CN109853379B - 一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，包括外框架、压紧机构和轮系传动机构，外框架包括框架板，依次连接围成六边形的外框架，间隔设置的框架板外侧面设有直线轴承，框架板外侧面固定有电子元件和电池组；压紧机构设于间隔设置的框架板上，上下对称布置，压紧机构同时从三个方向对缆索压紧；轮系传动机构设于压紧机构之间，通过压紧机构压紧在缆索表面，轮系传动机构包括壳体组件和滚轮装置、驱动电机，驱动电机同步驱动滚轮装置实现轮系传动机构同时从三个方向同步爬缆；检测机器人还包括无线适配器，框架板上还设有摄像头。本发明解决了现有技术中爬缆机器人抱缆效果不佳、框架结构不对称，从而产生偏心、机器人螺旋爬升等问题。

Description

一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人

技术领域

本发明属于检测机器人技术领域，具体涉及一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人。

背景技术

拉索类桥梁因跨度大、造型美观、经济适用等特点，被广泛应用。斜拉桥尺寸的增大带来了桥梁检测方面的一系列问题，其中对缆索的检测非常重要，缆索是斜拉桥上的主要承重构件，它的可靠性直接影响了桥梁的安全性。为了确保缆索的安全使用，需要定时对缆索的安全性能进行检测和维护。

目前,国内外使用缆索维护的方法主要有两种,一种是针对小型斜拉桥使用的液压升降平台进行缆索维护,另一种是利用预先装在塔顶的吊点。用钢丝拖动吊篮搭载工作人员沿缆索进行维护。这两种应用于工程实际的缆索维护方式，主要由人工检测。不仅效率低下，而且难以保障人员安全。人工检测已不再实用，使用工业机器人代替人工检测缆索成为必然趋势，在实际工程应用中有着重要的价值。

国内外针对斜拉索专用的检测机器人研究报道并不是很多，虽有研究，但真正实用的技术还没有，总的来说处于初期阶段。韩国成均馆大学针对悬索桥缆索爬行机器人做了一系列研究。研制出一款轮式爬行机器人,该机器人在爬行缆索时其稳定性好，轮式机器人速度快，效率高，更适合在大型悬索桥上使用。这款机器人对缆索的直径有一定的适应性，但结构比较复杂，重量较大。此款机器人由于结构复杂，重量较大，未能够大规模应用于桥梁检测中。上海交通大学研制出气动蠕动式缆索维护机器人。气动蠕动式采用仿生学的原理，利用了蠕动的方式爬升或下降。远距离输送空气，存在沿程压力损失，限制了机器人的爬升速度。机器人携带气体管线爬行到高空，管线的重量使得机器人容易偏心，限制了爬缆机器人的发挥，不适用于斜拉桥缆索检测。

现有爬缆机器人由于本体结构和控制系统难以满足杆径变化以及桥面与缆索之间倾角的变化，爬缆机器人多采用在缆索一侧爬缆，一侧夹紧，而且框架结构不对称，框架中心线与缆索轴线不重合，造成爬缆机器人产生偏心、机器人螺旋爬升等情况，现有爬缆机器人结构复杂、重量大，难以广泛应用于工程实际中。所采用的视觉检测系统较简易，不能实时融合多个视觉摄像头采集的图像并进行分析。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，能够有效地解决现有技术中缆索检测机器人抱缆效果不佳、框架结构不对称，从而产生偏心、机器人螺旋爬升，并且无法自适应变杆径工作等问题。

本发明的目的是这样实现的：一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，包括外框架及设于外框架内的压紧机构和轮系传动机构，所述外框架包括六块框架板，所述框架板依次连接围成六边形的外框架，间隔设置的框架板外侧面均设有上下对称布置的直线轴承，所述框架板的外侧面分别固定安装有电子元件和电池组；

所述压紧机构设于间隔设置的框架板上，并沿框架板上下对称布置，其一端穿过框架板外的直线轴承，另一端抵触轮系传动机构，所述压紧机构的轴线在水平面上的投影呈Y形，沿周向均布，使压紧机构同时从三个方向对缆索压紧；

