CN107489854A - 一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，包括车体、吸附装置、移动模块、机械手、无损探伤模块、打磨焊接模块、喷漆模块、控制传感模块，其中：爬壁机器人在作业过程中移动模块的履带能够自适应的贴合钢管内壁，同时车体的车架上安装有移动模块，吸附装置，机械手和控制传感模块，按照机器人爬壁作业的不同功能，可以更换无损探伤模块，打磨焊接模块和喷漆模块。本发明具有模块化设计，能够执行多种检测维护作业，负载大，吸附装置无需电源的特点，能够提供压力钢管爬壁，焊缝无损探伤，焊缝修复和焊缝表面涂层防腐的功能。
Description
技术领域
本发明设计爬壁机器人技术领域，尤其设计一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人。
背景技术
在水力发电行业中，水电站压力钢管的检测维修均是靠人工搭设脚手架进行，由于搭拆排架费用高，物资进出场困难，且工期长，无法满足检修维护工期的要求。由于水电站压力钢管直径大、斜管仰角大，人工检查十分困难，几乎无法实现。如在压力钢管内搭设满堂脚手架，必须将脚手架钢管与压力钢管内壁焊接，确保排架稳定，装、拆脚手架工程量巨大，搭拆排架费用极高，而且会损伤压力钢管内壁防腐涂层，搭拆脚手架过程中安全风险也极高，工期慢长，无法满足检修工期的要求。需要一种用于压力钢管焊缝检测与维护的爬壁机器人实现钢管内壁检测维护作业。
现阶段的爬壁机器人一般采用负压吸附及电磁力方式进行对壁面的吸附，两种吸附方式均需要采用电源，一旦电源发生故障，机器人在爬行过程中可能出现危险甚至危害工作人员的生命安全，同时负压吸附对于压力钢管内壁的防腐涂层会产生损伤，且负压吸附的负载小无法满足爬壁机器人多任务作业的要求。
经检索，申请号为201620787231.6的专利，公开一种新型磁吸附式爬壁轮及爬壁机器人，其中磁吸附式爬壁轮，包括电机、减速装置、主动轮和随动轮，所述主动轮设置在动力轴上，在所述动力轴下方设有瓦形磁铁。
但是上述专利的瓦形磁铁吸附力小，无法满足大负载的作业要求，同时该机器人的爬壁方式不利于变曲率半径表面的自适应吸附。
发明内容
针对现有技术中爬壁机器人大负载吸附力不可靠和功能单一的问题，本发明提供一种具有无需电源的吸附功能、大负载、功能模块化的用于压力钢管焊缝检测与维护的爬壁机器人。
为实现以上目的，本发明所述一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，包括：车体，吸附装置，移动模块，机械手，无损探伤模块，打磨焊接模块，喷漆模块和控制传感模块；
所述车体包括车架，所述吸附装置、移动模块、机械手和控制传感模块均安装于所述车架上；
所述吸附装置固连于车架和移动模块上，所述爬壁机器人在压力钢管内壁作业时，所述吸附装置与压力钢管内壁有一间隙，所述吸附装置产生的磁场通过间隙以及压力钢管内壁产生磁力线回路进而提供吸附力；
所述移动模块对称设置于车架的两侧，用于驱动车架，并在吸附装置提供的吸力下实现驱动所述爬壁机器人在压力钢管内壁的移动；
所述打磨焊接模块用于压力钢管内壁的焊接、焊缝打磨；
所述喷漆模块用于压力钢管内壁的喷涂；
所述无损探伤模块安装在车架上，用于压力钢管内壁的焊缝无损检测；
所述控制传感模块安装于车架上，包括控制系统和视觉感知系统，其中：所述控制系统用于控制所述爬壁机器人的行走与各功能下的作业实现；所述视觉感知系统用于追踪焊缝轨迹以修正所述爬壁机器人的爬行线路，同时用于感知所述爬壁机器人在焊接作业时打磨焊接模块的位置以及焊缝轨迹；
所述机械手的一端固连在车架上，所述机械手的末端安装有机器人快换器，并通过所述机器人快换器更换安装喷漆模块或者打磨焊接模块，以完成所述爬壁机器人不同的作业需求。
优选地，所述车体进一步包括曲轴、曲轴连杆及XZ移动平台，其中：
所述车架与所述曲轴连杆通过所述曲轴连接，所述曲轴连杆绕所述曲轴的轴线摆动；所述XZ移动平台安装于所述车架上，所述XZ移动平台具有竖直Z方向和水平X方向两个方向的自由度，在所述爬壁机器人检测作业时，所述XZ移动平台用于调整所述无损探伤模块与焊缝之间的竖直与水平距离，从而提高探伤的准确度。
