CN210757698U - 一种用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，属于金属容器容积计量技术领域，包括机器人本体，机器人本体包括底盘和外壳，底盘的两侧设有驱动车轮，机器人本体上设有：吸附单元，包括用于吸附金属罐壁的若干磁体，磁体通过连接器连接成网状并活动在底盘的底部；测量单元，包括设置在底盘并露出于外壳顶部的折叠标尺；除锈单元，包括设置在机器人本体前端的除锈铲斗以及驱动除锈铲斗抬起和放下的驱动器；和控制单元，包括微控制器、姿态检测器、障碍检测器、用于检测磁体吸附力的吸力检测器、用于测量外壳顶部到金属罐壁之间距离的距离传感器以及通讯装置。可以避免在金属罐表面留下压痕，避免机器人受到金属罐壁面锈迹影响的问题。

Description

一种用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人

技术领域

本实用新型涉及大型金属容器容积计量技术领域，具体地说，涉及一种用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人。

背景技术

立式金属罐是国内外石油化工产品贸易结算的主要计量器具之一，其容量的准确计量以及罐体检测具有重要意义。大型金属油罐通常由许多金属板焊接而成，因此内壁存在不同程度的凹凸，对于金属罐实际的容量大小影响甚大，根据国家计量检定标准JJG168-2018《立式金属罐容量》规定，大型立式金属罐的容量应进行首次检定、后续检定和使用中检定等多次检定。

在所有的检定项目中，圈板直径测量是一项重要的内容，也是计算金属罐容量的主要数据来源。按照国家计量检定标准JJG168-2018《立式金属罐容量》的规定，光学垂准线法是测量圈板直径的主要方法之一。其常规做法为：首先根据罐体的大小与变形情况确定水平测站数与垂直测站数，在水平测站的罐顶部安装滑轮，在水平测站的底部安装光学垂准仪，操作人员在罐底拉动绳索，该绳索通过滑轮并且另一端固定在一个携带标尺的磁性滑车上来进行测量。在测量过程中，人力拉动磁性滑车使其自下而上运动，并在每一个垂直测站(通常为金属油罐每圈板的1/4和3/4位置)停留，并利用罐底的光学垂准仪以及磁性滑车上的标尺对各垂直测站的径向偏差进行测量。按以上步骤逐一测量各水平测站上全部垂直测站的径向偏差直至全部完成。

该方法在实施中遇到的主要困难为：一方面，大型立式金属罐体积巨大，需要的测点非常多，人工操作费时费力，且有高空作业的风险；另一方面，由于人力很难控制磁性滑车保持静止，也会造成测量准确度的降低。

使用爬壁机器人来代替手动提拉上升的磁性小车是改善光学垂准线法的思路之一。已有一些爬壁机器人被发明并用于立式金属罐的检测、测量中，例如公告号为CN206177250U、CN201710323459.9的中国专利文献公开的一种金属罐径向偏差测量机器人，但在该发明中，存在一些固有问题，诸如：无法实时准确获得吸力情况，导致金属履带在罐表面留下压痕，标尺过高无法通过一些消防管线，以及机器人受到金属罐壁面锈迹影响等等。

实用新型内容

本实用新型的目的为提供一种用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，可以改善一般光学垂准线法中劳动强度大，危险性高，测量准确度不够稳定的问题，此外，可以准确对吸力进行调节，避免在金属罐表面留下压痕，可折叠的标尺可以通过一些消防管线，并且避免了机器人受到金属罐壁面锈迹影响的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人包括机器人本体，机器人本体包括底盘和外壳，底盘的两侧设有驱动车轮，机器人本体上设有：

