CN112478011A - 一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备磁粉探伤功能爬壁机器人，结构包括底板，设在底板的驱动组件和磁粉探伤组件，机器人通过驱动组件获得壁面吸附与车体运动功能，通过磁粉探伤组件完成对壁面的缺陷检测功能。本发明提出一种更为简便的磁化装置，使机器人整体结构较为简单，控制方便，具备较强的应用性。

Description

一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种爬壁机器人。
背景技术
随着石化工业的飞速发展，大型压力容器已得到越来越广泛的应用。根据规范，在役容器需要定期测试以确保其安全运行。目前，对使用中的容器进行定期检查需要关闭设备，在储罐内部和外部建造脚手架，以及手动操作无损探伤设备。由于工作条件和环境限制，检查员工作量大，检测效率低且风险高。因此，开发一种满足现场条件而不是人工检测的自动检测系统具有重要的现实意义。
申请号为201510173038.3的中国专利“一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人”，该机器人包括行动装置、喷磁装置、磁化装置和打标装置，通过对四组E型探头的升降控制及交流电移相技术完成变磁场的磁化功能，磁场强度稳定，但整体结构比较复杂，磁化装置体积较大，导致机器人整体框架不具备轻便的特性，现场应用会有比较多的困难。申请号为201910422310.5的中国专利“一种汽轮机叶片磁粉探伤微型检测机器人”，该机器人通过磁吸附的方式完成汽轮机叶片的运动，通过驱动磁轭上下移动完成检测壁面磁化和退磁的功能，但不具备磁场方向改变的功能，会遗漏与部分磁化方向垂直的缺陷，检测结果会存在一定风险。目前爬壁机器人磁粉检测技术大多通过磁化装置升降及交流电移技术完成变磁场的功能，本发明将磁吸附结构与磁化装置结合，使磁化装置整体结构较为简单，控制方便，具备较强的应用性。
发明内容
一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：包括底板、设在底板的驱动组件和磁粉探伤组件。机器人通过驱动组件获得壁面吸附与车体运动功能，通过磁粉探伤组件完成对壁面的缺陷检测功能。
磁粉探伤组件同时具备提供吸附力和控制机器人转向姿态的功能，包括变磁场产生结构，位姿检测结构，喷磁结构和图像收集结构。
作为优选，变磁场产生结构包括转向电机、与转向电机固定连接的电机连接架、与转向电机固定连接的胶轮,与电机连接架固定连接的转动底板，与转动底板连接的探伤磁体，所述变磁场产生结构内机构成对称分布，左右设有相同的零部件通过销轴连接，并且可以相对销轴转动，用于适应检测壁面的弧度。
作为优选，位姿检测机构包括与底板连接的固定架，与固定架连接的角度编码器，与编码器固定连接的第一齿轮，与第一齿轮啮合的第二齿轮，与第二齿轮同轴设置的转动轴，与第二齿轮同轴设置的转动轴承座，与转动轴承座固定连接的支撑板，与支撑板固定连接的左销钉座和右销钉座，左气弹簧和右气弹簧分别与左销钉座和右销钉座连接，同时左气弹簧和右气弹簧和变磁场产生结构中对称分布的两个电机连接架连接，所以当变磁场产生结构中对称分布的两个转向电机在差速控制转向时，变磁场产生结构会带动第二齿轮转动，通过与第一齿轮的啮合传动，与第一齿轮固定连接的角度编码器可以获得变磁场产生结构的转向角度，从而控制机器人的位姿，根据机器人的位姿状态给电机不同的输出速度，达到精确的轨迹规划功能，同时当变磁场结构在转动时，两侧的探伤磁体形成的磁场方向也在发生变化，使得各个检测方向的缺陷都可以被磁粉探伤显现出来。
作为优选，磁粉探伤组件还包括喷磁结构和图像收集结构，喷磁结构通过液压管路将容器内的磁悬液通过雾化喷头喷到指定检测部分，再通过变磁场产生结构将检测壁面磁化后，磁粉会在强磁场中成一定的分布状态，壁面中的缺陷也会显现在磁粉分布中，再通过图像收集结构将磁粉在检测部分的分布状态图像发送的上位机中，结合图像处理技术完成对目标部分的缺陷检测。
