CN102079340B - 基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，包括机器人本体机构、设置在机器人本体机构上的第一钩爪模块组和第二钩爪模块组、以及用于驱动第一钩爪模块组和第二钩爪模块组交替爬行的爬行驱动装置，第一钩爪模块组至少包括第一抓取钩爪模块、第二抓取钩爪模块两个钩爪模块，第二钩爪模块组至少包括第三抓取钩爪模块和第四抓取钩爪模块两个钩爪模块，钩爪模块上包括一舵机、一通过该舵机驱动的环形软轴以及套设在环形软轴上的至少三个弯曲方向均指向环形软轴中心的微型尖钩。现有技术相比，本发明机器人结构简单，自重较小，能耗较低，爬升方便，可适用于受风载振动影响较大的混凝土壁面爬升的各种情况。

Description

基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人

技术领域

本发明专利涉及一种斜拉桥混凝土索塔检测机器人，具体的说，是涉及一种用于斜拉桥索塔、偏远山区高架桥桥墩等粗糙混凝土表面裂缝故障及内部强度检测的机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

随着我国交通事业的迅速发展，斜拉桥和偏远山区高架桥在我国已经得到了广泛的应用。在组成斜拉桥的三部分（索塔、拉索和主梁）中，除主梁可应用养护工程车检测外，高达几百米的索塔和斜拉索都存在一个难以检查的现实，桥梁养护工程师很难近距离观察他们的每一处，甚至无法接近需检查的部位，这种现状已经持续多年，仍未改变。随着更大跨度桥梁的不断出现，人工检测的周期将更长、危险性更高、难度更大，开发用于桥梁索塔安全检测的自动化装置，成为必然要求。

在实际应用中，爬壁机器人应具有吸附和移动两大基本功能，目前的吸附方式主要有磁吸附、真空吸附、负压吸附和仿生粘性吸附等。磁吸附方式吸力较大，噪音小，控制也比较方便，但要求壁面为导磁材料；真空和负压吸附方式不受壁面材料限制，但当壁面存在较大裂缝、凹凸不平时，吸盘容易发生气体泄漏现象，导致吸附力不足。近年来，通过研究壁虎等爬行动物脚掌的吸附机理，国内外学者研制出高分子合成的粘性吸附材料，这些材料利用分子之间的范德华力，在很小的接触面积上就可获得较大的吸附力，具有吸附力与表面材料特性无关的优点，但目前这些材料存在受壁面灰尘影响较大，加工较困难，使用寿命较短，使用一定次数之后就失去粘性等缺点，其吸附机理仍需要进一步研究。

由于混凝土墙壁的裂缝容易导致吸盘漏气现象，表面不确定的灰尘对仿生粘结剂吸附有较大影响，传统的吸附方式难以满足在带有裂缝的混凝土、水刷石、砖块和岩石等多孔或粗糙的表面上爬升的要求。特别是斜拉桥索塔和偏远山区的高架桥桥墩，表面积灰严重，受高空风载影响较大，过往车辆引起索塔的随机振动，导致机器人爬升时随索塔一起振动，这对机器人的吸附装置提出了更高的要求。

针对此类壁面的特殊性，哈尔滨工程大学所提出的钩爪式爬壁机器人，利用倒钩刺挂附于粗糙墙壁表面通过对手臂伸缩实现爬行，其技术方案公布在专利号为200710072237.0的专利文件中。

南京航空航天大学的仿生结构与材料防护研究所，还对大黄蜂、甲虫等昆虫脚爪的微结构与其生存环境表面形貌进行了研究，设计了仿生脚掌，其脚爪前端的尖爪能钩到粗糙壁面上的凹凸点，将机器人挂在墙壁上，实现爬升动作。

以上所述的机器人可应用于一般的墙壁表面，但所应用的细小钢钩不能提供指向壁面的“吸附”力，对墙壁的作用没有形成力封闭，在300米高空的斜拉桥索塔表面爬升过程中，机器人易受高空风载、索塔振动等影响，产生不稳定现象，不适用于斜拉桥索塔检测工作。

