CN103395064A - 一种基于超声导波技术的排管检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于超声导波技术的排管检测机器人。其主要特征是基于模块化结构，由五个旋转模块和两个夹持器通过串联方式连接；两个夹持器可根据不同管径进行更换，其手爪装有导波探头夹持组件，可安装不同结构和数量的导波探头；通过旋转模块的伸展和收缩实现末端夹持器的位姿调整，两手爪交替夹紧，配合旋转模块实现各种攀爬运动。本发明采用基于PC/104总线技术的控制***，由伺服电机、嵌入式计算机主板、传感器和远程控制***组成。本发明具有体积小、质量轻、结构简单，灵活性强的特点，可以实现直管爬行、弯管爬行、管间爬行等多种检测运动，通过导波检测技术与机器人技术的集成，实现基于超声导波技术的排管无损检测。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术和超声导波检测技术领域，涉及一种基于超声导波技术的排管检测机器人。
背景技术
工业管道广泛应用于石油、化工、冶金、制药、能源和环保等行业，担负着高温、高压、易燃、易爆和有毒等介质的输送任务，一旦发生泄漏或***，有可能导致灾难性的事故。因此，实现对管道缺陷的快速、有效检测显得尤为重要。
针对管道缺陷的无损检测，主要技术手段有：超声，磁粉，射线等方法。其中，超声导波检测是一种有效的技术途径。作为一种新型检测技术，超声导波检测与传统的超声检测相比，有两个明显的特点：其一，超声导波的能量衰减较小，一次性传输距离远；其二，检测效率高，因为超声导波在管道内外表面和中部都有质点振动，声场遍及整个管壁，因而整个壁厚范围都可被检测，可同时检测管道内部缺陷和外表面缺陷。所以，采用超声导波技术进行管道的无损检测，有着广阔的应用前景和巨大的发展潜力。然而，超声导波检测的推广应用还存在以下技术瓶颈：第一，检测效率低，绝大多数管道***环境中，管道种类繁多，管道分布密集，走向错综复杂，且作业环境恶劣，导波探头的安装存在一定困难，限制了导波检测的效率。第二，在检测过程中操作人员的检测经验等因素，直接影响检测效果，包括检出率、缺陷类型及故障定位等。第三，高空作业时，检测人员存在一定的危险。以电厂排管为例，其中排管密集，***复杂，检修需求频繁；人工检测效率低下，不能实现全检，成本高昂，且存在人身安全隐患等等。综上所述，能够携带导波检测设备，实现检测任务的排管检测机器人为上述问题的解决提供了一条有效途径，检测机器人作为导波检测技术的载体，能够实现在排管空间的多种爬行方式：单管直行、弯管爬行、管间切换、管屏间切换，通过导波检测技术与机器人技术的集成，实现基于超声导波技术的排管无损检测。
针对管道检测机器人的研究，我国近年来在多个应用领域取得了一定的研究成果。发明专利CN 102135221 A公开了一种基于探针检测的管道检测机器人，其结构包括机身、蓄电池、压力平衡收缩气囊、行走机构等，通过漏点检测装置的探头来检查管道内壁的漏点，通过里程轮记录漏点检测装置动作时的位移，进而判断漏点位置，主要用于石油、天然气管道的检测。发明专利CN 1745985 A公开了一种热交换器受热面管道检测机器人，其结构包括行走机构、工作平台、计算机、无线通讯装置、作业机械臂、驱动器等，其特点是行走机构由四腿行走车架、滚轮和行走履带组成，能够实现沿管道纵向行走和横向的平移行走。发明专利CN 101364452 A公开了一种核电蒸汽发生器管道检测机器人，其结构包括两个手爪机构，两手爪通过驱动轴与上悬臂铰接，通过从动轴与下悬臂铰接，整个装置通过电机驱动，驱动轴上端设有电位器，并与传感器导向臂相连接。其最大优点是结构小，便于将其通过狭小的入口放入蒸汽发生器中。发明专利CN102878436A公开了一种适用于一种暖气管道检测机器人，机器人的形状为人型，通过摄像头来确定方向位置和障碍物，将图像传回工控器，由工控器分析处理，由移动装置完成移动的动作。通过数字式温度传感器测定管道周围的温度和距离分布状态，由上肢操作手的超声波发射器发射超声波，有腹部的超声波接收器接收信号。同时将温度传感器和超声波的探测数据传回工控器，来确定是否有暖气泄漏。
