检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置.pdf

一种用于海洋平台结构缺陷检测的蠕动式爬行装置，用于检测设备技术领域。本发明包括头部、头部转动关节、蠕动身体、尾部转动关节和尾部，头部和尾部组成相同，各包括左、右手臂、触须传感器、摄像头和壳体，蠕动身体包括左、右检测手臂、若干个磁致伸缩超声导波传感器、六自由度的机械手、相控阵超声换能器或者超声波换能器、蠕动身体伸缩油缸和蠕动身体壳体。本发明有多个自由度，能实现抱紧、抬手臂、蠕动、头尾摇摆等多个动作，可以完成在管体上直线前进和转弯前进两种运动，其检测手臂和六自由度机械手可携带各种检测设备对海洋平台结构等海上结构物的各种水上、水下焊缝部位和管体进行大工作量、高精度的全方位自动检测。

1、  一种检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置，其特征在于，包括：头部(1)、头部转动关节(2)、蠕动身体(3)、尾部转动关节(4)和尾部(5)，头部(1)通过头部转动关节(2)与蠕动身体(3)连接，尾部(5)通过尾部转动关节(4)与蠕动身体(3)连接，头部转动关节(2)和尾部转动关节(4)分别由一台摆动油缸驱动。

2、  如权利要求1所述的检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置，其特征是，头部(1)、尾部(5)分别包括：左、右手臂(28、29)、触须传感器(13)、摄像头(14)和壳体(15)，左、右手臂(28、29)由抬手臂关节(6)、摆动关节(7)、肘部关节(8)、腕部关节(9)、连接在摆动关节(7)和肘部关节(8)之间的伸缩油缸(10)、连接在抬手臂关节(6)和腕部关节(9)之间的大臂(11)和连接在肘部关节(8)和腕部关节(9)之间的手爪(12)组成，左、右手臂(28、29)对称地布置在壳体(15)两侧，左、右手臂(28、29)分别通过抬手臂关节(6)和壳体(15)连接，触须传感器(13)和摄像头(14)设在壳体(15)上，且触须传感器(13)对称地布置在摄像头(14)两侧。

3、  如权利要求2所述的用于海洋平台结构缺陷检测的蠕动式爬行装置，其特征是，头部(1)的触须传感器(13)和摄像头(14)设在壳体(15)的正前方，尾部(5)的触须传感器(13)和摄像头(14)设在壳体(15)的后方。

4、  如权利要求2所述的检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置，其特征是，左、右手臂(28、29)或者设置许多由永久磁铁构成的吸盘。

5、  如权利要求1所述的检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置，其特征是，蠕动身体(3)包括：左、右检测手臂(30、31)、若干个磁致伸缩超声导波传感器(23)、六自由度的机械手(24)、相控阵超声换能器或者超声波换能器(25)、蠕动身体伸缩油缸(26)和蠕动身体壳体(27)，左、右检测手臂(30、31)由抬手臂关节(16)、摆动关节(17)、肘部关节(18)、腕部关节(19)、连接在摆动关节(17)和肘部关节(18)之间的伸缩油缸(20)、连接在抬手臂关节(16)和腕部关节(19)之间的大臂(21)和连接在肘部关节(18)和腕部关节(19)之间的检测手爪(22)组成，左、右检测手臂(30、31)对称地布置在蠕动身体壳体(27)两侧，左、右检测手臂(30、31)上分别设置有若干个磁致伸缩超声导波传感器(23)，左、右检测手臂(30、31)分别通过抬手臂关节(16)和蠕动身体壳体(27)连接，六自由度的机械手(24)设在蠕动身体(3)的蠕动身体壳体(27)背部，机械手(24)末端携带相控阵超声换能器或者超声波换能器(25)，两个蠕动身体伸缩油缸(26)并列设在蠕动身体壳体(27)的腹部，并与头部转动关节(2)连接。

