CN109141618A - 一种钢结构螺栓松动检测机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢结构螺栓松动检测机器人，包括检测末端、多自由度机械臂和行走装置，检测末端通过多自由度机械臂安装在行走装置上，行走装置为检测末端位置调整提供行走功能，检测末端包括基板、弹簧、磁力表座吸附装置和两个压电陶瓷片传感器，弹簧和磁力表座吸附装置并列固定在基板底部，其中一个压电陶瓷片传感器安装在弹簧底部，另一个压电陶瓷片传感器安装在磁力表座吸附装置底部，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，利用阻抗分析进行螺栓松动检测，所述行走装置为履带行走装置，履带上设有永磁条。本发明多自由度机械臂可以带动检测末端快速的定位，还可实现远程控制机器人进行检测，降低人工检测风险，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明属于工业机器人领域，涉及一种螺栓松动检测机器人，特别涉及一种钢结构螺栓松动检测机器人。
背景技术
我国钢结构建筑主要是桥梁体量巨大，而螺栓连接是其中最主要的连接方式。对桥梁而言，维护的重要性不言而喻。目前，公知的螺栓松动检测方法有超声波方法、模态分析方法、图像识别方法等，超声波以及模态分析方法需要人工实地操作，而且需要大型设备支持，而图像识别方法在室外的强光照条件下效果欠佳。现有技术中利用压电陶瓷传感器进行螺栓松动检测具有响应快，检测准确，比如：张兢，徐霞，张志文的基于压电陶瓷的结构损伤检测技术[J].压电与声光,2006,28(3):350-352；以及熊先锋,杨光瑜,杨拥民等压电阻抗技术用于结构健康诊断的一种方法[J].传感器与微系统,2003,22(10):62-64；基于压电陶瓷传感器的钢桁拱结构螺栓松动损伤检测(Jiang T,Wu Q,Wang L,et al.Monitoringof Bolt Looseness-induced Damage in Steel Truss Arch Structure usingPiezoceramic Transducers[J].IEEE Sensors Journal,2018,PP(99):1-1)。但是上述压电陶瓷传感器的使用多数处于实验室环境，具体工程应用中，如果将两个压电陶瓷传感器快速精准的安装固定在待检测的螺栓和紧固面上，并且检测完后还能快速分离，进行下一个螺栓检测，还没有相关技术和设备，因此利用压电陶瓷传感器进行螺栓松动检测还缺乏可实际应用的设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢结构螺栓松动检测机器人，实现远程控制机器人检测钢结构螺栓松动情况。
为了克服现有的螺栓松动检测方法检测环境不支持大型设备、在室外的强光照条件下效果欠佳的不足，本发明专利提供一种检测机器人，不仅能在钢结构建筑上自由运动，而且能够远程控制，检测螺栓松动情况。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：包括检测末端、多自由度机械臂和行走装置，所述检测末端通过多自由度机械臂安装在行走装置上，所述行走装置为检测末端位置调整提供行走功能，所述检测末端包括基板、弹簧、磁力表座吸附装置和两个压电陶瓷片传感器，弹簧和磁力表座吸附装置并列固定在基板底部，其中一个压电陶瓷片传感器安装在弹簧底部，另一个压电陶瓷片传感器安装在磁力表座吸附装置底部，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，利用阻抗分析进行螺栓松动检测。
作为改进，所述多自由度机械臂包括主臂和机械臂底座，所述机械臂底座固定在行走装置上，所述主臂一端与检测末端的基板相连，另一端通过二自由度关节安装在机械臂底座上。
作为改进，所述二自由度关节包括第一舵机、第一舵机安装板、第二舵机和第二舵机安装板，所述第一舵机的输出端固定在机械臂底座上，第一舵机本体固定安装在第一舵机安装板上，第二舵机安装板固定在第一舵机安装板上，第二舵机的本体固定安装在第二舵机安装板上，主臂与第二舵机的输出端固定相连，其中第一舵机和第二舵机的输出端轴向相互垂直。