总体来说，目前的研究成果主要是针对单根管道工作状态的检测，部分成果存在结构复杂、检测效率低等缺陷，针对排管的结构与复杂的作业环境，相关的机器人结构与运动规划尚不成熟，基于导波技术的排管检测机器人的研究成果极少，且未得到实际应用。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了提出一种将导波检测技术与机器人技术结合的排管检测机器人，并且能够实现在排管空间的多种爬行方式：单管直行、弯管爬行、管间切换、管屏间切换。本发明实现检测过程的自主运动规划，能够代替人进行复杂而危险的管道检测作业，能够有效提高检测效率，保障工业管道***的安全，具有良好的经济价值和社会价值的一种基于超声导波技术的排管检测机器人。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，包括至少五个旋转模块，以及两个夹持器；即包括第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块、第一夹持器以及第二夹持器；所述第二旋转模块、第三旋转模块以及第四旋转模块采用轴线平行设置；所述第一旋转模块和第五旋转模块同时与第二旋转模块、第三旋转模块以及第四旋转模块的轴线垂直；所述第一夹持器以及第二夹持器分别安装在第一旋转模块和第五旋转模块上，且第一夹持器与第一旋转模块、第二夹持器与第五旋转模块采用同轴设置；所述第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块均采用旋转模块连接件串联连接；所述第一夹持器与第一旋转模块之间、第二夹持器与第五旋转模块之间采用夹持器连接件连接。顺序依次为：第一夹持器、第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块、第二夹持器。
在上述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，所述第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块结构相同，均包括：固定电机外壳、设置在固定电机外壳内的第一直流伺服电机及编码器组件、输入轴与第一直流伺服电机及编码器组件输出轴相配接的第一行星减速器、旋转外壳以及设置在旋转外壳内的旋转模块传动组件、第一内六角平端紧钉螺钉；所述固定电机外壳通过螺钉与传动组件紧固连接；第一行星减速器输出轴通过传动组件驱动旋转外壳旋转；第一行星减速器通过第一内六角平端紧钉螺钉与旋转外壳紧固连接。
在上述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，所述旋转模块传动组件包括：第一轴承端盖、第一垫片、第一角接触球轴承、轴承座；所述轴承座套在第一行星减速器上，并通过螺钉与固定电机外壳紧固连接；第一角接触球轴承套在轴承座上并支承旋转外壳；第一轴承端盖通过螺钉与旋转外壳紧固连接。
在上述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，所述第一夹持器以及第二夹持器结构相同，均包括：第二直流伺服电机及编码器组件、输入轴与第二直流伺服电机及编码器组件输出轴配接的第二行星齿轮减速器、电机座、夹持器平台、夹持传动组件、夹爪组件、与夹爪组件相连接的导波探头夹持组件；所述第二行星齿轮减速器通过电机座与夹持器平台紧固连接；夹持器平台内设有夹持器传动组件；第二直流伺服电机及编码器组件通过第二行星齿轮减速器以及夹持器传动组件驱动夹爪组件进行夹持和检测。
在上述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，所述夹持器传动组件包括：与第二行星齿轮减速器输出轴配接的联轴器、销轴、与联轴器配接的第一齿轮轴、与第一齿轮轴固定连接的第一传动齿轮、第二轴承端盖、键、与第一传动齿轮啮合并通过键装配在第二齿轮轴上的第二传动齿轮、第二角接触球轴承、第二垫片、定位环、第二内六角平端紧钉螺钉；所述联轴器一端与第二行星齿轮减速器通过第二内六角平端紧钉螺钉紧固连接，另一端与第一齿轮轴通过轴孔外形固定；第一齿轮轴和第二齿轮轴两端均通过第二角接触球轴承支承在夹持器平台内；第二轴承端盖通过螺钉与夹持器平台紧固连接。
