CN111141887A - 基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械部件的测试技术领域，公开了一种基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统，行走模块用于带动整个机器人行进；变径模块用于通过丝杠步进电机实时控制丝杠转动，带动连杆机构进行实时变径；搭载模块用于控制变径范围；控制模块用于控制整个机器人执行相应动作。本发明提供了一种基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人，通过检测风电机组叶片的内部结构，及时发现叶片产生的问题，减少损失，对叶片产生问题的原因进行分析，提出叶片受损类型并提出日常维护建议，弥补了当前在风电机组运行情况下对于叶片无损检测的空白，对全面提高叶片质量有着重要的意义。

Description

基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统

技术领域

本发明属于机械部件的测试技术领域，尤其涉及一种基于可变径柔性支撑 的风电叶片内窥检测机器人控制系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：风电叶片主要有上下两面粘合形成， 长度有40-120米等不同规模，整体形状不规则，内部空间从直径1.5米左右递 减至没有空间。叶片内部空间越深入越小，人工检测受人体体积的限制，只能 检测到叶片内部Φ800mm米左右的位置，检测距离太短，未检测盲区太大，风 电叶片在长期使用过程中无法更准确的被检测。超声波检测及X射线检测等探 伤精确度较高，但是只可以在风电叶片安装前进行检测，当风电叶片安装完毕 之后无搭载平台，无法进行检测。无人机航拍检测，只可以在风电叶片的外部 进行视频采集，只有当风电叶片的外部有明显裂纹、残缺等破坏时才会被发现， 部件风电叶片是内部先出现裂纹然后扩展到外部，当无人机航拍发现叶片损坏 时，叶片已经损坏十分严重，此技术无法及时、准确的检测叶片的真实情况。 因此，无损检测技术“微型爬行机器人”在风电叶片缺陷检测领域逐渐受到关 注，对全面提高叶片质量有着重要的意义，目前国内外与风电叶片相关的无损 检测技术较少，在市面上推行的首选微型内窥爬行机器人。

目前内窥检测机器人多采取车轮驱动式结构，且体型较大，质量过重，检 测区域有限且仅能应用于出厂检测。

目前对于叶片的检测手段主要有超声检测技术、X射线检测技术、无人机 航拍检测、人工检测，但这些手段均无法在风电风电叶片安装后实现叶片内部 的探伤检测，更不能在不停机的情况下做到实时在线监测。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)目前内窥检测机器人多采取车轮 驱动式结构，且体型较大，质量过重，检测区域有限且仅能应用于出厂检测。

(2)目前叶片检测手段无法在风电叶片安装之后进行内部检测。

(3)目前风电叶片检测不能在运行时检测，必须停机检测。

解决上述技术问题的难度：(1)风电叶片的内部时不规则的曲面形状，简 单的机构无法在风电叶片的内部保持平衡，也不能稳定运行。

(2)风电叶片工作之后的位置状态不是固定不变的，风电叶片只能在空间 上的两个维度调节转向，第三个维度是不可以调节，这就导致风电叶片内部的 支撑点的方向是变化的，一般的检测机构不能在内部进行稳定支撑。

(3)风力发电的环境不定，风电叶片内部的状态也不能保证。

解决上述技术问题的意义：(1)风电叶片是风电机组的关键部件之一，其 可靠性直接影响风机运行状况。而承受载荷大，运行环境恶劣等情况都会导致 风电叶片损坏，直接影响风电机组的安全运行和风电场的经济效益。因此需要 对风电叶片进行定期检测与专业维护。

(2)风电叶片的裂纹大多是由内部引起的，当内部裂纹向外扩展时，才可 以从风电叶片的外部发现裂纹，但此时叶片的损害已经十分严重，几乎无法修 补。因此需要一个可以在内部进行检测的装置。

(3)风电叶片是风电机组接受风能的关键部件之一，约占总成本的20％。 随着风电发电机组的数量不断增加，人们对风电叶片的检测也提出了更高的要 求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于可变径柔性支撑的风电 叶片内窥检测机器人控制系统。

本发明是这样实现的，一种基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器 人控制系统，所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统具 体包括：

行走模块、变径模块、搭载模块和控制模块；

行走模块：用于将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动力， 带动整个机器人行进，同时用于贴合机器人与风电叶片；

变径模块：用于通过丝杠步进电机实时控制丝杠转动，带动连杆机构进行 实时变径，适应风电叶片内径的变化；

搭载模块：用于搭载检测设备，控制变径范围；

控制模块：包括中心处理单元、控制单元、驱动单元、压力传感检测单元 和超声波传感检测单元；用于控制整个机器人执行相应动作。

进一步，所述控制模块具体包括：

包括中心处理单元、控制单元、驱动单元、压力传感检测单元和超声波传 感检测单元；

控制单元：用于通过控制器控制驱动器进而控制相应电机进行工作；

驱动单元：与各步进电机连接，用于通过驱动器驱动各个步进电机；

超声波传感检测单元：用于利用超声波传感器检测丝杠滑块与固定件之间 的距离；

压力传感检测单元：用于利用压力传感器检测壁面压力值。

本发明另一目的在于提供一种应用于所述基于可变径柔性支撑的风电叶片 内窥检测机器人控制系统的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控 制方法，所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法具体包 括：

