CN105973986A - 用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人及检测方法，该机器人包括机身，安装在机身下方的行走装置以及安装在机身一端部的检测装置；行走装置由安装在机身上的四个独立运动的麦克纳姆轮机构构成；检测装置主要由与超声波发生器连接的超声波探头和超声波探头调节机构组成；超声波探头调节机构包括带动超声波探头沿水平方向左右移动的第一调节机构和调节超声波探头高度使超声波探头与被检测容器底板表面贴合进行检测的第二调节机构。该机器人不仅能够实现对被检测容器的全方位缺陷位置检测，而且能够避免因超声波方向与缺陷方向不垂直导致的反馈信号强度低造成的漏检，提高检测准确度。

Description

用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人及检测方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种缺陷检测机器人，具体涉及一种基于超声波的全方位缺陷检测机器人、利用该机器人进行缺陷检测的方法以及使用该机器人用于对储油罐底板进行检测。

背景技术

表面缺陷一般是金属表面局部物理或化学性质不均匀的区域，表面缺陷是原子活性较高的部位，常常成为金属腐蚀的始发位置，会严重影响产品的使用性能。以储罐为例，储罐是储装原油、中间油、成品油等易燃易爆、挥发性及有毒介质的重要工具，广泛应用于工业、国防、石油、石化等行业。由于储罐长年在自然环境条件下运行，储罐罐底不可避免的出现老化、腐蚀等缺陷，因此极易引起介质泄露，导致环境污染，并产生巨大的经济损失。因此，表面缺陷检测研究十分重要，具有广泛的社会价值和经济价值。

缺陷检测通常是指对物品表面缺陷的检测。目前，国内中厚钢板厂多采用手动探伤方法，手动探伤具有投资低、使用灵活等优点，但手动探伤存在着探伤速度慢、探伤时间长、生产效率低、劳动强度大、占用生产场地多等缺点，并易造成漏探和误探，难以确保缺陷检测的准确性。

发明内容

本发明目的旨在针对手动探伤缺陷检测存在的效率低、准确性差等技术问题，提供了一种基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，能够全向运动，实现对产品缺陷的全方位自动检测，提高检测效率和检测精度。

本发明的另一目的旨在提供一种使用上述机器人对大容积平底容器底板缺陷进行全方位检测的方法。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明提供了一种基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，包括机身，安装在机身下方的行走装置以及安装在机身一端部的检测装置；行走装置由安装在机身上的四个独立运动的麦克纳姆轮机构构成，通过机身带动检测装置在水平面平移、斜行、旋转运动或者三种运动方式至少两种方式的组合运动；检测装置主要由超声波探头和超声波探头调节机构组成；超声波探头调节机构包括带动超声波探头沿水平方向左右移动的第一调节机构和调节超声波探头高度使超声波探头与被检测容器底板表面贴合进行检测的第二调节机构。

上述基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，机身为矩形车架，四个独立运动的麦克纳姆轮机构对称安装在机身的两侧。麦克纳姆轮机构由麦克纳姆轮、步进电机和减速器构成，步进电机的输出端与减速器输入端连接，减速器的输出端通过联轴器与麦克纳姆轮连接。在这里，可以通过单片机来控制步进电机的启停。麦克纳姆轮包括一个机轮以及位于机轮周边的多个轮轴，可以在不改变机轮自身方向的情况下，实现在任一方向上的自由移动，四个麦克纳姆轮进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能，包括前行、横移、斜行、旋转及其组合灯运动方式。可以通过单片机来实现对每个麦克纳姆轮运动方向的控制。

上述基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，第一调节机构主要由安装在机身上的第一传动组件和用于安装第二调节机构的第一连接板构成；第二调节机构主要由安装在第一连接板上的第二传动组件和用于安装超声波探头的安装组件构成。

