CN206563730U - 履带式磁声复合检测机器人及检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种履带式磁声复合检测机器人及检测设备。其中，该检测机器人包括：控制单元，用于与外部设备进行通讯，并根据外部设备下发的指令控制检测机器人的机械部分，以及检测机器人的检测系统；至少一条履带，与控制单元连接，用于对被测区域进行检测；其中，每条履带由多个传感器履带单元连接而成，传感器履带单元包括：漏磁检测单元，和/或至少一个电磁超声单元。本实用新型解决了现有无损检测中的检测机器人采用多种技术分离使用以及普通C扫描检测造成检测效率低下、成本高的技术问题。

Description

履带式磁声复合检测机器人及检测设备

技术领域

本实用新型涉及工业无损检测技术领域，具体而言，涉及一种履带式磁声复合检测机器人及检测设备。

背景技术

目前，能源安全已成为全世界广泛关注的焦点，如何提高大型石油和石化设备以及油气输送管道的使用周期，降低停产损失，并保障其安全运行是各国科技工作者研究的热点。因而，对大型常压储罐(例如，国家原油战略储备库、千万吨炼油、百万吨乙烯工程等拥有的数量众多的储罐)进行无损检测，是本领域技术人员需要进行的一项十分重要的工程。

我国拥有大型常压储罐(容积大于等于5000立方米，直径大于等于12.5米的储油罐)8多万台，而原油战略储备库直径达100米以上，高度达几十米，在这些储罐壁面的检测中，主要关心的是其腐蚀导致壁厚的减薄，以及表面裂纹等缺陷进行检测。其储罐(一般为圆柱型储罐)的外壁除爬梯以外无任何可攀登附着处，对于储罐外壁缺陷的检测，传统的手段是采用人工检测的方式，使用吊索将检测人员悬吊至被检储罐外壁的壁面，这种检测方式需要检测人员进行高空作业，较危险，且效率低下。

为了保障检测人员的人身安全，使用爬壁机器人对大型储罐进行检测是一种很好的解决方法。目前已有研究人员对爬壁机器人进行了一些设计，关于爬壁机器人研究如下：

公开号为US466492的专利文献公开了一种真空壁履带，公开号为EP2653864A1 的专利文献公开了一种用于腐蚀监测的爬升机器人和用于电位测绘的传感器，公开号为US973068B2的专利文献公开了一种结构评估，维护和修理装置和方法，申请号为CN819010261的专利文献公开了一种一种爬壁机器人，申请号为CN81410645993的专利文献公开了一种磁吸附爬壁机器人。这些文献公开的机器人主要依靠磁吸附或负压吸附作用，且为通用机器人结构，还未考虑针对不同检测需求进行具体设计，且不具备检测能力，若将其用于检测，只能携带检测仪器或设备，这将增加整机的体积与重量，若同时实现多种技术检测，整机重量大大增加，这对机器人的负载能力提出了新的要求。

针对检测运用所设计的爬壁检测机器人，研究情况如下：公开号为US 85609 B2的专利文献公开了一种风力涡轮机检查系统和方法，其针对风机进行了检测小车的设计，但是，由于机器人采用绳索牵引，使用不便；文章“用于检查的负压粘附的爬升机器人的开发”中提出的机器人采用真空吸盘结构，因而只能运用于光滑表面，对不同曲率半径的壁面适应较困难；申请号为CN81906583的专利文献公开了一种复合磁吸附式视频检测爬壁机器人，由于其只针对壁面通过视频进行视觉检测，因而不具备测厚等功能；申请号为CN831053038的专利文献公开了一种用于磁粉探伤检测的爬壁机器人，其主要针对磁粉探伤设计优化，不能进行自动壁面测厚；申请号为 CN810101060800的专利文献公开了一种风机塔筒焊缝自动在线检测装置，只能够针对风机塔的焊缝进行了相控阵技术检测，未实现壁面的测厚及非焊缝区检测。

