一种电力金属部件清扫探伤机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力金属部件清扫探伤机器人，各纵向回转关节通过连接板固连构成可转动连接，行走回转关节的上端通过连接板与位于两侧的纵向回转关节固连构成可转动连接使各回转关节串联成一体，电磁吸盘固定在行走回转关节的下端上；总控制单元向位于各回转关节中的控制单元发出指令以控制各回转关节动作实现机器人本体的伸展和收缩，同时调整电磁吸盘的位置，且总控制单元向位于清扫装置和探伤装置上的控制单元发出指令以控制清扫装置和探伤装置工作。本发明采用电磁吸盘吸附定位，可实现在不同作业环境下的多种攀爬步态，并对电力金属部件进行清扫和检测，特别适用于对小径管道、不连续或者交错连接的电力金属部件等探伤。
【专利说明】一种电力金属部件清扫探伤机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机器人，特别涉及一种电力金属部件清扫探伤机器人。
【背景技术】
[0002]现今，纵横交错的管道铺设于世界各地，日常生活的自来水、供热系统、供电系统、化工领域的石油、天热气传输等都离不开管道这一媒介。管道在给人类生产、生活创造便利的同时也带来了新的问题。由于环境腐蚀、材料老化、作业条件影响等原因，不少管道存在清洁困难、管道裂纹、凹坑等缺陷而致难以监测的问题，这就对管道的维护、监测和除尘等提出较高要求。在电力系统中，我国主要采用火力发电，火力发电厂在基建安装后的运行过程中需要定期做停机检测。受电站运行环境影响，管道在运行中会出现裂纹、腐蚀等缺陷，为保障电站的安全运行，成千上万的管道需要进行探伤。如不及时检测发现这些缺陷，将会对人们的生命财产安全造成无法估计的损失。
[0003]目前，我国电力系统金属零部件的检测主要依靠人工进行，存在高危险、检测效率低、检测范围受限等问题，造成电力金属部件(例如管道和联箱等)的漏检、误检等问题，给电力系统安全运行带来隐患。为了有效检测电力系统的金属部件，需要研发高效、可靠、高精度的检测手段和自动化检测载体，以便为电力生产的安全性与可靠性提供技术保障。
[0004]针对上述问题，我国近年来所开展的利用机器人对金属部件进行探伤的研究取得了一定的成果。发明专利CN101887137B公开了一种轮式X射线探伤机器人装置，该装置由X射线探伤装置、远程无线传输装置、计算机控制装置、差分GPS卫星定位装置等组成，主要针对管道焊缝质量进行检测；发明专利CN101537614公开了一种管道清洁及检测机器人，包括移动小车和安装在该小车上的清洗作业装置，在小车尾部还安装有检测和定位导向装置。
[0005]虽然，上述机器人均具有一定的行走、攀爬和探伤的功能，但由于机器人受其自身机械机构所限(多数采用轮式、履带式等)，机器人在空间运动的自由度受到极大的限制，往往在复杂的电力系统金属部件作业环境中进行检测时，无法在空间内进行自由攀爬和无损探伤，特别是对于小径管道、不连续或者交错连接的电力金属部件等进行探伤时，这种缺陷尤为明显。另外，现有机器人的功能较为单一，例如在灰尘或者障碍物较多的环境中，无法进行有效清理和运行，且检测手段精度较低。而且，由于机器人自身机构的复杂性，导致了系统结构和控制的复杂性，增大了机器人平衡和爬行的困难程度，从而无法有效针对作业环境进行运动规划以完成有效检测。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种能够在电力金属部件特定作业环境中自由爬行、对电力金属部件进行清扫和无损探伤、实现有效检测的电力金属部件清扫探伤机器人。
[0007]本发明的上述目的是通过以下的技术措施来实现的:一种电力金属部件清扫探伤机器人，包括机器人本体、清扫装置、探伤装置和控制系统，其特征在于:所述机器人本体包括至少三个平行排布且纵向设置的柱形的纵向回转关节、两个与纵向回转关节相垂直的柱形的行走回转关节、一对电磁吸盘和至少四块连接板，各纵向回转关节之间通过与其中至少两块连接板固连构成可转动连接，所述行走回转关节的上端通过另外两块连接板与位于两侧的纵向回转关节固连构成可转动连接使各回转关节串联成一体，其中，所述行走回转关节可沿竖向平面旋转，所述电磁吸盘分别固定在行走回转关节的下端上，所述清扫装置和探伤装置分别安装在所述行走回转关节的柱身上；所述控制系统包括安装在机器人本体上的总控制单元和分别安装在各回转关节、清扫装置和探伤装置上的控制单元，总控制单元向位于各回转关节中的控制单元发出指令以控制各回转关节动作实现机器人本体的伸展和收缩，同时调整电磁吸盘的位置，且总控制单元向位于清扫装置和探伤装置上的控制单元发出指令以控制清扫装置和探伤装置工作。
