤维（片基材料）和贵金属银（感光材料），以及大量化学药品（暗室处理用），在节省能源和环境保护方面具有重大社会效益。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是实施例中射线源端机器人的结构示意图；

图3是实施例中数字平板探测器端机器人的结构示意图；

图4是实施例中悬架隔振装置与车架一的连接关系示意图；

图5是实施例中悬架隔振装置的结构示意图；

图6是实施例中悬架隔振装置的俯向视图；

图7是实施例中悬架隔振装置的后向视图；

图8是实施例中悬架隔振装置的右向视图；

图9是实施例射线源端机器人、数字平板探测器端机器人与上位机的通讯连接示意图；

图10是实施例中射线源端机器人、数字平板探测器端机器人实现同步跟踪的流程说明示意图；

图11是实施例中检测报告生成模块的说明示意图；

其中：1-射线源端机器人，2-数字平板探测器端机器人，3-上位机，4-球罐，5-悬架隔振装置；

11-前循迹传感器一，12-永磁磁铁一，13-Mecanum轮一，14-车架一，15-后循迹传感器一，16-伺服电机一，17-X射线源，18-运动控制盒一；

21-前循迹传感器二，22-永磁磁铁二，23-Mecanum轮二，24-车架二，25-后循迹传感器二，26-伺服电机二，27-数字平板，28-运动控制盒二；

51-柔性单元，52-电机固定板，53-轴承座，54-轮轴，55-H型连杆，56-车架固定座，57-磁铁固定座，58压板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种基于Mecanum轮的数字平板射线检测系统，如图1，包括上位机3、射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2，射线源端机器人1与数字平板探测器端机器人2均采用全方位Mecanum轮结构，射线源端机器人1设有运动控制盒一18，运动控制盒一18通过无线通讯模块一与上位机3、数字平板探测器端机器人2连接，运动控制盒一18通过CAN通讯模块一连接伺服电机一16，数字平板探测器端机器人2设有运动控制盒二28，运动控制盒二28通过无线通讯模块二与上位机3、射线源端机器人1连接，运动控制盒二28通过CAN通讯模块二连接伺服电机二26。

射线源端机器人1包括车架一14、Mecanum轮一13、伺服电机一16、前循迹传感器一11、后循迹传感器一15、X射线源17、永磁磁铁一12和运动控制盒一18，如图2，前循迹传感器一11设于车架一14的前端，后循迹传感器一15设于车架一14的后端，车架一14的中部设有运动控制盒一18和X射线源17，车架一14的两侧分别设有Mecanum轮一13，Mecanum轮一13连接有伺服电机一16的转轴，车架一14的底部两侧分别设有永磁磁铁一12。

数字平板探测器端机器人2包括车架二24、Mecanum轮二23、伺服电机二26、前循迹传感器二21、后循迹传感器二25、数字平板27、永磁磁铁二22和运动控制盒一28，如图3，前循迹传感器二21设于车架二24的前端，后循迹传感器二25设于车架二24的后端，车架二24的中部设有运动控制盒二28和数字平板27，数字平板27设于车架二24的底部，车架二24的两侧分别设有Mecanum轮二23，Mecanum轮二23连接有伺服电机二26的转轴，车架二24的底部两侧分别设有永磁磁铁二22。

X射线源17采用连续式X射线源17，相较于脉冲式X射线源，可以获得更清晰更高等级的成像，能够使检测成像达到JB/T4730.2-2005：AB级，可以适用于承压特种设备焊缝内部缺陷检测。例如：对于25mm厚度的钢制工件，使用像质计：IQIEN462-W6FE，AB级技术等级要求：第11号线丝清晰可见，使用连续式X射线源17满足技术等级AB级要求。脉冲式X射线源技术等级较低，无法达到JB/T4730.2-2005：AB级，一般情况下无法满足承压特种设备焊缝内部缺陷检测的需要，主要用于机场、高铁站安检中金属危险品的自动化扫描。

实施例采用图1所示单壁透照，射线源在内，数字平板在外，两个承载机器人小车通过磁力吸附在球罐4表面，两个机器人分为射线源端机器人1和数字平板探测器端机器人2，射线源端机器人1由自身焊缝循迹行走或者远端端遥控控制，数字平板探测器端机器人2跟踪射线源端机器人1，保证数字平板探测器端机器人2与射线源端机器人1同步行走。

如图10，射线源端机器人1自主行走，并记录编码器信息，得到每个轮子所转过的圈数，然后将该信息通过无线发送给数字平板探测器端机器人2，数字平板探测器端机器人2根据射线源端机器人1发送的编码器信息控制数字平板探测器端机器人1各轮子的转动，而数字平板探测器端机器人2运动产生的累积误差的消除可采用两个方案：

方案一，从每次数字平板27曝光得到的图片可以看到方形的数字平板27上有一个圆形的曝光区域，圆形的曝光区域即射线源的位置，即通过图片获得数字平板探测器端机器人2相对于射线源端机器人1的位置偏移距离，并在下一次行走的过程中对平板探测器端机器人2的运动进行校正，从而实现数字平板探测器端机器人2与射线源端机器人1同步跟踪。

