CN108252211A - 攀爬式检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明适用于检测设备领域，提供了一种攀爬式检测机器人，包括伸缩移动机构、上抱紧机构、下抱紧机构以及检测装置。上、下抱紧机构均包括支撑环以及抱紧单元，每一抱紧单元包括驱动装置、传动组件、摆动臂以及足掌。驱动装置能驱动摆动臂往复摆动，从而使摆动臂自由端的足掌摆动。本发明的机器人负载能力强，可携带检测设备对桥梁拉索表面和内部进行观测检查。该机器人是桥梁拉索病害检查的便捷工具，可大幅降低管养成本及人员作业风险，解决人工作业带来的工作量大、效率低、有安全隐患的问题。有利于拉索工作状态的长期监测、病害预防及处置，并且，机器人在运动过程中不会对拉索造成损害，对于桥梁运营安全至关重要。

Description

攀爬式检测机器人

技术领域

本发明属于检测设备领域，尤其涉及一种攀爬式检测机器人。

背景技术

桥梁拉索攀爬检测机器人发展比较早，起源于20世纪80年代末期，早期美国、欧洲一些研究机构相继开发了桥梁拉索攀爬检测机器人，但在行业上真正展开应用的案例还不多。对于我国机器人研究现状而言，桥梁管养机器人还相对很年轻，尤其是桥梁拉索攀爬检测机器人，既是在恶劣、复杂环境下工作，又需要考虑长距离检测的高安全可靠性、电源补给和远程通信等，因而，无论在技术上还是应用上，桥梁拉索攀爬检测机器人的研究与应用无疑是一个极大的挑战。

桥梁拉索攀爬检测机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及机械结构、自动控制、通信、多传感器信息融合、电源技术等多个领域。机械结构是机器人的主体，是决定机器人后续相关设计的关键。目前，大部分巡检机器人受到机构关节多、体积大、笨重、负载能力差等条件制约；机构关节繁多，运动学解耦控制难度高，控制精度无法达标；机器人体积大，笨重，无法符合拉索作业要求，工业实用水平低；负载能力差则无法携带足够电源及检测设备，无法长时间执行巡检任务。

此外，对于一些轮式的检测机器人，其通过多个轮子抱紧并顶压着拉索表面滚动前进，为了避免机器人滑落，抱紧拉索时轮子需要对拉索表面施加很大的压力，在机器人移动时轮子与拉索表面产生较大的滑动摩擦力，容易对拉索表面产生损害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种攀爬式检测机器人，旨在解决现有技术中的攀爬式检测机器人所存在的体积大、笨重以及容易对拉索产生损害的问题。

本实施例提供了一种攀爬式检测机器人，包括伸缩移动机构、上抱紧机构、下抱紧机构以及检测装置，所述上抱紧机构以及下抱紧机构均包括支撑环以及至少两个周向分布的抱紧单元，所述抱紧单元包括驱动装置、传动组件、摆动臂以及足掌；所述驱动装置安装于所述支撑环上，所述驱动装置通过所述传动组件与所述摆动臂传动连接，并能带动所述摆动臂往复摆动，所述足掌安装于所述摆动臂的自由端；所述上抱紧机构以及下抱紧机构的支撑环分别与所述伸缩移动机构的两端固定连接；所述检测装置固定在所述支撑环上。

进一步地，所述攀爬式检测机器人还包括通信控制模块，所述通信控制模块安装于所述支撑环上，并与伸缩移动机构、上抱紧机构、下抱紧机构以及检测装置电气连接。

进一步地，所述通信控制模块包括用于控制各个机构运作的控制器、用于接收指令信号的无线信号接收器以及用于将检测装置检测到的信息发射回地面终端的无线信号发射器。

进一步地，所述伸缩移动机构包括若干周向分布的电缸，所述电缸的缸体、伸缩杆分别与上抱紧机构以及下抱紧机构的支撑环固定连接。

进一步地，所述上抱紧机构和/或下抱紧机构的支撑环上还安装有若干周向方布的用于顶压拉索的支撑轮。

进一步地，所述传动组件包括同步带传动机构以及蜗轮蜗杆传动机构，所述同步带传动机构的皮带轮与所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆同轴联接；所述摆动臂的一端与所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮固定连接。

进一步地，每一所述的抱紧单元均包括两个摆动臂、两个足掌以及两个分别位于所述同步带传动机构两侧边的蜗轮蜗杆传动机构。

进一步地，所述抱紧单元还包括杆端球轴承以及转轴，所述杆端球轴承固定于所述摆动臂的自由端，所述转轴穿设于所述杆端球轴承内，所述足掌的背面通过所述转轴与所述杆端球轴承铰接。