随着斜拉桥的跨度越来越大，高度不断增大，索塔受风振的影也响越来越大，以苏通大桥为例，其索塔高达300米，如仍然使用卷扬机拖动吊篮小车以人工的方式搭载检测传感器对其进行检测，存在费用较高、工作环境恶劣、工作效率低等严重问题；另外，吊篮小车很难对索塔进行全方位检测，只能利用斜拉索作为攀登路径检查容易到达的索塔侧面部分，很难达到没有拉索的正面部分。针对斜拉桥拉索的检测工作，本课题组已经申请过多种检测机器人(申请号为200810019166.2，200810142308.4，2006101576019.9，200620016413.X)；针对斜拉桥索塔表面的检测工作，应用套索驱动多个微型尖钩抓取壁面，设计了钩爪抓取式爬壁机器人，技术方案公布在专利号为201010290721.2的发明专利中，本设计的每个钩爪均设有多个微型尖钩，其抓取稳定，但应用了多根套索传递动力，结构较为复杂。

综上所述，针对斜拉桥索塔、偏远山区的高架桥桥墩等高空建筑，目前存在的爬壁机器人的各种吸附方式都有其局限性。此专利主要针对索塔设计了检测机构，机构同样实用于高架桥桥墩，普通建筑的混凝土壁面的检测工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有吸附方式的不足，应用形成力封闭的微小钩爪抓取墙壁粗糙突起的吸附方案，提出一种结构简单，适合于斜拉桥索塔和高架桥桥墩的高空作业壁面检测机器人，克服了壁面灰尘、裂缝和凹坑、高空风载和壁面振动对机器人爬升性能的影响。

本发明采用如下技术方案：一种基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，包括机器人本体机构、设置在机器人本体机构上的第一钩爪模块组和第二钩爪模块组、以及用于驱动所述的第一钩爪模块组和第二钩爪模块组交替爬行的爬行驱动装置，所述的第一钩爪模块组至少包括第一抓取钩爪模块、第二抓取钩爪模块两个钩爪模块，所述的第二钩爪模块组至少包括第三抓取钩爪模块和第四抓取钩爪模块两个钩爪模块，其特征在于：所述的钩爪模块上包括一舵机、一通过该舵机驱动的环形软轴以及套设在环形软轴上的至少三个弯曲方向均指向环形软轴中心的微型尖钩，在所述的环形软轴还设置有与所述的微型尖钩数目相一致的扭簧，该扭簧的一端与所述的微型尖钩固定连接，扭簧的另一端固定在环形软轴上。

所述的爬行驱动装置包括：驱动装置、第一滑动支撑架和第二滑动支撑架，所述的驱动装置包括了电机、减速箱、电机固定件、曲柄以及连接杆，所说的曲柄与所述的减速箱的输出轴连接，曲柄的输出端连接所述的连接杆，连接杆的另一端与所述的第一抓取钩爪模块或第二抓取钩爪模块连接；所述第一抓取钩爪模块套设在第一滑动支撑架上，所述的第二抓取钩爪模块套设在第二滑动支撑架上，且第一抓取钩爪模块与第二抓取钩爪模块之间通过滑动连接件连接。

所述的微型尖钩尾部设有铰接孔。

所述的第一滑动支撑架包括第一滑动杆、第一支架和第二支架，所述的第一滑动杆上设置有第一滑动轴承、第二滑动轴承和第一钩爪支架；所述的第二滑动支撑架包括第二滑动杆、第三支架和第四支架，所述的第二滑动杆上设置有第三滑动轴承、第四滑动轴承和第二钩爪支架。

