[发明专利]间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及曲面形貌测量方法

说明书

技术领域

本发明属于移动机器人技术领域，特别涉及一种间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及测量方法，主要用于水轮机叶片等复杂曲面大型结构件的表面状况检测。

背景技术

面向如大型水轮机叶片等复杂曲面大型结构件的检修作业，首先需要对曲面的表面状况进行检测，以确定表面损坏程度和缺陷(如蚀坑)的具体位置。目前检测的一般方法是搭脚手架后由工人进行人工观察测量，工作环境恶劣，劳动强度大。为了提高检查效率，实现检测自动化，急需一种能在现场(如水轮机机坑内)对工件的表面状况进行检测的机器人。

已有的间隙磁吸附爬壁机器人，如专利“一种具有曲面自适应能力的磁吸附爬壁机器人”(CN 1736668A)，包括轮式移动机构和多个永磁吸附装置。该装置不足之处在于：自适应机构复杂，需要靠多余的自由度根据曲面的形状不断地调整以实现一定程度上的曲面适应性，关节调整时间限制了机器人的运动速度，且没有检测部件，不具有图像采集和传输功能，无法获得曲面的三维形貌信息。已有的视频检测机器人，如专利“一种排水管道视频检测机器人”(CN 101832447)，由于不具有爬壁吸附功能，且不具有三维测量功能，亦不适合在变曲率的复杂曲面结构件的全位置检测。而已有的针对大型三维曲面表面的检测装置或方法，如专利“一种复杂曲面的数字化检测系统”(CN 201514207)和如专利“检测在役水轮机转轮裂纹的判定方法”(CN 101710079)，前者需预先获得复杂曲面的CAD模型，并使用昂贵的三坐标测量仪，后者则需要搭建平台对工件进行人工检测。

已有的基于多光刀的三维测量方法或装置，如“多光刀准全场非接触三维轮廓测量仪”(CN 2463784)和“双侧光刀型高度测量范围可调的三维轮廓测量装置”(CN 2676151)，其不足之处在于需要水平移动工作台来实现扫描测量，成本高，占用空间大，装置的加工精度要求高。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及测量方法。该装置能够用于导磁性变曲率空间曲面工件表面状况的现场全位置检测，实时采集工件表面图像，并获取工件表面在拍摄范围内的局部三维形貌信息，将两者传输至上位机系统供操作人员监控和分析使用，适用于水轮机叶片、球罐等大型复杂曲面结构件的检修作业。

本发明的技术方案如下：

一种间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，包括轮式移动平台、检测部件、控制系统三大部件，其特征在于：所述的移动平台包括底架、万向轮、第一电机、第二电机、第一转轴、第二转轴、第一驱动轮、第二驱动轮和永磁体；所述的检测部件包括检测支架、扫描架、扫描旋转轴、一字线激光器、第三电机、摄像机和角度传感器；所述的控制系统包括电机驱动电路和控制器；所述的万向轮固接在底架下；所述的第一电机和第二电机分别与底架固接；所述的第一转轴套设在底架中，所述的第一电机的输出轴与第一转轴相连并驱动后者转动；所述的第二转轴套设在底架中，所述的第二电机的输出轴与第二转轴相连并驱动后者转动；所述的第一驱动轮和第二驱动轮分别套固在第一转轴和第二转轴上，所述的第一转轴的中心线与第二转轴的中心线共线，所述的第一驱动轮、第二驱动轮和万向轮的中心连线呈等腰三角形，万向轮中心位于两个驱动轮中心连线的垂直平分线上；所述的检测支架与底架固接，所述的扫描架与检测支架固接；所述的扫描旋转轴套设在扫描架中，所述的扫描旋转轴的中心线与两个驱动轮的中心连线平行；所述的摄像机与检测支架固接；将同时相切于第一驱动轮的外边缘下方圆弧、第二驱动轮的外边缘下方圆弧和万向轮的外边缘下方圆弧的平面定义为S平面，则摄像机的光轴与S平面的夹角为-60°～+120°之间；所述的一字线激光器固接在扫描旋转轴上，所述的一字线激光器发射的激光平面与摄像机的光轴形成的夹角在15°～90°之间，所述的一字线激光器投射到待测工件表面的激光条纹在摄像机的视场范围内；所述的角度传感器安装在扫描架上检测扫描旋转轴的角度位置；所述的第三电机与扫描架固接，第三电机的输出轴与扫描旋转轴相连并驱动后者转动；所述的控制器采用带有相关接口电路的计算机、单片机、DSP或微控制器；所述的控制器可存储采集图像并做图像处理和实时计算；所述的控制器与底架固接，所述的第一电机、第二电机、第三电机均通过电机驱动电路与控制器的信号输出端相连，所述的角度传感器与控制器的信号输入端相连；所述摄像机通过图像采集模块与控制器的信号输入端相连；所述的永磁体与底架固接，所述的永磁体与待检测的导磁壁面之间存在一定气隙。

本发明所述的间隙磁吸式曲面形貌检测机器人，其特征在于：所述的万向轮采用万向滚珠。