第一传动组件包括安装在机身端部两侧的第一电机和第二电机、与第一电机和第二电机同轴连接的第一带轮和第二带轮、套接在第一带轮和第二带轮上的同步带、与同步带平行的第一导轨以及与第一导轨构成滑动副的第一滑块；第一滑块通过对接的第一同步带压板和第二同步带压板固定在同步带上；工作时，由第一带轮和第二带轮驱动，同步带带动第一滑块沿第一导轨往复移动；第一连接板固定安装在第一滑块上。第一传动组件的作用在于带动安装探头的第二调节机构沿某一方向的往复移动，目前有多种驱动机构可以达到上述功能，例如滚珠丝杆螺母传动机构、往复气缸传动机构等。本发明提供的机器人体积比较小，而且主要用于微小缺陷位置的检测，需要对探头的移动实现精确控制；本发明采用的上述第一传动组件中，主要由电机、带轮、同步带构成的同步传动结构，元件少、构造简单，更适用于微/小型化机器人，电机能够实现对带轮转动的精确控制，从而实现对探头移动的精确控制。

安装组件第二传动组件包括与第一连接板连接的转动调节板、安装在转动调节板上的第二导轨、与第二导轨构成滑动副的第二滑块以及弹簧；转动调节板可相对第一连接板转动调节；超声波探头的安装组件包固定支架、固定座和固定圆环；超声波探头安装在固定座的安装孔中，固定座安装在固定圆环内，固定圆环端面可转动地连接在固定支架上，固定支架经第二连接板固定安装在第二滑块上；弹簧一端固定于转动调节板，另一端固定于第二连接板，使超声波探头与被检测容器底板表面贴合。第二传动组件主要实现对超声波探头高度的调节，通过使转动调节板相对第一连接板的位置，可以实现对超声波探头初始安装高度的调节，一种实现方式是使转动调节板一端与第一连接板底部通过调节螺钉连接，转动调节板的两侧通过调节螺钉与安装在第一连接板两侧的调节板连接，调节板上开设有方便调节螺钉滑行的弧形槽，松开底部和两侧的调节螺钉，使转动调节板相对于第一连接板底部调节螺钉旋转，可以将超声波探头调节到合适位置再将调节螺钉拧紧，完成超声波探头初始位置的调节；安装超声波探头的第二连接板与第二滑块固定连接，并且第二连接板与转动调节板用弹簧连接，这样可以根据被检测容器底板位置的高低，实现对超声波探头高度的弹性调节，并确保超声波探头与被检测容器底板表面紧密贴合。

上述基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，固定座上进一步安装有水管，水管穿过固定座；工作时，水从固定座底部持续不断流出不仅可以隔绝空气，便于声波进入被检测容器底板表面，同时还能起到润滑作用，使超声波探头能在被检测容器底板表面运动通畅。

本发明进一步提供了一种使用上述机器人对大容积平底容器底板缺陷进行全方位检测的方法包括如下步骤：

步骤1，控制机器人在被检测容器底板上间断行进，同时控制超声波探头沿位于机身端部横向来回运动，对被检测容器底板表面缺陷进行检测；

步骤2，根据缺陷反馈信号判断有无缺陷；若有缺陷且缺陷反馈信号高于设定值，记录当前位置，然后机器人继续前行；若有缺陷反馈信号不高于设定值时，进入步骤3；若没有缺陷，机器人继续前行；

步骤3，控制机器人绕缺陷转动，继续对缺陷进行检测，寻找反馈信号强度最大位置，若此位置信号强度高于设定值，则记录当前位置，若不高于设定值，则机器人继续前行。

上述步骤1，本发明使用的控制系统为单片机，单片机可以通过通信电缆与机器人上的麦克纳姆轮、步进电机、第一电机、第二电机实现通信，用于控制麦克纳姆轮的方向以及步进电机、第一电机和第二电机的启停；本发明采用检测仪与超声波探头通过通信线缆实现通信，用于向超声波探头发送扫描信号、同时接收超声波探头反馈的缺陷信号并进行实时显示；当然，可以通过无线技术来实现单片机与麦克纳姆轮、电机的通信以及探头与检测仪的通信。通过单片机控制步进电机、第一电机和第二电机运转，使机器人在被检测容器底板上依次沿设定的线性轨迹行进，同时在同步带带动下，超声波探头沿第一导轨往复运动，对被检测容器底板表面缺陷进行检测。本发明采用的是间断前进/扫描的模式，即机器人每前行一段距离，便停下来，等待超声波探头沿第一导轨运动扫描(例如从左往右或是从右往左)，检测有无缺陷，并根据步骤2给出的方法进行判断，扫描完后，机器人继续前行。

