本发明涉及一种水下管道磁记忆检测装置，具体的说一种能对海底管道进行全方位磁记忆检测用的水下机器人。
背景技术：
随着我国海洋石油、天然气事业的发展，将有越来越多的石油管道铺设在我国东海及南海等较深水海域，而石油管道是海洋石油运输的生命线，一旦发生泄漏，不仅会带来巨大的经济损失，更会对海洋生态环境造成毁灭性的破坏，因此对海底管道进行及时准确的检测与评价极为重要。现有的rov对海底管道，尤其卧在海床上的管道底部是难以检测到的，更无法实现对海底管道整周全方位无死角检测。金属磁记忆检测技术，被称为21世纪较有应用前景的绿色无损检测技术之一，通过检测构件表面磁场分布，不仅能够检测出管道宏观缺陷，而且能快速方便地检测应力异常集中和早期隐性损伤的危险区域，而常规无损检测无法解决金属濒临损伤前的早期诊断问题，因此磁记忆检测技术为油气管道失效及寿命评估提供了有力的技术支持，同时磁记忆检测无需人工磁化装置，可以非接触检测，因而操作简便，在海底管道检测领域极富开发潜力并具有独特的优势。但由于磁记忆产生和发展的时间较短，在很多方面需要进一步完善，尤其在海底石油管道检测与评估领域，处于刚刚起步阶段，目前还没有一套完善的技术方案可以将金属磁记忆检测技术和rov技术结合在一起，构成一种方便快捷、体积小巧、性能可靠、全方位整周无死角的海底管道检测装置。
技术实现要素：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种用于海底管道磁记忆检测的水下机器人，该种水下机器人能够解决常规rov对海底管道尤其卧在海床上的管道底部检测不到的难题，实现对海底管道整周全方位无死角检测。。
本发明的技术方案是：该种用于海底管道磁记忆检测的水下机器人，包括机体以及为机体提供动力和控制的液压系统和电气系统，其独特之处在于：
所述机体包括rov本体、喷枪除沙机构、附管爬行夹持机构和可变径传感器检测机构；
其中所述rov本体包括载体框架、两个浮力模块、两个探照灯、一个摄像头、一个耐压舱、一个控制箱、2个竖直螺旋推进器和4个水平螺旋推进器；其中，载体框架为各组件提供安装位置，两个浮力模块通过固定箱皮和螺栓连接安装在载体框架的上部，为整套装置提供一定的浮力，两个探照灯通过螺栓连接在浮力模块前部且对称分布，摄像头则同样通过螺栓连接安装在浮力模块的前方中间部位；耐压仓安装在载体框架内部的右后部位，控制箱安装在载体框架内部的中间部位；每个竖直螺旋推进器均由底座、螺旋桨架、螺旋桨和液压马达组成，2个竖直螺旋推进器分别安装在所述rov本体的两侧，定义rov本体的长度方向为x轴，宽度方向为y轴，高度方向为z轴，竖直螺旋推进器的轴线方向与z轴方向呈15度角，位于载体框架上层，嵌于浮力模块内；4个水平螺旋推进器的轴线方向分别相对于所述rov本体的x、y轴方向呈45度夹角，并通过支座安装在载体框架内部的四角，以消除洋流的分力；
喷枪除沙机构包括两个五自由度可调压机械喷枪，分别安装在所述载体框架前方并且对称分布；所述五自由度可调压机械喷枪包括手部第一关节、手部第二关节、手部第三关节、手部第四关节和水枪喷头；手部第一关节通过转轴连接在所述载体框架前方两侧，手部第二关节与第一关节、第三关节分别通过铰接连接，手部第三关节与手部第四关节通过转轴配合连接，手部第四关节与水枪喷头通过铰接相连；手部第一关节内部装有液压马达，用于实现手部第一关节周向360°连续稳定的旋转；手部第二关节两端装有液压马达，分别驱动手部第二关节与第一关节、以及第二关节与第三关节的相对旋转，手部第四关节由内部马达驱动，可实现相对第三关节的360度旋转，水枪喷头相对第四关节可进行180度转动；
