CN107059611B - 多旋翼拉索检测机器人及其用于拉索检测的方法 - Google Patents

Abstract

一种多旋翼拉索检测机器人，包括机身框架、电池组、检测机器人动力系统、控制单元、防落装置、防撞装置、检测机构和无线数据传输单元；检测机器人动力系统是四组多旋翼动力系统组件；防落装置包括四个防落装置组件，每组防落装置组件包括导向滚轮和与其连接的摆臂支撑杆，导向滚轮包括滚轮本体及与其两端弧形连接的翼缘，其中一个导向滚轮侧面连接有编码器；机身框架包括由四块联接臂联接组成的正方形支架结构和四个机身连杆；防撞装置包括上防撞装置、侧防撞装置；检测机构包括分别安装在四个机身连杆上端中部的四个微型摄像机及四个漏磁传感器；该多旋翼拉索检测机器人采用多旋翼动力系统搭载检测传感设备，续航能力好，检测效率高，安全性能好。

Description

多旋翼拉索检测机器人及其用于拉索检测的方法

技术领域

本发明涉及一种拉索检测装置及其检测方法，特别是一种多旋翼拉索检测机器人及其用于拉索断丝锈蚀及其PE外观检测的拉索检测装置及其检测方法。

背景技术

拉索是拱桥、斜拉桥、悬索桥等索类桥梁的核心构件之一，作为受力构件，其受力状况对桥梁整体结构的安全起到极其重要的作用；拉索的工作状态是桥梁是否处于安全状态的重要标志之一。由于拉索长期暴露在空气中，经风吹雨淋、紫外线照射、人为损伤等因素影响，会出现表面的PE保护层硬化和破坏现象，继而引起内部钢丝束或钢绞线受到腐蚀，严重者甚至出现断丝现象；另一方面，由于风振、雨振等原因，拉索内部的钢丝束产生摩擦，引起钢丝磨损，严重者也会发生断丝现象；定期的对拉索体系内外进行检测是很必要的。

早期的拉索检测主要是目测法，但是利用设备将检测人员送到高空，效率低、成本高、存在高空坠落的危险，而采用高分辨率望远镜的方法由于检测效率低、精度较差，只能作为辅助手段；近年来，检测专家们研究出的拉索检测机器人，利用爬索类机器人携带摄像头对拉索损伤进行监测，同时完成涂装、断丝检测等任务，但其都是采用机构夹持缆索或磁力吸附缆索提供压应力，电机带动轮子爬行的方式，检测效率低，续航能力差，甚至会出现高空抱索卡死的危险状况。

为解决上述问题，本发明申请人曾于2016年申请一种重量轻、航能力好，能用于桥梁拉索PE外观、内部断丝锈蚀检测、拉索索力的检测的《带检测系统的轻型碳纤维爬索机器人及其用于拉索检测的方法》发明专利，（专利公告号为CN106284070A），虽然具有重量轻，续航能力好，能防止轮体偏离索体造成锁死现象等优点，但仍存在以下不足之处：由于采用爬行式，其检测效率还不够高，其次，采用滚轮夹紧拉索爬行的方式，若夹紧力过大还有可能会对拉索PE本身产生划痕或挤压等损害。

发明内容

本发明的目的在于提供多旋翼拉索检测机器人及其用于拉索检测的方法，该多旋翼拉索检测机器人采用多旋翼动力系统搭载检测传感设备，续航能力好，检测效率高，安全性能高。

解决上述问题的技术方案是：一种多旋翼拉索检测机器人，包括机身框架、电池组、检测机器人动力系统、控制单元、防落装置、检测机构和无线数据传输单元，所述检测机器人动力系统是多旋翼动力系统组件，该多旋翼动力系统组件有四组，每组多旋翼动力系统组件均包括一个电机及其连接的动力旋翼与电调系统，所述四组多旋翼动力系统组件的四个电机安装固定在四个机身连杆下端中部，所述四个动力旋翼安装在四个电机机座上，控制单元通过控制电调系统控制电机转动带动动力旋翼旋转，为机器人飞行提供动力；

