CN103253314A - 一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人，包括摄像单元、前机械足、后机械足和无线通信单元，其中前机械足和后机械足通过关节联接机构相互联接，它们各自具备负压吸附组件和驱动行走组件，由此可吸附在不同工况的桥梁表面上并执行攀爬行走；摄像单元设置在前机械足上用于拍摄待检测区域，并将拍摄结果发送至无线通信单元；无线通信单元设置在后机械足上，用于接收摄像单元的拍摄结果并将其传输至控制终端，同时接收来自控制终端的操控指令。通过本发明，能够以便于操控、快速准确的方式执行桥梁裂缝检测，同时可有效排除人的主观干扰因素，降低检测成本，并尤其适用于各类复杂的桥梁底面检测场合。

Description

一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人

技术领域

本发明属于桥梁检测技术领域，更具体地，涉及一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人。

背景技术

混凝土桥梁表面裂缝是其内部损伤积累过程中的突变，是内部损伤达到的危险程度的集中表现，故其信息含量很大，对于预示和征兆桥梁险情，具有关键性意义。大多数桥梁的结构裂缝主要产生在桥梁底部，检测起来很困难，同时桥梁结构形式日趋大型化和新颖化，使裂缝的检测问题更加难于解决。因此，若能在混凝土桥梁裂缝出现的早期，就能够及时检测到，并跟踪它的发展情况，据此及时加以维护修补，可大大降低维护成本，同时能有效地保障公共交通的安全运行。

对于混凝土桥梁底面裂缝的检测，目前国内外主要检测方法是人工检测。人工检测主要是通过望远镜远距离观察桥底裂缝，或是通过桥梁检测车或脚手架搭建桥底平台，检测人员在检测平台上行走，近距离用肉眼或手持式裂缝侧宽仪观察桥梁底面裂缝，记录长度及宽度等参数。市面上现有的手持式裂缝测宽仪由液晶屏主机、显微放大探头构成，测量时首先需要人眼锁定裂缝目标后，才能利用仪器将探头紧靠被测裂缝，由此在液晶显示屏上看到被放大的裂缝图像，微调探头使裂缝与电子刻度标尺基本垂直，根据裂缝所占刻度线的多少判读出裂缝宽度。

研究表明，现有的桥梁裂缝检测方式主要存在以下的缺陷或不足：（1）由于检测过程需要借助检测平台，如脚手架或是桥梁检测车，许多桥梁长达数百米，甚至上千米，要完成检测工作，需要耗费大量的人力、物力；（2）在检测过程中往往存在人的主观干扰因素，不同的检测人员判断的结果不相同，而且长时间的肉眼观察易造成视觉疲劳，影响人的观察力和判断力，进而影响工作效率；（3）存在安全隐患：人工检测需要工作人员站在移动平台上悬空检测，对于复杂的工况环境存在巨大的安全隐患。因此，在相关领域中亟需寻找更为完善的桥梁裂缝检测方式及设备，以便实现对桥梁裂缝或其他类似场合更为便利、精确高效的检测过程。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人，其中通过采用对其构造及其关键组件的设计，能够以便于操控、快速准确的方式执行桥梁裂缝检测，同时可有效排除人的主观干扰因素，降低检测成本，并尤其适用于各类复杂的桥梁底面检测场合。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，该机器人包括摄像单元、前机械足、后机械足和无线通信单元，其中：

所述前机械足和后机械足通过关节联接机构相互联接，它们各自具备负压吸附组件和驱动行走组件，由此可吸附在不同工况的桥梁表面上并执行攀爬行走；

所述摄像单元设置在前机械足上，用于拍摄待检测区域，并将拍摄结果发送至所述无线通信单元；

所述无线通信单元设置在后机械足上，用于接收摄像单元的拍摄结果并将其传输至控制终端，同时接收来自控制终端的操控指令。

作为进一步优选地，所述负压吸附组件从上到下依次包括风机电动机、主体支撑板、离心风扇、导流罩、吸盘和橡胶密封裙，其中风机电动机设置在主体支撑板上侧，且其主轴向下贯穿主体支撑体；离心风扇固联在风机电动机主轴上，并通过导流罩与吸盘相连；橡胶密封裙设置在吸盘下侧并对其负压腔执行密封。

