CN105856188A - 移动式柔性建筑结构检测机器人 - Google Patents

Abstract

一种移动式柔性建筑结构检测机器人，包括两个移动传感节点、一个柔性钢带和一个用于实现待检测建筑结构振动检测的加速度传感器，两个移动传感节点之间用一个柔性钢带固定连接，柔性钢带为当两个移动传感节点相向运动后使得柔性钢带呈下凹状且下凹最低处靠近并贴附在待检测建筑结构表面上的钢带，柔性钢带的底面安装加速度传感器，加速度传感器位于下凹最低处；移动传感节点包括一个车架和两个磁轮，两个磁轮分别安装在车架的两侧，磁轮与用于带动磁轮转动的行走驱动装置连接，车架上设有无线通信单元。本发明提供一种检测方式灵活、且成本低、携带方便、有效消除检测盲区、检测更为全面的移动式柔性建筑结构检测机器人。

Description

移动式柔性建筑结构检测机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种移动式柔性建筑结构检测机器人。

背景技术

随着我国经济建设迅猛发展，各种复杂大型钢结构建筑不断出现。其中，钢结构被广泛应用于大型桥梁、大型空间结构、高层建筑、大型铁路交通枢纽、石油管道、核电站。然而由于超负荷运营、检测维护不力等因素，甚至有些建筑存在结构设计缺陷，施工质量差等问题，导致事故时有发生，严重威胁着人民的生命财产安全。因此，加强建筑结构健康检测，及时进行维修显得尤为重要。

目前结构健康检测中广泛采用有线的数据采集法，但是其布线繁琐，需要花费大量人力成本；基于无线传感网络的建筑结构健康检测技术需要解决系统长时间工作时的供电问题以及信号传输的可靠性问题。以上这两种检测方式由于传感器位置固定，均存在检测盲区和检测不全面的问题。

发明内容

为了克服已有建筑结构健康检测方式的安装繁琐，人工铺设电缆危险、成本高、存在检测盲区、检测不全面的不足，本发明提供一种检测方式灵活、且成本低、携带方便、有效消除检测盲区、检测更为全面的移动式柔性建筑结构检测机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种移动式柔性建筑结构检测机器人，包括两个移动传感节点、一个柔性钢带和一个用于实现待检测建筑结构振动检测的加速度传感器，所述两个移动传感节点之间用一个柔性钢带固定连接，所述柔性钢带为当两个移动传感节点相向运动后使得柔性钢带呈下凹状且下凹最低处靠近并贴附在待检测建筑结构表面上的钢带，所述柔性钢带的底面安装所述加速度传感器，所述加速度传感器位于所述下凹最低处；

所述移动传感节点包括一个车架和两个磁轮，两个磁轮分别安装在车架的两侧，所述磁轮与用于带动磁轮转动的行走驱动装置连接，所述车架上设有无线通信单元。

进一步，所述移动传感器节点还包括支架，所述支架固定在车架上，所述支架与柔性钢带分别位于车架的两端，所述支架的两端分别安装红外传感器。

再进一步，所述移动传感器节点还包括两个霍尔电压传感器，所述霍尔电压传感器位于所述磁轮的正上方，所述磁轮上一圈设有至少两块条状磁片，相邻的条状磁片的极性相反。

优选的，所述柔性钢带的顶面安装永磁铁。

更进一步，所述移动传感器节点包括支撑柱，所述支撑柱固定在车架上，控制模块安装在支撑柱上，所述控制模块包括模数转换单元、单片机主控单元、电机驱动单元和无线通信单元，所述模数转换单元、电机驱动单元和无线通信单元均与所述单片机主控单元连接，所述行走驱动装置与所述电机驱动单元连接，所述红外传感器、霍尔电压传感器均与所述模数转换单元连接。

