一種電力金屬部件清掃探傷機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電力金屬部件清掃探傷機器人，各縱向回轉關節通過連接板固連構成可轉動連接，行走回轉關節的上端通過連接板與位于兩側的縱向回轉關節固連構成可轉動連接使各回轉關節串聯成一體，電磁吸盤固定在行走回轉關節的下端上；總控制單元向位于各回轉關節中的控制單元發出指令以控制各回轉關節動作實現機器人本體的伸展和收縮，同時調整電磁吸盤的位置，且總控制單元向位于清掃裝置和探傷裝置上的控制單元發出指令以控制清掃裝置和探傷裝置工作。本發明采用電磁吸盤吸附定位，可實現在不同作業環境下的多種攀爬步態，并對電力金屬部件進行清掃和檢測，特別適用于對小徑管道、不連續或者交錯連接的電力金屬部件等探傷。
【專利說明】一種電力金屬部件清掃探傷機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機器人，特別涉及一種電力金屬部件清掃探傷機器人。
【背景技術】
[0002]現今，縱橫交錯的管道鋪設于世界各地，日常生活的自來水、供熱系統、供電系統、化工領域的石油、天熱氣傳輸等都離不開管道這一媒介。管道在給人類生產、生活創造便利的同時也帶來了新的問題。由于環境腐蝕、材料老化、作業條件影響等原因，不少管道存在清潔困難、管道裂紋、凹坑等缺陷而致難以監測的問題，這就對管道的維護、監測和除塵等提出較高要求。在電力系統中，我國主要采用火力發電，火力發電廠在基建安裝后的運行過程中需要定期做停機檢測。受電站運行環境影響，管道在運行中會出現裂紋、腐蝕等缺陷，為保障電站的安全運行，成千上萬的管道需要進行探傷。如不及時檢測發現這些缺陷，將會對人們的生命財產安全造成無法估計的損失。
[0003]目前，我國電力系統金屬零部件的檢測主要依靠人工進行，存在高危險、檢測效率低、檢測范圍受限等問題，造成電力金屬部件(例如管道和聯箱等)的漏檢、誤檢等問題，給電力系統安全運行帶來隱患。為了有效檢測電力系統的金屬部件，需要研發高效、可靠、高精度的檢測手段和自動化檢測載體，以便為電力生產的安全性與可靠性提供技術保障。
[0004]針對上述問題，我國近年來所開展的利用機器人對金屬部件進行探傷的研究取得了一定的成果。發明專利CN101887137B公開了一種輪式X射線探傷機器人裝置，該裝置由X射線探傷裝置、遠程無線傳輸裝置、計算機控制裝置、差分GPS衛星定位裝置等組成，主要針對管道焊縫質量進行檢測；發明專利CN101537614公開了一種管道清潔及檢測機器人，包括移動小車和安裝在該小車上的清洗作業裝置，在小車尾部還安裝有檢測和定位導向裝置。
[0005]雖然，上述機器人均具有一定的行走、攀爬和探傷的功能，但由于機器人受其自身機械機構所限(多數采用輪式、履帶式等)，機器人在空間運動的自由度受到極大的限制，往往在復雜的電力系統金屬部件作業環境中進行檢測時，無法在空間內進行自由攀爬和無損探傷，特別是對于小徑管道、不連續或者交錯連接的電力金屬部件等進行探傷時，這種缺陷尤為明顯。另外，現有機器人的功能較為單一，例如在灰塵或者障礙物較多的環境中，無法進行有效清理和運行，且檢測手段精度較低。而且，由于機器人自身機構的復雜性，導致了系統結構和控制的復雜性，增大了機器人平衡和爬行的困難程度，從而無法有效針對作業環境進行運動規劃以完成有效檢測。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種能夠在電力金屬部件特定作業環境中自由爬行、對電力金屬部件進行清掃和無損探傷、實現有效檢測的電力金屬部件清掃探傷機器人。
[0007]本發明的上述目的是通過以下的技術措施來實現的:一種電力金屬部件清掃探傷機器人，包括機器人本體、清掃裝置、探傷裝置和控制系統，其特征在于:所述機器人本體包括至少三個平行排布且縱向設置的柱形的縱向回轉關節、兩個與縱向回轉關節相垂直的柱形的行走回轉關節、一對電磁吸盤和至少四塊連接板，各縱向回轉關節之間通過與其中至少兩塊連接板固連構成可轉動連接，所述行走回轉關節的上端通過另外兩塊連接板與位于兩側的縱向回轉關節固連構成可轉動連接使各回轉關節串聯成一體，其中，所述行走回轉關節可沿豎向平面旋轉，所述電磁吸盤分別固定在行走回轉關節的下端上，所述清掃裝置和探傷裝置分別安裝在所述行走回轉關節的柱身上；所述控制系統包括安裝在機器人本體上的總控制單元和分別安裝在各回轉關節、清掃裝置和探傷裝置上的控制單元，總控制單元向位于各回轉關節中的控制單元發出指令以控制各回轉關節動作實現機器人本體的伸展和收縮，同時調整電磁吸盤的位置，且總控制單元向位于清掃裝置和探傷裝置上的控制單元發出指令以控制清掃裝置和探傷裝置工作。