吸附单元，包括用于吸附金属罐壁的若干磁体，磁体通过连接器连接成网状并活动在底盘的底部；

测量单元，包括设置在底盘并露出于外壳顶部的可折叠标尺；

除锈单元，包括设置在机器人本体前端的除锈铲斗以及驱动除锈铲斗抬起和放下的驱动器；

和控制单元，包括微控制器、姿态检测器、障碍检测器、用于检测磁体吸附力的吸力检测器、用于测量底盘到金属罐壁之间距离的距离传感器以及通讯装置。

上述技术方案中，将爬壁机器人放置在金属罐体的壁面上，利用磁体的磁性吸住壁面，同时通过驱动车轮带动机器人本体在金属罐体的壁面上移动。通过距离传感器测量金属罐体的壁面到标尺底端的距离，结合标尺的读数得到测定结果，从而对金属罐的容量进行检定。此外，考虑到立式金属罐在长期使用后，部分圈板的罐壁存在涂层腐蚀突出甚至脱落、裸露钢板锈蚀等现象，会对测量的准确度和测量效率产生不利影响，通过除锈单元的除锈铲斗清除锈蚀，提高测量准确度。

另外，控制单元具有以下功能：在吸力检测器检测到吸附单元所产生的吸力不符合设定值时，控制吸力趋近于设定值；在姿态检测器检测到爬壁机器人的姿态偏离设定值时，对驱动车轮进行控制使其恢复设定姿态；在障碍检测器检测到前面有障碍物时，对驱动车轮进行控制使爬壁机器人停止运动或改变方向，并通过通讯装置对操作者进行提示。

作为优选，连接器包括连接底盘的竖直连杆和连接磁体的拉杆或拉绳，拉杆可绕竖直连杆的底端转动。吸附单元采用间隙吸附的吸附方式，即磁体并不与金属壁面直接接触，而是具有一定的距离，这样做相比于一般的履带式接触式吸附装置的好处是：避免了履带式转弯不变并可能磨坏壁面的问题，避免了履带在表面留下压痕的问题，避免了履带上部分磁铁并不产生对金属壁面吸力实际上造成了不必要负重的问题，避免了在行进时电机需要额外的克服履带的磁体脱离金属壁面的力的问题。

作为优选，底盘上设有供竖直连杆传动的通孔，且在通孔上设有用于调整竖直连杆沿通孔上下滑动的调整块，调整块与底盘之间设有吸力检测器。吸附单元在应用于不同曲率的壁面时，通过控制单元对调整块进行调节，即上下移动竖直连杆，从而使磁体呈现不同的相对位置。

为了方便调节和控制，作为优选，调整块与竖直连杆之间通过螺纹连接。

为了控制爬壁机器人的姿态，作为优选，底盘设有用于驱动驱动车轮的电机，驱动车轮通过弹性联轴器与电机的输出端连接。

作为优选，距离传感器的端部设有使其另一端顶在金属罐的壁面上的弹簧。这样可保证距离传感器的端部始终顶在金属罐的避免上，方便对标尺进行调零。

作为优选，测量单元还包括设置在底盘的底座，底座与外壳之间滑动连接，标尺的下端固定在底座上。标尺上具有刻度，主要用于光学垂准线法中光学垂准仪对于油罐径向偏差的测量。标尺移动的意义为：在测量、标定的过程中，经常需要对标尺的位置进行精确调节，如果只是通过爬壁机器人整体前后移动来调节标尺的位置的话，精确度不高，因此采取标尺的大范围移动主要通过爬壁机器人的车轮进行移动，标尺的小范围精确移动主要通过测量装置的标尺移动功能来进行。此外，底座与底盘之间可以通过螺杆滑动连接，电机驱动螺杆转动从而使标尺底座在螺杆上前后移动。这样可以在无需操作爬壁机器人驱动车轮的情况下对标尺位置进行精确的微调，从而提高标尺位置精度，减少能耗。

作为优选，标尺包括固定在底座上的安装部和通过转轴与安装部连接的活动部；安装部顶部的一侧设有倒圆角，另一侧设有与活动部连接的复位件；底座的滑动路径上方设有使活动部绕转轴弯折的档杆。复位件可以是弹簧或弹力带，弹簧或弹力带的两端分别通过螺钉固定在活动部和安装部。弹簧或弹力带在活动部竖直时即具有一定的预紧力。安装部具有倒圆角的一侧使得活动部得以转动，无倒圆的一侧在活动部复位时起到限位作用。

