适用于具有风口结构炉体的巡检机器人的制作方法

本实用新型涉及冶金技术领域，特别涉及一种适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人。

背景技术：

高炉和欧冶炉均为目前的常见的炼铁系统，其中，炉体上的风口是十分重要设备，承担向炉内喷入热风的重任，是安全生产的重要保证。然而，由于其长期承受高温、腐蚀、热疲劳和磨粒冲蚀，而很容易烧损，使冷却水流入炉体内部，造成炉温降低，严重时还可能导致水蒸气爆炸，造成铁水外流的重大生产事故。因此，及早发现风口破损是保证生产安全进行的重要前提条件。为了更及时的发现风口破损，使用风口区巡检机器人对风口进行监测，可以最大限度的尽量减少人员活动，最大程度的保障人员安全。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高效率、高可靠性的适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人。

为此，本实用新型技术方案如下：

一种适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人，包括设置在一履带式小车上的车载现场箱，以及设置在车载现场箱上的导航系统和炉体温度采集系统；其中，

导航系统包括前端导航仪、后端导航仪、若干台激光测距仪、和若干台超声波雷达；前端导航仪和后端导航仪分别设置在车载现场箱的前侧和后侧；若干台激光测距仪间隔且均布设置与炉体相邻侧的车载现场箱的壁面上；若干台超声波雷达分别间隔且均布设置在车载现场箱的前端侧壁和后端侧壁上；

炉体温度采集系统包括间隔设置在第一立式支架上的低位热像仪和高位热像仪，间隔设置在第二立式支架上的初定位相机和3d相机，以及设置在多自由度机械手臂前端的高清相机和位于多自由度机械手臂上的风口热像仪；第二立式支架、多自由度机械手臂和第一立式支架自前而后间隔设置在车载现场箱上，初定位相机和3d相机的图像采集视野相同且采集视野与炉体风口标志件的设置高度相适应；低位热像仪、高位热像仪、初定位相机、3d相机、高清相机和风口热像仪均以采集方向朝向炉体炉壁的方向设置；

车载现场箱内设置有供电设备、小车行走控制器、机械手臂控制器和工控机；行走控制器与小车履带驱动装置连接，机械手臂驱动器与机械手臂连接，工控机分别与行走控制器、机械手臂控制器、前端导航仪、低位热像仪、高位热像仪、初定位相机、3d相机、后端导航仪、风口热像仪、高清相机、各激光测距仪和各超声波雷达连接；供电设备用于为各用电装置供电。

进一步地，在车载现场箱上还设置有与工控机连接的一氧化碳浓度检测传感器。

进一步地，多自由度机械手臂采用六自由度机械手臂，其由自下而上依次设置的固定底座、相对于固定底座绕纵轴自由转动的基座、固定在基座上的腰部、相对于腰部绕第一横轴自由转动的大臂、相对于大臂绕第二横轴自由转动的小臂后段、相对于小臂后段绕第三横轴自由转动的小臂前段、相对于小臂前段绕第四横轴自由转动的腕部和相对于腕部绕第五横轴自由转动的机械安装端构成；第一横轴平行于第二横轴，第三横轴垂直于第二横轴，第四横轴平行于第二横轴，第五横轴与第三横轴位于同一轴线上；机械手臂的臂展为906mm。

进一步地，低位热像仪与高位热像仪之间的垂直间距为20～30cm。

进一步地，若干台激光测距仪与地面之间的垂直间距为400mm。

进一步地，在第二立式支架上还设置有与工控机连接的补光灯，其具体采用光通量3600lm、发光角度为斜向向上15～20°、功率为36w的补光灯。

进一步地，在第一立式支架顶端还设置有与工控机连接的声光报警器。

进一步地，在车载现场箱上设置有与工控机连接的噪声传感器。

进一步地，在车载现场箱内还设置有与供电装置连接的自冷设备。

与现有技术相比，该适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人可实现对具有风口结构的炉体，尤其是风口区域进行实时监测，能及时发现炉体及其风口区破损，且能够最大限度的尽量减少人员活动，最大程度的保障人员安全。

附图说明

图1为本实用新型的适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人的右侧视图；

图2为本实用新型的适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人的前视图；

图3为本实用新型的适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人的俯视图；

图4为本实用新型的适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人的机械手臂的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。为了便于描述，本实施例以欧冶炉为例对智能巡检机器人的结构以及工作原理进行解释。基于小车的定向运动方向为绕欧冶炉炉体顺时针运动，朝向运动方向的一端为小车前端，另一端为小车后端，因此在本实施例中涉及的前、后、左、右等方位词均是基于此进行描述。

