RU234083U1

RU234083U1 - Robotic platform for inspection of metal structures

Info

Publication number: RU234083U1
Application number: RU2024124918U
Authority: RU
Inventors: Антон Денисович Кочнев; Андрей Викторович Смирнов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "РОБОКОНТ"
Filing date: 2024-08-26
Publication date: 2025-05-19

Abstract

Полезная модель относится к робототехническим устройствам, предназначенным для проведения дистанционного обследования состояния металлоконструкций, в частности к мобильным устройствам дистанционного определения состояния ферромагнитных поверхностей и контроля их толщины. Роботизированная платформа для обследования металлоконструкций содержит корпус, в котором расположен микрокомпьютер, электромагнитный акустический преобразователь, аккумуляторный блок и радиомодуль. Корпус соединен с двумя блоками магнитных колес. В магнитных колесах использована конструкция с использованием магнитной сборки Хальбаха. Питание устройства осуществляется от аккумуляторного блока. Недостатком ближайшего аналога устройства является низкая эффективность магнитной сборки колеса по сравнению с использованием других видов магнитных сборок, а также осуществления передачи команд и электрического питания по кабелю, что значительно снижает маневренность устройства при выполнении своих функций. Техническим результатом является повышение маневренности с помощью питания устройства от аккумуляторов и повышение надежности магнитного притяжения к обследуемым поверхностям. The utility model relates to robotic devices intended for remote inspection of the state of metal structures, in particular to mobile devices for remote determination of the state of ferromagnetic surfaces and control of their thickness. A robotic platform for inspection of metal structures comprises a housing in which a microcomputer, an electromagnetic acoustic transducer, a battery pack and a radio module are located. The housing is connected to two blocks of magnetic wheels. The magnetic wheels use a design using a Halbach magnetic assembly. The device is powered from the battery pack. The disadvantage of the closest analogue of the device is the low efficiency of the magnetic assembly of the wheel compared to the use of other types of magnetic assemblies, as well as the transmission of commands and electrical power via a cable, which significantly reduces the maneuverability of the device when performing its functions. The technical result is an increase in maneuverability using battery power for the device and an increase in the reliability of magnetic attraction to the surfaces being inspected.

Description

Полезная модель относится к робототехническим устройствам, предназначенным для проведения дистанционного обследования состояния металлоконструкций, в частности к мобильным устройствам дистанционного определения состояния ферромагнитных поверхностей и контроля их толщины.The utility model relates to robotic devices intended for remote inspection of the condition of metal structures, in particular to mobile devices for remote determination of the condition of ferromagnetic surfaces and control of their thickness.

Известна универсальная платформа на магнитных колесах для внутритрубных устройств (патент РФ №2739853, опубл. 29.12.2020), содержащая шасси, магнитные мотор-колесные модули, отличающаяся тем, что дополнительно содержит поворотный механизм грузовой платформы, который обеспечивает возможность поворота размещенного на ней блока с оборудованием на заданный угол до 360°, каждый из мотор-колесных модулей имеет независимую подпружиненную подвеску и поворотный механизм на заданный угол до 90°, что позволяет универсальной платформе лишь за счет поворота на заданные углы моторколесных модулей и блока с оборудованием, без дополнительного маневрирования и разворотов осуществлять ее точное позиционирование относительно интересующего объекта, заезжать в боковые отводы, совершать в трубе движение по кольцу и спирали, а для обеспечения действий по постановке универсальной платформы на магнитные колеса, после падения ее в трубе, она обеспечена радиусной поверхностью крыши блока с оборудованием, которая обеспечивает ее падение на боковую поверхность, а также поворотными механизмами грузовой платформы и мотор-колесных модулей, обеспечивающими их оптимальные положения для выполнения данной операции.A universal platform on magnetic wheels for in-pipe devices is known (RU Patent No. 2739853, published on 29.12.2020), containing a chassis, magnetic motor-wheel modules, characterized in that it additionally contains a rotary mechanism of the cargo platform, which provides the ability to rotate the unit with equipment placed on it at a given angle of up to 360 °, each of the motor-wheel modules has an independent spring-loaded suspension and a rotary mechanism at a given angle of up to 90 °, which allows the universal platform, only by rotating the motor-wheel modules and the unit with equipment at given angles, without additional maneuvering and turns, to carry out its precise positioning relative to the object of interest, drive into side bends, move in a ring and a spiral in a pipe, and to ensure actions to place the universal platform on magnetic wheels, after it falls in the pipe, it is provided with a radius surface of the roof of the unit with equipment, which ensures its fall on side surface, as well as rotary mechanisms of the cargo platform and motor-wheel modules, ensuring their optimal positions for performing this operation.