所述轮系传动机构设置于对称布置的压紧机构之间，轮系传动机构在水平面上的投影呈Δ形，沿周向均布设置三个，通过压紧机构将轮系传动机构压紧在缆索表面，轮系传动机构和压紧机构在水平面上的投影在围抱缆索时形成的内切圆直径变化范围为150mm～200mm，所述轮系传动机构包括壳体组件和设置于壳体组件内的滚轮装置和驱动电机，所述滚轮装置和驱动电机分别与壳体组件固接，滚轮装置由驱动电机驱动，三个驱动电机同步驱动滚轮装置实现轮系传动机构同时从三个方向同步爬缆；

所述缆索检测机器人还包括无线适配器，所述无线适配器用于接收电子元件发射的信号并与计算机连接，通过计算机遥控检测机器人，并对传输回来的图像进行实时处理；

所述缆索检测机器人的框架板上部还设有摄像头，通过无线传输的方式将拍摄的图像视频数据传输回计算机。

采用六块框架板围合成六边形的外框架，利用六边形框架是对称形状，能够有效减轻框架系统质心与缆索轴线不重合而产生的偏心影响，并且框架板外表面易于对电子元件进行安装，具有便于散热、操作便捷、拆装迅速等特点。

进一步的，所述压紧机构包括导向杆、弹簧和用于调节弹簧预紧力的螺母，所述导向杆的一端伸出直线轴承后与螺母螺接，另一端伸入与轮系传动机构固定连接的轴承座后与轮系传动机构抵触，所述弹簧套设在导向杆上并置于框架板内侧与轴承座之间，通过导向杆导向，通过螺母调节弹簧预紧力使机器人在围抱缆索时，轮系传动机构抵紧缆索、实现爬缆。压紧机构通过弹簧沿着导向杆进行弹力预紧，通过螺母调节的方式使得预紧力调节在合适的范围内。

进一步的，所述轮系传动机构的壳体组件包括L型导向杆支承板、L型电机安装板和翼板，所述导向杆支承板上下对称布置，电机安装板和翼板设于对称布置的导向杆支承板之间并相对设置，所述翼板沿竖向设置两块，导向杆支承板、电机安装板和翼板相互连接形成壳体；所述滚轮装置包括主动轮、从动轮和带座轴承，所述带座轴承对称设于主动轮、从动轮的转轴上，靠近翼板一侧的带座轴承与翼板固定连接，靠近电机安装板一侧的带座轴承与电机安装板固定连接，所述驱动电机固定于电机安装板并设于两块翼板之间，通过带传动为主动轮传递动力。通过压紧机构中弹簧的弹力将轮系传动机构压紧在缆索表面，一组传动机构通过一个驱动电机以带传动的方式进行动力传递。

进一步的，所述框架板为铝板，框架板的左右两侧形成镂空，其中部开设有凹槽，安装有压紧机构的框架板凹槽内固定安装锂电池组，为驱动电机供电，其余框架板的凹槽内固定安装的电子元件为电机控制器和无线模块。采用铝板并且在两侧设置镂空、中间铣削形成凹槽，可实现机器人整体轻量化，铝板金属表面能够迅速导热，将部件工作时产生的热量迅速与外界环境相传导，起到散热降温的效果。

进一步的，所述框架板的上部还设有摄像头安装支架，用于紧固摄像头。

进一步的，所述电机控制器由计算机控制，实现三个驱动电机同步驱动。通过计算机控制三个控制器，达到三个驱动电机同步驱动的效果。三个电机同步驱动技术不仅提高机器人爬缆动力，而且避免了现有技术的驱动轮在工作时不同步而引起的震颤问题。

进一步的，所述主动轮和从动轮的轮面采用聚氨酯材质制作。取材方便，降低成本。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、采用六块框架板围合成六边形的外框架，利用六边形框架是对称形状，能够有效减轻框架系统质心与缆索轴线不重合而产生的偏心影响，并且框架板外表面易于对电子元件进行安装，框架板采用铝板，能够迅速导热、将部件工作时产生的热量迅速与外界环境相传导，起到散热降温的效果。

2、压紧机构和轮系传动机构在水平面的投影上沿周向均布设置，使压紧机构、轮系传动机构同时从三个方向对缆索压紧和同步爬缆。

3、采用上下对称布置的压紧机构，设计两根弹簧布置在导向杆上，能够平衡单支弹簧推力对单点的作用过大、应力集中等问题，以此减小驱动轮与缆索表面的正压力的增量值，能够增强缆索检测机器人的越障能力。

