CN102425708B - 无损探伤管道机器人 - Google Patents

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刘兴振
朱保国
张红红
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曹超
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Abstract

本发明公开的无损探伤管道机器人,涉及管道机器人技术领域,该管道机器人能够适用于竖直及弯管环境,且工作性能稳定可靠;包括检测管道内部损伤情况的检测机构、承载检测机构和电源的承载机构、提供行走动力的驱动机构和控制系统,驱动机构和承载机构通过万向联轴器连接,检测机构设置在承载机构的承载中心轴轴端;还包括控制行走方向的导向机构,导向机构置于驱动机构前方,导向机构引导位于驱动机构下部的转向轮进行转向,驱动机构前方设有的转向探测装置将探测到的数字信号反馈至控制系统,控制系统对数字信号处理后分别将控制指令传输至伺服电机驱动器,控制伺服电机驱动驱动轮,弯管环境下,驱动轮转速形成差值,实现差速转向。

Description

无损探伤管道机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及管道机器人技术领域,具体是涉及一种用于无损探伤检测的管道机器人。
背景技术
[0002] 无论是工业工程还是日常生活中,管道起着极其重要的作用。然而管道在使用过程中由于受到腐蚀、压力以及其它外力损伤等因素的影响,难免形成一定的安全隐患,这就需要定期对管道进行检测、维修及清洗等工作来确保管道使用过程中的安全性。
[0003] 但管道大多深埋地下或者位于建筑物中,管网结构错综复杂,且有些管径较小,人工难以在这样的环境下进行工作;即使人工可以进入有些管径较粗的管道,也会受困于活动空间狭小,难以进行作业;同时,管道内可能存在有流水、毒气及腐蚀垃圾等,严重危及工人的安全。因此,管道机器人应用而生。
[0004] 现有技术中也有应用在不同情况下的管道机器人,但这些管道机器人一是在弯管、支岔管中的通过性问题难以克服,机动灵活性及运行可靠性差;二是在竖直管道中前行缺乏足够大的驱动力及有效支撑;三是由于受管道内部环境复杂的影响,导致现有的管道机器人的输出的数据及图像不是特别稳定,应用效果不是特别理想。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提出一种无损探伤管道机器人,该管道机器人能够适用于竖直及弯管环境,且工作性能稳定可靠。
[0006] 为实现上述发明目的,本发明创造采用如下技术方案:
[0007] —种无损探伤管道机器人,包括用来检测管道内部损伤情况的检测机构、用来承载检测机构和电源的承载机构、用于提供无损探伤管道机器人行走动力的驱动机构和控制系统,所述驱动机构和承载机构通过万向联轴器连接,检测机构设置在承载机构的承载中心轴轴端;
[0008] 还包括控制无损探伤管道机器人行走方向的导向机构,所述导向机构置于驱动机构前方,包括导向伸缩杆和置于导向伸缩杆前端的导向轮,导向伸缩杆上套设导向弹簧,导向伸缩杆后端设置在与驱动机构连接的套筒内,且通过导向伸缩杆上设置的销子在套筒的长圆孔内伸缩滑动;
[0009] 所述导向机构引导位于驱动机构下部的转向轮进行转向,所述驱动机构前方左右两侧设有转向探测装置,两侧的转向探测装置分别将探测到的数字信号反馈至控制系统,控制系统对数字信号处理后分别将控制指令传输至位于驱动机构左右两侧的伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机驱动位于驱动机构下方左右两侧的驱动轮,弯管环境下,左右两侧的驱动轮转速形成差值,实现差速转向。
[0010] 为更好的实施本发明创造,所述驱动轮之间角度能够在90-120°范围内调整。
