阅读说明：本技术 一种水下超声探伤机器人 (Underwater ultrasonic flaw detection robot ) 是由 褚洪贵 凌宏杰 王志东 高志旺 刘彦 孙国槐 谢鹏 孔维翔 钱进 张贝 吴长红 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水下超声探伤机器人,包括框架模块、超声波探测模块、滚刷模块、耐压电子舱模块、运动模块、照明模块、摄像模块、浮体模块以及配重模块。其框架模块不仅安装简单,且空间布局合理,保证其余模块的正确分配与安装以及其功能的实现；其超声波探测模块弹性域度大,便于机器人与目标物的紧密贴合,结构简单、方便拆卸,便于机器人运输以及探伤模块的防护,其前端搭载超声探头结构具有一定旋转性,可在不改变机器人本体状态下来适应不同倾斜角度的目标结构物,进行超声波探测；其滚刷模块操作简单,便于船体以及水下结构物表面清洗。本发明采用开框式结构,空间配置紧凑合理,兼具滚刷清洗、水下摄像、超声探伤等多种功能。(The invention discloses an underwater ultrasonic flaw detection robot which comprises a frame module, an ultrasonic detection module, a rolling brush module, a pressure-resistant electronic cabin module, a motion module, a lighting module, a camera module, a floating body module and a counterweight module. The frame module is simple to install and reasonable in spatial layout, and the correct distribution and installation of the rest modules and the realization of the functions of the rest modules are ensured; the ultrasonic detection module has large elastic domain, is convenient for the close fit of a robot and a target object, has simple structure, is convenient to disassemble, is convenient for the transportation of the robot and the protection of a flaw detection module, has certain rotation by carrying the ultrasonic probe structure at the front end, and can adapt to target structures with different inclination angles under the condition of not changing the robot body to carry out ultrasonic detection; the rolling brush module is simple to operate, and is convenient for cleaning the surfaces of the ship body and underwater structures. The invention adopts an open frame structure, has compact and reasonable space configuration and has multiple functions of rolling brush cleaning, underwater camera shooting, ultrasonic flaw detection and the like.)

一种水下超声探伤机器人

技术领域

本发明属于无人水下航行器技术领域，特别是涉及一种用于水下船体及其他水下结构物 的带缆水下超声探伤机器人。

技术背景

船舶以及水下结构物由于长期处于水下作业，预防其意外事故的发生，对于保证海洋建 设设施安全性至关重要。海洋环境错综复杂，暗流众多，在船舶使用期船体损伤及海水腐蚀 不可避免，为获取船体损伤程度，船体外检测成为一个必不可少的流程。在传统探伤检测作 业中，通常需要潜水员操作，在复杂的水下环境进行作业时，工作效率及人身安全难以得到 很好的保证，而水下机器人却能够摆脱这一束缚，它能代替潜水员在流场非定常、不均匀、 乱流成分较多水下环境中执行某些操作。因此水下机器人日渐成为船体及其他水下结构物检 测的一种重要的手段。

近年来，水下机器人发展迅速，但用于水下结构物探伤领域的为数不多。在海域复杂情 况下，为了避免在贴体运动过程中由于不稳定流场所带来的冲击力对机器人本体贴合位置影 响以及避免探测机构的碰撞损伤，框架机构不仅仅要有足够的强度，特殊设备还要有足够的 柔性。现有水下探伤机器人灵活性低，探伤仪探测机构复杂且柔性差，紊流环境中无法保证 平稳作业。

中国专利申请(申请号CN106269622B)名称为“全自动水下构建物超声探伤清洗机器人”， 包括水下执行系统包括：主支架、浮桶和清洗执行器，主支架与浮桶活动连接，清洗执行器 装配于主支架上。上述发明包括滚刷清洗和流体清洗2种清洗模式，主要应用于水库坝体与 闸门，应用范围小，且本体结构庞大复杂，运动灵活性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下超声探伤机器人，能够解决现有水下探伤机器人探测机构 复杂、柔性差，运动灵活性低的问题，在紊流条件下可以实现机器人平稳作业。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

