基于网络远程控制的检测机器人系统

梁东敏 时三焕

摘 要：机器人远程控制在空间探索、深海勘探和危险环境作业等领域具有不可替代的作用。互联网的飞速发展和普及以及传输速度的不断提高为机器人远程控制提供了廉价而便捷的通讯手段。本文设计了一种基于网络远程控制的机器人自动检测系统，取代人工检测方式完成焊缝检测。通过网络远程控制机器人系统，由机器人系统对被检测焊缝进行自动检测，并将结果传送给远程检测人员。

关键词：网络远程控制；检测；机器人系统

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）11-0263-01

1 自动检测机器人系统设计

管道焊缝缺陷检测采用的传感器是超声波换能器，使用超声波换能器检测焊缝的扫查方式通常可根据超声波换能器主探测面与焊缝位置关系分为两种：①垂直于焊缝扫查，超声波换能器主探测面垂直于焊缝切线方向进行向心或离心运动。②平行于焊缝扫查，超声波换能器主探测面平行于焊缝切线方向运动。本论文介绍的机器人的设计和机器人系统的远程控制策略，总体设计方案如图1所示，包括固定支座、机器人手臂、超声波换能器姿态和位置控制机构等设计。

1.1 固定支座设计

固定支座采用移动滑块固定支座，四个移动滑块作为夹持工具，两根丝杠作为移动滑块的驱动工具，四个滑块的螺距相同，旋转丝杠，滑块按相同速度移动。这种机构在已知支管直径变化范围为？准100～？准400mm，能够适应支管的这一直径变化范围，实现精确的自动定心要求；提供足够的夹紧力；机构在结构上剖分成兩部分，剖分后采用快速连接装置将这两部分结构联接为一个整体；在设计上采用快速联接装置，缩短了固定支座安装、拆卸时间；可靠性高、结构简单。

1.2 机器人手臂设计

机器人手臂采用关节式机器人结构，固定支座作为机器人系统的机座，将机器人系统（固定支座本身及机器人手臂）固定在被检测管道上，形成机器人手臂安装平台与定位基准，来实现焊缝自动检测功能。圆周方向上的旋转运动设计了行星齿轮机构。电机法兰盘端面固定在转动盘一端，行星小齿轮和机器人手臂绕被检测支管轴线实现旋转运动，完成圆周方向上的焊缝检测。

2 基于网络的远程控制

管道检测机器人系统是一个网络化的远程控制系统。机器人与地面工作站组成局域网，地面工作站人员通过网络来远程监测、控制机器人的运动和检测作业。管道检测机器人远程控制结构包括底层控制和高层控制。底层控制由硬件和软件模块组成，包括传感器、执行机构及信息交换系统，是机器人远程控制的基础。本文介绍一种基于C/S模型的网络信息传输系统，该系统在服务器方和本地客户方均采用了多线程模式，将视频捕获压缩、传输、解压缩、灯模块分配在不同的线程中运行，以提高传输速率和效率。

2.1 视频图像传输

管道检测机器人系统，检测作业由机器人在地下管道内进行，对机器人实施远程监测、控制是通过地面工作站进行的。因此，本实验系统的通讯主要是地面和管道内信息之间的交换，为了实时显示管内的视频图像，本系统实现了基于网络的视频图像传输。在基于WindowsXP平台的VisualC++6.0编程环境下，利用Socket网络通信接口分别实现了服务器端和客户端的应用程序。服务器端的主线程利用CCD彩色摄像机输入视频信号到图像采集卡，负责采集视频数据，用Socket建立和客户端的连接，并将数据传送出去，同时开启一个预览窗口，便于操作人员控制。客户端负责用Socket和服务器连接，接收服务器传送过来的视频信号，解码并实时播放，同时开启另一个线程负责图像检测、管内检测等。

2.2 服务器端

服务端安装在管道机器人本体的嵌入式系统中，服务器系统启动之后就建立一个Socket，一旦检测到客户端发过来的网络连接，就与客户端建立连接，此后如果接收到客户端传送请求，就开启一个传送线程将数据压缩打包传送给客户端，同时开启另一个线程把采集压缩后的数据在本地回放。如果尚未开始采集数据，那么将暂停发送。操作者点击传送按钮之后，系统就开始获取视频数据，此时数据的传输正式开始。

服务器端采用了双缓冲技术，每个缓冲区对应一个线程，每个线程处理不同的事情。一个线程负责从图像采集卡缓存中取出视频数据，将其压缩后放人缓冲区；另一个线程是Socket通信线程，负责从缓冲区中读出压缩的视频数据，发送给客户端，然后释放内存空间交由采集和压缩线程存放后续数据。

2.3 客户端

客户端安装在地面控制站的工控计算机中，在客户端，完成图像数据的接收和回放，同时接收服务器另一台计算机传输的各检测参数，并与图像信息协调，在同一界面中显示。实现图像延时，既可以在服务器端也可以在客户端。在服务器端，可以先设定延时时间，等待到达延时时间再将数据包从发送缓冲区取出、发送。在客户端，待等待时间到达后，再从接收缓冲区把数据取出、回放。考虑到图像信息和其他信息显示要协调在同一台客户计算机上，因此，为接收数据方便，采用在客户端延时显示的方法，对接收到的帧进行计数，待帧数达到延时时间再显示图像。

2.4 TCP协议和UDP协议的联合使用

基于Socket的Client/Server模式的应用设计有两种通讯服务类型：一种是面向连接的TCP协议，另一种是无连接的UDP协议。管道机器人控制命令的传输要求是可靠、准确、及时，而命令本身占用极小的网络带宽。鉴于命令传输的特点，为了保证控制命令的正确传输，采用面向连接的TCP来设计客户机和服务器之间的命令传输协议。而实时图像的传输不同于传统的下载整个文件后播放的方法，它要求图像的实时传输和实时播放，要求服务器发送稳定的图像数据流，客户方一边接收数据一边恒速的播放，因此采用无连接的UDP协议实现，服务器数据的获取是通过CCD摄像机获得机器人作业现场的图像，经由视频采集卡，将图像转化为24位的帧彩色位图图像，然后将图像送入视频编码解码器，对图像进行压缩。

参考文献

[1]徐志晖.基于无线网络的远程控制平台研究与实现[D].南京：南京航空航天大学，2005.

[2]李 鹏，马书根，李 斌，王越超.具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析.机械工程学报，2009，45（1）：154～161.

收稿日期：2018-3-12