进一步地，所述抱紧单元还包括柔性铰接部件，所述柔性铰接部件具有弹性，其能轴向弹性伸缩；所述柔性铰接件的一端与所述足掌连接，其另一端与所述摆动臂连接。

进一步地，所述攀爬式检测机器人还包括除锈装置以及用于修补拉索的护套补接装置。

本实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的攀爬式检测机器人，运用仿生学原理，结合动力学、机构学学科领域的理论，进行完整仿生模拟结构设计。通过仿生足掌设计、小型轻量化设计等构型设计来提供轻质高刚度、低能耗、高适应性的机器人本体。

机器人负载能力强，可携带检测设备对桥梁拉索表面和内部进行观测检查。该机器人是桥梁拉索病害检查的便捷工具，可大幅降低管养成本及人员作业风险，解决人工作业带来的工作量大、效率低、有安全隐患的问题。有利于桥梁拉索工作状态的长期监测、病害预防及处置，并且，机器人在运动过程中不会对拉索造成损害，对于桥梁运营安全至关重要。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种攀爬式检测机器人固定在拉索上的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种攀爬式检测机器人的示意图；

图3是图2中的上抱紧机构的示意图；

图4是图3中的一抱紧单元的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种杆端球轴承的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请参见图1及图2，为本发明实施例提供的一种攀爬式检测机器人，主要包括上抱紧机构10、下抱紧机构20、伸缩移动机构30、检测装置40、通信控制模块50以及电源60。

上述上抱紧机构10以及下抱紧机构20均包括支撑环1以及至少两个周向分布的抱紧单元2。请参见图3及图4，抱紧单元2包括驱动装置21、传动组件22、摆动臂23、足掌24、杆端球轴承25、转轴26以及柔性铰接部件27。

本实施例采用旋转电机作为驱动装置21，驱动装置21安装于支撑环1上，驱动装置21通过传动组件22与摆动臂23传动连接，并能带动摆动臂23往复摆动，足掌24安装于摆动臂23的自由端。具体地，本实施例的传动组件22包括同步带传动机构以及蜗轮蜗杆传动机构，同步带传动机构的皮带轮221与蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆222同轴联接；摆动臂23的一端与蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮223固定连接。

具体的，每一抱紧单元2均包括两个摆动臂23、两个足掌24以及两个分别位于同步带传动机构两侧边的蜗轮蜗杆传动机构。驱动装置21工作时，其输出轴旋转，并通过传动组件22带动摆动臂23摆动，而由于足掌24安装在摆动臂23的自由端上，所以足掌24能摆动，可通过控制驱动装置21的正反向旋转以及旋转的角度，来控制足掌24在某一范围内往复摆动。所以，每一抱紧单元2的两个足掌24能够夹紧拉索200，而拉索200外周缘分布的所有抱紧单元2同时工作时，可实现抱紧或卸离拉索200的操作。此外，利用蜗轮蜗杆传动的自锁特性可使机器人在不带电状态下仍可以抱紧拉索，可节省机器人的能耗。

为了避免足掌24损伤拉索，增强机器人足掌24攀爬的适应能力，提高足掌24与拉索200表面的摩擦系统以及保证机器人攀爬过程抱紧的稳定性，可以在足掌24的内侧面上粘贴一层软性覆面材料241。

本实施例采用柔性足掌24以及柔性铰接机构设计，为了实现上述设计，请一同参见图5，将杆端球轴承25固定于摆动臂23的自由端，转轴26穿设于杆端球轴承25内，足掌24的背面通过转轴26与所述杆端球轴承25铰接。柔性铰接部件27具有弹性，其能轴向弹性伸缩；柔性铰接件27的一端与足掌24连接，其另一端与摆动臂23连接。由于杆端球轴承25的结构特征，所以足掌24具有三个转动自由度，可被动的自适应拉索200上凸起的障碍物，保证足掌24与拉索200始终保持面接触，提高机器人抱紧拉索200的鲁棒性。

上述伸缩移动机构30包括若干周向分布的电缸301，电缸301的缸体、伸缩杆分别与上抱紧机构10的支撑环1以及下抱紧机构20的支撑环1固定连接。电缸301通电工作时，伸缩杆做伸缩运动，从而推动支撑环1向上移动，或者拉动支撑环1向下移动。在实际应用中，伸缩移动机构30的动力装置除了电缸301外，还可以采用其他可以实现伸缩运动的部件或者组件。

上述检测装置40固定在所述支撑环1上，检测装置40可以根据具体需要进行安装，例如，可以沿支撑环1的周方方向设置若干前置摄像头，以用于拍摄拉索的情况；也可以安装磁通量无损检测装置，跟随着机器人移动检测。

上述通信控制模块50安装于所述支撑环1上，并与伸缩移动机构30、上抱紧机构10、下抱紧机构20以及检测装置40电气连接。所述通信控制模块50包括用于控制各个机构运作的控制器、用于接收指令信号的无线信号接收器以及用于将检测装置检测到的图像、各类参数测试结果等发射回地面终端的无线信号发射器。

上述电源60与电缸固定连接，其为上述的抱紧机构10、下抱紧机构20、伸缩移动机构30、检测装置40、通信控制模块50提供电能。本实施例的电源60类似于可充电电池附加在机器人上，但电池不一定仅限于附加在机器人上，机器人可也通过外接线缆与供电设备电气连接。