步骤一，机器人从静止到能够平稳运行在风电叶片内腔时，控制器控制丝 杠步进电机转动，直到压力传感器达到设定阈值内，受力平衡；

步骤二，利用压力传感器实时检测壁面压力值，并将检测到的压力值与阈 值进行比较，基于检测到的压力值与阈值的大小关系，判断风电叶片半径的变 化情况；

步骤三，控制器根据风电叶片内径的变化情况，控制丝杆步进电机控制丝 杠实时转动，带动连杆机构进行实时变径，调节支撑长度，适应风电叶片内径 的变化；

步骤四，利用超声波传感器检测丝杠滑块与固定件之间的距离，控制变径 的范围；

步骤五，将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动力，带动 整个机器人行进。

进一步，步骤一中，所述基于检测到的压力值与阈值的大小关系，判断风 电叶片半径的变化情况具体包括：

当风电叶片半径增大时，壁面压力减小，压力传感器小于设定的阈值；

当风电叶片半径缩小时，壁面压力增大，压力传感器大于设定的阈值；

当风电叶片腹板中心线发生偏移时，左右两边的壁面压力不等，两侧压力 传感器检测大的压力值存在差别，即出现压力差。

进一步，步骤三中，所述控制器根据风电叶片内径的变化情况，控制丝杆 步进电机控制丝杠实时转动，带动连杆机构进行实时变径具体包括：

当压力传感器小于设定的阈值，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机 工作，推动丝杠滑块向固定滑块方向移动，变径机构支撑长度增大，实现扩径；

当压力传感器大于设定的阈值，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机 工作，驱动丝杠滑块向远离固定滑块的方向运动，变径机构支撑长度减小，完 成缩径；

当出现压力差时：丝杠步进电机调节支撑长度，同时行走机构调整各个行 走步进电机的转速，进行差速转向，调整位姿。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产 品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施 所述的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在 计算机上运行时，使得计算机执行如所述的基于可变径柔性支撑的风电叶片内 窥检测机器人控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内 窥检测机器人控制系统控制的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器 人，所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人包括有四个内窥检测 模块；

所述内窥检测模块包括行走部件、变径部件、搭载部件和控制部件；

所述变径部件安装于所述搭载部件外侧，所述变径部件外侧安装有所述行 走部件。所述行走部件、变径部件、搭载部件通过信号与控制部件连接。

进一步，所述搭载部件具体包括：

所述搭载部件包括托盘、丝杠步进电机支座、丝杆步进电机、丝杠步进电 机联轴器、丝杠支座、光杠支座、固定件、丝杠滑块、固定滑块、丝杠、光杠、 连接件；

所述托盘与固定件连接，所述托盘的上方固定连接有丝杠步进电机支座；

所述丝杠步进电机支座上固定连接有丝杠步进电机；

所述丝杠步进电机通过丝杠步进电机联轴器连接丝杠；

所述丝杠的两端均安装有丝杠支座，所述丝杠支座固定在固定件上；

所述固定件上固定有光杠支座，所述固定件上沿丝杠长度方向平行设置有 光杠；

所述光杠两端连接所述光杠支座；所述光杠上安装有一个丝杠滑块以及两 个固定滑块，所述丝杠滑块穿过光杠。

进一步，所述变径部件由两个结构相同的部件组成；每部件都是一个连杆 结构；

所述连杆结构包括双变径杆、轴承、双变径杆连接杆、单变径杆、单耳固 定件、双耳固定件；

所述双耳固定件的下端固定在丝杠滑块上，另一端连接单变径杆；

所述单耳固定件的下端固定在固定滑块上，另一端连接双变径杆；

两个所述双变径杆通过双变径杆连接杆连接，连接处安装有轴承，双变径 杆与单变径杆的铰接处连接行走部件；

所述双变径杆若没有与单变径杆铰接，则所述双变径杆的顶端连接行走部 件。

进一步，所述行走部件具体包括：

所述行走部件包括球型橡胶支撑轮、行走步进电机联轴器、行走步进电机 及固定件，所述行走步进电机通过行走步进电机联轴器与球型橡胶支撑轮连接。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供了一种基于可变径柔 性支撑的风电叶片内窥检测机器人，通过检测风电机组叶片的内部结构，及时 发现叶片产生的问题，减少损失，对叶片产生问题的原因进行分析，提出叶片 受损类型并提出日常维护建议，弥补了当前在风电机组运行情况下对于叶片无 损检测的空白，对全面提高叶片质量有着重要的意义。

