一种可变径风电叶片内窥检测机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域。尤其是涉及大变径的风电叶片内窥检测机器人。

背景技术：

随着国家可持续发展战略的提出，风能已经成为我国开发新能源不可或缺的一部分，风电叶片是风电机组接受风能的关键部件之一，约占总成本的20％。随着风电发电机组的数量不断增加，人们对风电叶片的检测也提出了更高的要求，根据目前风场运行风机的事故分析，叶片粘接开裂问题出现较多，因而叶片所有粘接区域都是影响叶片结构安全的关键区域。目前国内对转运安装过程以及运行过程中的叶片检测都需要专业的设备和训练有素的技术人员手工操作，在运行过程中进行检测还需要预先安装的基础设施，如绳子、吊篮或其他平台。除此之外，由于风电叶片内部管壁形状特殊，管径变化大，工作人员很难进入风电叶片内深处进行详细的检测。目前所使用的检测方式为人工检查，不仅工作效率低下，存在漏检的风险，还可能对操作工人安全造成巨大威胁。使用机器人代替人工完成检测、维护的任务既提高了效率也增加了安全性。

201810200615.7公布了一种主动自适应管径变化的周布履带轮式管道检测机器人，包括履带轮行走机构以及通过转弯机构连接在履带轮行走机构前端的检测机构；履带轮行走机构包括圆柱形主体套筒，圆柱形主体套筒的外周均匀分布有多个受履带驱动电机控制履带轮，履带轮通过压紧调节曲柄滑块机构安装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠与圆柱形主体套筒的外壁相固定；圆柱形主体套筒的内部设置有压紧力驱动电机，压紧力驱动电机通过传动齿轮组同时驱动各个滚珠丝运动，履带轮在压紧调节曲柄滑块机构的带动下调节与管道内壁的压紧力。但是该机器人变径采用的是曲柄滑块变径去适应管道变径，适应的变径范围小，以及该机器人只能适应完全对称的管道，不能适应曲率变化的内腔。

技术实现要素：

针对现有内窥机器人的缺陷，本发明提供了一种可变径风电叶片内窥检测机器人，该机器人能适应大变径和变曲率管道的检测。

本发明采用的技术方案：

一种可变径风电叶片内窥检测机器人，包括行走机构、变径机构、支撑机构和控制部分，行走机构上部安装变径机构，变径机构的上部安装支撑机构；其特征在于：

所述行走机构由四个结构相同的行走单元构成，每个行走单元由一个行走步进电机控制，两个行走单元为一组，两组按照前后位置放置；

所述变径机构由两个结构相同的部分组成，每一部分均包括丝杠电机、丝杠、丝杠螺母、导向轴、滑块、弹簧和剪型结构，丝杠电机通过丝杠联轴器连接丝杠，丝杠的两端均安装有丝杠基座，在两个丝杠基座上，沿丝杠长度方向平行设置有导向轴，在丝杠上对称安装两个丝杠螺母，两个丝杠螺母采用正反螺纹设置，且丝杠螺母穿过导向轴；在丝杠螺母的内侧丝杠上安装有滑块，滑块与其相邻的丝杠螺母之间安装有弹簧；所述剪型结构包括多级剪叉臂，位于最下层的剪叉臂的下部两端分别固定连接两个滑块的上表面，上部两端转动连接上一级剪叉臂的下部两端；剪叉臂的两个连杆相互交叉，位于最上层的剪叉臂的下部两端活动连接下一级剪叉臂的上部两端，位于最上层的剪叉臂的上部两个连杆铰接，在该交点上安装支撑机构；

每个剪叉臂均有两个长度相同的连杆构成，同级剪叉臂的一个连杆能穿插在另一个连杆中。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过丝杠连接丝杠螺母连接弹簧，通过弹簧连接滑块进而推动安装在滑块上的剪型结构。弹簧能够柔顺的主动推动剪型结构，丝杠电机带动丝杠转动，丝杠带动丝杠螺母水平移动，丝杠螺母通过弹簧推动滑块进而推动剪型结构实现大范围的被动变径，安装在剪型结构上的支撑装置能够在钮簧的作用下使橡胶鼓型支撑轮很好的贴合曲率变化的腔体内壁。机器人能够实现在非对称结构中行走。