[0008]本發明采用電磁吸盤吸附定位，并將無損檢測技術與機器人技術相集成，可以實現在不同作業環境下的多種攀爬步態，并對電力金屬部件進行清掃和檢測，特別是對于小徑管道、不連續或者交錯連接的電力金屬部件等進行探傷時，這種優勢十分明顯。另外，本發明的體積小、質量輕、結構簡單、靈活性強，可適應于多種復雜電力系統金屬部件作業環境。
[0009]作為本發明的一種實施方式，所述縱向回轉關節和行走回轉關節均分別包括筒形基座、封堵住筒形基座一端的封裝蓋板、設有編碼器的伺服電機、減速器、位于筒形基座另一端外的筒形的旋轉外殼和固定在旋轉外殼外端上的連接法蘭，設有編碼器的伺服電機位于筒形基座中的前部，所述減速器的動力輸入端與伺服電機的動力輸出端相連，所述減速器的動力輸出端與連接法蘭連接，在所述旋轉外殼與減速器之間設有用于支撐旋轉外殼的支承組件；設置在回轉關節內的控制單元包括用于連接電源/信號線的連接器、分別與連接器相連的第一控制器和第二控制器，所述連接器插裝在封裝蓋板上，所述第一控制器豎向安裝在所述筒形基座中的后部，所述第二控制器橫向安裝在所述筒形基座中的前部且位于伺服電機的外圍。
[0010]作為本發明的一種優選實施方式，所述縱向回轉關節為三個，用于連接縱向回轉關節的連接板是長形直板，該長形直板兩端分設有安裝孔，其中兩個相鄰的縱向回轉關節的旋轉外殼分別通過連接法蘭與其中一個長形直板的兩端連接固連構成可轉動連接，另一個縱向回轉關節的旋轉外殼通過連接法蘭和上述之一的縱向回轉關節的筒形基座外壁分別與另一個長形直板的兩端固連構成可轉動連接；用于連接豎向回轉關節和行走回轉關節的連接板是直角彎折板，所述行走回轉關節的筒形基座外壁分別與位于兩側的縱向回轉關節的筒形基座外壁通過直角彎折板固連構成可轉動連接。
[0011]作為本發明的一種實施方式，所述支承組件包括軸承和軸承座，所述減速器部分伸入旋轉外殼內成為減速器的伸出部，所述軸承座套裝在所述減速器的伸出部上，所述軸承座分別與所述筒形基座、減速器的機殼固定連接，所述軸承套于所述軸承座上，所述旋轉外殼套于所述軸承上，所述減速器的動力輸出端伸入所述連接法蘭并固接。
[0012]本發明所述回轉關節還包括軸承端蓋和墊片，所述軸承包括第一角接觸球軸承和第二角接觸球軸承，所述軸承座的外表面圓周設有限位凸條，第一、二角接觸球軸承分布在所述限位凸條的兩側，所述連接法蘭的內面圓周設有限位凸緣，所述第一角接觸球軸承限位在所述限位凸條和限位凸緣之間；所述軸承端蓋為圓環形，其橫截面是一對朝向內垂直彎折的截面，即形成豎向環面和水平環面，所述軸承端蓋位于筒形基座和旋轉外殼之間，且所述軸承端蓋的豎向環面與所述旋轉外殼的端面固定連接，所述水平環面伸入旋轉外殼內頂觸在第二角接觸球軸承上，將第二角接觸球軸承限位在軸承端蓋與限位凸條之間。角接觸球軸承能夠承載軸向載荷和徑向載荷，避免減速器的動力輸出軸承受除扭矩外的其它載荷，提高了回轉關節的剛度。
[0013]作為本發明的一種推薦實施方式，所述清掃裝置包括第一連接卡環、第一舵機、清掃連桿和毛刷，所述第一舵機固定在清掃連桿的上端上，所述毛刷安裝在清掃連桿的下端，所述第一連接卡環包括一對夾持臂，每個夾持臂由夾持部和板狀的連接部組成，兩個夾持臂的連接部相對扣合住所述第一舵機并固定，兩個夾持臂的夾持部合圍成夾口夾持在所述行走回轉關節的筒形基座外壁上，位于清掃裝置上的控制單元安裝在所述清掃裝置的夾持臂上。通過機器人本體攀爬，配合清掃系統的運行，能實現機器人對金屬零部件的清掃。
[0014]作為本發明的一種推薦實施方式，所述探傷裝置包括第二連接卡環、第二舵機、導向筒、螺桿、進給筒和設置在進給筒下端的超聲波探頭，所述第二舵機固定在所述導向筒的上端，所述第二連接卡環包括一對夾持臂，每個夾持臂由夾持部和板狀的連接部組成，兩個夾持臂的連接部相對扣合住所述第二舵機并固定，兩個夾持臂的夾持部合圍成夾口夾持在行走回轉關節的筒形基座外壁上；所述螺桿向上伸入所述導向筒內且其上端與所述第二舵機的動力輸出端連接，所述進給筒套于所述螺桿上且二者為螺紋配合；所述導向筒的下部設有長形限位孔，所述進給筒的外壁上部設有限位塊，所述限位塊位于所述長形限位孔中以限位進給筒的行程。
[0015]本發明所述電力金屬部件清掃探傷機器人還包括安裝在機器人本體上用于激發超聲波進行探傷的信號激勵和數據采集器，所述超聲波探頭連接在一懸掛彈簧的下端上，懸掛彈簧的上端固定在安裝于進給筒的下端的呈空心殼體的探頭安裝架內，所述探頭安裝架的側面設有用于添加耦合劑的開孔，所述探頭安裝架的內壁上設有引流槽，所述引流槽由主槽和與主槽相通的分支槽組成，所述主槽與開孔直接連通，所述分支槽將耦合劑引流至超聲波探頭上。使得超聲波探頭在進行探傷時能保持與電力金屬部件間一定的耦合劑，較好的解決探傷中需要耦合的問題。