本发明的一种水下超声探伤机器人，其特征在于，包括；

一框架模块，其左半部与右半部的形状相互对应、结构相同；下述各模块均安装在此框 架模块上；

一超声波探测模块，固定在所述的U型铝上，用于执行超声波探测；所述的超声波探测 模块，固定在所述的U型铝上，包括可压缩机构、超声波探测仪和固定件；

一滚刷模块，安装在所述的超声波探测模块上方，用于对超声波探伤模块进行超声探测 前的清洗；

一耐压电子舱模块，通过耐压电子舱不锈钢卡箍配合耐压电子舱ABS底座安装于框架模 块底部，属于水下超声探伤机器人核心模块，用于对其他模块进行控制；

一运动模块，包括水平螺旋桨推进器、竖直螺旋桨推进器和横向螺旋桨推进器；所述水 平螺旋桨推进器与竖直螺旋桨推进器均配合推进器不锈钢卡箍、推进器ABS底座固定在框架 模块上，横向螺旋桨推进器配合推进器铝合金固定架固定在框架模块上，用于水下超声探伤 机器人实现六个自由度运动；

一照明模块，用于水下环境的照明，包括两个结构相同的照明装置，分别安装在框架模 块的侧板的左前端和右前端；

一摄像模块，用于配合照明模块采集水下信息；

一浮体模块，其前端、后端均呈流线型，从而减小运动所受阻力，并开有容纳竖直螺旋 桨推进器的安装口，所述浮体模块呈中纵剖面对称分布，保证整体在水中呈上浮状态；

一配重模块，采用不锈钢材质，包括不锈钢配重块、配重滑杆，用于调整水下超声探伤 机器人的重心和平衡度。

进一步的，所述框架模块包括侧板、U型铝、把手、线缆固定U型螺栓、U型吊环、连接角码；所述侧板包括左侧板和右侧板，通过数个U型铝进行连接固定；每个侧板的外缘的前后位置均安装有把手，便于人工搬运；框架上部安装U型吊环，便于机械垂吊；线缆固定在机器人尾部线缆固定U型螺栓上。

进一步的，所述超声波探测模块，包括后六角螺帽、铝合金圆筒、圆头螺钉、前六角螺 帽、探测仪支架、超声波探头、弹簧、探测仪支架底座和超声波转换器；超声波探头安装在 探测仪支架上；铝合金圆筒开有一个U型槽作为探测仪支架的运动轨道；其铝合金圆筒的前 后两端均有螺纹，可分别与前六角螺帽、后六角螺帽配合；前六角螺帽上具有开口用于探测 仪支架穿过，后六角螺帽设置有一开口用于流体的流出；一弹簧置于铝合金圆筒内部，该弹 簧压缩量120mm，保证水下超声探伤机器人在紊流条件下不会由于流体力对超声波探测模块 产生碰撞损坏；所述探测仪支架底端安装一个配有圆头螺钉的探测仪支架底座，保证探测仪 支架在轨道内平稳运动；所述超声波转换器固定于所述框架模块右侧，其支架部分通过超声 波探测机构ABS固定座固定于所述框架模块的底部。

进一步的，所述滚刷模块，包括滚刷机构、滚珠丝杆机构和安装固定板；所述的滚珠丝 杆机构包括滚珠丝杆机构电机、滚珠丝杆机构联轴器、丝杆、丝杆螺母座；滚珠丝杆机构固 定座与滚珠丝杆机构支撑座固定于安装固定板上；所述的滚刷机构包括安装平板、滚刷机构 电机、滚刷机构联轴器，连接圆杆、滚刷机构支撑座、电刷；所述安装平板固定在丝杆螺母 座上，其上用于固定滚刷机构电机；滚珠丝杆机构电机带动丝杆旋转，从而带动丝杆螺母座 的前后运动，进而控制滚刷机构的前进与后退；滚刷机构电机带动滚刷旋转，从而进行被探 测物表面的清洗工作；所述滚刷模块配合安装固定板安装在超声波探伤模块上方的U型铝上。

优选的，所述侧板利用连接角码与U型铝进行连接固定。

优选的，所述的铝合金圆筒的U型槽尺寸为：长110mm、宽3.5mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明采用的框架模块设计，结构合理紧凑，质量轻，湿水面积小，易于拆卸，便 于运输。同时包含耐压电子舱模块、超声波探测模块、滚刷模块、摄像模块、照明模块、运动模块和配重等模块，能够协同水下影像采集、滚刷清洗、超声探伤等功能。

(2)本发明超声波探测机构具有较大的可伸缩性，最大可达110mm，避免在贴体运动 过程中由于不稳定流场所带来的冲击力对探测机构的碰撞损伤，保证探测过程机器人与目标 物紧密贴合，确保探测数据的准确性；