作为优选，驱动结构包括驱动连接结构，与驱动连接结构固定连接的磁吸附结构和传动结构。磁吸附结构提供机器人能稳定吸附在壁面的主要吸附力，传动机构提供给磁吸附机构动力，使机器人能够完成运动功能。
作为优选，磁吸附机构包括环形强磁体，与环形强磁体同轴设置的左、右磁轭，环形强磁体采用磁能积大的导磁材料，如钕铁硼等，左、右磁轭采用导磁率较高的导磁材料，如电工纯铁，低碳钢等，左右磁轭上还设有滚花加工，用于增大与工作壁面之间的摩擦力。
作为优选，传动结构包括驱动电机、与驱动电机固定连接的第一同步轮、与第一同步轮啮合的同步带，与同步带啮合的第二同步轮，与第二同步轮固定连接的驱动轴。驱动轴与磁吸附机构通过平键连接，完成电机到轮式磁吸附机构之间的传动。
作为优选，驱动连接结构包括加强连接件，与加强连接件固定连接的侧板，与侧板固定连接的驱动电机轴轴承座、驱动轴轴承座、中间连接板，与中间连接板固定连接的驱动轴支撑座，驱动轴轴承座与驱动轴支撑座完成对驱动轴的稳定支承，加强连接件用于提高底板与驱动连接结构的连接刚度。驱动连接结构采用左右对称结构，在另一侧设置相同零件，完成对两组传动结构和磁吸附结构的连接。
作为优选，通过驱动结构和磁粉探伤结构的优化设计，使机器人可以稳定的在导磁壁面完成吸附运动及缺陷检测功能。
作为优选，为方便缺陷记录，机器人还可以搭载打标机构对壁面缺陷位置做出记号，工人可更方便的找到缺陷位置。
本发明具有的有益效果是：
1、通过吸附模块和磁化装置的结合，使磁粉探伤机器人整体具备较简单的结构，可做到轻化要求，应用性强。
2、位姿检测机构的设置，可以同时对机器人转向及探伤检测位姿进行控制，达到机器人精确轨迹规划的目的。
3、通过对磁吸附模块的设计和探伤组件中的探伤磁体辅助吸附功能设计，机器人爬壁稳定性能十分优越。
4、图像收集结构实时传输探伤磁粉分布，并自动进行图像处理完成缺陷检测，相对于人工检测大大提高了检测效率和准确性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的磁粉探伤组件示意图。
图3为本发明变磁场产生结构结构的示意图。
图4为本发明位姿检测结构结构的示意图。
图5为本发明变磁场产生流程的示意图。
图6是本发明驱动组件的示意图。
图7是本发明磁吸附结构结构的示意图。
图8是本发明传动结构的示意图。
图9是本发明驱动连接结构的示意图。
图中：1、底板，2、磁粉探伤组件，3、驱动组件，21、变磁场产生结构，22、位姿检测结构，23、喷磁结构，24、图像收集结构，2101、转向电机，2102、电机连接架，2123、胶轮，2104、转动底板，2105、探伤磁体，2106、销轴，2201、固定架，2202、角度编码器，2203、第一齿轮，2204、转动轴，2205、第二齿轮，2206、转动轴承座，2207、右销钉轴，2208、右气弹簧，2209、支撑板，2210、左气弹簧，2211、左销钉座，31、磁吸附结构，32、传动结构，33、驱动连接结构，3101、左磁轭，3102、环形强磁体，3103、右磁轭，3201、驱动电机，3202、第一同步轮，3203、同步带，3204、第二同步轮，3205、驱动轴，3301、加强连接件，3302、电机轴轴承座，3303、中间连接板，3304、侧板，3305、驱动轴轴承座，3306、驱动轴支撑座
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，包括底板(1)、设在底板的驱动组件(3)和磁粉探伤组件(2)。机器人通过驱动组件获得壁面吸附与车体运动功能，通过磁粉探伤组件完成对壁面的缺陷检测功能。
如图2所示，磁粉探伤组件同时具备提供吸附力和控制机器人转向姿态的功能，包括变磁场产生结构(21)，位姿检测结构(22)，喷磁结构(23)和图像收集结构(24)。变磁场产生结构可以提供缺陷检测时需要的变化磁场，位姿检测结构可以检测机器人当前的位姿状态，实现高精度的轨迹规划，喷磁结构提供缺陷检测时需要的磁悬液喷洒，图像收集结构完成对壁面缺陷检测后的状态收集。