[0008]本发明采用电磁吸盘吸附定位，并将无损检测技术与机器人技术相集成，可以实现在不同作业环境下的多种攀爬步态，并对电力金属部件进行清扫和检测，特别是对于小径管道、不连续或者交错连接的电力金属部件等进行探伤时，这种优势十分明显。另外，本发明的体积小、质量轻、结构简单、灵活性强，可适应于多种复杂电力系统金属部件作业环境。
[0009]作为本发明的一种实施方式，所述纵向回转关节和行走回转关节均分别包括筒形基座、封堵住筒形基座一端的封装盖板、设有编码器的伺服电机、减速器、位于筒形基座另一端外的筒形的旋转外壳和固定在旋转外壳外端上的连接法兰，设有编码器的伺服电机位于筒形基座中的前部，所述减速器的动力输入端与伺服电机的动力输出端相连，所述减速器的动力输出端与连接法兰连接，在所述旋转外壳与减速器之间设有用于支撑旋转外壳的支承组件；设置在回转关节内的控制单元包括用于连接电源/信号线的连接器、分别与连接器相连的第一控制器和第二控制器，所述连接器插装在封装盖板上，所述第一控制器竖向安装在所述筒形基座中的后部，所述第二控制器横向安装在所述筒形基座中的前部且位于伺服电机的外围。
[0010]作为本发明的一种优选实施方式，所述纵向回转关节为三个，用于连接纵向回转关节的连接板是长形直板，该长形直板两端分设有安装孔，其中两个相邻的纵向回转关节的旋转外壳分别通过连接法兰与其中一个长形直板的两端连接固连构成可转动连接，另一个纵向回转关节的旋转外壳通过连接法兰和上述之一的纵向回转关节的筒形基座外壁分别与另一个长形直板的两端固连构成可转动连接；用于连接竖向回转关节和行走回转关节的连接板是直角弯折板，所述行走回转关节的筒形基座外壁分别与位于两侧的纵向回转关节的筒形基座外壁通过直角弯折板固连构成可转动连接。
[0011]作为本发明的一种实施方式，所述支承组件包括轴承和轴承座，所述减速器部分伸入旋转外壳内成为减速器的伸出部，所述轴承座套装在所述减速器的伸出部上，所述轴承座分别与所述筒形基座、减速器的机壳固定连接，所述轴承套于所述轴承座上，所述旋转外壳套于所述轴承上，所述减速器的动力输出端伸入所述连接法兰并固接。
[0012]本发明所述回转关节还包括轴承端盖和垫片，所述轴承包括第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，所述轴承座的外表面圆周设有限位凸条，第一、二角接触球轴承分布在所述限位凸条的两侧，所述连接法兰的内面圆周设有限位凸缘，所述第一角接触球轴承限位在所述限位凸条和限位凸缘之间；所述轴承端盖为圆环形，其横截面是一对朝向内垂直弯折的截面，即形成竖向环面和水平环面，所述轴承端盖位于筒形基座和旋转外壳之间，且所述轴承端盖的竖向环面与所述旋转外壳的端面固定连接，所述水平环面伸入旋转外壳内顶触在第二角接触球轴承上，将第二角接触球轴承限位在轴承端盖与限位凸条之间。角接触球轴承能够承载轴向载荷和径向载荷，避免减速器的动力输出轴承受除扭矩外的其它载荷，提高了回转关节的刚度。
[0013]作为本发明的一种推荐实施方式，所述清扫装置包括第一连接卡环、第一舵机、清扫连杆和毛刷，所述第一舵机固定在清扫连杆的上端上，所述毛刷安装在清扫连杆的下端，所述第一连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住所述第一舵机并固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在所述行走回转关节的筒形基座外壁上，位于清扫装置上的控制单元安装在所述清扫装置的夹持臂上。通过机器人本体攀爬，配合清扫系统的运行，能实现机器人对金属零部件的清扫。
[0014]作为本发明的一种推荐实施方式，所述探伤装置包括第二连接卡环、第二舵机、导向筒、螺杆、进给筒和设置在进给筒下端的超声波探头，所述第二舵机固定在所述导向筒的上端，所述第二连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住所述第二舵机并固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在行走回转关节的筒形基座外壁上；所述螺杆向上伸入所述导向筒内且其上端与所述第二舵机的动力输出端连接，所述进给筒套于所述螺杆上且二者为螺纹配合；所述导向筒的下部设有长形限位孔，所述进给筒的外壁上部设有限位块，所述限位块位于所述长形限位孔中以限位进给筒的行程。
[0015]本发明所述电力金属部件清扫探伤机器人还包括安装在机器人本体上用于激发超声波进行探伤的信号激励和数据采集器，所述超声波探头连接在一悬挂弹簧的下端上，悬挂弹簧的上端固定在安装于进给筒的下端的呈空心壳体的探头安装架内，所述探头安装架的侧面设有用于添加耦合剂的开孔，所述探头安装架的内壁上设有引流槽，所述引流槽由主槽和与主槽相通的分支槽组成，所述主槽与开孔直接连通，所述分支槽将耦合剂引流至超声波探头上。使得超声波探头在进行探伤时能保持与电力金属部件间一定的耦合剂，较好的解决探伤中需要耦合的问题。