(3)其探测仪支架前端结构具有一定旋转性，可在不改变机器人本体状态下来适应不同 倾斜角度的目标结构物；

(4)本发明采用螺旋桨推进控制探测，比永磁吸附探测运动灵活性高，配合探测机构的 可伸缩性，即使在不稳定水流中也可保证机器人本体的稳定性，保证测量任务正常进行。

(5)本发明框架与其他每个模块通过螺栓连接，便于零部件安装、拆解以及后期模块替 换。

附图说明

图1(a)、图1(b)为本发明水下超探伤机器人的一个实施例的总体立体结构示意图。

图2为本发明的一个实施例的水下超探伤机器人除去配重、浮体与上部框架及管刷模块 的立体结构图。

图3(a)为本发明的一个实施例的水下超探伤机器人框架模块结构图；图3(b)为图3 (a)所示框架模块的连接固定结构示意图。

图4(a)为本发明的一个实施例的水下超探伤机器人超声波探测模块结构图；图4(b) 为图4(a)所示超声波探测模块的局部剖面放大图。

图5为本发明的一个实施例的滚刷模块结构图。

图6(a)为本发明的一个实施例的水平与竖直螺旋桨安装图；图6(b)本发明的一个实 施例的横向螺旋桨安装图。

图7(a)、图7(b)框架模块上其它模块安装示意图。

图8为本发明的一个实施例的浮体模块结构示意图。

上述各图中的部件名称及标号说明如下：

框架模块1、超声波探测模块2、滚刷模块3、耐压电子舱模块4、运动模块5、照明模块6、摄像模块7、浮体模块8、配重模块9。

框架模块1：侧板11、U型铝12、把手13、线缆固定U型螺栓14、U型吊环15、连接 角码16；照明模块安装孔111、超声波探测模块安装孔112、滚刷模块113、竖直螺旋桨推进 器安装孔114、浮体模块安装孔115、横向螺旋桨推进器安装孔116、超声波转换器安装孔117、 水平螺旋桨推进器安装孔118、耐压电子舱模块安装孔119、配重模块安装孔120。

超声波探测模块2：后六角螺帽21、铝合金圆筒22、超声波探测机构ABS固定座223、圆头螺钉23、前六角螺帽24、探测仪支架25、超声波探头26、弹簧27、探测仪支架底座28、 超声波转换器29、超声波转换器不锈钢卡箍291。

滚刷模块3：滚刷机构31、滚刷机构电机311、安装平板312、滚刷机构联轴器313，连接圆杆314、滚刷机构支撑座315、电刷316；滚珠丝杆机构32、滚珠丝杆机构电机321、滚 珠丝杆机构联轴器322、丝杆324、丝杆螺母座325、滚珠丝杆机构支撑座326；安装固定板 33。

耐压电子舱模块4：耐压电子舱不锈钢卡箍431、耐压电子舱ABS底座432、 运动模块5：水平螺旋桨推进器51、推进器不锈钢卡箍511、推进器ABS底座512、竖 直螺旋桨推进器52、横向螺旋桨推进器53、推进器铝合金固定架531。

浮体模块8：浮体固定孔81、线缆孔82、螺旋桨孔83、U型吊环孔84。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

图1(a)、图1(b)为本发明水下超探伤机器人的一个实施例的总体立体结构示意图。

图2为本发明的一个实施例的水下超探伤机器人除去配重、浮体与上部框架及管刷模块的立 体结构图。该实施例包括:框架模块1、超声波探测模块2、滚刷模块3、耐压电子舱模块4、 运动模块5、照明模块6、摄像模块7、浮体模块8、配重模块9。其中，模块2-9均安装在框 架模块1上。图7(a)、图7(b)框架模块上其它模块安装示意图，图中同时标注了各模块安装孔的位置。

图3(a)为本发明的一个实施例的水下超探伤机器人框架模块结构图；图3(b)为图3 (a)所示框架模块的连接固定结构图。如图所示，框架模块1，包括侧板11、U型铝12、把 手13、线缆固定U型螺栓14、U型吊环15、连接角码16；侧板11与U型铝12配合连接角 码16螺栓固定，如图3(a)中，把手13通过螺栓对称固定在侧板11两侧，便于人工搬运； 线缆固定U型螺栓14固定在机器人尾部，用于固定缆线，防止海流及其他障碍物拖拽缆线 造成与舱体连接的光电接头毁坏；U型吊环15固定在机器人中心，便于机械垂吊；框架模块 前端成一定角度，不仅便于照明模块安装，并且有效增加框架强度；框架模块具有结构简单、 质量轻的特点。

