CN106609894A - 一种电厂锅炉管道检测机器人 - Google Patents

Abstract

一种电厂锅炉管道检测机器人，包括可在锅炉管道内的管廊行走、且行走方向与锅炉管道轴向垂直的履带行走机构，所述履带行走机构安装有宽度小于管廊宽度的车身定位机构和升降机构，所述车身定位机构包括多组可伸出的伸缩臂组和安装在伸缩臂组活动端上且可固定在锅炉管道上的定位装置，所述升降机构的活动端上安装有对锅炉管道进行检测的检测机构，所述升降机构带动检测机构沿锅炉管道轴向上下运动,本发明运动灵活、检测准确、性能可靠，解决现有的磁吸附形式和悬吊式检测机器人无法满足相关锅炉检测要求的问题，可对锅炉内的相关管道区域进行磨损和变形检测。

Description

一种电厂锅炉管道检测机器人

技术领域

本发明涉及一种电厂锅炉管道检测机器人。

背景技术：

锅炉是煤电站中的最为重要的设备，其中锅炉内最为核心的组成部分就是管道，一旦有管道产生破裂或者变形，就会对电厂的生产带来巨大的影响，因此电厂每隔一段时间就需要对锅炉进行停机，随后对管道表面进行检查。目前大型电厂一般采用下列检测方法：首先依靠人工在炉内的管廊上搭建脚手架，随后检修人员在脚手架上通过眼看、手摸的方式对管道进行检查；在某些大型锅炉中，其最大检测高度可达十几米，因此目前这种依靠人工检测的方式不仅效率低下，而且主观依赖性强，存在相当程度的安全隐患。

目前针对锅炉检测的机器人有部分发明成果，但是主要是以磁吸附爬壁和由炉顶悬吊安装的形式来使检测机构对管道进行检测，但这两种方式均存在有较大的问题。首先，随着我国新建锅炉对管道安全的重视，炉内的易损区域均已换做不锈钢合金管道，该种管道的磁吸附能力几乎为零，因此磁吸附爬壁形式的检测机器人根本无法在此种锅炉中进行工作；其次，由于在部分锅炉的设计中炉顶无法进入工作人员或者空间极为有限，因此炉顶悬吊形式的检测机器人在部分锅炉内就无法进行安装。此外炉内的部分管道检测区域需要检测位于十几米高的管道情况，一般的在底面行走的机器人很难到达如此高的检测高度。

中国专利201510086296.8公开了一种防爆型消防侦检机器人，该种机器人采用履带式行走和翻转机构，能够适应路面恶劣的环境，但其没有车身的定位装置，无法对较高处的目标完成检测；中国专利号200710022762.1公开了一种水冷壁爬壁机器人，这种机器人采用磁吸附的形式在水冷壁上进行爬行，进而带动检测机构对水冷壁进行检测，其在采用不锈钢合金管道处无法工作，而且也有磁吸附不稳脱落的危险；《上海电机学院学报》第11卷第一期中的文章“电厂锅炉热交换承压管管外检测机器人”提出了一种利用移动机器人和链条组合的悬吊式的检测机器人，其机器人在锅炉的炉顶上进行行走，通过卷轮带动链条来带动检测机构的上升和下降，此种机器人存在以下问题，首先检测机构由柔性的链条带动，其在悬吊的过程中容易产生晃动；其次由于受炉顶结构的限制，此种机器人的行走部分只能在较小的一片区域内进行行动；最后部分锅炉的炉顶无法进入和安装此种机器人。

综上所述，目前急需一种能够对炉内相关区域的管道进行磨损和变形检测且性能可靠、检测范围广、应用广泛的锅炉检测机器人。

发明内容

本发明为了解决上述存在的问题提供一种运动灵活、检测准确、性能可靠的电厂锅炉管道检测机器人，解决现有的磁吸附形式和悬吊式检测机器人无法满足相关锅炉检测要求的问题，可对锅炉内的相关管道区域进行磨损和变形检测。

