CN115257994B - 一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，包括机器人底盘、及设置在机器人底盘上的四足行走子系统、壁面实时检测子系统及控制子系统；所述四足行走子系统包括腿部组件及电磁吸附装置，用于实现机器人在金属表面的吸附、移动及越障；所述壁面实时检测子系统包括自适应曲面模块、壁面检测模块及摄像头模块，用于实现对壁面及周围环境的实时检测；所述控制子系统包括上位机及下位机，用于实现工作人员控制机器人在工作壁面上完成检测任务。本发明所设计的自适应曲面装置，能够根据不同曲率的工作壁面自动改变，保证检测探头始终与检测壁面垂直。解决了对不同曲面多点检测的困难，显著提高机器人检测的效率。
Description
技术领域
本发明涉及爬壁机器人领域，具体涉及一种用于储罐无损检测的四足爬壁机器人。
背景技术
爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,它把地面移动机器人技术与吸附技术有机结合起来,可在垂直壁面上附着爬行,并能携带工具完成一定的作业任务,大大扩展了机器人的应用范围。目前, 爬壁机器人主要应用于核工业、石化工业、造船业、消防部门及侦查活动等,如对高楼外壁面进行清洗,对石化企业中的储料罐外壁进行检测和维护,对水电厂锅炉压力容器的检测等，爬壁机器人的应用取得了良好的社会效益和经济效益。
金属储罐是工业中不可缺少的设备，随着工业的发展，广泛用于化工、炼钢、石油等多个行业，在实际使用过程中，由于震动、电化学腐蚀的作用，使得金属容器会出现防腐涂层减薄、破坏、脱落使壁面变薄，甚至出现管壁裂纹或，严重影响工业生产，甚至会有爆炸事故发生给人们带来生命健康的影响。因此需要对储罐进行定期检查维护，以确保储罐运营安全，但定期维护不仅影响了工业生产而且耗费了大量人力物力。随着科技发展，磁吸附式爬壁机器人得以运用，代替高空劳动者从事危险、繁重的现场作业，无需安装脚手架，可提高作业效率。但目前大多数爬壁机器人适用于平面金属壁面，对曲率不同的容器很难全覆盖。对容器焊接处进行裂纹检测时，需要机器人具备灵活的特性和越障能力，现有的爬壁机器人仅能对壁面进行单点检测，效率低。本发明提出一种能够适应不同曲率的储罐，具有良好的运动性能和越障能力，并且检测装置可以自适应曲面，进行多点检测的四足爬壁机器人。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种用于储罐无损检测的四足爬壁机器人；通过关节角度改变，能够适应曲率不同的曲面，牢牢的吸附于工作壁面；采用越障和抬腿分别控制，可以降低控制的复杂度。通过自适应曲面装置，将搭载高清摄像头和探伤装置对壁面进行多点检测，显著提高工作效率；具有运动灵活、越障能力强、效率高、适用范围广等优点。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，包括机器人底盘、及设置在机器人底盘上的四足行走子系统、壁面实时检测子系统及控制子系统；所述四足行走子系统包括腿部组件及电磁吸附装置，用于实现机器人在金属表面的吸附、移动及越障；所述壁面实时检测子系统包括自适应曲面模块、壁面检测模块及摄像头模块，用于实现对壁面及周围环境的实时检测；所述控制子系统包括上位机及下位机，用于实现工作人员控制机器人在工作壁面上完成检测任务。
进一步的，所述腿部组件分别安装在机器人底盘的两端前后位置，电磁吸附装置设置在腿部组件上，且所述的腿部组件包括跨关节及与跨关节相连的大腿机构。