方案二，射线源端机器人1装备电阻丝，射线源端机器人1通过电阻丝或者红外射线对热源正对的罐体区域进行加热，当加热到一定程度时，被加热区域会形成正对热源点温度最高，向四周温度逐渐降低的特征，数字平板探测器端机器人2则分布有四个对称的热敏传感器，四个热敏传感器正对点的温度差异会产生压电信号，如果没有对中的情况下，四个热敏传感器正对点温度不同，产生的压电信号会存在压差，根据压差控制数字平板探测器端机器人向着温度最高点运动，从而实现同步跟踪。

每个机器人运动结构采用全方位Mecanum轮结构，即机器人的三个位置以上均采用Mecanum轮即麦克纳姆轮，优选为四个位置。基于四个Mecanum轮的全方位移动机器人通过磁吸附在球罐4表面，并携带数字射线检测系统对焊缝进行检测，全方位移动机器人可以灵活地检测各种走向的焊缝。其中，机器人吸附在球罐4表面通过在车架上安装四块永磁磁铁并且对称布置来实现。

永磁磁铁一12的最底面高于Mecanum轮一13的最底面，永磁磁铁二22的最底面高于Mecanum轮二23的最底面，使永磁磁铁一12、永磁磁铁二22能够提供吸附力的同时与球罐罐壁保持一定间距，避免完全吸附时阻力太太影响行走，以保证Mecanum轮一13、Mecanum轮二23的顺利行走。永磁磁铁一12、永磁磁铁二22还可以采用可翻转式结构，通过调节永磁磁铁一12、永磁磁铁二22的吸附角度，实现不同吸附力的调节。

前循迹传感器一11、后循迹传感器一15分别连接运动控制盒一18，运动控制盒一18通过无线WIFI模块与上位机3连接。前循迹传感器二21、后循迹传感器二25分别连接运动控制盒二28，运动控制盒二28通过无线WIFI模块与上位机3连接。射线源端机器人1焊缝循迹通过机器人首尾两个相机对焊缝记性实时拍摄，然后图像处理后得到机器人相对于焊缝的位置，然后根据位置偏差进行及时调整车速。

射线源端机器人1上连续式X射线源17固定在车架一14中央，放射源向下，数字平板探测器端机器人2上数字平板固定在车架二24的底部中央，数字平板即数字成像平板的接受面向下，射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2运行时，分别位于球罐4内外两侧，射线源端机器人1放射源放射X射线，数字平板探测器端机器人2的数字平板27数字成像，从而实现对焊缝的自动化无损检测。

射线源端机器人1远端遥控控制通过在机器人身上安装无线通讯模块一，在球罐4人孔处即出入口位置安装无线WiFi中继，然后通过WiFi连接远端上位机3与射线源端机器人1，并且射线源端机器人1与数字平板探测器端机器人2通过无线WiFi传输实时拍摄的视频信息。上位机3可以遥控控制射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2的运动和工作模式。

射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2分别设有水平仪，水平仪分别连接运动控制盒一、运动控制盒二，通过水平仪来校准射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2的姿态，使射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2保持平行。

射线源端机器人1的车架一14、数字平板探测器端机器人2的车架二15分别设有结构相同的悬架隔振装置5。如图4，数字平板探测器端机器人2为例进行说明。

如图5，悬架隔振装置5包括柔性单元51、水平机构，柔性单元51的一端设于磁铁固定座57的顶部平台，柔性单元51的另一端活动连接车架固定座56，磁铁固定座57的底部连接有永磁磁铁二22，车架固定座56通过水平机构连接轴承座53的凸台，轴承座53与磁铁固定座57分别通过螺栓连接伺服电机二26，磁铁固定座57与伺服电机二26间设有电机固定板52，伺服电机二26通过轮轴54连接Mecanum轮二23。

水平机构采用一个以上的H型连杆55，如图8，一个以上的H型连杆55平行安装且位于同一竖直面上，H型连杆55的两端分别通过销轴连接车架固定座56的凸台、轴承座53的凸台。

柔性单元51通过螺栓固定在磁铁固定座57的顶部平台和压板58间，如图6，柔性单元51由若干片弹簧叠加构成，片弹簧包括设于中间的长片簧，片弹簧的长度由长片簧向两端递减，长片簧间隙配合在固定座的空槽内，如图7，长片簧可以在槽内来回滑动。

柔性单元51由一片长片簧、两片中片簧、两片短片簧五片片弹簧叠加组成，长片簧的两侧对称分布有一片中片簧和一片短片簧。

永磁磁铁二22的中心位于轮轴54所在竖直面上，永磁磁铁二22与Mecanum轮二23的行走表面平行设置。

如图4所示，在射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2的Mecanum轮车辆装配悬架隔振装置5时，将车架固定座56的顶面与车架一14或车架二24固连在一块，四个悬架隔振装置5按照Mecanum轮二23、Mecanum轮二23运动学规律对称安装。