Недостатком данного устройства является ограничение на обследуемые диаметры трубопроводов (обследование возможно лишь на трубопроводах с условным диаметром более 300 мм), а также упрощенной конструкции магнитного колеса, которая не исключает потери сцепления с ферромагнитной поверхностью.The disadvantage of this device is the limitation on the diameters of the pipelines that can be inspected (inspection is only possible on pipelines with a nominal diameter of more than 300 mm), as well as the simplified design of the magnetic wheel, which does not exclude the loss of adhesion to the ferromagnetic surface.

Известна платформа для внутритрубного дефектоскопа на магнитных колёсах (патент РФ №2605234, опубл. 20.12.2016), содержащая мотор-редукторы, отличающаяся тем, что дополнительно содержит продольную ось, соединяющую каждое шасси платформы между собой продольными шарнирами с ограничителями вращения, при этом продольная ось имеет поперечный шарнир, а крайние шарнирные втулки продольной оси соединены с валами мотор-редукторов, установленных на крайних шасси платформы в продольном направлении.A platform for an in-pipe flaw detector on magnetic wheels is known (RU Patent No. 2605234, published on 20.12.2016), containing gear motors, characterized in that it additionally contains a longitudinal axis connecting each platform chassis to each other by longitudinal hinges with rotation limiters, while the longitudinal axis has a transverse hinge, and the outer hinge bushings of the longitudinal axis are connected to the shafts of the gear motors installed on the outer platform chassis in the longitudinal direction.

Недостатком данного устройства является ограниченная маневренность, поскольку шарниры имеют ограничители вращения. Еще одним недостатком являются значительные габариты устройства, которое базируется на 6 колесной платформе, что затрудняет его передвижение в стесненных условиях.The disadvantage of this device is limited maneuverability, since the hinges have rotation limiters. Another disadvantage is the significant dimensions of the device, which is based on a 6-wheel platform, which makes it difficult to move in cramped conditions.