作为改进，所述基板通过销轴安装在主臂上，并通过限位块限制基板相对于销轴的转动角度。
作为改进，所述磁力表座吸附装置包括软磁壳体、永磁铁和第三舵机，所述永磁铁设于软磁壳体内，软磁壳体固定在基板底部，第三舵机固定安装在基板上，第三舵机的输出端伸入到软磁壳体内与永磁铁固定相连，永磁铁可在第三舵机驱动下在软磁壳体内转动，压电陶瓷片传感器固定在软磁壳体底部。
作为改进，所述弹簧长度大于磁力表座吸附装置加上螺栓的高度。
作为改进，所述行走装置为履带行走机构，其包括车体、链轮、履带和两个驱动电机，所述链轮对称安装在车体两侧，左右两个履带分别安装在车体左右两侧的链轮上，两个驱动电机安装在车体上，两个驱动电机的输出轴分别通过动力传动装置与车体左右两侧的链轮动力传动相连。
作为改进，所述车体上设有用于观察定位待检测螺栓的视觉识别装置，所述视觉识别装置为云台相机，所述车体上还设有控制驱动电机、云台相机和多自由度机械臂运动的控制器，所述控制器通过无线收发器与遥控器通讯。
作为改进，所述履带由条形永磁铁安装在链条上制作而成，永磁铁以及与行走面接触的履带上进行喷漆防滑处理。
作为改进，一种钢结构螺栓松动检测机器人的检测末端，其特征在于：包括基板、弹簧、磁力表座吸附装置和两个压电陶瓷片传感器，弹簧和磁力表座吸附装置并列固定在基板底部，其中一个压电陶瓷片传感器安装在弹簧底部，另一个压电陶瓷片传感器安装在磁力表座吸附装置底部，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，利用阻抗分析进行螺栓松动检测。
本发明的有益效果是：
本发明多自由度机械臂可以带动检测末端快速的定位，将用于检测的两个压电陶瓷片传感器贴紧在螺栓和其附近的紧固件上，从而实现利用压电陶瓷片传感器对螺栓松动快速检测，另外还可实现远程控制机器人检测钢结构螺栓松动情况，降低人工检测风险，提高检测效率。
附图说明
图1是本发明钢结构螺栓松动检测机器人整体结构示意图。
图2是本发明钢结构螺栓松动检测机器人仰视图。
图3是本发明钢结构螺栓松动检测机器人俯视图。
图4是本发明多自由度机械臂结构示意图。
图5是本发明主臂和机械臂底座连接关系剖视图。
图6是本发明磁力表座吸附装置结构剖视图。
图7是本发明第三舵机安装示意图。
图8是本发明钢结构螺栓松动检测机器人在钢结构壁面进行吸附检测示意图。
附图标记，1-车体，2-履带，3-链轮轴，4-链轮，5-多自由度机械臂，6-检测末端，7-云台相机，8-轴承座，9-右侧电机，10-左侧电机，11-机械臂底座，12-第一舵机安装板，13-第二舵机安装板，14-第二舵机，15-主臂，16-第一舵机，17-第一压电陶瓷片传感器，18-第二压电陶瓷片传感器，19-磁力表座吸附装置，20-基板，21-第三舵机，22-销轴，23-外壳，24-输出端，25-软磁壳体，26-永磁铁，27-输出端，28-螺栓，29-钢结构壁面，30-弹簧。
具体实施方式
如图1至图7所示，一种钢结构螺栓松动检测机器人，包括检测末端6、多自由度机械臂5和行走装置，所述检测末端6通过多自由度机械臂5安装在行走装置上，所述行走装置为检测末端6位置调整提供行走功能，所述检测末端6包括基板20、弹簧30、磁力表座吸附装置和两个压电陶瓷片传感器，弹簧30和磁力表座吸附装置并列固定在基板20底部，其中第一压电陶瓷片传感器17固定在弹簧30底部，第二压电陶瓷片传感器18固定在磁力表座吸附装置19底部，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，利用阻抗分析进行螺栓28松动检测。
如图1所示，本发明钢结构螺栓松动检测机器人的行走装置为履带行走机构，其包括车体1、链轮4、履带2和两个驱动电机，两个驱动电机均为直流电机，分别为左侧电机10和右侧电机9，所述链轮4对称安装在车体1两侧，左右两个履带2分别安装在车体1左右两侧的链轮4上，两个驱动电机安装在车体1上，两个驱动电机的输出轴分别通过动力传动装置(本实施例中为齿轮啮合传动)与车体1左右两侧的链轮4动力传动相连。
所述车体1为板式结构，其上安装机器人其它部件，所述车体1采用碳纤维材料制作，在保证强度的同时减轻车体1重量。车体1上部左侧安装云台相机7，右侧对称安装多自由度机械臂5。通过图像传输设备向地面端发送视频图像数据，以便在前进的过程中探测周围环境。
