CN209919895U - 一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，包括移动模块、控制模块和检测模块，移动模块包括一个车架、两个车轮架、四组磁轮、一个第一电池及第一电池固定片；检测模块包括一个喷淋机构、直流电机、一个第三电池、一个导向板、螺母套、一个超声波传感器固定块、超声波传感器以及激光测距传感器；控制模块包括一个第二电池及第二电池固定片、模数转换单元、主控单元、GPS单元、惯性导航单元、电机驱动单元、固态继电器和无线通信单元。本实用新型成本不高，利用小车的优点，再通过其携带的检测模块对被测表面进行钢结构损伤检测工作，其具有检测方式灵活、体积小、机动性强、检测更为全面等特点。

Description

一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统。

背景技术

随着我国经济建设迅猛发展，各种复杂大型钢结构建筑不断出现。其中，钢结构被广泛应用于大型桥梁、大型空间结构、高层建筑、大型铁路交通枢纽、石油管道、核电站等。由于这些钢结构建筑对于结构健康要求较高，因此，加强钢结构健康检测，及时进行维修显得尤为重要。

超声波无损检测是在不损坏零件或原材料工作状态的前提下，使用超声波对不能被直观检验到的表面和内部质量进行检查的一种检测手段。超声波检测的原理是，如果金属中有气孔、裂纹、分层等缺陷(缺陷中有气体)，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射，反射回来的超声波被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的荧光屏上就会显示出不同高度和有一定间距的波形，可以根据波形的变化特征判断缺陷在零件中的深度、位置和形状。超声波检测的优点是检测厚度大、灵敏度高、速度块、成本低、对人体无害，并且能对缺陷进行定位和定量。

现有的超声波检测通常是由检测人员手工进行操作、记录和标记。通常零件被置于重型辊台上，由辊台的动力驱动零件旋转，检测人员手持检测标准规定的超声波传感器，在涂有耦合剂的零件上往复运动，进行检验标准规定的检测。这种检测方法劳动强度大，检测结果受操作人员的技术水平、疲劳程度、情绪波动等因素影响，检测结果是通过检验人员手工根据仪器指示的指标进行记录，手工对缺陷点进行标记，误差往往比较大。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提高超声波检测的可靠性，降低检测人员的劳动强度，特别地，本实用新型的目的是要实现零件超声波检测的自动化，对检测结果采用计算机自动记录，提高检测效率和检测的可靠性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，包括移动模块、控制模块和检测模块，所述移动模块包括一个车架、两个车轮架、四组磁轮、一个第一电池及第一电池固定片，每组磁轮包含一个直流减速电机、一个车轮、六片条形磁铁和一个编码器；所述检测模块包含一个喷淋机构、直流电机、一个第三电池、一个导向板、螺母套、超声波传感器固定块、一个超声波传感器以及激光测距传感器，所述喷淋机构包括一个耦合剂箱、耦合剂箱盖、两根水管、一个水泵和两个水泵固定架，所述控制模块包括一个第二电池及第二电池固定片、模数转换单元、主控单元、无线通信单元、GPS单元、电机驱动单元、固态继电器和惯性导航单元。

进一步，所述移动模块的车轮架固定在车架下面，第一电池固定片固定在车架上面，第一电池通过第一电池固定片固定在车架的上面，为四个直流减速电机供电，磁轮的直流减速电机通过螺钉安装固定在车轮架上，直流减速电机的驱动轴与磁轮固定连接，每个直流减速电机驱动一个磁轮；所述移动模块的四组磁轮中，每组磁轮由六片条形磁铁与车轮组成，六片条形磁铁安装在车轮圆周表面上，相邻磁盘表面磁性相反；直流减速电机控制线与电机驱动单元相连，主控单元发出控制信号，通过电机驱动单元控制直流减速电机与磁轮的旋转方向与转速，使得机器人实现前进、后退、转弯、停止动作；编码器在车轮与直流减速电机之间固定在车轮架上，用于测量磁轮的转速信息，并反馈给控制模块。

再进一步，所述控制模块通过四根立柱固定在车架上面，天线与无线通信单元相连，模数转换单元、GPS单元、惯性导航单元、电机驱动单元、固态继电器和无线通信单元均通过电路接口与所述主控单元连接，模数转换单元通过高速串行外设接口和主控单元相连接，主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制直流减速电机带动磁轮动作；GPS单元、惯性导航单元与无线通信单元通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元相连接，惯性导航单元控制检测机器人的行进姿态，GPS单元对检测机器人进行目标定位，主控单元通过无线通信单元与地面服务器传输无线信号；主控单元发出控制信号，通过电机驱动单元控制直流电机，通过固态继电器控制水泵工作；第二电池固定片固定在车架上面，一个第二电池位于控制模块下面，第二电池通过第二电池固定片固定在车架上面，为机器人的控制模块供电。