[0016]作为本发明的一种推荐实施方式，所述电磁吸盘包括上壳、下盖板、线圈和防尘器，所述上壳是内部中间设有中空竖轴的盖体，在所述盖体中形成一环形安装腔，所述线圈缠绕在所述中空竖轴上并位于所述环形安装腔中，所述下盖板是中部开孔的板体，所述下盖板扣合固定在所述上壳的下端上，所述下盖板的中部开孔与所述上壳的中空竖轴对接连通；所述环形安装腔的下端内缘设有环形凹槽，所述防尘器安装在所述凹槽中；所述电力金属部件清扫探伤机器人还包括设置在机器人本体上的位姿或力/力矩传感器，所述力/力矩传感器包括六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器设置在电磁吸盘与行走回转关节之间，所述六维力/力矩传感器固定在磁力吸盘上壳的上表面上，所述连接法兰的中心通孔为管形通道，管形通道向下穿入六维力/力矩传感器的中心孔中固定，将六维力/力矩传感器固定在行走回转关节和电磁吸盘之间。六维力/力矩传感器用于检测沿传感器坐标系X、y、z三轴的力和绕X、1、z三轴的力矩，因此，可以检测机器人本体行走部分与外部环境相互接触所承受的力和力矩的大小和方向，为机器人控制提供力传感信息。
[0017]作为本发明的一种推荐方式，所述控制系统还包括远程控制端，所述总控制单元为嵌入式计算机主板，所述嵌入式计算机主板通过无线局域网络与远程控制端进行通信连接，各控制单元通过CAN总线接收来自嵌入式计算机主板控制指令，向各伺服电机和舵机发送各种控制信指令，完成对各伺服电机和舵机的反馈控制和起停控制；采集卡通过PC/104总线将位姿或力/力矩传感器采集的信号传输给嵌入式计算机主板，嵌入式计算机主板对这些信号进行算法处理；通过嵌入式计算机主板控制信号激励和数据采集器，激发超声波探头进行探伤，同时将探伤到的回波信号数据进行采集。所述控制系统的嵌入式计算机主板是机器人控制的核心，通过CAN总线完成所有的控制功能，通过PC/104总线将各种传感器采集的信号传回嵌入式计算机主板。
[0018]与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果:
[0019]⑴本发明采用电磁吸盘吸附定位，在电力金属部件上具有很强的攀爬能力，能实现多种步态攀附，可在较复杂的作业环境中进行越障和壁间的过渡，本发明将无损检测技术与机器人技术相集成，对电力金属部件进行清扫和检测，特别是对于小径管道、不连续或者交错连接的电力金属部件等进行探伤时，这种优势十分明显。
[0020]⑵本发明各回转关节采用串联式连接，在各回转关节中设计统一接口，通过连接法兰和连接板依次相连，安装拆卸简单也易于定位，改变回转关节和连接法兰的数量，即可得到多种机器人构型；同时回转关节的控制单元采用插拔式的连接器，易于控制系统的走线和安装。
[0021]⑶本发明各回转关节由机械结构和控制单元组成，使得各回转关节模块化，结构轻巧，装配、构型和拆卸简单易行，配合清扫装置和探伤装置，可完成在复杂的作业环境中实现人工所无法进行的清扫和探伤作业，使得清扫和探伤自动化进行，提高了工作效率和探伤的可靠性。
[0022]⑷本发明多模块化的构型，包括独立封装的回转关节和两个用于攀附的电磁吸盘，结构和控制单元的模块化，使得机器人具有较强的可构型性，可通过方便迅速的拆卸，组成多个自由度的机器人，同时也便于各个独立单元的控制。
[0023](5)本发明体积小、质量轻、结构简单、灵活性强，可适应于多种复杂电力系统金属部件作业环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0025]图1是本发明的整体结构示意图；
[0026]图2是本发明的结构爆炸示意图；
[0027]图3是回转关节的立体结构示意图；
[0028]图4是回转关节的轴向剖视图(去除封装盖板和连接器)；
[0029]图5是图3中回转关节的俯视图；
[0030]图6是清扫装置的整体结构示意图；
[0031]图7是清扫装置的结构爆炸图；
[0032]图8是探伤装置的整体结构图；
[0033]图9是探伤装置的结构爆炸图；
[0034]图10是探头安装架的剖视图；
[0035]图11是电磁吸盘的轴向剖视图；
[0036]图12是本发明控制系统的总体框图；
[0037]图13(a)?13(d)是本发明攀爬、清扫和探伤的示意图；
[0038]图14(a)?14(c)是本发明以一种步态越障攀越的示意图；
[0039]图15(a)?15(e)是本发明以另一种步态越障攀越的示意图。