所述的防落装置包括四个防落装置组件，每组防落装置组件包括导向滚轮和与其连接的摆臂支撑杆，所述导向滚轮包括滚轮本体及与其两端连接的翼缘，滚轮本体与其两端连接的翼缘之间为弧形过渡连接的弧面，所述的其中一个导向滚轮侧面连接有编码器，所述编码器作为控制系统的反馈，用于定位机器人飞行位置信息；

使用过程中，在控制单元控制下，当多旋翼动力提供的升力大于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索上升；当多旋翼动力提供的升力小于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索下降；当多旋翼动力提供的升力等于机器人自身重力时，机器人悬停。

所述多旋翼拉索检测机器人的进一步技术方案是：所述的控制单元包括上位机和下位机，所述上位机为安装有主控机的地面站以及手持遥控器，下位机是安装在机身框架上的执行控制模块，上位机和下位机通过无线数据传输单元进行数据连接。

所述多旋翼拉索检测机器人的进一步技术方案是：所述机身框架包括正方形支架结构和四个机身连杆，所述正方形支架结构由四块联接臂联接组成，机身框架直径可根据待检结构直径调节，所述四个机身连杆分别固定连接在四块联接臂中端外侧。

所述多旋翼拉索检测机器人的更进一步技术方案是：它还包括一个防撞装置，该防撞装置包括上防撞装置、侧防撞装置、起落架，所述上防撞装置包括梯形防撞架和防撞探测单元，所述侧防撞装置包括螺旋桨防护和防撞探测单元。

所述的检测机构包括四台微型摄像机和四个漏磁传感器，四台微型摄像机分别安装在四个机身连杆的上端中部；四个漏磁传感器对称安装于四块联接臂上，多旋翼拉索检测机器人在飞行过程中四个方向360°获取待检结构件的完整图像信息以及传感信息，并通过无线数据传输单元传输到控制单元。

所述多旋翼拉索检测机器人的又更进一步技术方案是：所述机身框架的正方形支架结构的联接臂是采用碳纤维或铝合金或高强度重金属材料制成的。

相关的另一技术方案是：一种拉索检测的方法，它是将本发明上述的多旋翼拉索检测机器人用于检测拉索的方法，它采用多旋翼动力系统，实现快速检测和定点监测，其步骤包括：

A、安装多旋翼拉索检测机器人：将上述的多旋翼拉索检测机器人安装在拉索底部，在地面站上开启检测软件系统，识别并设置无线网络，设置机器人飞行速度，手持遥控器手动启动飞行；

B、快速巡检：机器人快速巡检，获取待检参数；

C、返程：机器人行至拱肋或塔端，防撞装置自动识别障碍并引发控制单元控制动力旋翼旋转速度，匀速返程，返程过程中再次获取待检参数；

D：定点检测：根据上升和下降两次检测信息比较，将机器人飞行至定点检测位置，控制机器人悬停，检测并读取待检参数，返程；

检测过程中，在控制单元控制下，当多旋翼动力提供的升力大于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索上升；当多旋翼动力提供的升力小于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索下降；当多旋翼动力提供的升力等于机器人自身重力时，机器人悬停。

所述的一种拉索检测的方法的进一步技术方案是，它是采用多旋翼拉索检测机器人用于检测拉索锈蚀断丝的方法，采用多旋翼动力系统进行定点检测，在A、安装多旋翼拉索检测机器人步骤，所述的检测机构只安装漏磁传感器。

由于采用上述技术方案，本发明之多旋翼拉索检测机器人及其用于拉索检测的方法具有以下特点和有益效果：

1、检测效率高：

该多旋翼拉索检测机器人的动力系统是多旋翼动力系统组件，该多旋翼动力系统组件有四组，每组多旋翼动力系统组件均包括一个电机及其连接的动力旋翼与电调系统，所述四组多旋翼动力系统组件的四个电机安装固定在四个机身连杆下端中部，所述四个动力旋翼安装在四个电机机座上，控制单元通过控制电调系统控制电机转动带动动力旋翼旋转，为机器人飞行提供动力；

