本發(fā)明涉及機械電子工程技術，特別涉及一種海上平臺圓柱形樁腿內部缺陷機器人檢測系統(tǒng)。

背景技術：

樁腿是維持海上平臺穩(wěn)固與安全的重大基礎部件。實際應用中，受平臺系統(tǒng)的移位與落座，船舶碰撞，平臺系統(tǒng)偏載，海生物附著，海水、風浪、潮流侵蝕等因素的影響，樁腿會出現(xiàn)銹蝕、破裂、變形、局部變薄、應力集中等方面的問題，這些問題若得不到及時處理，會在內外因素共同作用下而不斷的惡化與擴大，進而危機樁腿乃至整個平臺系統(tǒng)的安全。

目前，對圓柱形樁腿內部的現(xiàn)場檢查主要由人工攜帶檢測儀器，由頂部爬入樁腿內部進行檢查，檢查前需要進行長時間的內部強制通風。人工檢測過程屬于高空作業(yè)，存在一定的危險性；檢測的覆蓋面較低，容易出現(xiàn)漏檢；同時存在檢測效率低，主觀性較強等方面的問題。以機器人為載體的管道檢測系統(tǒng)已取得了一定的應用，但多適用于水平且內部結構較為簡單的管道系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于海上平臺圓柱形樁腿內部結構及檢測需求，提供一種海上平臺圓柱形樁腿內部缺陷機器人檢測系統(tǒng)，本發(fā)明系統(tǒng)以機器人為載體，搭載了超聲、視覺、激光檢測及信息無線傳輸系統(tǒng)，具備樁腿厚度檢測、壁內外觀缺陷檢測、爬行過程中前方障礙檢測及信息無線傳輸功能，解決了機器人在海上平臺圓柱形樁腿內部爬行、檢測及信息無線傳輸問題。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種海上平臺圓柱形樁腿內部缺陷機器人檢測系統(tǒng)，由爬壁機器人、激光測距系統(tǒng)、超聲測厚系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、信息無線傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構成。

所述爬壁機器人包括中軀干，所述中軀干的上下兩端分別連接有中上伸縮腿和中下伸縮腿，所述中上伸縮腿和所述中下伸縮腿的外側分別連接有能夠相對于所述中軀干作縱向伸縮運動的上伸縮軀干和下伸縮軀干，所述上伸縮軀干和所述下伸縮軀干的端部分別連接有上伸縮腿和下伸縮腿；所述上伸縮腿、所述中上伸縮腿、所述中下伸縮腿和所述下伸縮腿的伸出端部分別設置有上腿吸盤、中上腿吸盤、中下腿吸盤和下腿吸盤；

所述激光測距系統(tǒng)由設置在所述爬壁機器人上的八個激光測距傳感器構成；

所述超聲測厚系統(tǒng)包括分別設置在所述中上腿吸盤兩側的兩個上探頭噴嘴機構，分別設置在所述中下腿吸盤兩側的兩個下探頭噴嘴機構，和與所述上探頭噴嘴機構和所述下探頭噴嘴系統(tǒng)相連接的耦合劑噴射系統(tǒng)；

所述視覺檢測系統(tǒng)由設置在所述下伸縮腿底面上的旋轉云臺機構和設置在所述旋轉云臺機構上的圖像采集機構構成；

所述信息無線傳輸系統(tǒng)由設置在所述上伸縮腿頂面上的第一無線網(wǎng)橋模塊和設置在海上平臺圓柱形樁腿頂部人孔處的第二無線網(wǎng)橋模塊構成；

所述控制系統(tǒng)包括與所述爬壁機器人、所述激光測距系統(tǒng)、所述超聲測厚系統(tǒng)、所述視覺檢測系統(tǒng)和所述信息無線傳輸系統(tǒng)相連接的plc系統(tǒng)。