Известено устройство для мониторинга технического состояния металлоконструкций и трубопроводов (патент РФ №2778619, опубл. 22.08.2022), содержащее электронный блок, датчик для ультразвуковой диагностики объекта контроля, отличающееся тем, что корпус устройства выполнен в форме параллелепипеда со срезанными в задней части углами, на верхней, нижней и боковых стенках корпуса выполнены отверстия в форме прямоугольников, верхняя часть корпуса выполнена в форме крышки, которая крепится к корпусу с возможностью съема, на задней части корпуса выполнены отверстия прямоугольной формы, в которые установлены крышка аккумулятора и ниже крышка электронного блока, в центре передней части корпуса выполнено отверстие в форме круга, в которое установлен объектив LIDAR с встроенной видеокамерой, а по бокам от него выполнены отверстия меньшего диаметра, в которые установлены светодиоды, в центре нижней части установлен активный электромагнитно-акустический преобразователь, а по углам подвижные крепления, которые жестко соединены с приводом, и состоят из основного крепления, к которому крепится заглушка колеса и крышка для сервопривода, опорные колеса с неодимовыми магнитами, которые соединены с сервоприводами, которые установлены внутри корпуса, электронный блок включает в себя узел обработки и синтеза сигналов, выход которого соединен с входами накопителя и узла беспроводной связи, выход которого соединен с входом узла навигации, а вход узла обработки и синтеза сигналов электронного блока соединен с выходами LIDAR с встроенной видеокамерой, активный электромагнитно-акустический преобразователь, выходы сервопривода, активный электромагнитно-акустический преобразователь, LIDAR c встроенной видеокамерой, светодиодов и электронного блока соединены с входами аккумулятора.A device is known for monitoring the technical condition of metal structures and pipelines (RU Patent No. 2778619, published on 22.08.2022), containing an electronic unit, a sensor for ultrasonic diagnostics of the test object, characterized in that the device body is made in the form of a parallelepiped with corners cut off at the rear, rectangular openings are made on the upper, lower and side walls of the body, the upper part of the body is made in the form of a cover that is attached to the body with the possibility of removal, rectangular openings are made on the rear part of the body, into which the battery cover and below the electronic unit cover are installed, in the center of the front part of the body there is a circular opening in which a LIDAR lens with a built-in video camera is installed, and on the sides of it there are openings of a smaller diameter in which LEDs are installed, an active electromagnetic-acoustic transducer is installed in the center of the lower part, and movable mounts are installed at the corners, which are rigidly connected to the drive, and consist of a main mount to which the wheel plug and a cover are attached for servo drives, support wheels with neodymium magnets, which are connected to servo drives, which are installed inside the housing, the electronic unit includes a signal processing and synthesis unit, the output of which is connected to the inputs of the storage device and the wireless communication unit, the output of which is connected to the input of the navigation unit, and the input of the signal processing and synthesis unit of the electronic unit is connected to the outputs of the LIDAR with a built-in video camera, an active electromagnetic-acoustic transducer, the outputs of the servo drive, the active electromagnetic-acoustic transducer, the LIDAR with a built-in video camera, the LEDs and the electronic unit are connected to the inputs of the battery.

Недостатком данного устройства является простая конструкция колес с неодимовыми магнитами, которая неэффективно использует магнитную силу притяжения при весьма высоком весе. Кроме того, большие габариты устройства способствуют высокому отрывному моменту при выполнении сложных маневров (при переходе через препятствия, при езде по вертикальным участкам и т.п.). Конструктивное размещение сервоприводов сильно увеличивает габариты колесных модулей, что затрудняет движение в стесненных условиях.The disadvantage of this device is the simple design of wheels with neodymium magnets, which inefficiently uses the magnetic force of attraction with a very high weight. In addition, the large dimensions of the device contribute to a high breakaway moment when performing complex maneuvers (when crossing obstacles, when driving on vertical sections, etc.). The structural placement of servo drives greatly increases the dimensions of the wheel modules, which complicates movement in cramped conditions.

Известна платформа для внутритрубного дефектоскопа на магнитных колёсах (патент РФ №2647173, опубл. 14.03.2018), содержащая магнитные мотор-колесные модули, отличающаяся тем, что оснащена магнитными колесами с немагнитными вставками, размещенными по периметру колес, которые обеспечивают переменную силу примагничивания колес платформы для внутритрубного дефектоскопа к обследуемой поверхности трубопроводной обвязки, что позволяет ей преодолевать вертикальные препятствия в виде внутренних углов.A platform for an in-pipe flaw detector on magnetic wheels is known (RU Patent No. 2647173, published on 14.03.2018), containing magnetic motor-wheel modules, characterized in that it is equipped with magnetic wheels with non-magnetic inserts placed along the perimeter of the wheels, which provide a variable force of magnetization of the wheels of the platform for an in-pipe flaw detector to the inspected surface of the pipeline piping, which allows it to overcome vertical obstacles in the form of internal corners.