图4(a)为本发明的一个实施例的水下超探伤机器人超声波探测模块结构图；图4(b) 为图4(a)所示超声波探测模块的局部剖面放大图。如图所示，本实施例的超声波探测模块 2，包含有后六角螺帽21、铝合金圆筒22、圆头螺钉23、前六角螺帽24、探测仪支架25、超声波探头26、弹簧27、探测仪支架底座28以及超声波转换器29；超声波探头26安装在 探测仪支架25上，发射超声波于目标物，并返回影像和原有图像做对比，进而判断目标物现有状态；探测仪支架前端搭载超声探头结构具有一定旋转性，可在不改变机器人本体状态下 来适应不同倾斜角度的目标结构物；铝合金圆筒开有110mm长、3.5mm宽的U型槽221作为探测仪支架运动轨道，两端车以螺纹，配合六角螺帽封口，前六角螺帽24开口用于探测仪支架穿过，后六角螺帽21开口用于流体的流出，弹簧27置于铝合金圆筒22内部，该弹簧压缩量120mm，保证机器人在紊流条件下不会由于流体力对探伤模块产生碰撞损坏，同时依靠螺旋桨推进器推力牢固贴合于被测目标物表面，维持机器人平稳作业；探测仪支架25底端安 装一个配有圆头螺钉23的铝合金底座28，保证探探测仪支架25在轨道内平稳运动；所述超 声波转换器29配合不锈钢卡箍291固定于框架模块右侧，其支架部分通过超声波探测机构 ABS固定座223配合铝合金圆筒固定槽222固定在底部框架。

图5为本发明的一个实施例的滚刷模块结构图。如图所示，滚刷模块包括滚刷机构31、 滚珠丝杆机构32和安装固定板33；滚珠丝杆机构32由滚珠丝杆机构电机321、滚珠丝杆机 构联轴器322、丝杆324、丝杆螺母座325组成，滚珠丝杆机构固定座323与滚珠丝杆机构支 撑座326固定于安装固定板33上；滚刷机构31包括安装平板311、滚刷机构电机312、滚刷机构联轴器313，滚刷机构连接圆杆314、支撑座315、电刷316，安装平板312固定在丝杆 螺母座325上，其上用于固定滚刷机构电机312；滚珠丝杆机构电机321带动丝杆324旋转 提供丝杆丝杆螺母座325前进后退动力，进而控制滚刷机构31的前进与后退，滚刷机构电机 312提供滚刷旋转动力，进而进行被探测物表面清洗工作；所述模块配合安装固定板33安装 在超声波探伤模块2正上方U型铝上，便于操作，提高机器人作业效率。

其耐压电子舱模块4，配合耐压电子舱不锈钢卡箍431及耐压电子舱ABS底座432固定 在框架模块1底部后方，耐压舱中剖面与框架中剖面重合；该模块是机器人核心部分，相当 于计算机CPU，负责控制机器人的每个模块。

其运动模块，包括2个水平螺旋桨推进器51、2个竖直螺旋桨推进器52以及1个横向螺 旋桨推进器53；为提高机器人在探伤作业中前进效率并保证转艏运动的灵活性，本机器人水 平螺旋桨推进器51未采用八字形布置，而是设置一横向螺旋桨推进器53；所述水平螺旋桨 推进器51与竖直螺旋桨推进器52均通过推进器不锈钢卡箍511配合推进器ABS底座512固 定在框架模块1上，横向螺旋桨推进器53配合推进器铝合金固定架531固定于框架模块1右 侧侧面框架上。图6(a)为本发明的一个实施例的水平与竖直螺旋桨安装图；图6(b)本发 明的一个实施例的横向螺旋桨安装图。

其照明模块6，包括2个照明装置，分别配合不锈钢卡箍61安装在框架模块侧板11前 端，用于水下照明。

其摄像模块7，该摄像模块通过螺栓固定于机器人框架模块前端U型铝中间位置，配合 照明模块6，实时反馈水下环境，保证机器人操作的稳定性。

图8为本发明的一个实施例的浮体模块结构示意图。该浮体模块8，开有容纳竖直螺旋 桨推进器的安装口，以及安装固定孔，便于安装在框架模块1上；该模块流线型设计，可有 效降低机器人在水中的阻力；该模块能充分保证水下机器人的重力平衡性，使其在静止条件 下始终处于上浮状态。

其配重模块9，所述配重模块包括不锈钢配重块91、配重滑杆92；不锈钢配重块91可 在配重滑杆92左右滑动调整机器人重心位置。

总之，本发明结构本体设计简单，整体质量轻小，功能齐全，属于中小型机器人，其应 用范围广泛。超声波探测模块的伸缩性与可旋转性，保证机器人可紧密贴合于不同被测目标 物形状表面，提高探测结果的准确性，整体结构采用模块化螺栓安装，便于机器人本体维护 的拆解与安装，具有较高的可行性。