進一步的，所述上伸縮腿、所述中上伸縮腿、所述中下伸縮腿和所述下伸縮腿均由固定部分和能相對于所述固定部分作橫向伸縮運動的運動部分組成，所述上腿吸盤、所述中上腿吸盤、所述中下腿吸盤和所述下腿吸盤分別設置在所述上伸縮腿、所述中上伸縮腿、所述中下伸縮腿和所述下伸縮腿的運動部分的端部。

進一步的，所述上腿吸盤、所述中上腿吸盤、所述中下腿吸盤和所述下腿吸盤均由吸盤基座、電吸鐵、吸盤彈簧、和短沉頭螺栓構成；所述吸盤基座設置有四個電吸鐵安裝位，每個所述安裝位設置有一個所述電吸鐵；所述電吸鐵為長方體結構，每塊所述電吸鐵的非吸附面分別通過兩個所述短沉頭螺栓與所述吸盤基座的安裝位的底部相連接，每個所述短沉頭螺栓上空套一個所述吸盤彈簧，所述吸盤彈簧位于所述電吸鐵的非吸附面與所述吸盤基座的螺栓連接孔之間。

進一步的，所述激光測距系統(tǒng)的所述激光測距傳感器分別為設置在所述下腿吸盤兩側的兩個下腿吸盤激光傳感器，設置在下伸縮腿兩側的兩個下腿激光傳感器，設置在上腿吸盤兩側的兩個上腿吸盤激光傳感器，和設置在上伸縮腿兩側的兩個上腿激光傳感器。

進一步的，所述上探頭噴嘴機構和所述下探頭噴嘴機構均由噴嘴本體、軟管接頭、長螺栓、探頭彈簧、鎖緊螺母和超聲探頭構成；所述噴嘴本體上設置有用于安裝所述超聲探頭的中心孔，以及用于噴射耦合劑的進液口、噴液口和貫通孔；所述超聲探頭設置在所述中心孔內，所述超聲探頭的底部通過所述長螺栓與所述噴嘴本體相連接，并通過所述鎖緊螺母鎖緊；所述長螺栓的前端部伸入所述中心孔內，所述長螺栓上、位于所述中心孔底部與所述鎖緊螺母之間空套一所述探頭彈簧；所述軟管接頭設置在所述噴嘴本體的進液口，所述軟管接頭的底部設置有o型圈。

進一步的，所述超聲測厚系統(tǒng)的所述耦合劑噴射系統(tǒng)包括設置在所述中軀干內側的蓄能器，所述蓄能器的出口通過總液管連接有電磁閥，所述電磁閥的出口通過四根軟管分別于所述兩個上探頭噴嘴機構和所述兩個下探頭噴嘴機構相連接。

進一步的，所述圖像采集機構為整體式機構，包括相機、攝像頭和led光環(huán)，所述相機與所述控制系統(tǒng)相連接。

進一步的，所述控制系統(tǒng)的所述plc系統(tǒng)包括主機，rs232接口、模擬量輸入模塊、以太網(wǎng)模塊、數(shù)字輸出接口、步進電機控制模塊、伺服電機控制模塊和電源模塊。所述rs232接口連接有超聲發(fā)射及接收模塊，所述超聲發(fā)射及接收模塊與所述超聲測厚系統(tǒng)的探頭噴嘴機構相連接；所述模擬量輸入模塊與所述激光測距系統(tǒng)的激光傳感器相連接；所述以太網(wǎng)模塊與所述信息無線傳輸系統(tǒng)的第一無線網(wǎng)橋模塊相連接，所述第一無線網(wǎng)橋模塊與第二無線網(wǎng)橋模塊無線連接，所述第二無線網(wǎng)橋模塊與遠程監(jiān)控無線連接；所述數(shù)字輸出接口與所述視覺檢測系統(tǒng)的圖像采集機構i/o口、所述超聲測厚系統(tǒng)的電磁閥和所述爬壁機器人的吸盤繼電器相連接；所述步進電機控制模塊與所述爬壁機器人的腿步進電機驅動器和所述視覺檢測系統(tǒng)的旋轉云臺電機驅動器相連接；所述伺服電機控制模塊與所述爬壁機器人的軀干伺服電機驅動器相連接。