所述模数转换单元通过高速串行外设接口和单片机主控单元相连接，所述单片机主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制电机与磁轮动作；所述无线通信单元通过通用异步接收器和发送器接口和单片机主控单元相连接，所述单片机主控单元通过无线通信单元与其它移动传感节点或计算机服务器传输无线信号。

所述移动传感器节点还包括两节电池，其中一节电池与行走驱动装置连接，另外一节电池分别与控制模块、红外传感器和霍尔传感器连接。

本发明的技术构思为：利用无线传感网络技术，众多移动传感节点可以形成一个移动无线网络系统，每个移动传感节点都是一个可以自主运动和采集数据的独立机器人。而节点之间可以通过无线通信相互交流与协作，共同完成结构健康检测，因此可以有效节省施工时间，节约人力成本，同时降低人工布线的危险程度。每个移动传感检测机器人成本很低，使得整个移动无线传感检测网络总成本比传统静态检测网络成本低很多。由于大部分的钢结构建筑材料都具有较强的铁磁性能，而建筑结构检测机器人可以在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面攀爬，并完成结构健康检测。

本发明提供了移动式柔性建筑结构检测机器人，该机器人在攀爬铁磁性表面材料的建筑结构时通过磁轮吸附在被测表面上，再通过柔性钢带受力弯曲使得加速度传感器贴附在被测表面实现钢结构振动检测工作，具有良好的环境适应性，检测方式灵活，且成本低、携带方便，能够对建筑结构实现全面检测。

本发明的有益效果主要表现在：

1)成本低：由于每个移动式建筑结构检测机器人单元成本很低，整个移动无线检测传感网络的总体成本相比传统的静态检测网络成本低很多。

2)攀爬性能强：该机器人适合在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面攀爬，并完成结构振动检测。

3)检测灵活：可以依靠柔性钢带的变形来改变前后辆车之间的距离和角度，从而顺利通过一些复杂的工作面，到达指定的检测位置。通过钢带变形，机器人还可以对建筑结构进行振动检测。

4)便携性：该机器人体积小、重量轻，携带方便。

5)移动无线网络：每个移动式建筑结构检测机器人都是无线传感网络系统中的一个节点，节点之间可无线传输数据，整个移动无线网络可以实现自动组网，多跳路由，动态拓扑。

6)移动性：该机器人系统可以自行移动到被测位置，完成测量后，自主前往下一位置进行测量，解决目前桥梁检测中存在检测盲区与检测不全面等问题。

7)节点数量少：利用其移动性，每个机器人可以检测多个位置，从而减少检测机器人的数量。

8)续航能力持久：当电量不足时，该机器人可以自行移动到基站充电,从而解决供电问题。

9)智能环境识别：对周围环境进行智能识别，具有良好的环境适应性。

附图说明

图1是移动式柔性建筑结构检测机器人的整体结构示意图。

图2是移动式柔性建筑结构检测机器人的单个移动传感节点结构示意图。

图3是移动式柔性建筑结构检测机器人的单个移动传感节点侧视图。

图4是移动式柔性建筑结构检测机器人工作在钢结构表面运动的示意图。

图5是移动式柔性建筑结构检测机器人工作在钢结构表面检测的示意图。

图6是移动式柔性建筑结构检测机器人中磁轮结构图。

图7是移动式柔性建筑结构检测机器人中车架结构图。

图8是移动传感节点的无线通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图8，一种移动式柔性建筑结构检测机器人，包括两个移动传感节点1、一个柔性钢带4和一个用于实现待检测建筑结构振动检测的加速度传感器3，所述两个移动传感节点1之间用一个柔性钢带4固定连接，所述柔性钢带4为当两个移动传感节点相向运动后使得柔性钢带4呈下凹状且下凹最低处靠近并贴附在待检测建筑结构表面上的钢带，所述柔性钢带4的底面安装所述加速度传感器3，所述加速度传感器3位于所述下凹最低处；