检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置
技术领域
本发明涉及一种爬行检测装置，特别是一种检测海洋平台结构的蠕动式爬行装置。用于检测技术领域。
背景技术
海洋平台结构的桩腿一般由若干种规格的钢管焊接而成，其水上、水下焊缝部位和管体需要进行安全检测与维护，以保证海洋平台结构及各种设备的安全、稳定工作，常规检测方法是由水下检测人员携带检测装置进入作业区，实现手动检测，这种检测方式的检测效率低、劳动强度大，对检测人员的素质要求很高，水下检测人员需具备潜水员与检测员双重资格，检测结果受检测人员素质和水下检测环境的影响很大，检测质量难以得到保证。英国与挪威采用的智能遥控潜水器是一种水下检测机器人。
经对现有技术的文献检索发现，李生田、刘志远在《焊接结构现代无损检测技术》(机械工业出版社，2000)P180～181上介绍到，其装备的六自由度机械手可携带交流电磁场检测装备对焊缝部位进行检测，但其价格昂贵，检测的可达性也受机械手伸展长度的制约，且只能适于水下作业，使得这种智能遥控潜水器的应用受到极大限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的上述不足和缺陷，提供一种检测海洋平台结构缺陷的蠕动式爬行装置，使其可以适应被检测管体直径变化的不同要求、可以携带不同的检测装备，用于对海洋平台结构的水上、水下焊缝部位和管体进行全方位检测，取代水下检测人员或者遥控潜水器作为检测装备载体的检测方式以减轻检测人员的劳动强度，提高检测效率，保证检测质量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：头部、头部转动关节、蠕动身体、尾部转动关节和尾部，头部通过头部转动关节与蠕动身体连接，尾部通过尾部转动关节与蠕动身体连接，头部转动关节和尾部转动关节分别由一台摆动油缸驱动。
头部、尾部分别包括：左、右手臂、触须传感器、摄像头和壳体，其中，左、右手臂由抬手臂关节、摆动关节、肘部关节、腕部关节、连接在摆动关节和肘部关节之间的伸缩油缸、连接在抬手臂关节和腕部关节之间的大臂和连接在肘部关节和腕部关节之间的手爪组成，左、右手臂对称地布置在壳体两侧，左、右手臂分别通过抬手臂关节和壳体连接。左、右手臂的抬手臂关节的运动由一台摆动油缸驱动。触须传感器和摄像头安装在壳体上，且触须传感器对称地布置在摄像头两侧。其中，头部的触须传感器和摄像头安装在壳体的正前方，尾部的触须传感器和摄像头安装在壳体的后方。
蠕动身体包括：左、右检测手臂、若干个磁致伸缩超声导波传感器、六自由度的机械手、相控阵超声换能器或者超声波换能器、蠕动身体伸缩油缸和蠕动身体壳体。其中左、右检测手臂由抬手臂关节、摆动关节、肘部关节、腕部关节、连接在摆动关节和肘部关节之间的伸缩油缸、连接在抬手臂关节和腕部关节之间的大臂和连接在肘部关节和腕部关节之间的检测手爪组成，左、右检测手臂对称地布置在蠕动身体壳体两侧，左、右检测手臂上分别安装有若干个磁致伸缩超声导波传感器，左、右检测手臂分别通过抬手臂关节和蠕动身体壳体连接。左、右检测手臂的抬手臂关节由一台摆动油缸驱动。六自由度的机械手安装在蠕动身体的蠕动身体壳体背部，机械手末端携带相控阵超声换能器或者超声波换能器。两个蠕动身体伸缩油缸并列安装在蠕动身体壳体的腹部，并与头部转动关节连接。
由于本发明采用了以上的技术方案，具有多个自由度，能实现抱紧、抬手臂、蠕动、头尾摇摆等多个动作，满足在海洋平台结构上爬行时需要爬过结构的立管、水平管及斜管表面以及局部凸起的障碍、长距离爬行、拐弯、垂直向上或向下爬行、爬坡等高难度的综合技术要求，其检测手臂和六自由度机械手可携带各种检测设备对海洋平台结构的各种水上、水下焊缝部位和管体进行全方位自动检测，极大地减轻操作工人的劳动强度，提高了检测的可达性，提高了检测效率，降低了检测成本，保证了检测质量。本发明可应用于海洋平台结构等海上结构物的大工作量、高精度的全方位自动检测，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1本发明结构示意图；
图2本发明的头部和尾部结构示意图；
图3本发明的蠕动身体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明包括：头部1、头部转动关节2、蠕动身体3、尾部转动关节4和尾部5，头部1通过头部转动关节2与蠕动身体3连接，尾部5通过尾部转动关节4与蠕动身体3连接，头部转动关节2和尾部转动关节4分别由一台摆动油缸驱动。