進一步的，所述中軀干的外側設置有控制箱，所述plc系統(tǒng)、所述超聲發(fā)射及接收模塊、所述爬壁機器人的吸盤繼電器、所述爬壁機器人的腿步進電機驅動器、所述視覺檢測系統(tǒng)的旋轉云臺電機驅動器和所述爬壁機器人的軀干伺服電機驅動器均設置在所述控制箱內。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明系統(tǒng)中，采用電磁吸盤機構實現(xiàn)了爬壁機器人在樁腿內壁的可控吸附，爬壁機器人采用可伸縮軀干及可伸縮腿機構，使爬壁機器人在樁腿內部爬行時易于跨過前方障礙；爬壁機器人機構可適應海上平臺圓柱形樁腿內部結構特點而往復爬行。

2)本發(fā)明系統(tǒng)以機器人為載體，搭載了超聲、視覺及激光檢測系統(tǒng)，能夠對樁腿壁厚、樁腿內部外觀缺陷及爬壁機器人爬行前方障礙進行檢測。

3)本發(fā)明系統(tǒng)的檢測信息可通過無線傳輸系統(tǒng)實時傳輸?shù)竭h程監(jiān)控系統(tǒng)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)亦可對爬壁機器人的爬行及檢測進行控制。

4)本發(fā)明系統(tǒng)中，探頭噴嘴一體化機構及耦合劑噴射系統(tǒng)，可由爬壁機器人攜帶，并能夠實現(xiàn)樁腿壁厚的自動檢測。

附圖說明

圖1：本發(fā)明機器人檢測系統(tǒng)示意圖；

圖2：本發(fā)明機器人檢測系統(tǒng)的吸盤結構示意圖；

圖3：本發(fā)明機器人檢測系統(tǒng)的探頭噴嘴機構結構示意圖；

圖4：本發(fā)明機器人檢測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)示意圖。

附圖標注：1、第一無線網(wǎng)橋模塊，2、上伸縮腿，3、上伸縮軀干，4、中上伸縮腿，5、控制箱，6、中軀干，7、中下伸縮腿，8、下伸縮軀干，9、旋轉云臺機構，10、圖像采集機構，11、下伸縮腿，12、下腿激光傳感器，13、下腿吸盤激光傳感器，14、下腿吸盤，15、中下腿吸盤，16、下探頭噴嘴機構，17、蓄能器，18、上探頭噴嘴機構，19、中上腿吸盤，20、上腿吸盤，21、上腿吸盤激光傳感器，22、上腿激光傳感器，23、總液管，24、電磁閥，25、軟管，26、電吸鐵，27、吸盤彈簧，28、吸盤基座；29、短沉頭螺栓，30、噴嘴本體，31、o型圈，32、軟管接頭，33、長螺栓，34、探頭彈簧，35、鎖緊螺母，36、超聲探頭，37、主機，38、rs232接口，39、模擬量輸入模塊，40、以太網(wǎng)模塊，41、數(shù)字輸出接口，42、步進電機控制模塊，43、伺服電機控制模塊，44、電源模塊，45、超聲發(fā)射及接收模塊，46、第二無線網(wǎng)橋模塊，47、遠程監(jiān)控，48、圖像采集機構i/o口，49、上腿吸盤繼電器，50、中上腿吸盤繼電器，51、中下腿吸盤繼電器，52、下腿吸盤繼電器，53、旋轉云臺電機驅動器，54、上腿步進電機驅動器，55、中上腿步進電機驅動器，56、中下腿步進電機驅動器，57、下腿步進電機驅動器，58、上軀干伺服電機驅動器，59、下軀干伺服電機驅動器；60、plc系統(tǒng)，61、超聲單元，62、激光傳感器單元，63、伺服電機驅動器單元，64、步進電機驅動器單元，65、繼電器單元，66、無線及監(jiān)控單元。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

