CN110904836A - 一种桥梁主梁表面检测长臂机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测机械臂，特别涉及一种桥梁主梁表面检测长臂机器人。包括移动平台、机器人基座、伸缩臂组件、视觉检测云台及视觉传感器，其中机器人基座设置于移动平台上，伸缩臂组件的一端通过转向关节与机器人基座连接，另一端设有视觉检测云台，视觉传感器设置于视觉检测云台上。本发明能够解决高墩、高厚度主梁表面的检测，并且机器人轻型化能够在有限作业空间快速展开作业，减少占地面积，提高检测作业效率。

Description

一种桥梁主梁表面检测长臂机器人

技术领域

本发明涉及检测机械臂，特别涉及一种桥梁主梁表面检测长臂机器人。

背景技术

目前，桥梁表面检测用的桥检车都是采用液压机械臂，在机械臂末端装设载人观测平台或者小型机械臂进行桥梁主梁表面检测或作业，一些高墩桥梁主梁只能通过桥面桥检车向桥面下伸出液压机械臂的方式检测作业。采用液压机械臂承载刚度大、能力强、作业范围大，但整个系统本身体积庞大、质量大，检测作业占地面积大，检测作业往往占用两排或两排以上车道开展检测，效率低，且人员登高作业属危险作业。目前。没有电动机械臂能够进行桥梁检测作业，满足任务要求和负载能力的长臂展机器人设计存在困难，在机械臂连杆尺寸、杆件强度和刚度设计、关节负载能力、长臂展机械臂的运动控制等方面都限制了电驱动的桥梁检测机器人的研发。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于设计一种桥梁主梁表面检测长臂机器人，能够解决高墩、高厚度主梁表面的检测，并且机器人轻型化能够在有限作业空间快速展开作业，减少占地面积，提高检测作业效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种桥梁主梁表面检测长臂机器人，包括移动平台、机器人基座、伸缩臂组件、视觉检测云台及视觉传感器，其中机器人基座设置于移动平台上，所述伸缩臂组件的一端通过转向关节与机器人基座连接，另一端设有视觉检测云台，所述视觉传感器设置于所述视觉检测云台上，且通过所述视觉检测云台的带动下而转动。

所述伸缩臂组件包括大臂、摆臂、伸缩臂及小臂，其中大臂的一端与转向关节连接，另一端通过摆臂关节与摆臂连接，所述伸缩臂可滑动地设置于所述摆臂上，且与伸缩驱动装置连接，所述小臂的一端通过小臂转动关节与所述伸缩臂连接，另一端设有所述视觉检测云台。

所述伸缩驱动装置包括伸缩关节电机、驱动齿轮、齿条及导向轮组，其中齿条沿长度方向设置于所述伸缩臂上，所述伸缩关节电机和驱动齿轮设置于所述摆臂上，并且所述驱动齿轮与所述齿条啮合，所述伸缩关节电机的输出轴上与所述驱动齿轮传动连接；所述导向轮组设置于所述摆臂的两侧，用于为所述伸缩臂的伸缩进行导向。

所述摆臂为一侧沿长度方向设有开口的中空结构，所述伸缩臂容置于所述中空腔体内，且齿条位于所述开口处。

所述伸缩臂上沿长度方向设有用于容置所述小臂的收纳槽，所述小臂折叠后可容置于所述收纳槽内。

所述小臂与小臂转动关节连接的一端向外侧延伸有小臂配重杆。

所述转向关节通过设置于所述机器人基座上的转向关节电机驱动；所述摆臂关节通过设置于所述大臂上的摆臂关节电机驱动；所述小臂转动关节通过设置于所述伸缩臂上的小臂转动关节电机驱动。

所述移动平台的一端设有安装平台，所述安装平台包括安装基板、直线单元、定位锁紧支架及锁紧螺母，其中安装基板与所述移动平台连接，所述直线单元设置于所述安装基板上，所述机器人基座与所述直线单元连接，所述定位锁紧支架的一端与所述机器人基座连接，另一端通过锁紧螺母与所述安装基板连接，且连接位置可调。

所述移动平台上设有用于支撑所述伸缩臂组件的收拢支撑架。

所述视觉检测云台包括云台底座、驱动微电机、齿轮及转动轴承支撑，其中云台底座设置于所述小臂上，所述转动轴承支撑和所述驱动微电机设置于所述云台底座上，所述齿轮设置于所述转动轴承支撑上、且与所述驱动微电机的输出轴上设有的主动齿轮啮合；

所述视觉传感器包括RGB-D相机和工业高清相机，所述RGB-D相机和工业高清相机设置于所述转动轴承支撑的两端，通过所述驱动微电机的驱动可同步转动。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明能够实现桥梁的自动化检测。本发明提出了一种电驱动的轻质化的长臂展、多自由度桥梁主梁表面检测机器人，能够依据桥梁环境和检测作业任务，基于关节位置传感器信息和机器人的智能控制，实现桥梁智能自动化检测。