如图1～3所示，该用于欧冶炉炉体的智能巡检机器人包括设置在一履带式小车1上的车载现场箱2，以及设置在车载现场箱2上的导航系统、炉体温度采集系统、一氧化碳浓度检测传感器15、噪声传感器17和声光报警器8；其中，

导航系统包括前端导航仪14、后端导航仪4、四台激光测距仪3和六台超声波雷达16；前端导航仪14和后端导航仪4分别设置在车载现场箱2的前侧和后侧；四台激光测距仪3间隔且均布设置与欧冶炉相邻侧的车载现场箱2的壁面上，且其间隔地面的垂直距离为400mm，以避免在巡检过程中碰到异物；六台超声波雷达16分别间隔且均布设置在车载现场箱2的前端侧壁和后端侧壁上，其中三台超声波雷达16均部安装在车载现场箱前端侧壁上，另外三台超声波雷达16均部安装在车载现场箱后端侧壁上；

在该导航系统中，四台激光测距装置通过检测车身到目标相对距离校准车身姿态，使其在围绕欧冶炉炉体前行过程中持续转弯，保证小车不偏离预定轨道±200mm；其中，激光测距仪在选择时优选采用检测范围为0.2～10m，分辨率为0.1mm，接口采用rs485且波特率可设置的激光测距仪；在小车巡检过程中，自车身前端至车身后端均布设置的四台激光测距仪3中，位于中间的两台激光测距仪3为辅助激光测距仪，可与前、后两端的激光测距仪共同使用或在二者发生损坏后再使用；

超声波雷达16优选采用基于us-100的超声波雷达可实现2～4.5m的非接触检测，通过串口模式发送毫米级测距结果，以实现当检测到0.8m障碍时响警报，检测到0.5米非预设障碍时停车，并发送远程报警信息，障碍物移走后继续行进；

前端导航仪14设置在履带式小车1的前端且朝向前方设置，后端导航仪4设置在履带式小车1的后端且朝向后方设置；前端导航仪14或后端导航仪4可实现对小车进行远程操控，使其绕过障碍物，继续进行探测；另外，前端导航仪14和后端导航仪4还用于前往充电桩过程中识别充电桩内激光发射器发射的激光引导路线；

欧冶炉温度采集系统包括自下而上间隔设置在第一立式支架6上的低位热像仪5、高位热像仪7和报警器8，自下而上间隔设置在第二立式支架13上的补光灯10、初定位相机11、3d相机12，以及设置在多自由度机械手臂9前端的高清相机19和位于多自由度机械手臂9上的风口热像仪18；第二立式支架13、多自由度机械手臂9和第一立式支架6自前而后间隔设置在车载现场箱2上；且低位热像仪5、高位热像仪7、初定位相机11、3d相机12、高清相机19和风口热像仪18均以采集方向朝向欧冶炉炉壁的方向设置；

车载现场箱2内设置有供电设备、小车行走控制器、机械手臂控制器、自冷设备和工控机；行走控制器与小车履带驱动装置连接，机械手臂驱动器与机械手臂9连接，工控机分别与行走控制器、机械手臂控制器、前端导航仪14、低位热像仪5、高位热像仪7、初定位相机11、3d相机12、后端导航仪4、风口热像仪18、高清相机19、一氧化碳浓度检测传感器15、噪声传感器17、各激光测距仪3、各超声波雷达16和自冷设备；供电设备用于为各用电装置供电，其具体采用充电电池；具体地，

履带式小车1通过小车行走控制器驱动小车运动，并在四台激光测距仪3的辅助作用下始终保持其在距离欧冶炉炉体1.4～3m的虚拟环炉轨道上做圆周运动，用于对欧冶炉炉体运行状态进行巡检；在本实施例中，履带式小车1设定为顺时针环绕欧冶炉炉体做圆周运动；

初定位相机11和3d相机12的图像采集视野相同且采集视野与欧冶炉风口标志件的设置高度相适应；初定位相机11用于对风口下方的标志件进行捕捉，并当风口标准件处于初定位相机11的视野正中时，3d相机12启动，对风口标准件的位置信息进行采集，以联动与3d相机12完成空间配准的多自由度机械手臂9发生运动，使其上高清相机19的镜头对准风口；具体地，3d相机12优选采用采集时间为0.5～1.5s,检测距离为0.5～1m，检测精度为0.2mm～0.6m的3d相机；该3d相机采用眼在手外的布局方式，通过将其坐标系与机械手臂9的坐标系采用共平面配准的方式，实现利用3d相机操作机械手臂9；该具体实施步骤为：首先利用初定位相机11定位欧冶炉风口标准件：风口法兰，与此同时，3d相机同步捕捉风口法兰，并获取该定位点的空间坐标，由于3d相机的坐标系与机械手臂9的坐标系配准在统一坐标系下，因而可将欧冶炉风口在3d相机坐标系下的空间坐标转化为机械手臂9的六轴动作参数；