如附圖1至圖4所示，一種海上平臺圓柱形樁腿內部缺陷機器人檢測系統(tǒng)，由爬壁機器人、激光測距系統(tǒng)、超聲測厚系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)、信息無線傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構成。

所述爬壁機器人屬于四腿及電磁吸盤式結構，包括中軀干6，所述中軀干6的上下兩端分別設置有中上伸縮腿4和中下伸縮腿7，所述中上伸縮腿4和所述中下伸縮腿7分別通過能相對于所述中軀干6作縱向伸縮運動的上伸縮軀干3和下伸縮軀干8連接有上伸縮腿2和下伸縮腿11；所述上伸縮腿2、所述中上伸縮腿4、所述中下伸縮腿7和所述下伸縮腿11均由固定部分和能相對于所述固定部分作橫向伸縮運動的運動部分組成，所述上伸縮腿2、所述中上伸縮腿4、所述中下伸縮腿7和所述下伸縮腿11的運動部分的內端部分別設置有上腿吸盤20、中上腿吸盤19、中下腿吸盤15和下腿吸盤14。所述上伸縮軀干3、所述下伸縮軀干8、所述上伸縮腿2、所述中上伸縮腿4、所述中下伸縮腿7、下伸縮腿11、所述上腿吸盤20、所述中上腿吸盤19、所述中下腿吸盤15和所述下腿吸盤14均連接至控制系統(tǒng)的plc系統(tǒng)60。如圖3所示，所述上腿吸盤20、所述中上腿吸盤19、所述中下腿吸盤15和所述下腿吸盤14結構相同，均由吸盤基座28、電吸鐵26、吸盤彈簧27、和短沉頭螺栓29構成；所述吸盤基座28設置有四個電吸鐵26安裝位，每個所述安裝位的底部設置有三個沉頭螺栓孔，位于中間的沉頭螺栓孔用于吸盤與機器人腿部的連接，兩側的沉頭螺栓孔用于吸盤基座28與電吸鐵26相連接；每個所述安裝位設置有一個所述電吸鐵26；所述電吸鐵26為長方體結構，其非吸附面設置有兩個螺紋孔，每塊所述電吸鐵26的非吸附面分別通過兩個所述短沉頭螺栓29與所述吸盤基座28的安裝位的底部相連接，每個所述短沉頭螺栓29上空套一個所述吸盤彈簧27，所述吸盤彈簧27位于所述電吸鐵26的非吸附面與所述吸盤基座28的螺栓連接孔之間。

所述激光測距系統(tǒng)由設置在所述爬壁機器人上的八個激光測距傳感器構成，分別為設置在所述下腿吸盤14兩側的兩個下腿吸盤激光傳感器13，設置在下伸縮腿11兩側的兩個下腿激光傳感器12，設置在上腿吸盤20兩側的兩個上腿吸盤激光傳感器21，和設置在上伸縮腿2兩側的兩個上腿激光傳感器22。所述下腿吸盤激光傳感器13用于機器人落腳時測量下行前方障礙距下腿吸盤14前端的距離；所述下腿激光傳感器12用于機器人落腳時測量下伸縮腿11前端距海上平臺圓柱形樁腿底部的距離；所述上腿吸盤激光傳感器21用于機器人落腳時測量上行前方障礙距上腿吸盤20前端的距離；所述上腿激光傳感器22用于機器人落腳時測量上伸縮腿2前端距海上平臺圓柱形樁腿頂蓋的距離。所述下腿吸盤激光傳感器13、所述下腿激光傳感器12、所述上腿吸盤激光傳感器21和所述上腿激光傳感器22均連接至下控制系統(tǒng)的plc系統(tǒng)。