4、通过计算机控制三个控制器，达到三个驱动电机同步驱动的效果，三个电机同步驱动技术不仅提高机器人爬缆动力，而且避免了现有技术的驱动轮在工作时不同步而引起的震颤问题，减少机器人在高空中出现卡死、打滑等现象。

5、三个驱动电机同步驱动，由于是呈环形120°布置，三个主动轮均有动力输出。形成了多驱传动结构，三个从动轮平行布置增强了机器人运动时的稳定性，极大程度上提高了机器人的爬缆能力。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是图1中A-A剖视图；

图3是轮系传动机构的主视图；

图4是图3的B-B剖视图；

图5是轮系传动机构的俯视图；

图6是本发明的结构示意图；

图7是检测机器人的工作流程图。

附图标记

附图中，1为框架板，2为直线轴承，3为电池组，4为压紧机构，5为轮系传动机构，6为缆索，7为驱动电机，8为摄像头，9为轴承座，10为电机控制器，11为无线模块，12为摄像头安装支架，

41为导向杆，42为弹簧，43为螺母，

51为导向杆支承板，52为电机安装板，53为翼板，54为主动轮，55为从动轮，56为带座轴承，57为主动轮转轴，58为从动轮转轴

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。

参见图1-图6，一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，包括外框架及设于外框架内的压紧机构4和轮系传动机构5，所述外框架包括六块框架板1，所述框架板1依次连接围成六边形的外框架，间隔设置的框架板1外侧面均设有上下对称布置的直线轴承2，框架板1的外侧面分别固定安装有电子元件和电池组3；在本实施例中，所述框架板1选用6061铝板为框架板制作材料，为了减轻整体重量，在框架板1的左右两侧6mm处挖空减重，形成镂空，并在左右两边切制60°斜角，形成框架板1，通过螺栓装配成六边形外框架，其中部铣去4mm厚的铝材，形成凹槽，安装有压紧机构4的框架板凹槽内固定安装锂电池组3，为驱动电机7供电，其余框架板1的凹槽内固定安装电机控制器10和无线模块11。

所述压紧机构4设于间隔设置的框架板1上，并沿框架板1上下对称布置，其一端穿过框架板1外的直线轴承2，另一端抵触轮系传动机构5，压紧机构4的轴线在水平面上的投影呈Y形，沿周向均布，使压紧机构4同时从三个方向对缆索6压紧；在本实施例中，所述压紧机构包括导向杆41、弹簧42和用于调节弹簧42预紧力的螺母43，导向杆41的一端伸出直线轴承2后与螺母43螺接，另一端伸入与轮系传动机构5固定连接的轴承座9后与轮系传动机构5抵触，所述弹簧42套设在导向杆41上并置于框架板1内侧与轴承座9之间，通过导向杆41导向，通过螺母43调节弹簧42预紧力使机器人在围抱缆索6时，轮系传动机构5抵紧缆索6、实现爬缆。压紧机构通过弹簧沿着导向杆进行弹力预紧，通过螺母调节的方式使得预紧力调节在合适的范围内。本发明的机器人在缆索6上运动时，依靠弹簧42的预紧与缆索6表面所产生的正压力，使得机器人与缆索6表面产生一定摩擦力，以此来克服重力的作用。弹簧42的预紧力不能过大也不能过小，过大的预紧力会额外增加电机的启动转矩，甚至让机器人卡死不动。过小的预紧力达不到机器人静止抱缆的要求。为了使其能够自适应杆径的变化，通过整体的受力分析，对弹簧进行优化。考虑到强度以及应力集中问题，设计两根弹簧42布置在导向杆41上，来平衡单支弹簧42推力对单点的作用过大，应力集中，造成设计不合理的问题。在弹簧42产生相同弹性力来满足机器人工作的情况下，刚度系数越小的弹簧预紧，机器人的越障能力就越强。利用MATLAB数学工具对弹簧参数进行优化，与电机转矩、静止状态所需摩擦力进行参数关联，选取弹簧参数最优解，以此来减小驱动轮与缆索表面的正压力的增量值，增强缆索检测机器人的越障能力。