在所述的机器人本体机构的本体支撑架的上下两端分别设置第三钩爪支架和第四钩爪支架，所述的第三钩爪模块设置在第三钩爪支架上，所述的第四钩爪模块设置在第四钩爪支架上。

所述的机器人本体连接架上还设有锂电池，壁面检测仪器等。

与现有技术相比，本发明的斜拉桥索塔检测机器人具有如下优点：

1、机器人结构简单，自重较小，能耗较低，爬升方便，可适用于受风载振动影响较大的混凝土壁面爬升的各种情况。

2、本发明采用抓取钩爪作为检测机器人的吸附方式，每个钩爪设置有多个微小尖钩，钩取混凝土壁面的微小突起，能有效克服壁面灰尘、墙壁裂缝对吸附方式的影响，能适用于一般的混凝土墙面，使爬壁机器人的适应范围更加广泛。在抓取钩爪上设置了多个微小扭簧和微小尖钩，在抓取过程中，每个尖钩均可在扭簧的行程范围内寻找适合的抓取点，一旦在此范围没有合适的可抓取的突起点，可调整机器人的运行步态使可抓取范围更大，确保搜索稳定、可靠的抓取位置。

3、整个手爪尖钩与索塔表面的突起作用形成了力封闭，可产生指向壁面的合力，机构运动更稳定，有效地克服了索塔振动和高空风载对机器人稳定性的影响，机器人的每个尖钩均有较大的运动范围，可越过较大的障碍，使机器人遇到裂缝和较大突起时不会脱离壁面。

4、本发明机器人的爬升运动仅由一个直流电机驱动一套曲柄滑块机构完成，每个手爪的驱动装置均由舵机完成，其运动原理和控制方法较为简单。

5、实施本索塔表面检测机器人时，其舵机和曲柄滑块的驱动装置采用锂电池的供电方式而不是有源电缆供电，更适合高空作业环境，受风力影响较小，整个结构简单，运行可靠。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是整个钩爪模块示意图；

图3是钩爪模块原理图； 

图4是单个尖钩示意图；

图5是机器人结构；

图6为机器人滑动机构的极限位置。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细说明：

如图1所示，本发明的抓取钩爪式斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，包括机器人本体机构1和滑动机构2；所述的本体机构1由本体支撑板16，设置在本体支撑板16上下两端的第三抓取钩爪模块13和第四抓取钩爪模块14，以及设置在本体支撑板16上的第一滑动支撑架11和第二滑动支撑架12，和一套驱动装置15组成；所述的滑动机构2包括了至少两个抓取钩爪模块，分别为第一抓取钩爪模块21、第二抓取钩爪模块22，和滑动连接件23。

如图2和图3，所述的第一抓取钩爪模块21包括了至少三个微小尖钩，分别为第一微型尖钩2105、第二微型尖钩2107和第三微型尖钩2109，至少三个微小扭簧，分别为第一扭簧2106、第二扭簧2108和第三扭簧2110，第一圆形传动软轴2104，第一舵机2101以及第一钩爪支架2103和第一对传动锥齿轮2102。所述的微小扭簧与微型尖钩均设置在第一圆形传动软轴2104上，微小扭簧一端与第一圆形传动软轴2104相连，另一端与微小尖钩相连；所述的第一舵机2101固定于第一钩爪支架2103上，通过第一传动锥齿轮2102驱动第一圆形传动软轴2104转动，带动三个微小扭簧和微型尖钩转动。

所述的第二钩爪模块22包括至少三个微小尖钩，分别为第四微型尖钩2205、第五微型尖钩2207和第六微型尖钩2209，至少三个微小扭簧，分别为第四扭簧2206、第五扭簧2208和第六扭簧2210，第二圆形传动软轴2204，第二舵机2201以及第二钩爪支架2203组成和第二对传动锥齿轮2202。所述的微小扭簧与微型尖钩均设置在第二圆形传动软轴2204上，微小扭簧一端与第二圆形传动软轴2204相连，另一端与相应的微小尖钩相连；所述的第二舵机2201固定于第二钩爪支架2203上，通过第二传动锥齿轮2202驱动第二圆形传动软轴2204转动，带动三个微小扭簧和微型尖钩转动。

