本設(shè)計(jì)是一種具有穩(wěn)定的牽引力的X—Y移動(dòng)的復(fù)合管道焊縫檢測機(jī)器人。

    以DSP為核心開發(fā)基于機(jī)器視覺的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，用于完成高性能的管道焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)定位和檢測任務(wù)；介紹了機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；闡述了系統(tǒng)的焊縫識(shí)別算法和CCD圖像采集系統(tǒng)。

引言：

    工業(yè)管道系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)于化工、石油及城市水暖供應(yīng)等領(lǐng)域，焊縫質(zhì)量是一種重要的工業(yè)管道內(nèi)部潛在缺陷，它的好壞是管道運(yùn)輸安全、可靠和使用壽命的一個(gè)決定性因素。

    在國外一些發(fā)達(dá)國家，管道檢測機(jī)器人已經(jīng)誕生并投入使用，但是進(jìn)口設(shè)備昂貴，并且維護(hù)費(fèi)用高，需要培訓(xùn)才能正確使用。在我國，這方面的研究工作起步較晚。目前國內(nèi)還沒有成型的、商品化的產(chǎn)品問世，故該項(xiàng)目的研發(fā)可以向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，加強(qiáng)工業(yè)管道的檢測和管理。

    機(jī)器人在管道外面沿著固定的軌跡移動(dòng)，操作者通過外部的監(jiān)視器監(jiān)視機(jī)器人運(yùn)行情況。當(dāng)監(jiān)視器屏幕顯示焊縫時(shí)，操作者控制機(jī)器人點(diǎn)進(jìn)和點(diǎn)退以準(zhǔn)確定位焊縫。人工操作定位準(zhǔn)確率較高，但效率低。為了提高管道焊縫檢測機(jī)器人的自動(dòng)化程度，本文采用了一種基于DSP的管道焊縫檢測機(jī)器人系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套焊縫檢測機(jī)器人系統(tǒng)，可將機(jī)器人可靠、準(zhǔn)確、快速地牽引至焊縫處，從而完成焊縫自動(dòng)定位任務(wù)。由于該機(jī)器人可在X和Y方向移動(dòng)，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫時(shí)還可以多視角觀察焊縫，以確定焊縫的大小和形狀。

    機(jī)器人外形如圖1所示：

    圖1 機(jī)器人外形圖

1、管道焊縫檢測機(jī)器人系統(tǒng)的工作原理

    管道焊縫檢測機(jī)器人由移動(dòng)小車、CCD圖像采集系統(tǒng)、圖像采集卡、驅(qū)動(dòng)設(shè)備和控制系統(tǒng)等部分組成。其中移動(dòng)小車是檢測和控制部分的專業(yè)平臺(tái)，所有的檢測與控制裝置都是由小車裝載。

    系統(tǒng)工作原理：將機(jī)器人放入外部管道的固定軌道上，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令讓機(jī)器人在管道中以一定速度運(yùn)行，這時(shí)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器人軸線上的CCD傳感器采集信號(hào)與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的缺陷信號(hào)匹配時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令將此時(shí)的圖像記錄下來，并傳到人機(jī)界面，利用已編制的軟件給出缺陷的位置和圖像。這樣運(yùn)行下去，直到計(jì)算機(jī)發(fā)出停止命令為止。工作原理如圖2所示：

    圖2 機(jī)器人工作原理圖

2、電機(jī)選型

    選擇執(zhí)行電機(jī)要根據(jù)被控對象的運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，運(yùn)動(dòng)負(fù)載的性質(zhì)和具體數(shù)量，運(yùn)動(dòng)工作體制，結(jié)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性能指標(biāo)要求，做定量分析。本系統(tǒng)選用瑞默森（北京）有限公司生產(chǎn)的ISMD036-5EI的75W伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可對電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和測試，包括：電機(jī)的極對數(shù)、電機(jī)內(nèi)阻、電感量、編碼器線數(shù)、霍爾的位置等參數(shù)。另外，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式設(shè)置有位置模式、速度模式或轉(zhuǎn)矩模式。

    所選電機(jī)參 

    參數(shù)

    功率（W）

    轉(zhuǎn)速（r/min）

    工作電壓（V）

    額定電流（A）

    啟動(dòng)電流（A）

    參數(shù)值

    70

    7000

    42

    2.55

    16.4

3、焊縫圖像識(shí)別算法

    由于管道背景和焊縫亮度值Y差別不大，而色調(diào)Cb相差較大。因此利用圖像的色調(diào)信息就足夠，這樣就不用處理亮度和飽和度信號(hào)，提高識(shí)別速度，采用圖像的 YcbCr信號(hào)輸入到DSP后，先采用平滑濾波器進(jìn)行預(yù)處理以減少噪聲，再取Cb信號(hào)作為灰度化處理。圖4是管道焊縫檢測機(jī)器人在管道中移動(dòng)時(shí)采集的一張焊縫圖像的灰度圖。

    通過對大量現(xiàn)場采集的圖像的觀察，可以發(fā)現(xiàn)所有圖像都有同樣的規(guī)律：將Cb作為灰度值時(shí)，焊縫本身像素灰度值較高，呈現(xiàn)灰黑色。而焊縫本身像素偏低，呈灰白色。同時(shí)在交界處存在小段過濾帶。針對這個(gè)特征，可分別預(yù)先制作2個(gè)小模板。焊縫左邊緣模板a和焊縫右邊緣模板b，如圖4所示。系統(tǒng)對圖像逐行從左到右掃描。對各點(diǎn)所在窗口圖像與模板a進(jìn)行匹配。求得匹配相似度，取相似度最大時(shí)所在點(diǎn)x坐標(biāo)為該行的焊縫左邊緣點(diǎn)。于是可得一系列左邊緣點(diǎn)，求均值即得到焊縫左邊緣坐標(biāo)。同理，從上到下，由右到左掃描每一行，各點(diǎn)所在窗口圖像與b模塊進(jìn)行匹配運(yùn)算，即可得焊縫右邊緣坐標(biāo)。將左右邊緣坐標(biāo)相加除以2即可得焊縫中心橫坐標(biāo)。

    圖3 管道焊縫圖 圖4 焊縫模板匹配圖

4、結(jié)束語

    在現(xiàn)代，無論是水力、火力發(fā)電站，還是煤氣、自來水、工業(yè)用水和供熱系統(tǒng)等公共設(shè)施，以及石油、化工等工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，都有縱橫交錯(cuò)的管道。焊縫質(zhì)量是一種重要的工業(yè)管道內(nèi)部潛在缺陷，它的好壞是管道運(yùn)輸安全、可靠和使用壽命的一個(gè)決定性因素。本文介紹的以DSP為核心的外部管道焊縫檢測機(jī)器人，將會(huì)帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。