在上述的基于超声导波技术的一种排管检测机器人，所述的夹爪组件包括至少两个内连杆、至少两个外连杆以及两个手爪；内连杆一端通过螺钉分别与第一传动齿轮和第二传动齿轮紧固连接，另一端分别与两个手爪铰接；两个外连杆一端分别与夹持器平台铰接，另一端分别与手爪铰接；
在上述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，所述的导波探头夹持组件包括：弹簧片、第三内六角平端紧定螺钉、导波探头夹持块；导波探头夹持块通过螺钉与弹簧片相连;弹簧片通过螺钉与机器人夹持器的手爪固接; 导波探头夹持块上装有用来固定导波探头的第三内六角平端紧定螺钉。
在上述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，所述两个手爪内壁与管道接触部位还设有橡胶垫。
因此，本发明具有如下优点：1.模块化的设计方法，机器人构建和拆装简单，方便快捷；2.串联结构，各模块采用串联方式依次连接，构型对称。只需两种模块即可实现排管检测机器人的构建，本检测机器人的结构可方便进行机器人的运动学建模，可直接解得机器人逆运动学解，使机器人的控制简单易行；3.可在夹持器手爪夹持时实现检测任务，攀爬与检测任务同时进行，两夹持器手爪均可安装导波检测探头，可提高检测效率；4.灵活性好，可以实现直管爬行、弯管爬行、管间爬行、管屏间切换、障碍跨越等攀爬；5.夹持器手爪本身具有一定的管径适应性，又因为采用采用销轴连接可方便进行手爪的更换以适应攀爬和检测不同的管径。
附图说明
图1 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的机构示意图。
图2 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的外观图。
图3 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的旋转模块外观图。
图4 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的旋转模块剖面图。
图5 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的夹持器模块外观图。
图6a 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的夹持器模块主视剖面图。
图6b 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的夹持器模块俯视剖面图。
图6c 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的夹持器模块立体图。
图7 本发明的基于超声导波技术的排管检测机器人的夹持管道示意图。
图8 本发明的排管检测机器人的控制***总体框图。
图9本发明的排管检测机器人的控制***硬件总体框图。
图10a 本发明的排管检测机器人的直管攀爬示意图（攀爬步骤1，图中，手A指第一夹持器，手B指第二夹持器）。
图10b 本发明的排管检测机器人的直管攀爬示意图（攀爬步骤2）。
图10c 本发明的排管检测机器人的直管攀爬示意图（攀爬步骤3）。
图11a 本发明的排管检测机器人的管间攀爬示意图（攀爬步骤1中第一个动作，图中，手A指第一夹持器，手B指第二夹持器）。
图11b 本发明的排管检测机器人的管间攀爬示意图（攀爬步骤1中第二个动作）。
图11c 本发明的排管检测机器人的管间攀爬示意图（攀爬步骤2）。
图11d 本发明的排管检测机器人的管间攀爬示意图（攀爬步骤3）。
图11e 本发明的排管检测机器人的管间攀爬示意图（攀爬步骤4）。
图12a 本发明的排管检测机器人的弯管攀爬示意图（攀爬步骤1中第一个动作，图中，手A指第一夹持器，手B指第二夹持器）。
图12b 本发明的排管检测机器人的弯管攀爬示意图（攀爬步骤1中第二个动作）。
图12c 本发明的排管检测机器人的弯管攀爬示意图（攀爬步骤2、3、4）。
