CN110566749A - 天然气管道超声波探伤标记机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天然气管道超声波探伤标记机器人，属于特种机器人技术领域。供电系统安装在支撑系统的上支撑板上，视觉系统通过两根弯曲梁焊接在上支撑板上，感应系统固定在支撑系统的支撑台上，驱动系统的四个动力驱动伺服电机分别固定在支撑系统的上支撑板和下支撑板上。具有体积小、重量轻、易拆卸的优点，同时可以在磁力作用下吸附于管道内壁，在黑暗的管道环境下对管道裂缝进行定位和标记。作为管道维修过程中的重要环节，人工裂缝探伤和传统的管道机器人探伤成本高、维护困难且效率低下。针对这一问题，本发明超声波探伤标记机器人在拆装维护方便的前提下能对管道裂损部位进行全方位超声波探伤，降低管道维修成本，提高管道维修效率。
Description
技术领域
本发明涉及特种机器人技术领域，特别涉及一种天然气管道超声波探伤标记机器人。主要应用于金属材质天然气管道裂缝的探测和标记，自适应沿着金属天然气管道内壁行走的微型检测探伤与标记定位。
背景技术
随着我国工业的发展和社会经济的进步，天然气资源从地下开采后主要通过管道运输,再通过集气处理和分配，运往各工业点和城市。因此，高效、安全的管道运输对我国经济发展和人民生产生活至关重要。
管道运输以管道为载体，用加压设施给天然气加压，高压处的天然气向低压处流动并输送到目的地。管道运输具有以下优点：运输成本低、占地少、建设快、运输量大、安全性能高、运输损耗少，无“三废”排放。
在气体运送过程中，某些化学物质（如硫化氢等）存在腐蚀性，容易与金属管道发生化学反应，对金属管道进行腐蚀；由于气体在传输过程中有一定的速度和压力，容易使管道产生颤振并产生表面裂纹；考虑到实际使用中，管道受材质蠕变等因素影响导致内壁形成裂纹，轻则发生燃气泄漏，重则发生爆炸，给工业生产造成极大的威胁。
在管道维修的过程中，为了让维修流程安全进行，将管道裂损部位的燃气排空之后，管道机器人就进入管道内进行裂缝检测，针对以往管道探伤机器人对裂缝位置、数量的定位不准确，有必要发明一种高效、准确对金属管道裂缝进行定位标记的超声波探伤机器人。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气管道超声波探伤标记机器人，解决了现有技术存在的上述问题。本发明是一种高效、高精度用于金属天然气管道内部探伤和定位的小型机器人，能够在磁性滚筒的磁力作用下沿着管道内壁中做任意轨迹运动，利用超声波对管道中的裂缝进行定位并将位置进行标记，大幅度简化维修流程。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
天然气管道超声波探伤标记机器人，包括供电系统1、视觉系统2、感应系统3、驱动系统4和支撑系统5，供电系统1安装在支撑系统5的上支撑板502上，视觉系统2通过两根弯曲梁6焊接在上支撑板502上，感应系统3固定在支撑系统5的支撑台503上，驱动系统4的四个动力驱动伺服电机分别固定连接在支撑系统5的上支撑板502和下支撑板501上。
所述的供电系统1是：四个锂离子电池101分别置于电源固定槽102内，电源护盖103边缘与电源固定槽102磁性配合，整个供电系统1集成于上支撑板502；所述供电系统1为视觉系统2、感应系统3、驱动系统4提供电能。
所述的视觉系统2是：微型摄像头201位于低功率冷光探照灯202上方，方位标定器203位于微型摄像头201上方。
所述的感应系统3是：感应伺服电机底座301-1通过螺钉9与支撑系统5的支撑台503连接；感应伺服电机301通过平键8与支撑杆302连接，第一超声波感应器303、第二超声波感应器304、第三超声波感应器305、第四超声波感应器306分别通过微型螺钉连接在支撑杆302上端的四个斜端面上。
所述的驱动系统4是：第一动力驱动伺服电机401、第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403、第四动力驱动伺服电机404一侧分别设有螺纹孔，并分别通过螺钉9与上支撑板502、下支撑板501连接；进一步地，第一动力驱动伺服电机401、第四动力驱动伺服电机404分别通过垫片11、螺钉9与支撑架12连接，使第一动力驱动伺服电机401、第四动力驱动伺服电机404连接在一起；第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403之间的连接方式与第一、第四动力驱动伺服电机的连接方式相同；联轴器405的一侧与轮毂406连接，在每个轮毂406的轴向，磁性滚筒407两个为一组，分为七组，并分别通过轮毂叶片411绕轮毂406的中轴线呈圆周分布，七个轮毂叶片411分别焊接在轮毂406的中轴线上呈圆周分布；每组中的两个磁性滚筒407分别通过微型螺钉10与螺纹套筒408锁紧，两个螺纹套筒408之间通过内螺纹配合，轴承对409与轮毂叶片411配合，两个限位卡环410实现每两个磁性滚筒407与每个轴承对409的定位；联轴器405的另一侧与第一动力驱动伺服电机401的编码器输出轴401-1连接，其余第二、第三、第四动力驱动伺服电机与联轴器、轮毂和磁性滚筒的连接关系与第一动力驱动伺服电机401相同。