如图2所示，在机器人的车体1底部对称安装八个轴承座8，左侧电机10和右侧电机9分别安装在左右两个区域。右侧电机9通过车体1后部链轮轴3驱动右侧履带2，左侧电机10通过车体1前部链轮轴3驱动左侧履带2。四根链轮轴3末端均安装有链轮4以驱动履带2。
如图3所示，履带2对称安装在车体1两侧，左侧的履带2由后链轮驱动，前链轮从动，右侧的履带2由前链轮驱动，后链轮从动，以实现机器人直行和转向。履带2由条形永磁铁安装在链条之上制作而成，条形永磁铁与行走面直接吸附接触。永磁铁磁力大，与行走面直接接触可以以最小的磁铁达到最大的吸力要求，进一步减少机器人重量。同时条形永磁铁表面进行喷漆处理，增大与吸附面的摩擦力，使机器人在运动的时候更加稳定。
车体1上部的空间还可用来安装控制器(比如PLC控制器或者MCU控制器)、无线通讯收发器、传感控制系统，搭载动力源电池等，均可以采用现有成熟技术实现，在此不再赘述。传感控制模块主要由电路控制系统以及数据传输系统两部分组成。通过蓝牙设备连接遥控器与车载控制系统，远程控制机器人运动；通过图像传输设备连接地面端计算机与车载摄像头以获取机器人所处环境和位置信息。
本发明实施例，钢结构螺栓松动检测机器人采用2.4G无线电频段与遥控器连接，接收动作指令，同时控制相机云台动作。采用无线图像传输系统将车载相机采集到的视频信息发送至地面端，从而获取机器人所处的位置和环境信息。
如图4和图5所示，所述多自由度机械臂5包括主臂15和机械臂底座11，所述机械臂底座11固定在行走装置的车体1上，所述主臂15一端与检测末端6的基板20相连，另一端通过二自由度关节安装在机械臂底座11上，所述二自由度关节包括第一舵机16、第一舵机安装板12、第二舵机14和第二舵机安装板13，所述第一舵机16的输出端24固定在机械臂底座11上，第一舵机16本体固定安装在第一舵机安装板12上，第二舵机安装板13固定在第一舵机安装板12上，第二舵机14的本体固定安装在第二舵机安装板13上，主臂15与第二舵机14的输出端固定相连，其中第一舵机16和第二舵机14的输出端轴向相互垂直，为了提高环境适应能力，还可在机械臂底座11周围设置外壳23，外壳23与第一舵机安装板12固定相连，并与机械臂底座11间隙隔离，外壳23随着第一舵机16本体一起转动，可有效防止灰尘渣土进入第一舵机16内造成卡涩或者损坏。
所述基板20通过销轴22安装在主臂15上，并通过限位块限制基板20相对于销轴22的转动角度。
所述磁力表座吸附装置19包括软磁壳体25、永磁铁26和第三舵机21，所述永磁铁26设于软磁壳体25内，软磁壳体25固定在基板20底部，第三舵机21固定安装在基板20上，第三舵机21的输出端27从设于基本20上的小孔伸入到软磁壳体25内与永磁铁26固定相连，永磁铁26可在第三舵机21驱动下在软磁壳体25内转动，第二压电陶瓷片传感器18固定在软磁壳体25外侧底部。
另外为了便于检测，所述弹簧30长度大于磁力表座吸附装置19加上螺栓28的高度，这样当利用磁力表座吸附装置19将第二压电陶瓷片传感器18压紧接触在螺栓28端部时，第一压电陶瓷片传感器17在弹簧30的作用力下保持与螺栓28周围的钢结构壁面29紧密接触，保障螺栓28松动检测顺利进行。
使用时，通过行走装置带动检测末端6到达待检测的螺栓28附近，此时可以人眼观察或者利用云台相机7反馈的摄像辅助观察，通过第一舵机16和第二舵机14运动带动主臂15运动，使得检测末端6进一步靠近待检测螺栓28，位于螺栓28上方，通过第三舵机21控制磁力表座吸附装置19内的永磁铁26旋转产生磁性，吸附在螺栓28上，从而将第二压电陶瓷片传感器18压紧在螺栓28上，同时在弹簧30的作用下，第一压电陶瓷片传感器17也紧贴在该螺栓28周围的钢结构壁面29上，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，进行螺栓28松动检测，电源供电使作为驱动器的压电陶瓷片传感器振动，将作为接收器的压电陶瓷片传感器接收转换的电阻抗作为信号进行分析，如果螺栓28松动，将导致结构的机械阻抗发生变化，从而使压电陶瓷片传感器的耦合电阻抗发生变化。对收集到的信号进行分析即可判断该螺栓28是否松动，上述压电陶瓷片传感器检测原理具体可参考背景技术中引用的文献。