Недостатком данного устройства является ограничение на обследуемые диаметры трубопроводов (обследование возможно лишь на трубопроводах с условным диаметром более 200 мм), а также использование конструкции колеса с немагнитными вставками, которая обеспечивает переменную магнитную силу колес, что может привести к потере устойчивости на сложно прогнозируемых препятствиях. The disadvantage of this device is the limitation on the diameters of the pipelines that can be inspected (inspection is only possible on pipelines with a nominal diameter of more than 200 mm), as well as the use of a wheel design with non-magnetic inserts, which provides a variable magnetic force of the wheels, which can lead to a loss of stability on difficult to predict obstacles.

Известен мобильный робот с магнитными движителями (патент РФ №2585396, опубл. 27.05.2016), принятый за прототип для движения по вертикальным и горизонтальным поверхностям, содержащий корпус с установленным на нем по меньшей мере одним колесом и приводной узел, установленный на корпусе для приведения в движение колес, представляющий собой электродвигатель с механическими передачами и приводными валами. Колесо содержит внешний барабан, имеющий кольцевую периферийную стенку, и внутренний элемент колеса, включающий в себя фрагмент из магнитно-проницаемого материала и магнит, находящийся в контакте с магнитно-проницаемым материалом. Внутренний элемент колеса имеет внешний диаметр меньший, чем внутренний диаметр внешнего барабана. Внутренний элемент колеса имеет форму диска с вырезами. Постоянный магнит и фрагмент магнитно-проницаемого материала выполнены в форме полуколец с вырезами, закрепленных на приводном валу так, что при нахождении магнита на максимальном удалении от точки контакта колеса с рабочей поверхностью большая часть линий магнитного поля проходит не через рабочую поверхность, а через магнитно-проницаемый материал внутреннего элемента колеса.A mobile robot with magnetic propulsion is known (RU Patent No. 2585396, published on 27.05.2016), adopted as a prototype for movement on vertical and horizontal surfaces, comprising a housing with at least one wheel mounted thereon and a drive unit mounted on the housing for driving the wheels, which is an electric motor with mechanical transmissions and drive shafts. The wheel comprises an outer drum having an annular peripheral wall, and an inner element of the wheel including a fragment of magnetically permeable material and a magnet in contact with the magnetically permeable material. The inner element of the wheel has an outer diameter smaller than the inner diameter of the outer drum. The inner element of the wheel has the shape of a disc with cutouts. The permanent magnet and a fragment of magnetically permeable material are made in the form of half rings with cutouts, fixed on the drive shaft so that when the magnet is at the maximum distance from the point of contact of the wheel with the working surface, the majority of the magnetic field lines pass not through the working surface, but through the magnetically permeable material of the inner element of the wheel.

Недостатком устройства является низкая эффективность магнитной сборки колеса по сравнению с использованием других видов магнитных сборок, а также осуществления передачи команд и электрического питания по кабелю, что значительно снижает маневренность устройства при выполнении своих функций.The disadvantage of the device is the low efficiency of the magnetic assembly of the wheel compared to the use of other types of magnetic assemblies, as well as the transmission of commands and electrical power via a cable, which significantly reduces the maneuverability of the device when performing its functions.

Техническим результатом является повышение маневренности с помощью питания устройства от аккумуляторов и повышение надёжности магнитного притяжения к обследуемым поверхностям. The technical result is an increase in maneuverability by powering the device from batteries and an increase in the reliability of magnetic attraction to the surfaces being examined.

Технический результат достигается тем, что роботизированная платформа для обследования металлоконструкций содержит корпус, в котором расположен микрокомпьютер, электромагнитный акустический преобразователь, аккумуляторный блок и радиомодуль, при этом корпус соединен с двумя блоками магнитных колес, отличающимися тем, что в магнитных колесах использована конструкция с использованием магнитной сборки Хальбаха, а питание устройства осуществляется от аккумуляторного блока. The technical result is achieved in that the robotic platform for inspecting metal structures contains a housing in which a microcomputer, an electromagnetic acoustic transducer, a battery pack and a radio module are located, wherein the housing is connected to two blocks of magnetic wheels, distinguished in that the magnetic wheels use a design using a Halbach magnetic assembly, and the device is powered from the battery pack.

