CN109989343B - 一种导轨式桥梁检测机器人及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，该机器人包括：机械平台以及视觉平台；其中，机械平台包括：下部支座、下部传动杆、上部支座、上部传动杆、链轮、链条、导轨、电机以及电机支座；下部支座与上部支座上下对应，多个下部支座通过下部传动杆相连，多个上部支座通过上部传动杆相连，上下对应的上部支座上的链轮与下部支座上的链轮通过链条相连，导轨水平设置，与链条相连；电机用于驱动传动杆转动，进而带动链轮转动，进而带动链条转动，进而带动导轨上下运动。该方法包括：控制电机正转，带动导轨到达指定高度；控制视觉平台沿导轨水平运动，采集数据；控制电机反转，带动导轨回到原位。本发明性能可靠，施工快速、检测效率高。

Description

一种导轨式桥梁检测机器人及其施工方法

技术领域

本发明涉及桥梁检测技术领域，特别涉及一种导轨式桥梁检测机器人及其施工方法。

背景技术

桥梁结构是一种大型的土木工程结构，因荷载作用、疲劳与腐蚀效应、材料老化以及缺乏及时的维修,使用期内不可避免地产生损伤累积、抗力衰退而影响结构寿命，甚至导致突然事故。因此对已建成和正在使用的结构和设施及采用有效手段对其安全状况进测、评估、识别、控制和修复损伤，以防止事故的发生。桥梁健康监測的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监测与评估，为桥梁工程在特殊气候、交通条件下运营状态严重异常时发出预警信号,为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导。对于安全等级偏低的桥梁，为了保证其正常通车，也为了保证每一位乘客的人身安全，需要及时对其进行加固，桥梁的安全等级如果通过目测或者触觉无法感受到，只有通过检测设备才能准确评估，并且根据检测结果采取措施提升桥梁的安全性能。

人工检测是桥梁检测的常用方法。人工检测一般是利用目视的方式对整座桥梁做全面性的检查。检测过程中视需要于重要部位、破裂部位、缺陷或异常现象部位拍摄照片,以为而后判断之参考，另以数量化步骤对各个构件进行评估，以建立桥梁现况之基本管理资料，最后依权重分配得到本桥的综合评估。目视检测之最大优点是执行容易、省时且耗费不多，但存在检测效率低、检测精度低、劳动强度大、安全性低等诸多不足之处。

随着人工智能技术的快速发展，机器人应用于各个领域。它有着经济、高效、准确、安全等许多显著的优点。因此，如果可以找到一种检测方法，将机器人与桥梁检测结合起来，充分发挥出机器人检测安全高效的特点，将实现桥梁建在效率、准确性及成本等方面的优化与提升。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，通过机器人系统机械平台和视觉平台的协同工作，实现安全、高效的桥梁检测，克服了传统桥梁检测效率低、精度低的缺点，充分发挥了机器人系统检测性能的优势。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种导轨式桥梁检测机器人，其包括：机械平台以及视觉平台；其中，所述机械平台包括：下部支座、下部传动杆、上部支座、上部传动杆、链轮、链条、导轨、电机以及电机支座；

