一种基于视觉的涂层机器人论文和设计-武廷课

全文摘要

本实用新型公开一种基于视觉的涂层机器人。倾角传感器与高清摄像头协同定位将数据传输到控制系统并进行位置反馈及相位偏转。利用固定的太阳轮步进电机输出扭矩，行星轮通过齿轮啮合减速传动完成管道内壁的防腐蚀材料喷涂。其中视觉摄像头主要用于实施图像处理的前期采集，视觉摄像头通过XBee无线模块进行数据传输。其中XBee模块设置于摄像头定位架中。一对Arduino‑XBee模块，可以实现包含两个结点的ZigBee网络，完成Arduino之间的无线通信。所述滚轮通过支撑杆连接，支撑杆与连杆之间采用铰接连接。本实用新型提高了机器人对不同管径的自适应能力及管内涂层效率。

主设计要求

1.一种基于视觉的涂层机器人，其特征在于：包括外齿圈（11）、太阳轮（10）、行星轮（12）、滚轮（15）、滑杆（34）、支撑杆（32）、滑杆弹簧（5）、滑块（31）、外轮廓定位架（20）、储漆管（8）、制动圆盘（4）、喷头（18）、联轴器（24）、喷头支撑架（21），视觉摄像头（22）固定在摄像头定位架（23）上，摄像头定位架（23）与喷头支撑架（21）塑性连接，喷头支撑架（21）通过行星轮键槽（9）连接到行星轮（12）上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉的涂层机器人，其特征是所述滚轮（15）通过支撑杆（32）连接，支撑杆（32）与连杆（30）之间采用铰接连接，连杆（30）另一端与滑块（31）连接，太阳轮（10）通过平键与太阳轮步进电机（26）连接，行星轮（12）与太阳轮（10）啮合，行星轮（12）与喷头支撑架（21）连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉的涂层机器人，其特征是所述行星轮（12）与太阳轮（10）啮合传动，太阳轮（10）与行星轮（12）传动比小于1减速传动，太阳轮步进电机（26）固定于电机控制模块（25）上。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于管道机器人领域，具体涉及一种基于视觉的涂层机器人。

背景技术

面向国家海洋勘探，深井科考，管道防腐工序是保证长输管道结构完整性的重要一环,目前,输送油、气、水等介质主要采用钢质管道。于管道中流体长期的冲刷腐蚀会导致管内出现杂质，对于一些对管内流体质量要求严格的管线需要在对管内进行防腐蚀处理。目前最经济使用的方法是对管内进行防腐蚀材料的喷涂，由于管内空间狭小，人工喷涂难度大，亟待一种新型的管内涂层机器人可对不同直径的管道进行内部涂层防腐蚀工作。

我国每年因管道腐蚀穿孔而造成巨大的经济损失,甚至发生各种事故。在管道工程建设中,切实提高防腐,对于管道保护具有重要意义。因此设计了一种基于视觉技术的管内涂层机器人，采用自行设计的自适应支撑结构，可有效提高机器人不同管径的适应能力，并通过协同反馈极大程度上提供了机器人的机械灵活性及工作效率。

发明内容

本实用新型包括外齿圈、太阳轮、行星轮、滚轮、滑杆、支撑杆、滑杆弹簧、滑块、外轮廓定位架、视觉摄像头、驱动系统和控制系统。所述滚轮通过支撑杆连接，支撑杆与连杆之间采用铰接连接。

所述喷头内安装的储漆管可在旋转离心作用下压紧开启，并可根据管道材料及内壁情况不同进行喷涂，储漆管喷口直径可根据需求进行更换，喷头可根据内壁所需涂层进行旋转调整。其中喷头可控制进行不同速度的周向旋转，不同速度的涂层厚度有所差异。

所述的高清摄像头在机器人进行喷涂过程中需要实时的反馈具体位置到上位机，从而进行位置监控，并可在发生故障时及时判断出位置信息，为避免机器人自身滚轮对刚喷涂完的管内壁造成破坏，采用喷头在后方的设置，可实现一次性喷。

其中视觉摄像头主要用于实施的采集管内喷涂过程，视觉摄像头通过A\/D转换后进过XBee无线模块进行数据传输。其中XBee模块设置于摄像头定位架中。具体说来即使用一对Arduino-XBee模块，可以实现一个最简单的包含两个结点的ZigBee网络，完成Arduino之间的无线通信。