所述超聲測厚系統(tǒng)包括兩個上探頭噴嘴機構18，兩個下探頭噴嘴機構16，和與所述上探頭噴嘴機構18和所述下探頭噴嘴系統(tǒng)相連接的耦合劑噴射系統(tǒng)。兩個所述上探頭噴嘴機構18分別設置在所述中上腿吸盤19的兩側，并與所述中上腿吸盤19同步與壁面接觸或分離，兩個所述下探頭噴嘴機構16分別設置在所述中下腿吸盤15的兩側，并與中下腿吸盤15同步與壁面接觸或分離。如圖4所示，所述上探頭噴嘴機構18和所述下探頭噴嘴機構16結構相同，均由噴嘴本體30、軟管接頭32、長螺栓33、探頭彈簧34、鎖緊螺母35和超聲探頭36構成；所述噴嘴本體30通過連接銷與所述吸盤基座28的側端部相連接；所述噴嘴本體30上設置有用于安裝所述超聲探頭36的中心孔，以及用于噴射耦合劑的進液口、噴液口和貫通孔，所述進液口和所述噴液口通過所述貫通孔貫通，所述噴液口的出液端位于所述噴嘴本體30的端部；所述超聲探頭36通過信號線與所述控制系統(tǒng)的超聲發(fā)射及接收模塊45相連接，所述超聲探頭36設置在所述中心孔內，所述超聲探頭36的底部通過所述長螺栓33與所述噴嘴本體30相連接，并通過鎖緊螺母35鎖緊；所述長螺栓33的前端部伸入所述中心孔內，所述長螺栓33上、位于所述中心孔底部與所述鎖緊螺母35之間空套一探頭彈簧34；所述軟管接頭32設置在所述噴嘴本體30的進液口，所述軟管接頭32的底部設置有o型圈31。所述耦合劑噴射系統(tǒng)包括設置在所述中軀干6內側的蓄能器17，所述蓄能器17儲存有耦合劑，所述蓄能器17的出口通過總液管23連接有與所述控制系統(tǒng)相連接的電磁閥24，所述電磁閥24連接至控制系統(tǒng)的plc系統(tǒng)60，所述電磁閥24的出口通過四根軟管25分別于所述兩個上探頭噴嘴機構18和所述兩個下探頭噴嘴機構16進液口處的軟管接頭32相連接。

所述視覺檢測系統(tǒng)由設置在所述下伸縮腿11底面上的旋轉云臺機構9和設置在所述旋轉云臺機構9上的圖像采集機構10構成；所述圖像采集機構10為整體式機構，包括相機、攝像頭及l(fā)ed光環(huán)，所述相機上的圖像采集機構i/o口48和所述旋轉云臺機構9均連接至所述控制系統(tǒng)的plc系統(tǒng)60。

所述信息無線傳輸系統(tǒng)由設置在所述上伸縮腿2頂面上的第一無線網(wǎng)橋模塊1和設置在海上平臺圓柱形樁腿頂部人孔處的第二無線網(wǎng)橋模塊46構成，所述第一無線網(wǎng)橋模塊1連接至控制系統(tǒng)的plc系統(tǒng)60。