在Mecanum轮车辆在导磁材料表面爬行时，永磁磁铁二22和Mecanum轮车辆自身重量的合力提供正压力，在某一个Mecanum轮二23遇到障碍时，该Mecanum轮二23抬起，永磁磁铁二22与该Mecanum轮二23同时抬起，并保持磁铁下表面与吸附表面平行，其他Mecanum轮二23仍紧贴吸附表面，永磁磁铁二22与Mecanum轮二23同时越过障碍后，重新吸附在导磁材料表面。

在Mecanum轮车辆在导磁材料表面爬行时，Mecanum轮车辆所受重力指向吸附表面，长片簧以及长片簧与磁铁固定座57的顶部平台之间的片弹簧受力变形，提供减震效果；在Mecanum轮车辆所受重力背向吸附表面时，长片簧以及长片簧与压板58之间的片弹簧受力变形，提供减震效果，来实现Mecanum轮车辆在任意角度的吸附平面上爬行的减震。

该悬架隔振装置5能够满足Mecanum轮的吸附稳定性和运动稳定性，保证Mecanum轮与导磁材料表面的接触与压力，保证永磁磁铁吸附表面的距离和平行度，使吸附效果跟稳定，同时隔震单元可以实现上下两个方向的隔震，可以满足安装该悬架系统的机器人在各个角度的吸附表面的隔震效果。

两个H型连杆55与车架固定座56的凸台、轴承座53的凸台组成平行四边形连杆机构，保证Mecanum轮和永磁磁铁二22等处于平动，可以保证永磁磁铁二22与Mecanum轮的接触面平行，进而保证永磁磁铁二22对导磁吸附表面吸附力稳定。

柔性单元51有五片片弹簧对称分布，叠簧既有很好的柔性，又有较强的承载能力，在Mecanum轮越过障碍时既可以产生较大的变形，又不会因变形过大而失效，对称分布的叠簧可以使装有该悬架系统的机器人在任意角度的平面上爬行都能够具有减震效果。

永磁磁铁二22安装在独立悬架位置上，可以使装有Mecanum轮的悬架即使爬行过程中遇到障碍越障时仍能进贴吸附表面，保证装有Mecanum轮的机器人的运动特性，而且永磁磁铁二22靠近Mecanum轮，悬架的结构尺寸可以保证磁铁与吸附表面的距离，保证磁铁对吸附表面的吸附力稳定，而且当遇到障碍时磁铁可以和Mecanum轮同时起伏，防止因磁铁与吸附表面距离较小而与障碍相撞。

图9为整个控制系统工作示意图，射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2、上位机3通过WiFi相互通讯并传递信息，射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2分别设有无线通讯模块、前循迹传感器、后循迹传感器、CAN通讯模块、控制电机的运动控制盒、伺服电机等模块，实现以上所述功能。

控制系统包括射线源端机器人1、数字平板探测器端机器人2、上位机3即操作中心，三个单元通过无线通讯模块一、无线通讯模块二相连，射线源端机器人1与数字平板探测器端机器人2的控制系统组成单元大致一样，射线源端机器人1的前循迹传感器11与后循迹传感器15为数字相机，通过对拍摄到的图片进行图片处理，用于自动循迹，射线源端机器人1与电机、水平仪之间通过CAN总线通讯，射线源端机器人1根据遥控或者自动循迹命令计算出各电机转速，通过CAN总线将控制命令发送到各电机，各电机的编码器信息和水平仪的信息通过CAN总线传回射线源端机器人1的运动控制盒一18，射线源端机器人1的运动控制盒一18对传回的信息分析计算，然后将信息通过无线通讯模块传送给数字平板探测器端机器人2，数字平板探测器端机器人2根据射线源端机器人1传送的信息，对自身运动命令记性调整，最后计算出的运动命令通过CAN总线传送到电机。

实施例的Mecanum轮焊缝检测机器人采用Mecanum轮全方位移动平台以及AGV系统，填补了国内外大型球罐4、立式储罐等在役承压特种设备的数字射线自动化检测工艺装备的空白。实施例的检测机器人除了能实现进退、横移、原地转弯外，还能实现围绕任意一点进行旋转运动，尤其在电站锅炉、球罐、立式储罐等大型在役承压特种设备中，可以大大提高机器人对设备曲面上焊缝检测的灵活性。

该种基于Mecanum轮的数字平板射线检测机器人成像系统，还包括检测报告生成模块，检测报告生成模块：通过对射线检测图像的处理，进行基于特征的缺陷定性识别，并进行缺陷定量及评级，依据JB/T4730.2-2005等相关标准，结合计算机数据库技术，自动生成检测报告，如图11。

实施例适用于球罐、储罐等大型承压设备设备各种焊缝的检测，包括纵缝、环缝、嵌入式接管焊缝、封头拼缝等；机器人动作和自由度满足焊缝检测工艺要求，机器人运动精度满足检测精度要求；焊缝自动跟踪技术满足现场使用要求；系统采用的数字射线照相技术与工艺满足检测标准要求。实施例终成一套实用的能够自动跟踪焊缝的机器人数字平板射线检测系统，可用于直径大于4m的大型承压特种设备的焊缝自动检测。