上位机监控系统对由摄像头上传的图像信息采用柱面展开、颜色空间转换和图像分割处理算法进行处理后,上位机监控系统自主判断管道内部涂层是否有缺陷，并将图像信息和相关数据显示在上位机监控系统界面中。

所述管内涂层机器人，其中外齿圈通过定位杆固定在定位座上，定位座与机器人主结构固定连接，其中太阳轮步进电机固定在电机控制模块上，电机控制模块固定与机器人的主控板上，其中电机输出轴通过联轴器并通过平键进行转矩输出。工作过程中，太阳轮高速旋转，行星轮通过齿轮啮合传递扭矩并加速旋转，设计太阳轮的齿数大于行星轮，传动比小于1，降低传动速度可使内壁喷涂更加均匀。

所述喷头主要通过喷头支撑架上行星轮连接键与行星轮中设置的行星轮键槽连接传递扭矩，其中因为受力较小，本设计中采用的是平键连接，若管径较大，喷头的工作面载荷较大，可考虑采用花键进行连接。

所述的支撑杆底端与外轮廓定位架铰接，外轮廓定位架设置有对应的铰接端。支撑杆末端为滚轮，支撑杆中部为设置有铰接端，连杆与支撑杆铰接。外轮廓定位架上设置有滑杆的定位孔，滑杆通过定位孔与外轮廓定位架连接。所述的连架杆连接外轮廓定位架。

所述涂层机器人，其中外齿圈通过定位架固定在定位座上，定位座与机器人主结构固定连接，其中太阳轮步进电机固定在电机控制模块上，电机控制模块固定与机器人的主控板上，其中电机输出轴通过联轴器并通过平键进行转矩输出。

附图说明

图1为涂层机器人后退侧主结构示意图。

图2为涂层机器人前退侧主结构示意图。

图3为涂层机器人结构的侧视图。

图中：4、制动圆盘，5、滑杆弹簧，8、储漆管，9、行星轮键槽，10、太阳轮，11、外齿圈，12、行星轮，13、太阳轮键槽，15、滚轮，16、高清摄像头，17、定位杆，18、喷头，19、倾角传感器，20、外轮廓定位架，21、喷头支撑架，22、视觉摄像头，23、摄像头定位架，24、联轴器，25、电机控制模块，26、太阳轮步进电机，28、连架杆，30、连杆，31、滑块，32、支撑杆，33、定位座，34、滑杆，42、行星轮连接键，43、信号处理模块。

具体实施方式

本设计的目的在于提供一种基于视觉技术的管道涂层机器人系统，它采用了连杆变径轮结构机械本体设计,监控系统采用STM32单片机和上位机的联合控制方式,可根据管内进行涂层喷涂，并配有高性能的减速系统，克服了现有技术的不足,是一种操作方便的机器人系统。

本实用新型包括外齿圈11、太阳轮10、行星轮12、滚轮15、滑杆34、支撑杆32、滑杆弹簧5、滑块31、外轮廓定位架20、视觉摄像头22、驱动系统和控制系统。所述滚轮15通过支撑杆32连接，支撑杆32与连杆30之间采用铰接连接。连杆30另一端与滑块31连接，滑块31通过滑杆弹簧5的张力伸缩可实现在滑杆18的水平移动，初始状态滚轮15未受到管道内壁挤压时，滑杆弹簧5张力作用滑块31使其达到最大路径位置。通过不同直径管道时，滚轮15受到相互作用的平衡力，滑杆弹簧5对应的压力有所差异，带动滑块31产生不同轨迹。

所述喷头18内安装的储漆管8可在旋转离心作用下压紧开启，并可根据管道材料及内壁情况不同进行喷涂，储漆管8喷口直径可根据需求进行更换，喷头18可根据内壁所需涂层进行旋转调整。其中喷头18可控制进行不同速度的周向旋转，不同速度的涂层厚度有所差异。

所述的高清摄像头16在机器人进行喷涂过程中需要实时的反馈具体位置到信号处理模块43，从而进行位置监控，并可在发生故障时及时判断出位置信息，为避免机器人自身滚轮15对刚喷涂完的管内壁造成破坏，采用喷头18在后方的设置，可实现一次性喷。