图13a 本发明的排管检测机器人的两管屏间攀爬示意图（攀爬步骤1中第一个动作，图中，手A指第一夹持器，手B指第二夹持器）。
图13b 本发明的排管检测机器人的两管屏间攀爬示意图（攀爬步骤1中第二个动作）。
图13c 本发明的排管检测机器人的两管屏间攀爬示意图（攀爬步骤2）。
图13d 本发明的排管检测机器人的两管屏间攀爬示意图（攀爬步骤3）。
图14a 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤1中第一个动作，图中，手A指第一夹持器，手B指第二夹持器）。
图14b 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤1中第二个动作）。
图14c 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤2）。
图14d 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤3）。
图14e 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤4）。
图14f 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤5中第一个动作）。
图14g 本发明的排管检测机器人的多管屏间攀爬示意图（攀爬步骤5中第二个动作）。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明在整体结构设计方面，提供一种模块化的双手爪攀爬机器人，如图1和图2所示，机器人采用模块化结构，排管检测机器人采用五个旋转自由度和两个夹持器，共两种七个模块，各模块采用串联方式连接，顺序依次为：第一夹持器A-第一旋转模块A1-第二旋转模块A2-第三旋转模块C-第四旋转模块B2-第五旋转模块B1-第二夹持器B，两个夹持器上可安装检测探头，第一夹持器A与第一旋转模块A1轴线重合，第二夹持器B与第五旋转模块B1轴线重合，第二旋转模块A2、第三旋转模块C、第四旋转模块B2三个模块轴线平行，第一旋转模块A1、第五旋转模块B1与第二旋转模块A2、第三旋转模块C、第四旋转模块B2的轴线垂直。
本发明中，排管检测机器人中间的三个旋转模块可以实现机器人的伸展和收缩。第一旋转模块A1与第五旋转模块B1配合中间三个旋转模块可以实现末端夹持器的位置和姿态调整。攀爬过程中机器人两手夹持器爪交替夹紧，配合旋转模块实现各种攀爬。
本发明在旋转模块设计方面，所述旋转模块有一个转动自由度，转动轴线与旋转模块轴线重合。旋转关节由直流伺服电机驱动，通过行星减速器减速后输出扭矩，驱动旋转外壳旋转，具有结构简单的特点。
本发明中，机器人的模块化关节基本部件由电机、减速器、反馈元件组成。根据减速器类型的不同，模块化关节设计有三种方案：行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器。其中使用行星轮减速器对减速器和安装结构的精度要求比较严格，并且减速器质量偏大，但是它结构紧凑， 回程间隙较小。蜗轮蜗杆减速器质量较轻，但是在大传动比的情况下，***效率较低，增大了电机的功率和质量。谐波减速器质量小、传动比大、安装方便，但是多为国外著名公司生产，价格昂贵。考虑到本文所设计的模块化关节的应用要求和经济性，故选用行星齿轮减速器。在机器人关节控制***中，由于直流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，所以本发明的关节驱动采用直流伺服电机。驱动电机与编码器集成，即电机后端直接连编码器，成为直流伺服电机及编码器组件。
本发明中，旋转模块的外观和结构分别如图3和图4所示。该关节模块具有一个转动自由度，通过控制***实现运动和力矩控制。旋转模块主要零部件包括：固定电机外壳1、第一直流伺服电机及编码器组件2、第一行星齿轮减速器3、第一轴承端盖4、第一垫片5、第一角接触球轴承6、轴承座7、旋转外壳8、第一内六角平端紧钉螺钉9组成。固定电机外壳1套在第一行星齿轮减速器3上，并通过螺钉连接在轴承座7上。第一直流伺服电机及编码器组件2与第一行星齿轮减速器3进行配接。第一行星齿轮减速器3的输出轴与旋转外壳8通过第一内六角平端紧钉螺钉9紧固连接。第一角接触球轴承6套在轴承座7上并支承旋转外壳8。第一轴承端盖4通过螺钉与旋转外壳8紧固连接。旋转外壳8为第一直流伺服电机及编码器组件2的驱动器的安装预留了空间。