所述下部支座包括平行设置的多个，所述上部支座包括平行设置的多个；

所述下部支座与所述上部支座的数量相同，所述下部支座的位置与所述上部支座的位置上下对应；

每个所述下部支座以及每个所述上部支座上都设置有所述链轮；

多个所述下部支座上的所述链轮通过所述下部传动杆相连；

多个所述上部支座上的所述链轮通过所述上部传动杆相连；

所述上部支座上的所述链轮与对应的所述下部支座上的所述链轮通过所述链条相连，形成封闭传送带；

所述导轨与多个所述链条相连接，所述导轨平行设置；

所述电机设置在所述电机支座上；所述电机用于驱动所述下部传动杆转动，进而带动所述链轮转动，进而带动所述链条转动，进而带动所述上部传动杆转动以及所述导轨上下运动；

所述视觉平台设置在所述机械平台的所述导轨上，所述导轨用于使所述视觉平台沿其进行水平运动，所述视觉平台用于进行视频录制以及照片拍摄。

较佳地，所述机械平台还包括：节点；

所述节点设置于所述链条与所述导轨的连接处，用于加固所述链条与所述导轨的连接。

较佳地，所述节点的节点板上包括至少四个螺栓孔，分别为：左右端的两个螺栓孔以及中间竖排的两个螺栓孔；

所述左右端的两个螺栓孔与所述导轨连接，用于限制所述导轨的平面内移动以及平面内转动；

所述中间竖排的两个螺栓孔与所述链条相连，用于限制节点平面被转动。

较佳地，所述电机以及所述电机支座也通过所述下部传动杆相连。这样设置使得机械平台更加一体化，结构更稳定。

较佳地，所述上部支座和/或所述下部支座和/或所述电机支座设置有滑动底板，用于调节所述上部支座和/或所述下部支座和/或所述电机支座的竖直高度。

较佳地，所述滑动底板包括：滑块、滑动轴以及固定轴；其中，

所述滑块与所述上部支座和/或所述下部支座和/或所述电机支座相连；

所述滑动轴穿过所述滑块，用于限制滑块平面外转动；

所述固定轴用于卡紧所述滑块，以限制所述滑块的竖直方向滑动。

较佳地，所述视觉平台包括：遥控小车、测距模块以及摄像模块；其中，

所述测距模块以及所述摄像模块设置在所述遥控小车上；

所述遥控小车用于沿所述导轨进行水平运动；

所述测距模块用于采集所述遥控小车的位置信息以控制所述遥控小车的运行与停止；

所述摄像模块用于进行视频录制以及照片拍摄。

较佳地，所述摄像模块包括：摄像机以及摄像云台；其中，

所述摄像机设置于所述摄像云台上，所述摄像云台用于对所述摄像机的角度进行控制。

较佳地，导轨采用铝合金材料制成，由于导轨重量大部分由链条承担，考虑到系统的效率问题，故导轨选用铝合金材料，从而减少竖向荷载，减轻惯性对电机系统启动和刹车的影响。

本发明还提供一种导轨式桥梁检测机器人的施工方法，其包括以下步骤：

S91：打开正反转控制开关，控制电机正向转动，带动传动杆、链轮、链条以及导轨同步运动，当导轨到达指定高度时，关闭所述正反转控制开关，使所述导轨维持在所述指定高度；

S92：控制视觉平台在所述导轨上水平移动，进行视频拍摄和数据采集；

S93：打开正反转控制开关，控制所述电机反向转动，带动传动杆、链轮、链条以及导轨同步运动，使所述导轨回到原位。

较佳地，所述步骤S92与所述步骤S93之间还包括：

S101：重复步骤S11～S12，直至所有的采集都完成。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，建造简单快速，拆卸也很方便，在作为桥梁检测的应用上有很大的优势；

(2)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，检测效率高，节约时间，不用人工检测过程中所需要的安装和拆卸脚手架等设备；

(3)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，检测精度高，相比于人工检测的肉眼观察，机器检测不会受到人的主观因素的影响；

(4)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，劳动强度得到缓解，由于桥梁多，检测工作量大，不需要单纯的依靠人工完成，大多部分工作仅需要机器完成；

(5)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，安全性高，人工检测人员需要到桥底下进行检测，没有安全保障；

(6)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，成本大大减小，机器检测不需要使用大量的人力、物力进行检测，花费大大降低；

(7)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，信息化程度高，可以精确建立桥梁裂缝历史数据，便于危险桥梁的管理和维护，快速获得所监控桥梁的健康信息；

(8)本发明的导轨式桥梁检测机器人及其施工方法，方便执行，进行人工桥梁检测时往往需要封路保障工作人员的安全，造成交通堵塞，但是智能桥梁检测机器人完全能解决这项问题，在不影响桥梁运行的情况下全面准确的进行检测。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的结构示意图；