附管爬行夹持机构包括顶部带有弧度的卡爪、可伸缩拉杆、万向滚轮和清扫机构；所述可伸缩拉杆包括弹簧套筒、伸缩弹簧和推杆；其中，卡爪上部通过销轴连接在所述载体框架底部，所述卡爪外侧与可伸缩拉杆通过销钉连接在所述载体框架的底部外侧耳板上；可伸缩拉杆的弹簧套筒一端通过六角螺栓与底座两侧耳板固定，另一端通过伸缩弹簧与推杆的上端连接，当管径处于最小状态，伸缩弹簧处于原长状态，通过弹簧套筒中伸缩弹簧的伸缩，可使卡爪张合以适应夹持不同直径管道；推杆下端与卡爪外侧中间部位耳板铰接，以使得力臂适中和所述卡爪能够实现快速运动；清扫机构位于卡爪的内侧，所述清扫机构包括驱动马达和履带式清洗刷，履带式清洗刷位于卡爪内前侧，通过驱动马达转动使履带式清洗刷工作，以实现对管道上的喷枪除沙时腾起的细沙进行二次清除，以使得卡爪内后侧的万向滚轮紧贴于管道爬行不打滑；
可变径传感器检测机构包括上环形检测滑道、左环形检测滑道、右环形检测滑道、扇形齿轮、锁死机构和可变径传感器密封夹持结构；
所述锁死机构包括楔形插销、楔形锁芯和压缩弹簧；压缩弹簧一端与楔形锁芯的一侧相连接，另一端固定在左环形检测滑道内侧；当固定在右环形滑道端部的楔形插销插入楔形锁芯里时，楔形锁芯挤压压缩弹簧，通过压缩弹簧的伸缩以及局部齿轮停止转动实现反锁，来达到锁住左右环形检测滑道的目的；
上环形检测滑道与rov本体下部固连，通过扇形齿轮分别与左环形检测滑道、右环形检测滑道上的不完全齿轮啮合，以带动左环形检测滑道和右环形检测滑道同步张合，并通过所述锁死机构达到紧固环抱管道的目的；
可变径传感器密封夹持结构包括齿轮组、液压缸套、液压推杆、万向滚轮及传感器密封件；可变径传感器密封夹持结构与上环形检测滑道通过齿轮组配合，其中齿轮组中的4个齿轮分别嵌入上环形检测滑道上下左右4个齿条槽中，两两搭配，形成上下左右对称结构，并可沿周向进行啮合滚动；
左环形检测滑道、右环形检测滑道与可变径传感器密封夹持结构的配合以及相对运动关系同上环形滑道一致；左、右环形检测滑道之间的锁紧通过所述锁死结构和扇形齿轮的配合实现左、右环形检测滑道的扣合锁死；
齿轮组通过双轴与液压缸套连接，液压缸套里的液压推杆与万向滚轮通过螺纹连接，万向滚轮上附有传感器密封件，通过液压推杆的伸缩，用于适应不同管道的直径，从而实现变径检测功能；传感器密封件可以通过齿轮组沿上环形检测滑道作周向转动，同时可随上环形检测滑道一起沿管道轴向行进，以实现对管道周向与轴向全方位无死角检测；
齿轮组的对称结构不仅保证了液压缸套、液压推杆、万向滚轮始终沿径向在一条直线上，使得磁记忆传感器沿径向正对管体，避免传感器因角度倾斜产生测量误差；而且保证了rov沿管道轴向前进时可变径传感器密封夹持结构不会受洋流干扰而前后晃动，确保检测过程的精确性和稳定性。
另外，所述水下机器人还具有一个泥沙抚平机构；泥沙抚平机构包括腿部第一关节、腿部第二关节，腿部第三关节、推土板和液压缸；腿部第一关节通过铰接与rov本体底座连接；腿部第二关节与腿部第一关节用铰接相连；腿部第三关节与腿部第二关节之间用轴连接，腿部第二关节内部装有液压马达，以驱动腿部第三关节进行360度旋转；推土板一端与腿部第三关节铰接，推土板另一端和液压缸的一端通过铰接相连，液压缸的另一端与腿部第三关节通过铰接相连；腿部第一关节与底座以及腿部第二关节铰接处都装有液压马达。
本发明具有如下有益效果：本装置具有rov本体、喷枪除沙机构，附管爬行夹持机构、可变径传感器检测机构和泥沙抚平机构。其中，喷枪除沙机构通过控制水枪喷头的压力和喷射角度，实现对管道上和管道底部泥沙的任意角度全方位清理。附管爬行夹持机构中的卡爪，可以通过调整两侧可伸缩拉杆的伸缩，来实现张合以适应夹持不同直径的管道，卡爪内侧附有履带式清刷结构，实现管道二次清扫功能，确保卡爪上的万向滚轮紧贴于管道爬行不打滑，减少洋流对测量稳定性的影响。可变径传感器检测机构通过环形检测滑道的开合和液压缸的伸缩，实现传感器对不同直径管道的锁紧抱合检测。传感器密封夹持结构可随环形检测滑道一起沿管道轴向行进，同时又可以通过齿轮组沿环形检测滑道作周向转动，从而达到海底管道周向与轴向全方位无死角检测目的，解决了海底管道底部检测不到的难题。同时传感器密封夹持结构的对称性不仅保证磁记忆传感器沿径向正对管体，避免因传感器角度倾斜产生测量误差；而且保证了rov沿管道轴向前进时传感器不会受洋流干扰而前后晃动，确保检测过程的精确性和稳定性。泥沙抚平机构可实现管道下部泥沙的填充复原，避免对管道周围环境的破坏。