本发明在夹持器模块设计方面，为了满足工作环境要求和检测需求，简化设计，便于样机的制造，决定使用直流伺服电机、行星齿轮减速器、齿轮传动、平行四杆机构实现夹持功能。其所述夹持器模块由直流伺服电机驱动，经行星减速器后传递扭矩至齿轮，通过两齿轮的啮合，带动固定在齿轮上的内连杆转动，内连杆、外连杆、平台、手爪构成平行四边形机构实现手爪的夹持和松开功能。这种传动机构使得夹持器在夹紧和释放时，两个夹子作平面直线运动，其夹持面始终保持平行。而在末端的夹子采用了V形开口的结构设计，使得它在一定范围内能适应不同形状和尺寸管件。
本发明中，夹持器模块的外观和结构分别如图5、图6a、图6b和图6c所示。夹持器模块主要零部件包括：第二直流伺服电机及编码器组件10、第二行星齿轮减速器11、电机座12、联轴器13、销轴14、夹持器平台15、第一传动齿轮16、第一齿轮轴17、第二轴承端盖18、键19、第二传动齿轮20、第二角接触球轴承21、第二齿轮轴22、第二垫片23、定位环24、第二内六角平端紧钉螺钉25、手爪26、外连杆27、内连杆28、弹簧片29、第三内六角平端紧定螺钉30、导波探头夹持块31。第二直流伺服电机及编码器组件10与第二行星齿轮减速器11进行配接。第二行星齿轮减速器11通过电机座12与夹持器平台15固定。联轴器13一端与第二行星齿轮减速器11固定，另一端与第一齿轮轴17通过轴孔外形固定。第一传动齿轮16和第二传动齿轮20啮合。两传动齿轮分别装配在第一齿轮轴17和第二齿轮轴22上。内连杆28通过螺钉与第一传动齿轮16固定连接，并与手爪26铰接，外连杆27与手爪26和夹持器平台15铰接。手爪26、内连杆28、外连杆27与夹持器平台15构成平行四边形机构。两夹持器手爪通过两个齿轮啮合传动保持同步运动，并实现夹持器手爪夹持和放松。夹持器手爪上与管道接触部位可以安装橡胶，增强手爪夹持的稳定性和适应性。导波探头夹持块31通过螺钉与弹簧片29相连;弹簧片29通过螺钉与机器人夹持器手爪26固接; 导波探头夹持块31上装有用来固定导波探头的第三内六角平端紧定螺钉30。
本发明中，所采用探头***导波探头夹持模块31的方形槽内，其发射导波的一面朝向机器人手爪夹合方向。该探头在机器人夹持器手爪26上对称布置，通过螺钉固定在导波探头夹持块31上，完成探头的安装。本发明中导波探头采用的是压电换能器，由于设定检测管道直径较小，依据机器人夹持器手爪结构，对称布置了两组探头。通过机器人手爪夹合，实现等间距环状布置。带有导波检测探头的机器人夹持管道状态如图7所示：机器人手爪模块夹持时，通过控制，实现手爪F面和H面与管道相切，此时手爪G面与手爪有约2mm间隙；由于预先安装的导波探头夹持模块D面（即发射导波面）超过距离手爪D面2mm，此时，由于探头D面与弹簧片29固连，夹持时通过固接在探头夹持模块上的弹簧片29即可实现自适应调节与管道间的配合，保证探头工作面贴合管道。同时，当管道表面有不平凸起时，导波探头夹持组件的自适应性也能较好保证探头工作面D与管道的贴合。
本发明中，基于超声导波技术的排管检测机器人夹持器模块的手抓组件和导波探头夹持组件具有可更换性。在实际工作中，由于所需要激励和接收导波模态的不同，管径大小等因素，往往需要设置不同数量的探头组合等间距安装在管道周围。本发明中机器人夹持器手爪26和导波探头夹持块31具有可更换性，可以改变手爪26和导波探头夹持块31结构设置安装多组探头，满足实际需求。机器人夹持器手爪26更换步骤如下：拆卸掉两手爪26与夹持器平台15间的销轴14，更换能满足夹持要求不同弧长或结构的夹持器手爪；导波探头夹持块31更换步骤如下：拆卸掉弹簧片29上与导波探头夹持块31固接的螺钉，卸下导波探头夹持块31，更换周向的多插槽探头夹持模块，即可实现探头组数量的更换。关于导波检测技术，导波在管道中传播特性与所采用的传感器及其布置方式、导波模态、激励频率、管道几何尺寸、管道内输送的介质和管道外包裹物等有密切关系。依据实际需要，保证足够数量、等间距、等特性的探头对称、均匀地沿所检测管道圆周向布置，才能实现激励和接收所需模态的导波，充分发挥导波检测技术优势。