所述的检测机构包括四台微型摄像机和四个漏磁传感器，四台微型摄像机分别安装在四个机身连杆的上端中部，四个漏磁传感器对称安装于四块联接臂上；多旋翼拉索检测机器人在飞行过程中在四个方向360°获取待检结构件的完整图像信息以及传感信息，并通过无线数据传输单元传输到控制单元；相比于传统的爬索机器人，大大提高拉索检测效率。

2、检测安全性好、可靠性高：

本发明多旋翼拉索检测机器人还包括有防落装置和防撞装置，所述的防落装置包括四个防落装置组件，每组防落装置组件包括导向滚轮和与其连接的摆臂支撑杆，所述导向滚轮包括滚轮本体及与其两端连接的翼缘，滚轮本体与其两端连接的翼缘之间为弧形过渡连接的弧面，所述的其中一个导向滚轮侧面连接有编码器，所述编码器作为控制系统的反馈，用于定位机器人飞行位置信息；其导向滚轮起了导向与防落作用，大大提高了多旋翼拉索检测机器人在拉索检测过程中的安全性和可靠性；

其次，本发明之防撞装置包括上防撞装置、侧防撞装置、起落架，所述上防撞装置包括梯形防撞架和防撞探测单元，所述侧防撞装置包括螺旋桨防护和防撞探测单元；在各个方位上起到了保护作用，进一步提高了多旋翼拉索检测机器人在拉索检测过程中飞行的安全性和可靠性。

3、机身采用碳纤维增强材料，更轻便；机身框架采用联接方式，方便拆卸。

下面，结合附图和实施例对本发明之多旋翼拉索检测机器人及其用于拉索检测的方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例一之多旋翼拉索检测机器人整体结构框图；

图2是本发明实施例一之多旋翼拉索检测机器人结构示意图（立体图）；

图3 是多旋翼拉索检测机器人防落装置的导向滚轮结构示意图；

图4是本发明实施例一之多旋翼拉索检测机器人用于实现实施例二所述拉索检测的使用状态示意图；

图5是本发明实施例一之多旋翼拉索检测机器人用于实现实施例三所述检测拉索锈蚀断丝的方法使用状态示意图。

图中：

1-机身框架、11-联接臂，12-机身连杆；

2-电池组；3-多旋翼动力系统，31-旋翼、32-电机、33-电调系统；

4-控制单元，41-地面站、42-手持遥控器、43-执行控制模块；

5-防落装置，51-导向滚轮、511-滚轮本体、512-翼缘、513-（连接滚轮本体与两端翼缘的）弧面、514-编码器，52-摆臂支撑杆；

6-防撞装置，61-上防撞装置、62-侧防撞装置、63-起落架；

7-检测机构，71-微型摄像机、72-漏磁传感器；

8-无线数据传输单元，9-拉索。

具体实施方式

实施例一：一种多旋翼拉索检测机器人

如图1所示，一种多旋翼动力的拉索检测机器人，包括机身框架1、电池组2、检测机器人动力系统、控制单元4、防落装置5、防撞装置6、检测机构7和无线数据传输单元8；

如图2所示，所述机身框架1包括正方形支架结构和四个机身连杆12，所述正方形支架结构由四块特定材料的联接臂11联接组成，所述特定材料为碳纤维，所述四个机身连杆12分别固定连接在四块联接臂11中端外侧，电池组2安装在第二机身连杆上端接近机身框架处，通过导线连接着控制单元4、多旋翼动力系统3、防落装置5；

所述检测机器人动力系统是多旋翼动力系统3组件，该多旋翼动力系统3组件有四组，每组多旋翼动力系统组件均包括一个电机32及其连接的动力旋翼31与电调系统33，控制单元4通过控制电调系统33控制电机32转动带动动力旋翼31旋转，为机器人上升下降提供动力；

所述控制单元4包括上位机和下位机，所述上位机包括地面站41以及手持遥控器42，下位机是安装在机身框架上的执行控制模块43，上位机和下位机通过无线数据传输单元进行数据连接；