另外，文章“a compact wall-climbing and surface adaptation robot fornon-destructive testing”公开了一种用于磁铁阵列的机器人，可良好的吸附和爬行于铁磁性材料，在一定曲率范围内可自动调整适应曲面现状，其携带Sonatest Ltd.公司的利用橡胶进行耦合的压电超声传感器，可实现壁厚测量，但对于带不均匀较厚油漆层壁板检测效果不理想，对于大型储罐壁板，完成全部扫描检测将耗费大量时间。

London South Bank University的产品CROCELLS robot通过携带奥林巴斯压电相控阵设备完成爬壁检测，对于带油漆层壁板将无能为力，对于大型储罐壁板，完成全部扫描检测也将耗费大量时间。

由上可知，相关技术中还没有针对检测大型石油储罐的壁面而设计的爬壁机器人，而现有针对储罐检测方案中也只能实现单一功能的检测，例如，授权号为CN 10266795B的专利公开了一种电磁超声与漏磁复合的检测方法，其提供的检测方法只能实现超声体波测厚与漏磁检测功能，不能够实现超声导波缺陷检测功能；而授权号为CN 103353479 B的专利文献“一种电磁超声纵向导波与漏磁检测复合的检测方法”提供的检测方法只能实现被测区域内表面产生超声纵向导波检测和漏磁检测功能。对储罐常见的腐蚀壁厚减薄不能测量。

针对上述的现有无损检测中的检测机器人采用多种技术分离使用以及普通C扫描检测造成检测效率低下、成本高问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种履带式磁声复合检测机器人及检测设备，以至少解决现有无损检测中的检测机器人采用多种技术分离使用以及普通C扫描检测造成检测效率低下、成本高的技术问题。

根据本实用新型实施例的一方面，提供了一种履带式磁声复合检测机器人，包括：控制单元，用于与外部设备进行通讯，并根据外部设备下发的指令控制检测机器人的机械部分，以及检测机器人的检测系统；至少一条履带，与控制单元连接，用于对被测区域进行检测；其中，每条履带由多个传感器履带单元连接而成，传感器履带单元包括：漏磁检测单元，和/或至少一个电磁超声单元。

根据本实用新型实施例，还提供了一种检测设备，包括上述的履带式磁声复合检测机器人。

在本实用新型实施例中，采用机器人与检测系统整体设计思想，将传感器与运动部件(例如，爬壁机构)融为一体，减小了整机体积，且传感器与被检壁面为滚动磨擦式，避免了固定扫描式探头与壁面接触或碰撞产生磨损，避免了固定扫描式探头难跨越焊缝等缺点。另外，履带上的传感器构成阵列形式，可实现超声导波大面积成像、超声导波层析成像、超声波扫描测厚、漏磁扫描检测、表面波扫描检测，解决了现有检测中多种技术分离使用带来的检测效率低下、成本高的问题。在利用上述履带式磁声复合检测机器人对被测区域进行检测的过程中，采用初检、精检、精细检测的方式，逐步加深对缺陷的检测精度，最终获取缺陷的位置、大小、类型。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种履带式磁声复合检测机器人示意图；

图2(a)所示为根据本实用新型实施例的一种可选的履带式磁声复合检测机器人的主视图；

图2(b)所示为根据本实用新型实施例的一种可选的履带式磁声复合检测机器人的右视图；

图3是根据本实用新型实施例的一种曲面壁板自适应示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种可选的单极式传感器履带单元结构示意图；

图5是根据本实用新型实施例的一种可选的螺旋型线圈结构的线圈示意图；

图6是根据本实用新型实施例的一种可选的双极式传感器履带单元结构示意图；

图7是根据本实用新型实施例的一种可选的导通式传感器履带单元结构示意图；

图8是根据本实用新型实施例的一种可选的履带式磁声复合检测机器人的控制系统示意图；

图9是根据本实用新型实施例的一种可选的三维履带式磁声复合检测机器人示意图；以及

图10是根据本实用新型实施例的一种可选的传感器履带单元拆解示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