具体操作过程中，标尺在移动到一定位置时，活动部与档杆发生碰撞，底座继续带动安装部向前运动，活动部受到阻力，活动部在转轴处发生相对旋转，从而实现标尺折叠功能。反向移动底座并带动安装部向后运动，活动部不再与档杆发生碰撞，在弹簧或弹力带的作用下，活动部复位，在倒圆角的作用下，标尺没有过分弯曲而能保持垂直状态。标尺的折叠和复位功能使得爬壁机器人可以顺利通过一些对高度低于标尺但高于外壳高度的地方，以及一些具有高度限制的地方，典型工作场景油罐中存在很多消防管道与加固肋板，在通过这些场所之后恢复竖直状态则又能进行测量读数。

作为优选，爬壁机器人还设有与控制单元通讯连接的遥控单元。遥控装置可以是单独的具有通讯功能的设备，也可以是安装在智能手机或其他平台上的软件。遥控单元可以读取爬壁机器人的状态，比如通讯模式、信号强度、供电方式、剩余电量、吸力数值、吸附模式等，并且可以对供电方式、通讯模式、吸附模式等进行切换。此外，可以控制爬壁机器人的前进、后退、左转、右转等运动；可以控制标尺的移动与折叠；可以在紧急情况下接收到报警信号，比如吸力不足、前方出现障碍物等等；可以启动应急功能，比如在大风时调整永磁吸附单元的位置到最低、自动返回油罐底部等。

作为优选，底盘的底部还设有可拆卸的电池仓。电池仓的下部低于底盘，使得爬壁机器人吸附在壁面上时重心比较靠近壁面，提高吸附性能。电池仓具有滑槽，可以通过前后滑动快速安装和取下从而方便电池的更换，滑槽可以限制电池仓的上下运动，电池仓在前部安装有触点或插槽，可以在安装到位后与安装在底盘上的触点或插槽形成电性连接。同时可以在底盘后部安装卡位杆，卡位杆的一端通过铰链固定在底盘上，另一端安装有卡扣或插槽可以与底盘固定，卡位杆在关闭时可以阻止电池仓的前后运动，打开时可以取出或装入电池仓。

作为优选，吸力检测器包含力传感器，力传感器安装在底盘上并与微控制器电连接，力传感器能够测量磁体对底座施加的压力，从而获得磁体与金属壁面之间的吸力。

姿态检测器包含姿态传感器，姿态传感器安装在底盘上并与微控制器电连接，姿态传感器能够测量爬壁机器人的姿态信息。

距离传感器为精密距离传感器，精密距离传感器安装在底盘上标尺底座附近并与微控制器电连接，精密距离传感器的底座与标尺底座在垂直方向的距离相对固定，从而精密距离传感器能为标尺的读数提供一个精准的基准。

障碍检测器包含非接触式距离传感器，非接触式距离传感器安装在底盘前方或后方并与微控制器电连接。障碍检测器能够在测量前方的障碍物与机器人的距离并向微控制器发送数据从而使机器人提前避让或停止运动。非接触式距离传感器为超声波距离传感器或光学距离传感器。

通讯装置包含蓝牙或无线电通讯装置。蓝牙或无线电装置能够与遥控装置进行通讯从而传递爬壁机器人的状态信息与控制命令。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人可以改善一般光学垂准线法中劳动强度大，危险性高，测量准确度不够稳定的问题，此外，与其他其他爬壁机器人相比，避免了可能存在的吸力不能实时测量和调节，在罐表面留下压痕，使用有缆供电在油罐内部测量时供电不便，标尺过高无法通过一些消防管线，机器人受到金属罐壁面锈迹影响的问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例中带外壳的爬壁机器人的俯视图；