所述防落装置5包括四组防落装置组件，每组防落装置组件包括导向滚轮51和与其连接的摆臂支撑杆52，所述导向滚轮包括滚轮本体511及与其两端连接的翼缘512，滚轮本体与其两端连接的翼缘之间为弧形过渡连接的弧面513，（参见图3），所述的其中一个导向滚轮侧面连接有编码器514，所述编码器作为控制系统的反馈，可以定位机器人飞行位置信息，所述摆臂支撑杆52由控制单元控制，当机器人上升或正常下降时保证导向滚轮与索体之间的摩擦力只是导向力；当机器人由于故障、电力不足等原因造成动力旋翼不转动时，始终保持每个导向滚轮51夹紧索体形成沿着索体下滑所需的摩擦力。

所述防撞装置6包括上防撞装置61、侧防撞装置62、起落架63，所述上防撞装置61包括梯形防撞架和防撞探测单元，所述侧防撞装置62包括螺旋桨防护和防撞探测单元。

所述的检测机构7包括四台微型摄像机71和四个漏磁传感器72，四台微型摄像机71分别安装在四个机身连杆的上端中部；四个漏磁传感器72对称安装于四块联接臂上，多旋翼拉索检测机器人在飞行过程中四个方向360°获取待检结构件的完整图像信息以及传感信息，方便检测人员实时观察对飞行指令作出预判；并通过无线数据传输单元8传输到控制单元。

作为本发明实施例的一种变换，所述机身框架的正方形支架结构的联接臂11还可以采用铝合金或其他高强度重金属材料制作而成。

实施例二

一种拉索检测的方法，它是将实施例一所述的多旋翼拉索检测机器人用于检测拉索的方法，采用多旋翼动力系统，实现快速检测和定点检测，其步骤包括：

A、安装机器人：将本发明的机器人安装在拉索底部，在地面站上开启检测软件系统，识别并设置无线网络，控制滚轮与待检结构件接触，设置机器人飞行速度，手持遥控器手动启动飞行（参见图4）；

B、快速巡检：机器人快速巡检，获取待检参数；

C、返程：机器人行至拱肋或塔端，防撞装置自动识别障碍并引发控制单元控制动力旋翼旋转速度，匀速返程，返程过程中再次获取待检参数；

D：定点检测：根据上升和下降两次检测信息比较，将机器人飞行至定点检测位置，控制机器人悬停，检测并读取待检参数，返程。

实施例三

一种拉索检测的方法，它是将实施例一所述的多旋翼拉索检测机器人用于检测拉索锈蚀断丝的方法，采用多旋翼动力系统进行定点检测，其步骤包括：

A、安装机器人：将本发明的机器人安装在拉索底部，四个漏磁传感器72对称安装于四块联接臂上，去掉微型摄像机，减轻机器本身重量，以提高飞行速度和检测效率，在地面站上开启检测软件系统，识别并设置无线网络，控制滚轮与待检结构件接触，设置机器人飞行速度，手持遥控器手动启动飞行（参见图5）；

B、快速巡检：机器人快速巡检，获取待检参数；

C、返程：机器人行至拱肋或塔端，防撞装置自动识别障碍并引发控制单元控制动力旋翼旋转速度，匀速返程，返程过程中再次获取待检参数；

D：定点检测：根据上升和下降两次检测信息，专业检测工程师判断需要重点检测和复查的位置。再次控制机器人运动至重点检测和需要复查的位置，进行定点检测位置，读取漏磁传感器的传感信息，返程。

本发明各实施例中，所述控制单元4、无线数据传输单元8的具体结构以及工作过程、工作原理都是本领域技术人员利用现有技术能够实现的，此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种多旋翼拉索检测机器人，包括机身框架（1）、电池组（2）、检测机器人动力系统、控制单元（4）、防落装置（5）、检测机构（7）和无线数据传输单元（8），其特征在于：