[0016]作為本發明的一種推薦實施方式，所述電磁吸盤包括上殼、下蓋板、線圈和防塵器，所述上殼是內部中間設有中空豎軸的蓋體，在所述蓋體中形成一環形安裝腔，所述線圈纏繞在所述中空豎軸上并位于所述環形安裝腔中，所述下蓋板是中部開孔的板體，所述下蓋板扣合固定在所述上殼的下端上，所述下蓋板的中部開孔與所述上殼的中空豎軸對接連通；所述環形安裝腔的下端內緣設有環形凹槽，所述防塵器安裝在所述凹槽中；所述電力金屬部件清掃探傷機器人還包括設置在機器人本體上的位姿或力/力矩傳感器，所述力/力矩傳感器包括六維力/力矩傳感器，所述六維力/力矩傳感器設置在電磁吸盤與行走回轉關節之間，所述六維力/力矩傳感器固定在磁力吸盤上殼的上表面上，所述連接法蘭的中心通孔為管形通道，管形通道向下穿入六維力/力矩傳感器的中心孔中固定，將六維力/力矩傳感器固定在行走回轉關節和電磁吸盤之間。六維力/力矩傳感器用于檢測沿傳感器坐標系X、y、z三軸的力和繞X、1、z三軸的力矩，因此，可以檢測機器人本體行走部分與外部環境相互接觸所承受的力和力矩的大小和方向，為機器人控制提供力傳感信息。
[0017]作為本發明的一種推薦方式，所述控制系統還包括遠程控制端，所述總控制單元為嵌入式計算機主板，所述嵌入式計算機主板通過無線局域網絡與遠程控制端進行通信連接，各控制單元通過CAN總線接收來自嵌入式計算機主板控制指令，向各伺服電機和舵機發送各種控制信指令，完成對各伺服電機和舵機的反饋控制和起停控制；采集卡通過PC/104總線將位姿或力/力矩傳感器采集的信號傳輸給嵌入式計算機主板，嵌入式計算機主板對這些信號進行算法處理；通過嵌入式計算機主板控制信號激勵和數據采集器，激發超聲波探頭進行探傷，同時將探傷到的回波信號數據進行采集。所述控制系統的嵌入式計算機主板是機器人控制的核心，通過CAN總線完成所有的控制功能，通過PC/104總線將各種傳感器采集的信號傳回嵌入式計算機主板。
[0018]與現有技術相比，本發明具有如下顯著的效果:
[0019]⑴本發明采用電磁吸盤吸附定位，在電力金屬部件上具有很強的攀爬能力，能實現多種步態攀附，可在較復雜的作業環境中進行越障和壁間的過渡，本發明將無損檢測技術與機器人技術相集成，對電力金屬部件進行清掃和檢測，特別是對于小徑管道、不連續或者交錯連接的電力金屬部件等進行探傷時，這種優勢十分明顯。
[0020]⑵本發明各回轉關節采用串聯式連接，在各回轉關節中設計統一接口，通過連接法蘭和連接板依次相連，安裝拆卸簡單也易于定位，改變回轉關節和連接法蘭的數量，即可得到多種機器人構型；同時回轉關節的控制單元采用插拔式的連接器，易于控制系統的走線和安裝。
[0021]⑶本發明各回轉關節由機械結構和控制單元組成，使得各回轉關節模塊化，結構輕巧，裝配、構型和拆卸簡單易行，配合清掃裝置和探傷裝置，可完成在復雜的作業環境中實現人工所無法進行的清掃和探傷作業，使得清掃和探傷自動化進行，提高了工作效率和探傷的可靠性。
[0022]⑷本發明多模塊化的構型，包括獨立封裝的回轉關節和兩個用于攀附的電磁吸盤，結構和控制單元的模塊化，使得機器人具有較強的可構型性，可通過方便迅速的拆卸，組成多個自由度的機器人，同時也便于各個獨立單元的控制。
[0023](5)本發明體積小、質量輕、結構簡單、靈活性強，可適應于多種復雜電力系統金屬部件作業環境。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0025]圖1是本發明的整體結構示意圖；
[0026]圖2是本發明的結構爆炸示意圖；
[0027]圖3是回轉關節的立體結構示意圖；
[0028]圖4是回轉關節的軸向剖視圖(去除封裝蓋板和連接器)；
[0029]圖5是圖3中回轉關節的俯視圖；
[0030]圖6是清掃裝置的整體結構示意圖；
[0031]圖7是清掃裝置的結構爆炸圖；
[0032]圖8是探傷裝置的整體結構圖；
[0033]圖9是探傷裝置的結構爆炸圖；
[0034]圖10是探頭安裝架的剖視圖；
[0035]圖11是電磁吸盤的軸向剖視圖；
[0036]圖12是本發明控制系統的總體框圖；
[0037]圖13(a)?13(d)是本發明攀爬、清掃和探傷的示意圖；
[0038]圖14(a)?14(c)是本發明以一種步態越障攀越的示意圖；
[0039]圖15(a)?15(e)是本發明以另一種步態越障攀越的示意圖。
【具體實施方式】