图2a为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的下部传动杆以及上部传动杆的示意图；

图2b为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的下部传动杆以及上部传动杆的剖面图；

图3a～3c为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的下部支座以及电机支座的组装示意图；

图4a～4c为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的上部支座的组装示意图；

图5a～5b为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的导轨的组装示意图；

图6为本发明的一实施例的导轨式桥梁检测机器人的施工方法的流程图。

标号说明：1-下部支座，2-下部传动杆，3-上部支座，4-上部传动杆，5-链条，6-导轨，7-电机支座，8-节点；

Z01-底板，Z02A-滑块，Z03-垫块；

T01-底板；

D01-轮轨，D02-托板，D03-箱梁，D04-端板。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参考图1，本实施例对本发明的导轨式桥梁检测机器人进行详细描述，如图1所示，其包括：机械平台以及视觉平台(图中未示出)；其中，机械平台包括：下部支座1、下部传动杆2、上部支座3、上部传动杆4、链轮、链条5、导轨6、电机以及电机支座7。其中，下部支座1包括平行设置的多个，上部支座3包括平行设置的多个；下部支座1与上部支座3的数量相同，且下部支座1的位置与上部支座3的位置上下对应；每个下部支座1以及每个上部支座3上都设置有链轮；多个下部支座1上的链轮通过下部传动杆2相连；多个上部支座3上的链轮通过上部传动杆4相连；上部支座3上的链轮与对应的下部支座1上的链轮通过链条5相连，形成封闭传送带；导轨6与多个链条5相连接，导轨6平行设置；电机设置在电机支座7上；电机用于驱动下部传动杆2转动，进而带动链轮转动，进而带动链条5转动，进而带动上部传动杆转动4以及导轨6上下运动；视觉平台设置在机械平台的导轨6上，导轨6用于使视觉平台沿其进行水平运动，视觉平台用于进行视频录制以及照片拍摄。

本实施例中，下部支座以及上部支座都以两个为例，不同实施例中，也可以包括两个以上。本实施例中，为了使链条与导轨的连接更稳定，机械平台还包括：节点8，节点8设置于链条5与导轨6的连接处。

一实施例中，传动杆的主要功能是传导电机动力。传动杆的尺寸与电机孔、链轮孔的尺寸相匹配。为保证系统的正常运行，选用光圆直杆作为传动杆，材料为不锈钢，充分保证了传动杆的抗扭承载能力。传动杆包括上部传动杆和下部传动杆，下部传动杆与链轮接触部位设置卡槽，防止传动杆与链轮发生相对滑动。传动杆的示意图如图2a所示，图2b为其剖面图。

一实施例中，为了减轻重量，下部支座以及电机支座均使用铝合金材料，下部支座用于下部传动杆两端的固定和电机动力的传导，电机支座用于电机的支持和固定。较佳实施例中，下部支座以及电机支座设置有滑动底板，用于调节其高度。下部支座及电机支座包括底板Z01、滑动底板Z02A、垫块Z03及相应螺栓等部分。其中底板设置有M6螺栓，用于将支座固定于墙面上；底板设置有凸起翼缘，并开有螺栓孔，用于滑动底板的固定和移动；在滑动底板上设置有垫块，用于调节轴承支座的高度，使其与链轮配套使用，下部支座以及电机支座的组装示意图如图3a～3c所示。

较佳实施例中，滑动底板包括：滑块、滑动轴以及固定轴；其中，滑块与下部支座以及电机支座相连；滑动轴穿过滑块，用于限制滑块平面外转动；固定轴用于卡紧滑块，以限制滑块的竖直方向滑动。

一实施例中，链条的作用是传递动力，并带动导轨的上下移动。链条不易于定制，因此选用成品工业链条作为该系统的传动装置。考虑到侧向刚度、节点布置等因素，要求链条单节不能过细，需要有一定的抗侧刚度，又要保证链条结构简单，不影响其他零部件的布置。如：可以选用20A-1型工业传动链条。

一实施例中，上部支座由于安装位置较高，安装后难以进行调节，因此不设置滑动底板。上部支座包括：底板T01以及垫块。其中底板设置有M6螺栓，用于将支座固定于墙面上，但是其排布方式与下部支座不同；垫块设置在底板上，用于调节轴承支座的高度，使其与链轮配套使用。上部支座的组装示意图如图4a～4c所示。较佳实施例中，上部支座也可设置滑动底板，用于调节其高度。

一实施例中，导轨的主要功能是带动视觉平台上下移动，并为视觉平台提供水平移动的平台。为了减少安装和拆卸工作，确保试验系统可以重复使用，导轨与其他部件的连接采用螺栓连接。由于导轨重量大部分由链条承担，考虑到系统的效率问题，故导轨选用铝合金材料，从而减少竖向荷载，减轻惯性对电机系统启动和刹车的影响。导轨零件包括轮轨D01、托板D02、箱梁D03及端板D04。轮轨D01采用成品U型铝槽，两条轮轨通过铆钉与底部托板D02相连，增强导轨的整体性。单条轮轨上开设2列M6螺栓孔，轮轨两侧各开有圆孔，用于螺栓连接。端板D04位于导轨两端，通过/>螺栓与轮轨相连。端板能够防止视觉平台滑出导轨掉落。端板整体构造为C字型，开有2个/>螺栓孔，用于与链条节点连接。导轨的组装示意图如图5a～5b所示。