[0011] 为更好的实施本发明创造,所述驱动机构上还设有支撑轮,所述支撑轮通过驱动四连杆与驱动机构架体连接,其中,驱动机构下方连杆通过伸缩杆与驱动机构架体连接,伸缩杆上套设弹簧,且伸缩杆一端设置在与驱动机构架体连接的支座内,所述支座外壁上旋合有调节弹簧伸缩量的旋紧螺母。
[0012] 为更好的实施本发明创造,所述驱动机构的驱动后板两侧设有直线探测装置,所述直线探测装置分别将探测到的数字信号反馈至控制系统,控制系统对数字信号处理后分别将控制指令传输至位于驱动机构左右两侧的伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机驱动位于驱动机构下方左右两侧的驱动轮,直管环境下,修正左右两侧的驱动轮转速差值;所述驱动后板上连接万向联轴器一端。
[0013] 为更好的实施本发明创造,所述驱动机构的驱动前板上设有CXD成像装置。
[0014] 为更好的实施本发明创造,所述承载机构包括承载大圆盘、承载小圆盘及设置在两者之间连接两者的承载肋板,还包括穿过承载大圆盘和承载小圆盘中心的承载中心轴;所述承载小圆盘连接万向联轴器另一端;其中,承载肋板上铰接承载杆,承载杆一端分别设有承载大轮和承载小轮,承载小轮位于承载大轮前方;承载杆另一端通过承载连杆与中心滑块连接,所述中心滑块设置在直线轴承外圈上,直线轴承内圈与承载中心轴构成移动副;所述承载中心轴上套设支撑中心滑块的中心弹簧。
[0015] 为更好的实施本发明创造,所述检测机构包括检测单元底板和检测单元上板,两者之间夹设套筒,所述套筒中心孔内设有伸缩杆,伸缩杆上套设压缩弹簧,且伸缩杆一端连接检测单元轮;所述检测单元上板上120°间隔设有涡流检测装置。
[0016] 为更好的实施本发明创造,所述检测单元底板和检测单元上板设置为三角板形状,且对称设置,检测单元底板和检测单元上板的边角处夹设连接套筒。
[0017] 为更好的实施本发明创造,所述承载机构上还设有往复机构,往复机构的伺服电机设置在承载大圆盘上,伺服电机输出轴上连接齿轮A,所述齿轮A与设置在检测单元底板上的齿轮B啮合。
[0018] 为更好的实施本发明创造,所述控制系统具备智能化和人工控制两种模式,当实施人工控制时,上位机切断控制系统的信号,由人通过上位机直接控制伺服驱动器,然后再由伺服驱动器将指令传给伺服电机来进行驱动。
[0019] 由于采用如上所述的技术方案,本发明创造具有如下优越性:
[0020] 本发明是一种基于CXD图像采集系统和涡流检测的无损探伤管道机器人。该机器人实现了以下突破:
[0021] 1、由于采用智能化和人工控制两种模式,另外应用多种传感器,以应对管道内部环境复杂,可能导致传感器无法正常工作的情况,从而保证智能管道机器人的工作稳定性。
[0022] 2、驱动部分采用倾斜驱动轮,利用连杆机构使管道检测机器人与管壁有较大的摩擦,适应不同口径的水平管道和垂直管道。
[0023] 3、利用支撑轮、转向轮和导向轮等结构使其具有很好的机械转向能力;控制部分利用单片机对左右两个伺服电机进行精确控制,通过智能化电控实现精确地转向的能力。
[0024] 4、检测部分由LED照明装置、CXD摄像机、涡流传感器、位置传感器等探测元件组成。利用LED照明装置对机器人前进方向进行照明,为CCD摄像机提供充足的光源。CCD摄像机对管道内部图像进行采集,同时还可以在管道内极其复杂的情况下为工作人员遥控控制提供图像信息。利用先进的涡流检测技术,实现了对管壁的精确检测,同时通过检测机器人上的传感器可以确定其位置,便可以利用CCD图像采集器和涡流检测这种无损伤检测技术实现对管道内部的精确检测。
附图说明
[0025] 图1是无损探伤管道机器人的立体结构示意图;
[0026] 图2是无损探伤管道机器人的主视图;
[0027]图3是无损探伤管道机器人的检测机构的结构示意图;
[0028] 图4是无损探伤管道机器人的承载机构的结构示意图;
[0029] 图5是无损探伤管道机器人的驱动机构的结构示意图;
[0030] 图6是无损探伤管道机器人控制流程示意图;
[0031] 图中:
[0032] 1-检测机构;101-检测单元轮,102-弹簧,103-套筒,104-滚动轴承,105-检测单元上板,106-检测单元底板,107-伸缩杆。
[0033] 2-承载机构;201-承载大圆盘,202-承载杆,203-承载肋板,204-承载大轮,205-承载小轮,206-承载小圆盘,207-承载中心轴,208-轴用弹性挡圈,209-直线轴承,2010-中心滑块,2011-中心弹簧,2012-法兰盘,2013-承载连杆。
[0034] 3-万向联轴器;
[0035] 4-驱动机构;401-限位板,402-驱动四连杆,403-支撑轮,404-驱动单元前板,405-旋紧螺母,406-驱动轮,407-电机承载外壳,408-伸缩杆,409-驱动电机,4010-转向轮,4011 -承载肋板,4012-驱动单元后板;4013-弹簧,4014-连杆。
[0036] 5-导向机构;501-导向弹簧,502-导向轮,503-导向伸缩杆,504-销子;505_套筒。
[0037] 6-涡流检测装置
[0038] 7-往复机构;701-齿轮A,702-伺服电机,703-齿轮B。
[0039] 8-转向检测装置;
[0040] 9-控制系统;
[0041] 10-CCD 成像装置;
[0042] 11-直线检测装置。
具体实施方式
[0043] 以下结合附图及优选的实施例对本发明做详细解释,需说明的是,以下实施例不得解释为对本发明无损探伤管道机器人的限制。
[0044] 由于管道机器人在管道中受到很强的管道约束,尤其是遇到弯曲的管道。一方面机器人在弯管(包括垂直管道)行走中要有足够的摩擦力来克服重力的影响,需要提供足够大的驱动力来克服各种阻力;另一方面需要机器人容易控制,机动灵活。
[0045] 参看附图1中,本发明的无损探伤管道机器人主要是由检测机构1、承载机构2、驱动机构4和控制系统9组成,驱动机构4和承载机构2通过万向联轴器3连接,可以保证整个管道机器人的运动灵活;检测机构I设置在承载机构2的承载中心轴207轴端。其中驱动机构4装有转向检测装置8和CXD成像装置10来进行数字成像,实时监测管道机器人的运动情况,并根据成像分析探测管道内部结构来引导管道机器人的行走。同时检测机构I上装有涡流检测装置6可以对管道进行无损探伤,并将所形成的图像传给主控系统,供主控系统进行分析。其中驱动机构4主要靠左右的两个伺服电机来控制驱动轮406的运动。检测机构I通过设置在承载机构2和检测机构I之间的往复机构7实现运动。
[0046] 参看附图2及附图3,检测机构I主要是由三角形对称的检测单元底板106和检测单元上板105作支撑,检测单元底板106和检测单元上板105之间夹设套筒103,套筒103通过螺钉与检测单元上板105和检测单元底板106连接,且套筒103位于两者的边角处。伸缩杆107设置在套筒103中心孔内,且能够在中心孔内自由拉拔及旋转。压缩弹簧102套设在伸缩杆107上,检测单元轮101连接在伸缩杆107端部。当整个管道机器人通过较小的管道时,检测单元轮101受力,带动伸缩杆107缩回套筒103中心孔,压缩弹簧102的设置,有效保证了伸缩杆107缩回速度及回缩量;从而实现减小整个检测机构I的半径,进而顺利通过较小的管道。在承载单元上板105上120°间隔固定有三个涡流检测装置6。
[0047] 参看附图4,承载机构2的承载大圆盘201、承载小圆盘206之间间隔设置四个承载肋板203,保证了整个承载机构的强度。承载中心轴207穿过承载大圆盘201和承载小圆盘206中心;所述承载小圆盘206连接万向联轴器3另一端;其中,每个承载肋板203上均铰接承载杆202,承载杆202 —端分别设有承载大轮204和承载小轮205,承载小轮205位于承载大轮204前方;承载大轮204和承载小轮205通过滚动轴承连接在承载杆202上,以减小运动时的摩擦。承载杆202另一端通过承载连杆2013与中心滑块2010连接,所述中心滑块2010设置在直线轴承209外圈上,直线轴承209内圈与承载中心轴207构成移动副;所述承载中心轴207上套设支撑中心滑块2010的中心弹簧2011。由于承载机构2主要是用来承载电源和驱动涡流检测装置,且承载机构2没有直接驱动,阻力应尽可能的小。上述结构设计保证了承载机构2在运动过程中尽量减少与管壁的摩擦。当整个机器人遇到较小管径的管道时,承载大轮204受力,由于受到承载大轮204的作用,承载杆202受到压力,传递到中心滑块2010,中心滑块2010带动直线轴承209在承载中心轴207运动,压缩中心弹簧2011,从而减少承载机构的总体半径,顺利通过较小的管道。