所述机身框架（1）包括正方形支架结构和四个机身连杆，所述正方形支架结构由四块联接臂（11）联接组成，机身框架直径可根据待检结构直径调节，所述四个机身连杆（12）分别固定连接在四块联接臂中端外侧；所述机身框架的正方形支架结构的联接臂（11）是采用碳纤维或铝合金或高强度重金属材料制成的；

所述检测机器人动力系统是多旋翼动力系统（3）组件，该多旋翼动力系统（3）组件有四组，每组多旋翼动力系统（3）组件均包括一个电机（32）及其连接的动力旋翼（31）与电调系统（33），所述四组多旋翼动力系统（3）组件的四个电机（32）安装固定在四个机身连杆（12）下端中部，所述四个动力旋翼（31）安装在四个电机机座上，控制单元通过控制电调系统控制电机转动带动动力旋翼旋转，为机器人飞行提供动力；

所述的防落装置（5）包括四个防落装置组件，每组防落装置组件包括导向滚轮（51）和与其连接的摆臂支撑杆（52），所述导向滚轮包括滚轮本体（511）及与其两端连接的翼缘（512），滚轮本体与其两端连接的翼缘之间为弧形过渡连接的弧面（513），所述的其中一个导向滚轮侧面连接有编码器（514），所述编码器作为控制系统的反馈，用于定位机器人飞行位置信息；

所述多旋翼拉索检测机器人还包括一个防撞装置（6），该防撞装置（6）包括上防撞装置（61）、侧防撞装置（62）、起落架（63），所述上防撞装置（61）包括梯形防撞架和防撞探测单元，所述侧防撞装置（62）包括螺旋桨防护和防撞探测单元；

所述的检测机构（7）包括四台微型摄像机（71）和四个漏磁传感器（72），四台微型摄像机分别安装在四个机身连杆的上端中部，四个漏磁传感器（72）对称安装于四块联接臂上，多旋翼拉索检测机器人在飞行过程中四个方向360°获取待检结构件的完整图像信息以及传感信息，并通过无线数据传输单元传输到控制单元；

使用过程中，在控制单元控制下，当多旋翼动力提供的升力大于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索上升；当多旋翼动力提供的升力小于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索下降；当多旋翼动力提供的升力等于机器人自身重力时，机器人悬停。

2.根据权利要求1所述的多旋翼拉索检测机器人，其特征在于：所述的控制单元包括上位机和下位机，所述上位机为安装有主控机的地面站（41）以及手持遥控器（42），下位机是安装在机身框架上的执行控制模块（43），上位机和下位机通过无线数据传输单元进行数据连接。

3.一种拉索检测的方法，其特征在于：它是将权利要求1所述的多旋翼拉索检测机器人用于检测拉索的方法，它采用多旋翼动力系统，实现快速检测和定点监测，其步骤包括：

A、安装多旋翼拉索检测机器人：将权利要求1所述的多旋翼拉索检测机器人安装在拉索底部，在地面站上开启检测软件系统，识别并设置无线网络，设置机器人飞行速度，手持遥控器手动启动飞行；

B、快速巡检：机器人快速巡检，获取待检参数；

C、返程：机器人行至拱肋或塔端，防撞装置自动识别障碍并引发控制单元控制动力旋翼旋转速度，匀速返程，返程过程中再次获取待检参数；

D：定点检测：根据上升和下降两次检测信息比较，将机器人飞行至定点检测位置，控制机器人悬停，检测并读取待检参数，返程；

检测过程中，在控制单元控制下，当多旋翼动力提供的升力大于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索上升；当多旋翼动力提供的升力小于机器人自身重力时，机器人始终沿着拉索下降；当多旋翼动力提供的升力等于机器人自身重力时，机器人悬停。

4.根据权利要求3所述的一种拉索检测的方法，其特征在于：它是采用多旋翼拉索检测机器人用于检测拉索锈蚀断丝的方法，采用多旋翼动力系统进行定点检测，在A、安装多旋翼拉索检测机器人步骤，所述的检测机构（7）只安装漏磁传感器（72）。

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