为解决上述存在的问题，本发明所采用的技术方案是：一种电站锅炉管道检测机器人，包括可在锅炉管道内的管廊行走、且行走方向与锅炉管道轴向垂直的履带行走机构，所述履带行走机构安装有宽度小于管廊宽度的车身定位机构和升降机构，所述车身定位机构包括多组可伸出的伸缩臂组和安装在伸缩臂组活动端上且可固定在锅炉管道上的定位装置，所述升降机构的活动端上安装有对锅炉管道进行检测的检测机构，所述升降机构带动检测机构沿锅炉管道轴向上下运动。采用履带行走机构保证本装置能在管廊内行走，由于管廊内高度较高，防止升降机构上升的高度过高，造成装置的倾覆，从而通过车身定位机构在升降机构动作时对行走机构进行固定，保证升降机构上升的平稳，保证装置的可靠性。

所述车身底座上对称安装有两组伸缩臂组，所述伸缩臂组沿履带行走机构行走方向朝车身底座外伸出，所述定位装置包括定位手爪和升降驱动机构，所述定位手爪安装在升降驱动机构的活动端上，使得升降驱动机构的活动端向下运动时定位手爪可抓取在锅炉管道的外侧，所述定位手爪上安装有用于检测定位手爪中心和锅炉管道中心位置关系的距离传感器，所述距离传感器通过控制器与伸缩臂连接控制伸缩臂的伸缩。

所述定位手爪包括手爪，所述手爪通过电磁铁机构实现抓取，所述电磁铁机构包括可带动拉杆上下移动的推拉式电磁铁、第一电磁铁和第二电磁铁，所述推拉式电磁铁与拉杆之间设置有回位装置使得拉杆伸出后可复位，所述推拉式电磁铁、第一电磁铁和第二电磁铁通过螺钉安装在手爪盖板上，所述手爪盖板通过螺栓与手爪外壳相连接，所述手爪外壳固定在升降驱动机构的活动端上，所述推拉式电磁铁的拉杆通过销钉与滑动板相连接，所述滑动板上侧面固定有铁块，所述铁块与手爪盖板上安装的第一电磁铁和第二电磁铁的位置相对应，所述滑动板的两侧分别对称设有滑杆，所述滑杆安装在手爪外壳的滑槽内，所述滑槽沿上下方向布设，使滑动板可在手爪外壳内滑动，所述距离传感器通过安装板安装在手爪外壳的中间位置，用于检测手爪中心和管道之间的距离，所述手爪由连杆机构组成，所述手爪的一端铰接在手爪外壳上，另一端铰接在滑动板上，所述推拉式电磁铁通过拉杆带动滑动板上下移动，从而带动手爪实现抓紧锅炉管道的动作，手爪抓紧管道后，所述第一电磁铁和第二电磁铁与铁块连接加大手爪的抓紧力。

所述车身底座上方安装有车身底座，所述车身底座上方安装有车身安装平台，每组伸缩臂组包括一对伸缩臂，四个伸缩臂包括滑动安装在车身底座和车身安装平台之间的第一定位手爪伸缩杆、第二定位手爪伸缩杆、第三定位手爪伸缩杆和第四定位手爪伸缩杆，所述第一定位手爪伸缩杆、第二定位手爪伸缩杆、第三定位手爪伸缩杆和第四定位手爪伸缩杆分别通过第一定位手爪伸缩驱动丝杠、第二定位手爪伸缩驱动丝杠、第三定位手爪伸缩驱动丝杠和第四定位手爪伸缩驱动丝杠驱动，所述第一定位手爪伸缩驱动丝杠和第二定位手爪伸缩驱动丝杠分别通过第二扭矩限制器与第二涡轮连接，第三定位手爪伸缩驱动丝杠和第四定位手爪伸缩驱动丝杠分别通过第一扭矩限制器与第一涡轮连接，所述第一定位手爪伸缩驱动丝杠和第二定位手爪伸缩驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述第三定位手爪伸缩驱动丝杠和第四定位手爪伸缩驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述车身底座上安装有手爪驱动涡杆和驱动手爪驱动涡杆旋转的定位手爪伸缩驱动电机，所述手爪驱动涡杆与第一涡轮和第二涡轮啮合。