Устройство поясняется следующими фигурами: The device is illustrated by the following figures:

фиг. 1 - устройство, изометрия вид 1;Fig. 1 - device, isometric view 1;

фиг. 2 - устройство, изометрия вид 2;Fig. 2 - device, isometric view 2;

фиг. 3 - вид сбоку, на котором указано расположение электромагнитного акустического преобразователя; Fig. 3 - side view showing the location of the electromagnetic acoustic transducer;

фиг. 4 - конструкция колеса устройства, где:Fig. 4 - design of the device wheel, where:

1. Корпус1. Body

2. Блок аккумуляторов2. Battery pack

3. Нижняя часть передней консоли3. Lower part of the front console

4. Верхняя часть передней консоли4. Upper part of the front console

5. Поворотный сервопривод5. Rotary servo drive

6. Зубчатое колесо6. Gear wheel

7. Поворотный вал7. Rotary shaft

8. Передняя стойка колеса8. Front wheel stand

9. Переднее колесо9. Front wheel

10. Курсовая видеокамера10. Course video camera

11. Светодиод11. LED

12. Задний сервопривод12. Rear servo

13. Заднее колесо13. Rear wheel

14. Площадка блока шестеренок 14. Gear block platform

15. Нижняя шестеренка15. Bottom gear

16. Средняя шестеренка16. Middle gear

17. Верхняя шестеренка17. Upper gear

18. Передний сервопривод18. Front servo

19. Электромагнитный акустический преобразователь19. Electromagnetic acoustic transducer

20. Вал колеса20. Wheel shaft

21. Боковое крепление колеса21. Side wheel mount

22. Неодимовые магниты, расположенные полюсами таким образом, что образуют магнитную сборку Хальбаха.22. Neodymium magnets with their poles arranged in such a way that they form a Halbach magnetic assembly.

Устройство роботизированной платформы для обследования металлоконструкций, содержащее корпус 1 (фиг. 1), который соединен с блоком аккумуляторов 2 и с нижней частью выносной консоли 3 и верхней частью выносной консоли 4, на которой закреплен передний поворотный сервопривод 5. Между нижней и верхней выносной частью консоли закреплено свободно вращающееся зубчатое колесо 6, соединенное жестко с поворотным валом 7. Поворотный вал 7 крепится к передней стойке колеса 8, на которой установлено переднее колесо 9, курсовая видеокамера 10 и светодиод 11. Задний сервопривод 12 (см. фиг. 2) крепится к блоку аккумуляторов 2 и соединяется с задним колесом 13. На передней стойке колеса закреплена площадка блока шестеренок 14, с тремя последовательно вращающимися шестеренками - нижней 15, средней 16 и верхней 17, которая соединена с передним сервоприводом 18. Электромагнитный акустический преобразователь 19 (см. фиг. 3) размещен в нижней части корпуса 1. Конструкция переднего колеса поясняется фигурой 4: переднее колесо крепится на вал 20 за счет бокового крепления 21. Внутрь переднего колеса 9 встроено, как показано на фиг. 4, восемь неодимовых магнитов 22, расположение полюсов которых образует так называемую сборку Хальбаха, увеличивающую силу магнитного притяжения приблизительно в два раза.A robotic platform device for inspecting metal structures, comprising a housing 1 (Fig. 1) which is connected to a battery pack 2 and to the lower part of an external console 3 and the upper part of an external console 4, on which a front rotary servo drive 5 is fixed. Between the lower and upper external parts of the console, a freely rotating gear wheel 6 is fixed, rigidly connected to a rotary shaft 7. The rotary shaft 7 is attached to the front wheel post 8, on which a front wheel 9, a course video camera 10 and a light-emitting diode 11 are mounted. The rear servo drive 12 (see Fig. 2) is attached to the battery pack 2 and connected to the rear wheel 13. A gear block platform 14 is fixed to the front wheel post, with three sequentially rotating gears - the lower 15, the middle 16 and the upper 17, which is connected to the front servo drive 18. An electromagnetic acoustic converter 19 (see Fig. 3) is placed in the lower part of the housing 1. The design of the front wheel is explained by Figure 4: the front wheel is attached to the shaft 20 by means of a side mount 21. Inside the front wheel 9, as shown in Fig. 4, eight neodymium magnets 22 are built in, the arrangement of the poles of which forms the so-called Halbach assembly, increasing the force of magnetic attraction by approximately two times.

