一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波机器人技术方案

本发明专利技术公开了一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波机器人。机器人通过双向无线链路，实现远程操控。同时，机器人可在管道内自主前进和后退，操作员在摄像机的辅助下查看管内的复杂情况。机器人配备多自由度机械臂，在机械臂执行末端配有瑞利波与兰姆波发射与接收阵列组件，其与管壁接触后，通过组件探头上的压电陶瓷在管壁上激发并接收兰姆波与瑞利波。机械臂可以旋转展开，将执行末端的探头延伸到管壁待检测处，例如放置在管道的环焊缝处，然后围绕焊缝旋转，以提供100％的焊缝检查。机器人获取的检测数据可以存储在车载计算机上并进行实时处理，分析出管道闭的瑕疵与裂缝情况，或传输到外部计算机以便进行大型的运算分析。型的运算分析。型的运算分析。

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波机器人


[0001]本专利技术涉及一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波机器人，具体涉及一种装载多种环境传感器、瑞利波与兰姆波激发与接收装置，机械手臂以及机载计算机的管道检测机器人。

技术介绍

[0002]管道，尤其是长距离输油管道，通常是被分段一一组装焊接的。每段管道的端部对缝放置在一起进行环焊焊接。这些环焊缝质量可变，因为它们通常在极端条件下焊接，例如管道铺设驳船上或在沙漠中，同时经过长时间的使用，管道内部形成了情况各异的复杂系统，包括管壁的瑕疵/裂缝的演化、焊缝的质变情况以及温湿度、酸碱性的非线性变化等等。因此，管道需要定期进行检查，确保管道的质量安全。在许多情况下，地下、海下和地表安装的管道通常受到外部保护涂层和包胶的保护。如果从管外进行检测，那将耗时费力以及成本昂贵。因此，需要一种管道内检测的设备和方法，其允许管道复杂系统的检查，尤其是环焊缝的内部检查。
[0003]目前世界上的管道内检测技术大多采用三轴漏磁、超声、电磁超声以及远场涡流等技术，实现了金属损失、裂纹、涂层和防护层剥离等缺陷的检测与识别。目前，全世界最先进的检测技术与设备主要集中在美国 GE PII、德国 ROSEN 和加拿大RUSSEL 等公司，国际市场上常见的内检测设备主要有GE PII 的三轴漏磁检测器“MagneScanTriax”、圆周漏磁检测器“TranScan”、超声检测器“Ultrascan CD TM / UltraScan Duo”和电磁超声检测器“EmatScan TMCD”，ROSEN的圆周漏磁检测器“RoCorr CMF”、超声检测器“RoCorr UT”、超声漏磁检测器“RoCorr MFL/UT”、电磁超声检测器“RoCD2”以及RUSSEL的远场涡流检测器“Ferroscope R308”。此类设备一般搭载在管道猪上，但是管道猪设备在管道里运动的比较缓慢，像猪一样在里面拱，且不能回头，而且其工作时发出刺耳的声音，类似于猪的嚎叫，因此起名为猪。除此之外，管道猪价格昂贵，一般市场售价在千万元以上，同时自身机构复杂，容易出现故障，无法满足大规模长期使用。除此之外的其他管道机器人，有的结构精巧但无法装载其他复杂的设备，有的功能单一且无法完成对管内复杂情况的探测与分析。有的功能强大但结构复杂而且费用昂贵。
[0004]文献1：中国技术CN201921660658.X公开了一种自适应自主转向的轮式管道机器人，通过弹性伸缩臂绕竖直轴的旋转和蜗轮蜗杆机构将动力通过涡轮传递至皮带传动机构的滚轮，使滚轮沿管壁向前运动，实现机器人的转弯。虽然其结构灵巧，可以解决了管道机器人自主转向的问题，但是其很难搭载超声检测器或漏磁检测器等复杂的设备，无法进行实质有效的管道检测。
[0005]文献2：中国技术CN201620688416.1公开了一种用于管道机器人的多功能环及防撞管道机器人，其通过设置一个可以拨动的U型的多功能环，防止摄像头撞到障碍物和管壁的作用，使用带绳索的挂钩钩住多功能环，实现管道机器人上下检测井。但是其最多只
能搭载一个摄像头，其他设备均无搭载，由于管道内摄像头的视野具有很大的局限性，无法100%的检测管内的细微情况，例如环焊逢处是否有瑕疵或裂缝等。
[0006]文献3：中国专利技术专利CN201810346523.X公开了一种可调速的海底石油管道清洁猪，结构间通过法兰连接,能够使管道猪在清管作业中维持比较稳定的速度，对速度的改变比较敏感。但是此管道猪是用于清洁石油管道，在结构上并无法搭载超声检测器或漏磁检测器等复杂的设备，无法进行实质有效的管道检测。
[0007]文献4：中国专利技术专利CN201410660632.0公开了一种基于旋转电磁场的管道检测装置，特别涉及一种基于旋转电磁场的管道检测装置。其激励线圈内部分别通入相位依次相差120度的三相交流电，交变磁场在管道内壁上产生循环流动涡流，涡流经过缺陷时会发生畸变并引起空间磁场畸变信号，从而可获取缺陷的大小和位置信息。其以管道猪为载体，实现涡电流在管道内壁的自动旋转，快速识别缺陷并能够确定缺陷的位置和大小。但是其结构十分复杂，不易再搭载摄像头其他等设备；同时，其造价昂贵，目前每公里管道的检测费用以上万美元计算。
[0008]实现管内复杂情况的检测，系统常常需要搭载多种传感器与设备。同时，由于管内情况复杂，在检测进行中，系统往往更多的信号输出通道以获取冗余的数据信息以便容错，以及稳定的工作电压，同时最好具有成本低、体积小的优点。