本发明中，基于超声导波技术的排管检测机器人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，更能适应排管检测机器人多功能的应用要求。分布式控制***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***的处理速度和能力。显然，分布式控制***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***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，***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***开放性、扩展性和升级特性。
本发明中，基于超声导波技术的排管检测机器人控制***总体框架如图8所示，本控制***主要由直流伺服电动机、电机驱动器、嵌入式计算机主板、传感器模块和远程控制***组成。
本发明中，所述控制***的CAN2.0总线输出的控制电平通过驱动器驱动伺服电机带动执行装置旋转。伺服电机控制板通过CAN2.0总线接收来自嵌入式计算机主板控制指令，向伺服电机发送各种控制信指令，完成对伺服电机的反馈控制和执行装置的起停控制。采集卡通过PC/104总线把传感器采集的信号传输给PCM3362，PCM3362将对这些信号进行算法处理。远程控制***与PCM3362之间的信通信采用无线局域网来实现。
本发明中，所述控制***的嵌入式计算机主板是排管检测机器人控制的核心，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给PCM3362。
本发明中，所述控制***，其硬件平台主要包括***电源、微处理器、驱动器、执行机构和传感器五个部分。其整体框架如图9所示。图9虚线框内部是整个控制***的核心部分，虚线框外的***电源是给整个控制***提供工作电源，被控对象是指排管检测机器人。虚线框内部的微处理器主要是执行指令的发送和反馈数据的采集，以及进行步态规划的运算。驱动器主要完成微处理器和驱动电路之间的电平转换以及完成功率放大的作用。传感器主要是对被控对象的进行数据采集，把数据传送给微处理器进行误差运算补偿。执行机构选用电机，被控对象是排管检测机器人的关节。
本发明中，基于超声导波技术的排管检测机器人在功能实现方面，单管攀爬是最为基本的攀爬步态，夹持器手爪分布在机器人两端，中间本体则可以弯曲和伸展，进行攀爬动作。如图 10a、图 10b和图 10c所示，直管攀爬步态的攀爬步骤为：
1机器人首先位于初始位置，不失一般性，假设先由第一夹持器A独立支撑整个机器人。接着第二夹持器B慢慢松开。然后机器人开始收缩中间的三个转动关节，使第二夹持器B移动到预定位置，如图 10a和图 10b所示。
2 第二夹持器B慢慢夹紧，待第二夹持器B完全夹紧后，第一夹持器A则慢慢松开，完成移动夹持器的转换。
3 机器人中间的三个转动关节A2、C、B2驱动本体慢慢伸展，直至第一夹持器A到达一个新的预定位置，如图10c所示。
4 第一夹持器A慢慢夹紧，此时机器人回到初始的位型，由两个夹持器共同承担机器人的负载。
5 重复上述步骤。
采用直管攀爬步态时，机器人中间的三个旋转关节起关键的作用，而它两端的两个旋转关节可以不作任何转动，机器人在攀爬时一直处于一个平面内。由于这种攀爬步态中机器人始终处于一个相对收缩的状态，使得它所需要的攀爬空间较小。在这种步态下，机器人的两个夹持器处于不断变化夹持和松开的状态，但两个夹持器的前后顺序始终保持不变。
本发明中，排管检测机器人在功能实现方面，管间攀爬能力是排管检测机器人的重要特征，对提高排管的检测效率具有重要意义。
本发明中，基于超声导波技术的排管检测机器人在功能实现方面，管间攀爬是其主要特征之一。如图 11a、图 11b、图 11c、图 11d和图 11e所示，管间攀爬步态的攀爬步骤为：