【具体实施方式】
[0040]如图1、2所示，是本发明一种电力金属部件清扫探伤机器人，包括机器人本体、清扫装置I1、探伤装置III和控制系统，机器人本体包括至少三个平行排布且纵向设置的柱形的纵向回转关节、两个与纵向回转关节相垂直的柱形的行走回转关节1-1、1-5、一对电磁吸盘V1-UV1-2和至少四块连接板，各纵向回转关节之间通过与其中至少两块连接板固连构成可转动连接，行走回转关节的上端通过另外两块连接板与位于两侧的纵向回转关节固连构成可转动连接使各回转关节串联成一体，行走回转关节1-1、1-5可沿竖向平面旋转，电磁吸盘V1-1、V1-2分别固定在行走回转关节的下端上，清扫装置II和探伤装置III分别安装在行走回转关节的柱身上；控制系统包括安装在机器人本体上的总控制单元和分别安装在各回转关节、清扫装置和探伤装置上的控制单元，总控制单元向位于各回转关节中的控制单元发出指令以控制各回转关节动作实现机器人本体的伸展和收缩，同时调整电磁吸盘的位置，且总控制单元向位于清扫装置和探伤装置上的控制单元发出指令以控制清扫装置和探伤装置工作。
[0041]在本实施例中，纵向回转关节为三个，分别是1-2，1-3，1-4，行走回转关节分别是1-1、1-5，具有五个自由度。连接板是4 ±夹，如图3?5所示，纵向回转关节和行走回转关节的结构相同，均包括筒形基座1、封堵住筒形基座I 一端的封装盖板0-1、设有编码器的伺服电机8、减速器、位于筒形基座I另一端外的筒形的旋转外壳12和固定在旋转外壳12外端上的连接法兰13，伺服电机具有体积小、响应快、过载能力大、调速范围宽、波动小、后端可搭载编码器构成半闭环等优点。设有编码器的伺服电机8位于筒形基座I中的前部，减速器采用行星齿轮减速器9，行星齿轮减速器9的动力输入端与伺服电机8的动力输出端相连，行星齿轮减速器9的动力输出端与连接法兰13固定连接，在旋转外壳12与行星齿轮减速器9之间设有用于支撑旋转外壳12的支承组件；设置在回转关节内的控制单元包括用于连接电源/信号线的连接器0-2、分别与连接器0-2相连的第一控制器2和第二控制器7，连接器0-2采用D型连接器，连接器0-2插装在封装盖板0-1上，第一控制器2竖向安装在筒形基座I内的后部，第二控制器7横向安装在筒形基座I中的前部且位于伺服电机的外围。第一控制器2的具体安装是:筒形基座I外壁开有沟形槽，圆周悬挂安装架3插入筒形基座I的沟形槽内，两端通过第一圆柱头螺钉4与筒形基座I轴向固接而悬挂在筒形基座I内，第一控制器2固接在圆周悬挂安装架上，构成控制器圆周搭载装置；第二控制器7的具体安装是:轴向安装架6横置在筒形基座I内，通过第二圆柱头螺钉5与筒形基座I径向固接而悬挂在筒形基座I内，第二控制器7固接在轴向安装架6上，构成控制器轴向搭载装置。通过搭载的控制单元实现运动传输和力矩控制。两套控制单元搭载装置具有结构简单、方便连接和拆卸，并可以根据实际需要搭载不同控制系统的优点，能真正意义上实现机器人结构和控制一体的模块化结构。
[0042]用于连接纵向回转关节的连接板是长形直板V-1，该长形直板两端分设有安装孔，其中两个相邻的纵向回转关节1-3，1-4分别通过连接法兰13与其中一个长形直板的两端连接固连构成可转动连接，另一个纵向回转关节1-2的旋转外壳通过连接法兰和上述之一的纵向回转关节1-3的筒形基座I外壁分别与另一个长形直板的两端固连构成可转动连接；用于连接行走回转关节和纵向回转关节的连接板是直角弯折板V-2，行走回转关节的筒形基座I外壁与位于两侧的纵向回转关节的的筒形基座I外壁通过直角弯折板V-2固连构成可转动连接。
[0043]支承组件包括轴承和轴承座16，减速器部分伸入旋转外壳12内成为减速器的伸出部，轴承座套装在减速器的伸出部上，轴承座分别与筒形基座I和减速器的机壳固定连接，轴承套于轴承座16上，旋转外壳12套于轴承上，减速器的动力输出端伸入连接法兰13通过紧定螺钉15连接。
[0044]回转关节还包括轴承端盖10和垫片11，轴承包括第一角接触球轴承14和第二角接触球轴承19，轴承座16的外表面圆周设有限位凸条18，第一、二角接触球轴承14、19分布在限位凸条18的两侧，连接法兰13的内面圆周设有限位凸缘17，第一角接触球轴承14限位在限位凸条18和限位凸缘17之间；轴承端盖10为圆环形，其横截面是一对朝向内垂直弯折的截面，即形成竖向环面和水平环面，轴承端盖10位于筒形基座I和旋转外壳12之间，且轴承端盖10的竖向环面与旋转外壳12的端面固定连接，水平环面伸入旋转外壳12内顶触在第二角接触球轴承19上，将第二角接触球轴承19限位在轴承端盖10与限位凸条18之间。