根据本实用新型实施例，提供了一种履带式磁声复合检测机器人实施例，图1是根据本实用新型实施例的一种履带式磁声复合检测机器人示意图，如图1所示，该履带式磁声复合检测机器人包括：控制单元3和至少一条履带5。

其中，控制单元3，用于与外部设备进行通讯，并根据外部设备下发的指令控制检测机器人的机械部分，以及检测机器人的检测系统；

至少一条履带5，与控制单元连接，用于对被测区域进行检测，检测至少包括如下任意一种：电磁超声导波扫描成像、电磁超声导波层析成像、电磁超声波检测，电磁超声导波检测、表面波检测和漏磁检测；

其中，每条履带由多个传感器履带单元2连接而成，传感器履带单元2包括：漏磁检测单元，和/或至少一个电磁超声单元。

作为一种优选的实施方式，采用初检、细检和精细检测的方式，履带式磁声复合检测机器人首先对被测区域进行大面积快速成像(电磁超声导波扫描成像)粗检，在初步检测得到被测区域上存在缺陷的一个或多个区域后，移动至该区域，对该区域进行小面积层析成像(电磁超声导波层析成像)细检，通过进一步细检缩小缺陷所在的区域后，通过电磁超声波检测，电磁超声导波检测、表面波检测和漏磁检测进一步确定缺陷的大小、位置和类型。

可选地，上述漏磁检测单元可以为磁敏元件。

一种可选的实施例中，图2(a)所示为根据本实用新型实施例的一种可选的履带式磁声复合检测机器人的主视图；如图2(a)所示，该履带5可以包括主动轮1、从动轮4、多个传感器履带单元2、控制单元3、接线单元座7、动态接线单元8。图2 (b)所示为根据本实用新型实施例的一种可选的履带式磁声复合检测机器人的右视图，如图2(b)所示，本申请实施例提供的履带式磁声复合检测机器人可以包括n(n≥1) 条履带(履带5-1、履带5-2、…履带5-n)，履带与履带之间通过转动连接单元6连接，每条履带由多个传感器履带单元2连接而成。

需要说明的是，传感器履带单元2作为履带的一部分，是完成检测的重要组成部分，传感器履带单元2的内部结构主要组成由电磁超声单元和漏磁检测单元，此传感器履带单元2通过电磁超声单元可产生超声波用于测厚、激发超声导波检测表面缺陷；通过漏磁检测单元(例如，磁敏元件)接收漏磁的漏磁信号可判断表面缺陷或裂纹是上表面缺陷还是下表面缺陷。

此处还需要说明的是，单个履带单元自身既是一套独立的系统，为了适应曲面以及转向的控制，可对多个履带间进行并联，图3是根据本实用新型实施例的一种曲面壁板自适应示意图；如图3所示，该履带式磁声复合检测机器人包含n条履带(履带 1、履带2、履带3......履带n)，履带的转向通过不同履带间的差动转动控制。多条履带间通过履带连接单元6连接，由于履带自身具有磁性，履带连接单元自身可绕点O 转动，使整个机器人可适应不同曲率表面，在良好吸附于壁面的同时，也正好使传感器达到与被检表面14(曲面壁面)的良好接触，达到良好检测状态，因此，多个履带并联后组成的爬壁机器人在自适应曲面的同时大大调高了检测效率。