进一步的，所述跨关节包括跨关节支座、跨关节驱动电机、跨关节及轴承，所述跨关节支座包括两个L型直角构件，所述的跨关节驱动电机分别安装在对应L型直角构件的外侧，所述的跨关节驱动电机的输出轴穿过所述的L型直角构件与所述的跨关节相连；所述的L型直角构件与跨关节驱动电机输出轴之间设置轴承，降低电机输出轴的工作载荷，保证所述跨关节电机的输出性能；所述跨关节与L型直角构件通过轴承相连，保证跨关节的灵活转。
进一步的，所述大腿机构包括大腿机构驱动电机、大腿机构驱动电机轴承座、五连杆机构及子母铆钉；所述的大腿机构驱动电机安装在跨关节上，所述大腿机构驱动电机轴承座安装在所述大腿机构驱动电机的顶部；所述的五连杆机构包括第一足臂、第二足臂、第三足臂及第四足臂，所述第一足臂与第二足臂为等长的连杆，第一足臂和第二足臂首端通过紧定螺钉与大腿机构驱动电机相连，第一足臂和第二足臂的末端通过子母铆钉与第三足臂和第四足臂的首端相连，第三足臂和第四足臂为等长的连杆，在且第三足臂和第四足臂的末端通过子母铆钉连接，且所述第四足臂末端固定设置短连杆，短连杆末端设置用于安装所述电磁吸附装置的法兰盘。
进一步的，所述的电磁吸附装置包括推拉式电磁铁及吸附式电磁铁，所述推拉式电磁铁的电磁圈顶端与五连杆机构输出端法兰盘相连，与大腿所处平面呈直角状态，在推拉式电磁铁作用下实现腿部末端的抬足和落足；所述的吸附式电磁铁通过螺纹紧固的方式与所述推拉式电磁铁的推拉杆相连，在电磁力的作用下，实现腿部末端与工作平面牢牢吸附。
进一步的，所述自适应曲面模块用于实现多个检测探头始终与工作面垂直；所述自适应曲面模块由检测系统安装座、贯穿式伺服电机、滚珠丝杠、柔性板、红外测距模块及连杆；所述检测系统安装座与机器人底盘相连；所述贯穿式伺服电机安装在检测系统安装座的电机安装孔处，所述的贯穿式伺服电机的输出端通过联轴器与所述的滚珠丝杠相连；所述的滚珠丝杠的丝杠螺母固定在所述柔性板的中心位置；所述柔性板能够在预定范围内发生柔性变形，并能恢复原状；所述的连杆一端通过铰接安装在检测系统安装座的连杆安装座上，另一端通过铰接安装在柔性板上；所述红外测距模块安装在柔性板的中间和两端；在所述的贯穿式伺服电机带动滚珠丝杠运动下，实现柔性板整体的曲率改变；同时红外测距模块向工作面发射红外波，由于红外波碰撞在工作面上会发生反射，当红外测距模块接收端收到反射的红外波时，即可实现柔性板与储罐工作面的曲率半径一致。
进一步的，所述的壁面检测模块共三对，依次安装在所述柔性板中间和两边的安装孔上；所述壁面检测模块包括涂层测厚探头、涡流探伤探头及照明探头，实现对储罐内外壁的多点位壁面厚度、壁面裂纹、涂层厚度的检测。
进一步的，所述的摄像头模块安装在所述的机器人底盘上，所述摄像头模块内设有微型驱动电机，通过控制摄像头的俯仰和旋转，实现对机器人周围环境的检测。
进一步的，所述的控制子系统采用嵌入式上下位机双核体系结构，所述的上位机用于显示下位机上传的检测数据和图像信息，通过操纵摇杆控制机器人运动以及控制检测装置对工作面完成检测任务；所述的下位机将壁面检测信息及通过无线通信方式实时上传到上位机，并按照上位机发出的控制指令输出控制信息，完成机器人在壁面上运动及检测任务。
采用上述技术方案，本发明的有益效果是:
1）本发明设计的五连杆大腿和跨关节组件结构可以形成自由夹角组合，能够在不同曲率的储罐内外壁工作，从而显著提高机器人的越障能力和应用范围；
2）机器人四足腿部结构能够满足俯仰角超90度的有效贴合，解决金属曲面、平面、斜面、立面的连续爬行问题，实现爬壁机器人储罐内外壁的连续检测，也可应用于管道机器人、军事机器人、服务机器人等，其应用前景广阔，具有良好的经济效益和社会效益；