所述的支撑系统5是：下支撑板501和上支撑板502同时与第一、第二、第三、第四动力驱动伺服电机连接；在竖直方向，电源保护盖103与电源固定槽102磁性连接，电源固定槽102与支座504连接，支座504通过螺纹杆7与支撑台503连接。
本发明的有益效果在于：
1、将供电系统高度集成到支承系统的上支撑板，结构紧凑。
2、供电系统采用四个可充电的大容量锂离子电池串联，具有易拆卸、易维护和长续航的优点。
3、支座内部集成了陀螺仪芯片，大幅度提高机器人运行的稳定性和标记的精确度。
4、机器人可以在管道内向任意方向任意位置运动，配合视觉系统可以轻松避开管道内的障碍物和大裂口区域，具有极大的灵活性和全向驱动性。
5、磁性滚筒采用新型磁性材料制作，能够有效地将机器人吸在管道壁内，增加摩擦力，保证机器人能在大坡度甚至垂直坡度的管道环境下工作。
6、视觉系统集成了冷光探照灯、微型摄像头和方位标定器，功耗低，且具有良好的观察视野，可对管道裂缝位置进行标记。
7、感应系统用支撑杆与感应驱动电机连接，四个超声波感应器与接收器和支撑杆连接，全方位超声波覆盖，声波覆盖密度大，方位标定器的对裂缝的标记更加准确。
8、机器人的总体结构为半封闭式，具有良好的散热性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构的等轴侧视图；
图2为本发明的供电系统、上支撑板以及视觉系统之间的连接示意图；
图3为本发明的感应系统与支撑台的连接示意图；
图4为本发明的动力驱动电机与上支撑板和下支撑板的连接示意图；
图5为本发明的动力驱动电机之间的连接示意图；
图6为本发明的轮毂和联轴器之间的连接示意图；
图7为本发明的磁性滚筒与轮毂之间的连接示意图；
图8为本发明的动力驱动伺服电机编码器输出轴和联轴器之间的连接示意图；
图9为本发明的支座与电源固定槽端面和支撑台的连接示意图。
图中：1、供电系统；101、锂离子电池；102、电源固定槽；102-1、电源固定槽磁条；103、电源护盖；2、视觉系统；201、微型摄像头；202、低功率冷光探照灯；203、方位标定器；3、感应系统；301-1、感应伺服电机底座；301、感应伺服电机；302、支撑杆；303、第一超声波感应器；304、第二超声波感应器；305、第三超声波感应器；306、第四超声波感应器；4、驱动系统；401-1、第一动力驱动伺服电机编码器输出轴；401、第一动力驱动伺服电机；402、第二动力驱动伺服电机；403、第三动力驱动伺服电机；404、第四动力驱动伺服电机；405、联轴器；406、轮毂；407-1、磁性滚筒末端小轴；407、磁性滚筒；408、螺纹套筒；409、轴承对；410、限位卡环；411、轮毂叶片；5、支承系统；501、下支撑板；502、上支撑板；503、支撑台；504、支座；6、弯曲梁；7、螺纹杆；8、平键；9、螺钉；10、微型螺钉； 11、垫片；12、支撑架。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图9所示，本发明的天然气管道超声波探伤标记机器人，机器人具有体积小、重量轻、易拆卸的优点，同时可以在磁力作用下吸附于管道内壁，在黑暗的管道环境下对管道裂缝进行定位和标记。作为管道维修过程中的重要环节，人工裂缝探伤和传统的管道机器人探伤成本高、维护困难且效率低下。针对这一问题，本发明超声波探伤标记机器人在拆装维护方便的前提下能对管道裂损部位进行全方位超声波探伤，降低管道维修成本，提高管道维修效率。本发明的管道机器人采用高度集成以及机电一体化的设计思想，设计天然气管道超声波探伤标记机器人；在进行管道超声波探伤时，供电系统给驱动系统和视觉系统供电，在视觉系统的低功率冷光探照灯照明环境下将机器人运送到指定的管道探伤区域，到达指定位置时，驱动系统的动力驱动电机的编码器控制电机的转动，同时感应系统的感应驱动电机带动超声波感应器做周期性旋转，超声波感应器对管道的裂缝进行定位，方位标定器将管道裂缝的坐标进行标记，完成工作流程。