更进一步，所述检测模块的导向板通过螺栓固定在车架的下面，用于限制螺母套转动，水泵通过水泵固定架固定在车架的上面，直流电机固定在车架上面，电机轴穿过车架向下伸出，电机轴与螺母套通过螺纹连接，电机轴转动时，螺母套可以在导向板中上下移动，但由于螺母套的外形为方形，因此螺母套不能在导向板中转动。电机轴的末端安装有用于防止螺母套脱出的限位螺钉；超声波传感器通过超声波传感器固定块固定在螺母套上；激光测距传感器通过激光传感器固定板固定在车架上，用于采集超声波传感器与被测面的距离信息，第三电池为机器人的各传感器以及直流电机供电。检测机器人停靠到待检测钢结构表面时，控制模块启动检测程序，直流电机带动电机轴动作，螺母套向下运动，当下降至设定高度时，直流电机停止动作，此时，主控单元通过固态继电器控制水泵工作，通电时，水泵工作，将耦合剂箱内的耦合剂喷在被测面上；断电时，水泵停止工作；当检测机器人完成对一个待检区域的损伤检测工作后，水泵停止动作，直流电机反向旋转带动螺母套上升至初始位置；此时检测机器人启动四个直流减速电机带动磁轮动作，机器人离开已检测完的区域，并通过GPS单元对下一个待检测区域目标位置进行定位。

所述检测机器人还具有智能环境识别的能力。检测机器人通过GPS单元实现对检测目标的定位，通过编码器测量磁轮的转速信息，通过惯性导航单元检测机器人的姿态变化，并将位姿信息反馈给控制模块进行实时调整；检测机器人携带的激光测距传感器，通过激光测距传感器发射激光来判断超声波传感器与结构表面的相对距离，主控单元通过电机驱动单元发出控制信号，对直流电机的转向进行控制，使得超声波传感器与被测表面距离在量程范围之内。

本实用新型的技术构思为：利用无线传感网络技术以及轮式机器人体积小、机动性强的优势，旨在解决现有人工检测存在的劳动强度、检测误差大这一技术问题，可以有效节省施工时间，节约人工成本。而且钢结构超声波探伤机器人检测系统的成本不高，使得整个机器人检测系统总成本比传统静态检测系统的成本低很多。同时，由于大部分的钢结构建筑材料都具有较强的铁磁性能，而钢结构检测机器人可以在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面攀爬，并完成结构健康检测。

本实用新型提供了一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，该检测机器人在进行作业时，可以在攀爬铁磁性表面材料的建筑结构时通过磁轮吸附在被测表面上，并通过其携带的检测模块实现对钢结构建筑的损伤检测工作，具有良好的环境适应性，检测方式灵活，且成本低、携带方便，能够对钢结构实现全面检测。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1)成本低：由于钢结构超声波探伤机器人检测系统结构简单，整个检测机构总体成本相比传统的静态检测网络成本低很多。

2)体积小：该检测机器人体积小、重量轻，携带方便。

3)机动性强：该检测机器人适合在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面进行结构损伤检测作业。

4)检测效率高：整个检测过程是自动化进行，无须人工操作，大大降低了检测人员的劳动强度，该检测机器人所携带的检测模块，可以在机器人达到待检测区域时迅速完成下降-喷耦合剂-超声波传感器探伤-上升等一系列动作，快速完成损伤检测后，机器人可以立即前往下一检测点。

5)移动无线传输：钢结构超声波探伤机器人检测系统通过无线通信单元，可以与地面控制端进行数据传输，也可以与其他检测机器人进行数据的传输，实现机器人的智能协作。

6)环境适应性强：该检测机器人能够对周围环境进行智能识别，具有良好的环境适应能力。

7)可靠性高：自动化检测排除了操作人员技术水平、疲劳程度、情绪波动的影响，误差大大减少。

附图说明

图1是钢结构超声波探伤机器人检测系统的整体结构示意图。

图2是钢结构超声波探伤机器人检测系统的控制模块安装示意图。

图3是钢结构超声波探伤机器人检测系统的底部结构示意图。

图4是钢结构超声波探伤机器人检测系统的检测模块部分结构示意图。

图5是钢结构超声波探伤机器人检测系统的剖视图。

图6是钢结构超声波探伤机器人检测系统工作在钢结构表面检测的示意图。

图例说明：

1.直流减速电机；2.车轮；3.条形磁铁；4.车架；5.第一水泵固定架；6.水泵；7.直流电机；8.第二水泵固定架；9.耦合剂箱盖；10.耦合剂箱；11.第一电池固定片；12.第一电池；13.控制模块；14.第二电池；15.第二电池固定片；16.车轮架；17.立柱；18.模数转换单元；19.主控单元；20.天线；21.GPS单元；22.惯性导航单元；23.电机驱动单元；24.固态继电器；25.无线通信单元；26.编码器；27.导向板；28.激光测距传感器；29.激光传感器固定板；30.螺母套；31.超声波传感器固定块；32.超声波传感器；33.水管固定板；34.水管固定套；35.第一水管；36.第二水管；37.电机轴；38.限位螺钉；39.待测面；40.第三电池。