图2为本实用新型实施例中带外壳的爬壁机器人的侧视图；

图3为本实用新型实施例中未带外壳的爬壁机器人的俯视图；

图4为本实用新型实施例中爬壁机器人的仰视图；

图5为图3的A-A剖视图；

图6为本实用新型实施例中爬壁机器人在油罐内侧进行工作时的示意图；

图7为本实用新型实施例中爬壁机器人在油罐外侧进行工作时的示意图；

图8为本实用新型实施例中标尺竖直状态的结构示意图；

图9为本实用新型实施例中标尺弯曲状态的结构示意图；

图10为本实用新型实施例中标尺移动时的结构示意图；

图11为本实用新型实施例中标尺移动时进入弯折状态的结构示意图；

图12为本实用新型实施例中车载显示屏与遥控单元的显示面板。

具体实施方式

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，都属于本实用新型保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

参见图1至图5，本实施例的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人包括机器人本体、吸附单元、除锈单元、控制单元、以及测量单元，此外还包括遥控单元。机器人本体包含底盘11、车轮驱动电机12、弹性联轴器17、外壳13、电池仓14、卡位杆15、车轮16。车轮驱动电机12与弹性联轴器17共有四组，分别安装在底盘11的下方的四个角落，每组分别安装一个车轮16。外壳13安装于底盘11上方，起到保护内部元件的作用，在需要时可以拆除，外壳13上安装有车载显示屏44，车载显示屏44的显示屏如图12所示，可以显示爬壁机器人的状态信息。电池仓14是可选配件，当工作条件限制，无法使用有缆供电时，可加装电池仓14为机器人供能，电池仓14通过本身的滑槽安装底盘11上，可以通过前后滑动快速安装和取下从而方便电池的更换，滑槽可以限制电池仓14的上下运动，在底盘11后部安装有卡位杆15，关闭时可以阻止电池仓14的前后运动，打开时可以取出或装入电池仓14。

底盘11上表面的中部安装有通讯装置41、微控制器42和姿态传感器43。参见图3和图4，底盘11共安装有9组吸力调节机构231～239，各个吸力调节装置与底盘11之间安装有吸力检测器46，吸力调节机构231～239安装在底盘11上方，分别通过一个连接器21，穿过底盘11上的孔位，与磁体22的一角相连，一个磁体22的四个角上分别通过一个连接器21与吸力检测器46。

底盘11上表面的中部安装有距离检测器54，在内部弹簧或其他原理的作用下，距离检测器54的下端始终与爬壁机器人所行驶的壁面紧密接触，从而可以获得底盘到壁面之间的精确距离。

参见图1至图7，在本实施例中，根据所使用的场景不同，例如在油罐的内壁或外壁，通过对底盘11上安装的多组吸力调节机构231～239对磁体22的位置进行分别调节，可以实现不同的永磁体配置模式，从而达到比较好的吸附效果。

图6是爬壁机器人在油罐内侧进行工作时的情况示意，爬壁机器人中轴线上的三组吸力调节机构232、235、238调节中轴线上的连接器21，使其出于低位，两侧的吸力调节机构置231、233、234、236、237、239调节两侧的连接器21使处出于高位，从而使得与连接器21相连的磁体22呈现中轴线低，两侧高的姿态，从而更好地与油罐壁面70的内侧贴合，达到四块磁体22与油罐壁面的总体间隙比较小，吸力比较大的效果，从而实现比较稳定的吸附效果。与此同时，弹性联轴器17具备一定的弯曲能力，在保持高效将驱动电机12的扭矩传递到车轮16的同时，略微弯曲使得车轮16略微倾斜并与油罐壁面内侧的弧度较好地贴合，从而提高爬壁机器人在油罐外侧工作时车轮16的抓地力。