上述步骤2，超声波探头将缺陷信号反馈给检测仪，检测仪将接收的缺陷反馈信号与设定值进行比较，若缺陷反馈信号强度高于设定值，说明此处缺陷过高，需要进行修补，人工在被检测容器底板表面记录该位置；若缺陷反馈信号强度不高于设定值，可能此处缺陷不严重，不需要修补，也可能此处不是缺陷信号最强的位置，需要进一步检查，这样就可以避免因超声波方向与缺陷方向不垂直导致的反馈信号强度低造成的漏检。上述设定值是依据缺陷对被检测容器底板应用性能的影响而设定的极限值，可以是通过行业标准得到的经验值。

上述步骤3，机器人绕缺陷转动的实现方式为，单片机控制第一电机和第二电机停止转动机停止转动，调整四个麦克纳姆轮的运动方向使机器人绕缺陷转动，继续对缺陷进行检测，寻找出缺陷反馈信号强度最大的位置，人工在被检测容器底板表面记录该位置；在转动过程中，探头在第一导轨上的相对位置不变；绕缺陷检测完毕后，调整四个麦克纳姆轮运动方向为沿直线运动，启动第一电机和第二电机，继续前行，返回步骤1。

当机器人在被检测容器底板表面沿所有设定线性轨迹检测完毕后，所有需要关注的缺陷均在被检测容器底板表面标记出，方便工作人员对缺陷进行修补处理。

上述基于超声波的全方位缺陷检测机器人，可以实现对被检测容器底板表面缺陷的位置检测，特别适用于不方面人工直接进行检测的区域，例如储油罐底板；储油罐比较高大，内部光线很差，人工检测十分不便，本发明提供的全方位缺陷检测机器人，体积小，结构简单，采用超声波进行探测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、行走装置采用麦克纳姆轮，能够进行全方位运动，从而便于检测装置对被检测容器底板的全方位缺陷位置检测；

二、检测装置的第二调节机构可以使超声波探头与被检测容器底板表面贴紧，保证对被检测容器底板的有效检测；

三、从水管流出的水，不仅可以隔绝空气，便于声波进入被检测容器底板表面，同时还能起到润滑作用，使超声波探头能在被检测容器底板表面运动通畅；

四、在检测过程中，通过增加绕缺陷转动重点检测的形式，不错过任何比设定值小的缺陷反馈信号，避免因超声波方向与缺陷方向不垂直导致的反馈信号强度低造成的漏检，提高检测准确度；

五、利用机器人实现缺陷位置的全自动检测，提高了缺陷检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明实施例的检测机器人整体结构示意图；

图2为本发明实施例的行走装置结构示意图；

图3为本发明实施例的检测装置结构示意图；

图4为本发明实施例的检测装置局部放大示意图；

图5为本发明实施例的探测机器人检测状态示意图；

图6为本发明实施例的缺陷检测方法流程示意图。

其中，1-行走装置，11-步进电机，12-减速器，13-麦克纳姆轮，14-联轴器；

2-机身；

3-检测装置，31-第一电机架，32-第一电机，33-第一带轮，34-同步带，35-第一同步带压板，36-第二同步带压板，37-第二电机架，38-第二电机，39-第二带轮，310-第一连接板，311-第二导轨，312-转动调节板，313-第二连接板，314-固定支架，315-超声波探头，316-水管，317-固定座，318-固定圆环，319-弹簧，320-第二滑块，321-调节板，322-第一滑块，323-第一导轨。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1基于超声波的全方位缺陷检测机器人

如图1所示，本实施例提供的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人构造部件包括机身2，安装在机身2下方的行走装置1以及安装在机身2端部的检测装置3。

机身2为由四根安装梁衔接而成的矩形车架，两侧为行走装置安装梁，前端为检测装置安装梁，两侧安装梁的中部跨接有中间梁。

如图1及图2所示，行走装置1由安装在机身上的四个独立运动的麦克纳姆轮机构构成。每个麦克纳姆轮机构由麦克纳姆轮13、步进电机11和减速器12构成，四个步进电机11和四个减速器12对称安装在机身2的两侧安装梁上，且步进电机11的输出端与减速器12输入端连接，减速器12的输出端通过联轴器14与麦克纳姆轮13连接。

检测装置3主要由超声波探头315和超声波探头调节机构组成；超声波探头调节机构包括带动超声波探头315沿水平方向左右移动的第一调节机构和调节超声波探头315高度使超声波探头与被检测容器底板表面贴合进行检测的第二调节机构。