3）本发明所设计的自适应曲面装置，能够根据不同曲率的工作壁面自动改变，保证检测探头始终与检测壁面垂直。解决了对不同曲面多点检测的困难，显著提高机器人检测的效率。
附图说明
图1为本发明系统功能架构图；
图2为本发明的轴测图；
图3为本发明腿部组件结构图；
图4为本发明检测装置机构示意图；
图5为本发明在储罐内壁的一种工作状态；
图6为本发明在储罐外壁的一种工作状态。
图中：1、机器人底盘；2、控制子系统；3、四足行走子系统；4、壁面实时检测子系统；5、摄像头；6、跨关节支座；7、L型直角构件；8、跨关节驱动电机；9、跨关节；10、大腿机构驱动电机轴承座；11、大腿机构驱动电机；12、第一足臂；13、第二足臂；14、子母铆钉；15、第三足臂；16、第四足臂；17、法兰盘；18、推拉式电磁铁；19、吸附式电磁铁；20、检测系统安装座；21、贯穿式伺服电机；22、滚珠丝杠；23、连杆安装座；24、连杆；25、柔性板；26、壁面检测模块；27、红外测距模块。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。
本发明所设计的一种用于储罐无损检测的四足爬壁机器人，为面向储罐内外壁复杂曲面进行无损检测的机器人，包括四足行走子系统、壁面实时检测子系统、嵌入式控制子系统，其系统框架如附图1所示。
在上述功能框架中，四足行走子系统包括腿部组件与电磁吸附装置，用于实现机器人在金属工作面上的全方向灵活移动、越障以及对各种曲面的完全吸附，来完成对平面、曲面等多种工况下金属工作面的无损检测。壁面实时检测子系统用于实现对储罐内外壁的多点位壁面厚度、壁面裂纹、涂层厚度的检测。嵌入式控制子系统为控制中心，分为上位机和下位机；下位机通过接收上位机的控制信息做出实时响应，并将检测数据处理后传输给上位机；所述的上位机用于接收下位机上传的实时检测数据和图像，并对数据及图像进行处理和保存，向下位机发出执行指令，实现工作人员控制机器人在工作壁面上完成检测任务。
如图2所示，本发明包括机器人底盘1，机器人底盘1为矩形框架结构，在机器人底盘1的四个角处分别设置一个相同的腿部组件，用于实现本发明在不同曲率半径的曲面、平面、立面上吸附、越障及行走。在机器人底盘1的前端安装有摄像头5，用于实施对工作壁面的视觉检测、人员远程遥控等任务。在机器人底盘1的前半部分还安装有壁面实时检测子系统4，用于实施对壁面的涂层厚度检测、裂纹检测、腐蚀检测等任务。在机器人底盘1后半部分安装有控制系统的下位机，用于实现爬壁机器人运动控制、数据传输。在陆地上有控制系统的上位机，用于对机器人实施远程操控和对壁面的实施检测。
本发明的机身和腿部组件在满足强度要求的前提下，均采用骨架式材料，以满足爬壁机器人的轻量化要求。
如图3所示，以本发明所涉及的四足行走子系统以其中左后方的腿部3为例：包括腿部组件和电磁吸附装置，所述的腿部组件由跨关节和大腿机构组成；
跨关节机构包括跨关节支座6、L型直角构件7、跨关节驱动电机8、跨关节9（U型件）、大腿机构驱动电机11和轴承组成；跨关节支座6为两个L型直角构件7，通过螺栓紧固的方式安装在机器人底盘1的四个对角；跨关节驱动电机8为GM6020型直流无刷电机，通过螺栓安装在L型直角结构件6的外侧，跨关节驱动电机8输出轴穿过L型直角结构件8与跨关节9相连，并且在L型直角构件7与跨关节驱动电机8输出轴之间安装轴承，降低电机输出轴的工作载荷，保证所述跨关节电机的输出性能；跨关节9另一端与L型直角构件7通过轴承相连，跨关节驱动电机8带动跨关节9沿机器人前进方向转动；机器人四足根据工作壁面的不同曲面，改变跨关节9的角度，使得腿部组件整体相对机器人前进方向旋转，实现腿部足端所处平面与工作壁面曲率相同。大腿机构驱动电机11为两个GM6020型直流无刷电机，两个大腿机构驱动电机11的底部通过螺栓依次安装在跨关节9上。
