基于ROS的爬壁機器人控制系統(tǒng)設計*

楊東宇，孫振國,，姜 萍，于傲然

（1. 清華大學天津高端裝備研究院， 天津 300304；2. 清華大學機械工程系， 北京 100084）

0 引言

球罐和大型加氫反應器等石油化工裝備都屬于特種設備，這類設備具有結構復雜、體積龐大、安全性能要求高等特點，使用過程中常用于存放化工產(chǎn)品和原料，通常需要承壓工作，存在較大安全隱患[1]。為保證設備的安全運行，國家標準規(guī)定在設備的制造和使用過程中，都需要對母材和焊縫進行探傷檢測，檢查其內部是否存在未焊透、未融合、裂紋、夾雜、氣孔等缺陷[2]。目前此類特種設備的探傷檢測都采用人工操作方式，其檢測流程復雜、危險性高且效率低下，特別是有些檢測現(xiàn)場還可能存在有害氣體污染，工作條件極其艱苦，屬于高危作業(yè)。

承壓設備常使用的檢測方式有射線檢測、超聲檢測、衍射時差法超聲檢測等，其中，超聲檢測和衍射時差法超聲檢測應用最廣泛，具有儀器成本較低，穿透能力強，檢出率高等特點[3]。在實際作業(yè)中，人工手持掃查器，將探頭貼合在受檢工件表面，在接觸面涂抹耦合液，保證探頭能夠良好接觸，緩慢移動探頭，同時觀察探傷儀屏幕顯示的檢測結果，判斷受檢工件是否存在缺陷，人工探傷作業(yè)如圖1所示。檢測過程中，需要同時兼顧多種操作，對操作人員要求較高，檢測效率低下。在操作人員進行仰面檢測、高空檢測等作業(yè)任務時，操作過程極易產(chǎn)生危險，造成不良后果[4]。

圖1 人工探傷作業(yè)

針對上述特種設備檢測中存在的諸多問題，亟需提高大型壓力容器無損檢測的自動化和智能檢測水平，研制替代操作人員的自動化檢測機器人。本研究設計了一款替代人工進行檢測作業(yè)的永磁爬壁探傷機器人，該永磁爬壁探傷機器人搭載探傷儀器，可有效降低探傷檢測的操作風險，提高檢測作業(yè)效率。

1 爬壁機器人總體結構

球罐和大型加氫反應器等特種設備一般為鋼制材料，具有導磁性，公稱厚度較大，且表面較為粗糙[4-6]。根據(jù)被測工件的特殊性，本設計選用永磁吸附式爬壁機器人作為載體，搭載探傷檢測設備，對工件進行無損探傷檢測作業(yè)[7]。

爬壁探傷機器人由移動平臺、掃查架、控制盒和永磁吸附體4 部分構成。移動平臺外形尺寸為300 mm×300 mm×200 mm，負載10 kg，采用2個驅動輪差動方式實現(xiàn)機器人運動，以及一個帶永磁吸附的萬向輪作為輔助支撐輪實現(xiàn)與工件的穩(wěn)定接觸。3個永磁吸附體呈等邊三角形布置，具有較高穩(wěn)定性，保證移動平臺不從工件上脫落、傾覆，保證驅動輪在運動時不發(fā)生打滑，以實現(xiàn)爬壁探傷機器人能夠在受檢工件上穩(wěn)定安全作業(yè)。吸附體可根據(jù)工件的曲率半徑大小，通過螺母調節(jié)角度和高度，保證永磁吸附體可以與工件保持均勻氣隙，以提供可靠吸附力。爬壁機器人的控制盒采用背負方式，控制盒包含運動控制系統(tǒng)和探傷檢測儀器。安裝超聲探頭的掃查器安裝在機器人的前端，隨著機器人在受檢工件上移動，探頭可以不斷采集受檢工件探傷數(shù)據(jù)。爬壁探傷機器人的結構如圖2所示。

圖2 爬壁探傷機器人

為實現(xiàn)對特種設備的自動檢測，爬壁機器人控制系統(tǒng)是關鍵所在。本設計根據(jù)爬壁探傷機器人所要達到的要求，著重介紹爬壁機器人的控制系統(tǒng)。

2 爬壁機器人硬件設計

爬壁機器人控制系統(tǒng)可以分為機器人控制單元和操作臺單元兩部分。其中機器人控制單元為下位機，負責控制機器人的運動控制和探傷信號采集，選用開源硬件BeagleBone Black嵌入式單板計算機作為主控制器，通過UART 端口將運動參數(shù)傳遞給電機驅動器，控制伺服電機旋轉，進而驅動機器人運動，通過IO 口控制超聲板卡拾取探傷數(shù)據(jù)，通過USB讀取攝像頭獲取到的周圍環(huán)境圖像。

BeagleBone Black 是德州儀器開發(fā)的一套基于ARMCor?tex-A8 的低成本的AM335X 開源硬件，采用工業(yè)級的MPU，在圖像、圖形處理、外設和諸如EtherCAT 和PROFIBUS 的工業(yè)接口方面進行了增強，主頻高達1 GHz，相比于市面上主流的微處理器，主頻高、性能優(yōu)良、接口豐富，便于維護升級[8]。

