机器人制作开源方案 | 管内检测维护机器人

一、作品简介

作者：李泽彬，李晋晟，杜张坤，禹馨雅
单位：运城学院
指导老师：薛晓峰

       随着我国的社会主义市场经济的飞速发展和科学技术的革新，各行各业的发展越来越离不开信息化和网络化的硬件支持。在当今时代背景下，人工智能与大数据成为了热点话题，吸引了大部分人的关注，尤其是智能机器人更是令不少人为之折腰。目前，全球制造业格局正面临重大改变，以智能制造为核心的智能化产业变革正悄然发生。工业机器人代表着先进制造业的支撑技术，现已发展成为信息化社会的新兴产业，该产业的发展将会进一步促进社会生产的发展。
       管道检测维护机器人使用机器时代(北京)科技有限公司探索者套件搭建而成，主控板为探索者自带的ARM控制板。本款管道检测机器人是一种可沿管道内部或外部自动行走、携带多种传感器及操作机械，可在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统操作。管道机器人可以通过管道内部行进作业完成相关复杂环境的探伤、清淤、检测以及修补等管道作业工作。
 

1. 作品摘要

       与此同时，随着我国经济的高速发展，我国石化、天然气、核工业及城市排水、输送等地下管道的建设在飞速发展，国家对地下管道建设的投资也不断地加大。石油、化工、天然气及核工业的发展及管道维护的需要刺激了管内机器人的研究。近年来管道在人们生活以及工业生产中被使用的越来越广泛，与此同时，管道故障所带来的问题日益突显。因此，管道建设中，管道检测维护是一个十分重要的环节。然而我国在管道检测维护领域中主要以管外巡检为主，管内检测维护机器人少之又少。因此，研究设计一款可以实现管内检测维护的设备对于促进管道建设产业升级和满足市场需求具有十分重要的意义。

2. 作品背景调研

2.1作品设计背景

       当今，科技生产力的不断发展，人们生活水平的不断提高以及人们日益增长的各种需求，如市政排污管道、自来水管、消防管道、石油天然气管道、中央空调管道、家用普通管道等等。管道在现代工农业以及人们日常生活中发挥着巨大的作用，被广泛的应用在石油、化工、天然气、核工业、城市用水等多个领域。这些管道的出现和普及给我们生产和生活提供了极大的便利，但与此同时也带来了许许多多的问题，诸如管道堵塞、损坏及管道老化等问题。这些领域关系国家的经济命脉，管道一旦发生泄漏，将会给国家和人们带来巨大的损失，这些问题给我们带来的不仅是资源的损耗，而且还有可能会造成人员的伤亡。因此对各个领域的管道进行定期的检测与维护具有重大的意义。管道环境大多十分恶劣、空间十分狭窄，使得人们不能直接到达或介入到管道中去，使得对管道的检测与维护十分不易。因此，管道机器人应运而生。
       管道机器人是一种可以沿管道内壁或管外行走的机构，可以携带各种检测装置和操作工具，在地面操作人员的远程控制下自动完成探伤(腐蚀程度、裂纹，焊接缺陷等)及补口(对接焊缝、防腐处理、防腐层缺陷处理等)等作业，对管道内部情况利用检测装置实时的反馈到地面上来，使操作人员能够对管道的现状有深入的了解。管道机器人可以通过管道内部行进作业完成相关复杂环境的探伤、清淤、检测以及修补等管道作业工作。

2.2作品相关研究及现状
2.2.1国外发展现状
       从1940年开始,管道机器人作为机器人探索的新方向,已经在国外率先成长起来,对于电子技术的到来更是给管道机器人的壮大提供了有力的工具,尤其是进30年来管道作业技术迅猛发展,已然让机器人在管道作业变成了现实。

       美国以它在世界上最早开发出机器人为优势,拥有了世界最先进的技术水平,如今其管道机器人已然实现应用。下图为美国州立大学研发的一款名叫的FAMPER管道机器人研发方案,他是一款可以自主在管道内行走的履带式管道机器人,该机器人可以通过改变自身履带状态适应管道转弯。

FAMPER管道机器人

2.2.1国内发展现状
从国外发展情况来看,我国对于管内环境检测的自主研发情况存在很大的局限性:一方面大部分都是针对水平管道而设计的轮式或履带式,对于有些倾斜角度甚至垂直管道的管内机器人的研究较少;另一方面对于各种管径和弯道的则考虑的不足,这样就限制了管道机器人的发展及应用。下图所示的由浙江大学的刘莹、申超等人研究开发的中央空调管内清理机器人的方案,设计原理是通过依靠舵机可以让齿轮传动以达到把电磁铁推出的动作,让滚轮吸附在管道壁面上,以此来维持下一个动作的进行。由于电磁铁性质的特点,对管道材质和清理机构自身重量是会有很大影响的。

中央空调管内清理机器人

3. 作品应用前景及应用价值

       管道机器人在我国处于发展阶段，具有广阔的市场前景。管道机器人相对于人工操作来说有无可比拟的优势。管道机器人在计算机控制下，可进行采样、检测等动作。而单片机技术的发展为管道机器人的方便应用提供了一个良好的基础技术。利用单片机可以实现管道机器人的控制是管道机器人设计中较好的选择。
       管道机器人可以通过管道内部行进作业完成相关复杂环境的探伤、清淤、检测以及修补等管道作业工作。
       管道机器人的小巧，即可实现管外检测的工作，还可更大效率的实现管内检测维护。
 