所述升降机构安装在车身安装平台上，所述升降机构包括模块化的剪叉架升降平台，所述升降机构通过平台升降驱动丝杠作为传动机构，通过升降驱动电机作为动力机构。

所述检测装置包括旋转电机和安装在旋转电机上的摄像头，所述旋转电机通过检测装置滑块安装在检测装置驱动丝杠上，所述检测装置驱动丝杠通过固定块安装在升降机构的升降平台上，所述检测装置驱动丝杠通过检测装置驱动电机驱动旋转。

综上所述，本发明具有如下优点：

1.本发明采用四个可伸缩的定位手爪解决了机器人在管廊上工作时的车身定位问题，车身的定位手爪在不使用时收回在车身内，其结构紧凑，定位可靠，使检测机构可安全稳固的完成上升动作。

2.本发明的升降机构采用组合式的剪叉架升降平台，剪叉架升降平台采用模块化设计，可根据实际检测高度选择所使用剪叉架升降平台的组数，使得最大检测高度达25m左右，检测平台的工具可以根据其他的需要进行更换。

3.本发明配合升降机构及摄像头驱动机构可以快速的对炉内的管道进行检测，而且支持本地存储管道图像，可供人工二次检验，其检测速度相比人工进炉检测的形式大大提高。

附图说明

图1为本发明的机器人在炉内管廊行走时的示意图。

图2为本发明实施的整体装配图。

图3为本发明实施的手爪装配图。

图4位本发明实施的主视图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至4所示，行走机构中，第一行走电机34、第二行走电机41、第三行走电机33、第四行走电机40通过螺钉安装在车身上，以上其中第一行走电机34和第一行走驱动轮23相连接，第二行走电机41和第二行走驱动轮31相连接，从动轮连接板35通过销轴安装在车身底座20上，从动轮连接板35一侧与拉紧弹簧36相连接，另一侧与从动轮37相连接，通过弹簧的拉紧力将从动轮37紧压在履带22上，驱动电机带动驱动轮带动整个车身的行走，车身安装平台15通过螺钉安装在车身底座20上，在车身安装平台15和车身底座20上开设有能够与第一定位手爪伸缩杆16、第二定位手爪伸缩杆42、第三定位手爪伸缩杆17、第四定位手爪伸缩杆43相配合的滑槽，定位手爪伸缩驱动电机38安装在车身底座20的下方。

如图2和图3所示，车身定位机构中，手爪驱动涡杆26与安装在车身底座20下方的定位手爪伸缩驱动电机38通过联轴器相连接，手爪驱动涡杆26与第一涡轮25和第二涡轮30相配合，由蜗杆带动两个涡轮进行旋转，第一涡轮30的两端分别通过第二扭矩限制器32与第一定位手爪伸缩驱动丝杠19和第二定位手爪伸缩驱动丝杠29相连接，其中第一定位手爪伸缩驱动丝杠19和第二定位手爪伸缩驱动丝杠29的螺纹旋向相反，第一定位手爪伸缩杆16、第二定位手爪伸缩杆42分别通过螺纹孔与第一定位手爪伸缩驱动丝杠19、第二定位手爪伸缩驱动丝杠29相配合；相似地，第一涡轮25的两端分别通过第一扭矩限制器24与第三定位手爪伸缩驱动丝杠18和第四定位手爪伸缩驱动丝杠28相连接，第三定位手爪伸缩杆17、第四定位手爪伸缩杆43与第三定位手爪伸缩驱动丝杠18、第四定位手爪伸缩驱动丝杠28采用上述相同的方式进行连接。第一定位手爪13、第二定位手爪50、第三定位手爪12、第四定位手爪49分别和第一定位手爪伸缩杆16、第二定位手爪伸缩杆42、第三定位手爪伸缩杆17、第四定位手爪伸缩杆43相连接。