所述移动传感节点1包括一个车架8和两个磁轮7，两个磁轮7分别安装在车架8的两侧，所述磁轮7与用于带动磁轮转动的行走驱动装置17连接，所述车架7上设有无线通信单元15。

进一步，所述移动传感器节点1还包括支架5，所述支架5固定在车架8上，所述支架5与柔性钢带4分别位于车架5的两端，所述支架5的两端分别安装红外传感器6。

再进一步，所述移动传感器节点1还包括两个霍尔电压传感器11，所述霍尔电压传感器11位于所述磁轮7的正上方，所述磁轮7上一圈设有至少两块条状磁片19，相邻的条状磁片19的极性相反。

优选的，所述柔性钢带4的顶面安装永磁铁2。

参照图1，一种移动式柔性建筑结构检测机器人，包括两个移动传感节点1、一根柔性钢带4、一个加速度传感器3和一块永磁铁2。两个移动传感节点1之间用一个柔性钢带4固定连接，柔性钢带4用螺栓固定在移动传感节点1的车架8上，加速度传感器3通过螺栓固定安装于柔性钢带4中间的底面，永磁铁2安装在柔性钢带4的顶面

由图2和图3可见所述每个移动传感节点1包括一个支架5、两个红外传感器6、两个磁轮7、一个车架8、两块电池9、两个霍尔电压传感器11、一个模数转换单元12、一个单片机主控单元13、一个电机驱动单元14、一个无线通信单元15、两个支撑柱16、两个电机17以及相关电路。

支撑柱16将控制模块10固定在车架8上。控制模块10上固定安装有模数转换单元12、电机驱动单元14、单片机主控单元13和无线通信单元15。两节电池9固定在车架8上面，其中一节为两个行走驱动装置17(优选采用电机)供电，另一节为移动传感节点1的电路和传感器供电。红外传感器6用螺栓固定在移动传感节点1前端的支架5上面，霍尔电压传感器11位于磁轮7的正上方，红外传感器6、霍尔电压传感器11与模数转换单元12连接。磁轮7的轴与各自对应的电机的驱动轴固定连接，单片机主控单元13发出PWM信号，通过电机驱动单元14输出信号控制电机的转动方向和转速，进而控制磁轮7动作。每个磁轮7上有18块条状磁片19，相邻两个磁片19极性相反。所述移动式柔性建筑结构检测机器人进行检测工作时，每个移动传感节点内部的模数转换单元12将各传感器输出的模拟信号变成数字信号，然后通过高速串行外设接口传输到单片机主控单元13。传感器包括加速度传感器3、霍尔电压传感器11和红外传感器6。单片机主控单元13对采集的数据进行分析和存储。单片机通过通用异步接收器和发送器接口与无线通信单元15连接。通过无线通信单元15，每个移动传感节点1可以与其他移动传感节点1和计算机服务器传输信息。

本发明所说的建筑结构检测机器人工作原理如图4和图5所示，移动传感节点在钢结构上运动时利用磁力吸附在铁磁性材料表面，到达检测位置以后，前后两个节点相向运动，对柔性钢带4产生一定的压力，使得柔性钢带4发生较大变形的弯曲，并使加速度传感器3贴附在钢结构表面上，而此时，柔性钢带4另一侧的永磁铁2提供磁吸力将加速度传感器3进一步压紧在钢结构表面进行检测。

移动式柔性建筑结构检测机器人具有智能环境识别的能力。当机器人偏离预定的路线即将离开或靠近结构边缘时，机器人前后支架5上面的四个红外传感器6中的发光二极管发射红外线，并通过结构表面将红外线反射到红外传感器6的探测二极管，从而判断机器人与结构边缘之间的距离和位置关系。当机器人某个磁轮7即将靠近结构边缘时，单片机主控单元13通过模数转换单元12采集红外传感器6发出的信号，并对信号进行运算分析，然后发出PWM信号，通过电机驱动单元14发出控制信号，对各电机17速度进行控制。当机器人一侧移动传感节点1上的电机17速度不同时，机器人就可以实现转弯，使得机器人回到预定的路线上来。