如图3所示，大腿机构为双自由度五连杆机构，由大腿机构驱动电机轴承座10、五连杆机构及子母铆钉14组成；大腿机构驱动电机轴承座10为不锈钢法兰盘，通过螺栓安装在所述的两个大腿机构驱动电机11的顶部；
具体的，五连杆机构由第一足臂12、第二足臂13、第三足臂15、第四足臂16组成，五连杆机构的两个源动杆件第一足臂12、第二足臂13为等长的连杆，在第一足臂12和第二足臂13的首端为与大腿机构驱动电机11输出轴直径等长的电机输出轴安装孔和与关节轴承外直径等长的套筒，分别安装在大腿机构驱动电机11的输出轴上，套筒与大腿机构驱动电机轴承座10之间安装有轴承，降低电机输出轴的工作载荷；第一足臂12和第二足臂13的末端通过子母铆钉14和关节轴承与第三足臂15和第四足臂16的首端相连，第三足臂15和第四足臂16为等长的连杆，在末端通过子母铆钉14连接，在第四足臂16末端固定一个与第四足臂16成一定角度的短连杆，在短连杆末端设置用于安装所述电磁吸附装置的法兰盘17；通过三角定理计算五连杆机构输出端坐标与大腿机构驱动电机11输出轴转角的换算公式，控制大腿机构驱动电机11的输出转角实现五连杆机构输出端坐标的任意变化。进而实现爬壁机器人前进、后退、左移、右移的运动，完成对壁面的无死角检测。
如图3所示，所述的电磁吸附装置由推拉式电磁铁18和吸附式电磁铁19组成，推拉式电磁铁18的电磁圈顶端与五连杆输出端法兰盘17相连，与大腿所处平面呈直角状态，在推拉式电磁铁18作用下实现足点与工作面的分离；吸附式电磁铁19通过螺纹紧固的方式与推拉式电磁铁18的推拉杆相连。机器人在做平移运动时，通过控制推拉式电磁铁的吸合，完成抬足和落足动作。
本发明的爬行机构能够显著提高爬壁机器人的应用范围，爬壁机器人在越障时，采用跨关节抬腿，可提高机器人的越障高度；通过改变四个跨关节的转角，即可实现机器人对不同曲面的吸附，如储罐内外壁、管网等场合。
如图4所示，本发明所涉及的壁面实时检测子系统4包括自适应曲面模块、检测模块和摄像头模块；自适应曲面模块由检测系统安装座20、贯穿式伺服电机21、滚珠丝杠22、柔性板25、红外测距模块27、连杆24及连杆安装座23组成；检测系统安装座20用于固定壁面检测系统4，通过螺栓与机器人底盘1相连；贯穿式伺服电机21安装在检测系统安装座20的电机安装孔处，贯穿式伺服电机21的输出端与滚珠丝杠22相连；滚珠丝杠22通过轴承固定在柔性板25的中心位置；柔性板25满足线弹性假设，在一定范围内发生柔性变形，并能恢复原状；连杆24一端通过铰链安装在检测系统安装座20的连杆安装座23上，另一端通过铰链安装在柔性板25上，且柔性板25的两端位置均设有连杆24；红外测距模块27安装在柔性板25的中间和两端；在贯穿式伺服电机21带动滚珠丝杠运动下，实现柔性板整体的曲率改变；同时红外测距模块27向工作面发射红外波，由于红外波碰撞在工作面上会发生反射，当红外测距模块27接收端收到反射的红外波时，表明红外测距模块27所处平面与工作面相切，柔性板因满足均匀性假设，在滚珠丝杠22带动下，柔性板25上曲率变化是均匀的，即可实现柔性板25与储罐工作面的曲率半径一致；
本发明的爬壁机器人在连续爬行过程中四足腿的状态和自适应曲面的状态示意图如图5、6所示。
在上述实施实例中，壁面检测模块26共五对，依次安装在所述柔性板中间和两边的安装孔上，壁面检测模块26包括涂层测厚探头、涡流探伤探头和照明探头，实现对工作面涂层厚度的检测、裂纹检测、金属壁面厚度检测；