作为进一步优选地，所述橡胶密封裙的下部边沿还带有毛刷，以便在负压吸附组件内部实现气流循环，同时避免在负压吸附过程中吸入固体颗粒。

作为进一步优选地，所述驱动行走组件包括轮驱动电机、全向轮和电机支座，其中电机支座对称设置在主体支撑板的两侧，各个电机支座上分别安装有轮驱动电机，全向轮对应于各个轮驱动电机的驱动轴安装在负压吸附组件的两侧，由此在轮驱动电机的驱动下带动机器人来回运动。

作为进一步优选地，所述摄像单元包括第一臂、第二臂和CCD摄像头，其中第一臂和第二臂各自的一端相连以组成转动副，第二臂的另外一端通过旋转平台设置在前机械足上；所述CCD摄像头可自由转动地安装在第一臂的另外一端。

作为进一步优选地，所述第一臂和第二臂的连接处设置有臂驱动电机，由此实现两个臂在竖直面内的旋转；所述CCD摄像头与第一臂的连接处同样设置有电机，用于调整CCD摄像头的俯仰角。

作为进一步优选地，所述CCD摄像头用于拍摄待检测区域的图像或视频。

作为进一步优选地，所述关节联接机构包括前侧关节、关节驱动电机、后侧关节和两个从动轮，其中前侧关节的一端与前机械足固联，另外一端与关节驱动电机的输出轴相连；后侧关节的一端与后机械足固联，另外一端与关节驱动电机的输出轴相连；两个从动轮通过从动轮轴支座分别安装在关节驱动电机的两侧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过以负压吸附攀爬机器人为工作平台，搭载光学摄像系统对不同位置出裂缝进行检测，无须借助外界移动平台如桥梁检测车等，由此可显著降低检测成本；

2、按照本发明的机器人可代替人工检测，既保证工作人员的安全，排除人的主观干扰因素，又可快速而准确地进行检测，提高检测效率；

3、该负压吸附攀爬式机器人还具有人机交互系统，实现操作人员与机器人的交互控制，同时可扩展具有数据收集与分析、视频显示、裂缝识别、数据存储、交互设置等功能，集成化、自动化程度和可靠性高。

附图说明

图1是按照本发明的负压吸附攀爬式机器人的整体结构示意图；

图2是图1中所示机器人前、后机械足的结构示意图；

图3a是负压吸附攀爬式机器人的负压吸附组件的结构示意图；

图3b是图3a中所示负压吸附组件的分解示意图；

图4是负压吸附攀爬式机器人的驱动行走组件的结构示意图；

图5是负压吸附攀爬式机器人的关节联接机构的结构示意图；

图6是负压吸附攀爬式机器人的摄像单元的结构示意图；

图7是按照本发明的负压吸附攀爬式机器人的行走路线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-摄像单元  2-前机械足  3-关节联接机构  4-后机械足  5-无线通信单元  6-负压吸附组件  7-驱动行走组件  8-前侧关节  9-关节驱动电机  10-后侧关节  11-从动轮  12-从动轮轴支座  13-CCD摄像头  14-第一臂  15-臂驱动电机  16-第二臂  17-旋转平台  18-风机电动机19-主体支撑板  20-离心风扇  21-导流罩  22-吸盘  23-橡胶密封裙24-毛刷  25-轮驱动电机  26-全向轮  27-支座

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的负压吸附攀爬式机器人的整体结构示意图。如图1中所示，该负压吸附攀爬式机器人主要包括摄像单元1、前机械足2、后机械足4和无线通信单元5，其中前机械足4和后机械足4通过关节联接机构3相互联接，它们各自具备负压吸附组件6和驱动行走组件7，由此在桥梁裂缝检测过程中可吸附在不同工况的桥梁表面上，并执行攀爬行走功能。摄像单元1譬如设置在前机械足2上，随着机器人的运动用于拍摄待检测区域，并将拍摄结果发送至无线通信单元5；无线通信单元5譬如设置在后机械足4上（摄像单元和无线通信单元的设置位置也可以互换），用于接收摄像单元的拍摄结果并将其传输至控制终端，同时接收来自控制终端的操控指令。