如图3所示，在车身定位手爪中，手爪升降驱动电机59安装固定在手爪安装板61上，手爪升降驱动电机59与升降驱动丝杠60相连接，升降驱动丝杠60通过螺纹孔与手爪丝杠固定块62相配合，手爪外壳68通过螺钉固定在手爪安装板61上，手爪安装板61与固定滑轨75相配合。带有拉杆的推拉式电磁铁63、第一电磁铁65、第二电磁铁64通过螺钉安装在手爪盖板66上，其中推拉式电磁铁63在不通电时具有弹簧复位功能，手爪盖板66通过螺栓安装与手爪外壳68相连接，推拉式电磁铁63的拉杆67通过销钉与滑动板71相连接，铁块69焊接在滑动板71上，其位置与手爪盖板66上的第一电磁铁65和第二电磁铁64的位置相对应，滑动板71上有两个滑杆，分别和手爪外壳前后的滑槽相配合，使滑动板71可在手爪外壳68内滑动，距离传感器74通过安装板73安装在手爪外壳68的中间位置，用于检测手爪中心和管道之间的距离，由连杆机构组成的手爪70铰接在手爪外壳68上。手爪升降驱动电机59用于驱动手爪整体在垂直方向上进行运动，推拉式电磁铁63用于带动滑动板67使机械手完成抓紧管道的动作，第一电磁铁65和第二电磁铁64用于加大手爪的抓紧力。

如图2所示，在升降平台中，升降驱动电机11通过与升降驱动电机安装块9相连接，升降驱动电机安装块9安装在车身安装平台15上，平台升降驱动丝杠48的一端和升降驱动电机11相连接，其另一端与升降驱动丝杠固定块47相连接，升降驱动滑块51与通过螺纹孔与平台升降驱动丝杠48相连接并与升降导轨59配合，升降驱动滑块51的一端与第一剪叉架滑块46通过销轴连接，第一剪叉架滑块46安装在第一剪叉架导轨44上，第一剪叉架导轨44、升降导轨59、第一剪叉架固定安装块14和第一剪叉架导轨44通过螺钉固定在车身安装平台15上；升降台滑块51的另一侧，第二剪叉架固定安装块10、第二剪叉架滑块52、第二剪叉架导轨46以相同的配合方式进行安装和配合；剪叉架共包含有两组相同的连杆机构，由于这两组的连接方式完全一样，因此以前端的一组为例进行说明，前端一组连杆的两个安装孔分别和第一剪叉架固定安装块14、第一剪叉架滑块46相铰接，其上端的两个安装孔分别和第一平台固定安装块7、第一平台滑块53相铰接，其中第一平台固定安装块7、以及第一平台导轨54通过螺钉与升降平台6相连接；相似地，剪叉架8的另一组连杆以相同的形式连接。通过升降驱动电机11的转动带动升降台滑块51进行运动，进而带动两侧的第一剪叉架滑块46和第二剪叉架滑块52运动，进而带动剪叉架8的运动，进一步地带动升降平台的上下运动，整个剪叉架升降平台可根据需要进行叠加，单层完全展开高度约为7～8m。

如图2所示，在检测机构及其运动控制装置中，摄像头1作为检测机构与检测机构滑块2上的旋转电机58相连接，选装电机58通过螺钉固定在检测机构滑块2上；检测机构驱动电机4通过螺钉固定在检测机构驱动电机固定块5上，检测机构驱动电机4的轴与检测机构驱动丝杠57相连接，检测机构驱动丝杠57的一端与检测机构驱动丝杠安装块3相连接，另一端与检测检测机构驱动丝杠固定块56相连接，检测机构滑块2与检测机构运动导轨55相配合，检测机构驱动电机固定块5、检测机构运动导轨55、检测机构驱动丝杠安装块3、检测检测机构驱动丝杠固定块56通过螺钉固定在检测平台6上。检测机构驱动电机4带动丝杠运动，进而驱动摄像头左右移动，旋转电机58用于实现摄像头1的旋转运动。摄像头1所拍摄的图像通过控制器39中的通讯装置实时传输，同时处理器基于图像识别技术对管道的表面磨损以及变形进行自动检测，同时在炉外的工作人员可通过经验进行判别。

如图1所示，机器人在管廊中沿垂直于管廊轴线的方向进行行走，根据实际的工作情况可选择自动检测模式和人工操控模式，自动检测模式下只需要将编制好的程序上传到车身的控制器中，然后让机器人按照预定的运动轨迹和检测路径进行检测即可，当需要人工进行远程操作时，可将机器人调整至手动模式，由远程的工作人员采用操作手柄控制机器人车身和摄像头的运动，并远程对管道进行观察和判断。

