CN220074684U - 一种内真空室巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种内真空室巡检机器人，包括底盘、机械臂及检测装置。底盘活动安装在内真空室的壁面上。机械臂活动安装在底盘的一侧上，具有多自由度运动的检测执行端。检测装置包括检漏模块，检漏模块包括喷头、储气罐、气体检测单元和密封件。储气罐存储有检测气体。喷头安装在检测执行端上，呈一端封闭式的圆管状，另一端用于连接储气罐出气口。两个密封件固定套接在喷头的侧壁上，喷头位于两个密封件之间还开设有喷气口。密封件为气囊结构，能在喷头伸入待检测管道时充气扩张，与管道的内壁贴合，以形成待检测空间，通过喷气口向待检测空间注入检测气体，气体检测单元检测当前内真空室内的检测气体含量，从而可检测到管道的气密性缺陷。

Description

一种内真空室巡检机器人

技术领域

本实用新型涉及磁约束核聚变领域，特别是涉及一种内真空室巡检机器人。

背景技术

磁约束可控核聚变装置的内真空室内的各部件在装置运行时需承受极高的热负荷、热应力、核辐射、水压、以及电磁力，服役环境恶劣，因此故障率较高，需要定期对其进行检测；由于核辐射的存在，因此无法由人员直接进入内真空室检测；因此采用机器人或无人机对其进行检测是有效的解决方案。

现有的内真空室巡检机器人多采用蛇形关节机器人，其成本高、尺寸大且功能结构较单一，难以满足对内真空室的多种部件进行更为全面的检测需求，尤其是内真空室内中分布有较多的管道，这些管道在加工、装配和使用过程中可能会出现气密性缺陷，例如在管道上的焊缝出现开裂，传统蛇形关节机器人难以检测到这些缺陷，从而会影响内真空室的正常稳定地运行，难以保障磁约束可控核聚变相关实验研究的安全性和可靠性。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有技术中，难以检测到磁约束可控核聚变装置的内真空室的管道气密性缺陷的技术问题，本实用新型提供一种内真空室巡检机器人。

本实用新型公开一种内真空室巡检机器人，包括：底盘、机械臂以及检测装置。

底盘活动安装在内真空室的壁面上。

机械臂一端活动安装在底盘的一侧上，另一端为能进行多自由度运动的检测执行端。

检测装置包括检漏模块。检漏模块包括喷头、储气罐、气体检测单元和两个密封件。储气罐固定安装在底盘上并存储有检测气体。喷头固定安装在检测执行端上。喷头呈一端封闭式的圆管状，另一端用于连接储气罐的出气口。两个密封件沿着喷头的轴向固定套接在喷头的侧壁上，喷头位于两个密封件之间的侧壁上还开设有至少一处喷气口。密封件为气囊结构，两个密封件能在喷头伸入一个待检测管道时通过充气扩张，与待检测管道的内壁贴合，以形成一段待检测空间。其中，通过喷气口向待检测空间注入检测气体，气体检测单元用于检测当前内真空室内的检测气体含量。

