Page 110 - 无损检测2024年第八期

李 彰，等：

复合型管道焊缝渗透检测机器人系统设计

高自由度的灵活性，实现管道的自动渗透检测，搭载
工具的7自由度机械臂实物如图5所示。该机械臂
主要适配核电站400 mm以下直径的工艺管道，为了
分析机械臂是否具有完成管道表面渗透检测任务的
能力，笔者构建7自由度机械臂的运动学模型，通过
圆弧的运动轨迹规划，在仿真环境中进行工艺轨迹
验证。

图 3 显像剂喷罐组件结构示意
存槽、擦拭块组件收纳盒、快拧式盖板锁紧结构、保
护盖板和拉手组成，其结构如图4所示。执行擦拭
块的拾取操作时，机械臂末端的电磁铁靠近并接触
擦拭块组件中的磁吸片，在磁吸附的作用下，擦拭块
图 5 搭载渗透工具的 7 自由度机械臂实物
组件离开擦拭块存储盒并吸附于机械臂的末端。
3.1 7自由度运动学建模
采用标准DH法，建立机械臂连杆坐标系{X n ，
Y n ， Z n }（n=0，1…7），其结果如图6所示，其中坐标
系{X 0 ， Y 0 ， Z 0 }为机械臂的基坐标系，坐标系{X 7 ， Y 7 ，
Z 7 }为机械臂的法兰坐标系，同时建立机械臂末端工
具的工具坐标系{X tool ， Y tool ， Z tool }。7自由度机械臂
DH参数如表 1 所示，其中A为坐标系轴Z i-1 到Z i ，
沿X i 正方向的距离， α 为坐标系轴Z i-1 到Z i ，沿X i 正
方向的转角， D为坐标X i-1 到X i ，沿Z i-1 正方向的距
图 4 擦拭块储存槽结构示意
离， θ 为坐标系轴X i-1 到X i ，沿Z i-1 正方向转角。
3 机械臂运动学建模与仿真 末端工具相对于移动平台基座坐标系的位姿
满足
为了实现机器人代替人工进行检测，采用7自
tool = T 1 T 2 TTT 4 5 T 6 TT tool （1）
3

由度机械臂作为搭载工具的主要执行单元，借助其 0 0 1 2 3 4 5 6

图 6 7 自由度机械臂坐标系示意
表1 7自由度机械臂DH参数
式中：T i− 1 表示坐标系i-1相对于坐标系i的相对位
关节 A/mm α/rad D/mm θ/rad i
姿变换过程，结合DH参数，满足
1 0 -π/2 341.5 0
2 0 π/2 0 0 cos θ i sin θ − i cos α i sin θ i sin α i A i cos  θ i
 
3 0 -π/2 394.0 0  sin θ cos θ cos α cos θ − sin α A sin θ i 
T i− 1 = i i i i i i
4 0 π/2 0 0 i 0  sinα cosα D 
 i i i 
5 0 -π/2 366.0 0
  0 0 0 1  
6 0 π/2 0 0
7 0 0 250.3 0 （2）
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2024 年 第 46 卷 第 8 期
无损检测