如图3所示，第一调节机构主要由第一传动组件和用于安装第二调节机构的第一连接板310构成。第一传动组件包括第一电机32、第二电机38、第一带轮33、第二带轮39、同步带34、第一导轨323和第一滑块322；第一电机32和第二电机38分别通过第一电机架31和第二电机架37安装在机身2前端安装梁上；第一带轮33和第二带轮39通过螺钉固定在第一电机32和第二电机38输出轴，同步带34紧套在第一带轮33和第二带轮39上；同步带34从第一同步带压板35和第二同步带压板36之间穿过，并由第一同步带压板35和第二同步带压板36压紧；第一导轨323和第一滑块322构成滑动副，第一滑块通过螺钉与第一同步带压板35固定连接，第一导轨323安装在机身2前端安装梁的侧面，且第一导轨323平行位于两条同步带34之间；第一连接板310固定安装在第一滑块322上。

如图3及图4所示，第二调节机构主要由安装在第一连接板310上的第二传动组件和用于安装超声波探头315的安装组件构成。第二传动组件包括转动调节板312、第二导轨311、第二滑块320、第二连接板313和弹簧319；转动调节板312一端与第一连接板310底部通过调节螺钉连接，转动调节板312的两侧通过调节螺钉与安装在第一连接板310两侧的调节板321连接，调节板321上开设有方便调节螺钉滑行的弧形槽；第二导轨311与第二滑块320构成滑动副，第二导轨311安装在转动调节板312上，第二连接板313固定于第二滑块320上，可沿第二导轨311上下移动，便于调节超声波探头315高度；弹簧319一端固定于转动调节板312，另一端固定于第二连接板313；超声波探头315的安装组件包固定支架314、固定座317和固定圆环318；超声波探头315和水管316安装在固定座317的安装孔中，固定座317安装在固定圆环318内，固定圆环318端面可转动连接在固定支架314上，固定支架314固定于第二连接板313。

实施例2对储油罐底板进行缺陷位置检测

以上为机器人的主要结构，为了实现对缺陷位置的检测，还需要配置与麦克纳姆轮13、步进电机11、第一电机31、第二电机38和超声波探头315实现通信的单片机和用于检测超声波信号的检测仪。本实施例使用的单片机为Arduino Mega2560，使用的检测仪为SIUICTS-9009。

本实施例提供的用于检测储油罐底板的缺陷检测方法，使用实施例1中的机器人，将机器人放在储油罐底板上，调整第一滑块322至第一导轨323一侧，调整转动调节板312以及第二滑块320在第二导轨311上的位置，使超声波探头315紧贴储油罐底板，如图6所示，检测步骤如下：

步骤A，将启动步进电机11、第一电机32和第二电机38，控制机器人在储油罐底板上沿设定线性轨迹行进(如图5所示)；

步骤B，通过单片机控制机器人间断前行，并在机器人停止前进时，通过单片机控制第一电机32和第二电机38运转，使超声波探头315沿第一导轨323移动，对机器人当前位置的储油罐底板进行扫描，当有缺陷时进入步骤C，若没有缺陷，返回步骤B；

步骤C，判断缺陷反馈信号强度是否高于设定值，若是，记录当前位置，然后返回步骤B；若不是，进入步骤D；

步骤D，通过单片机控制第一电机32、第二电机38停止运转，同时调整麦克纳姆轮13方向使机器人绕缺陷转动，继续对缺陷进行检测，寻找反馈信号强度最大位置，判断此位置信号强度是否高于设定值，若高于设定值，则记录当前位置，然后将麦克纳姆轮13调整至线性轨迹，返回步骤B；若不高于设定值，放弃此次检测结果，将麦克纳姆轮13调整至线性轨迹，返回步骤B。

重复上述步骤A-D，使机器人在储油罐底板沿所有设定线性轨迹检测完毕后，所有需要关注的缺陷均在被检测容器底板表面标记出，方便工作人员对缺陷进行修补处理。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于包括机身(2)，安装在机身(2)下方的行走装置(1)以及安装在机身(2)一端部的检测装置(3)；