如图4所示，所述的微小尖钩尾部设有装置孔2111，可与圆形传动软轴装置一起。

如图5所示，所述的第一滑动支撑架11包括第一滑动杆112、第一支架111和第二支架115，所述的第一滑动杆112上设置有第一滑动轴承113、第二滑动轴承114和第一钩爪支架2103；

所述的第二滑动支撑架12包括第二滑动杆122、第三支架121和第四支架125，所述的第二滑动杆122上设置有第三滑动轴承123、第四滑动轴承124和第二钩爪支架2203；

所述的第一支架111、第二支架115、第三支架121和第四支架125均与机器人本体支撑板16固连，用以固定第一滑动杆112和第二滑动杆122。

所述的第一钩爪支架2103设置在第一滑动杆112的第一滑动轴承113和第二滑动轴承114上，第一钩爪模块21可在第一滑动杆112上滑动；第二钩爪支架2203设置在第二滑动杆122的第三滑动轴承123和第四滑动轴承124上，第二钩爪模块22可在第二滑动杆122上滑动。使得滑动机构2可在两个滑动支撑架11和12上滑动。

如图4所示，所述的驱动装置包括了电机151、减速箱152、电机固定件153、曲柄154、连接杆155；所述的连接杆155与第二钩爪支架2203铰链。

（1）如图2和图5所示，本发明的一个优选实施例是，控制第一舵机2101，通过第一对传动锥齿轮2102，驱动第一圆形传动软轴2104转动，通过带动第一扭簧2106、第二扭簧2108和第三扭簧2110转动，使第一微型尖钩2105、第二微型尖钩2107和第三微型尖钩2109与混凝土壁面3的微小突起脱开，从而使第一抓取钩爪模块21处于放松状态。

（2）本发明的又一个优选实施例是，控制第二舵机2201，通过第二对传动锥齿轮2202，驱动第二圆形传动软轴2204转动，通过带动第四扭簧2206、第五扭簧2208和第六扭簧2210转动，使第四微型尖钩2205、第五微型尖钩2207和第六微型尖钩2209与混凝土壁面3的微小突起脱离，从而使第二抓取钩爪模块22处于放松状态。

（3）如图5所示，本发明的另一个优选实施例是，与上述动作相反，通过控制第三舵机1301和第四舵机1401，使第三抓取钩爪模块13和第四抓取钩爪模块14钩取混凝土壁面3。

（4）本发明的再一个优选实施例是，通过第一支架111和第二支架115，将第一滑动杆112和机器人本体支撑板16固连，所述的第一滑动轴承113、第二滑动轴承114和第一钩爪支架2103可沿第一滑动杆112滑动；通过第三支架121和第四支架125，将第二滑动杆122和机器人本体支撑板16固连，所述的第三滑动轴承123、第四滑动轴承124和第二钩爪支架2203可沿第二滑动杆122滑动。

（5）本发明的另一个优选实施例是，所述的电机151带动曲柄154和连接杆155运动，从而带动与连接杆155铰链的第二钩爪支架2203沿第二滑动杆122滑动。

（6）本发明的又一个优选实施例是，所述的第二钩爪支架2203与第一钩爪支架2103通过滑动连接件23连接，可一起沿第一滑动杆112和第二滑动杆122向上滑动，即完成了滑动机构2的爬升动作。

（7）本发明的另一个优选实施例是，当滑动机构运动到上极限位置后，如图6所示第一钩爪支架2103和第二钩爪支架2203的位置，控制第一舵机2101和第二舵机2201，使第一抓取钩爪模块21和第二抓取钩爪模块22钩取混凝土壁面3，即第一抓取钩爪模块21和第二抓取钩爪模块22处于抓紧索塔表面状态；之后，控制第三舵机1301和第四舵机1401，使第三抓取钩爪模块13和第四抓取钩爪模块14处于放松状态，电机151继续旋转，从而带动机器人的本体机构1滑动上升，完成一个机器人爬升运动周期。