机器人可以通过霍尔电压传感器11检测每个磁轮7的角速度。由图6可见，磁轮7的轮体20表面覆盖有18块条状磁片19，相邻磁片19极性相反，每个磁轮7上方都有一个霍尔电压传感器11，该传感器与控制模块10的模数转换单元12连接，当磁轮7旋转一周，霍尔电压传感器11周围的磁场改变18次，霍尔电压传感器11检测到的霍尔电压改变18次。因此，当机器人运动时，检测一段时间内霍尔电压传感器11输出电压的变化次数即可得出这段时间内电机17的转动圈数，从而得到小车移动的距离和运动速度。

移动式柔性建筑结构检测机器人还具有通过复杂工作面的能力。在对一些大型复杂钢结构进行检测时，检测机器人可能遇到一些复杂的工作面，例如相互垂直的两块钢板连接处、钢结构加强筋等。为了使移动检测机器人能够顺利通过这些结构复杂的工作面，到达更多的检测位置，检测机器人的前后两移动传感节点1之间固定连接一个可以弯曲扭转的柔性钢带4。当机器人通过复杂的工作面时，可以依靠柔性钢带4的弯曲和扭转变形来改变前后车轮之间的距离和角度，从而顺利通过复杂工作面，到达指定的检测位置。

Claims (8)

1.一种移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述检测机器人包括两个移动传感节点、一个柔性钢带和一个用于实现待检测建筑结构振动检测的加速度传感器，所述两个移动传感节点之间用一个柔性钢带固定连接，所述柔性钢带为当两个移动传感节点相向运动后使得柔性钢带呈下凹状且下凹最低处靠近并贴附在待检测建筑结构表面上的钢带，所述柔性钢带的底面安装所述加速度传感器，所述加速度传感器位于所述下凹最低处；

所述移动传感节点包括一个车架和两个磁轮，两个磁轮分别安装在车架的两侧，所述磁轮与用于带动磁轮转动的行走驱动装置连接，所述车架上设有无线通信单元。

2.如权利要求1所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述移动传感器节点还包括支架，所述支架固定在车架上，所述支架与柔性钢带分别位于车架的两端，所述支架的两端分别安装红外传感器。

3.如权利要求1所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述移动传感器节点还包括两个霍尔电压传感器，所述霍尔电压传感器位于所述磁轮的正上方，所述磁轮上一圈设有至少两块条状磁片，相邻的条状磁片的极性相反。

4.如权利要求2所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述移动传感器节点还包括两个霍尔电压传感器，所述霍尔电压传感器位于所述磁轮的正上方，所述磁轮上一圈设有至少两块条状磁片，相邻的条状磁片的极性相反。

5.如权利要求1～3之一所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述柔性钢带的顶面安装永磁铁。

6.如权利要求4所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述移动传感器节点包括支撑柱，所述支撑柱固定在车架上，控制模块安装在支撑柱上，所述控制模块包括模数转换单元、单片机主控单元、电机驱动单元和无线通信单元，所述模数转换单元、电机驱动单元和无线通信单元均与所述单片机主控单元连接，所述行走驱动装置与所述电机驱动单元连接，所述红外传感器、霍尔电压传感器均与所述模数转换单元连接。

7.如权利要求6所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述模数转换单元通过高速串行外设接口和单片机主控单元相连接，所述单片机主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制电机与磁轮动作；所述无线通信单元通过通用异步接收器和发送器接口和单片机主控单元相连接，所述单片机主控单元通过无线通信单元与其它移动传感节点或计算机服务器传输无线信号。

8.如权利要求6所述的移动式柔性建筑结构检测机器人，其特征在于：所述移动传感器节点还包括两节电池，其中一节电池与行走驱动装置连接，另外一节电池分别与控制模块、红外传感器和霍尔传感器连接。