[0048] 所述承载机构2上还设有往复机构7,往复机构7的伺服电机702设置在承载大圆盘201上,伺服电机702输出轴上连接齿轮A701,所述齿轮A701与设置在检测单元底板106上的齿轮B703啮合。伺服电机702控制检测机构I的运动范围处于120度之间,这样的运动可以保证安装在检测机构I上的三个涡流检测装置6将管道内部实际情况全部传输出来。
[0049] 参看附图5,驱动机构4驱动前板404上设有控制无损探伤管道机器人行走方向的导向机构5及CCD成像装置10,导向机构5包括导向伸缩杆503和置于导向伸缩杆503前端的导向轮502,导向伸缩杆503上套设导向弹簧501,导向伸缩杆503后端设置在与驱动机构4连接的套筒505内,且通过导向伸缩杆503上设置的销子504在套筒505的长圆孔内伸缩滑动。导向机构5控制着整个机器人的行走方向,当管道机器人需要转向时,首先导向轮502通过导向弹簧501的作用,使整个管道机器人顶着管壁,位于电机承载外壳406下部的转向轮4010开始转向,进而带动整个管道机器人进行转向。由于驱动机构4前方左右两侧设有转向探测装置8,两侧的转向探测装置8分别将探测到的数字信号反馈至控制系统9,控制系统9对数字信号处理后分别将控制指令传输至位于驱动机构4左右两侧的伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机409驱动位于驱动机构4下方左右两侧的驱动轮406,弯管环境下,左右两侧的驱动轮406转速形成差值,实现差速转向。其中,驱动轮406之间角度能够在90-120°范围内调整。
[0050] 驱动机构4上还设有支撑轮403,所述支撑轮403通过驱动四连杆402与驱动机构4架体连接,其中,驱动机构4下方连杆4014通过伸缩杆408与驱动机构4架体连接,伸缩杆408上套设弹簧4013,且伸缩杆408 —端设置在与驱动机构4架体连接的支座内,所述支座外壁上旋合有调节弹簧4013伸缩量的旋紧螺母405,从而适应不同直径的管道。上支撑轮403在运动过程中起着重要的作用,它承受很大的摩擦力,这样才能在复杂的管道环境中正常行走。上支撑轮403由于伸缩杆408的作用,可以实时调节整个管道机器人的行走直径,以适应不同的管道。
[0051] 驱动机构4的驱动后板4011两侧设有直线探测装置11,所述直线探测装置11分别将探测到的数字信号反馈至控制系统9,控制系统9对数字信号处理后分别将控制指令传输至位于驱动机构4左右两侧的伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机409驱动位于驱动机构4下方左右两侧的驱动轮406,直管环境下,修正左右两侧的驱动轮406转速差值;所述驱动后板4011上连接万向联轴器3 —端。
[0052] 即驱动机构4是靠伺服电机驱动的,通过红外探测装置8、11和CXD成像装置10所产生的数字信号传给控制系统9,再由控制系统发出指令至伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机执行相应动作来引导驱动轮406的运动,从而使管道机器人可以适应不同环境下的管道。当某一侧转向探测装置8没有检测到障碍物(即管壁)时,此时说明管道向该侧弯曲,集成电路控制板便控制该侧的电机停止,另一侧仍继续运动,从而实现电机的差速控制;直线探测装置11都检测到障碍物(管壁)时,说明此时机器人在直管道中行走,左右两个驱动电机带动驱动轮驱动检测机器人向前运动。当直线探测装置11均未检测到障碍物(即管壁)时,说明此处管道为“T”形,即此处为三通,检测机器人会根据复杂的情况做出一定的选择,实现顺利通过。