[0040]如圖1、2所示，是本發明一種電力金屬部件清掃探傷機器人，包括機器人本體、清掃裝置I1、探傷裝置III和控制系統，機器人本體包括至少三個平行排布且縱向設置的柱形的縱向回轉關節、兩個與縱向回轉關節相垂直的柱形的行走回轉關節1-1、1-5、一對電磁吸盤V1-UV1-2和至少四塊連接板，各縱向回轉關節之間通過與其中至少兩塊連接板固連構成可轉動連接，行走回轉關節的上端通過另外兩塊連接板與位于兩側的縱向回轉關節固連構成可轉動連接使各回轉關節串聯成一體，行走回轉關節1-1、1-5可沿豎向平面旋轉，電磁吸盤V1-1、V1-2分別固定在行走回轉關節的下端上，清掃裝置II和探傷裝置III分別安裝在行走回轉關節的柱身上；控制系統包括安裝在機器人本體上的總控制單元和分別安裝在各回轉關節、清掃裝置和探傷裝置上的控制單元，總控制單元向位于各回轉關節中的控制單元發出指令以控制各回轉關節動作實現機器人本體的伸展和收縮，同時調整電磁吸盤的位置，且總控制單元向位于清掃裝置和探傷裝置上的控制單元發出指令以控制清掃裝置和探傷裝置工作。
[0041]在本實施例中，縱向回轉關節為三個，分別是1-2，1-3，1-4，行走回轉關節分別是1-1、1-5，具有五個自由度。連接板是4 ±夾，如圖3?5所示，縱向回轉關節和行走回轉關節的結構相同，均包括筒形基座1、封堵住筒形基座I 一端的封裝蓋板0-1、設有編碼器的伺服電機8、減速器、位于筒形基座I另一端外的筒形的旋轉外殼12和固定在旋轉外殼12外端上的連接法蘭13，伺服電機具有體積小、響應快、過載能力大、調速范圍寬、波動小、后端可搭載編碼器構成半閉環等優點。設有編碼器的伺服電機8位于筒形基座I中的前部，減速器采用行星齒輪減速器9，行星齒輪減速器9的動力輸入端與伺服電機8的動力輸出端相連，行星齒輪減速器9的動力輸出端與連接法蘭13固定連接，在旋轉外殼12與行星齒輪減速器9之間設有用于支撐旋轉外殼12的支承組件；設置在回轉關節內的控制單元包括用于連接電源/信號線的連接器0-2、分別與連接器0-2相連的第一控制器2和第二控制器7，連接器0-2采用D型連接器，連接器0-2插裝在封裝蓋板0-1上，第一控制器2豎向安裝在筒形基座I內的后部，第二控制器7橫向安裝在筒形基座I中的前部且位于伺服電機的外圍。第一控制器2的具體安裝是:筒形基座I外壁開有溝形槽，圓周懸掛安裝架3插入筒形基座I的溝形槽內，兩端通過第一圓柱頭螺釘4與筒形基座I軸向固接而懸掛在筒形基座I內，第一控制器2固接在圓周懸掛安裝架上，構成控制器圓周搭載裝置；第二控制器7的具體安裝是:軸向安裝架6橫置在筒形基座I內，通過第二圓柱頭螺釘5與筒形基座I徑向固接而懸掛在筒形基座I內，第二控制器7固接在軸向安裝架6上，構成控制器軸向搭載裝置。通過搭載的控制單元實現運動傳輸和力矩控制。兩套控制單元搭載裝置具有結構簡單、方便連接和拆卸，并可以根據實際需要搭載不同控制系統的優點，能真正意義上實現機器人結構和控制一體的模塊化結構。
[0042]用于連接縱向回轉關節的連接板是長形直板V-1，該長形直板兩端分設有安裝孔，其中兩個相鄰的縱向回轉關節1-3，1-4分別通過連接法蘭13與其中一個長形直板的兩端連接固連構成可轉動連接，另一個縱向回轉關節1-2的旋轉外殼通過連接法蘭和上述之一的縱向回轉關節1-3的筒形基座I外壁分別與另一個長形直板的兩端固連構成可轉動連接；用于連接行走回轉關節和縱向回轉關節的連接板是直角彎折板V-2，行走回轉關節的筒形基座I外壁與位于兩側的縱向回轉關節的的筒形基座I外壁通過直角彎折板V-2固連構成可轉動連接。
[0043]支承組件包括軸承和軸承座16，減速器部分伸入旋轉外殼12內成為減速器的伸出部，軸承座套裝在減速器的伸出部上，軸承座分別與筒形基座I和減速器的機殼固定連接，軸承套于軸承座16上，旋轉外殼12套于軸承上，減速器的動力輸出端伸入連接法蘭13通過緊定螺釘15連接。
[0044]回轉關節還包括軸承端蓋10和墊片11，軸承包括第一角接觸球軸承14和第二角接觸球軸承19，軸承座16的外表面圓周設有限位凸條18，第一、二角接觸球軸承14、19分布在限位凸條18的兩側，連接法蘭13的內面圓周設有限位凸緣17，第一角接觸球軸承14限位在限位凸條18和限位凸緣17之間；軸承端蓋10為圓環形，其橫截面是一對朝向內垂直彎折的截面，即形成豎向環面和水平環面，軸承端蓋10位于筒形基座I和旋轉外殼12之間，且軸承端蓋10的豎向環面與旋轉外殼12的端面固定連接，水平環面伸入旋轉外殼12內頂觸在第二角接觸球軸承19上，將第二角接觸球軸承19限位在軸承端蓋10與限位凸條18之間。
[0045]如圖6、7所示，清掃裝置包括第一連接卡環2-3、第一舵機2_2、第一舵盤2_5、清掃連桿2-6和毛刷2-7，第一舵機2-2通過第一舵盤2-5由螺釘2_4固定在清掃連桿2_6的上端上，第一舵機2-2輸出軸與第一舵盤2-5通過齒形花鍵孔連接，毛刷2-7安裝在清掃連桿2-6的下端，第一連接卡環包括一對夾持臂，每個夾持臂由夾持部和板狀的連接部組成，兩個夾持臂的連接部相對扣合住第一舵機通過螺釘2-1固定，兩個夾持臂的夾持部合圍成夾口夾持在行走回轉關節1-5的筒形基座I外壁上，位于清掃裝置上的控制單元安裝在清掃裝置的夾持臂上(圖中未畫出)。清掃裝置的動力驅動來自第一舵機2-2。清掃裝置通過第一舵機2-2輸出軸帶動第一舵盤2-5轉動，第一舵盤2-5驅動清掃連桿2-6轉動，清掃連桿2-6 —端圓盤上的毛刷2-7實現對電力金屬部件的清掃。