由上可知，在本申请上述实施例中，采用机器人与检测系统整体设计思想，将传感器与运动部件(例如，爬壁机构)融为一体，减小了整机体积，且传感器与被检壁面为滚动磨擦式，避免了固定扫描式探头与壁面接触或碰撞产生磨损，避免了固定扫描式探头难跨越焊缝等缺点。另外，履带上的传感器构成阵列形式，可实现超声导波大面积成像、超声导波层析成像、超声波扫描测厚、漏磁扫描检测、表面波扫描检测，解决了现有无损检测中的检测机器人采用多种技术分离使用以及普通C扫描检测造成检测效率低下、成本高的问题。在利用上述履带式磁声复合检测机器人对被测区域进行检测的过程中，采用初检、精检、精细检测的方式，逐步加深对缺陷的检测精度，最终获取缺陷的位置、大小、类型。基于本实施例提供的履带式磁声复合检测机器人，在检测速度快的同时也达到了检测高的精度。在工程实际运用中将是一种十分优越的检测方法。

可选地，上述传感器履带单元2的结构可以为如下任意一种结构：单极式、双极式和导通式。

其中，在传感器履带单元的结构为单极式结构的情况下，传感器履带单元包括：第一电磁超声单元，和/或磁敏元件。

在传感器履带单元的结构为双极式结构的情况下，传感器履带单元包括：第一电磁超声单元、第二电磁超声单元和磁敏元件，其中，第一电磁超声单元和第二电磁超声单元对称位于磁敏元件的两侧。

一种可选的实施方式中，第一电磁超声单元由第一磁铁和第一电磁超声线圈组成，第二电磁超声单元由第二磁铁和第二电磁超声线圈组成。

在传感器履带单元的结构为导通式结构的情况下，传感器履带单元包括：U型磁铁、第一电磁超声线圈、第二电磁超声线圈和磁敏元件，其中，第一电磁超声线圈位于U型磁铁的N极下方，第二电磁超声线圈位于U型磁铁的S极下方。

可选地，第一电磁超声线圈和第二电磁超声线圈的形状为如下任意一种：螺旋形、回折形和跑道形。

作为一种可选的实施例，图4所示为根据本实用新型实施例的一种可选的单极式传感器履带单元结构示意图，如图4所示，单极式传感器履带单元主要包括外壳10、线圈9、磁铁11、磁敏元件1、动态接线柱12组成，其底部与被测部件14接触。在单极传感器履带单元中，线圈9和磁铁11组成电磁超声单元，放置于磁敏元件1一侧的位置，其可在外部激励时激发产生和获取超声信号以测量被测部件厚度，磁敏元件 1用于接收漏磁信号，判断被测部件表面裂纹，线圈9和磁敏元件1的接线连接到动态连接柱12上，在链条转动时，动态连接柱12可与动态接触单元8接触从而使传感器履带单元接入控制单元3，以被激发和获取信号，磁敏元件1为可选部件，若无磁敏元件，则只完成超声的相关检测。

其中，线圈9可为多种形式的线圈，例如，螺旋形，回折形，跑道形等。线圈9 可与磁铁11配合产生和获取超声信号，如图5所示为螺旋型线圈结构的线圈示意图。

需要说明的是，在利用履带式磁声复合检测机器人对被测区域进行检测的过程中，只有机器人下部分履带与壁面接触，由于履带的运动，使与壁面接触的多个传感器履带单元不停的变换，因此，传感器履带单元通过动态接触单元8与控制单元3相连接，检测时下表面的多个传感器履带单元与动态接触单元接通完成检测。

作为一种可选的实施方式，图6所示为根据本实用新型实施例的一种可选的双极式传感器履带单元结构示意图，如图6所示，其在双极式传感器履带单元中，磁敏元件的两侧对称放置相同的线圈9和磁铁11，其特点是可以通过调整其中一个线圈的激励频率，产生超声导波信号，超声导波沿被检部件表面传播，可被对称放置相同的线圈接收到此导波信号，以检测被检部件传感器这一侧面的表面是否存在缺陷，由于导波只能完成缺陷的初检，而磁敏元件1接收的漏磁信号判定表面缺陷较准确，却不能判定缺陷是被检部件传感器这一侧面的缺陷还是对面侧面的缺陷，因此结合导波信号和漏磁信号可较准确的判定表面缺陷，和区分缺陷是被检部件传感器这一侧面还是对面侧面。同时，调整激励频率，两线圈与两磁铁组成的两电磁超声单元可独立的发生和接收超声体波信号以对壁厚进行测量。