图7是爬壁机器人在油罐外侧进行工作时的情况示意，爬壁机器人中轴线上的三组吸力调节机构232、235、238调节中轴线上的连接器21使其出于高位，两侧的吸力调节机构231、233、234、236、237、239调节两侧的吸附单元连接器21使其处于低位，从而使得与连接器21相连的磁体22呈现中轴线高，两侧低的姿态，从而更好地与油罐壁面的外侧贴合，达到四块磁体22与油罐壁面的总体间隙比较小，吸力比较大的效果，从而实现比较稳定的吸附效果。与此同时，弹性联轴器17在保持高效将驱动电机12的扭矩传递到车轮16的同时，略微弯曲使得车轮16略微倾斜并与油罐壁面外侧的弧度较好地贴合，从而提高爬壁机器人在油罐外侧工作时车轮16的抓地力。

本实施例中，连接器21包括连接底盘的竖直连杆和连接磁体22的拉杆或拉绳，拉杆可绕竖直连杆的底端转动。底盘上设有供竖直连杆传动的通孔，

吸力调节机构231～239包括设于通孔上且用于调整竖直连杆沿通孔上下滑动的调整块，调整块与底盘之间的吸力检测器46可以分别测量各个调整块的吸力。因此爬壁机器人在不规则的曲面上行进的时候，可以通过对吸力的检测结果，实时调节吸力调节机构231～239的位置，从而实现比较好的吸附效果。

在危险情况下，比如爬壁机器人的工作场所风力突然变大，超出了设计最大风力限制时，操作员可以进行遥控操作，通过吸力调节机构231～239调低磁体22的位置至最低处，甚至直接与油罐壁面直接接触，达到最大的吸力。

本实施例中，爬壁机器人的标尺53属于测量单元的一部分，并具有前后移动的功能与折叠的功能。参见图1、图3、图8～11，驱动电机51、驱动轴52、标尺53安装在底盘11上，标尺挡杆55安装在外壳13上。驱动轴52与底座535之间是滚珠丝杠传动副，驱动电机51转动带动驱动轴52转动，并使得底座535带动标尺及其他部分沿着驱动轴52前后移动。该功能的主要意义是，在测量、标定的过程中，经常需要对标尺的位置进行精确调节，如果只是通过爬壁机器人整体前后移动来调节标尺53的位置的话，精确度不高，因此采取了以下措施，标尺53的大范围移动主要通过爬壁机器人的车轮进行移动，标尺53的小范围精确移动主要通过测量装置的标尺移动功能来进行。

此外，标尺53具有折叠功能。图8是标尺直立状态示意图，图9是标尺弯曲状态示意图。标尺53包含活动部530、转轴531、安装部532、弹力带533和螺钉534，活动部530与安装部531通过转轴531进行铰接，安装部532安装在底座535上。活动部530与安装部532的侧面各安装有一个螺钉534，两个螺钉534之间安装弹力带533。安装部532的一侧有倒圆角，一侧没有倒圆角，因此标尺上部只能向一个方向弯曲，并在弹力带533的作用下，具有在不受其他侧向外力的情况下保持标尺53竖直的能力。

图9与图10展示了标尺折叠与复原的原理，标尺在一定范围内的移动，如果没有与标尺挡杆55发生碰撞时，并不会发生折叠。当向左移动到一定位置时，活动部530与安装在外壳13上的标尺挡杆55发生碰撞并受到阻力，随着标尺整体继续向左移动，活动部530与安装部532的折角越来越大，从而标尺53的最大高度下降。另一方面，标尺整体向右移动时，来自标尺挡杆55的阻力渐渐减小，活动部530与安装部532的折角越来越小，最终标尺53恢复竖直状态。

该功能的重要意义在于：标尺具有折叠功能，从而能够顺利通过一些具有高度限制的地方，典型工作场景油罐中存在很多消防管道与加固肋板，该功能使得爬壁机器人能够通过这些具有高度限制的地方。进一步的，该功能在标尺移动功能的基础上，没有增加新的驱动单元，就使得标尺具有了折叠的功能，对于简化结构，减轻重量具有很大意义。