参见图1所示，本发明的天然气管道超声波探伤标记机器人，包括供电系统1、视觉系统2、感应系统3、驱动系统4和支撑系统5，供电系统1安装在支撑系统5的上支撑板502上，视觉系统2通过两根弯曲梁6焊接在上支撑板502上，感应系统3固定在支撑系统5的支撑台503上，驱动系统4的四个动力驱动伺服电机分别固定连接在支撑系统5的上支撑板502和下支撑板501上。
参见图2所示，所述的供电系统1包括四个锂离子电池101、电源固定槽102、电源护盖103；所述的视觉系统2包括微型摄像头201、低功率冷光探照灯202、方位标定器203；电源固定槽102位于上支撑板502上，四个锂离子电池101分别置于电源固定槽102内，电源护盖103边缘吸附于电源固定槽磁条102-1，在水平方向看，视觉系统与上支撑板502通过两根弯曲梁6焊接，微型摄像头201位于低功率冷光探照灯202上方，方位标定器203位于微型摄像头上方。
参见图3所示，所述的感应系统3包括感应伺服电机301、感应伺服电机底座301-1、支撑杆302、第一超声波感应器303、第二超声波感应器304、第三超声波感应器305、第四超声波感应器306；感应伺服电机底座301-1通过螺钉9与支撑系统5的支撑台503连接；感应伺服电机301通过平键8与支撑杆302配合，三个微型螺钉10呈90度锁紧支撑杆302和感应伺服电机301输出轴，进一步地，从俯视图逆顺时针方向看，超声波感应器分别为第一超声波感应器303、第二超声波感应器304、第三超声波感应器305、第四超声波感应器306，第一超声波感应器303与支撑杆302上端的四个斜端面通过微型螺钉10配合。第二超声波感应器304、第三超声波感应器305、第四超声波感应器306与支撑杆302的连接方式同上。
参见图4至图9所示，所述的驱动系统4包括第一动力驱动伺服电机401、第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403、第四动力驱动伺服电机404、联轴器405、轮毂406、磁性滚筒407、螺纹套筒408、轴承对409、限位卡环410。
参见图4所示，从俯视图的逆时针方向看：分别为第一动力驱动伺服电机401、第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403、第四动力驱动伺服电机404，其中第一动力驱动伺服电机401的靠近编码器输出轴的一侧的螺纹孔分别通过螺钉9和垫片11，与上支撑板502和下支撑板501连接。第二动力驱动电机402、第三动力驱动电机403、第四动力驱动电机404与上支撑板502、下支撑板501的连接方式同上。
参见图5所示，第一动力驱动伺服电机401、第四动力驱动伺服电机404的另一侧分别通过垫片11、螺钉9与支撑架12连接，使第一动力驱动伺服电机401、第四动力驱动伺服电机404连接在一起；第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403之间的连接方式与第一、第四动力驱动伺服电机的连接方式相同。
参见图6所示，联轴器405的一侧通过四个螺钉9与轮毂406连接。
参见图7所示，在每个轮毂406的轴向，磁性滚筒407两个为一组，分为七组，并分别通过轮毂叶片411绕轮毂406的中轴线呈圆周分布，七个轮毂叶片411分别焊接在轮毂406的中轴线上呈圆周分布；每组中的两个磁性滚筒407的末端小轴407-1分别通过两个微型螺钉10与一对螺纹套筒408锁紧，螺纹套筒408成对布置并通过内螺纹连接，轴承对409与轮毂叶片411配合，轮毂两侧的限位卡环410与轮毂用八个微型螺钉10连接，实现每组磁性滚筒407与轴承对409的轴向定位。七组磁性滚筒与轮毂的连接方式相同。
参见图8所示，联轴器405的另一侧与第一动力驱动伺服电机401的编码器输出轴401-1通过分布于两侧的微型螺钉10连接，完成联轴器的轴向定位。其余第二、第三、第四动力驱动伺服电机与联轴器、轮毂和磁性滚筒的连接关系与第一动力驱动伺服电机401相同。
参见图9所示，下支撑板501和上支撑板502同时与第一、第二、第三、第四动力驱动伺服电机连接；从竖直方向看，在竖直方向，电源保护盖103与电源固定槽102磁性连接，电源固定槽102端面用三个微型螺钉10与支座504连接，支座504通过两端带螺纹的螺纹杆7与支撑台503连接。
参见图1至图9所示，本发明的工作过程如下：