其中视觉摄像头22主要用于实施的采集管内喷涂过程，视觉摄像头22固定通过A\/D转换后进过XBee无线模块进行数据传输。其中XBee模块设置于摄像头定位架23中。具体说来即使用一对Arduino-XBee模块，可以实现一个最简单的包含两个结点的ZigBee网络，完成Arduino之间的无线通信。

所述的XBee模块在正常工作之前需要进行相应的设置。其中对XBee模块的设置既可以按照XBee手册中的AT指令，通过串行终端完成，也可以借助X-CTU这一工具来完成。用USB电缆将Arduino与PC机连接好之后，运行X-CTU软件。在“PC Settings”中里选择对应的通信端口，并设置好波特率等参数。

将Arduino-XBee扩展板连接到Arduino母板上，Arduino-XBee扩展板上的两个跳线置于USB一端，X-CTU能通过Arduino的USB接口对XBee模块进行配置，需要对另外一个Arduino-XBee模块做完全相同的设置。两个Arduino-XBee模块都设置好之后，运行两个X-CTU并在“PC-Settings”中选择不同的通信接口，分别对两个Arduino XBee模块进行控制。数据主要通过Arduino的串行通信接口发送给XBee模块，然后在另一个Arduino模块中通过串行接口进行接收读取。

针对管内涂层图像的特点,采用分块+Otsu+K-means图像分割算法，具体步骤为：

A. 分别在颜色空间的a、b分量上计算图像整体的方差σa^2、σb^2，并计σI^2=σa^2+σb^2，其中a、b分别代表红绿颜色、蓝黄颜色。

B.对图像划分为i等分，共分2i个子图像。

C.内部求解计算分块后每块图像的σj^2方差，其中（j=1,2,3...）。

D.若maxσj^2-σI^2>10%σI^2，则分块结束。否则重复B-C。

经过上述分块步骤后,得到最佳的分块个数和具有最大方差的子图像 ,对此图像在lab空间上进行分割处理,并对分割后的两类图像求取均值作为后面K-means聚类算法的聚类中心。

所述管内涂层机器人，主要通过行星轮12完成高速旋转除锈的过程，其中外齿圈11通过定位杆17固定在定位座33上，定位座33与机器人主结构固定连接，其中太阳轮步进电机26固定在电机控制模块25上，电机控制模块25固定与机器人的主控板上，其中电机输出轴通过联轴器24并通过平键进行转矩输出。工作过程中，太阳轮10高速旋转，行星轮12通过齿轮啮合传递扭矩并加速旋转，设计太阳轮10的齿数大于行星轮12，传动比小于1，降低传动速度可使内壁喷涂更加均匀。

所述喷头18主要通过喷头支撑架21上行星轮连接键42与行星轮12中设置的行星轮键槽9连接传递扭矩，其中因为受力较小，本设计中采用的是平键连接，若管径较大，喷头18的工作面载荷较大，可考虑采用花键进行连接。

所述的支撑杆32底端与外轮廓定位架20铰接，外轮廓定位架20设置有对应的铰接端。支撑杆32末端为滚轮15，支撑杆32中部为设置有铰接端，连杆30与支撑杆32铰接。外轮廓定位架20上设置有滑杆34的定位孔，滑杆34通过定位孔与外轮廓定位架20连接。所述的连架杆28连接外轮廓定位架20，有主要用于增加结构刚度及稳定性。

所述倾角传感器19配合高清摄像头16协同使用，机器人可以在管内进给，当高清摄像头16识别出管内有阻碍物时，会将信息传输给控制系统，控制系统可使滚轮15发生一定角度的偏转，从而保证涂层机器人可以合理的避障。

所述制动圆盘4，可保证机器人在前进过程中需要减速或制动使用。当机器人捕捉到涂层表面有缺陷时，通过位置识别反馈将信号传输到控制系统中，可有效的完成机器人在目标位置的及时制动。

本实用新型采用的自行设计的自适应支撑结构，可有效提高机器人不同管径的适应能力，对管内壁实现防腐蚀材料喷涂，并可在运动过程中调整机器人在管内的姿态，提高了运行的可靠性，并通过协同反馈极大程度上提供了机器人的机械灵活性及工作效率。

实施例中的方案并非用以限制本专利的保护范围，凡未脱离本专利所谓的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

设计图

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