[0046]如圖8?10所示，探傷裝置包括第二連接卡環3-3、第二舵機3_2、第二舵盤3_4、螺盤3-9、導向筒3-5、螺桿3-6、進給筒3-12、設置在進給筒下端的超聲波探頭3_14和安裝在機器人本體上用于激發超聲波進行探傷的信號激勵和數據采集器，超聲波探頭3-14連接在一懸掛彈簧3-13的下端上，懸掛彈簧3-13的上端固定在通過螺釘3-7安裝于進給筒3-12的下端的呈空心殼體的探頭安裝架3-8內，超聲波探頭3-14通過懸掛彈簧3_13懸掛在探頭安裝架的夾持槽21中，第二舵機3-2固定在導向筒3-5的上端，具體是:第二舵機3-2輸出軸與第二舵盤3-4通過齒形花鍵孔連接，螺盤3-9通過螺釘3-10與第二舵盤3_4固連，用于動力傳輸；導向筒3-5通過螺釘3-11與第二連接卡環3-3下端固連。第二連接卡環
3-3包括一對夾持臂，每個夾持臂由夾持部和板狀的連接部組成，兩個夾持臂的連接部相對扣合住第二舵機通過螺釘3-1固定，兩個夾持臂的夾持部合圍成夾口夾持在行走回轉關節1-1的筒形基座I外壁上。螺桿3-6向上伸入導向筒3-5內且其上端與第二舵機3-2的動力輸出端連接，進給筒3-12套于螺桿3-6上且二者為螺紋配合，導向筒3-5的下部設有長形限位孔，進給筒3-12的外壁上部設有限位塊3-15，限位塊3-15位于長形限位孔中以限位進給筒的行程。位于探傷裝置上的控制單元安裝在探傷裝置的夾持臂上(圖中未畫出)。
[0047]參見圖10，探頭安裝架3-8的側面上設有用于添加耦合劑的開孔20，開孔20連接外部的耦合劑輸送管道，探頭安裝架3-8的內壁上設有引流槽，引流槽由主槽22和與主槽相通的分支槽23組成，主槽22與開孔20直接連通，分支槽23將耦合劑引流至超聲波探頭上。
[0048]探傷裝置的工作過程如下:通過第二舵機3-2帶動第二舵盤3-4旋轉，第二舵盤
3-4驅動螺桿3-6旋轉，螺桿3-6通過導向筒3-5和進給筒3_12實現上下抬升運動，螺桿的上下抬升運動帶動探頭安裝架3-8和超聲波探頭3-14的上下抬升運動。這樣，當電力金屬部件清掃探傷機器人在攀爬過程中，探傷系統抬升，完成探頭的抬放，保證探頭能夠跨越一定高度障礙；當到指定電力金屬部件進行檢測時，通過一端電磁吸盤沿電力金屬部件平行運動，可實現對電力金屬部件的定點或直線掃查，且通過安裝在超聲波探頭3-14上的懸掛彈簧3-13，能起到對探頭抬放過程中的緩沖和與對金屬管道表面進行有效貼合作用。同時，在探頭安裝架3-8上設有用于添加耦合劑的孔位及引流槽，通過外部引入耦合劑，使得超聲波探頭在進行探傷時能保持與電力金屬部件間一定的耦合劑，較好的解決探傷中需要耦合的問題。該探傷裝置解決了自動化無損檢測中探頭安裝、避障、耦合劑添加的問題，能有效對電力金屬部件進行無損探傷。
[0049]如圖11所示，電磁吸盤V1-UV1-2包括上殼4-1、下蓋板4-4、線圈4_2和防塵器
4-3，上殼4-1是內部中間設有中空豎軸的蓋體，在蓋體中形成一環形安裝腔，線圈4-2纏繞在中空豎軸上并位于環形安裝腔中，下蓋板4-4是中部開孔的板體，下蓋板4-4扣合固定在上殼4-1的下端上，下蓋板4-4的中部開孔與上殼4-1的中空豎軸對接連通；環形安裝腔的下端內緣設有環形凹槽，防塵器4-3安裝在凹槽中。當線圈通電瞬時，由于空氣間隙的存在，磁阻較大，線圈的電感和啟動電流很大，這時產生磁性吸力將電力金屬部件吸住；當斷電后，磁吸力消失將工件松開。通過電磁吸盤的通電與斷電，實現電磁吸盤對電力金屬部件的吸附和松開，配合5個單自由度的回轉關節模塊運動，實現機器人的在空間內的自由攀爬。
[0050]本發明機器人還包括設置在機器人本體上的位姿或力/力矩傳感器，力/力矩傳感器包括六維力/力矩傳感器V1-3，參見圖1，六維力/力矩傳感器V1-3設置在電磁吸盤與行走回轉關節之間，六維力/力矩傳感器V1-3固定在磁力吸盤上殼的上表面上，連接法蘭13的中心通孔為管形通道，管形通道向下穿入六維力/力矩傳感器的中心孔中固定，將六維力/力矩傳感器V1-3固定在行走回轉關節和電磁吸盤之間。
[0051]如圖12所示，控制系統還包括遠程控制端，總控制單元為嵌入式計算機主板，嵌入式計算機主板通過無線局域網絡與遠程控制端進行通信連接，各控制單元通過CAN總線接收來自嵌入式計算機主板控制指令，向各伺服電機和舵機發送各種控制信指令，完成對各伺服電機和舵機的反饋控制和起停控制；采集卡通過PC/104總線將位姿或力/力矩傳感器采集的信號傳輸給嵌入式計算機主板，嵌入式計算機主板對這些信號進行算法處理，通過嵌入式計算機主板控制信號激勵和數據采集器，激發超聲波探頭進行探傷，同時將探傷到的回波信號數據進行采集。控制系統的嵌入式計算機主板是機器人控制的核心，通過CAN總線完成所有的控制功能，通過PC/104總線把各種傳感器采集的信號傳回嵌入式計算機主板。遠程控制端通過計算機主板實現對機器人攀爬、清掃和探傷及其數據采集傳輸一系列指令，實現集中管理分散控制的理念。