4. 作品创新点

4.1管内移动
       采用比较新颖的多段式机构和无线的智能化控制。驱动部分驱动轮采用倾斜的设计，可以在圆管道中行走。
4.2使用减震器
       搭载减震器两个位于装置上部，便于适用于不同管径的管道。
4.3动力轮角度可调
       为了加快不同管径的的移动速度，设置可调动力轮。
 

5. 作品技术难点及改进方向

5.1信号、电力的传输和供给方式
       采用有缆时需考虑线缆在转弯处的阻力；采用无线方式传递信号时，由于金属管道具有一定的屏蔽作用，需要考虑发射信号的频率。
5.2行进方式的选择
       目前，管道机器人的行走方式主要有轮式、履带式、蠕动式、多足式，每一种方式都有各自的优缺点。结合各种行走方式的优缺点，但其行走机构还需要优化设计。
5.3转向能力
       管内空间的封闭性结构，使管道机器人的研究还需克服很多复杂的技术难题，其中，能否在管内实现灵活转向，是管内机器人研究的一大难点。

二、技术说明

1. 模块介绍

1.1 ARM主控
       1. 输入端口1,连接传感器。

       2. 输入端口2,连接传感器。

       3. 输入端口3,连接传感器。

       4. 输入端口4,连接传感器。

       5. 红外接收端口,连接红外接收头。

       6. 通道选择键,对应手柄的通道选择键,分为ABC三个通道。

       7. 程序写保护口,1为正常工作状态,当按钮拨向ON时才可以进行程序下载。

       8. 程序下载端口,连接下载线。

       9. 舵机端口1~6,连接舵机,从左起竖排4针接口为一组,共分为6组。(注意:具体连接方式在操作说明中会用图示详细说明,在没有看过操作说明之前
请不要连接电机)。

       10. 输出端口7~8,连接LED、语音模块等执行部件,从左起竖排4针接口为一组，共分为2组。(注意:具体连接方式在操作说明中会用图示详细说明,
在没有看过操作说明之前请不要连接LED以及语音模块)。

       11. 电源端口,接入电池或适配器连接。

       12. 复位键,对单片机进行重启,会清除单片机内所有未保存的动作。

       13. 电源开关。

       14. 电源指示灯,当开关打开后,指示灯长亮并且呈红色。
      
1.2 触须传感器

触须传感器可以检测到物体对弹簧触须的有效触虫动。安装时通常是将弹簧与地面平行。有效触动角度45度。
       1.固定孔,便于用螺丝将模块固定于机器人上。
       2.四芯输入线接口,连接四芯输入线。
       3.弹簧触须:与障碍物接触后发生弹性形变,触发传感器。

1.3 视觉处理模块
       该机器的视觉处理模块分为两部分，一个是视觉追踪模块，采用低成本，功能强大的机器视觉模块openmv；另一个是图像回传模块，采用ESP8266无线WIFI模块。
       视觉追踪模块OpenMV是一个开源，低成本，功能强大的机器视觉模块。以STM32F427CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片。
       图像回传模块ESP8266是一个完整且自成体系的wi-fi解决方案，能独立运行，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。

       首先openmv在单片机的驱动下，采集图像，然后单片机通过串口将采集到的图像传输给ESP8266无线WIFI模块，该模块已经提前设置为无线透传模式，在透传模式下，ESP8266会将单片机串口发送来的所有数据，以无线的方式自动发送给与其连接好的上位机软件，上位机软件通过对接收到的图像数据进行处理，就能够显示出openmv采集到的图片，来实现图像回传功能，使用连接好上位机软件的用户端便可以实时观察到管内的情况和机器的实时状况。

2. 产品细节展示

3. 产品优势

3.1 安全性高
       使用管道机器人进入管道查明管道内部情况或排除管道隐患，如果是人工作业的话，往往存在较大的安全隐患而且劳动强度高不利于工人的健康。管道机器人智能作业可有效提高作业的安全性能。
3.2 节省人力
管道检测机器人小巧轻便，一个人即可完成作业控制器可装载在车上节省人力，节省空间。
3.3 提高效率和品质
管道机器人智能作业定位准确可实时显示出日期时间、爬行器倾角(管道坡度)、气压、爬行距离、激光测量结果、方位角度、选配等信息并可通过功能键设置这些信息的显示状态镜头视角时钟显示。

4.产品安装过程及成品展示

主要程序代码：

int main(void){int i = 0;Initial_ARM();while(1){Servo(1,i*10); //输出端口1的圆周舵机，运行参数每次循环增加10i++;if(i>18) i = 0; //通过i值来调整圆周舵机的运行参数赋值从0~180LedIn(1,2); //闪动led灯，表示圆周舵机转动参数的变化Delay(2000);LedIn(1,0);Delay(500);Servo(2,i*10); //输出端口2的圆周舵机，运行参数每次循环增加10i++;if(i>18) i = 0; //通过i值来调整圆周舵机的运行参数赋值从0~180LedIn(1,2); //闪动led灯，表示圆周舵机转动参数的变化Delay(2000);LedIn(1,0);Delay(500);Servo(3,i*10); //输出端口3的圆周舵机，运行参数每次循环增加10i++;if(i>18) i = 0; //通过i值来调整圆周舵机的运行参数赋值从0~180LedIn(1,2); //闪动led灯，表示圆周舵机转动参数的变化Delay(2000);LedIn(1,0);Delay(500);Servo(4,i*10); //输出端口4的圆周舵机，运行参数每次循环增加10i++;if(i>18) i = 0; //通过i值来调整圆周舵机的运行参数赋值从0~180LedIn(1,2); //闪动led灯，表示圆周舵机转动参数的变化Delay(2000);LedIn(1,0);Delay(500);}return(1);}

详细内容请参考 【S019】管内检测维护机器人