作为一种可选的实施方式，图7所示为根据本实用新型实施例的一种可选的导通式传感器履带单元结构示意图，如图7所示，导通式传感器履带单元与双极式传感器履带单元的区别在于，将磁敏元件1两侧的两个磁铁9采用由U型磁铁10整体代替，其与双极式传感器履带单元功能相同，其特点是U型磁铁磁场强度比柱状的磁铁9更大，在被检部件磁性相对较弱情况下可采用此种结构传感器履带单元。

在一种可选的实施例中，图8是根据本实用新型实施例的一种可选的履带式磁声复合检测机器人的控制系统示意图，如图8所示，上述控制单元3可以包括：主控制器31、信号发生器32、功率放大器33、多通道切换开关34、超声波信号放大器35、漏磁信号放大器36、多通道数据采集器37和运动控制单元38。

其中，主控制器31，用于与外部设备通信，接收来自外部设备下发的检测指令；信号发生器32，用于产生用于激励信号，其中，激励信号用于激励传感器履带单元产生如下任意一种信号：超声波信号、超声导波信号、表面波信号；功率放大器33，与信号发生器连接，用于将来自信号发生器的激励信号放大；多通道切换开关34，与履带上的传感器履带单元连接，用于接收来自传感器履带单元的超声波信号，和/或漏磁信号；超声波信号放大器35，与多通道切换开关连接，用于将来自多通道切换开关的超声波信号放大；漏磁信号放大器36，与多通道切换开关连接，用于将来自多通道切换开关的漏磁信号放大；多通道数据采集器37，与超声波信号放大器和漏磁信号放大器连接，用于接收来自超声波信号放大器和漏磁信号放大器的信号；运动控制单元38，用于控制机器人的机械运动，包括：电机38a和位置传感器38b。

可选地，上述功率放大器33可以为宽频功率放大器。

需要说明的是，上述控制单元3可以完成对整个机器人爬壁机械部分的控制、检测系统的控制以及与外部设备30(例如，计算机)通讯，计算机30与通讯传输控制单元38间进行信息的交互，主要完成对爬壁机器人下达检测指令、检测参数的设置，以及回传检测结果。主控制器根据通讯传输单元接收的信息，完成爬壁机器人的控制，包括，控制多通道切换开关切换到指定的一个或多个传感器履带单元，控制信号发生器产生指定激励波形信号，宽频功率放大器对所产生的指定激励波形信号进行放大后，通过多通道切换开关，激励指定的一个或多个传感器履带单元，一个或多个传感器履带单元经由多通道切换开关后，超声波信号进入超声波信号放大器进行放大后经多通道数据采集器进行采集，漏磁信号进漏磁信号放大器进行放大后经多通道数据采集器进行采集，多通道数据采集器最终将数据传入主控制器进行处理，最近结果经由通讯传输单元传给计算机，对于爬壁机器人机械部分的控制，由主控制器控制运动控制单元，运动控制单元控制电机转动以及位置传感器等，完成爬壁机器人的运动。

在一种可选的实施例方式中，以包含两条履带的机器人为例，图9是根据本实用新型实施例的一种可选的三维履带式磁声复合检测机器人示意图，如图9所示，该履带式磁声复合检测机器人每条履带自带一主动轮，一从动轮，两条履带同速转动可使机器人前进或后退，两履带差速转动可实现机器人转向运动。每条履带包含9个动态接触单元，两条履带共包含18个动态接触单元，分别与18个传感器履带单元接触，在本实施案列中，动态接触单元设计为片状金属结构，其可上下移动，当机器人运动中即使遇到不平坦区域，可保证与传感器履带单元良好接触，保证机器人完成正常检测功能。