1 机器人首先位于初始位置，不失一般性，假设先由第一夹持器A独立支撑整个机器人。接着第二夹持器B慢慢松开。然后机器人开始收缩中间的三个转动关节，使第二夹持器B移动到预定位置，如图11a和图11b所示；
2 A1关节旋转，到达如图 11c所示位置；
3 B1关节旋转，达到如图11d所示位置；
4 中间三个旋转关节A2、C、B2旋转，到达如图11e所示位置，第二夹持器B夹紧达到两手同时支撑的状态；
5 重复上述步骤。
本发明中，基于超声导波技术的排管检测机器人在功能实现方面，弯管爬行是其主要特征之一，其步态与直管爬行类似，但多了两个关节的运动。如图 12a、图 12b和图 12c所示，弯管攀爬步态的攀爬步骤为：
1 机器人首先位于初始位置，不失一般性，假设先由第一夹持器A独立支撑整个机器人。接着第二夹持器B慢慢松开。然后机器人开始收缩中间的三个转动关节，使第二夹持器B移动到预定位置，如图 12a和图 12b所示；
2 第二夹持器B慢慢夹紧，待第二夹持器B完全夹紧后，第一夹持器A则慢慢松开，完成夹持器间的转换；
3 A1、B1关节旋转，使第一夹持器A到达预定弯管位置；
4 中间的三个转动关节A2、B2、C旋转，驱动本体慢慢伸展，直至第一夹持器A加持弯管，如图12c所示；
5 重复上述步骤。
本发明中，排管检测机器人在功能实现方面，两管屏间攀爬是其主要特征之一。如图 13a、图 13b、图 13c和图 13d所示，两管屏间攀爬步态的攀爬步骤为：
1 机器人首先位于初始位置，不失一般性，假设先由第一夹持器A独立支撑整个机器人。接着第二夹持器B慢慢松开。然后机器人开始收缩中间的三个转动关节，使第二夹持器B移动到预定位置，如图13 a和图13b所示；
2 B2、C关节旋转，直至第二夹持器B到达一个预定位置，即第二排管屏，加持器B夹紧，如图 13c所示位置；
3 A2、C关节旋转，直至第一夹持器A到达一个预定位置，即第二排管屏，完成两管屏间的攀爬，如图13d所示位置；
4 重复上述步骤。
本发明中，排管检测机器人在功能实现方面，多管屏间攀爬是其主要特征之一。如图 14a、图 14b、图 14c、图 14d、图 14e、图 14f和图 14g 所示，多管屏间攀爬步态的攀爬步骤为：
1 机器人首先位于初始位置，不失一般性，假设先由第一夹持器A独立支撑整个机器人。接着第二夹持器B慢慢松开。然后机器人开始收缩中间的三个转动关节，使第二夹持器B移动到预定位置，如图 14a和图 14b所示；
2 A1关节旋转，到达如图 14c所示位置；
3 中间的三个转动关节A2，C，B2旋转，直至第二夹持器B到达一个新的预定位置，即第二排管屏，第二加持器B夹紧，如图14d所示；
4 第一夹持器A慢慢松开，中间三个转动关节A2，C，B2旋转，直至第一夹持器A到达另一侧的对称位置，即第三排管屏，第一夹持器A加紧，如图14e所示；
5中间三个转动关节A2，C，B2旋转，并转动A1关节，直到机器人到达第三排管屏间排管，第二加持器B夹紧，如图14f和图14g所示；
6 重复上述步骤。
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。
Claims (8)
1.一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，包括至少五个旋转模块，以及两个夹持器；即包括第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块、第一夹持器以及第二夹持器；所述第二旋转模块、第三旋转模块以及第四旋转模块采用轴线平行设置；所述第一旋转模块和第五旋转模块同时与第二旋转模块、第三旋转模块以及第四旋转模块的轴线垂直；所述第一夹持器以及第二夹持器分别安装在第一旋转模块和第五旋转模块上，且第一夹持器与第一旋转模块、第二夹持器与第五旋转模块采用同轴设置；所述第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块均采用旋转模块连接件串联连接；所述第一夹持器与第一旋转模块之间、第二夹持器与第五旋转模块之间采用夹持器连接件连接，顺序依次为：第一夹持器、第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块、第二夹持器。