作为上述方案的进一步改进，密封件采用可充气式的密封橡胶圈。

作为上述方案的进一步改进，内真空室巡检机器人还包括：

行走装置，其安装在底盘上，并用于驱使底盘沿内真空室的壁面移动。行走装置包括接触端。接触端外侧包覆有仿生黏附材料层，并能在与真空室的壁面接触时贴附。

作为上述方案的进一步改进，行走装置采用轮式结构、履带式结构或关节腿式结构。

作为上述方案的进一步改进，机械臂采用六自由度机械臂，且机械臂的各关节由伺服电机驱动旋转。

作为上述方案的进一步改进，储气罐内的检测气体为加压填充的氦气。

作为上述方案的进一步改进，气体检测单元为氦质谱检漏仪，其检测探头位于内真空室内，并位于待检测管道之外。

作为上述方案的进一步改进，喷头通过输气软管与储气罐的出气口连通，且出气口上设置电控阀门。

作为上述方案的进一步改进，喷气口的数量设置为两个，且两个喷气口沿着喷头的径向对称式分布。

作为上述方案的进一步改进，检测装置还包括图像采集模块，图像采集模块安装在检测执行端上，并用于采集内真空室的壁面图像或每个待检测管道的管壁图像。

与现有技术相比，本实用新型公开的技术方案具有如下有益效果：

本实用新型的巡检机器人通过在内真空室的壁面上活动设置机械壁，驱动检测装置中的检漏模块进行多自由度运动，从而能够驱使喷头伸入内真空室的管道内，利用密封件在管道内形成气密检测空间，通过向该空间注入检测气体，并利用外界的气体检测单元检测渗入到内真空室的检测气体含量，根据含量可以判断出相应管道是否存在气密性缺陷。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中内真空室巡检机器人在内真空室内时的立体结构示意图；

图2为图1中巡检机器人的立体结构示意图；

图3为图2中巡检机器人在另一视角的立体结构示意图；

图4为图3中检测装置的局部放大图；

图5为图3中检漏模块对待检测管道进行气密性检测的切面视图；

图6为本实用新型实施例2中巡检机器人的立体结构示意图；

图7为图6中巡检机器人在另一视角的立体结构示意图；

图8为本实用新型实施例3中巡检机器人的立体结构示意图；

图9为图8中巡检机器人在另一视角的立体结构示意图。

主要元件符号说明

1、内真空室；2、待检测管道；3、底盘；4、机械臂；41、检测执行端；5、检测装置；51、图像采集模块；52、定位销二；53、检漏模块；531、喷头；5310、喷气口；532、储气罐；533、密封件；54、无损探伤模块；55、视觉定位模块；6、行走装置；61、接触端；62、驱动轮；63、驱动履带；64、驱动关节腿；7、定位组件；71、定位销一；72、伸缩件；8、转台。

以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

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。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

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。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供一种基于磁约束可控核聚变的内真空室巡检机器人，用于在一个内真空室1的壁面上进行爬壁检测。内真空室1的内部设置有多个待检测管道2，巡检机器人可以对内真空室1的壁面以及各个待检测管道2进行巡检。

请参阅图2至图4，,巡检机器人包括：底盘3、机械臂4、检测装置5以及行走装置6，本实施例中，巡检机器人还可以包括定位组件7。

内真空室1的壁面上可以开设有分别与多个待检测管道2相对应的多个定位孔一和定位孔二。其中，定位孔一可以用来与巡检机器人的定位组件7配合，从而对巡检机器人的底盘3进行定位。而定位孔二可以用来与巡检机器人的机械臂4配合，从而在检测装置5对待检测管道3进行部分环节的检测时，使检测装置5更加稳定。

行走装置6安装在底盘3上，并用于驱使底盘3沿内真空室1的内壁壁面移动。行走装置6包括接触端61。接触端61的外侧包覆有仿生黏附材料层，进而实现与内真空室1的壁面接触时贴附。仿生黏附材料层可采用仿壁虎脚掌刚毛形式的人造仿生黏附材料，当然也可采用现有技术中其他类型的仿生黏附材料，具体在此不再限制。至于仿生黏附材料层的面积，即接触端61与内真空室1的壁面接触面积，则可以根据巡检机器人的整体质量作出适应性调整，具体可通过实验确认。

由于内真空室1的特殊环境，采用机器人或无人机对其进行检测是有效的解决方案。一般无人机在飞行时需要向内真空室内充入气体以产生升力，破坏了内真空室的真空环境，增加了维护的成本，而采用爬壁机器人可有效解决该问题。目前常用的爬壁机器人多采用磁吸附式、静电吸附以及真空吸附等吸附方式；静电吸附的负载较小无法满足巡检机器人的负载要求；磁吸附式需要壁面为导磁性材料，而内真空室内部的各部件不能为导磁性材料，因此无法应用；真空吸附机器人同无人机相同，需要破坏内真空室的真空条件，因此难以应用于对磁约束可控核聚变装置的内真空室内的巡检。