[0045]如图6、7所示，清扫装置包括第一连接卡环2-3、第一舵机2_2、第一舵盘2_5、清扫连杆2-6和毛刷2-7，第一舵机2-2通过第一舵盘2-5由螺钉2_4固定在清扫连杆2_6的上端上，第一舵机2-2输出轴与第一舵盘2-5通过齿形花键孔连接，毛刷2-7安装在清扫连杆2-6的下端，第一连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住第一舵机通过螺钉2-1固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在行走回转关节1-5的筒形基座I外壁上，位于清扫装置上的控制单元安装在清扫装置的夹持臂上(图中未画出)。清扫装置的动力驱动来自第一舵机2-2。清扫装置通过第一舵机2-2输出轴带动第一舵盘2-5转动，第一舵盘2-5驱动清扫连杆2-6转动，清扫连杆2-6 —端圆盘上的毛刷2-7实现对电力金属部件的清扫。
[0046]如图8?10所示，探伤装置包括第二连接卡环3-3、第二舵机3_2、第二舵盘3_4、螺盘3-9、导向筒3-5、螺杆3-6、进给筒3-12、设置在进给筒下端的超声波探头3_14和安装在机器人本体上用于激发超声波进行探伤的信号激励和数据采集器，超声波探头3-14连接在一悬挂弹簧3-13的下端上，悬挂弹簧3-13的上端固定在通过螺钉3-7安装于进给筒3-12的下端的呈空心壳体的探头安装架3-8内，超声波探头3-14通过悬挂弹簧3_13悬挂在探头安装架的夹持槽21中，第二舵机3-2固定在导向筒3-5的上端，具体是:第二舵机3-2输出轴与第二舵盘3-4通过齿形花键孔连接，螺盘3-9通过螺钉3-10与第二舵盘3_4固连，用于动力传输；导向筒3-5通过螺钉3-11与第二连接卡环3-3下端固连。第二连接卡环
3-3包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住第二舵机通过螺钉3-1固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在行走回转关节1-1的筒形基座I外壁上。螺杆3-6向上伸入导向筒3-5内且其上端与第二舵机3-2的动力输出端连接，进给筒3-12套于螺杆3-6上且二者为螺纹配合，导向筒3-5的下部设有长形限位孔，进给筒3-12的外壁上部设有限位块3-15，限位块3-15位于长形限位孔中以限位进给筒的行程。位于探伤装置上的控制单元安装在探伤装置的夹持臂上(图中未画出)。
[0047]参见图10，探头安装架3-8的侧面上设有用于添加耦合剂的开孔20，开孔20连接外部的耦合剂输送管道，探头安装架3-8的内壁上设有引流槽，引流槽由主槽22和与主槽相通的分支槽23组成，主槽22与开孔20直接连通，分支槽23将耦合剂引流至超声波探头上。
[0048]探伤装置的工作过程如下:通过第二舵机3-2带动第二舵盘3-4旋转，第二舵盘
3-4驱动螺杆3-6旋转，螺杆3-6通过导向筒3-5和进给筒3_12实现上下抬升运动，螺杆的上下抬升运动带动探头安装架3-8和超声波探头3-14的上下抬升运动。这样，当电力金属部件清扫探伤机器人在攀爬过程中，探伤系统抬升，完成探头的抬放，保证探头能够跨越一定高度障碍；当到指定电力金属部件进行检测时，通过一端电磁吸盘沿电力金属部件平行运动，可实现对电力金属部件的定点或直线扫查，且通过安装在超声波探头3-14上的悬挂弹簧3-13，能起到对探头抬放过程中的缓冲和与对金属管道表面进行有效贴合作用。同时，在探头安装架3-8上设有用于添加耦合剂的孔位及引流槽，通过外部引入耦合剂，使得超声波探头在进行探伤时能保持与电力金属部件间一定的耦合剂，较好的解决探伤中需要耦合的问题。该探伤装置解决了自动化无损检测中探头安装、避障、耦合剂添加的问题，能有效对电力金属部件进行无损探伤。
[0049]如图11所示，电磁吸盘V1-UV1-2包括上壳4-1、下盖板4-4、线圈4_2和防尘器
4-3，上壳4-1是内部中间设有中空竖轴的盖体，在盖体中形成一环形安装腔，线圈4-2缠绕在中空竖轴上并位于环形安装腔中，下盖板4-4是中部开孔的板体，下盖板4-4扣合固定在上壳4-1的下端上，下盖板4-4的中部开孔与上壳4-1的中空竖轴对接连通；环形安装腔的下端内缘设有环形凹槽，防尘器4-3安装在凹槽中。当线圈通电瞬时，由于空气间隙的存在，磁阻较大，线圈的电感和启动电流很大，这时产生磁性吸力将电力金属部件吸住；当断电后，磁吸力消失将工件松开。通过电磁吸盘的通电与断电，实现电磁吸盘对电力金属部件的吸附和松开，配合5个单自由度的回转关节模块运动，实现机器人的在空间内的自由攀爬。
[0050]本发明机器人还包括设置在机器人本体上的位姿或力/力矩传感器，力/力矩传感器包括六维力/力矩传感器V1-3，参见图1，六维力/力矩传感器V1-3设置在电磁吸盘与行走回转关节之间，六维力/力矩传感器V1-3固定在磁力吸盘上壳的上表面上，连接法兰13的中心通孔为管形通道，管形通道向下穿入六维力/力矩传感器的中心孔中固定，将六维力/力矩传感器V1-3固定在行走回转关节和电磁吸盘之间。