本种机器人可以适应不同管径的变化，并且沿着管道轴向行进检测的同时实现传感器环周向转动检测，以全方位精确地检测管道宏观损伤和早期异常应力集中等危险区域。可以清走埋在管道底部的泥沙，通过周向和轴向同步检测实现对管道整周无死角的全方位检测，并且能够将泥土复原，解决了传统rov难以对海底管道尤其是卧在海床上的半埋管道底部进行全方位无死角检测的困难，通过泥沙抚平机构解决传统rov推进器运行时对管道周围环境破坏的问题。
综上所述，本发明可实现较深水域、泥沙覆盖等复杂情况下海底管道的整周全方位检测，并且可以减少洋流对测量稳定性的影响。
附图说明：
图1是本发明所述水下机器人的轴侧图。
图2是本发明所述水下机器人的主视图。
图3是本发明所述水下机器人的侧视图。
图4为本发明所述水下机器人的喷枪除沙机构的结构示意图。
图5为本发明所述水下机器人的附管爬行夹持机构的结构示意图。
图6为本发明所述水下机器人的可变径传感器检测机构的剖视图。
图7为可变径传感器检测机构中传感器密封夹持结构示意图。
图8为本发明所述水下机器人的泥沙抚平机构的结构示意图。
图9为本发明所述水下机器人的环形检测滑道锁死机构的结构示意图。
图中1-rov本体；101-载体框架；102-两个浮力模块；103-两个探照灯；104-摄像头；105-耐压舱；106-控制箱；107-2个竖直螺旋推进器；108-4个水平螺旋推进器；2-喷枪除沙机构；201-手部第一关节；202-手部第二关节；203-手部第三关节；204-手部第四关节；205-水枪喷头；3-附管爬行夹持机构；301-卡爪；302-可伸缩拉杆；3021-弹簧套筒；3022-伸缩弹簧；3023-推杆；303-万向滚轮；304-清扫机构；3041-驱动马达；3042-履带式清洗刷；4-可变径传感器检测机构;401-上环形检测滑道；402-左环形检测滑道；403-右环形检测滑道；404-扇形齿轮；405-可变径传感器密封夹持结构；4051-滑动齿轮组；4052-液压缸套；、4053-液压推杆；4054-万向滚轮；4055-传感器密封件；406-楔形插销；407-楔形锁芯；408-压缩弹簧；5-泥沙抚平机构；501-腿部第一关节；502-腿部第二关节；503-腿部第三关节；504-推土板；505-液压缸。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本种用于海底管道磁记忆检测的水下机器人，包括机体以及为机体提供动力和控制命令的液压系统和电气系统，其独特之处在于：
其机体主要包括rov本体1，喷枪除沙机构2，附管爬行夹持机构3，可变径传感器检测机构4，泥沙抚平机构5。
其中所述rov本体1包括载体框架101、两个浮力模块102、两个探照灯103、一个摄像头104、一个耐压舱105、一个控制箱106、2个竖直螺旋推进器107和4个水平螺旋推进器108。其中，载体框架101为各组件提供安装位置，两个浮力模块102通过固定箱皮和螺栓连接安装在载体框架的上部，为整套装置提供一定的浮力，两个探照灯103通过螺栓连接在浮力模块前部且对称分布，保证能够充分照亮机器的前方，摄像头104则同样通过螺栓连接安装在浮力模块的前方中间部位，保证水下情况检测的充分性。耐压仓105安装在载体框架内部的右后部位，控制箱106安装在载体框架内部的中间部位。每个推进器由底座，螺旋桨架、螺旋桨和液压马达组成。2个竖直螺旋推进器107安装在作业rov两侧，为了抵消海底洋流的水平分力，其轴向与竖直方向呈15度角，位于框架上层，嵌于浮力块内；其中4个水平螺旋推进器108分别相对于作业rov的xy轴方向呈45度夹角（同样偏转一定角度为了消除洋流的分力）安装在框架的内部，通过支座分布在框架的四角。6个推进器实现整套装置在水下6个自由度的运动。
