CN211139485U - 一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于它包括带车架的车体、驱动装置、吸附装置、电气部件和无损探伤模块；其结构简单，容易实现，且成本低；可以实现探伤爬壁机器人球形储罐曲面进行焊缝缺陷检测，具备一定的越障能力及可靠的定位能力，可以准确反馈故障位置，检测精度提高，探伤结果更加精确，避免了人工检测方式带来的危险及人为因素导致的检测误差。

Description

一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人

技术领域：

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人。

背景技术：

随着我国城市化进程的加快，近年来电力、石化、机械制造等领域特种设备的数量不断高速增长，特种存储设备和罐体体积不断地扩大，与此同时也暗示着工业领域中重大危险源的数目在不断增多，发生灾害的形式十分严峻。其中液化石油气(LPG，LiquefiedPetroleum Gas)球形储罐由于具备其它形状储罐所不具备的优势而被广泛地应用于LPG存储任务中。当前常用的球形储罐焊缝缺陷检测方法仍是检测人员手持探伤检测设备，沿着支架进行逐层检测，该种检测方式导致技术人员多次暴露在危险的环境中，存在劳动强度大、施工周期长、安全性差等问题，检测可靠度易受人为因素的影响。作为极端环境作业的一种自动化装置，迫切的希望通过爬壁机器人；来代替人工实现故障检测的自动化过程。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，它可以解决现有技术通过人工方式进行球形储罐焊缝缺陷检测工作劳动强度大、效率低下、危险系数高的问题，是一种结构简单、容易实现的机器人。

本实用新型的技术方案：一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，如图1-a，图1-b所示，其特征在于它包括带车架的车体1、驱动装置、吸附装置、电气部件和无损探伤模块；其中，所述驱动装置设置于车架两侧；所述吸附装置固连于车架下方；所述电气部件嵌入于车体1中，用于控制探伤部件、驱动装置动作，包括探伤控制器、运动控制器及电机驱动器；所述车体1内部有爬壁机器人控制单元。

所述车体1的车架是铝型材车架，满足了高承载、组合式、轻量化的设计要求。

所述驱动部分为四驱动力系统，如图1-a、图1-b所示，是由两组共4个驱动轮4构成，每组驱动轮分别由两个步进电机控制，共有四个步进电机，即电机I2-A、电机II2-B、电机III2-C 和电机IV2-D，分别控制4个驱动轮，即驱动轮I4-A、驱动轮II4-B、驱动轮III4-C和驱动轮IV4-D；所述步进电机I2-A、步进电机 II2-B通过金属架I3-A、金属架II3-B固定于车体1上方偏外侧，所述步进电机III2-C、步进电机IV2-D通过金属架III3-C、金属架IV3-D固定于车体1下方偏外侧；所述金属架I3-A、金属架 II3-B、金属架III3-C和金属架IV3-D均通过螺钉与车体1相连；运动过程中步进电机I2-A和步进电机III2-C转速保持一致，步进电机II2-B和步进电机IV2-D转速保持一致，从而实现爬壁机器人的前进与转向，所述四个步进电机采用差分运动控制的方式对爬壁机器人的运动进行控制，四轮驱动的优势在于保证了爬壁机器人一定的越障能力。

所述驱动轮是铝合金材质的轮子，如图1-a、图1-b所示，是4 个轮毂上设有减重孔且轮外包裹胶聚氨酯的驱动轮。

所述吸附装置11固定连接于车体1的下方，是永磁体吸附结构，与爬行壁面间隙距离大于5mm，如图1-b所示；所述吸附装置产生的磁场通过与罐体内壁产生磁力线回路进而提供稳定的吸附力。