机器人通电后，机器人控制驱动系统4沿管道内部前行，到达指定的探伤区域后，位于驱动系统4的第一动力驱动伺服电机401、第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403、第四动力驱动伺服电机404在速度编码器的控制下减速，同时感应伺服电机301带动第一超声波感应器303、第二超声波感应器304、第三超声波感应器305、第四超声波感应器306旋转，四个超声波感应器同时发出超声波，在四个超声波感应器接收到裂缝区域的超声波反馈信号时，机器人停止向前运行，超声波感应器将裂缝反馈信号发送至支座504内的中央处理器将超声波信号转换为空间信号，再通过支座504内部的陀螺仪计算校准，生成裂缝位置的空间坐标，支座504内的中央处理器控制驱动系统4中的第一动力驱动伺服电机401、第二动力驱动伺服电机402、第三动力驱动伺服电机403、第四动力驱动伺服电机404的速度编码器进行四轮联动，调整机器人的方位，使视觉系统2的方位标定器203与裂缝坐标对齐并进行标记，完成一个工作周期。若在管道中遇到障碍物时，机器人可以在磁性滚筒407的磁力作用下紧贴管道内壁做任意方向的运动，避开障碍物。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种天然气管道超声波探伤标记机器人，其特征在于：包括供电系统（1）、视觉系统（2）、感应系统（3）、驱动系统（4）和支撑系统（5），供电系统（1）安装在支撑系统（5）的上支撑板（502）上，视觉系统（2）通过两根弯曲梁（6）焊接在上支撑板（502）上，感应系统（3）固定在支撑系统（5）的支撑台（503）上，驱动系统（4）的四个动力驱动伺服电机分别固定连接在支撑系统（5）的上支撑板（502）和下支撑板（501）上；所述供电系统（1）为视觉系统（2）、感应系统（3）、驱动系统（4）提供电能。
2.根据权利要求1所述的天然气管道超声波探伤标记机器人，其特征在于：所述的供电系统（1）是：四个锂离子电池（101）分别置于电源固定槽（102）内，电源护盖（103）边缘与电源固定槽（102）磁性配合，整个供电系统（1）集成于上支撑板（502）。
3.根据权利要求1所述的天然气管道超声波探伤标记机器人，其特征在于：所述的视觉系统（2）是：微型摄像头（201）位于低功率冷光探照灯（202）上方，方位标定器（203）位于微型摄像头（201）上方。
4.根据权利要求1所述的天然气管道超声波探伤标记机器人，其特征在于：所述的感应系统（3）是：感应伺服电机底座（301-1）通过螺钉（9）与支撑系统（5）的支撑台（503）连接；感应伺服电机（301）通过平键（8）与支撑杆（302）连接，第一超声波感应器（303）、第二超声波感应器（304）、第三超声波感应器（305）、第四超声波感应器（306）分别通过微型螺钉连接在支撑杆（302）上端的四个斜端面上。
5.根据权利要求1所述的天然气管道超声波探伤标记机器人，其特征在于：所述的驱动系统（4）是：第一动力驱动伺服电机（401）、第二动力驱动伺服电机（402）、第三动力驱动伺服电机（403）、第四动力驱动伺服电机（404）的一侧分别设有螺纹孔，并分别通过螺钉（9）与上支撑板（502）、下支撑板（501）连接；进一步地，第一动力驱动伺服电机（401）、第四动力驱动伺服电机（404）分别通过垫片（11）、螺钉（9）与支撑架（12）连接，使第一动力驱动伺服电机（401）、第四动力驱动伺服电机（404）连接在一起；第二动力驱动伺服电机（402）、第三动力驱动伺服电机（403）之间的连接方式与第一、第四动力驱动伺服电机的连接方式相同；联轴器（405）的一侧与轮毂（406）连接，在每个轮毂（406）的轴向，磁性滚筒（407）两个为一组，分为七组，并分别通过轮毂叶片（411）绕轮毂（406）的中轴线呈圆周分布，七个轮毂叶片（411）分别焊接在轮毂（406）的中轴线上呈圆周分布；每组中的两个磁性滚筒（407）分别通过微型螺钉（10）与螺纹套筒（408）锁紧，两个螺纹套筒（408）之间通过内螺纹配合，轴承对（409）与轮毂叶片（411）配合，两个限位卡环（410）实现每两个磁性滚筒（407）与每个轴承对（409）的定位；联轴器（405）的另一侧与第一动力驱动伺服电机（401）的编码器输出轴（401-1）连接。
6.根据权利要求1所述的天然气管道超声波探伤标记机器人，其特征在于：所述的支撑系统（5）是：下支撑板（501）和上支撑板（502）同时与第一、第二、第三、第四动力驱动伺服电机连接；在竖直方向，电源保护盖（103）与电源固定槽（102）磁性连接，电源固定槽（102）与支座（504）连接，支座（504）通过螺纹杆（7）与支撑台（503）连接。
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