[0051]如图12所示，控制系统还包括远程控制端，总控制单元为嵌入式计算机主板，嵌入式计算机主板通过无线局域网络与远程控制端进行通信连接，各控制单元通过CAN总线接收来自嵌入式计算机主板控制指令，向各伺服电机和舵机发送各种控制信指令，完成对各伺服电机和舵机的反馈控制和起停控制；采集卡通过PC/104总线将位姿或力/力矩传感器采集的信号传输给嵌入式计算机主板，嵌入式计算机主板对这些信号进行算法处理，通过嵌入式计算机主板控制信号激励和数据采集器，激发超声波探头进行探伤，同时将探伤到的回波信号数据进行采集。控制系统的嵌入式计算机主板是机器人控制的核心，通过CAN总线完成所有的控制功能，通过PC/104总线把各种传感器采集的信号传回嵌入式计算机主板。远程控制端通过计算机主板实现对机器人攀爬、清扫和探伤及其数据采集传输一系列指令，实现集中管理分散控制的理念。
[0052]控制设计采用分布式控制方式。该控制方式采用集中管理和分散控制的思想，具有良好的开放性和扩展性，更能适应电力金属部件清扫探伤机器人多功能的应用要求。分布式控制系统的核心思想是集中管理、分布控制，即控制与管理分离。上位机用于集中监视管理功能，下位机分散到现场实现分布控制，上下位机之间通过控制网络互连以实现信息传输。由于控制功能在下位机分散实现，各下位机可实现并行工作，大大提高了整个系统的处理速度和能力。显然，分布式控制系统有如下明显的优点:实现集中监控和管理，管理与现场分离，管理更能综合化和系统化；实现分散控制，可使各功能模块的设计、装配、调试、维护独立，系统控制的危险性分散，可靠性提高，投资减小；采用网络通信技术，可根据需要增加以微处理器为核心的功能模块，具有良好的系统开放性、扩展性和升级特性。
[0053]本发明机器人攀爬、清扫和探伤示意图，如图13(a)?13(d)所示。其过程为:
[0054]1.如图13(a)所示，本发明机器人位于起始位置，此状态下，电磁吸盘IV_1、电磁吸盘IV-2通电，机器人吸盘在电力金属部件上；清扫装置II处于不工作状态；探伤装置III的抬升装置在电机带动处于收缩状态。
[0055]2.如图13(b)所示，本发明机器人的电磁吸盘IV-2断电，机器人回转关节1-2、回转关节1-3、回转关节1-4回转运动，此时机器人一端将沿电力金属部件前行，到达指定位置，此时机器人处于收缩状态。
[0056]3.如图13(c)所示，当本发明机器人到达指定位置时，电磁吸盘IV-2通电，电磁吸盘IV-1断电，机器人回转关节1-2、回转关节1-3、回转关节1-4回转运动，且清扫装置II的电机运转，带动清扫毛刷转动。此时机器人由收缩状态向伸展状态运动，机器人一端将沿电力金属部件清扫前行。
[0057]4.如图13(d)所示，当清扫结束时，清扫系统II电机停止运作，磁吸盘IV-1通电，电磁吸盘IV-2断电，机器人回转关节1-2、回转关节1-3、回转关节1-4回转运动，探伤系统抬升装置运行，探头下放，此时机器人由收缩状态向伸展状态运动，探头进行定点或者直线扫查探伤。
[0058]本发明机器人以一种步态越障攀越，如图14(a)?14(c)所示，其过程为:
[0059]1.如图14(a)所示，电力金属部件清扫探伤机器人位于起始位置，此状态下，电磁吸盘IV-1、电磁吸盘IV-2通电，机器人吸附在电力金属部件上；清扫系统II处于不工作状态；探伤系统III的抬升装置在电机带动处于收缩状态。
[0060]2.如图14(b)所示，电力金属部件清扫探伤机器人进行越障攀越，电磁吸盘IV-2通电，电磁吸盘IV-1断电，机器人回转关节1-5回转，带动机器人本体向前旋转，到达指定位置。
[0061]3.如图14(c)所示，电力金属部件清扫探伤机器人进行越障攀越，电磁吸盘IV-1通电，电磁吸盘IV-2断电，机器人回转关节1-1回转，带动机器人本体向后旋转，到达指定位置。此时，机器人整体越障攀越完成。
[0062]4.电力金属部件清扫探伤机器人越障后，进行清扫检测作业步骤同13(a)?13(d)。
[0063]如图15(a)?15(e)所示，本发明以另一种步态越障攀越示意图二，其过程为:
[0064]1.如图15(a)所示，电力金属部件清扫探伤机器人位于起始位置，此状态下，电磁吸盘IV-1、电磁吸盘IV-2通电，机器人吸附在电力金属部件上；清扫系统II处于不工作状态；探伤系统III的抬升装置在电机带动处于收缩状态。
[0065]2.如图15(b)所示，电力金属部件清扫探伤机器人进行越障攀越，电磁吸盘IV-2通电，电磁吸盘IV-1断电,机器人回转关节1-2、回转关节1-4回转,带动机器人电磁吸盘IV-1整体抬升，到达指定位置。