技术实现思路

[0009]本专利技术所涉及一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波移动机器人，用于检查管道内部复杂情况，尤其是环焊缝处的情况。机器人包括：多轴机械臂，瑞利波与兰姆波激发与接收阵列组件、喷水系统、机载计算机、控制器模块、数据采集器、电池组、车轮、车体框架、减震器、陀螺仪、环境传感器阵列、防水摄像机、动态力反馈系统、机载双向无线电发射与接收器。
[0010]所述机械臂固定在车体框架上，能够伸展延伸到车体之外，机械臂执行末端可以接触到管道内壁。当移动机器人在管道内时沿着管道纵向位移时，所述机械臂收缩，其执行末端不接触管道内壁；当移动机器人进行管壁检测时，机械臂可以伸展，使其执行末端靠近或紧贴待观测处。机械臂执行末端搭载了动态力反馈系统、瑞利波与兰姆波激发与接收阵列组件、防水摄像机。
[0011]所述的动态力反馈系统，由力学传感器构成，其与多轴机械臂的各关节电机驱动构成了位置与应力的闭环控制系统。该系统保障在机械臂旋转时瑞利波与兰姆波阵列能够一直保持贴靠在管壁上而不松动，能够维持接触面恒定力并抵消机器人由于位移误差或其他突发状况而产生的接触面作用力干扰。
[0012]所述的防水摄像机接收信息可以辅助操作者实时观测管内情况以及精细调节机械臂的旋转。
[0013]所述机械臂的基座可以沿垂直车体的轴方向360
°
旋转；所述机械臂的执行末端装备了瑞利波与兰姆波阵列组件;所述瑞利波与兰姆波阵列组件包括至少一个具有用于瑞利波与兰姆波激发与接收的探头阵列；控制器模块固定在所述车体框架上，负责驱动车轮、控制机械臂的运动位置以及喷水系统的开启和关闭；机载计算机连接到所述机器人控制器模块并且能够通过双向无线链路向外界的操作人员发送数据以及接收外界发来的指令信号。
[0014]所述的瑞利波与兰姆波激发与接收阵列组件，其中包括激发与接收瑞利波与兰姆波的探头；探头一般由压电陶瓷材料制作而成，高频变换的方差电压信号通过压电陶瓷转换为高频机械振动，在接触管壁内表面时，在管内表面以及管壁内部形成瑞利波和兰姆波。兰姆波和瑞利波都属于超声波的一种。兰姆波是板波的一种，是管壁厚度与透入的声波波长相当时在管壁中激励而成对的应力波，其又分为对称型(S型)和非对称型(A型)，指因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物体内传播，质点作椭圆轨迹运动，因物体两平行表面所限而形成的纵波与横波组合的波，它在整个物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波机器人，其特征在于，包括：多轴机械臂，瑞利波与兰姆波激发与接收阵列组件、喷水系统、机载计算机、数据采集器、控制器模块、电池组、车轮、车体框架、减震器、陀螺仪、环境传感器阵列、防水摄像机、动态力反馈系统、机载双向无线电发射与接收器。2.根据权利要求1所述的一种用于检测管道内部复杂系统状况的机载瑞利波与兰姆波机器人，其特征在于，瑞利波与兰姆波激发与接收阵列组件包括激...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽峰，桂琪珍，马一男，
申请(专利权)人：张家港市光武智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：