如图2和图3中所示，按照本发明的一个优选实施方式，前后机械足的负压吸附组件6从上到下依次包括风机电动机18、主体支撑板19、离心风扇20、导流罩21、吸盘22和橡胶密封裙23，其中风机电动机18譬如通过螺钉安装在主体支撑板19上侧，它的主轴经由主体支撑板19上的安装孔向下贯穿；离心风扇20固联在风机电动机的主轴上，并通过导流罩21与具备密封负压腔的吸盘22相连；为了保证吸盘内部的气密性和吸附性能，在吸盘22下侧还设置有橡胶密封裙23，该橡胶密封裙23带有一个尺寸与吸盘负压腔相同的孔，吸盘22通过该孔向下穿过，且其下部的边缘与橡胶密封裙23内部紧密粘合，由此可方便地实现吸盘负压腔的密封。橡胶密封裙23的下部边沿优选还带有毛刷24，这样有助于在负压吸附组件内部实现气流循环，同时还能有效避免在负压吸附过程中壁面细小坚硬颗粒被吸入吸盘负压腔内，对离心风扇造成损坏。

如图4中所示，按照本发明的另一优选实施方式，前后机械足的驱动行走组件7包括轮驱动电机25、全向轮26和电机支座27，其中电机支座27对称设置在负压吸附组件6的主体支撑板19的两侧，各个电机支座27上分别安装有轮驱动电机25，全向轮26对应于各个轮驱动电机的驱动轴安装在负压吸附组件6的两侧，由此在轮驱动电机的驱动下带动机器人来回运动。

图6是负压吸附攀爬式机器人的摄像单元的结构示意图。如图6中所示，按照本发明优选实施方式的摄像单元1包括第一臂14、第二臂16和CCD摄像头13，其中第一臂14和第二臂16各自的一端可枢轴转动地相连以组成转动副，并可在两臂连接处装有臂驱动电机15，由此实现竖直面内的旋转，调节CCD摄像头的高度。第二臂16的另外一端通过旋转平台17设置在前机械足2上，由此可实现水平面和竖直面内的旋转；CCD摄像头13可自由转动地安装在第一臂14的另外一端，譬如在其连接处安装电机，由此便于调整CCD摄像头的俯仰角。通过以上设置，摄像单元1可实现多自由度的运动及包括图像和视频在内的信息采集，并可通过配合光电传感器、超声波传感器、加速度传感器等，自主判断机器人当前运行状况，调整光学摄像系统。

考虑到机器人在检测桥梁裂缝过程中往往需要越过一些障碍、跨越沟槽以及实现不同壁面之间的过渡等，按照本发明的一个优选实施方式，对用于联接前后机械足的关节联接机构3相应也进行了改进。如图5中所示，所述关节联接机构（3包括前侧关节8、关节驱动电机9、后侧关节10和两个从动轮11，其中前侧关节8的一端与前机械足2固联，另外一端与关节驱动电机9的输出轴相连；后侧关节10的一端与后机械足4固联，另外一端同样与关节驱动电机9的输出轴相连；两个从动轮11通过从动轮轴支座12分别安装在关节驱动电机9的两侧，并随着机器人的移动而相应驱动。

下面以机器人在不同壁面之间转换为例予以进一步说明。此时，后机械足4可以吸附在壁面上而前机械足2不吸附，关节联接机构3的关节驱动电机9转动并使得前机械足2与后机械足4之间呈90度的夹角；接着机器人继续向前运动，使前机械足2贴在壁面上。之后，前机械足2的风机电动机18带动离心风扇20高速旋转产生负压，使自己吸附在壁面上，后机械足4停止工作不吸附，机器人向前运动至一定位置，关节联接机构上的关节驱动电机使机器人回复初始状态，此时前后机械足均吸附，即完成不同壁面之间的转换。越障、跨越沟槽时，原理与不同壁面之间的转换相同，只是关节连接机构上旋转角度不同，在此不再详细叙述。