更优的，本发明压电陶瓷片传感器可以采用PZT压电陶瓷片传感器。
上述舵机和主电机的运动，还可以通过遥控器发出指令进行控制，这样借助于云台相机7，可以对人眼无法观察的地方进行检测，无需其他附属设施，极大减少了检测成本。
Claims (10)
1.一种钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：包括检测末端、多自由度机械臂和行走装置，所述检测末端通过多自由度机械臂安装在行走装置上，所述行走装置为检测末端位置调整提供行走功能，所述检测末端包括基板、弹簧、磁力表座吸附装置和两个压电陶瓷片传感器，弹簧和磁力表座吸附装置并列固定在基板底部，其中一个压电陶瓷片传感器安装在弹簧底部，另一个压电陶瓷片传感器安装在磁力表座吸附装置底部，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，利用阻抗分析进行螺栓松动检测。
2.如权利要求1所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述多自由度机械臂包括主臂和机械臂底座，所述机械臂底座固定在行走装置上，所述主臂一端与检测末端的基板相连，另一端通过二自由度关节安装在机械臂底座上。
3.如权利要求2所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述二自由度关节包括第一舵机、第一舵机安装板、第二舵机和第二舵机安装板，所述第一舵机的输出端固定在机械臂底座上，第一舵机本体固定安装在第一舵机安装板上，第二舵机安装板固定在第一舵机安装板上，第二舵机的本体固定安装在第二舵机安装板上，主臂与第二舵机的输出端固定相连，其中第一舵机和第二舵机的输出端轴向相互垂直。
4.如权利要求2所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述基板通过销轴安装在主臂上，并通过限位块限制基板相对于销轴的转动角度。
5.如权利要求2所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述磁力表座吸附装置包括软磁壳体、永磁铁和第三舵机，所述永磁铁设于软磁壳体内，软磁壳体固定在基板底部，第三舵机固定安装在基板上，第三舵机的输出端伸入到软磁壳体内与永磁铁固定相连，永磁铁可在第三舵机驱动下在软磁壳体内转动，压电陶瓷片传感器固定在软磁壳体底部。
6.如权利要求1所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述弹簧长度大于磁力表座吸附装置加上螺栓的高度。
7.如权利要求2至6任意一项所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述行走装置为履带行走机构，其包括车体、链轮、履带和两个驱动电机，所述链轮对称安装在车体两侧，左右两个履带分别安装在车体左右两侧的链轮上，两个驱动电机安装在车体上，两个驱动电机的输出轴分别通过动力传动装置与车体左右两侧的链轮动力传动相连。
8.如权利要求7所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述车体上设有用于观察定位待检测螺栓的视觉识别装置，所述视觉识别装置为云台相机，所述车体上还设有控制驱动电机、云台相机和多自由度机械臂运动的控制器，所述控制器通过无线收发器与遥控器通讯。
9.如权利要求7所述的钢结构螺栓松动检测机器人，其特征在于：所述履带由条形永磁铁安装在链条上制作而成，永磁铁以及与行走面接触的履带上进行喷漆防滑处理。
10.一种钢结构螺栓松动检测机器人的检测末端，其特征在于：包括基板、弹簧、磁力表座吸附装置和两个压电陶瓷片传感器，弹簧和磁力表座吸附装置并列固定在基板底部，其中一个压电陶瓷片传感器安装在弹簧底部，另一个压电陶瓷片传感器安装在磁力表座吸附装置底部，两个压电陶瓷片传感器分别作为驱动器和接收器，利用阻抗分析进行螺栓松动检测。
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