如图2所示，头部1、尾部5分别包括：左、右手臂28和29、触须传感器13、摄像头14和壳体15，其中，左、右手臂28和29由抬手臂关节6、摆动关节7、肘部关节8、腕部关节9、连接在摆动关节7和肘部关节8之间的伸缩油缸10、连接在抬手臂关节6和腕部关节9之间的大臂11和连接在肘部关节8和腕部关节9之间的手爪12组成，左、右手臂28和29对称地布置在壳体15两侧，左、右手臂28和29分别通过抬手臂关节6和壳体15连接。抬手臂关节6的运动由一台摆动油缸驱动。左、右手臂28和29也可以安装许多由永久磁铁构成的吸盘，以增大手臂对管柱的附着力。触须传感器13和摄像头14安装在壳体15上，且触须传感器13对称地布置在摄像头14两侧。其中，头部1的触须传感器13和摄像头14安装在壳体15的正前方，尾部5的触须传感器13和摄像头14安装在壳体15的后方。
如图3所示，蠕动身体3包括左、右检测手臂30和31、若干个磁致伸缩超声导波传感器23、六自由度的机械手24、相控阵超声换能器或者超声波换能器25、蠕动身体伸缩油缸26和蠕动身体壳体27。其中左、右检测手臂30和31由抬手臂关节16、摆动关节17、肘部关节18、腕部关节19、连接在摆动关节17和肘部关节18之间的伸缩油缸20、连接在抬手臂关节16和腕部关节19之间的大臂21和连接在肘部关节18和腕部关节19之间的检测手爪22组成，左、右检测手臂30和31对称地布置在蠕动身体壳体27两侧，左、右检测手臂30和31上分别安装有若干个磁致伸缩超声导波传感器23，左、右检测手臂30和31分别通过抬手臂关节16和蠕动身体壳体27连接。抬手臂关节16由一台摆动油缸驱动。六自由度的机械手24安装在蠕动身体3的蠕动身体壳体27背部，机械手24末端携带相控阵超声换能器或者超声波换能器25。机械手24具有空间六自由度，三个关节实现相控阵超声换能器或者超声波换能器25平面内位置控制要求，三个关节实现相控阵超声换能器或者超声波换能器25姿态控制要求。两个蠕动身体伸缩油缸26并列安装在蠕动身体壳体27的腹部，并与头部转动关节2连接。
本发明有多个自由度，能实现抱紧、抬手臂、蠕动、头尾摇摆等多个动作，通过这些动作的相互配合，可以完成在管体上直线前进和转弯前进两种运动。蠕动式爬行装置地头部1和尾部5装有触须传感器13、照明及摄像头14，实现对蠕动式爬行装置位置和行走路线的控制。
本发明在管柱上直线前进的运动过程如下：
当直线前进时，其头部1和尾部5的左、右手臂28和29的运动动作是在相同条件下相互配合的，头部1的左、右手臂28和29张开则尾部5的左、右手臂28和29抱紧，反之亦然。蠕动式直线前进一步的周期为尾部5的左、右手臂28和29抱紧，头部1的左、右手臂28和29张开，蠕动身体伸缩油缸26伸长，头部1的左、右手臂28和29抱紧，尾部5的左、右手臂28和29张开，蠕动身体伸缩油缸26缩短，头部1和尾部5的左、右手臂28和29同时抱紧。
本发明从一根管柱上转弯到另一根管柱上的运动过程如下：
当转弯前进时，其头部1和尾部5的左、右手臂28和29的运动动作是在相同条件下相互配合的，头部1的左、右手臂28和29张开则尾部5的左、右手臂28和29抱紧，反之亦然。蠕动式转弯前进一步的周期为转弯时，尾部5的左、右手臂28和29抱紧，头部1的左、右手臂28和29张开并抬起，蠕动身体伸缩油缸26伸长，头部转动关节2和尾部转动关节4的摆动油缸分别转动一定角度，头部1的左、右手臂28和29抱紧，尾部5的左、右手臂28和29张开，蠕动身体伸缩油缸26缩短，头部转动关节2和尾部转动关节4的摆动油缸分别转动一定角度，转到另一管柱，头部1和尾部5的左、右手臂28和29同时抱紧。
当对海洋平台结构的管体裂纹、腐蚀等缺陷进行检测时，本发明通过对头部1和尾部5的触须传感器13和摄像头14获取的信息的判断分析，确定需要检测的管体，然后本发明转弯前进至需要检测的管体的一端，头部1和尾部5的左、右手臂28和29同时抱紧管体，实现本发明在检测部位的定位操作，蠕动身体3的左、右检测手臂30和31同时抱紧，带动安装在左、右检测手臂30和31上的若干个磁致伸缩超声导波传感器23，实现对被检测管体的抱合，并完成对一根管体的检测。重复此检测过程，直至完成所有管体的检测。
当对海洋平台结构的管节点焊缝缺陷进行检测时，本发明通过对头部1和尾部5的触须传感器13和摄像头14获取的信息的判断分析，确定需要检测的管节点焊缝，然后本发明前进至需要检测的管节点焊缝的邻近部位，头部1和尾部5的左、右手臂28和29同时抱紧管体，实现本发明在检测部位的定位操作，六自由度的机械手24带动其末端携带的相控阵超声换能器或者超声波换能器25对管节点焊缝进行检测。重复此检测过程，直至完成所有管节点焊缝的检测。
以本发明作为引导载体，以磁致伸缩超声导波、相控阵超声等多种检测方法集成的检测系统作为检测手段，通过本发明在海洋平台结构的管体上爬行、定位与检测系统实施检测相结合的方式完成对平台结构的检测，即采用磁致伸缩超声导波传感器23对平台结构的管体裂纹、腐蚀等缺陷进行快速高效的检测，采用相控阵超声换能器或者超声波换能器25对平台结构的水上、水下焊缝部位进行扫描检测。