[0053] 控制系统以16位单片机STC12C5412AD为核心,左右驱动轮406附近的红外转向探测装置8根据探测到的障碍物即管壁而产生不同的信号,红外转向探测装置8将检测到的信号送入单片机进行处理。单片机根据红外转向探测装置8传出的信号的不同,来调节左右两侧驱动电机的运动,从而实现电控的精确转向。同时位于检测机构I的涡流检测器可以对管道内部进行实时检测,并将检测数据传给上位机,由上位机对所采集的数据进行分析,从而判断管道的损害情况,并传出实际数据,用来对管道进行预防和修补。
[0054] 结合图6,当整个管道机器人开始通电时,需要把单片机的个个寄存器,相应的IO管脚进行初始化,这时候开启无线的视频传输装置,不停的发送管道内部的信息。初始化结束之后,则整个机器人按照事先设定的默认速度前进。为了让整个系统更加智能化的运行,机器人在行走的过程中需要实时检测外界接收到的信息:上位机发送的命令、检测整个系统是否走偏、检测整个系统是否倾斜,同时还要实时检测整个管壁是否有裂缝。
[0055] 上位机发送的命令可以调节机器人的运行速度、是否进行拐弯、以及运行停止等命令。当接收到上位机通过无线发送到的命令之后,通过判断接收到的信息,经过比较判断之后控制整个系统做出相应的动作,从而实现了人与机器的交互控制。
[0056] 当管道机器人处于直线行走的过程中,牵引端有直线探测装置11检测机器人与管壁的距离,经过判断之后得出小车是向哪个方向偏斜,从而经过PID算法,来控制两个驱动轮的占空比,从而让系统回归到直线行走的轨道上来,同时放置在机器人上的角度传感器也能起到同样的效果。
[0057] 在检测机构I放置了三个涡流检测装置6,在运行的过程中,这三个涡流检测装置6 一直不断的扫描管壁信息,如果检测到管壁有裂缝,就把裂缝的位置信息通过无线装置发送给上位机,同时整个系统停止,等待上位机发送新的命令。
[0058] 本发明除了可以进行管道内部的探伤工作,其承载机构和检测机构还可以根据需要加载其他装置来对管道内部进行作业。
[0059] 本发明主要应用于石油、煤气、化工、水利、锅炉等行业的管道检测及清理工作,可以实现以下四个功能:
[0060] (I)实现对管道堵塞状况的实时监控。
[0061] (2)实现对管壁腐蚀状况的实时监控。
[0062] (3)实现对管道管壁壁厚的实时监控。
[0063] (4)实现对管道管内缺陷的实时监控。

Claims (10)

1.一种无损探伤管道机器人,包括用来检测管道内部损伤情况的检测机构(I)、用来承载检测机构(I)和电源的承载机构(2)、用于提供无损探伤管道机器人行走动力的驱动机构(4)和控制系统(9),所述驱动机构(4)和承载机构(2)通过万向联轴器(3)连接,检测机构(I)设置在承载机构(2)的承载中心轴(207)轴端;其特征是: 还包括控制无损探伤管道机器人行走方向的导向机构(5),所述导向机构(5)置于驱动机构(4)前方,包括导向伸缩杆(503)和置于导向伸缩杆(503)前端的导向轮(502),导向伸缩杆(503)上套设导向弹簧(501),导向伸缩杆(503)后端设置在与驱动机构(4)连接的套筒(505)内,且通过导向伸缩杆(503)上设置的销子(504)在套筒(505)的长圆孔内伸缩滑动; 所述导向机构(5)引导位于驱动机构(4)下部的转向轮(4010)进行转向,所述驱动机构(4)前方左右两侧设有转向探测装置(8),两侧的转向探测装置(8)分别将探测到的数字信号反馈至控制系统(9), 控制系统(9)对数字信号处理后分别将控制指令传输至位于驱动机构⑷左右两侧的伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机(409)驱动位于驱动机构(4)下方左右两侧的驱动轮(406),弯管环境下,左右两侧的驱动轮(406)转速形成差值,实现差速转向。
2.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述驱动轮(406)之间角度能够在90-120°范围内调整。