该发明能够实现主被动结合的变径，具有稳定的大范围变径能力，又具有适应管径变化的柔顺能力，能够适应风电叶片内部空间的包括直径、曲率以及倾斜程度等方面的约束。且剪叉臂的设计能够实现其他内窥机器人所没有的大范围变径功能。支撑机构采用橡胶鼓型支撑轮加钮簧的设计，保证其与风电叶片的内壁表面保持充分的接触，为停止状态和运动状态都能提供足够的摩擦力。

附图说明

图1本发明可变径风电叶片内窥检测机器人一种实施例的整体的立体结构示意图；

图2张紧机构的结构示意图；

图3行走机构的立体结构示意图；

图4履带机构架的结构示意图；

图5变径机构立体结构示意图；

图6支撑机构立体结构示意图；

图中，1-丝杠电机；2-丝杠联轴器；3-丝杠固定件；4-导向轴；5-丝杠螺母；6-弹簧；7-双臂剪叉臂；8双耳环调整支座；9-橡胶鼓型支撑轮；10-支撑杆；11-履带；12-轴承座；13-张紧机构；14-履带机构架；15-行走步进电机；16-联轴器；17-锥齿轮一；18-锥齿轮二；19-履带轮；20-履带轮轴承；21-丝杠基座；22-丝杠；23-滑块；24-钮簧：25-折弯板一：26-折弯板二：27-张紧导向槽：28-凸起块

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限制。

如图1，一种可变径风电叶片内窥检测机器人，由行走机构(图3)、变径机构(图5)、支撑机构(图6)、控制部分(图中未标出)组成，行走机构上部安装变径机构，变径机构的上部安装支撑机构，行走机构带动整个机器人行进，变径机构能适应风电叶片的半径、支撑机构能更好地贴合叶片内壁，控制系统用于控制整个机器人执行相应动作。

所述行走机构由四个结构相同的行走单元构成，每个行走单元由一个行走步进电机15控制，两个行走单元为一组，两组按照前后位置放置；

所述变径机构由两个结构相同的部分组成，每一部分均包括丝杠电机1、丝杠22、丝杠螺母5、导向轴4、滑块23、弹簧6和剪型结构，丝杠电机1通过丝杠联轴器2连接丝杠22，丝杠的两端均安装有丝杠基座21，在两个丝杠基座上，沿丝杠长度方向平行设置有导向轴4，在丝杠22上对称安装两个丝杠螺母5，且丝杠螺母穿过导向轴，在导向轴4的作用下水平移动；在丝杠螺母的内侧丝杠上安装有滑块23，滑块23与其相邻的丝杠螺母之间安装有弹簧6；所述剪型结构包括多级剪叉臂，位于最下层的剪叉臂的下部两端分别铰接两个滑块23的上表面，上部两端转动连接上一级剪叉臂的下部两端；剪叉臂的两个连杆相互交叉，位于最上层的剪叉臂的下部两端活动连接下一级剪叉臂的上部两端，位于最上层的剪叉臂的上部两个连杆铰接，在该交点上安装支撑机构；

每个剪叉臂均有两个长度相同的连杆构成，同级剪叉臂的一个连杆能穿插在另一个连杆中，做伸缩运动，多级剪叉臂，可以实现大范围的举升运动。

固定剪型结构的滑块与丝杠螺母通过压缩弹簧连接，能够根据叶片半径的变化主动变径。采用丝杠直接驱动丝杠螺母，再经弹簧间接驱动滑块的方式，既具有稳定的大范围变径能力，又具有适应管径变化的柔顺能力，能够适应风电叶片内部空间的包括直径、曲率以及倾斜程度等方面的约束。

丝杠电机将丝杠的旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动，丝杠螺母通过压缩弹簧向剪型结构的最下端首铰链处施加水平向内的推力，剪型结构的最下端首铰链处随滑块做直线运动，其上端各铰接点均向内向上运动，最上端的末铰链处铰接点与支撑机构相连，将水平位移转化为竖直向上的位移，实现变径运动。