所述轮系传动机构5设置于对称布置的压紧机构4之间，轮系传动机构5在水平面上的投影呈Δ形，沿周向均布设置三个，通过压紧机构4将轮系传动机构5压紧在缆索6表面，轮系传动机构5和压紧机构4在水平面上的投影在围抱缆索时形成的内切圆直径变化范围为150mm～200mm，所述轮系传动机构5包括壳体组件和设置于壳体组件内的滚轮装置和驱动电机7，所述滚轮装置和驱动电机7分别与壳体组件固接，滚轮装置由驱动电机7驱动，三个驱动电机7同步驱动滚轮装置实现轮系传动机构5同时从三个方向同步爬缆；

在本实施例中，所述轮系传动机构5的壳体组件包括L型导向杆支承板51、L型电机安装板52和翼板53，导向杆支承板51上下对称布置，电机安装板52和翼板53设于对称布置的导向杆支承板51之间并相对设置，所述翼板53沿竖向设置两块，导向杆支承板51、电机安装板52和翼板53相互连接形成壳体组件；所述滚轮装置包括主动轮54、从动轮55和带座轴承56，所述带座轴承56对称设于主动轮、从动轮的转轴57、58上，靠近翼板53一侧的带座轴承56与翼板53固定连接，靠近电机安装板52一侧的带座轴承56与电机安装板52固定连接，所述驱动电机7固定于电机安装板52并设于两块翼板53之间，通过带传动为主动轮54传递动力。通过压紧机构中弹簧42的弹力将轮系传动机构5压紧在缆索6表面，一组传动机构通过一个驱动电机7以带传动的方式进行动力传递。

本发明的缆索检测机器人还包括无线适配器(图中未示出)，所述无线适配器用于接收无线模块发射的信号并与计算机连接，通过计算机遥控检测机器人，并对传输回来的图像进行实时处理，及时作出相应的反馈。缆索检测机器人的框架板1上还设有摄像头8，摄像头8安装在框架板1上部的摄像头安装支架12上，通过无线传输的方式将拍摄的图像视频数据传输回计算机。

本发明利用计算机语言编写程序，通过计算机控制三个电机控制器，达到三个驱动电机同步驱动的效果；三个电机同步驱动不仅提高机器人爬缆动力，还由于同步驱动避免了现有技术的驱动轮在工作时不同步而引起的震颤问题，三个驱动电机同步驱动，由于是呈环形120°布置，三个主动轮均有动力输出。形成了多驱传动结构，三个从动轮平行布置增强了机器人运动时的稳定性，极大程度上提高了机器人的爬缆能力，本发明机器人可适用于0～90°的缆索攀爬检测，攀爬性能优秀。

本发明采用三个驱动电机进行驱动，为了确保动力，以大容量的锂电池组为驱动电机供电，锂电池蓄能性能优良，并且体积与重量较小，能够减轻机器人自身重量。电机控制器、锂电池组、无线接收发射模块等部件贴合安装在框架板凹槽内，铝板金属表面能够迅速导热，将部件工作时产生的热量迅速与外界环境相传导，起到散热降温的效果。

本发明可以通过计算机中的人机控制界面在地面对检测机器人进行遥控，控制驱动电机的转动与速度，可以在很远的距离上控制缆索检测机器人的工作状态，且爬缆最大速度在9米/分钟以上。通过处理反馈回来的电信号，转化为检测机器人的位移，在人机控制界面能够显示位置距离信息。在检测到缺陷的时候，能够对缺陷在缆索上进行精确定位。而设置在外框架上的摄像头可以将图像视频实时传输回地面，人在地面上就能够观察到缆索表面形貌的破坏程度，并根据实际情况采取相应的措施，从而确保缆索安全。

本发明的缆索检测机器人携带摄像头或相机在高空缆索上作业，对缆索表面进行检测。通过传输在计算机中的图像，利用视觉软件的halcon算子将各个摄像头或相机采集的图像进行拼接融合，获取缆索表面全貌图。通过深度学习的方法，对图中的缺陷进行特征匹配，判断缺陷的类型。进而达到机器人代替人工来检测缆索的目的。