本实施例中，爬壁机器人具有一定的除锈功能。参见图1、图3和图5，除锈单元包括驱动电机31、驱动轴2和除锈铲斗33，驱动电机31和驱动轴2安装在底盘11的前部，驱动电机31转动带动驱动轴2转动，最后控制除锈铲斗33的抬起和放下。该设置的重要意义在于：考虑到在立式金属罐在长期运行后，部分圈板的罐壁存在涂层腐蚀突出甚至脱落、裸露钢板锈蚀等现象，会对测量的准确度和测量效率产生不利影响。除锈铲斗33安装在爬壁机器人前端，用于清除锈蚀，除锈铲斗抬起时，可以消除除锈铲斗与地面之间的摩擦，从而减小常规情况下的运行阻力，减小了功耗。

本实施例中，爬壁机器人对于异常状态具有一定的回避能力，异常状态主要是指行进方向偏离预定方向、前方出现障碍物、与突发的吸力不足现象。行进过程中，由于可能存在的各种各样的异常情况，比如两电机转速不一致，轮胎与障碍物发生碰撞，油罐壁面弯曲等等情况，爬壁机器人的行进方向可能会有偏离预定方向的趋势，姿态传感器43将实时检测爬壁机器人自身的姿态并将姿态数据向微控制器42进行传输，微控制器42通过比对预设方向与实时姿态数据，通过调节两侧的车轮驱动电机12的转速差，直到恢复正确的方向为止。行进过程中，爬壁机器人的前方可能会出现操作人员在油罐无法目视得到的障碍物，障碍检测器45检测到距离障碍物的距离并将该信息向微控制器42进行传输，微控制器42通过通讯装置41向遥控单元发出信号对操作人员进行提醒并且自动暂停。

Claims (10)

1.一种用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括底盘和外壳，所述底盘的两侧设有驱动车轮，其特征在于，所述机器人本体上设有：

吸附单元，包括用于吸附金属罐壁的若干磁体，所述磁体通过连接器连接成网状并活动在所述底盘的底部；

测量单元，包括设置在所述底盘并露出于所述外壳顶部的可折叠标尺；

除锈单元，包括设置在所述机器人本体前端的除锈铲斗以及驱动所述除锈铲斗抬起和放下的驱动器；

和控制单元，包括微控制器、姿态检测器、障碍检测器、用于检测所述磁体吸附力的吸力检测器、用于测量所述底盘到金属罐壁之间距离的距离传感器以及通讯装置。

2.根据权利要求1所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的连接器包括连接所述底盘的竖直连杆和连接所述磁体的拉杆或拉绳，所述拉杆可绕所述竖直连杆的底端转动。

3.根据权利要求2所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的底盘上设有供所述竖直连杆传动的通孔，且在所述通孔上设有用于调整所述竖直连杆沿所述通孔上下滑动的调整块，所述调整块与所述底盘之间设有所述的吸力检测器。

4.根据权利要求3所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的调整块与所述的竖直连杆之间通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的底盘设有用于驱动所述驱动车轮的电机，所述驱动车轮通过弹性联轴器与所述电机的输出端连接。

6.根据权利要求1所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的距离传感器的端部设有使其另一端顶在金属罐的壁面上的弹簧。

7.根据权利要求1所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的测量单元还包括设置在所述底盘上的底座，所述底座与所述底盘之间滑动连接，所述的标尺的下端固定在所述底座上。

8.根据权利要求7所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的标尺包括固定在所述底座上的安装部和通过转轴与所述安装部连接的活动部；所述安装部顶部的一侧设有倒圆角，另一侧设有与所述活动部连接的复位件；所述底座的滑动路径上方设有使所述活动部绕所述转轴弯折的档杆。

9.根据权利要求1所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的爬壁机器人还设有与所述控制单元通讯连接的遥控单元。

10.根据权利要求1所述的用于立式金属罐容量检定的爬壁机器人，其特征在于，所述的底盘的底部还设有可拆卸的电池仓。

Images