上述上抱紧机构10和下抱紧机构20的支撑环1上还安装有若干周向方布的用于顶压拉索200的支撑轮70。采用支撑轮70配合抱紧机构的方式，不仅可以抓紧拉索200，把机器人固定在拉索200上，还可以在运动时支撑机器人的本体，使机器人头/尾端跟拉索保持相对稳定的形态。

上述攀爬式检测机器人还包括除锈装置以及用于修补拉索的护套补接装置，此两种装置附着在下端的行走机构上，实现移动除锈和聚乙烯护套修补。

本实施例的机器人运动模式以自然界蠕虫蠕动运动为依据，为了使机器人的攀爬原理更加清晰，下面结合机器人攀爬动作进行详细解析：

第一步：上线准备，上抱紧机构10以及下抱紧机构20的足掌24全部夹紧拉索200；

第二步：上抱紧机构10的足掌24松开，伸缩移动机构30伸长，推动上抱紧机构10往上移动；

第三步：上抱紧机构10的足掌24压紧，下抱紧机构20的足掌24松开，伸缩移动机构30收缩，拉动下抱紧机构20往上移动；

第四步：下抱紧机构10的足掌24压紧，上抱紧机构10的足掌24松开，伸缩移动机构30伸长，推动上抱紧机构10往上移动；如此反复循环，实现移动。

本实施例的攀爬式检测机器人，运用仿生学原理，结合动力学、机构学学科领域的理论，进行完整仿生模拟结构设计。通过仿生足掌24设计、小型轻量化设计等构型设计来提供轻质高刚度、低能耗、高适应性的机器人本体。

机器人负载能力强，可携带检测设备对桥梁拉索200表面和内部进行观测检查。该机器人是桥梁拉索病害检查的便捷工具，可大幅降低管养成本及人员作业风险，解决人工作业带来的工作量大、效率低、有安全隐患的问题。有利于桥梁拉索工作状态的长期监测、病害预防及处置，并且，机器人在运动过程中不会对拉索造成损害，对于桥梁运营安全至关重要。

容易理解的是，本实施例的机器人能应用于管状物、线缆、杆状物此类物体的检测工作，其应用领域可涉及缆索喷涂、路灯灯杆检测、管道类外部检测等行业。

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 (10)

1.一种攀爬式检测机器人，其特征在于，包括伸缩移动机构、上抱紧机构、下抱紧机构以及检测装置，所述上抱紧机构以及下抱紧机构均包括支撑环以及至少两个周向分布的抱紧单元，所述抱紧单元包括驱动装置、传动组件、摆动臂以及足掌；所述驱动装置安装于所述支撑环上，所述驱动装置通过所述传动组件与所述摆动臂传动连接，并能带动所述摆动臂往复摆动，所述足掌安装于所述摆动臂的自由端；所述上抱紧机构以及下抱紧机构的支撑环分别与所述伸缩移动机构的两端固定连接；所述检测装置固定在所述支撑环上。

2.如权利要求1所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述攀爬式检测机器人还包括通信控制模块，所述通信控制模块安装于所述支撑环上，并与伸缩移动机构、上抱紧机构、下抱紧机构以及检测装置电气连接。

3.如权利要求2所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述通信控制模块包括用于控制各个机构运作的控制器、用于接收指令信号的无线信号接收器以及用于将检测装置检测到的信息发射回地面终端的无线信号发射器。

4.如权利要求1所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述伸缩移动机构包括若干周向分布的电缸，所述电缸的缸体、伸缩杆分别与上抱紧机构以及下抱紧机构的支撑环固定连接。

5.如权利要求1所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述上抱紧机构和/或下抱紧机构的支撑环上还安装有若干周向方布的用于顶压拉索的支撑轮。

6.如权利要求1所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述传动组件包括同步带传动机构以及蜗轮蜗杆传动机构，所述同步带传动机构的皮带轮与所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆同轴联接；所述摆动臂的一端与所述蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮固定连接。

7.如权利要求6所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，每一所述的抱紧单元均包括两个摆动臂、两个足掌以及两个分别位于所述同步带传动机构两侧边的蜗轮蜗杆传动机构。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述抱紧单元还包括杆端球轴承以及转轴，所述杆端球轴承固定于所述摆动臂的自由端，所述转轴穿设于所述杆端球轴承内，所述足掌的背面通过所述转轴与所述杆端球轴承铰接。

9.如权利要求1至7中任意一项所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述抱紧单元还包括柔性铰接部件，所述柔性铰接部件具有弹性，其能轴向弹性伸缩；所述柔性铰接件的一端与所述足掌连接，其另一端与所述摆动臂连接。

10.如权利要求1至7中任意一项所述的攀爬式检测机器人，其特征在于，所述攀爬式检测机器人还包括除锈装置以及用于修补拉索的护套补接装置。