[0052]控制設計采用分布式控制方式。該控制方式采用集中管理和分散控制的思想，具有良好的開放性和擴展性，更能適應電力金屬部件清掃探傷機器人多功能的應用要求。分布式控制系統的核心思想是集中管理、分布控制，即控制與管理分離。上位機用于集中監視管理功能，下位機分散到現場實現分布控制，上下位機之間通過控制網絡互連以實現信息傳輸。由于控制功能在下位機分散實現，各下位機可實現并行工作，大大提高了整個系統的處理速度和能力。顯然，分布式控制系統有如下明顯的優點:實現集中監控和管理，管理與現場分離，管理更能綜合化和系統化；實現分散控制，可使各功能模塊的設計、裝配、調試、維護獨立，系統控制的危險性分散，可靠性提高，投資減小；采用網絡通信技術，可根據需要增加以微處理器為核心的功能模塊，具有良好的系統開放性、擴展性和升級特性。
[0053]本發明機器人攀爬、清掃和探傷示意圖，如圖13(a)?13(d)所示。其過程為:
[0054]1.如圖13(a)所示，本發明機器人位于起始位置，此狀態下，電磁吸盤IV_1、電磁吸盤IV-2通電，機器人吸盤在電力金屬部件上；清掃裝置II處于不工作狀態；探傷裝置III的抬升裝置在電機帶動處于收縮狀態。
[0055]2.如圖13(b)所示，本發明機器人的電磁吸盤IV-2斷電，機器人回轉關節1-2、回轉關節1-3、回轉關節1-4回轉運動，此時機器人一端將沿電力金屬部件前行，到達指定位置，此時機器人處于收縮狀態。
[0056]3.如圖13(c)所示，當本發明機器人到達指定位置時，電磁吸盤IV-2通電，電磁吸盤IV-1斷電，機器人回轉關節1-2、回轉關節1-3、回轉關節1-4回轉運動，且清掃裝置II的電機運轉，帶動清掃毛刷轉動。此時機器人由收縮狀態向伸展狀態運動，機器人一端將沿電力金屬部件清掃前行。
[0057]4.如圖13(d)所示，當清掃結束時，清掃系統II電機停止運作，磁吸盤IV-1通電，電磁吸盤IV-2斷電，機器人回轉關節1-2、回轉關節1-3、回轉關節1-4回轉運動，探傷系統抬升裝置運行，探頭下放，此時機器人由收縮狀態向伸展狀態運動，探頭進行定點或者直線掃查探傷。
[0058]本發明機器人以一種步態越障攀越，如圖14(a)?14(c)所示，其過程為:
[0059]1.如圖14(a)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人位于起始位置，此狀態下，電磁吸盤IV-1、電磁吸盤IV-2通電，機器人吸附在電力金屬部件上；清掃系統II處于不工作狀態；探傷系統III的抬升裝置在電機帶動處于收縮狀態。
[0060]2.如圖14(b)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人進行越障攀越，電磁吸盤IV-2通電，電磁吸盤IV-1斷電，機器人回轉關節1-5回轉，帶動機器人本體向前旋轉，到達指定位置。
[0061]3.如圖14(c)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人進行越障攀越，電磁吸盤IV-1通電，電磁吸盤IV-2斷電，機器人回轉關節1-1回轉，帶動機器人本體向后旋轉，到達指定位置。此時，機器人整體越障攀越完成。
[0062]4.電力金屬部件清掃探傷機器人越障后，進行清掃檢測作業步驟同13(a)?13(d)。
[0063]如圖15(a)?15(e)所示，本發明以另一種步態越障攀越示意圖二，其過程為:
[0064]1.如圖15(a)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人位于起始位置，此狀態下，電磁吸盤IV-1、電磁吸盤IV-2通電，機器人吸附在電力金屬部件上；清掃系統II處于不工作狀態；探傷系統III的抬升裝置在電機帶動處于收縮狀態。
[0065]2.如圖15(b)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人進行越障攀越，電磁吸盤IV-2通電，電磁吸盤IV-1斷電,機器人回轉關節1-2、回轉關節1-4回轉,帶動機器人電磁吸盤IV-1整體抬升，到達指定位置。