优选地，传感器履带单元设计采用U型磁轭形式传感器，图10是根据本实用新型实施例的一种可选的传感器履带单元拆解示意图，如图10所示，传感器履带单元2 外壳带双齿，使其可与主动轮和从动轮良好啮合，外壳10还包括条状动态接线柱，使机器人运动时可良好接通传感器电气线路，使机器人可实现运动功能，其包含一个U 型磁铁15、两线圈9，一个磁敏元件13(可以为霍尔元件)。这样在外加激励下其可测厚，导波和漏磁检测。

根据本实用新型实施例，还提供了一种检测设备，包括上述任意一项可选的或优选的的履带式磁声复合检测机器人。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种履带式磁声复合检测机器人，其特征在于，包括：

控制单元，用于与外部设备进行通讯，并根据所述外部设备下发的指令控制检测机器人的机械部分，以及所述检测机器人的检测系统；

至少一条履带，与所述控制单元连接，用于对被测区域进行检测，所述检测至少包括如下任意一种：电磁超声导波扫描成像、电磁超声导波层析成像、电磁超声波检测、电磁超声导波检测、表面波检测和漏磁检测；

其中，每条履带由多个传感器履带单元连接而成，所述传感器履带单元包括：漏磁检测单元，和/或至少一个电磁超声单元。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述漏磁检测单元为磁敏元件。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述传感器履带单元的结构为如下任意一种结构：单极式、双极式和导通式。

4.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，在所述传感器履带单元的结构为单极式结构的情况下，所述传感器履带单元包括：第一电磁超声单元，和/或磁敏元件。

5.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，在所述传感器履带单元的结构为双极式结构的情况下，所述传感器履带单元包括：第一电磁超声单元、第二电磁超声单元和磁敏元件，其中，所述第一电磁超声单元和第二电磁超声单元对称位于所述磁敏元件的两侧。

6.根据权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述第一电磁超声单元由第一磁铁和第一电磁超声线圈组成，所述第二电磁超声单元由第二磁铁和第二电磁超声线圈组成。

7.根据权利要求3所述的机器人，其特征在于，在所述传感器履带单元的结构为导通式结构的情况下，所述传感器履带单元包括：U型磁铁、第一电磁超声线圈、第二电磁超声线圈和磁敏元件，其中，所述第一电磁超声线圈位于所述U型磁铁的N极下方，所述第二电磁超声线圈位于所述U型磁铁的S极下方。

8.根据权利要求6或7所述的机器人，其特征在于，所述第一电磁超声线圈和所述第二电磁超声线圈的形状为如下任意一种：螺旋形、回折形和跑道形。

9.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述控制单元包括：

主控制器，用于与所述外部设备通信，接收来自所述外部设备下发的检测指令；

信号发生器，用于产生激励信号，其中，所述激励信号用于激励所述传感器履带单元产生如下任意一种信号：超声波信号、超声导波信号、表面波信号；

功率放大器，与所述信号发生器连接，用于将来自所述信号发生器的激励信号放大；

多通道切换开关，与所述履带上的传感器履带单元连接，用于接收来自所述传感器履带单元的超声波信号，和/或漏磁信号；

超声波信号放大器，与所述多通道切换开关连接，用于将来自所述多通道切换开关的超声波信号放大；

漏磁信号放大器，与所述多通道切换开关连接，用于将来自所述多通道切换开关的漏磁信号放大；

多通道数据采集器，与所述超声波信号放大器和所述漏磁信号放大器连接，用于接收来自所述超声波信号放大器和所述漏磁信号放大器的信号；

运动控制单元，用于控制所述机器人的机械运动，包括：电机和位置传感器。

10.一种检测设备，包括权利要求1至9中任意一项所述的履带式磁声复合检测机器人。