补光灯10优选采用光通量3600lm，发光角度为斜向向上15～20°，功率为36w补光灯，用于为初定位相机11进行补光；

如图4所示，六自由度机械手臂9由自下而上依次设置的固定底座9a、相对于固定底座9a绕纵轴a1自由转动的基座9b、固定在基座9b上的腰部9c、相对于腰部9c绕第一横轴a2自由转动的大臂9d、相对于大臂9d绕第二横轴a3自由转动的小臂后段9e、相对于小臂后段9e绕第三横轴a4自由转动的小臂前段9f、相对于小臂前段9f绕第四横轴a5自由转动的腕部9g和相对于腕部9g绕第五横轴a6自由转动的机械安装端9h构成；第一横轴平行于第二横轴，第三横轴垂直于第二横轴，第四横轴平行于第二横轴，第五横轴与第三横轴位于同一轴线上；机械手臂9的臂展优选为906mm；其防护等级为ip67，用于驱动机械手臂9用于将高清相机19对准风口，对应地，风口热像仪18的视野采集范围为风口区域；

低位热像仪5与高位热像仪7用于检测欧冶炉炉体的环境温度，二者之间的垂直间距为20～30cm，以保证小车循环一周的过程中，低位热像仪5与高位热像仪7采集的热红外图像能够完全覆盖炉体外壁；低位热像仪5、高位热像仪7和风口热像仪18采用相同的热像仪，均优选采用测温范围为0～600℃，测温精度≤1％，波长为7～14μm，并可通过tcp/ip传送温度图像；

一氧化碳浓度检测传感器15设置在履带式小车1且邻近欧冶炉的一侧，其优选采用检测范围为0～1000ppm，检测精度＜±读数3％，检测分辨率0.5ppm，响应时间≤50s，通信接口rs485，运行温度-20-50℃，以精确检测是否存在一氧化碳浓度异常的现象；

车载噪声传感器17设置在履带式小车1且邻近欧冶炉的一侧，其优选采用采集范围为30～130db，采集频率为100次/秒，转换精度为0.1db，响应时间为2s，输出信号rs485为1次/s，工作温度为-20～60℃的车载噪声传感器；车载噪声传感器的用于检测工作现场是否有气体泄漏，或存在调解阀跑气等事故，上述情况会导致现场出现异常高频噪声，因此，增设车载噪声传感器17可以通过对超标声音环境进行检测实现提前预警；

该适用于具有风口结构炉体的智能巡检机器人的具体工作方式如下：

履带小车1在行走控制器的驱动下环绕炉体顺时针作周向运动进行炉体运行状态巡检，并在运行过程中通过设置在车载现场箱2上的四台激光测距仪3监测小车1与炉体是否始终与炉体保持一定的间距，即沿着预定的环形轨迹运行，当任一台激光测距仪3监测到其与炉体发生严重偏离时则通过工控机发出报警信号驱动声光报警器8发出报警信号；

在履带小车1的正常巡检过程中，低位热像仪5和高位热像仪7分别采集邻近炉体的低位处红外图像和邻近炉体的高位处红外图像，以传送至工控机并提取温度信息作为环境温度参考值；

初定位相机11在运行过程中于补光灯10的光线辅助下捕捉并定位欧冶炉风口定位辅助件的法兰，进而通过3d相机12获取该欧冶炉风口定位辅助件的法兰的空间坐标，并通过工控机转换为机械手臂9的六轴动作参数，驱动机械手臂驱动器驱动机械手臂9运动至其机械安装端对准欧冶炉风口，即实现高清相机对准欧冶炉风口，使风口热像仪18准确定位欧冶炉风口并对欧冶炉风口处进行红外图像采集并传送至工控机；与此同时，一氧化碳浓度检测传感器15和车载噪声传感器17也在小车绕炉体运动的过程中以相同的间隔时间对炉体周围的一氧化碳浓度和高频噪声进行采集，并发送至工控机；工控机接收各类检测信息以进一步通过数据线或网络传送至中心控制室的工控机上进行分析；当中心控制室的工控机分析出：1)炉体外壁或风口区域出现温度异常，2)一氧化碳浓度存在异常，3)炉体附近环境出现异于正常环境采集的高频噪音，中任一情况时，则工控机接收中心控制室的工控机发送的报警信号，并驱动声光报警器8发出警报；

在该巡检过程中，自冷设备在小车运行过程中始终为车在现场箱内各用电设备进行吹扫冷却；另外，履带小车1根据其内充电电池的电量可以设定在巡检两周后沿着激光路线行至充电站完成充电、冷却清扫后原路返回，继续下一周期的巡检。