所述行走装置(1)由安装在机身(2)上的四个独立运动的麦克纳姆轮机构构成，通过机身(2)带动检测装置(3)在水平面平移、斜行、旋转运动或者三种运动方式至少两种方式的组合运动；

检测装置(3)主要由超声波探头(315)和超声波探头调节机构组成；超声波探头调节机构包括带动超声波探头(315)沿水平方向移动的第一调节机构和调节超声波探头(315)高度使超声波探头与被检测容器底板表面贴合进行检测的第二调节机构。

2.根据权利要求1所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于，所述机身(2)为矩形车架，四个独立运动的麦克纳姆轮机构对称安装在机身(2)的两侧。

3.根据权利要求2所述的基于超声波的全方位缺陷检测机器人，其特征在于，所述麦克纳姆轮机构由麦克纳姆轮、步进电机(11)和减速器(12)构成，步进电机(11)的输出端与减速器(12)输入端连接，减速器(12)的输出端通过联轴器(14)与麦克纳姆轮(13)连接。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于，所述第一调节机构主要由安装在机身(2)上的第一传动组件和用于安装第二调节机构的第一连接板(310)构成；所述第二调节机构主要由安装在第一连接板(310)上的第二传动组件和用于安装超声波探头(315)的安装组件构成。

5.根据权利要求4所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于，所述第一传动组件包括安装在机身(2)端部两侧的第一电机(32)和第二电机(38)、与第一电机(32)和第二电机(38)分别同轴连接的第一带轮(33)和第二带轮(39)、套接在第一带轮(33)和第二带轮(39)上的同步带(34)、与同步带(34)平行的第一导轨(323)以及与第一导轨构成滑动副的第一滑块(322)，所述第一滑块通过对接的第一同步带压板(35)和第二同步带压板(36)固定在同步带(34)上，工作时，由第一带轮(33)和第二带轮(39)驱动，同步带(34)带动第一滑块(322)沿第一导轨(323)往复移动；第一连接板(310)固定安装在第一滑块(322)上。

6.根据权利要求4所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于，所述第二传动组件包括与第一连接板(310)连接的转动调节板(312)、安装在转动调节板(312)上的第二导轨(311)、与第二导轨(311)构成滑动副的第二滑块(320)以及弹簧(319)；转动调节板(312)可相对第一连接板(310)转动调节；

超声波探头的安装组件包括固定支架(314)、固定座(317)和固定圆环(318)；超声波探头(315)安装在固定座(317)的安装孔中，固定座(317)安装在固定圆环(318)内，固定圆环(318)端面可转动地安装在固定支架(314)上，固定支架(314)经第二连接板(313)固定安装在第二滑块(320)上；

弹簧(319)一端固定于转动调节板(312)，另一端固定于第二连接板(313)，使超声波探头与被检测容器底板表面贴合。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于转动调节板(312)一端与第一连接板(310)底部通过调节螺钉连接，转动调节板(312)的两侧通过调节螺钉与安装在第一连接板(310)两侧的调节板(321)连接。

8.根据权利要求6所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测的机器人，其特征在于固定座(317)上安装有水管(316)。

9.一种使用权利要求1至8任一所述机器人对大容积平底容器底板缺陷进行全方位检测的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，控制机器人在被检测容器底板上行进，同时控制超声波探头(315)沿位于机身(2)端部横向来回运动，对被检容器底板表面缺陷进行检测；

步骤2，根据缺陷反馈信号判断有无缺陷；若有缺陷且缺陷反馈信号高于设定值，记录当前位置，然后机器人继续前行；若有缺陷反馈信号不高于设定值时，进入步骤3；若没有缺陷，机器人继续前行；

步骤3，控制机器人绕缺陷转动，继续对缺陷进行检测，寻找反馈信号强度最大位置，若此位置信号强度高于设定值，则记录当前位置，若不高于设定值，则机器人继续前行。

10.根据权利要求9所述的基于超声波的用于大容积平底容器底板缺陷全方位检测方法，其特征在于步骤3中，机器人绕缺陷转动的实现方式为，控制第一电机(32)和第二电机(38)停止转动，调整四个麦克纳姆轮(13)的运动方向使机器人绕缺陷转动；绕缺陷检测完毕后，调整四个麦克纳姆轮(13)运动方向为沿直线运动，启动第一电机(32)和第二电机(38)，继续前行。