所述永磁体为四块铷铁硼磁铁结构，即铷铁硼磁铁I11-A、铷铁硼磁铁II11-B、铷铁硼磁铁III11-C和铷铁硼磁铁IV11-D；所述铷铁硼磁铁I11-A、铷铁硼磁铁II11-B、铷铁硼磁铁III11-C和铷铁硼磁铁 IV11-D按照N极和S极相互交错的方式排布，如图2所示，且相邻两个铷铁硼磁铁之间带间隙排布，使其形成闭合的磁场；所述铷铁硼磁铁与爬行壁面间隙距离大于5mm。

所述无损探伤模块设置于车架后方，是由探头5、固定架6、连接架7、主支架8和探头支架9构成；所述固定架6安装在车体1的后方；所述连接架7通过转轴铰接在固定架6下方；所述主支架8固定在连接架7的端部，所述主支架8上对称设有两探头支架9；所述探头支架9带自由端；所述自由端上设有探头安装架；所述探头5安装在探头安装架上。

所述探头是2个超声波探伤直探头，即探头I5-A和探头II5-B，所述探头5-A和探头5-B均安装在探头安装架上。

所述固定架6上设有摄像头10，摄像头10设置在两探头之间的上方，用于实时监控探头5的工作状态。

所述爬壁机器人控制单元是由上位机模块、下位机模块、电机模块、驱动模块、电源模块、陀螺仪模块、探伤检测模块构成，如图3所示；所述上位机与下位机呈双相连接；所述上位机模块的输入端采集探伤模块的输出信号；所述下位机模块的输入端采集陀螺仪模块的输出信号，用于检测爬壁机器人的姿态信息；所述上位机模块、下位机模块、探伤检测模块以及驱动模块均由电源模块供电；所述驱动模块的输入端与下位机模块的输出端连接，其输出端连接电机模块，用于控制电机的启动与停止的运动状态。

所述电机模块是车轮编码器；所述陀螺仪模块是MPU9250；所述下位机模块是STM32系列开发板；所述探伤检测模块是 2.5P10超声波直探头；所述探伤检测模块的输出端连接外部显示设备，以便工作人员实时监控探头的检测状态。

所述上位机模块的内部核心为ARM Cortex-A72结构，安装了嵌入式Ubuntu14.04和ROS Indigo系统，其内部的ROS导航堆栈可实现爬壁机器人的自主导航探伤检测任务。

本实用新型的探伤检测方法：

(1)当爬壁机器人在球形储罐表面执行检测任务时，爬壁机器人装置中控制单元的陀螺仪模块获取爬壁机器人的惯性数据，并对惯性数据进行导航积分计算，获得爬壁机器人的位姿数据，下位机发布速度指令给电机模块，车轮编码器测量编码器以及车轮速度反馈，根据每个车轮的直径以及转动每圈所发射的脉冲数来计算机器人在给定时间内移动的距离，从而确定爬壁机器人的相对位置；

(2)在执行探伤检测任务时，上位机模块内置的ROS Indigo系统对记录的爬壁机器人需要执行的路径轨迹点进行路径规划，并转化为相应的运动控制指令，传送给下位机模块；

(3)下位机模块通过接受控制指令来控制驱动模块，驱动模块通过对电机进行驱动来完成爬壁机器人需要执行的检测任务轨迹；

(4)陀螺仪模块在爬壁机器人执行轨迹过程中，还会将位姿信息实时传给上位机模块和下位机模块，从而对爬壁机器人的运动轨迹进行实时的校准，使爬壁机器人按照预定的轨迹移动；

(5)探伤检测模块探头在爬壁机器人移动过程中会对罐体表面焊缝实时进行缺陷检测，并将检测信号传输给外部显示设备，以便工作人员实时监控探头的检测状态，当探头检测到焊缝缺陷时，会输出相应的故障信号，此时记录下爬壁机器人所在的故障位置，以备后期进行故障修复工作。

本实用新型的优越性：结构简单，容易实现，且成本低；可以实现探伤爬壁机器人球形储罐曲面进行焊缝缺陷检测，具备一定的越障能力；交错排布的磁铁可以达到更高的磁铁利用率(吸附力/重量)，检测过程中爬壁机器人具备可靠的定位能力，可以准确的反馈出故障位置，提高检测精度，探伤结果更加精确，避免了人工检测方式带来的危险及人为因素导致的检测误差；扩大了检测范围，实现了高标准的探伤检测自动化过程。