3.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述驱动机构(4)上还设有支撑轮(403),所述支撑轮(403)通过驱动四连杆(402)与驱动机构(4)架体连接,其中,驱动机构(4)下方连杆(4014)通过伸缩杆(408)与驱动机构(4)架体连接,伸缩杆(408)上套设弹簧(4013),且伸缩杆(408) —端设置在与驱动机构(4)架体连接的支座内,所述支座外壁上旋合有调节弹簧(4013)伸缩量的旋紧螺母(405)。
4.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述驱动机构(4)的驱动后板(4011)两侧设有直线探测装置(11),所述直线探测装置(11)分别将探测到的数字信号反馈至控制系统(9),控制系统(9)对数字信号处理后分别将控制指令传输至位于驱动机构⑷左右两侧的伺服电机驱动器,由伺服电机驱动器控制伺服电机(409)驱动位于驱动机构(4)下方左右两侧的驱动轮(406),直管环境下,修正左右两侧的驱动轮(406)转速差值;所述驱动后板(4011)上连接万向联轴器(3) —端。
5.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述驱动机构(4)的驱动前板(404)上设有CXD成像装置(10)。
6.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述承载机构(2)包括承载大圆盘(201)、承载小圆盘(206)及设置在两者之间连接两者的承载肋板(203),还包括穿过承载大圆盘(201)和承载小圆盘(206)中心的承载中心轴(207);所述承载小圆盘(206)连接万向联轴器(3)另一端;其中,承载肋板(203)上铰接承载杆(202),承载杆(202) —端分别设有承载大轮(204)和承载小轮(205),承载小轮(205)位于承载大轮(204)前方;承载杆(202)另一端通过承载连杆(2013)与中心滑块(2010)连接,所述中心滑块(2010)设置在直线轴承(209)外圈上,直线轴承(209)内圈与承载中心轴(207)构成移动副;所述承载中心轴(207)上套设支撑中心滑块(2010)的中心弹簧(2011)。
7.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述检测机构(I)包括检测单元底板(106)和检测单元上板(105),两者之间夹设套筒(103),所述套筒(103)中心孔内设有伸缩杆(107),伸缩杆(107)上套设压缩弹簧(102),且伸缩杆(107) —端连接检测单元轮(101);所述检测单元上板(105)上120°间隔设有涡流检测装置(6)。
8.根据权利要求7所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述检测单元底板(106)和检测单元上板(105)设置为三角板形状,且对称设置,检测单元底板(106)和检测单元上板(105)的边角处夹设套筒(103)。
9.根据权利要求6或7所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述承载机构(2)上还设有往复机构(7),往复机构(7)的伺服电机(702)设置在承载大圆盘(201)上,伺服电机(702)输出轴上连接齿轮A(701),所述齿轮A(701)与设置在检测单元底板(106)上的齿轮B (703)啮合。
10.根据权利要求1所述的无损探伤管道机器人,其特征是:所述控制系统具备智能化和人工控制两种模式,当实 施人工控制时,上位机切断控制系统的信号,由人通过上位机直接控制伺服电机驱动器,然后再由伺服电机驱动器将指令传给伺服电机来进行驱动。
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