[0066]3.如圖15(c)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人進行越障攀越，電磁吸盤IV-2保持通電，電磁吸盤IV-1斷電，機器人回轉關節1-1、回轉關節1-3、回轉關節1-4回轉，帶動機器人電磁吸盤IV-1接觸到上方電力金屬部件,此時電磁吸盤IV-1通電，吸附住上方電力金屬部件。
[0067]4如圖15(d)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人進行越障攀越，電磁吸盤IV-1保持通電，電磁吸盤IV-2斷電，機器人回轉關節1-2、回轉關節1-4回轉，帶動機器人電磁吸盤IV-2脫離下方電力金屬部件，到達指定位置。
[0068]5如圖15(e)所示，電力金屬部件清掃探傷機器人進行越障攀越，電磁吸盤IV-1保持通電，機器人回轉關節1-3、回轉關節1-4、回轉關節1-5回轉，帶動機器人電磁吸盤IV-2接觸到上方電力金屬部件，電磁吸盤IV-2通電，吸附住上方電力金屬部件。此時，機器人整體越障攀越完成。
[0069]6.電力金屬部件清掃探傷機器人越障后，進行清掃檢測作業步驟同圖13(a)?13(d)。
[0070]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種電力金屬部件清掃探傷機器人，包括機器人本體、清掃裝置、探傷裝置和控制系統，其特征在于:所述機器人本體包括至少三個平行排布且縱向設置的柱形的縱向回轉關節、兩個與縱向回轉關節相垂直的柱形的行走回轉關節、一對電磁吸盤和至少四塊連接板，各縱向回轉關節之間通過與其中至少兩塊連接板固連構成可轉動連接，所述行走回轉關節的上端通過另外兩塊連接板與位于兩側的縱向回轉關節固連構成可轉動連接使各回轉關節串聯成一體，其中，所述行走回轉關節可沿豎向平面旋轉，所述電磁吸盤分別固定在行走回轉關節的下端上，所述清掃裝置和探傷裝置分別安裝在所述行走回轉關節的柱身上；所述控制系統包括安裝在機器人本體上的總控制單元和分別安裝在各回轉關節、清掃裝置和探傷裝置上的控制單元，總控制單元向位于各回轉關節中的控制單元發出指令以控制各回轉關節動作實現機器人本體的伸展和收縮，同時調整電磁吸盤的位置，且總控制單元向位于清掃裝置和探傷裝置上的控制單元發出指令以控制清掃裝置和探傷裝置工作。
2.根據權利要求1所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述縱向回轉關節和行走回轉關節均分別包括筒形基座、封堵住筒形基座一端的封裝蓋板、設有編碼器的伺服電機、減速器、位于筒形基座另一端外的筒形的旋轉外殼和固定在旋轉外殼外端上的連接法蘭，設有編碼器的伺服電機位于筒形基座中的前部，所述減速器的動力輸入端與伺服電機的動力輸出端相連，所述減速器的動力輸出端與連接法蘭連接，在所述旋轉外殼與減速器之間設有用于支撐旋轉外殼的支承組件；設置在回轉關節內的控制單元包括用于連接電源/信號線的連接器、分別與連接器相連的第一控制器和第二控制器，所述連接器插裝在封裝蓋板上，所述第一控制器豎向安裝在所述筒形基座中的后部，所述第二控制器橫向安裝在所述筒形基座中的前部且位于伺服電機的外圍。
3.根據權利要求2所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述縱向回轉關節為三個，用于連接縱向回轉關節的連接板是長形直板，該長形直板兩端分設有安裝孔，其中兩個相鄰的縱向回轉關節的旋轉外殼分別通過連接法蘭與其中一個長形直板的兩端連接固連構成可轉動連接，另一個縱向回轉關節的旋轉外殼通過連接法蘭和上述之一的縱向回轉關節的筒形基座外壁分別與另一個長形直板的兩端固連構成可轉動連接；用于連接豎向回轉關節和行走回轉關節的連接板是直角彎折板，所述行走回轉關節的筒形基座外壁分別與位于兩側的縱向回轉關節的筒形基座外壁通過直角彎折板固連構成可轉動連接。
4.根據權利要求3所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述支承組件包括軸承和軸承座，所述減速器部分伸入旋轉外殼內成為減速器的伸出部，所述軸承座套裝在所述減速器的伸出部上，所述軸承座分別與所述筒形基座、減速器的機殼固定連接，所述軸承套于所述軸承座上，所述旋轉外殼套于所述軸承上，所述減速器的動力輸出端伸入所述連接法蘭并固接。
5.根據權利要求4所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述回轉關節還包括軸承端蓋和墊片，所述軸承包括第一角接觸球軸承和第二角接觸球軸承，所述軸承座的外表面圓周設有限位凸條，第一、二角接觸球軸承分布在所述限位凸條的兩側，所述連接法蘭的內面圓周設有限位凸緣，所述第一角接觸球軸承限位在所述限位凸條和限位凸緣之間；所述軸承端蓋為圓環形，其橫截面是一對朝向內垂直彎折的截面，即形成豎向環面和水平環面，所述軸承端蓋位于筒形基座和旋轉外殼之間，且所述軸承端蓋的豎向環面與所述旋轉外殼的端面固定連接，所述水平環面伸入旋轉外殼內頂觸在第二角接觸球軸承上，將第二角接觸球軸承限位在軸承端蓋與限位凸條之間。