摄像头5安装在所述的机器人底盘1上，摄像头模块内设有微型驱动电机，通过控制摄像头的俯仰和旋转，实现对机器人前方工作环境和壁面情况通过无线传输方式实时传回地面的上位机；
在上述实施实例中，控制系统采用嵌入式上下位机双核体系结构，上位机用于显示下位机上传的检测数据和图像信息，通过操纵摇杆控制机器人运动以及控制检测装置对工作面完成检测任务。下位机将壁面检测信息及通过无线通信方式实时上传到上位机，并按照上位机发出的控制指令输出控制信息，完成机器人在壁面上运动及检测任务。
本发明的特点是任意转向、移动以及对不同工作曲面多探头检测的能力，对于凸曲面的一种实施方式，具体地：初始状态，爬壁机器人处于初始状态，即四条行走腿的跨关节处于水平状态，大腿驱动电机均处于60度，自适应装置的柔性板处于水平状态，当上位机发出前进以及凸曲面的指令，下位机接收到指令，首先自适应装置的伺服驱动电机为顺时针旋转状态（若工作面为凹面，则为逆时针旋转），同时柔性板上的红外测距模块向壁面发射红外波，直到红外接收模块收到反射回的红外波，伺服电机停止旋转，此时表明柔性板与工作壁面曲率一致。并记录伺服电机转过的圈数，传给下位机控制系统，通过换算公式，计算出跨关节电机应转过的角度，实现足点最大程度吸附壁面。
爬壁机器人的行走控制采用分相位的方式，一共分为摆动相和支撑相两个相位，并且运动时相位程对角分布。吸附式电磁铁通电，使得机器人牢牢吸附在壁面上。四足行走机构前进时，以左前腿为例：腿足（吸附式电磁铁）断电，然后推拉式电磁铁通电，使得腿足脱离壁面，之后控制大腿驱动电机旋转，使得大腿五杆机构运动，进而实现腿足向前移动，等到腿足到达指定位置时，推拉式电磁铁断电，在弹簧的作用下使得腿足（吸附式电磁铁）落在壁面，然后吸附式电磁铁通电，从而完成一次迈腿的动作。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，包括机器人底盘（1）、及设置在机器人底盘（1）上的四足行走子系统（3）、壁面实时检测子系统（4）及控制子系统（2）；所述四足行走子系统（3）包括腿部组件及电磁吸附装置，用于实现机器人在金属表面的吸附、移动及越障；所述壁面实时检测子系统（4）包括自适应曲面模块、壁面检测模块及摄像头模块，用于实现对壁面及周围环境的实时检测；所述控制子系统（2）包括上位机及下位机，用于实现工作人员控制机器人在工作壁面上完成检测任务；
所述腿部组件分别安装在机器人底盘（1）的两端前后位置，电磁吸附装置设置在腿部组件上，且所述的腿部组件包括跨关节及与跨关节相连的大腿机构；
所述跨关节包括跨关节支座（6）、跨关节驱动电机（8）、跨关节（9）及轴承，所述跨关节支座（6）包括两个L型直角构件（7），所述的跨关节驱动电机（8）分别安装在对应L型直角构件（7）的外侧，所述的跨关节驱动电机（8）的输出轴穿过所述的L型直角构件与所述的跨关节（9）相连；所述的L型直角构件（7）与跨关节驱动电机（8）输出轴之间设置轴承，降低电机输出轴的工作载荷，保证所述跨关节电机的输出性能；所述跨关节（9）与L型直角构件通过轴承相连，保证跨关节的灵活转；
所述自适应曲面模块用于实现多个检测探头始终与工作面垂直；所述自适应曲面模块由检测系统安装座（20）、贯穿式伺服电机（21）、滚珠丝杠（22）、柔性板（25）、红外测距模块（27）及连杆（24）；所述检测系统安装座（20）与机器人底盘（1）相连；所述贯穿式伺服电机（21）安装在检测系统安装座（20）的电机安装孔处，所述的贯穿式伺服电机（21）的输出端通过联轴器与所述的滚珠丝杠（22）相连；所述的滚珠丝杠（22）的丝杠螺母固定在所述柔性板（25）的中心位置；所述柔性板（25）