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述第一旋转模块、第二旋转模块、第三旋转模块、第四旋转模块、第五旋转模块结构相同，均包括：固定电机外壳（1）、设置在固定电机外壳（1）内的第一直流伺服电机及编码器组件（2）、输入轴与第一直流伺服电机及编码器组件（2）输出轴相配接的第一行星减速器（3）、旋转外壳（8）以及设置在旋转外壳（8）内的旋转模块传动组件、第一内六角平端紧钉螺钉（9）；所述固定电机外壳（1）通过螺钉与传动组件紧固连接；第一行星减速器（3）输出轴通过传动组件驱动旋转外壳（8）旋转；第一行星减速器（3）通过第一内六角平端紧钉螺钉（9）与旋转外壳（8）紧固连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述旋转模块传动组件包括：第一轴承端盖（4）、第一垫片（5）、第一角接触球轴承（6）、轴承座（7）；所述轴承座（7）套在第一行星减速器（3）上，并通过螺钉与固定电机外壳（1）紧固连接；第一角接触球轴承（6）套在轴承座（7）上并支承旋转外壳（8）；第一轴承端盖（4）通过螺钉与旋转外壳（8）紧固连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述第一夹持器以及第二夹持器结构相同，均包括：第二直流伺服电机及编码器组件（10）、输入轴与第二直流伺服电机及编码器组件（10）输出轴配接的第二行星齿轮减速器（11）、电机座（12）、夹持器平台（15）、夹持传动组件、夹爪组件、与夹爪组件相连接的导波探头夹持组件；所述第二行星齿轮减速器（11）通过电机座（12）与夹持器平台（15）紧固连接；夹持器平台（15）内设有夹持器传动组件；第二直流伺服电机及编码器组件（10）通过第二行星齿轮减速器（11）以及夹持器传动组件驱动夹爪组件进行夹持和检测。
5.根据权利要求4所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述夹持器传动组件包括：与第二行星齿轮减速器（11）输出轴配接的联轴器（13）、销轴（14）、与联轴器（13）配接的第一齿轮轴（17）、与第一齿轮轴（17）固定连接的第一传动齿轮（16）、第二轴承端盖（18）、键（19）、与第一传动齿轮（16）啮合并通过键（19）装配在第二齿轮轴（22）上的第二传动齿轮（20）、第二角接触球轴承（21）、第二垫片（23）、定位环（24）、第二内六角平端紧钉螺钉（25）；所述联轴器（13）一端与第二行星齿轮减速器（11）通过第二内六角平端紧钉螺钉（25）紧固连接，另一端与第一齿轮轴（17）通过轴孔外形固定；第一齿轮轴（17）和第二齿轮轴（22）两端均通过第二角接触球轴承（21）支承在夹持器平台（15）内；第二轴承端盖（18）通过螺钉与夹持器平台（15）紧固连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述的夹爪组件包括：至少两个内连杆（28）、至少两个外连杆（27）以及两个手爪（26）；内连杆（28）一端通过螺钉分别与第一传动齿轮（16）和第二传动齿轮（20）紧固连接，另一端分别与两个手爪（26）铰接；两个外连杆（27）一端分别与夹持器平台（15）铰接，另一端分别与手爪（26）铰接。
7.根据权利要求6所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述的导波探头夹持组件包括：弹簧片（29）、第三内六角平端紧定螺钉（30）、导波探头夹持块（31）；导波探头夹持块(31)通过螺钉与弹簧片(29)相连;弹簧片(29)通过螺钉与机器人夹持器的手爪(26)固接; 导波探头夹持块(31)上装有用来固定导波探头的第三内六角平端紧定螺钉（30）。
8.根据权利要求7所述的一种基于超声导波技术的排管检测机器人，其特征在于，所述两个手爪（26）内壁与管道接触部位还设有橡胶垫。
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