2、本发明实用化强。本发明提出的多自由度电驱动桥梁主梁检测机器人具有机构布置合理、结构简单、质轻和体积小的特点，检测作业时占地面积小，在桥面上能够快速开展检测作业，减小对交通的影响。

3、本发明机构布置合理。本发明提出的长臂展、多自由度电驱动桥梁主梁检测机器人机构是基于桥梁作业环境结构约束、作业任务和关节负载力矩完成的优化设计，确保了机器人电动驱动方案的实现和机器人作业流程的合理性。

4、本发明一次停靠能完成的检测范围广。移动平台停靠后，能够通过调整大臂、摆臂、小臂的转角和伸缩臂的长度，来实现大范围桥梁侧面检测。

5、本发明拓展能力强。能够通过调整机器人基座的高度、连杆尺度以及配重的设计来实现多种不同结构及尺寸的主梁桥面进行检测。

附图说明

图1为本发明的收拢状态的结构示意图；

图2为本发明在桥面展开作业的结构示意图；

图3为本发明安装平台的结构示意图；

图4为本发明伸缩关节的结构示意图；

图5为本发明视觉检测云台和视觉传感器的结构示意图。

其中，1为移动平台，2为安装平台，201为安装基板，202为直线单元，203为定位锁紧支架，204为锁紧螺母，3为机器人基座，4为转向关节电机，5转向关节，6为大臂，7为摆臂关节,8为摆臂关节电机，9为摆臂，10为伸缩关节电机，1001为驱动齿轮，11为伸缩关节，12为伸缩臂，1201为齿条，1202为导向轮组，13为小臂转动关节，14为小臂转动关节电机，15为小臂，16为小臂配重杆，17为视觉检测云台，1701为云台底座，1702为驱动微电机，1703为齿轮，1704为转动轴承支撑，18为视觉传感器，1801为RGB-D相机，1802为工业高清相机，19为收拢支撑架，20为桥梁主梁截面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种桥梁主梁表面检测长臂机器人，包括移动平台1、机器人基座3、伸缩臂组件、视觉检测云台17及视觉传感器18，其中机器人基座3设置于移动平台1上，伸缩臂组件的一端通过转向关节5与机器人基座3连接，另一端设有视觉检测云台17，视觉传感器18设置于视觉检测云台17上。

进一步地，移动平台1上设有用于支撑伸缩臂组件的收拢支撑架19，机器人基座3和收拢支撑架19分别设置于移动平台1的两端，伸缩臂组件收拢后末端通过收拢支撑架19支撑，如图1所示。

伸缩臂组件包括大臂6、摆臂9、伸缩臂12及小臂15，其中大臂6的一端与转向关节5连接，另一端通过摆臂关节7与摆臂9连接，伸缩臂12可滑动地设置于摆臂9上，且与伸缩驱动装置连接，小臂15的一端通过小臂转动关节13与伸缩臂12连接，另一端设有视觉检测云台17。

进一步地，转向关节5通过设置于机器人基座3上的转向关节电机4驱动；摆臂关节7通过设置于大臂6上的摆臂关节电机8驱动；小臂转动关节13通过设置于伸缩臂12上的小臂转动关节电机14驱动。

摆臂关节7的初始状态是水平状态，且伸缩臂12和小臂15均处于收拢状态，包括伸缩臂12、小臂转动关节13、小臂转动关节电机14、小臂15、视觉检测云台17和视觉传感器18等所有摆臂的负载结构件分布在摆臂关节两侧，以降低摆臂关节的转动力矩。

如图3所示，移动平台1的一端设有安装平台2，安装平台2包括安装基板201、直线单元202、定位锁紧支架203及锁紧螺母204，其中安装基板201与移动平台1连接，直线单元202设置于安装基板201上，机器人基座3与直线单元202连接，定位锁紧支架203的一端与机器人基座3连接，另一端通过锁紧螺母204与安装基板201连接，且连接位置可调。

本发明的实施例中，安装基板201和机器人基座3上设有螺纹孔；直线单元202采用导轨滑块装置，导轨与安装基板201固定，而滑块与机器人基座3固连；定位锁紧支架203始终与机器人基座3固连。在机器人基座3位置调整时，松开与安装基板201连接的锁紧螺母204，位置确定后，再次锁紧螺母。

移动平台1实现检测长臂机器人沿桥面行走，能够定点停靠和固定；安装平台2用于长臂展、电驱动机械臂的安装，其用于连接机器人基座3的连接板具有横向位置调节能力，以实现移动平台1位置不变情况下，机械臂能一定程度上靠近或远离桥梁护栏，满足机器人基座3位置调整要求。机器人基座3用于实现机械臂的整体高度，使得长臂机器人展开时能够跨越桥梁的护栏等障碍物。