优选地，所述移动模块包括履带、同步带轮、电机、支撑构件和移动模块曲轴，其中：所述电机、同步带轮均安装在所述支撑构件上，且所述电机的输出端连接所述同步带轮，所述履带安装在所述同步带轮上，所述电机驱动所述同步带轮转动从而驱动所述履带运动；所述移动模块曲轴安装在所述支撑构件上并位于所述同步带轮轮距间；所述移动模块通过所述移动模块曲轴与所述车体中的曲轴连杆两端连接，所述移动模块绕所述移动模块曲轴的轴线摆动，同时自适应的贴合不同曲率半径的压力钢管内壁表面，从而实现所述爬壁机器人在压力钢管内壁的全地形运动。
更优选地，通过所述电机的差速控制实现所述爬壁机器人的转向。
优选地，所述吸附装置包括车体吸附装置与履带吸附装置，其中：
车体吸附装置固连于车架上，履带吸附装置固连于移动模块中的履带上。
更优选地，通过调整所述吸附装置与压力钢管内壁的间隙大小调整所述吸附装置的吸附力大小。
优选地，所述无损探伤模块包括超声波探伤设备、扫查架和探头，其中：
探头安装于扫查架的两端，扫查架通过移动块安装在XZ移动平台上，超声波探伤设备安装于车架上。
优选地，所述打磨焊接模块包括：焊机、送丝机、电源、气瓶、焊枪和角磨机，其中：
焊枪和角磨机通过机器人快换器安装于机械手的末端，焊机、送丝机、电源和气瓶安装于车架上。
优选地，所述喷漆模块包括喷枪和无气涂装机，其中：
喷枪通过机器人快换器安装于机械手的末端，无气喷涂机安装于车架上。
优选地，所述机械手为六自由度串联关节式机械臂。
本发明所述的机器人能够实现压力钢管内壁的吸附、运动、焊缝无损检测、焊缝打磨、焊接、喷涂的功能。
本发明所述的机器人通过模块化设计可以按照机器人的作业内容更换无损探伤模块、打磨焊接模块和喷漆模块这三种模块，实现不同的作业功能。
本发明与现有技术相比较，具有以下有益效果：
本发明以解决现有爬壁机器人大负载吸附力不可靠和功能单一的问题为切入点，提供了一种无需电源吸附装置，能够进行多种作业功能，大负载的用于压力钢管内壁焊缝检测与维护的爬壁机器人。
本发明经过模块化设计，能够根据不同的作业内容更换无损探伤模块、打磨焊接模块和喷漆模块这三种模块，同时爬壁机器人移动模块能够自适应贴合不同曲率半径的压力钢管内壁。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的爬壁机器人俯视示意图；
图2为本发明一实施例的爬壁机器人仰视示意图；
图3为本发明一实施例的爬壁机器人车体示意图；
图4为本发明一实施例的爬壁机器人移动装置示意图；
图中：
车体1，吸附装置2，移动模块3，机械手4，无损探伤模块5，打磨焊接模块6，喷漆模块7，控制传感模块8，车架9、曲轴10，曲轴连杆11，XZ移动平台12，履带13，同步带轮14，电机15，支撑构件16，移动模块曲轴17。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1-图2所示，一种用于适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，包括：车体1，吸附装置2，移动模块3，机械手4，无损探伤模块5，打磨焊接模块6，喷漆模块7，以及控制传感模块8。
所述车体1包括车架，所述车架作为载体；
所述吸附装置2固连于车架和移动模块上，所述爬壁机器人在压力钢管内壁作业时，吸附装置与压力钢管内壁有一间隙，吸附装置产生的磁场通过间隙以及压力钢管内壁产生磁力线回路进而提供吸附力；
所述移动模块3对称设置于车架的两侧，用于驱动车架，并在吸附装置提供的吸力下实现驱动所述爬壁机器人在压力钢管内壁的移动；
所述无损探伤模块5安装在车架上，用于压力钢管内壁的焊缝无损检测；
所述打磨焊接模块6用于压力钢管内壁的焊接、焊缝打磨；
所述喷漆模块7用于压力钢管内壁的喷涂；
所述控制传感模块8安装于车架上；
所述机械手4的一端固连在车架上，机械手的末端安装有机器人快换器，并通过机器人快换器更换安装喷漆模块或者打磨焊接模块，以完成所述爬壁机器人不同的作业需求。