本发明采取多电机独立驱动式的工作方式，配合丝杠、丝杠滑块和连杆机 构相结合的变径形式。机构在空间成对称分布，保证受力平衡。

本发明中行走模块、变径模块、搭载模块构成的结构使其能在叶片运行过 程中平稳运行，解决了现有内窥机器人应用场景局限的问题。

本发明可以适应多种风电叶片的内部结构。结构为柔性支撑，具有较强的 跨越障碍能力。柔性支撑结构使产品在变径的过程中可以维持稳定检测。故成 品可直接适应不同型号的风电叶片内部检测。

本发明可以实现不停机检测。各部件结构可独立工作，且其良好的变径支 撑能力、行走能力及负载能力足以使产品在风电叶片运行过程中进行内部检测， 实现节能效益。

本发明检测范围广。通过独特的变径结构设计，能实现300-2000mm的检测 范围。可从风电叶片内部进行从根部到尖端的检测，结果更加精确。

本发明通过丝杠步进电机带动丝杠转动，丝杠转动带动丝杠滑块沿着丝杠 平行方向移动，进而推动单变径杆的扩展与收缩，实现大范围变径。十六个球 型橡胶支撑轮在空间上呈均匀对称分布，保证其与风电叶片的内壁表面保持充 分的接触，为停止状态和运动状态都能提供足够的摩擦力。

本发明能够实现主动变径，具有稳定的大范围变径能力，能够适应风电叶 片内部空间的包括直径、曲率以及倾斜程度等方面的约束。连杆机构的设计能 够实现其他内窥机器人所没有的大范围变径且稳定支撑功能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器 人控制系统结构示意图。

图1中：1、行走模块；2、变径模块；3、搭载模块；4、控制模块；5、中 心处理单元；6、控制单元；7、驱动单元；8、压力传感检测单元；9、超声波 传感检测单元。

图2是本发明实施例提供的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器 人控制方法流程图。

图3是本发明实施例提供的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器 人立体结构示意图。

图4是本发明实施例提供的搭载部件的立体结构示意图。

图5是本发明实施例提供的变径部件的立体结构示意图。

图6是本发明实施例提供的行走部件的立体结构示意图。

图7是本发明实施例提供的局部搭载部件的立体结构示意图。

图3至图7中：1、球型橡胶支撑轮；2、行走步进电机联轴器；3、行走步 进电机及固定件；4、双变径杆；5、轴承；6、双变径杆连接杆；7、单变径杆； 8、单耳固定件；9、双耳固定件；10、机构连接件；11、光杠；12、丝杠；13、 机构固定件；14、丝杠支座；15、光杠支座；16、丝杠步进电机联轴器；17、 丝杠步进电机；18、丝杠步进电机支座；19、托盘；20、固定滑块；21、丝杠 滑块。

图8是本发明实施例提供的机器人行走速度曲线图。

图9是本发明实施例提供的机器人行走加速度曲线图。

图10是本发明实施例提供的水平运行时变径支撑机构的支撑力示意图。

图11是本发明实施例提供的履带行走机构对腹板的支撑力曲线图。

图12是本发明实施例提供的γ＝45°变径支撑机构对内壁的支撑力曲线图。

图13是本发明实施例提供的γ＝45°时履带行走机构的对腹板的支撑力曲线 图。

图14是本发明实施例提供的γ＝90°变径支撑机构对内壁的支撑力曲线图。

图15是本发明实施例提供的γ＝90°时履带行走机构对腹板的支撑力曲线图。

图16是本发明实施例提供的γ＝135°变径支撑机构对内壁的支撑力曲线图。

图17是本发明实施例提供的γ＝135°时履带行走机构对腹板的支撑力曲线 图。

图18是本发明实施例提供的α＝45°时变径支撑机构对内壁的支撑力曲线图。

图19是本发明实施例提供的α＝45°时履带行走机构对腹板的支撑力曲线图。

图20是本发明实施例提供的α＝90°时变径支撑机构对内壁的支撑力曲线图。

图21是本发明实施例提供的α＝90°时履带行走机构对腹板的支撑力曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果做详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检 测机器人控制系统具体包括：

行走模块1、变径模块2、搭载模块3和控制模块4。

行走模块1：用于将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动 力，带动整个机器人行进，同时用于贴合机器人与风电叶片。

变径模块2：用于通过丝杠步进电机实时控制丝杠转动，带动连杆机构进行 实时变径，适应风电叶片内径的变化。

搭载模块3：用于搭载检测设备，控制变径范围。

控制模块4：包括中心处理单元5、控制单元6、驱动单元7、压力传感检 测单元8和超声波传感检测单元9；用于控制整个机器人执行相应动作。

进一步，所述控制模块4具体包括：

包括中心处理单元5、控制单元6、驱动单元7、压力传感检测单元8和超 声波传感检测单元9。

控制单元6：用于通过控制器控制驱动器进而控制相应电机进行工作。

驱动单元7：与各步进电机连接，用于通过驱动器驱动各个步进电机。

超声波传感检测单元9：用于利用超声波传感器检测丝杠滑块与固定件之间 的距离。

压力传感检测单元8：用于利用压力传感器检测壁面压力值。

如图2所示，本发明实施例提供的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检 测机器人控制方法具体包括：