能够在预定范围内发生柔性变形，并能恢复原状；所述的连杆（24）一端通过铰接安装在检测系统安装座（20）的连杆安装座（23）上，另一端通过铰接安装在柔性板（25）上；所述红外测距模块（27）安装在柔性板（25）的中间和两端；在所述的贯穿式伺服电机（21）带动滚珠丝杠运动下，实现柔性板（25）整体的曲率改变；同时红外测距模块向工作面发射红外波，由于红外波碰撞在工作面上会发生反射，当红外测距模块接收端收到反射的红外波时，即可实现柔性板与储罐工作面的曲率半径一致；并记录伺服电机转过的圈数，传给下位机控制系统，通过换算公式，计算出跨关节电机应转过的角度，实现足点最大程度吸附壁面。
2.根据权利要求1所述的一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，所述大腿机构包括大腿机构驱动电机（11）、大腿机构驱动电机轴承座（10）、五连杆机构及子母铆钉（14）；所述的大腿机构驱动电机（11）安装在跨关节（9）上，所述大腿机构驱动电机轴承座（10）安装在所述大腿机构驱动电机（11）的顶部；所述的五连杆机构包括第一足臂（12）、第二足臂（13）、第三足臂（15）及第四足臂（16），所述第一足臂（12）与第二足臂（13）为等长的连杆，第一足臂（12）和第二足臂（13）首端通过紧定螺钉与大腿机构驱动电机相连，第一足臂（12）和第二足臂（13）的末端通过子母铆钉（14）与第三足臂（15）和第四足臂（16）的首端相连，第三足臂（15）和第四足臂（16）为等长的连杆，在且第三足臂（15）和第四足臂（16）的末端通过子母铆钉（14）连接，且所述第四足臂（16）末端固定设置短连杆，短连杆末端设置用于安装所述电磁吸附装置的法兰盘（17）。
3.根据权利要求1所述的一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，所述的电磁吸附装置包括推拉式电磁铁（18）及吸附式电磁铁（19），所述推拉式电磁铁（18）的电磁圈顶端与五连杆机构输出端法兰盘（17）相连，与大腿所处平面呈直角状态，在推拉式电磁铁（18）作用下实现腿部末端的抬足和落足；所述的吸附式电磁铁（19）通过螺纹紧固的方式与所述推拉式电磁铁（18）的推拉杆相连，在电磁力的作用下，实现腿部末端与工作平面牢牢吸附。
4.根据权利要求1所述的一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，所述的壁面检测模块（26）共三对，依次安装在所述柔性板（25）中间和两边的安装孔上；所述壁面检测模块（26）包括涂层测厚探头、涡流探伤探头及照明探头，实现对储罐内外壁的多点位壁面厚度、壁面裂纹、涂层厚度的检测。
5.根据权利要求1所述的一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，所述的摄像头模块安装在所述的机器人底盘（1）上，所述摄像头模块内设有微型驱动电机，通过控制摄像头（5）的俯仰和旋转，实现对机器人周围环境的检测。
6.根据权利要求1所述的一种用于储罐内外壁无损检测的四足爬壁机器人，其特征在于，所述的控制子系统（2）采用嵌入式上下位机双核体系结构，所述的上位机用于显示下位机上传的检测数据和图像信息，通过操纵摇杆控制机器人运动以及控制检测装置对工作面完成检测任务；所述的下位机将壁面检测信息及通过无线通信方式实时上传到上位机，并按照上位机发出的控制指令输出控制信息，完成机器人在壁面上运动及检测任务。
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