较佳实施例中，节点主要功能是连接链条和导轨，使链条的运动能够带动导轨上下运动。节点由节点板和配套螺栓组成，采用铝合金材料，减轻节点的重量。较佳实施例中，节点板设有至少4个螺栓孔，分别为：左右端的两个螺栓孔以及中间竖排的两个螺栓孔；左右端的两个螺栓孔与导轨连接，用于限制导轨的平面内移动以及平面内转动；中间竖排的两个螺栓孔与链条相连，用于限制节点平面被转动。节点上分别有2个螺栓孔，用于节点与链条、节点与导轨端板的连接。

上述实施例中的导轨式桥梁检测机器人建造简单快速，拆卸也很方便，下面对其组装方法进行详细描述，其包括：

1)支座布置

将底部支座、电机支座、上部支座安装固定于指定位置；

2)下部传动杆组装

下部支座、电机支座上分别布置有轴承支座、链轮及电机，由传动杆连接。传动杆依次穿过第一下部轴承支座、第一下部链轮、第二下部轴承支座、电机、第三下部轴承支座、第二下部链轮、第四下部轴承支座，并通过锁紧轴承支座将各部件位置固定；

3)上部传动杆安装

左右上部支座由传动杆连接。传动杆依次穿过第一上部轴承支座、第一上部链轮、第二上部轴承支座、第三上部轴承支座、第二上部链轮、第四上部轴承支座，并通过锁紧轴承支座将各部件位置固定；

4)链条拼装

链条与节点板连接，组装节点；

5)导轨拼装

导轨由U型轨道、底托板及端板组成。左右U型轨道通过底托板连接成整体，并通过轴杆安装端板，形成铰接；

6)机械平台组装

将组装完成的上部传动杆、下部传动杆分别安装在相应支座处，将链条依次穿过上部支座链轮，下部支座链轮，形成封闭传送带。链条上的节点调整在同一水平高度；将导轨端板处螺栓孔与节点相连，形成完整机械平台；

7)电源安装

电源包括导线、正反转控制开关及变压器。按照外部电源(220V)——变压器(12V)——正反转控制开关——电机的顺序完成电路组装。

一实施例中，视觉平台包括：遥控小车、测距模块以及摄像模块。其中，测距模块以及摄像模块设置在遥控小车上；遥控小车用于沿导轨进行水平运动；测距模块用于采集遥控小车的位置信息以控制遥控小车的运行与停止；摄像模块用于进行视频录制以及照片拍摄。

较佳实施例中，视觉平台在采集数据的同时，还收集该图片的相对位置信息，为以后的图像拼接，生成全景图像提供数据。

较佳实施例中，遥控车重量约为850g；主板频率为2.400—2.4835GHz。遥控车使用高强度PCB底盘，设有4WD直流电机驱动，配备两路L298P大功率电机驱动芯片，并采用7.4V可充电锂电池组供电。此外，遥控车还支持Linux Python2.7编程，可使用手机APP、PC客户端及Web网页控制等多种方式遥控。

较佳实施例中，摄像模块包括：高清摄像机以及摄像云台。高清摄像机净重38g，支持30万像素(640*480P)拍照和摄像工作，支持Windows、Linux及Openwrt等多个系统。高清摄像机随着视觉平台的移动，对目标表面不同部位进行图像采集工作，其照片的输出格式为Mjpeg输出。此外，高清摄像头支持手动对焦和水平360度自由旋转，拥有更广的拍摄视角，其与主板通过USB接口连接，将收集的图像信息通过主板上的无线模块传输给计算机终端。摄像云台由两个舵机组成，分别对摄像机的水平角度和竖直角度进行控制。舵机通过杜邦线与主板相连，能通过无线模块接收计算机终端指令，进行角度的调节，从而协助摄像机采集不同位置的图像信息。舵机由PWM进行角度控制，PWM的高电平时间0.5～2.5ms对应舵机的0～180度。舵机两端存在死区，长时间在死区范围内工作，会导致舵机损毁，一般来说，舵机的工作区域为20～160度。