而本实施例采用仿生黏附材料层实现与内真空室1的壁面接触时贴附，不仅不需要对内真空室的壁面结构作出改变，基本上不破坏内真空室1的真空环境，维持磁约束可控核聚变装置能够正常运行，减少运维成本；而且仿生黏附材料具备较高的吸附强度，能满足巡检机器人的负载要求。。

本实施例中，行走装置6可以采用轮式结构，具体地，行走装置6还可以包括驱动轮62。驱动轮62一共设置有四组，且分别转动安装在底盘3的四角。驱动轮62可由轮毂电机驱动，并且可通过在驱动轮62上设置传动结构为巡检机器人提供转向功能。其中，接触端61设置在每个驱动轮62的轮面上，即在驱动轮62的轮面设置仿生黏附材料。

机械臂4的一端活动连接在底盘3的一侧上，另一端为检测执行端41。机械臂4用于对检测装置5进行角度、位移进行调节，而底盘3作为机械臂4的载台，可以装载机械臂4对内真空室1的壁面以及管道进行检测探伤。本实施例中，机械臂4可以采用六自由度机械臂，其各个转动关节均可以由伺服电机驱动，机械臂4可通过螺栓固定安装在底盘3上。

检测装置5安装在机械臂4的检测执行端41上。检测装置5包括图像采集模块51、无损探伤模块54以及检漏模块53，还可以包括定位销二52和视觉定位模块55。

图像采集模块51用于采集内真空室1的壁面图像或每个待检测管道2的管壁图像，图像采集模块51可以是摄像机。采集的图像可以汇总给相关的工作人员，工作人员可以定期通过观察检验采集到的图像，判断相应检测位置是否存在缺陷。当然，在其他实施例中，也可通过图像识别结合神经网络算法等技术，识别出各检测位置是否存在缺陷，然后可以通过人工进行二次核验。

无损探伤模块54用于对每个待检测管道2进行无损探伤检测。无损探伤模块54可以采用超声探伤探头、射线探伤探头或涡流探伤探头。本实施例中，无损探伤模块54可以采用涡流探伤探头，基于涡流检测原理来探测待检测管道2的内壁是否存在裂纹、气孔等缺陷，当探头靠近待检测管道2的内壁或外壁时，引起线圈阻抗变化，再通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其他物理性质。

其中，定位销二52可以固定连接在机械臂4的检测执行端41具有无损探伤模块54的一侧上，且定位销二52的截面与定位孔二的截面匹配。机械臂4能驱使定位销二52对接任意一处的定位孔二以此完成检测执行端41的定位。上述涡流检测探伤的过程中，可以控制机械臂4调节姿态，使得定位销二52插接到当前待检测管道3对应的定位孔二中，此时恰好涡流探伤探头恰好位于待检测管道3上的对应检测点位。当然，为了能够检测出上述阻抗的变化，同一处待检测管道3对应的定位孔二可以按照一定顺序排布开设有多个，这样，检测到一个阻抗值后，按照排布顺序涡流探伤探头至下一个定位孔二，将这些定位孔二测得的阻抗值作为一组数据进行统计。

请参阅图5，检漏模块53用于对每个待检测管道2进行气密性检测。其中，检漏模块53可以包括喷头531以及两个密封件533。

在底盘3上可以安装有一个储气罐532，且储气罐532内部填充有检漏氦气，氦气的分子量小、扩散性强、渗透率高，可以通过极小的孔，并且氦气无毒无色无味的惰性气体，在正常情况下可以作为介质在所有物体中存在并且不发生反应，因此适合用来对内真空室1中的待检测管道3进行气密性检测。

喷头531呈一端封闭式的圆管状，另一端可通过输气软管与储气罐532的出气口连通，并且该出气口上可设置电控阀门，以调节喷头531内检测氦气的开关状态。喷头531的侧壁沿周向开设有至少一处喷气口5310。本实施例中，喷气口5310的数量为两个，并且位于喷头531上的同一断面处。