具体实施方式

下面结合说明书附图对结构作进一步描述。

参照图1，一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，包括移动模块、控制模块13和检测模块，移动模块包括一个车架4、两个车轮架16、四组磁轮、一个第一电池12及第一电池固定片11，每组磁轮包含一个直流减速电机1、一个车轮2、六片条形磁铁3、一个编码器26及相关螺钉；移动模块的车轮架16固定在车架4下面，第一电池固定片11固定在车架4上面，第一电池12通过第一电池固定片11固定在车架4的上面，为四个直流减速电机1供电。磁轮的直流减速电机1通过螺钉安装固定在车轮架16上，直流减速电机1的驱动轴与磁轮固定连接，每个直流减速电机1驱动一个磁轮，所述移动模块的四组磁轮中，每组磁轮由六片条形磁铁3与车轮2组成，六片条形磁铁3安装在车轮2圆周表面上，相邻磁盘表面磁性相反；直流减速电机控制线与电机驱动单元23相连，主控单元19发出控制信号，通过电机驱动单元23控制直流减速电机1与磁轮的旋转方向与转速，使得机器人实现前进、后退、转弯、停止等动作。编码器26在车轮3与直流减速电机1之间固定在车轮架16上，用于测量磁轮的转速信息，并反馈给控制模块13。

如图2所示的钢结构超声波探伤机器人检测系统的控制模块13包括一个第二电池14、模数转换单元18、主控单元19、GPS单元21、惯性导航单元22、电机驱动单元23、固态继电器24和无线通信单元25以及相关电路。控制模块13通过四根立柱17固定在车架4上面，天线20与无线通信单元25相连。模数转换单元18、GPS单元21、惯性导航单元22、电机驱动单元23、固态继电器24和无线通信单元25均通过电路接口与所述主控单元19连接。模数转换单元18通过高速串行外设接口和主控单元19相连接，主控单元19发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元23控制直流减速电机1带动磁轮动作。GPS单元21、惯性导航单元22与无线通信单元25通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元19相连接，惯性导航单元22控制检测机器人的行进姿态，GPS单元21对检测机器人进行目标定位，主控单元19通过无线通信单元25与地面服务器传输无线信号。主控单元19发出控制信号，通过电机驱动单元23控制直流电机7，通过固态继电器24控制水泵6工作。第二电池固定片15固定在车架4上面，一个第二电池14位于控制模块13下面，第二电池14通过第二电池固定片15固定在车架4上面，为机器人的控制模块13供电。

由图3、图4及图5可见，超声波损伤检测系统的检测模块包括一个喷淋机构、直流电机7、一个第三电池40、一个导向板27、螺母套30、一个超声波传感器固定块31、超声波传感器32以及激光测距传感器28，所述喷淋机构包括两个水泵固定架5、8，一个水泵6、一个耦合剂箱盖9、耦合剂箱10、两根水管35、36；导向板27通过螺栓固定在车架4的下面，用于限制螺母套30转动，水泵6通过水泵固定架5、8固定在车架4的上面，直流电机7固定在车架4上面，电机轴37穿过车架4向下伸出，电机轴37与螺母套30通过螺纹连接，电机轴37转动时，螺母套可以在导向板27中上下移动，但由于螺母套的外形为方形，因此螺母套不能在导向板27中转动。电机轴37的末端安装有限位螺钉38，防止螺母套30脱出；超声波传感器32通过超声波传感器固定块31固定在螺母套30上，激光测距传感器28通过激光传感器固定板29固定在车架4上，用于采集超声波传感器与被测面的距离信息。第三电池40为机器人的各传感器以及直流电机7供电；第一水管35连接水泵6的出水口，通过水管固定套34与水管固定板33连接，水管固定板33固定在超声波传感器固定块31上，保证了第一水管35能和超声波传感器32一起上下运动。

本实用新型所述的钢结构超声波探伤机器人检测系统的工作原理如图6所示，当检测机器人停靠到待检测钢结构表面38时，控制模块13启动检测程序，直流电机7带动电机轴37动作，螺母套30向下运动，当下降至设定高度时，直流电机7停止动作，此时，主控单元19通过固态继电器24控制水泵6工作，通电时，水泵6工作，将耦合剂箱10内的耦合剂喷在被测面上；断电时，水泵6停止工作。当检测机器人完成对一个待检区域的损伤检测工作后，水泵6停止动作，直流电机7反向旋转带动螺母套30上升至初始位置。此时检测机器人启动四个直流减速电机1带动磁轮动作，机器人离开已检测完的区域，并通过GPS单元21对下一个待检测区域目标位置进行定位。