S101，机器人从静止到能够平稳运行在风电叶片内腔时，控制器控制丝杠 步进电机转动，直到压力传感器达到设定阈值内，受力平衡。

S102，利用压力传感器实时检测壁面压力值，并将检测到的压力值与阈值 进行比较，基于检测到的压力值与阈值的大小关系，判断风电叶片半径的变化 情况。

S103，控制器根据风电叶片内径的变化情况，控制丝杆步进电机控制丝杠 实时转动，带动连杆机构进行实时变径，调节支撑长度，适应风电叶片内径的 变化。

S104，利用超声波传感器检测丝杠滑块与固定件之间的距离，控制变径的 范围。

S105，将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动力，带动整 个机器人行进。

步骤S101中，本发明实施例提供的基于检测到的压力值与阈值的大小关系， 判断风电叶片半径的变化情况具体包括：

当风电叶片半径增大时，壁面压力减小，压力传感器小于设定的阈值；

当风电叶片半径缩小时，壁面压力增大，压力传感器大于设定的阈值；

当风电叶片腹板中心线发生偏移时，左右两边的壁面压力不等，两侧压力 传感器检测大的压力值存在差别，即出现压力差。

步骤S103中，本发明实施例提供的控制器根据风电叶片内径的变化情况， 控制丝杆步进电机控制丝杠实时转动，带动连杆机构进行实时变径具体包括：

当压力传感器小于设定的阈值，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机 工作，推动丝杠滑块向固定滑块方向移动，变径机构支撑长度增大，实现扩径。

当压力传感器大于设定的阈值，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机 工作，驱动丝杠滑块向远离固定滑块的方向运动，变径机构支撑长度减小，完 成缩径。

当出现压力差时：丝杠步进电机调节支撑长度，同时行走机构调整各个行 走步进电机的转速，进行差速转向，调整位姿。

如图3所示，本发明实施例提供的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检 测机器人包括有四个内窥检测模块；

所述内窥检测模块包括行走部件、变径部件、搭载部件和控制部件；

所述变径部件安装于所述搭载部件外侧，所述变径部件外侧安装有所述行 走部件。

如图4所示，本发明实施例提供的搭载部件具体包括：

托盘19、丝杠步进电机支座18、丝杆步进电机17、丝杠步进电机联轴器 16、丝杠支座14、光杠支座15、固定件13、丝杠滑块21、固定滑块20、丝杠 12、光杠11、连接件10组成，丝杠步进电机17通过联轴器16连接丝杠12， 丝杠12的两端均安装有丝杠支座14，丝杠支座14固定在固定件13上，固定件 13上还固定有光杠支座15，沿丝杠12长度方向平行设置有光杠11，光杠11两 端连接光杠支座15，在光杠11上安装一个丝杠滑块21和两个固定滑块20，丝杠滑块21穿过光杠11；托盘19与固定件13连接，托盘19的上方固定连接丝 杠步进电机支座18，丝杠步进电机支座18上面固定连接丝杠步进电机17，丝 杠步进电机17通过丝杠步进电机联轴器16连接丝杠12。

如图5所示，本发明实施例提供的变径部件由两个结构相同的部件组成； 每部件都是一个连杆结构。

所述连杆结构包括双变径杆4、轴承5、双变径杆连接杆6、单变径杆7、 单耳固定件8、双耳固定件9，双耳固定件9的下端固定在丝杠滑块21上，另 一端连接单变径杆7；单耳固定件8的下端固定在固定滑块20上，另一端连接 双变径杆4；两个双变径杆4通过双变径杆连接杆6连接，连接处安装轴承5， 双变径杆4与单变径杆7的铰接处连接行走部件，对于没有与单变径杆7铰接 的双变径杆4，双变径杆4的顶端连接行走部件。

如图6所示，本发明实施例提供的行走部件具体包括：

包括球型橡胶支撑轮1、行走步进电机联轴器2、行走步进电机及固定件3， 行走步进电机通过行走步进电机联轴器2与球型橡胶支撑轮1连接。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。

实施例1：

如图3，一种基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人，由行走部件 (图6)、变径部件(图7)、搭载部件(图4)、控制部件(图中未标出)组 成，搭载部件的外侧安装变径部件，变径部件的外侧安装行走部件，行走部件 带动整个机器人行进，同时可以保证机器人与风电叶片更好的贴合在一起，变 径部件能适应风电叶片的半径，搭载部件能控制变径的范围、搭载检测设备， 控制系统用于控制整个机器人执行相应动作。

所述行走部件由十六个结构相同的运动部件构成，每个运动部件由一个行 走步进电机3、一个球型橡胶支撑轮1和一个行走步进电机联轴器2组成，十六 个运动部件在空间均匀对称分布；