两个密封件533固定套接在喷头531上，并沿喷头531的轴向对称式分布在喷气口5310的两侧。密封件533为充气式密封橡胶圈，且两个密封件533能在喷头531与待检测管道2的间隙中充气扩张并形成一个气密检测空间。

需要理解的是，待检测管道3上一般存在焊缝(图5中A表示焊缝)。喷头531伸入待检测管道3中后，根据焊缝沿待检测管道3轴向上的位置，利用机械手4调节喷头531的伸入长度，直到焊缝位于两个密封件533之间即可，此后通过一个外接的充气装置向两个密封件533内充气，使其充气膨胀，并与待检测管道3的内壁紧密接触，从而形成上述气密检测空间。此后通过向气密检测空间内注入定量的氦气，并利用一个氦质谱检漏仪实时检测内真空室1内的检漏气体含量，即检测检测氦气是否通过气密检测空间渗入内真空室1，以此作为判断相应待检测管道2是否漏气的参考依据。本实施例中，气体检测单元可以是氦质谱检漏仪，其检测探头可以伸入内真空室1。

定位组件7可设置在巡检机器人的底部，即底盘3背离机械手4的一侧。定位组件7可包括定位销一71和伸缩件72。定位销一71的截面与定位孔一的截面相互匹配。伸缩件72的一端安装在底盘3背离机械臂4的一侧上，另一端与定位销一71固定连接，并能驱使定位销一71对接任意一处定位孔一以此完成底盘3的定位。其中，伸缩件72可以为直线电机、气缸或液压缸。定位销以可伸出底盘，并插入到内真空室1壁面上的定位孔一之中，从而确定机器人的位置并在检测过程中保持机器人的稳定。另外，定位销一71的横截面可以采用圆形，并且定位销一71的数量可以是单个，也可以为两个或更多，在此不具体限制。

视觉定位模块55固定安装在机械臂4的检测执行端41上，并用于通过特征匹配技术，实现视觉定位，进而引导检测执行端41到达指定位置，并防止机械臂4在运动过程中与内真空室1内的其他部件产生干涉。

需要理解的是，机械臂4的活动、行走装置6的移动以及视觉定位模块55的特征匹配定位，均可通过执行预先写入的控制程序或者远程的遥控命令来实现，其原理与现有常见智能机器人原理类似，能够满足在内真空室1壁面准确移动以及检测执行端41准确定位即可，在此不再过多赘述。

实施例2

请参阅图6和图7，本实施例提供一种基于磁约束可控核聚变的内真空室巡检机器人，与实施例1中的巡检机器人的区别在于，该巡检机器人的行走装置6采用履带式结构。

具体地，行走装置6除了接触端61之外，还包括设置在底盘3的相对两侧的两条驱动履带63。

其中，接触端61设置在每条驱动履带63的外圈上，即每条驱动履带63的外圈表面设置有仿生黏附材料层。履带式的行走装置6增大了接触端61与内真空室1的壁面接触面积，从而进一步提升巡检机器人在内真空室1的爬壁稳定性。

实施例3

请参阅图8和图9，本实施例提供一种基于磁约束可控核聚变的内真空室巡检机器人，与实施例1中的巡检机器人的区别在于，该巡检机器人的行走装置6采用关节腿式结构。

具体地，行走装置6除了接触端61之外，还包括活动安装在底盘3四角处的四个驱动关节腿64。每个驱动关节腿64均为一个独立的机械手，其首端与底盘3安装，末端设置接触端61，即仿生黏附材料层设置在驱动关节腿64的末端上。这样，通过位于对角线的两条驱动关节腿64同时移动，另外两条驱动关节腿64依附于内真空室1的壁面，以此持续进行，可实现巡检机器人在壁面上更加灵活地移动。而在对单个待检测管道3进行多项检测时，四条驱动关节腿64同时与待检测管道3周围的内真空室1壁面接触，增强稳定性。