（8）当机器人钩爪抓取墙壁时，其中一个尖钩接触索塔表面突起时，与之相连的扭簧产生变形，其它尖钩继续运动，当所有尖钩接触壁面突起后，驱动软轴继续旋转，直到每个尖钩受力达到稳定抓取即停止。

（9）可以根据混凝土壁面的粗糙程度选择所设置的微小尖钩的数量，如较为粗糙的壁面设置三个，相对光滑的壁面可设置多个微小尖钩。

以上所述实施例为机器人的一个运动周期，如此通过本体机构1和滑动机构2的交替运动，完成机器人沿混凝土索塔的爬升动作。

总之，上述实施例所描述的几种实施方式，并不代表本发明所有的实现方式；以上实施例不是对本机器人的具体限定，比如，机器人也可适用于爬升混凝土壁面、房屋顶篷，电线杆等大曲率曲面等不规则表面，完成相关的检测维护工作。在本发明的实施例中，样机功率为20W，机器人自重2.5kg,可载重1.5kg（摄像头和磁检测设备），样机结构简单，维修方便，在工程试验中，工作稳定，具有推广应用价值。

Claims (5)

1.一种基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，包括机器人本体机构(1)、设置在机器人本体机构(1)上的第一钩爪模块组和第二钩爪模块组、以及用于驱动所述的第一钩爪模块组和第二钩爪模块组交替爬行的爬行驱动装置，所述的第一钩爪模块组至少包括第一抓取钩爪模块(21)、第二抓取钩爪模块(22)两个钩爪模块，所述的第二钩爪模块组至少包括第三抓取钩爪模块(13)和第四抓取钩爪模块(14)两个钩爪模块，其特征在于：所述的钩爪模块上包括一舵机(2101)、一通过该舵机(2101)驱动的环形软轴(2104)以及套设在环形软轴(2103)上的至少三个弯曲方向均指向环形软轴(2104)中心的微型尖钩(2105)，在所述的环形软轴(2104)还设置有与所述的微型尖钩数目相一致的扭簧(2106)，该扭簧(2106)的一端与所述的微型尖钩固定连接，扭簧(2106)的另一端固定在环形软轴(2104)上。

2.根据权利要求1所述的基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，其特征在于：所述的爬行驱动装置包括：驱动装置(15)、第一滑动支撑架(11)和第二滑动支撑架(12)，所述的驱动装置(15)包括了电机(151)、减速箱(152)、电机固定件(153)、曲柄(154)以及连接杆(155)，所说的曲柄与所述的减速箱(152)的输出轴连接，曲柄(154)的输出端连接所述的连接杆(155)，连接杆(155)的另一端与所述的第一抓取钩爪模块(21)或第二抓取钩爪模块(22)连接；所述第一抓取钩爪模块(21)套设在第一滑动支撑架(11)上，所述的第二抓取钩爪模块(22)套设在第二滑动支撑架(12)上，且第一抓取钩爪模块(21)与第二抓取钩爪模块(22)之间通过滑动连接件(23)连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，其特征在于：所述的微型尖钩尾部设有铰接孔(2111)。

4.根据权利要求2所述的基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，其特征在于：所述的第一滑动支撑架(11)包括第一滑动杆(112)、第一支架(111)和第二支架(115)，所述的第一滑动杆(112)上设置有第一滑动轴承(113)、第二滑动轴承(114)和第一钩爪支架(2103)；所述的第二滑动支撑架(12)包括第二滑动杆(122)、第三支架(121)和第四支架(125)，所述的第二滑动杆(122)上设置有第三滑动轴承(123)、第四滑动轴承(124)和第二钩爪支架(2203)。

5.根据权利要求1所述的基于抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，其特征在于：在所述的机器人本体机构的本体支撑架(16)的上下两端分别设置第三钩爪支架(1303)和第四钩爪支架(1403)，所述的第三钩爪模块设置在第三钩爪支架(1303)上，所述的第四钩爪模块设置在第四钩爪支架(1403)上。 

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