下面结合图2至图4对机器人的详细工作过程进行进一步的阐述。在该机器人的工作过程中，首先，机器人在第一行走电机34、第二行走电机41、第三行走电机33、第四行走电机40的驱动下带动机器人行走至需要检测的管道位置，然后手爪伸缩驱动电机38带动手爪驱动涡杆26进行转动，进而带动第一涡轮25和第二涡轮30进行转动，此时第一涡轮25和第二涡轮30带动两侧相连接的定位手爪伸缩驱动丝杠转动，进而使第一、二、三、四定位手爪伸缩杆16、42、17、43从车体中伸出，每个手爪的中心线位置上均安装有距离传感器74，该距离传感器用于检测手爪中心与机器人所行走的管道表面之间的距离，当手爪中心在管道的轴线正上方时，两者之间的距离最短，当检测到四个定位手爪同侧的两个手爪达到管道的正上方时，手爪伸缩驱动电机38停止运动，此时到达管道正上方的两个手爪的开始升降运动。由于同侧的两个手爪的运动形式为相同的，此处假设第二手爪50到达了管道轴线的正上方，对其运动方式进行说明，右侧手爪为第二手爪50，当距离传感器检测到50到达管道轴线的正上方后，手爪伸缩驱动电机38停止运动，随后由手爪升降驱动电机59带动降驱动丝杠60进行转动，进而带动手爪整体向下运动，当距离传感器74检测到手爪向下运动到管道的抓取位置时，手爪升降驱动电机59停止运动，首先给推拉式电磁铁63通电使推拉式电磁铁63的推杆带动滑动板71进行运动，进而使手爪拉紧抓住管道，随后给第一电磁铁65和第二电磁铁64通电进而使电磁铁牢固吸住滑动板71上的铁块69，使手爪能够牢固的抓紧管道。此侧的手爪完成定位后需要对另外两个手爪进行抓取定位，此时手爪伸缩驱动电机38继续带动手爪驱动涡杆26进行转动，蜗杆26带动第一涡轮25和第二涡轮30转动，由于在涡轮和各个手爪伸缩驱动丝杠之间安装有扭矩限制器，在已经完成定位的一侧的手爪伸缩驱动丝杠会和涡轮之间产生较大的扭矩，进而使定位侧的手爪伸缩驱动丝杠和涡轮脱开，此时涡轮仅带动还未完成定位抓取一侧的两个手爪进行运动，与上述首先完成定位的手爪的情况类似，当距离传感器74检测到未定位手爪中心到达管道轴线的正上方时，手爪向下运动到达抓取位置，然后完成对管道的抓取，使车身稳固的固定在管廊上。

在完成车身定位之后，升降驱动电机11带动平台升降驱动丝杠48转动，进而带动升降驱动滑块51运动，使剪叉架8带动升降平台6上下运动，在到达需要的检测高度后，检测机构驱动电机4带动检测机构滑块2和摄像头1进行运动，进而获取相关管道的检测图像，旋转电机58可对摄像头的角度进行调整。

在获取到锅炉的管道图像之后有两种方式可以对管道的故障进行识别，第一种是通过计算机自动进行故障识别的方法，即在获取图像后通过计算机内的相关程序算法来自动识别出管道的相关故障，随后进行记录和报警。另外一种是由人工进行实时监控的方法，由人工在炉外对机器人的运动进行控制，并实时监控炉内的管道图像，对其进行故障判别。

Claims (6)

1.一种电厂锅炉管道检测机器人，其特征在于：包括可在锅炉管道内的管廊行走、且行走方向与锅炉管道轴向垂直的履带行走机构，所述履带行走机构安装有宽度小于管廊宽度的车身定位机构和升降机构，所述车身定位机构包括多组可伸出的伸缩臂组和安装在伸缩臂组活动端上且可固定在锅炉管道上的定位装置，所述升降机构的活动端上安装有对锅炉管道进行检测的检测机构，所述升降机构带动检测机构沿锅炉管道轴向上下运动。