喷枪除沙机构2包括两个五自由度可调压机械喷枪，分别安装在载体框架前方并且对称分布，五自由度可调压机械喷枪包括手部第一关节201、手部第二关节202、手部第三关节203和手部第四关节204，水枪喷头205。手部第一关节201通过转轴连接在载体框架前方两侧，手部第二关节202与第一关节203、第三关节203分别通过铰接连接，手部第三关节203与手部第四关节204通过转轴配合连接，手部第四关节204与水枪喷头205通过铰接相连。手部第一关节201内部装有液压马达，能够实现周向360°连续稳定的旋转。手部第二关节202两端装有液压马达，分别驱动手部第二关节202与第一关节201、以及第二关节202与第三关节203的相对旋转，手部第四关节204由内部马达驱动，可实现相对第三关节的360度旋转，水枪喷头205也可相对第四关节204进行180度转动，通过各关节与水枪喷头205相互配合，组合成为五自由度高压机械喷枪，两个五自由度高压水枪安装在载体框架前方并且对称分布，可以灵活控制喷射角度，能够实现管道上部及底部泥沙的任意角度全方位冲刷。水枪整体采用高强钢构架结构，且各关节间连接紧凑，密封性好，能够保证水枪在水下工作过程中，不会因受到海流的波动而发生位置的偏移和关节的损坏。
附管爬行夹持机构3包括卡爪301、可伸缩拉杆302、万向滚轮303、清扫机构304。可伸缩拉杆302由弹簧套筒3021、伸缩弹簧3022、推杆3023组成。卡爪301与载体框架底部通过铰接相连，主要起到管道夹持功能；弹簧套筒3021一端通过六角螺栓与底座两侧耳板固定，弹簧套筒3021另一端和推杆3023的上端通过伸缩弹簧3022连接，当管径处于最小状态，伸缩弹簧3022处于原长状态，可以通过弹簧套筒3021中伸缩弹簧3022的伸缩，可使卡爪301张合以适应夹持不同直径管道。推杆3023下端与卡爪301中间部位耳板铰接，确保力臂适中，卡爪301运动的便捷性。卡爪301内侧的清扫机构304包括驱动马达3041，履带式清洗刷3042，通过驱动马达3041转动，使履带式清洗刷3042工作，可对管道上的喷枪除沙时腾起的细沙进行二次清除，确保万向滚轮303紧抱于管道爬行不打滑，减少洋流对检测稳定性的影响，使检测更准确。
可变径传感器检测机构4包括上环形检测滑道401、左环形检测滑道402、右环形检测滑道403、扇形齿轮404，可变径传感器密封夹持结构405。上环形检测滑道401与rov本体1下部固连，通过扇形齿轮404分别与左环形检测滑道402、右环形检测滑道403上的不完全齿轮啮合，带动左、右侧环形检测滑道同步转动一定角度。可变径传感器密封结构405包括滑动滑动齿轮组4051、液压缸套4052、液压推杆4053、万向滚轮4054及传感器密封件4055。可变径传感器密封夹持结构405与上环形检测滑道401通过滑动齿轮组4051配合，其中滑动滑动齿轮组4051中的4个齿轮分别嵌入上环形检测滑道401的上下左右齿条槽中，两两搭配，形成上下左右对称结构，并可沿周向进行啮合滚动。滑动齿轮组4051通过双轴与液压缸套4052连接，液压缸套4052里的液压推杆4053与万向滚轮4054通过螺纹连接，万向滚轮4054上附有传感器密封件4055，通过液压推杆4053的伸缩，适应不同管道的直径，实现变径检测功能。由于滑动齿轮组4051的周向转动、rov的轴向移动，传感器密封件4055可随环形检测滑道一起沿管道轴向行进，同时又可以通过滑动齿轮组4051沿环形检测滑道作周向转动，从而达到管道周向与轴向全方位无死角检测目的；由于齿轮组4051的对称结构，不仅保证了可变径传感器密封夹持结构405中的液压缸套4052、液压推杆4053、万向滚轮4054始终沿管道径向在一条直线上，保证磁记忆传感器沿径向正对管体，避免因传感器角度倾斜产生测量误差；而且保证了rov沿管道轴向行进时可变径传感器密封夹持结构405不会受到洋流干扰而前后晃动，确保行进过程中的精确性和稳定性。