在使用按照本发明的负压吸附攀爬式机器人执行桥梁裂缝检测时，工作人员可通过无线传输模块控制吸附机器人在桥梁底面来回运动，行走路线如图8所示，同时根据不同状况实现越障、不同壁面之间的转换、跨越沟槽等，适应不同工况的桥面。机器人移动平台搭载CCD摄像头连续采集桥梁底面图片，配合光电传感器、超声波传感器、加速度传感器等，自主判断机器人当前运行状况，调整光学摄像系统。CCD摄像头采集的图像通过无线模块传输到终端，借助上位机混凝土桥梁裂缝检测软件对其进行处理，得到缺陷数量及几何特征（长度、宽度、面积等）等参数，为检测人员提供可靠的依据。由此实现桥梁裂缝检测功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于检测桥梁裂缝的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，该机器人包括摄像单元（1）、前机械足（2）、后机械足（4）和无线通信单元（5），其中：

所述前机械足（2）和后机械足（4）通过关节联接机构（3）相互联接，它们各自具备负压吸附组件（6）和驱动行走组件（7），由此可吸附在不同工况的桥梁表面上并执行攀爬行走；

所述摄像单元（1）设置在前机械足（2）上，用于拍摄待检测区域，并将拍摄结果发送至所述无线通信单元；

所述无线通信单元（5）设置在后机械足（4）上，用于接收摄像单元的拍摄结果并将其传输至控制终端，同时接收来自控制终端的操控指令。

2.如权利要求1所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述负压吸附组件（6）从上到下依次包括风机电动机（18）、主体支撑板（19）、离心风扇（20）、导流罩（21）、吸盘（22）和橡胶密封裙（23），其中风机电动机（18）设置在主体支撑板（19）上侧，且其主轴向下贯穿主体支撑体；离心风扇（20）固联在风机电动机主轴上，并通过导流罩（21）与吸盘（22）相连；橡胶密封裙（23）设置在吸盘（22）下侧并对其负压腔执行密封。

3.如权利要求2所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述橡胶密封裙（23）的下部边沿还优选带有毛刷（24），以便在负压吸附组件内部实现气流循环，同时避免在负压吸附过程中吸入固体颗粒。

4.如权利要求1-3任意一项所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述驱动行走组件（7）包括轮驱动电机（25）、全向轮（26）和电机支座（27），其中电机支座（27）对称设置在主体支撑板（19）的两侧，各个电机支座（27）上分别安装有轮驱动电机（25），全向轮（26）对应于各个轮驱动电机的驱动轴安装在负压吸附组件（6）的两侧，由此在轮驱动电机的驱动下带动机器人运动。

5.如权利要求4所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述摄像单元（1）包括第一臂（14）、第二臂（16）和CCD摄像头（13），其中第一臂（14）和第二臂（16）各自的一端相连以组成转动副，第二臂（16）的另外一端通过旋转平台（17）设置在前机械足（2）上；所述CCD摄像头可自由转动地安装在第一臂（14）的另外一端。

6.如权利要求5所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述第一臂（14）和第二臂（16）的连接处设置有臂驱动电机（15），由此实现两个臂在竖直面内的旋转。所述CCD摄像头与第一臂（14）的连接处同样设置有电机，用于调整CCD摄像头的俯仰角。

7.如权利要求6所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述CCD摄像头用于拍摄待检测区域的图像或视频。

8.如权利要求7所述的负压吸附攀爬式机器人，其特征在于，所述关节联接机构（3）优选包括前侧关节（8）、关节驱动电机（9）、后侧关节（10）和两个从动轮（11），其中前侧关节（8）的一端与前机械足（2）固联，另外一端与关节驱动电机（9）的输出轴相连；后侧关节（10）的一端与后机械足（4）固联，另外一端与关节驱动电机（9）的输出轴相连；两个从动轮（11）通过从动轮轴支座（12）分别安装在关节驱动电机（9）的两侧。

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