所述搭载部件由四个结构相同的部件组成，每一部件均包括托盘19、丝杠 步进电机支座18、丝杆步进电机17、丝杠步进电机联轴器16、丝杠支座14、 光杠支座15、固定件13、丝杠滑块21、固定滑块20、丝杠12、光杠11、连接 件10组成，丝杠步进电机17通过联轴器16连接丝杠12，丝杠12的两端均安 装有丝杠支座14，丝杠支座14固定在固定件13上，固定件13上还固定有光杠 支座15，沿丝杠12长度方向平行设置有光杠11，光杠11两端连接光杠支座15， 在光杠11上安装一个丝杠滑块21和两个固定滑块20，丝杠滑块21穿过光杠 11；托盘19与固定件13连接，托盘19的上方固定连接丝杠步进电机支座18， 丝杠步进电机支座18上面固定连接丝杠步进电机17，丝杠步进电机17通过丝 杠步进电机联轴器16连接丝杠12。

所述变径部件由八个结构相同的部件组成，每部件都是一个连杆机构，所 述连杆结构包括双变径杆4、轴承5、双变径杆连接杆6、单变径杆7、单耳固 定件8、双耳固定件9，双耳固定件9的下端固定在丝杠滑块21上，另一端连 接单变径杆7；单耳固定件8的下端固定在固定滑块20上，另一端连接双变径 杆4；两个双变径杆4通过双变径杆连接杆6连接，连接处安装轴承5，双变径 杆4与单变径杆7的铰接处连接行走部件，对于没有与单变径杆7铰接的双变 径杆4，双变径杆4的顶端连接行走部件。

每个连杆机构均有三个长度相同的连杆构成，其中一个为单变径杆7，另外 两个为双变径杆4；单变径杆7与其中一个双变径杆4铰接，此双变径杆4与另 外一个双变径杆4通过双变径杆4连接，单变径杆7为主动变径杆，双变径杆4 为被动变径杆，通过主动变径杆带动被动变径杆做扩展收缩运动，可以实现大 范围的伸缩运动。

丝杠步进电机17直接驱动丝杠12，丝杠12带动丝杠滑块21沿着丝杠12 水平方向运动，进而使单变径杆7、双变径杆4做伸缩运动，具有稳定的大范围 变径能力，能够适应风电叶片内部空间的包括直径、曲率以及倾斜程度等方面 的约束。

丝杠步进电机17将丝杠12的旋转运动转化为丝杠滑块21的直线运动，丝 杠滑块21向连杆机构的最下端铰链处施加水平向内的推力，连杆机构的最下端 铰链处随丝杠滑块21做直线运动，其上端铰接点向内向上运动，最上端的铰链 处铰接点与支撑机构相连，将水平位移转化为竖直向上的位移，实现变径运动。

所述行走部件包括球型橡胶支撑轮1、行走步进电机联轴器2、行走步进电 机及固定件3，行走步进电机通过行走步进电机联轴器2与球型橡胶支撑轮1连 接，球型橡胶支撑轮1的设置可以机器人更能适应叶片变换的曲率。电机驱动 球型橡胶支撑轮1来实现机器人的运动，此外球型橡胶支撑轮1还能够增大前 后移动时的摩擦力，更加稳定。

所述控制部件包括中心处理器、控制器、驱动器、压力传感器和超声波传 感器，丝杠步进电机17、行走步进电机均与相应的驱动器连接，控制器通过驱 动器控制相应的电机工作，丝杠步进电机17可以实时的控制丝杠12转动，进 而带动连杆机构进行实时变径。压力传感器和超声波传感器均安装在固定件滑 块和丝杠滑块21之间，超声波传感器检测丝杠滑块21与固定件之间的距离， 压力传感器检测连杆机构是否能获得稳定的力。

行走部件将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动力。

所述行走部件进一步设置为：十六个运动部件安装在机器人最外侧的四角， 机器人行走更加稳定，十六个运动部件行走机构相互配合，互不干涉，当机器 人方向出现偏移或路线发生转向，通过调节各电机转速能够实现差速转向，结 构简单。为了实现差速转向功能，相较于单电机差速机构较复杂的机构特点， 行走机构采用多电机独立驱动式。所述球型橡胶支撑轮1与接触面提供更大的 接触力和摩擦力，此球型橡胶支撑轮1通过行走步进电机联轴器2连接在行走 步进电机上。

所述变径部件进一步设置为：变径部件的八个连杆机构相同，并且八个连 杆机构在空间呈均匀对称分布，呈同轴心的两个X样式分布，提供更好的稳定 性。丝杠步进电机17设置在丝杆支座上，通过联轴器带动丝杠滑块21行进。 同时配合丝杠滑块21上的连杆机构，实现变径。

本发明基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人采用轮式行走方 式，十六个运动部件沿着丝杠12水平方向等距安装在机器人四角，采用多电机 独立驱动式。当机器人方向出现偏移或路线发生转向，通过调节各电机转速能 够实现差速转向，结构简单。