左环形检测滑道402、右环形检测滑道403与可变径传感器密封夹持结构405配合以及相对运动关系同上环形滑道401完全一致，左右环形滑道之间的锁紧通过锁死构包实现。锁死机构包括两侧环形检测滑道上的楔形插销406、楔形锁芯407，压缩弹簧408。压缩弹簧408一端与楔形锁芯407的一侧相连接，另一端固定在两侧环形检测滑道的内侧。当楔形插销406插入楔形锁芯407里时，楔形锁芯407挤压压缩弹簧408，通过压缩弹簧408的伸缩以及局部齿轮404停止转动实现反锁，来达到锁住左右环形检测滑道的目的，避免了两侧环形检测滑道因松开对测量精度的影响。
泥沙抚平机构5包括腿部第一关节501，腿部第二关节502，腿部第三关节503，推土板504、液压缸505。腿部第一关节501通过铰接与rov本体1底座连接；腿部第二关节502与腿部第一关节501用铰接相连；腿部第三关节503与腿部第二关节502之间用轴连接，腿部第二关节502内部装有液压马达，以驱动腿部第三关节503进行360度旋转，增加其自由度；推土板504一端与腿部第三关节503铰接，推土板504另一端和液压缸505一端通过铰接相连，液压缸505另一端与腿部第三关节503通过铰接相连。腿部第一关节501与底座以及腿部第二关节502铰接处都装有液压马达，以提供其动力。该装置自由度高，可无死角进行埋土，适应各种复杂情况，避免检测过程中对环境的破坏。该装置采用液压系统驱动，运动平稳，动力大，控制简单，控制精度高。
泥沙抚平机构5的工作过程如下：腿部第一关节501绕箱体底座转动一定角度，泥沙覆平机构打开，腿部第二关节502及其余部分伸入管道底部，紧接着腿部第二关节502绕腿部第一关节501旋转，直至到达指定位置。之后液压缸505伸长，驱动推土板504沿管道纵向运动，将散落的泥土聚拢。然后腿部第三关节503旋转一定角度，使其与管道纵平面呈一定夹角。当推进器推动rov沿管道前进时，推土板将聚拢的泥土推平，最大限度地恢复管道下的泥土原貌。
下面给出利用上述装置实施管道检测的具体步骤如下：
步骤一：准备过程，即母船释放rov，rov通过自身重力及推进器作用到达预先指定位置。
步骤二：除泥过程，即rov前端的喷枪除沙机构2打开，高压水枪喷出的高速水流将管道底部的泥土冲除，通过调整五自由度机械喷枪的角度和压力，实现管道底部泥土全清除。
步骤三：夹紧过程，即rov前部的附管爬行夹持机构3、rov中部的可变径传感器检测机构4及尾部的泥沙覆平机构5打开，rov缓慢下落，附管爬行夹持机构3抱合管道，可变径传感器检测机构4抱合管道并通过锁死机构闭合锁紧。
步骤四：二次清扫过程，即rov前端的喷枪通过调节喷射角度和压力，进一步清理管道四周泥沙，并启动履带式清洗刷进行二次清扫，以清理因前期除沙过程迸溅到管道上的泥沙，保障附管爬行夹持机构（3）以及可变径传感器检测机构（4）中的万向滚轮沿管道轴向行进过程中不打滑。
步骤五：检测过程，即传感器密封夹持结构在液压缸作用下调整与管道距离，实现变径功能以适应不同管道直径，传感器密封夹持结构下端的万向轮贴合在管道上，启动磁记忆传感器开始测量，伴随rov沿管道轴向行进的同时磁记忆传感器可以通过齿轮齿条滑道机构沿管道周向旋转，从而实现管道轴向与周向的整周全方位检测。
步骤六：回填过程，即rov通过对泥沙覆平机构5关节处的液压马达和液压缸的控制，来改变推土板504的姿态和驱动推土板504，从而实现管道底部的泥土回填。
步骤七：回收过程，等待检测任务完成后，附管爬行夹持机构3、可变径传感器检测机构4和泥沙覆平机构5打开，rov与管道脱离，此时推进器开始启动，回收整套rov。