如图3所示，变磁场产生结构(21)包括转向电机(2101)、与转向电机固定连接的电机连接架(2102)、与转向电机固定连接的胶轮(2103),与电机连接架固定连接的转动底板(2104)，与转动底板连接的探伤磁体(2105)，所述变磁场产生结构内机构成对称分布，左右设有相同的零部件通过销轴连接，并且可以相对销轴(2106)转动，用于适应检测壁面的弧度。
如图4所示，位姿检测结构(22)包括与底板连接的固定架(2201)，与固定架连接的角度编码器(2202)，与编码器固定连接的第一齿轮(2203)，与第一齿轮啮合的第二齿轮(2205)，与第二齿轮同轴设置的转动轴(2204)，与第二齿轮同轴设置的转动轴承座(2206)，与转动轴承座固定连接的支撑板(2209)，与支撑板固定连接的左销钉座(2211)和右销钉座(2207)，左气弹簧(2210)和右气弹簧(2208)分别与左销钉座和右销钉座连接，同时左气弹簧和右气弹簧和变磁场产生结构中对称分布的两个电机连接架连接，所以当变磁场产生结构(21)中对称分布的两个转向电机(2101)在差速控制转向时，变磁场产生结构会带动第二齿轮转动，通过与第一齿轮的啮合传动，与第一齿轮固定连接的角度编码器可以获得变磁场产生结构的转向角度，从而控制机器人的位姿，根据机器人的位姿状态给电机不同的输出速度，达到精确的轨迹规划功能，同时当变磁场结构在转动时，两侧的探伤磁体形成的磁场方向也在发生变化，使得各个检测方向的缺陷都可以被磁粉探伤显现出来。
下面结合图5，对变化磁场的产生做进一步说明：
状态A:此时机器人检测磁场处于第一状态，两侧探伤磁体相对壁面的磁极分别为N、S,检测壁面与两侧探伤磁体之间就形成了磁路闭合，磁粉在该区域会随着磁场分布状态分布，平行于该磁场方向的缺陷会被显示出来，但垂直于该磁场方向的缺陷无法被检测，所以对两侧胶轮做差速控制做转向运动形成状态B.
状态B:两侧探伤磁体和检测壁面之间的磁场分布方向与状态A分布方向垂直，完成对所有方向上的缺陷检测，提供缺陷检测精确度。
磁粉探伤组件(2)还包括喷磁结构(23)和图像收集结构(24)，喷磁结构通过液压管路将容器内的磁悬液通过雾化喷头喷到指定检测部分，再通过变磁场产生结构将检测壁面磁化后，磁粉会在强磁场中成一定的分布状态，壁面中的缺陷也会显现在磁粉分布中，再通过图像收集结构将磁粉在检测部分的分布状态图像发送的上位机中，结合图像处理技术完成对目标部分的缺陷检测。
如图6所示，驱动结构(3)包括驱动连接结构(33)，与驱动连接结构固定连接的磁吸附结构(31)和传动结构(32)。磁吸附结构提供机器人能稳定吸附在壁面的主要吸附力，传动机构提供给磁吸附机构动力，使机器人能够完成运动功能。
如图7所示，磁吸附机构(31)包括环形强磁体(3102)，与环形强磁体同轴设置的左、右磁轭(3101,3103)，环形强磁体采用磁能积大的导磁材料，如钕铁硼等，左、右磁轭采用导磁率较高的导磁材料，如电工纯铁，低碳钢等，左右磁轭上还设有滚花加工，用于增大与工作壁面之间的摩擦力。
如图8所示，传动结构(32)包括驱动电机(3201)、与驱动电机固定连接的第一同步轮(3202)、与第一同步轮啮合的同步带(3203)，与同步带啮合的第二同步轮(3204)，与第二同步轮固定连接的驱动轴(3205)。驱动轴与磁吸附机构通过平键连接，完成电机到轮式磁吸附机构之间的传动。
如图9所示，驱动连接结构(33)包括加强连接件(3301)，与加强连接件固定连接的侧板(3304)，与侧板固定连接的驱动电机轴轴承座(3302)、驱动轴轴承座(3305)、中间连接板(3303)，与中间连接板固定连接的驱动轴支撑座(3306)，驱动轴轴承座与驱动轴支撑座完成对驱动轴的稳定支承，加强连接件用于提高底板与驱动连接结构(33)的连接刚度。驱动连接结构采用左右对称结构，在另一侧设置相同零件，完成对两组传动结构和磁吸附结构的连接。