检测机器人还具有智能环境识别的能力。检测机器人通过GPS单元21实现对检测目标的定位，通过编码器26测量磁轮的转速信息，通过惯性导航单元22检测机器人的姿态变化，并将位姿信息反馈给控制模块13进行实时调整。检测机器人携带的激光测距传感器28，可以通过激光测距传感器28发射激光来判断与结构表面的相对距离，主控单元19通过电机驱动单元23发出控制信号，对直流电机7的转向进行控制，使得超声波传感器与被测表面距离在量程范围之内。

Claims (5)

1.一种基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，其特征在于：所述基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统包括移动模块、控制模块和检测模块；所述移动模块包括一个车架、两个车轮架、四组磁轮、一个第一电池及第一电池固定片，每组磁轮包含一个直流减速电机、一个车轮、六片条形磁铁和一个编码器；所述检测模块包括一个喷淋机构、直流电机、一个第三电池、一个导向板、螺母套、一个超声波传感器固定块、超声波传感器以及激光测距传感器，所述喷淋机构包括两个水泵固定架、一个水泵、一个耦合剂箱盖、耦合剂箱和两根水管；所述控制模块包括一个第二电池及第二电池固定片、模数转换单元、主控单元、GPS单元、惯性导航单元、电机驱动单元、固态继电器和无线通信单元。

2.如权利要求1所述的基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，其特征在于：所述移动模块中，车轮架固定在车架下面，第一电池固定片固定在车架上面，第一电池通过第一电池固定片固定在车架的上面，为四个直流减速电机供电；磁轮的直流减速电机通过螺钉安装固定在车轮架上，直流减速电机的驱动轴与磁轮固定连接，每个直流减速电机驱动一个磁轮；所述移动模块的四组磁轮中，每组磁轮由六片条形磁铁与车轮组成，六片条形磁铁安装在车轮圆周表面上，相邻磁盘表面磁性相反，直流减速电机控制线与电机驱动单元相连，主控单元发出控制信号，通过电机驱动单元控制直流减速电机与磁轮的旋转方向与转速，使得机器人实现前进、后退、转弯和停止动作；编码器在车轮与直流减速电机之间固定在车轮架上，用于测量磁轮的转速信息，并反馈给控制模块。

3.如权利要求1或2所述的基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，其特征在于：所述控制模块通过四根立柱固定在车架上面，天线与无线通信单元相连，模数转换单元、GPS单元、惯性导航单元、电机驱动单元、固态继电器和无线通信单元均通过电路接口与所述主控单元连接，模数转换单元通过高速串行外设接口和主控单元相连接，主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制直流减速电机带动磁轮动作；GPS单元、惯性导航单元与无线通信单元通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元相连接，惯性导航单元控制检测机器人的行进姿态，GPS单元对检测机器人进行目标定位，主控单元通过无线通信单元与地面服务器传输无线信号；主控单元发出控制信号，通过电机驱动单元控制直流电机，通过固态继电器控制水泵工作；第二电池固定片固定在车架上面，一个第二电池位于控制模块下面，第二电池通过第二电池固定片固定在车架上面，为机器人的控制模块供电。

4.如权利要求1或2所述的基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，其特征在于：所述检测模块的导向板通过螺栓固定在车架的下面，用于限制螺母套转动，水泵通过水泵固定架固定在车架的上面，直流电机固定在车架上面，电机轴穿过车架向下伸出，电机轴与螺母套通过螺纹连接，电机轴转动时，螺母套可以在导向板中上下移动，但由于螺母套的外形为方形，因此螺母套不能在导向板中转动；电机轴的末端安装有用于防止螺母套脱出的限位螺钉；超声波传感器通过超声波传感器固定块固定在螺母套上，激光测距传感器通过激光传感器固定板固定在车架上，用于采集超声波传感器与被测面的距离信息，第三电池为机器人的各传感器以及直流电机供电。

5.如权利要求4所述的基于钢结构超声波探伤的机器人检测系统，其特征在于：检测机器人通过GPS单元实现对检测目标的定位，通过编码器测量磁轮的转速信息，通过惯性导航单元检测机器人的姿态变化，并将位姿信息反馈给控制模块进行实时调整；检测机器人携带的激光测距传感器，通过激光测距传感器发射激光来判断超声波传感器与结构表面的相对距离，主控单元通过电机驱动单元发出控制信号，对直流电机的转向进行控制，使得超声波传感器与被测表面距离在量程范围之内。

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