所述支撑机构连接于变径机构上，包括双耳环调整支撑座8、支撑杆10、钮簧24和橡胶鼓型支撑轮9；在双耳环调整支撑座上呈放射状安装多个等长度支撑杆10，每个支撑杆的下端连接扭簧后安装在双耳环调整支撑座8上，每个支撑杆的上端连接一个橡胶鼓型支撑轮。橡胶鼓型支撑轮在钮簧的作用下可进行转动，扭簧的设置可以机器人更能适应叶片变换的曲率。

沿着机器人移动的前后方向上的每个支撑杆上均同轴安装两个橡胶鼓型支撑轮9，能够增大前后移动时的摩擦力，更加稳定。

所述控制部分包括控制器、驱动器、压力传感器、长度传感器，丝杠电机、行走步进电机均与相应的驱动器连接，控制器通过驱动器控制相应的电机工作，丝杠电机可以实时的控制丝杠转动，进而带动剪型结构进行实时变径。压力传感器和长度传感器均安装在滑块和丝杠螺母之间，长度传感器检测相应弹簧6的伸缩量，压力传感器检测变径机构是否能获得稳定的力。行走步进电机带动行走单元运动。压力传感器和长度传感器连接弹簧。

每个行走单元包括一条履带和两个履带轮19、两个支撑轮轴、一个行走步进电机15、联轴器16、两个锥齿轮和齿轮轴、轴承和轴承座以及履带机构架；两个履带机构架14之间安装履带，在履带机构架的两端通过履带轮轴承20及轴承座12安装两个履带轮19，一个履带轮的履带支撑轮轴(图中未标出)在履带机构架的外侧安装有锥齿轮二18，行走步进电机15的输出端通过联轴器16连接一个齿轮轴，该齿轮轴上连接锥齿轮一17，锥齿轮一17与锥齿轮二18相啮合，通过锥齿轮啮合传动结构输出动力并改变传动方向，将行走步进电机输出的动力转化为履带行走机构的动力，行走步进电机带动联轴器、相互啮合的锥齿轮进而带动履带轮并通过张紧机构的张紧带动履带前进。行走步进电机位于一组行走单元的左右两条履带中间。

与行走步进电机连接的履带轮为履带主动轮，另一个为从动轮，主动轮的轮轴较从动轮的轮轴要长，行走步进电机通过相应的步进电机支座固定在相邻的履带机构架上，行走步进电机通过联轴器连接锥齿轮一，锥齿轮一连接锥齿轮二，锥齿轮二通过履带支撑轮轴连接履带轮，进而带动履带行走。

所述行走机构进一步设置为：四条履带安装在机器人底部四角，机器人行走更加稳定，四组履带行走机构相互配合，互不干涉，当机器人方向出现偏移或路线发生转向，通过调节各电机转速能够实现差速转向，结构简单。为了实现差速转向功能，相较于单电机差速机构较复杂的机构特点，行走机构采用多电机独立驱动式。当机器人方向出现偏移或路线发生转向，通过调节各行走步进电机转速能够实现差速转向。张紧机构通过螺钉的拧紧顶推来提供张紧力。

所述变径机构进一步设置为：变径机构的两个结构相同的部分呈v型对称布置，提供更好的稳定性。丝杠电机设置在前部丝杠基座3上，带动丝杠螺母行进，前后丝杠螺母成正反螺纹设置，在导向轴上相向运动。丝杠螺母和滑块之间的弹簧能推动滑块进行小范围变径。同时配合滑块上的剪型结构及支撑机构，实现变径动，剪型结构铰接在滑块上。

所述支撑机构进一步设置为：双耳环调整支座上安装四个双耳环，按十字分布，每个双耳环处通过连接轴铰接一根支撑杆10和扭簧。所述橡胶鼓型支撑轮与接触面提供更大的接触力和摩擦力，此橡胶鼓型支撑轮通过支撑杆10连接在钮簧上然后安装在双耳环调整支座上。