整体变径部件采用同轴心的两个X样式分布设计。

在丝杠滑块21和固定滑块20上铰接连杆机构，能够进行大范围的伸缩运 动来适应风电叶片内径的变化。

行走部件的支撑轮采用球型橡胶支撑轮1，接触面大、摩擦力大。

本发明基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人运行中遇到的情况 分为三种情况：风电叶片半径增大、风电叶片半径减小以及中心线偏移。当机 器人从静止到能够平稳运行在风电叶片内腔时，控制器控制丝杠步进电机17转 动，直到压力传感器达到设定阈值内，受力平衡；当风电叶片半径增大时，壁 面压力减小，压力传感器小于设定的阈值，为了实现受力平衡，控制器控制驱 动器进而驱动丝杠步进电机17工作，推动丝杠滑块21向固定滑块20方向移动， 变径机构支撑长度增大，扩径动作完成；当风电叶片半径缩小时，壁面压力增 大，为了实现受力平衡，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机17工作，驱 动丝杠滑块21向远离固定滑块20的方向运动，变径机构支撑长度减小，缩径 动作完成；当风电叶片腹板中心线发生偏移时，左右两边的壁面压力不等，由 于叶片不对称所以变径程度不一样，两个变径机构的支撑长度不等，丝杠步进 电机17参与调节支撑长度，行走机构根据左右两边的壁面压力差，调整各个行 走步进电机的转速，实现差速转向，调整行走机构运行的位姿。

实施例2：

本实施例可变径风电叶片内窥检测机器人由搭载部件、变径部件、行走部 件、控制部件组成，搭载部件的外侧安装变径部件，变径部件的外侧安装行走 部件，控制部件控制机器人的整体运动及各部件执行相应动作；

所述行走部件由十六个结构相同的运动部件构成，每个运动部件由一个行 走步进电机控制，十六个运动部件沿着丝杠12水平方向等距安装在机器人四角；

所述变径部件由八个结构相同连杆机构组成，八个连杆机构在空间呈同轴 心的两个X样式分布；

所述行走部件包括球型橡胶支撑轮1、行走步进电机联轴器2、行走步进电 机及固定件3，行走步进电机通过行走步进电机联轴器2与球型橡胶支撑轮1连 接，球型橡胶支撑轮1的设置可以机器人更能适应叶片变换的曲率。行走步进 电机驱动球型橡胶支撑轮1来实现机器人的运动，此外球型橡胶支撑轮1还能 够增大前后移动时的摩擦力，更加稳定。

行走步进电机驱动球型橡胶支撑轮1来实现机器人的运动，此外球型橡胶 支撑轮1还能够增大前后移动时的摩擦力，更加稳定。十六组运动部件沿着丝 杠12水平方向等距安装在机器人四角，采用多电机独立驱动式。当机器人方向 出现偏移或路线发生转向，通过调节各电机转速能够实现差速转向，结构简单。

变径部件图3呈同轴心的两个X样式分布。由于风电叶片各个腔道可以近 似看作为不规则的半椭圆结构，所以整体变径机构采用同轴心的两个X样式结 构设计，八组连杆机构分别位于风电叶片检测机器人搭载部件的外侧，各自支 撑风电叶片内壁的一侧曲面。

搭载部件由四个结构相同的部件组成，每一部件均包括托盘19、丝杠步进 电机支座18、丝杆步进电机17、丝杠步进电机联轴器16、丝杠支座14、光杠 支座15、固定件13、丝杠滑块21、固定滑块20、丝杠12、光杠11、连接件10 组成，丝杠步进电机17通过联轴器16连接丝杠12，丝杠12的两端均安装有丝 杠支座14，丝杠支座14固定在固定件13上，固定件13上还固定有光杠支座 15，沿丝杠12长度方向平行设置有光杠11，光杠11两端连接光杠支座15，在 光杠11上安装一个丝杠滑块21和两个固定滑块20，丝杠滑块21穿过光杠11； 托盘19与固定件13连接，托盘19的上方固定连接丝杠步进电机支座18，丝杠 步进电机支座18上面固定连接丝杠步进电机17，丝杠步进电机17通过丝杠步 进电机联轴器16连接丝杠12。

控制部件包括中心处理器、控制器、驱动器、压力传感器和超声波传感器， 丝杠步进电机17、行走步进电机均与相应的驱动器连接，控制器通过驱动器控 制相应的电机工作，丝杠步进电机17可以实时的控制丝杠12转动，进而带动 连杆机构进行实时变径。压力传感器和超声波传感器均安装在固定件滑块和丝 杠滑块21之间，超声波传感器检测丝杠滑块21与固定件之间的距离，压力传 感器检测连杆机构是否能获得稳定的力。

下面结合具体仿真对本发明作进一步描述。

(一)机器人总质量为10.2kg，当其在水平管道中行走时，图8和图分别 为机器人行走速度和加速度的变化图像。

由图8所示，机器人设定履带机构稳定时的行走速度为0.5m/s，在缩径前 进的过程中，由图9所示，受风电叶片内壁直径变化的影响，变径支撑机构的 支撑力的变化导致履带行走机构对腹板表面的附着力产生变化，速度会发生小 的波动，但整体保持稳定。机器人在风电叶片内壁中稳定行走时可以认定为匀 速运动。