实施例4

本实施例提供一种内真空室的管道巡检方法，其可以应用于实施例1、实施例2或实施例3中的基于磁约束可控核聚变的内真空室巡检机器人。该管道巡检方法包括以下步骤：

根据一条预设的巡检路径一，控制行走装置6在内真空室1壁面上移动至一个节点处。其中，节点设置有多处，并分别与多个待检测管道2相对应，依次分布在内真空室1的壁面上。巡检路径一依次贯穿所有节点。

调节机械臂4的检测执行端41姿态，并实现图像采集模块51、无损探伤模块54以及检漏模块53依次抵达与当前待检测管道2相匹配的检测点位，进而依次进行对当前待检测管道2的图像采集、无损探伤检测以及气密性检测。

调节机械臂4恢复至初始姿态并控制行走装置6向巡检路径中对应的下一个节点处移动，直至完成对所有待检测管道2的检测。

实施例5

本实施例提供一种内真空室的壁面巡检方法，其可以应用于实施例1、实施例2或实施例3中的基于磁约束可控核聚变的内真空室巡检机器人。该壁面巡检方法包括以下步骤：

控制行走装置6沿一条预设的巡检路径二在内真空室1壁面上移动，同时实时调节机械臂4的检测执行端41姿态，以此保持图像采集模块51实时采集底盘3周围一个预设范围内的内真空室1的壁面图像。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种内真空室巡检机器人，其特征在于，包括：

底盘(3)，其活动安装在内真空室(1)的壁面上；

机械臂(4)，其一端活动安装在底盘(3)的一侧上，另一端为能进行多自由度运动的检测执行端(41)；以及

检测装置(5)，其包括检漏模块(53)；检漏模块(53)包括喷头(531)、储气罐(532)、气体检测单元和两个密封件(533)；储气罐(532)固定安装在底盘(3)上并存储有检测气体；喷头(531)固定安装在检测执行端(41)上；喷头(531)呈一端封闭式的圆管状，另一端用于连接储气罐(532)的出气口；两个密封件(533)沿着喷头(531)的轴向固定套接在喷头(531)的侧壁上，喷头(531)位于两个密封件(533)之间的侧壁上还开设有至少一处喷气口(5310)；密封件(533)为气囊结构，两个密封件(533)能在喷头(531)伸入一个待检测管道(2)时通过充气扩张，与待检测管道(2)的内壁贴合，以形成一段待检测空间；其中，通过喷气口(5310)向所述待检测空间注入所述检测气体，所述气体检测单元用于检测当前内真空室(1)内的检测气体含量。

2.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述密封件(533)采用可充气式的密封橡胶圈。

3.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述内真空室(1)巡检机器人还包括：

行走装置(6)，其安装在底盘(3)上，并用于驱使底盘(3)沿内真空室(1)的壁面移动；行走装置(6)包括接触端(61)；接触端(61)外侧包覆有仿生黏附材料层，并能在与真空室的壁面接触时贴附。

4.根据权利要求3所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述行走装置(6)采用轮式结构、履带式结构或关节腿式结构。

5.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述机械臂(4)采用六自由度机械臂(4)，且机械臂(4)的各关节由伺服电机驱动旋转。

6.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，储气罐(532)内的检测气体为加压填充的氦气。

7.根据权利要求6所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述气体检测单元为氦质谱检漏仪，其检测探头位于所述内真空室(1)内，并位于待检测管道(2)之外。

8.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，喷头(531)通过输气软管与储气罐(532)的出气口连通，且所述出气口上设置电控阀门。

9.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述喷气口(5310)的数量设置为两个，且两个喷气口(5310)沿着喷头(531)的径向对称式分布。

10.根据权利要求1所述的内真空室巡检机器人，其特征在于，所述检测装置(5)还包括图像采集模块(51)，图像采集模块(51)安装在所述检测执行端(41)上，并用于采集内真空室(1)的壁面图像或每个待检测管道(2)的管壁图像。