所述控制系統(tǒng)包括與所述爬壁機器人、所述激光測距系統(tǒng)、所述超聲測厚系統(tǒng)、所述視覺檢測系統(tǒng)和所述信息無線傳輸系統(tǒng)相連接的plc系統(tǒng)60。所述plc系統(tǒng)60包括主機37，rs232接口38、模擬量輸入模塊39、以太網(wǎng)模塊40、數(shù)字輸出接口41、步進電機控制模塊42、伺服電機控制模塊43和電源模塊44。所述rs232接口38連接有超聲發(fā)射及接收模塊45，所述超聲發(fā)射及接收模塊45通過信號線與所述超聲測厚系統(tǒng)的探頭噴嘴機構的超聲探頭36相連接；所述模擬量輸入模塊39與所述激光測距系統(tǒng)的兩個下腿吸盤激光傳感器13、兩個下腿激光傳感器12、兩個上腿吸盤激光傳感器21和兩個上腿激光傳感器22相連接；所述以太網(wǎng)模塊40與所述信息無線傳輸系統(tǒng)的第一無線網(wǎng)橋模塊1相連接，所述第一無線網(wǎng)橋模塊1與第二無線網(wǎng)橋模塊46無線連接，所述第二無線網(wǎng)橋模塊46與遠程監(jiān)控47無線連接，遠程監(jiān)控47通過第一無線網(wǎng)橋模塊1和第二無線網(wǎng)橋模塊46與plc系統(tǒng)60及圖像采集機構10進行信息交換；所述數(shù)字輸出接口41與所述視覺檢測系統(tǒng)的圖像采集機構10的相機上的圖像采集機構i/o口48、所述超聲測厚系統(tǒng)的耦合劑噴射系統(tǒng)的電磁閥24，以及所述爬壁機器人的上腿吸盤繼電器49、中上腿吸盤繼電器50、中下腿吸盤繼電器51和下腿吸盤繼電器52相連接，所述上腿吸盤繼電器49、所述中上腿吸盤繼電器50、所述中下腿吸盤繼電器51和所述下腿吸盤繼電器52分別于所述上腿吸盤20、中上腿吸盤19、中下腿吸盤15和下腿吸盤14相連接；所述步進電機控制模塊42與所述視覺檢測系統(tǒng)的旋轉云臺電機驅動器53，以及所述爬壁機器人的上腿步進電機驅動器54、中上腿步進電機驅動器55、中下腿步進電機驅動器56和下腿步進電機驅動器57相連接，所述旋轉云臺電機驅動器53、所述上腿步進電機驅動器54、所述中上腿步進電機驅動器55、所述中下腿步進電機驅動器56和所述下腿步進電機驅動器57分別與所述旋轉云臺機構9、所述上伸縮腿2、所述中上伸縮腿4、所述中下伸縮腿7和所述下伸縮腿11相連接；所述伺服電機控制模塊43與所述爬壁機器人的上軀干伺服電機驅動器58和下軀干伺服電機驅動器59相連接，所述上軀干伺服電機驅動器58和所述下軀干伺服電機驅動器59分別與所述上伸縮軀干3和所述下伸縮軀干8相連接。

此外，所述中軀干6的外側設置有控制箱5，所述plc系統(tǒng)60、所述超聲發(fā)射及接收模塊45、所述上腿吸盤繼電器49、所述中上腿吸盤繼電器50、所述中下腿吸盤繼電器51、所述下腿吸盤繼電器52、所述上腿步進電機驅動器54、所述中上腿步進電機驅動器55、所述中下腿步進電機驅動器56、所述下腿步進電機驅動器57、所述旋轉云臺電機驅動器53、所述上軀干伺服電機驅動器58和所述下軀干伺服電機驅動器59均設置在所述控制箱5內。

本發(fā)明中，所述上探頭噴嘴機構18和所述下探頭噴嘴機構16的超聲探頭36，以及所述超聲發(fā)射及接收模塊45組成了本機器人檢測系統(tǒng)的超聲單元61；所述下腿吸盤激光傳感器13、所述下腿激光傳感器12、所述上腿吸盤激光傳感器21和所述上腿激光傳感器22組成了本機器人檢測系統(tǒng)的激光傳感器單元62；所述上軀干伺服電機驅動器58和所述下軀干伺服電機驅動器59組成了本機器人檢測系統(tǒng)的伺服電機驅動器單元63；所述旋轉云臺電機驅動器53、所述上腿步進電機驅動器54、所述中上腿步進電機驅動器55、所述中下腿步進電機驅動器56和所述下腿步進電機驅動器57組成了本機器人檢測系統(tǒng)的步進電機驅動器單元64；所述圖像采集機構i/o口48、所述電磁閥24、所述上腿吸盤繼電器49、所述中上腿吸盤繼電器50、所述中下腿吸盤繼電器51和所述下腿吸盤繼電器52組成了本機器人檢測系統(tǒng)的繼電器單元65；所述第一無線網(wǎng)橋模塊1、所述第二無線網(wǎng)橋模塊46和所述遠程監(jiān)控47組成了本機器人檢測系統(tǒng)的無線及監(jiān)控單元66。