附图说明：

图1-a、图1-b为本实用新型所涉一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人的整体结构组成示意图(其中，图1-a为俯视图，图1-b为侧视图)。

图2为本实用新型所涉一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人的吸附装置的磁铁排布方式结构示意图。

图3为本实用新型所涉一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人控制单元的整体结构示意图。

具体实施方式：

实施例：

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进一步详细说明。

一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人(见图1-a、图1-b)，其特征在于包括车体1、驱动装置、吸附装置、电气部件、无损探伤模块，所述车体1包括车架，车架材质为铝型材，所述电气部件置入于车体1中，包括探伤控制器、运动控制器、电机驱动器，用于控制探伤部件、驱动部分动作；

所述驱动装置包含四个步进电机2-A、2-B、2-C、2-D，所述步进电机2-A、2-B通过金属架3-A、3-B固定于车体上方偏外侧，步进电机2-C、2-D通过金属架3-C、3-D固定于车体1下方偏外侧，所述金属架通过螺钉与车体相连，所述步进电机分别对应驱动四个驱动轮4-A、4-B、4-C、4-D，所述驱动轮采用铝合金材质，轮毂上设有减重孔，轮外包裹胶聚氨酯，所述驱动装置为四驱动力系统，采用差分运动控制的方式对爬壁机器人的运动进行控制，运动过程中步进电机2-A、2-C转速保持一致，步进电机2-B、2-D转速保持一致，实现爬壁机器人的前进与转向，四轮驱动的优势在于保证了爬壁机器人一定的越障能力；

所述无损探伤模块设置于车体1后方，包含两个超声波探伤直探头5-A、5-B，用于对球形储罐焊缝进行缺陷检测，所述探伤模块还包括固定架6、连接架7、主支架8和探头支架9，固定架6用于安装在车体1后方偏下位置，连接架7通过转轴铰接在固定架6，主支架8固定在连接架7的端部，主支架8上设有探头支架9，探头支架 9的自由端设有探头安装架，探头5安装在探头安装架上，在固定架 6上还设有摄像头10，摄像头设置在两探头之间的上方，摄像头主要作用是实时监控探头的工作状态；

所述吸附装置11固连于车体1下方，采用永磁体吸附方式，永磁体为铷铁硼磁铁，磁铁与爬行壁面间隙距离大于5mm，四块磁铁N极、 S极交错排布，且相邻两磁铁间隙排布，使其形成闭合的磁场，所述驱动轮的爬行外轮面均突出于磁铁外面，所述吸附装置产生的磁场通过与罐体内壁产生磁力线回路进而提供稳定的吸附力；

如图2所示为所述吸附装置中四块磁铁11-A、11-B、11-C、11-D 的排布方式，所述四块磁铁采用N极、S极交错排布方式，且相邻两磁铁间隙排布，使其形成闭合的磁场，使磁铁利用率最高，为爬壁机器人提供稳定的吸附力，图中虚线部分为磁铁的磁场分布；

所述车体1内部有爬壁机器人控制单元，是由上位机模块、下位机模块、电机模块、驱动模块、电源模块、陀螺仪模块、探伤检测模块构成，图3为本实用新型所涉一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人控制单元整体结构示意图，其中嵌入式上位机核心处理器采用的是Cortex-72架构，具有更好的实时处理性能，安装了嵌入式Ubuntu14.04和ROS Indigo系统，其内部的ROS导航堆栈可实现爬壁机器人的自主导航探伤检测任务；下位机模块为STM32开发板模块，该模块用于接收陀螺仪收取到的姿态信息以及给底层电机驱动模块发送控制指令并与上位机模块进行通信；所述上位机模块、下位机模块、探伤检测模块以及驱动模块均由电池模块供电；上位机模块与探伤检测模块相连，以实时获取探伤检测信息，同时探伤检测模块还与外部显示设备连接，以便工作人员实时监控探头的检测状态。