2.根据权利要求1所述的电厂锅炉管道检测机器人，其特征在于：所述车身底座上对称安装有两组伸缩臂组，所述伸缩臂组沿履带行走机构行走方向朝车身底座外伸出，所述定位装置包括定位手爪和升降驱动机构，所述定位手爪安装在升降驱动机构的活动端上，使得升降驱动机构的活动端向下运动时定位手爪可抓取在锅炉管道的外侧，所述定位手爪上安装有用于检测定位手爪中心和锅炉管道中心位置关系的距离传感器，所述距离传感器通过控制器与伸缩臂连接控制伸缩臂的伸缩。

3.根据权利要求2所述的电厂锅炉管道检测机器人，其特征在于：所述定位手爪包括手爪，所述手爪通过电磁铁机构实现抓取，所述电磁铁机构包括可带动拉杆上下移动的推拉式电磁铁、第一电磁铁和第二电磁铁，所述推拉式电磁铁与拉杆之间设置有回位装置使得拉杆伸出后可复位，所述推拉式电磁铁、第一电磁铁和第二电磁铁通过螺钉安装在手爪盖板上，所述手爪盖板通过螺栓与手爪外壳相连接，所述手爪外壳固定在升降驱动机构的活动端上，所述推拉式电磁铁的拉杆通过销钉与滑动板相连接，所述滑动板上侧面固定有铁块，所述铁块与手爪盖板上安装的第一电磁铁和第二电磁铁的位置相对应，所述滑动板的两侧分别对称设有滑杆，所述滑杆安装在手爪外壳的滑槽内，所述滑槽沿上下方向布设，使滑动板可在手爪外壳内滑动，所述距离传感器通过安装板安装在手爪外壳的中间位置，用于检测手爪中心和管道之间的距离，所述手爪由连杆机构组成，所述手爪的一端铰接在手爪外壳上，另一端铰接在滑动板上，所述推拉式电磁铁通过拉杆带动滑动板上下移动，从而带动手爪实现抓紧锅炉管道的动作，手爪抓紧管道后，所述第一电磁铁和第二电磁铁与铁块连接加大手爪的抓紧力。

4.根据权利要求3所述的电厂锅炉管道检测机器人，其特征在于：所述车身底座上方安装有车身底座，所述车身底座上方安装有车身安装平台，每组伸缩臂组包括一对伸缩臂，四个伸缩臂包括滑动安装在车身底座和车身安装平台之间的第一定位手爪伸缩杆、第二定位手爪伸缩杆、第三定位手爪伸缩杆和第四定位手爪伸缩杆，所述第一定位手爪伸缩杆、第二定位手爪伸缩杆、第三定位手爪伸缩杆和第四定位手爪伸缩杆分别通过第一定位手爪伸缩驱动丝杠、第二定位手爪伸缩驱动丝杠、第三定位手爪伸缩驱动丝杠和第四定位手爪伸缩驱动丝杠驱动，所述第一定位手爪伸缩驱动丝杠和第二定位手爪伸缩驱动丝杠分别通过第二扭矩限制器与第二涡轮连接，第三定位手爪伸缩驱动丝杠和第四定位手爪伸缩驱动丝杠分别通过第一扭矩限制器与第一涡轮连接，所述第一定位手爪伸缩驱动丝杠和第二定位手爪伸缩驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述第三定位手爪伸缩驱动丝杠和第四定位手爪伸缩驱动丝杠的螺纹旋向相反，所述车身底座上安装有手爪驱动涡杆和驱动手爪驱动涡杆旋转的定位手爪伸缩驱动电机，所述手爪驱动涡杆与第一涡轮和第二涡轮啮合。

5.根据权利要求4所述的电厂锅炉管道检测机器人，其特征在于：所述升降机构安装在车身安装平台上，所述升降机构包括模块化的剪叉架升降平台，所述升降机构通过平台升降驱动丝杠作为传动机构，通过升降驱动电机作为动力机构。

6.根据权利要求1至5之一所述的电厂锅炉管道检测机器人，其特征在于：所述检测装置包括旋转电机和安装在旋转电机上的摄像头，所述旋转电机通过检测装置滑块安装在检测装置驱动丝杠上，所述检测装置驱动丝杠通过固定块安装在升降机构的升降平台上，所述检测装置驱动丝杠通过检测装置驱动电机驱动旋转。