Устройство работает следующим образом. Устройство устанавливается на ферромагнитной поверхности металлоконструкции, которую предстоит обследовать. За счет подачи питания от аккумуляторного блока 2 к переднему сервоприводу 18 и заднему сервоприводу 12 приводятся во вращение переднее колесо 9 и заднее колесо 13 соответственно. Передний сервопривод 18 передает вращение через блок шестеренок (15, 16, 17), задний - непосредственно колесу. При необходимости маневрирования устройства поворот осуществляется за счет поворотного сервопривода 5, который через зубчатое колесо 6 и соединенный с ним поворотный вал 7 обеспечивает вращение передней стойки колеса 8. Вращение переднего колеса происходит через вал 20, который соединен с самим колесом 9 за счет бокового крепления колеса 21. Необходимая сила притяжения обеспечивается неодимовыми магнитами 22, которые расположены особым образом (как показано на фиг. 4), что обеспечивает почти двухкратный выигрыш в силе притяжения по сравнению с иными вариантами магнитных сборок. Измерение толщины обследуемой ферромагнитной поверхности осуществляется электромагнитным акустическим преобразователем 19, закрепленным на нижней части корпуса 1. Контроль движения осуществляется за счет видеопотока, получаемого с курсовой видеокамеры 10. При необходимости дополнительного освещения, на передней стойке колеса 8, включается светодиод 11 по дистанционному сигналу.The device operates as follows. The device is installed on the ferromagnetic surface of the metal structure to be inspected. By supplying power from the battery pack 2 to the front servo drive 18 and the rear servo drive 12, the front wheel 9 and the rear wheel 13 are set in rotation, respectively. The front servo drive 18 transmits rotation through the gear block (15, 16, 17), the rear one - directly to the wheel. If it is necessary to maneuver the device, the rotation is carried out by means of the rotary servo drive 5, which, via the toothed wheel 6 and the rotary shaft 7 connected to it, ensures the rotation of the front pillar of the wheel 8. The rotation of the front wheel occurs via the shaft 20, which is connected to the wheel itself 9 due to the side fastening of the wheel 21. The necessary attractive force is provided by neodymium magnets 22, which are located in a special way (as shown in Fig. 4), which ensures an almost twofold gain in the attractive force compared to other versions of magnetic assemblies. The thickness of the ferromagnetic surface being examined is measured by an electromagnetic acoustic transducer 19, fixed to the lower part of the housing 1. The movement is monitored by means of a video stream received from the course video camera 10. If additional lighting is required, the LED 11 on the front pillar of the wheel 8 is switched on by a remote signal.

Опытный образец роботизированной платформы для обследования металлоконструкций успешно прошел проверку на спроектированном испытательном стенде, что подтверждается соответствующим протоколом испытаний.The prototype of the robotic platform for inspection of metal structures has successfully passed testing on the designed test bench, which is confirmed by the corresponding test protocol.

Claims

1. A robotic platform for inspecting metal structures, characterized in that it contains a housing in which a microcomputer, an electromagnetic acoustic transducer, a battery pack and a radio module are located, wherein the housing is connected to a rotary servo drive and two blocks of magnetic wheels, characterized in that the magnetic wheels use a design using a Halbach magnetic assembly, and the device is powered from the battery pack.

2. A robotic platform for inspecting metal structures according to paragraph 1, characterized in that the front servo drive transmits rotation through a gear block.

3. A robotic platform for inspecting metal structures according to paragraph 1, characterized in that movement control is carried out using a video stream received from a course camera.