如图10和图11所示，仿真中，内壁对变径支撑机构的支撑力分别为70N 和65N，履带行走机构对腹板的压力为196N。

(二)风电叶片变桨和圆周运动情况下的仿真。

通过第三章的理论计算可以知道，内窥检测机器人在风电叶片内壁中行 走，为了保证机构的稳定性，不同位姿情况下，变径支撑机构和履带行走机构 所需的支撑力不同。风电叶片的运动分为两类：变桨运动和圆周运动。分别对 风电叶片的变桨运动和圆周运动进行仿真分析。

1)变桨运动。

为了充分分析变桨运动对变径支撑机构受力的影响，应用Adams动力学仿 真软件对变桨运动中机器人的受力进行了仿真。在仿真模型中，由于结构的对 称性，选取变桨运动过程中的三个特殊位姿：γ＝45°、γ＝90°、γ＝135°，即风电 叶片变桨运动转过三个角度，仿真变径支撑机构和履带机构对内壁和腹板的支 撑力变化。仿真时间为10s，给履带行走机构施加的速度为0.5m/s，给丝杠螺母 施加一个驱动，让机器人在内壁直径不断减小的风电叶片内壁中行走，通过软 件的后处理功能得到不同角度下变径支撑机构和履带行走机构分别对内壁和腹 板的支撑力。

当风电叶片做变桨运动转过45°角时，图12为变径支撑机构对内壁的支撑 力，图13为γ＝45°时履带行走机构对腹板的支撑力。

如图12-13所示，仿真中，内壁对变径支撑机构的支撑力分别为69N和 59N，履带行走机构对腹板的压力为165N。

当风电叶片做变桨运动转过90°角时，图14为变径支撑机构对内壁的支撑 力，图15为γ＝45°时履带行走机构对腹板的支撑力。

如图14-15所示，仿真中，内壁对变径支撑机构的支撑力分别为102N和 112N，履带行走机构对腹板的压力为155N。

当风电叶片做变桨运动转过135°角时，图16为变径支撑机构对内壁的支撑 力，图17为γ＝135°时履带行走机构对腹板的支撑力。

如图16-17所示，仿真中，内壁对变径支撑机构的支撑力分别为155N和 120N，履带行走机构对腹板的压力为144N。

通过图12-17可知，在履带行走机构对腹板的支撑力确定的情况下，随着 变桨运动，转过角度越大，对第一组变径支撑机构的受力就越大，当重力方向 与第一组变径支撑机构的支撑力方向一致时，即γ＝135°，第一组变径支撑机构 的支撑力达到最大。

2)圆周运动

对风电叶片检测过程中，风电叶片处于停机状态，由于圆周运动的影响， 不同叶片呈不同的角度，应用Adams动力学仿真软件对圆周运动中机器人的受 力进行了仿真。在仿真模型中，由于结构的对称性，选取变桨运动过程中的三 个特殊位姿：α＝45°、α＝90°，即风电叶片圆周运动转过的两个个角度，其中， α＝45°为具有代表性的坡度，α＝90°为圆周运动最困难情况，附着力需要完全克 服机器人自身重力。通过软件的后处理功能得到不同角度下变径支撑机构和履 带行走机构分别对内壁和腹板的支撑力。

当风电叶片做圆周运动转过45°角时，图18为变径支撑机构对内壁的支撑 力，图19为α＝45°时履带行走机构对腹板的支撑力。

如图18和图19所示，仿真中，内壁对变径支撑机构的支撑力为69N，履 带行走机构对腹板的压力为169N。橡胶履带与腹板的静摩擦系数为0.8-0.9，满 足平稳工作情况。

当风电叶片做变桨运动转过90°角时，图20为变径支撑机构对内壁的支撑 力，图21为α＝90°时履带行走机构对腹板的支撑力。

如图20-21所示，仿真中，内壁对变径支撑机构的支撑力分别为118N，履 带行走机构对腹板的压力为155N。橡胶履带与腹板的静摩擦系数为0.8-0.9，满 足平稳工作情况。

通过图18-21可知，在履带行走机构对腹板的支撑力确定的情况下，支撑 力与理论值一致，且满足平稳工作情况，当α＝90°时，对附着力的要求最高。 根据上述分析，内窥检测机器人在变桨运动和圆周运动中的支撑力仿真与理论 值相一致，其数值差异主要为摩擦影响和位置不同影响。仿真过程中前期的波 动较大，其原因主要是由于履带行走机构的初始加速度影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统，其特征在于，所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统包括：

行走模块：用于将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动力，带动整个机器人行进，同时用于贴合机器人与风电叶片；

变径模块：用于通过丝杠步进电机实时控制丝杠转动，带动连杆机构进行实时变径，适应风电叶片内径的变化；

搭载模块：用于搭载检测设备，控制变径范围；

控制模块：包括中心处理单元、控制单元、驱动单元、压力传感检测单元和超声波传感检测单元；用于控制整个机器人执行相应动作。

2.如权利要求1所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统，其特征在于，所述控制模块具体包括：