如图1-图3所示，在部分优选实施例中，所述的车体1，包括：车架9、曲轴10、曲轴连杆11及XZ移动平台12；其中：
车架9与曲轴连杆11通过曲轴10连接，曲轴连杆11能够绕曲轴10的轴线摆动一定角度；XZ移动平台安12装于车架9的前段，XZ移动平台安12具有竖直Z方向和水平X方向两个方向的自由度，在所述爬壁机器人检测作业时能够调整无损探伤模块5中的扫查架上的探头与焊缝之间的竖直与水平距离，提高探伤的准确度。
所述车架9上安装有移动模块3、机械手4、无损探伤模块5、打磨焊接模块6、喷漆模块7、传感控制模块8，其中无损探伤模块5、打磨焊接模块6和喷漆模块7可按照所述爬壁机器人的作业内容进行选择性安装。
在部分优选实施例中，所述吸附装置2包括车体吸附装置与履带吸附装置，其中：
车体吸附装置固连于车架9上，履带吸附装置固连于履带13上。
所述爬壁机器人在压力钢管内壁作业时，吸附装置2与压力钢管内壁有一间隙，吸附装置2产生的磁场会通过间隙以及钢管内壁产生磁力线回路进而提供吸附力。
作为一优选的实施方式，通过调整所述吸附装置2与压力钢管内壁的间隙大小调整所述吸附装置2的吸附力大小。
如图4所示，在部分优选实施例中，所述的移动模块3，包括：履带13、同步带轮14、电机15、支撑构件16和移动模块曲轴17，其中：
所述电机15、移动模块曲轴17、同步带轮14连接于支撑构件16上，履带13安装于同步带轮14上；通过电机15驱动同步带轮14转动，从而驱动履带17运动；移动模块曲轴17装在支撑构件17上并位于一对同步带轮14轮距间。
如图3-图4所示，在部分优选实施例中，所述移动模块3通过移动模块曲轴17与所述车体1中的曲轴连杆11两端连接，移动模块3能够绕移动模块曲轴17的轴线摆动一定角度，在所述爬壁机器人运动过程中使得履带13始终贴合于压力钢管的内壁。
作为一优选的实施方式，通过所述电机15的差速控制实现所述爬壁机器人的转向。
如图1所示，在部分优选实施例中，所述机械手4为六自由度串联关节式机械臂，机械手4的一端固连在车架9上，机械手4的末端安装有机器人快换器，通过机器人快换器更换安装打磨焊接模块6的角磨机和焊枪以及喷漆模块7的喷枪，完成所述爬壁机器人不同的作业需求。
如图1所示，在部分优选实施例中，所述无损探伤模块5用于压力钢管内壁的焊缝无损检测，包括超声波探伤设备、扫查架和探头，其中：
探头安装于扫查架的两端，扫查架通过移动块安装在XZ移动平台12上，超声波探伤设备安装于车架9上。
如图1所示，在部分优选实施例中，所述打磨焊接模块6用于压力钢管内壁的焊接、焊缝打磨；包括：焊机、送丝机、电源、气瓶、焊枪和角磨机，其中：
焊枪和角磨机通过机器人快换器安装于机械手4的末端，焊机、送丝机、电源和气瓶安装于车架9上。
如图1所示，在部分优选实施例中，所述喷漆模块7用于压力钢管内壁的喷涂；包括：喷枪和无气涂装机，其中：喷枪通过机器人快换器安装于机械手4的末端，无气喷涂机安装于车架9上。
如图1所示，在部分优选实施例中，所述控制传感模块8安装于车架1上；所述控制传感模块8包括控制系统和视觉感知系统，其中：
所述控制系统用于控制所述爬壁机器人的行走与各功能下的作业实现；
所述视觉感知系统用于追踪焊缝轨迹修正所述爬壁机器人的爬行线路，同时用于感知所述爬壁机器人在焊接作业时打磨焊接模块6中的焊枪的位置以及焊缝轨迹。
本发明所述爬壁机器人，能够实现压力钢管内壁的吸附、运动、焊缝无损检测、焊缝打磨、焊接、喷涂的功能，同时能够自适应贴合不同曲率半径的压力钢管内壁。
本发明通过模块化设计可以按照机器人的作业内容更换无损探伤模块、打磨焊接模块和喷漆模块这三种模块，实现不同的作业功能。
本发明解决现有爬壁机器人大负载吸附力不可靠和功能单一的问题，无需电源吸附装置，能够进行多种作业功能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，包括：车体，吸附装置，移动模块，机械手，无损探伤模块，打磨焊接模块，喷漆模块和控制传感模块；
所述车体包括车架，所述吸附装置、移动模块、机械手、无损探伤模块和控制传感模块均安装于所述车架上；