这里需要说明的是，本发明所描述的工作状态是按照最恶劣的工况进行的，机器人运动在垂直于桥面的缆索上，本技术方案描述是为了体现机器人能够适应各种不同角度的缆索检测，而不是单一的位置结构的限定。本发明在不同斜度缆索运动时，自身能够适应150mm～200mm的杆径变化，中途无需人工干预。

本发明的缆索检测机器人攀爬、越障性能良好，可以攀爬各种倾斜角度的缆索，且缆索直径的适应面广，对缆索PE护套的外包覆层损伤小，同步驱动不会出现颤震现象，减少机器人在高空中出现卡死、打滑等现象。通过计算机控制驱动电机的转动，可以在很远的距离上控制缆索检测机器人的活动，摄像头可以将图像视频实时传输回地面，人在地面上就能够观察到缆索表面形貌的破坏程度，并根据实际情况采取相应的措施，从而确保缆索安全，具有很高的实用价值，具有非常重要的工程应用和推广价值。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，包括外框架及设于外框架内的压紧机构和轮系传动机构，其特征在于：所述外框架包括六块框架板，所述框架板依次连接围成六边形的外框架，间隔设置的框架板外侧面均设有上下对称布置的直线轴承，所述框架板的外侧面分别固定安装有电子元件和电池组；

所述压紧机构设于间隔设置的框架板上，并沿框架板上下对称布置，其一端穿过框架板外的直线轴承，另一端抵触轮系传动机构，所述压紧机构的轴线在水平面上的投影呈Y形，沿周向均布，使压紧机构同时从三个方向对缆索压紧；

所述轮系传动机构设置于对称布置的压紧机构之间，轮系传动机构在水平面上的投影呈Δ形，沿周向均布设置三个，通过压紧机构将轮系传动机构压紧在缆索表面，轮系传动机构和压紧机构在水平面上的投影在围抱缆索时形成的内切圆直径变化范围为150mm～200mm，所述轮系传动机构包括壳体组件和设置于壳体组件内的滚轮装置和驱动电机，所述滚轮装置和驱动电机分别与壳体组件固接，滚轮装置由驱动电机驱动，三个驱动电机同步驱动滚轮装置实现轮系传动机构同时从三个方向同步爬缆；

所述缆索检测机器人还包括无线适配器，所述无线适配器用于接收电子元件发射的信号并与计算机连接，通过计算机遥控检测机器人，并对传输回来的图像进行实时处理；

所述缆索检测机器人的框架板上部还设有摄像头，通过无线传输的方式将拍摄的图像视频数据传输回计算机；

所述压紧机构包括导向杆、弹簧和用于调节弹簧预紧力的螺母，所述导向杆的一端伸出直线轴承后与螺母螺接，另一端伸入与轮系传动机构固定连接的轴承座后与轮系传动机构抵触，所述弹簧套设在导向杆上并置于框架板内侧与轴承座之间，通过导向杆导向，通过螺母调节弹簧预紧力使机器人在围抱缆索时，轮系传动机构抵紧缆索、实现爬缆；

所述轮系传动机构的壳体组件包括L型导向杆支承板、L型电机安装板和翼板，所述导向杆支承板上下对称布置，电机安装板和翼板设于对称布置的导向杆支承板之间并相对设置，所述翼板沿竖向设置两块，导向杆支承板、电机安装板和翼板相互连接形成壳体；所述滚轮装置包括主动轮、从动轮和带座轴承，所述带座轴承对称设于主动轮、从动轮的转轴上，靠近翼板一侧的带座轴承与翼板固定连接，靠近电机安装板一侧的带座轴承与电机安装板固定连接，所述驱动电机固定于电机安装板并设于两块翼板之间，通过带传动为主动轮传递动力。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，其特征在于：所述框架板为铝板，框架板的左右两侧形成镂空，其中部开设有凹槽，安装有压紧机构的框架板凹槽内固定安装锂电池组，为驱动电机供电，其余框架板的凹槽内固定安装的电子元件为电机控制器和无线模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，其特征在于：所述框架板的上部还设有摄像头安装支架，用于紧固摄像头。

4.根据权利要求2所述的一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，其特征在于：所述电机控制器由计算机控制，实现三个驱动电机同步驱动。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉检测的斜拉桥缆索检测机器人，其特征在于：所述主动轮和从动轮的轮面采用聚氨酯材质制作。