每个行走单元还包括张紧机构，张紧机构由螺栓固定在履带机构架的前后两部分，通过螺栓的拧紧顶推来对履带进行张紧。

本发明机器人采用履带行走方式，四条履带安装在机器人底部四角，采用多电机独立驱动式。当机器人方向出现偏移或路线发生转向，通过调节各电机转速能够实现差速转向，结构简单。

整体变径机构采用v型结构设计。

丝杠上的两个丝杠螺母采用正反螺纹设置。

在滑块上铰接剪型结构，能够进行大范围的举升运动来适应叶片变径的变化。

支撑机构的支撑轮采用橡胶鼓型支撑轮，接触面大、摩擦力大。

本发明可变径风电叶片内窥检测机器人运行中遇到的情况分为三种情况：管径增大、管径减小以及中心线偏移。当机器人从静止到能够平稳运行在风电叶片内腔时，控制器控制丝杠电机转动，直到压力传感器达到设定阈值内，受力平衡；当管径增大时，壁面压力减小，压力传感器小于设定的阈值，为了实现受力平衡，弹簧伸长，释放部分弹性势能，实现被动扩径，当管径继续增大，弹簧长度到达预定长度传感器的最大阈值，壁面压力低于预定最小安全值时，控制器控制驱动器进而驱动丝杠电机工作，推动两个丝杠螺母相向运动，剪型结构间夹角减小，变径机构支撑长度增大，弹簧长度减小至预定最大阈值以下，壁面压力大于预定最小安全值时，电机停止工作，扩径动作完成；当管径缩小时，壁面压力增大，为了实现受力平衡，弹簧缩短，存储部分弹性势能，实现被动缩径，当管径继续减小，弹簧的长度到达预定最小阈值，壁面压力大于预定最大安全值时，控制器控制驱动器进而驱动丝杠电机工作，驱动两个丝杠螺母相背运动，剪型结构间的夹角增大，变径机构支撑长度减小，弹簧长度增大到预定最小阈值以上，壁面压力到达预定最大阈值以下，丝杠电机停止工作，缩径动作完成；当风电叶片腹板中心线发生偏移时，左右两边的壁面压力不等，由于叶片不对称所以变径程度不一样，两个变径机构的支撑长度不等，弹簧在自适应范围内调整支撑长度，必要时丝杠电机参与调节支撑长度，行走机构根据左右两边的壁面压力差，调整各个行走步进电机的转速，从而使个履带的转速不同，实现差速转向，调整行走机构运行的位姿。

本发明机器人的工作原理为剪型结构与丝杠螺母副机构通过压缩弹簧连接。丝杠螺母副机构由丝杠、丝杠螺母和丝杠基座组成，将丝杠的旋转运动转化为螺母的直线运动，螺母通过压缩弹簧向剪型结构的最下端首铰链处施加水平向内的推力，剪型结构的最下端首铰链处随丝杠螺母做直线运动，其上端各铰接点均向内向上运动，最上端的末铰链处铰接点与支撑机构相连，将水平位移转化为竖直向上的位移，实现变径运动。当风电叶片内壁管径逐渐减小或存在径向冲击载荷时，压缩弹簧可以起到柔性调节和缓冲作用。主动调节与柔性调节相结合，提高变径机构和支撑机构的稳定性和适应性。

实施例1

本实施例可变径风电叶片内窥检测机器人由行走机构、变径机构、支撑机构、控制部分组成，行走机构上部安装变径机构，变径机构的上部安装支撑机构，控制部分控制机器人的整体运动及各部件执行相应动作；