所述吸附装置固连于所述车架和所述移动模块上，所述爬壁机器人在压力钢管内壁作业时，所述吸附装置与压力钢管内壁有一间隙，所述吸附装置产生的磁场通过间隙以及压力钢管内壁产生磁力线回路进而提供吸附力；
所述移动模块对称设置于车架的两侧，用于驱动车架，并在吸附装置提供的吸力下实现驱动所述爬壁机器人在压力钢管内壁的移动；
所述打磨焊接模块用于压力钢管内壁的焊接、焊缝打磨；
所述喷漆模块用于压力钢管内壁的喷涂；
所述无损探伤模块，用于压力钢管内壁的焊缝无损检测；
所述控制传感模块，包括控制系统和视觉感知系统，其中：所述控制系统用于控制所述爬壁机器人的行走与各功能下的作业实现；所述视觉感知系统用于追踪焊缝轨迹以修正所述爬壁机器人的爬行线路，同时用于感知所述爬壁机器人在焊接作业时打磨焊接模块的位置以及焊缝轨迹；
所述机械手的一端固连在车架上，所述机械手的末端安装有机器人快换器，并通过所述机器人快换器更换安装喷漆模块或者打磨焊接模块，以完成所述爬壁机器人不同的作业需求。
2.根据权利要求1所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述车体进一步包括曲轴、曲轴连杆及XZ移动平台，其中：
所述车架与所述曲轴连杆通过所述曲轴连接，所述曲轴连杆绕所述曲轴的轴线摆动；所述XZ移动平台安装于所述车架上，所述XZ移动平台具有竖直Z方向和水平X方向两个方向的自由度，在所述爬壁机器人检测作业时，所述XZ移动平台用于调整所述无损探伤模块与焊缝之间的竖直与水平距离。
3.根据权利要求2所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述移动模块包括履带、同步带轮、电机、支撑构件和移动模块曲轴，其中：所述电机、同步带轮均安装在所述支撑构件上，且所述电机的输出端连接所述同步带轮，所述履带安装在所述同步带轮上，所述电机驱动所述同步带轮转动从而驱动所述履带运动；所述移动模块曲轴安装在所述支撑构件上并位于所述同步带轮轮距间；所述移动模块通过所述移动模块曲轴与所述车体中的曲轴连杆两端连接，所述移动模块绕所述移动模块曲轴的轴线摆动，同时自适应的贴合不同曲率半径的压力钢管内壁表面，从而实现所述爬壁机器人在压力钢管内壁的全地形运动。
4.根据权利要求3所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述吸附装置包括车体吸附装置与履带吸附装置，其中：所述车体吸附装置固连于所述车架上，所述履带吸附装置固连于所述移动模块中的履带上。
5.根据权利要求4所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，通过调整所述吸附装置与压力钢管内壁的间隙大小调整所述吸附装置的吸附力大小；通过所述电机的差速控制实现所述爬壁机器人的转向。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述无损探伤模块包括超声波探伤设备、扫查架和探头，其中：所述探头安装于所述扫查架的两端，所述扫查架通过移动块安装在所述XZ移动平台上，所述超声波探伤设备安装于所述车架上。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述打磨焊接模块包括：焊机、送丝机、电源、气瓶、焊枪和角磨机，其中：所述焊枪和所述角磨机通过机器人快换器安装于所述机械手的末端，所述焊机、送丝机、电源和气瓶安装于所述车架上。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述喷漆模块包括喷枪和无气涂装机，其中：所述喷枪通过机器人快换器安装于所述机械手的末端，所述无气喷涂机安装于所述车架上。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人，其特征在于，所述机械手为六自由度串联关节式机械臂。
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