6.根據權利要求2?5任一項所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述清掃裝置包括第一連接卡環、第一舵機、清掃連桿和毛刷，所述第一舵機固定在清掃連桿的上端上，所述毛刷安裝在清掃連桿的下端，所述第一連接卡環包括一對夾持臂，每個夾持臂由夾持部和板狀的連接部組成，兩個夾持臂的連接部相對扣合住所述第一舵機并固定，兩個夾持臂的夾持部合圍成夾口夾持在所述行走回轉關節的筒形基座外壁上，位于清掃裝置上的控制單元安裝在所述清掃裝置的夾持臂上。
7.根據權利要求6所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述探傷裝置包括第二連接卡環、第二舵機、導向筒、螺桿、進給筒和設置在進給筒下端的超聲波探頭，所述第二舵機固定在所述導向筒的上端，所述第二連接卡環包括一對夾持臂，每個夾持臂由夾持部和板狀的連接部組成，兩個夾持臂的連接部相對扣合住所述第二舵機并固定，兩個夾持臂的夾持部合圍成夾口夾持在行走回轉關節的筒形基座外壁上；所述螺桿向上伸入所述導向筒內且其上端與所述第二舵機的動力輸出端連接，所述進給筒套于所述螺桿上且二者為螺紋配合；所述導向筒的下部設有長形限位孔，所述進給筒的外壁上部設有限位塊，所述限位塊位于所述長形限位孔中以限位進給筒的行程。
8.根據權利要求7所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述電力金屬部件清掃探傷機器人還包括安裝在機器人本體上用于激發超聲波進行探傷的信號激勵和數據采集器，所述超聲波探頭連接在一懸掛彈簧的下端上，懸掛彈簧的上端固定在安裝于進給筒的下端的呈空心殼體的探頭安裝架內，所述探頭安裝架的側面設有用于添加耦合劑的開孔，所述探頭安裝架的內壁上設有引流槽，所述引流槽由主槽和與主槽相通的分支槽組成，所述主槽與開孔直接連通，所述分支槽將耦合劑引流至超聲波探頭上。
9.根據權利要求8所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述電磁吸盤包括上殼、下蓋板、線圈和防塵器，所述上殼是內部中間設有中空豎軸的蓋體，在所述蓋體中形成一環形安裝腔，所述線圈纏繞在所述中空豎軸上并位于所述環形安裝腔中，所述下蓋板是中部開孔的板體，所述下蓋板扣合固定在所述上殼的下端上，所述下蓋板的中部開孔與所述上殼的中空豎軸對接連通；所述環形安裝腔的下端內緣設有環形凹槽，所述防塵器安裝在所述凹槽中；所述電力金屬部件清掃探傷機器人還包括設置在機器人本體上的位姿或力/力矩傳感器，所述力/力矩傳感器包括六維力/力矩傳感器，所述六維力/力矩傳感器設置在電磁吸盤與行走回轉關節之間，所述六維力/力矩傳感器固定在磁力吸盤上殼的上表面上，所述連接法蘭的中心通孔為管形通道，管形通道向下穿入六維力/力矩傳感器的中心孔中固定，將六維力/力矩傳感器固定在行走回轉關節和電磁吸盤之間。
10.根據權利要求9所述的電力金屬部件清掃探傷機器人，其特征在于:所述控制系統還包括遠程控制端，所述總控制單元為嵌入式計算機主板，所述嵌入式計算機主板通過無線局域網絡與遠程控制端進行通信連接，各控制單元通過CAN總線接收來自嵌入式計算機主板控制指令，向各伺服電機和舵機發送各種控制信指令，完成對各伺服電機和舵機的反饋控制和起停控制；采集卡通過PC/104總線將位姿或力/力矩傳感器采集的信號傳輸給嵌入式計算機主板，嵌入式計算機主板對這些信號進行算法處理；通過嵌入式計算機主板控制信號激勵和數據采集器，激發超聲波探頭進行探傷，同時將探傷到的回波信號數據進行采集；所述控制系統的嵌入式計算機主板是機器人控制的核心，通過CAN總線完成所有的控制功能，通過PC/104總線將各種傳感器采集的信號傳回嵌入式計算機主板。
【文檔編號】G01N29/04GK104149083SQ201410279726
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年6月21日 優先權日:2014年6月21日
【發明者】鐘萬里, 游凡, 王偉, 鐘力強, 梁永純, 李文勝, 謝濤, 肖曉暉 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 武漢大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