较佳实施例中，测距模块可以采用超声波测距或者红外测距。

一实施例中，还提供一种应用于上述导轨式桥梁检测机器人的施工方法，其流程图如图6所示，包括以下步骤：

S91：打开正反转控制开关，控制电机正向转动，带动传动杆、链轮、链条以及导轨同步运动，当导轨到达第一指定高度时，关闭正反转控制开关，使导轨维持在第一指定高度；

S92：控制视觉平台在导轨上水平移动，进行视频拍摄和数据采集；

S93：打开正反转控制开关，控制电机反向转动，带动传动杆、链轮、链条以及导轨同步运动，使导轨回到原位。

较佳实施例中，为了使采集的数据更准确、更全面，施工过程中也可以包括多个指定高度。具体地，步骤S92～93之间还包括：S101：重复步骤S11～S12，使导轨到达第二指定高度，完成在第二指定高度的视频拍摄和数据采集，甚至更多的指定高度，直至所有的采集都完成。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种导轨式桥梁检测机器人，其特征在于，包括：机械平台以及视觉平台；其中，

所述机械平台包括：下部支座、下部传动杆、上部支座、上部传动杆、链轮、链条、导轨、电机以及电机支座；

所述下部支座包括平行设置的多个，所述上部支座包括平行设置的多个；

所述下部支座与所述上部支座的数量相同，所述下部支座的位置与所述上部支座的位置上下对应；

每个所述下部支座以及每个所述上部支座上都设置有所述链轮；

多个所述下部支座上的所述链轮通过所述下部传动杆相连；

多个所述上部支座上的所述链轮通过所述上部传动杆相连；

所述上部支座上的所述链轮与对应的所述下部支座上的所述链轮通过所述链条相连，形成封闭传送带；

所述导轨与多个所述链条相连接，所述导轨平行设置；

所述电机设置在所述电机支座上；所述电机用于驱动所述下部传动杆转动，进而带动所述链轮转动，进而带动所述链条转动，进而带动所述上部传动杆转动以及所述导轨上下运动；

所述视觉平台设置在所述机械平台的所述导轨上，所述导轨用于使所述视觉平台沿其进行水平运动，所述视觉平台用于进行视频录制以及照片拍摄；

所述机械平台还包括：节点；

所述节点设置于所述链条与所述导轨的连接处，用于加固所述链条与所述导轨的连接；

所述节点的节点板上包括至少四个螺栓孔，分别为：左右端的两个螺栓孔以及中间竖排的两个螺栓孔；

所述左右端的两个螺栓孔与所述导轨连接，用于限制所述导轨的平面内移动以及平面内转动；

所述中间竖排的两个螺栓孔与所述链条相连，用于限制节点平面被转动；

所述下部支座和所述电机支座设置有滑动底板，用于调节所述下部支座和所述电机支座的竖直高度；

所述滑动底板包括：滑块、滑动轴以及固定轴；其中，

所述滑块与所述下部支座或所述电机支座相连；

所述滑动轴穿过所述滑块，用于限制滑块平面外转动；

所述固定轴用于卡紧所述滑块，以限制所述滑块的竖直方向滑动。

2.根据权利要求1所述的导轨式桥梁检测机器人，其特征在于，所述电机以及所述电机支座也通过所述下部传动杆相连。

3.根据权利要求1所述的导轨式桥梁检测机器人，其特征在于，所述视觉平台包括：遥控小车、测距模块以及摄像模块；其中，

所述测距模块以及所述摄像模块设置在所述遥控小车上；

所述遥控小车用于沿所述导轨进行水平运动；

所述测距模块用于采集所述遥控小车的位置信息以控制所述遥控小车的运行与停止；

所述摄像模块用于进行视频录制以及照片拍摄。

4.根据权利要求3所述的导轨式桥梁检测机器人，其特征在于，所述摄像模块包括：摄像机以及摄像云台；其中，

所述摄像机设置于所述摄像云台上，所述摄像云台用于对所述摄像机的角度进行控制。

5.一种导轨式桥梁检测机器人的施工方法，其特征在于，所述导轨式桥梁检测机器人为权利要求1至4任一项所述的导轨式桥梁检测机器人；其包括以下步骤：

S91：打开正反转控制开关，控制电机正向转动，带动传动杆、链轮、链条以及导轨同步运动，当导轨到达指定高度时，关闭所述正反转控制开关，使所述导轨维持在所述指定高度；

S92：控制视觉平台在所述导轨上水平移动，进行视频拍摄和数据采集；

S93：打开正反转控制开关，控制所述电机反向转动，带动传动杆、链轮、链条以及导轨同步运动，使所述导轨回到原位。

6.根据权利要求5所述的导轨式桥梁检测机器人的施工方法，其特征在于，所述步骤S92与所述步骤S93之间还包括：

S101：重复步骤S11~S12，直至所有的采集都完成。