[0066]3.如图15(c)所示，电力金属部件清扫探伤机器人进行越障攀越，电磁吸盘IV-2保持通电，电磁吸盘IV-1断电，机器人回转关节1-1、回转关节1-3、回转关节1-4回转，带动机器人电磁吸盘IV-1接触到上方电力金属部件,此时电磁吸盘IV-1通电，吸附住上方电力金属部件。
[0067]4如图15(d)所示，电力金属部件清扫探伤机器人进行越障攀越，电磁吸盘IV-1保持通电，电磁吸盘IV-2断电，机器人回转关节1-2、回转关节1-4回转，带动机器人电磁吸盘IV-2脱离下方电力金属部件，到达指定位置。
[0068]5如图15(e)所示，电力金属部件清扫探伤机器人进行越障攀越，电磁吸盘IV-1保持通电，机器人回转关节1-3、回转关节1-4、回转关节1-5回转，带动机器人电磁吸盘IV-2接触到上方电力金属部件，电磁吸盘IV-2通电，吸附住上方电力金属部件。此时，机器人整体越障攀越完成。
[0069]6.电力金属部件清扫探伤机器人越障后，进行清扫检测作业步骤同图13(a)?13(d)。
[0070]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.一种电力金属部件清扫探伤机器人，包括机器人本体、清扫装置、探伤装置和控制系统，其特征在于:所述机器人本体包括至少三个平行排布且纵向设置的柱形的纵向回转关节、两个与纵向回转关节相垂直的柱形的行走回转关节、一对电磁吸盘和至少四块连接板，各纵向回转关节之间通过与其中至少两块连接板固连构成可转动连接，所述行走回转关节的上端通过另外两块连接板与位于两侧的纵向回转关节固连构成可转动连接使各回转关节串联成一体，其中，所述行走回转关节可沿竖向平面旋转，所述电磁吸盘分别固定在行走回转关节的下端上，所述清扫装置和探伤装置分别安装在所述行走回转关节的柱身上；所述控制系统包括安装在机器人本体上的总控制单元和分别安装在各回转关节、清扫装置和探伤装置上的控制单元，总控制单元向位于各回转关节中的控制单元发出指令以控制各回转关节动作实现机器人本体的伸展和收缩，同时调整电磁吸盘的位置，且总控制单元向位于清扫装置和探伤装置上的控制单元发出指令以控制清扫装置和探伤装置工作。
2.根据权利要求1所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述纵向回转关节和行走回转关节均分别包括筒形基座、封堵住筒形基座一端的封装盖板、设有编码器的伺服电机、减速器、位于筒形基座另一端外的筒形的旋转外壳和固定在旋转外壳外端上的连接法兰，设有编码器的伺服电机位于筒形基座中的前部，所述减速器的动力输入端与伺服电机的动力输出端相连，所述减速器的动力输出端与连接法兰连接，在所述旋转外壳与减速器之间设有用于支撑旋转外壳的支承组件；设置在回转关节内的控制单元包括用于连接电源/信号线的连接器、分别与连接器相连的第一控制器和第二控制器，所述连接器插装在封装盖板上，所述第一控制器竖向安装在所述筒形基座中的后部，所述第二控制器横向安装在所述筒形基座中的前部且位于伺服电机的外围。
3.根据权利要求2所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述纵向回转关节为三个，用于连接纵向回转关节的连接板是长形直板，该长形直板两端分设有安装孔，其中两个相邻的纵向回转关节的旋转外壳分别通过连接法兰与其中一个长形直板的两端连接固连构成可转动连接，另一个纵向回转关节的旋转外壳通过连接法兰和上述之一的纵向回转关节的筒形基座外壁分别与另一个长形直板的两端固连构成可转动连接；用于连接竖向回转关节和行走回转关节的连接板是直角弯折板，所述行走回转关节的筒形基座外壁分别与位于两侧的纵向回转关节的筒形基座外壁通过直角弯折板固连构成可转动连接。
4.根据权利要求3所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述支承组件包括轴承和轴承座，所述减速器部分伸入旋转外壳内成为减速器的伸出部，所述轴承座套装在所述减速器的伸出部上，所述轴承座分别与所述筒形基座、减速器的机壳固定连接，所述轴承套于所述轴承座上，所述旋转外壳套于所述轴承上，所述减速器的动力输出端伸入所述连接法兰并固接。
5.根据权利要求4所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述回转关节还包括轴承端盖和垫片，所述轴承包括第一角接触球轴承和第二角接触球轴承，所述轴承座的外表面圆周设有限位凸条，第一、二角接触球轴承分布在所述限位凸条的两侧，所述连接法兰的内面圆周设有限位凸缘，所述第一角接触球轴承限位在所述限位凸条和限位凸缘之间；所述轴承端盖为圆环形，其横截面是一对朝向内垂直弯折的截面，即形成竖向环面和水平环面，所述轴承端盖位于筒形基座和旋转外壳之间，且所述轴承端盖的竖向环面与所述旋转外壳的端面固定连接，所述水平环面伸入旋转外壳内顶触在第二角接触球轴承上，将第二角接触球轴承限位在轴承端盖与限位凸条之间。