包括中心处理单元、控制单元、驱动单元、压力传感检测单元和超声波传感检测单元；

控制单元：用于通过控制器控制驱动器进而控制相应电机进行工作；

驱动单元：与各步进电机连接，用于通过驱动器驱动各个步进电机；

超声波传感检测单元：用于利用超声波传感器检测丝杠滑块与固定件之间的距离；

压力传感检测单元：用于利用压力传感器检测壁面压力值。

3.一种如权利要求1～2任意一项所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法，其特征在于，所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法具体包括：

步骤一，机器人从静止到能够平稳运行在风电叶片内腔时，控制器控制丝杠步进电机转动，直到压力传感器达到设定阈值内，受力平衡；

步骤二，利用压力传感器实时检测壁面压力值，并将检测到的压力值与阈值进行比较，基于检测到的压力值与阈值的大小关系，判断风电叶片半径的变化情况；

步骤三，控制器根据风电叶片内径的变化情况，控制丝杆步进电机控制丝杠实时转动，带动连杆机构进行实时变径，调节支撑长度，适应风电叶片内径的变化；

步骤四，利用超声波传感器检测丝杠滑块与固定件之间的距离，控制变径的范围；

步骤五，将行走步进电机输出的动力转化为机器人行走部件的动力，带动整个机器人行进。

4.如权利要求3所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法，其特征在于，步骤一中，所述基于检测到的压力值与阈值的大小关系，判断风电叶片半径的变化情况具体包括：

当风电叶片半径增大时，壁面压力减小，压力传感器小于设定的阈值；

当风电叶片半径缩小时，壁面压力增大，压力传感器大于设定的阈值；

当风电叶片腹板中心线发生偏移时，左右两边的壁面压力不等，两侧压力传感器检测大的压力值存在差别，即出现压力差。

5.如权利要求3所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法，其特征在于，步骤三中，所述控制器根据风电叶片内径的变化情况，控制丝杆步进电机控制丝杠实时转动，带动连杆机构进行实时变径具体包括：

当压力传感器小于设定的阈值，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机工作，推动丝杠滑块向固定滑块方向移动，变径机构支撑长度增大，实现扩径；

当压力传感器大于设定的阈值，控制器控制驱动器进而驱动丝杠步进电机工作，驱动丝杠滑块向远离固定滑块的方向运动，变径机构支撑长度减小，完成缩径；

当出现压力差时：丝杠步进电机调节支撑长度，同时行走机构调整各个行走步进电机的转速，进行差速转向，调整位姿。

6.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施权利要求3-5任意一项所述的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法。

7.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求3-5任意一项所述的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制方法。

8.一种搭载权利要求1～2任意一项所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人控制系统的基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人，其特征在于，所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人包括有内窥检测模块；所述内窥检测模块包括行走部件、变径部件、搭载部件和控制部件；

所述变径部件安装于所述搭载部件外侧，所述变径部件外侧安装有所述行走部件；所述行走部件、变径部件、搭载部件通过信号与控制部件连接。

9.如权利要求7所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人，其特征在于，所述搭载部件具体包括：

所述搭载部件包括托盘、丝杠步进电机支座、丝杆步进电机、丝杠步进电机联轴器、丝杠支座、光杠支座、固定件、丝杠滑块、固定滑块、丝杠、光杠、连接件；

所述托盘与固定件连接，所述托盘的上方固定连接有丝杠步进电机支座；

所述丝杠步进电机支座上固定连接有丝杠步进电机；

所述丝杠步进电机通过丝杠步进电机联轴器连接丝杠；

所述丝杠的两端均安装有丝杠支座，所述丝杠支座固定在固定件上；

所述固定件上固定有光杠支座，所述固定件上沿丝杠长度方向平行设置有光杠；

所述光杠两端连接所述光杠支座；所述光杠上安装有一个丝杠滑块以及两个固定滑块，所述丝杠滑块穿过光杠。

10.如权利要求8所述基于可变径柔性支撑的风电叶片内窥检测机器人，其特征在于，所述变径部件由两个结构相同的部件组成；每部件都是一个连杆结构；

所述连杆结构包括双变径杆、轴承、双变径杆连接杆、单变径杆、单耳固定件、双耳固定件；

所述双耳固定件的下端固定在丝杠滑块上，另一端连接单变径杆；

所述单耳固定件的下端固定在固定滑块上，另一端连接双变径杆；

两个所述双变径杆通过双变径杆连接杆连接，连接处安装有轴承，双变径杆与单变径杆的铰接处连接行走部件；

所述双变径杆若没有与单变径杆铰接，则所述双变径杆的顶端连接行走部件；

所述行走部件具体包括：

所述行走部件包括球型橡胶支撑轮、行走步进电机联轴器、行走步进电机及固定件，所述行走步进电机通过行走步进电机联轴器与球型橡胶支撑轮连接。

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