Claims (10)

1.一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于它包括带车架的车体、驱动装置、吸附装置、电气部件和无损探伤模块；其中，所述驱动装置设置于车架两侧；所述吸附装置固连于车架下方；所述电气部件嵌入于车体中，用于控制探伤部件、驱动装置动作，包括探伤控制器、运动控制器及电机驱动器；所述车体内部有爬壁机器人控制单元。

2.根据权利要求1所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述驱动装置为四驱动力系统，是由两组共4个驱动轮构成，每组驱动轮分别由两个步进电机控制，共有四个步进电机，即电机I、电机II、电机III和电机IV，分别控制4个驱动轮，即驱动轮I、驱动轮II、驱动轮III和驱动轮IV；所述步进电机I、步进电机II通过金属架I、金属架II固定于车体上方偏外侧，所述步进电机III、步进电机IV通过金属架III、金属架IV固定于车体下方偏外侧；所述金属架I、金属架II、金属架III和金属架IV均通过螺钉与车体1相连；运动过程中步进电机I和步进电机III转速保持一致，步进电机II和步进电机IV转速保持一致，从而实现爬壁机器人的前进与转向，所述四个步进电机采用差分运动控制的方式对爬壁机器人的运动进行控制，四轮驱动的优势在于保证了爬壁机器人一定的越障能力。

3.根据权利要求1所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述吸附装置固定连接于车体的下方，是永磁体吸附结构，与爬行壁面间隙距离大于5mm；所述吸附装置产生的磁场通过与罐体内壁产生磁力线回路进而提供稳定的吸附力。

4.根据权利要求3所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述永磁体为四块铷铁硼磁铁结构，即铷铁硼磁铁I、铷铁硼磁铁II、铷铁硼磁铁III和铷铁硼磁铁IV；所述铷铁硼磁铁I、铷铁硼磁铁II、铷铁硼磁铁III和铷铁硼磁铁IV按照N极和S极相互交错的方式排布，且相邻两个铷铁硼磁铁之间带间隙排布，使其形成闭合的磁场；所述铷铁硼磁铁与爬行壁面间隙距离大于5mm。

5.根据权利要求1所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述无损探伤模块设置于车架后方，是由探头、固定架、连接架、主支架和探头支架构成；所述固定架安装在车体的后方；所述连接架通过转轴铰接在固定架下方；所述主支架固定在连接架的端部，所述主支架上对称设有两探头支架；所述探头支架带自由端；所述自由端上设有探头安装架；所述探头安装在探头安装架上。

6.根据权利要求5所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述探头是2个超声波探伤直探头，即探头I和探头II，所述探头I和探头II均安装在探头安装架上。

7.根据权利要求5所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述固定架上设有摄像头，摄像头设置在两探头之间的上方。

8.根据权利要求1所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述爬壁机器人控制单元是由上位机模块、下位机模块、电机模块、驱动模块、电源模块、陀螺仪模块、探伤检测模块构成；所述上位机与下位机呈双相连接；所述上位机模块的输入端采集探伤模块的输出信号；所述下位机模块的输入端采集陀螺仪模块的输出信号；所述上位机模块、下位机模块、探伤检测模块以及驱动模块均由电源模块供电；所述驱动模块的输入端与下位机模块的输出端连接，其输出端连接电机模块。

9.根据权利要求8所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述电机模块是车轮编码器；所述陀螺仪模块是MPU9250；所述下位机模块是STM32系列开发板；所述探伤检测模块是2.5P10超声波直探头；所述探伤检测模块的输出端连接外部显示设备。

10.根据权利要求8所述一种用于球形储罐探伤检测的爬壁机器人，其特征在于所述上位机模块的内部核心为ARM Cortex-A72结构。

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