6.根据权利要求2?5任一项所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述清扫装置包括第一连接卡环、第一舵机、清扫连杆和毛刷，所述第一舵机固定在清扫连杆的上端上，所述毛刷安装在清扫连杆的下端，所述第一连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住所述第一舵机并固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在所述行走回转关节的筒形基座外壁上，位于清扫装置上的控制单元安装在所述清扫装置的夹持臂上。
7.根据权利要求6所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述探伤装置包括第二连接卡环、第二舵机、导向筒、螺杆、进给筒和设置在进给筒下端的超声波探头，所述第二舵机固定在所述导向筒的上端，所述第二连接卡环包括一对夹持臂，每个夹持臂由夹持部和板状的连接部组成，两个夹持臂的连接部相对扣合住所述第二舵机并固定，两个夹持臂的夹持部合围成夹口夹持在行走回转关节的筒形基座外壁上；所述螺杆向上伸入所述导向筒内且其上端与所述第二舵机的动力输出端连接，所述进给筒套于所述螺杆上且二者为螺纹配合；所述导向筒的下部设有长形限位孔，所述进给筒的外壁上部设有限位块，所述限位块位于所述长形限位孔中以限位进给筒的行程。
8.根据权利要求7所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述电力金属部件清扫探伤机器人还包括安装在机器人本体上用于激发超声波进行探伤的信号激励和数据采集器，所述超声波探头连接在一悬挂弹簧的下端上，悬挂弹簧的上端固定在安装于进给筒的下端的呈空心壳体的探头安装架内，所述探头安装架的侧面设有用于添加耦合剂的开孔，所述探头安装架的内壁上设有引流槽，所述引流槽由主槽和与主槽相通的分支槽组成，所述主槽与开孔直接连通，所述分支槽将耦合剂引流至超声波探头上。
9.根据权利要求8所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述电磁吸盘包括上壳、下盖板、线圈和防尘器，所述上壳是内部中间设有中空竖轴的盖体，在所述盖体中形成一环形安装腔，所述线圈缠绕在所述中空竖轴上并位于所述环形安装腔中，所述下盖板是中部开孔的板体，所述下盖板扣合固定在所述上壳的下端上，所述下盖板的中部开孔与所述上壳的中空竖轴对接连通；所述环形安装腔的下端内缘设有环形凹槽，所述防尘器安装在所述凹槽中；所述电力金属部件清扫探伤机器人还包括设置在机器人本体上的位姿或力/力矩传感器，所述力/力矩传感器包括六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器设置在电磁吸盘与行走回转关节之间，所述六维力/力矩传感器固定在磁力吸盘上壳的上表面上，所述连接法兰的中心通孔为管形通道，管形通道向下穿入六维力/力矩传感器的中心孔中固定，将六维力/力矩传感器固定在行走回转关节和电磁吸盘之间。
10.根据权利要求9所述的电力金属部件清扫探伤机器人，其特征在于:所述控制系统还包括远程控制端，所述总控制单元为嵌入式计算机主板，所述嵌入式计算机主板通过无线局域网络与远程控制端进行通信连接，各控制单元通过CAN总线接收来自嵌入式计算机主板控制指令，向各伺服电机和舵机发送各种控制信指令，完成对各伺服电机和舵机的反馈控制和起停控制；采集卡通过PC/104总线将位姿或力/力矩传感器采集的信号传输给嵌入式计算机主板，嵌入式计算机主板对这些信号进行算法处理；通过嵌入式计算机主板控制信号激励和数据采集器，激发超声波探头进行探伤，同时将探伤到的回波信号数据进行采集；所述控制系统的嵌入式计算机主板是机器人控制的核心，通过CAN总线完成所有的控制功能，通过PC/104总线将各种传感器采集的信号传回嵌入式计算机主板。
【文档编号】G01N29/04GK104149083SQ201410279726
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年6月21日 优先权日:2014年6月21日
【发明者】钟万里, 游凡, 王伟, 钟力强, 梁永纯, 李文胜, 谢涛, 肖晓晖 申请人:广东电网公司电力科学研究院, 武汉大学