通过驱动结构和磁粉探伤结构的优化设计，使机器人可以稳定的在导磁壁面完成吸附运动及缺陷检测功能。为方便缺陷记录，机器人还可以搭载打标机构对壁面缺陷位置做出记号，工人可更方便的找到缺陷位置。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：包括底板(1)、设在底板的驱动组件(3)和磁粉探伤组件(2)。机器人通过驱动组件获得壁面吸附与车体运动功能，通过磁粉探伤组件完成对壁面的缺陷检测功能。所述磁粉探伤组件同时具备提供吸附力和控制机器人转向姿态的功能，包括变磁场产生结构(21)，位姿检测结构(22)，喷磁结构(23)和图像收集结构(24)。
2.根据权利要求1所述的一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：变磁场产生结构(21)包括转向电机(2101)、与转向电机固定连接的电机连接架(2102)、与转向电机固定连接的胶轮(2103),与电机连接架固定连接的转动底板(2104)，与转动底板连接的探伤磁体(2105)，所述变磁场产生结构内机构成对称分布，左右设有相同的零部件通过销轴(2106)连接，并且可以相对销轴转动，用于适应检测壁面的弧度。两侧探伤磁体(2105)与检测壁面形成磁粉探伤的闭合磁回路。
3.根据权利要求1，2所述的一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：位姿检测机构(22)包括与底板连接的固定架(2201)，与固定架连接的角度编码器(2202)，与编码器固定连接的第一齿轮(2203)，与第一齿轮啮合的第二齿轮(2205)，与第二齿轮同轴设置的转动轴(2204)，与第二齿轮同轴设置的转动轴承座(2206)，与转动轴承座固定连接的支撑板(2209)，与支撑板固定连接的左销钉座(2211)和右销钉座(2207)，左气弹簧(2210)和右气弹簧(2208)分别与左销钉座和右销钉座连接，同时左气弹簧和右气弹簧和变磁场产生结构中对称分布的电机连接架连接，所以当变磁场产生结构(21)中对称分布的两个转向电机(2101)在差速控制转向时，变磁场产生结构会带动第二齿轮转动，通过与第一齿轮的啮合传动，与第一齿轮固定连接的角度编码器可以获得变磁场产生结构的转向角度，从而控制机器人的位姿。
4.根据权利要求1所述的一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：所述磁粉探伤组件(2)还包括喷磁结构(23)和图像收集结构(24)，喷磁结构通过液压管路将容器内的磁悬液喷到指定检测部分，再通过变磁场产生结构将检测壁面磁化后，通过图像收集结构将磁粉在检测部分的分布状态图像发送的上位机中，结合图像处理技术完成对目标部分的缺陷检测。
5.根据权利要求1所述的一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：驱动结构(3)包括驱动连接结构(33)，与驱动连接结构固定连接的磁吸附结构(31)和传动结构(32)。磁吸附结构提供机器人能稳定吸附在壁面的主要吸附力，传动机构提供给磁吸附机构动力，使机器人能够完成运动功能。
6.根据权利要求1，5所述的一种具备磁粉探伤功能的爬壁机器人，其特征在于：所述磁吸附机构(31)包括环形强磁体(3102)，与环形强磁体同轴设置的左、右磁轭(3101、3103)，所述左、右磁轭上还设有滚花加工，用于增大与工作壁面之间的摩擦力。
所述传动结构(32)包括驱动电机(3201)、与驱动电机固定连接的第一同步轮(3202)、与第一同步轮啮合的同步带(3203)，与同步带啮合的第二同步轮(3204)，与第二同步轮固定连接的驱动轴(3205)。驱动轴与磁吸附机构通过键连接传动。
所述驱动连接结构(33)包括加强连接件(3301)，与加强连接件固定连接的侧板(3304)，与侧板固定连接的驱动电机轴轴承座(3302)、驱动轴轴承座(3305)、中间连接板(3303)，与中间连接板固定连接的驱动轴支撑座(3306)，驱动轴轴承座与驱动轴支撑座完成对驱动轴的稳定支承，加强连接件用于提高底板(1)与驱动连接结构(33)的连接刚度。驱动连接结构采用左右对称结构，在另一侧设置相同零件，完成对两组传动结构(32)和磁吸附结构(31)的连接。
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