操作臺單元采用嵌入式工控機GK3000作為上位機，工業(yè)搖桿作為爬壁機器人運動信號的輸入端，顯示屏用來顯示人機交互界面，實時反饋探傷數(shù)據(jù)和運動參數(shù)。工控機GK3000搭載Intel酷睿i3處理器，2 G內存，60 G固態(tài)硬盤，具有豐富的外圍擴展接口，采用無風扇設計，功耗低、運行穩(wěn)定性高、體積小巧、重量輕，便于工程現(xiàn)場使用。操作臺配備計量泵，用于給探頭供給耦合液，使探頭與受檢工件可以良好接觸，以保證機器人能夠穩(wěn)定拾取探傷數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)機器人控制信號穩(wěn)定、有效地傳遞，機器人控制單元與操作臺單元通過有線局域網(wǎng)傳遞信號，機器人攜帶拖纜。爬壁機器人控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件組成

3 爬壁機器人軟件設計

開源機器人操作系統(tǒng)（ROS）是面向機器人的開源后操作系統(tǒng)，提供了類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的功能，如底層設備控制、進程間消息傳遞和程序包管理等，還提供了相關開發(fā)工具和庫，方便獲取、編譯代碼，以及在多個控制器之間運行程序進行分布式計算[9-10]。

ROS 本質上是一種分布式機器人軟件框架，采用當前流行的面向服務的軟件技術，通過網(wǎng)絡協(xié)議將節(jié)點（node）間數(shù)據(jù)通信結構，以便輕松集成不同功能的代碼，節(jié)點封裝在數(shù)據(jù)包中，從而使在不同的機器人上無需做過多改動就能重用成熟代碼，具有點對點設計、精簡、集成和開源的特點[11-12]。

在主控制器BeagleBone Black 和工控機上均安裝LinuxU?buntu操作系統(tǒng)和Kinetic版本的ROS機器人操作系統(tǒng)。在Bea?gleBone Black 和工控機上運行不同的控制節(jié)點node，機器人節(jié)點結構如圖4 所示，不同節(jié)點間通過UDP 通信方式實現(xiàn)雙機數(shù)據(jù)交換。控制過程分為手動模式和自動模式兩種模式。

圖4 機器人節(jié)點結構

手動控制模式時，搖桿控制節(jié)點（joy_node）采集到搖桿按鍵和軸的數(shù)據(jù)信息，并向teleop_joy 節(jié)點發(fā)布主題。經(jīng)由teleop_joy 節(jié)點將輸入的數(shù)據(jù)信息轉換成機器人的運動信息。move_base 節(jié)點訂閱teleop_joy 節(jié)點發(fā)布的機器人的運動信息，進一步轉化成電機驅動器的控制指令，控制驅動電機的轉向和速度，進而控制機器人運動。

自動控制模式時，通過攝像頭節(jié)點（cam_node）提取采集的圖像數(shù)據(jù)信息，利用ROS 平臺下的cv_bridge功能包可以將圖像數(shù)據(jù)進行轉化，通過image_view 節(jié)點進行顯示。同時visual_tracking節(jié)點訂閱cam_node發(fā)布的圖像數(shù)據(jù)信息，計算出電機的運動參數(shù)，再由move_base節(jié)點將運動參數(shù)轉化成電機驅動器的控制指令，驅動機器人運動。操作人員在人機交互界面設置的運動速度等參數(shù)，通過ui_node節(jié)點發(fā)布給visu?al_tracking節(jié)點，經(jīng)進一步處理后，控制機器人運動。

針對檢測作業(yè)任務的具體需求， 和國家標準NBT 47013.10-2015 承壓設備無損檢測——衍射時差法超聲檢測，設計出爬壁探傷機器人控制系統(tǒng)人機交互界面，人機交互界面如圖5 所示。界面左側上部分顯示A-Scan 波形，左側下部分顯示D-Scan圖像，右側上部分為探傷參數(shù)的設置區(qū)域，右側下部分為攝像頭采集的圖像信息和跟蹤焊縫的情況。探傷操作人員根據(jù)工件實際情況設置探傷參數(shù)，然后根據(jù)實時反饋的A-Scan波形和D-Scan圖像判斷工件是否存在內部缺陷。

圖5 人機交互界面

4 試驗與分析

為驗證爬壁機器人的技術可行性，在曲率半徑為8.5 m，厚度為20 mm，材料為Q345R 的球殼板上進行了機器人全位置作業(yè)和曲面自適應性能測試，測試內容包括機器人平動、轉向、焊縫跟蹤等，受檢工件參數(shù)如表1所示，爬壁機器人現(xiàn)場試驗如圖6所示。全位置作業(yè)測試結果表明，研制的爬壁機器人不僅能夠穩(wěn)定可靠吸附于工件曲面進行焊縫探傷作業(yè)，未出現(xiàn)傾覆、脫落、滑移等現(xiàn)象，而且能夠良好適應曲面曲率變化并靈活運動，證明了該爬壁機器人技術的可行性和較好的工程應用前景。

表1 受檢工件參數(shù)

圖6 爬壁機器人現(xiàn)場試驗

5 結束語

本研究利用開源機器人操作系統(tǒng)（ROS）設計了一種永磁吸附式爬壁探傷機器人控制系統(tǒng)方案，詳細闡述了軟硬件的設計細節(jié)與實現(xiàn)方式。機器人使用嵌入式開源硬件Beagle?Bone Black作為開發(fā)平臺，同時將嵌入式系統(tǒng)融入其中，具有低成本、高性能、易擴展等特點。分析結果表明：

（1）提出并研制了一種爬壁探傷機器人，通過持載相應檢測儀器，能夠在大曲率的壓力容器曲面上完成探傷檢測等作業(yè)任務；

（2）在吸附力可保證機器人全位置作業(yè)的條件下，掃查結構具有良好的曲面自適應能力；

（3）在球殼板上進行了焊縫探傷實驗，證明了本文提出的爬壁探傷機器人的技術可行性和工程實用性。