所述行走机构由四个结构相同的行走单元构成，每个行走单元由一个行走步进电机15控制，两个行走单元为一组，两组按照前后位置放置；

所述变径机构由两个结构相同的部分组成，

行走机构包括四条履带和八个履带轮、八个履带支撑轮轴、四个行走步进电机以及八个履带机构架，四条履带分布在四角提高稳定性，履带11安装在履带轮19上，一条履带由两个履带轮支撑，履带轮均由履带轮轴承20及轴承座12安装在相应的履带机构架14上。行走步进电机15通过螺栓固定在步进电机支座上，步进电机支座安装在履带机构架14的外侧中间。行走步进电机15连接联轴器16连接齿轮轴带动锥齿轮一17，与锥齿轮一17啮合的锥齿轮二18连接履带支撑轮轴，通过锥齿轮啮合传动结构输出动力并改变传动方向，将行走步进电机输出的动力转化为行走机构的动力。当行走步进电机进行转动的时候，会转化为履带的直线运动。四个履带行走单元相互配合，互不干涉，当机器人方向出现偏移或路线发生转向，通过控制器调节各行走步进电机转速能够实现差速转向，结构简单。

张紧机构13(参见图2)由两块折弯板构成，折弯板一25由螺栓固定在履带机构架的前部分上，折弯板二26由螺栓固定在履带机构架后部分上，两块弯折板相接触的位置上均设有凸起块28，在折弯板一25上沿履带机构架长度方向上开设两个张紧导向槽27，在履带机构架对应位置上设置有导轴，导轴在相应的弯折板一的张紧导向槽内滑动，两个凸起块之间通过螺钉固定连接；在张紧的时候通过调整导轴在张紧导向槽27中的运动，并通过拧紧顶推两个凸起块之间的螺钉来实现履带机构架的张紧。

变径机构图5呈v型对称设置。由于风电叶片各个腔道可以近似看作为不规则的半椭圆结构，所以整体变径机构采用v型结构设计，两组主被动结合变径机构分别位于风电叶片检测机器人上端的一侧，各自支撑风电叶片内壁的一侧曲面。安装在前端的丝杠电机支座(图中未标出)由螺钉固定在丝杠基座21上。由螺钉固定在丝杠电机支座上的丝杠电机1连接丝杠联轴器2通过固定在丝杠基座21上的丝杠固定件3连接丝杠22，两个导向轴位于丝杠的两侧，由导向轴支座固定在丝杠基座21上。丝杠和导向轴4平行，丝杠螺母5通过直线轴承安装在丝杠上。每个丝杠螺母5与滑块23通过弹簧连为一体，两块滑块上分别与剪型结构铰接。两端各安装有相反螺纹的丝杠螺母，剪型结构为双臂剪叉臂，由一级剪叉臂和二级剪叉臂组成，一级剪叉臂为大臂梁，二级剪叉臂为小臂梁，大臂梁首端铰接。丝杠的转动使丝杠螺母能够沿着导向轴4相向或相背直线运动，当需要小范围变径的时候，安装在丝杠螺母后的压缩弹簧6通过伸长或收缩推动滑块23进而推动固定在滑块23上的双臂剪叉臂7底部的铰链，滑块的推力通过剪型结构转化为向上的升力来改变支撑半径。

支撑机构与剪型结构的两个小臂梁末端通过连接轴铰接，双耳环调整支座8包括四个双耳环，按十字分布，每个双耳环处通过连接轴铰接一根支撑轮支架10和扭簧24，支撑轮支架末端铰接橡胶鼓型轮，每个双耳环底部设有水平挡板，由于双耳环侧底部水平设置有挡板，支撑轮支架不会旋转到特别大的角度。扭簧由于预紧力的作用，其初始状态为自适应支撑轮组径向最大伸展状态，当机器人运行于不规则的风电叶片内腔道时，各个支撑杆会根据曲面的曲率贴合在内壁表面。

控制部分包括控制器、驱动器、压力传感器、长度传感器。丝杠电机、行走步进电机均与相应的驱动器连接，控制器通过驱动器控制相应的电机工作，丝杠电机可以实时的控制丝杠转动，进而带动剪型结构进行实时变径。压力传感器和长度传感器均安装在滑块和丝杠螺母之间，压力传感器和长度传感器连接弹簧。

本实施例控制器可选用nimyrio,驱动器可选用山羊us1d200p10、电机采用山羊103h7126-0740，压力传感器采用dyhw-116，长度传感器wf20-s-bm-g。具体的控制流程根据工况的情况而有不同的运行方案。

本发明未述及之处适用于现有技术。