如图4所示，伸缩驱动装置包括伸缩关节电机10、驱动齿轮1001、齿条1201及导向轮组1202，其中齿条1201沿长度方向设置于伸缩臂12上，伸缩关节电机10和驱动齿轮1001设置于摆臂9上，并且驱动齿轮1001与齿条1201啮合，伸缩关节电机10的输出轴上与驱动齿轮1001传动连接；导向轮组1202设置于摆臂9的两侧，用于为伸缩臂12的伸缩进行导向。

本发明的实施例中，齿条1201固定安装在伸缩臂12两侧平行布置杆件的底面，导向轮组1202固定在摆臂9的框架式杆件底部，六组导向轮构成沿摆臂9长度方向的导向通道。伸缩关节电机10旋转带动驱动齿轮1001旋转，驱动齿条1201沿导向轮组1202行程的通道伸缩。

进一步地，摆臂9为一侧沿长度方向设有开口的中空结构，伸缩臂12容置于中空腔体内，且齿条1201位于开口处。

如图1所示，伸缩臂12上沿长度方向设有用于容置小臂15的收纳槽，小臂15折叠后可容置于该收纳槽内。

本发明的实施例中，伸缩臂12的结构采用中间空、杆件两侧布置，小臂15收拢状态下，位于伸缩臂12两侧杆件的中间，其轴线与伸缩臂12平行，使整体简化、体积小。

如图2所示，小臂15与小臂转动关节13连接的一端向外侧延伸有小臂配重杆16。

本发明的实施例中，摆臂9主要是用于实现其后端杆件，包括伸缩臂和小臂及末端视觉检测云台17和视觉传感器18从水平位置展开到竖直位置，使得机械臂能够接近桥梁主梁侧面、底面；伸缩臂12主要是满足高厚度桥梁主梁结构的检测要求，能够根据桥梁厚度的不同伸长和缩短；小臂15初始状态为收拢状态，以实现运输过程中机械臂小型化的要求，在伸缩臂12伸长到位后，小臂15能够旋转展开，使其末端靠近桥梁主梁的侧面或底面。

如图5所示，视觉检测云台17包括云台底座1701、驱动微电机1702、齿轮1703及转动轴承支撑1704，其中云台底座1701设置于小臂15上，转动轴承支撑1704和驱动微电机1702设置于云台底座1701上，齿轮1703设置于转动轴承支撑1704上、且与驱动微电机1702的输出轴上设有的主动齿轮啮合。

视觉传感器18包括RGB-D相机1801和工业高清相机1802，RGB-D相机1801和工业高清相机1802设置于转动轴承支撑1704的两端，通过驱动微电机1702的驱动可同步转动。基于机械臂的规划，根据末端的位置，调整驱动微电机1702的转角，以满足目标点检测的要求。

视觉检测云台17是具有俯仰自由度的安装平台，其上搭载RGB-D相机1801和工业高清相机1802。收拢支撑架19用于检测长臂机器人折叠收拢后固定和锁紧。

本发明提供的桥梁主梁表面检测机器人收拢状态下，伸缩臂组件收拢，固定于收拢支撑架19上，小臂15收拢在伸缩臂12结构件形成的中空部位，两者共同穿过摆臂9的框架，两侧近似对称布置。视觉检测云台17及视觉传感器18安装在小臂15末端，位置靠近转向关节5的转轴。

本发明提供的桥梁主梁表面检测机器人的作业过程如下：移动平台1沿路面行走，在桥面指定地点实现定点停靠和固定。调松定位锁紧支架203上的锁紧螺母204，调整机器人基座3的位置以适应与桥梁护栏的关系，然后重新固定锁紧支架203。转向关节5中转向关节电机4旋转，驱动大臂6旋转，使大臂末端摆臂关节7转出桥面，此时摆臂关节电机8旋转，驱动摆臂9由水平状态转为竖直。之后，伸缩关节电机10旋转，带动驱动齿轮1001旋转，与之啮合的齿条1201带动伸缩臂12沿着导向轮组1202行程的轨道伸出，在伸出到达位置后，小臂15在小臂转动关节电机14带动下，绕小臂转动关节13旋转，在接近检测位置后，小臂15运动停止，依据摆臂关节7的转角和小臂转动关节13的转角位置以及主梁待检测位置，调整视觉检测云台17的驱动微电机1702，使得视觉传感器18，包括RGB-D相机1801和工业高清相机1802相机对准检测部位，开展主梁表面检测作业。此时，桥梁主梁表面检测机器人处于展开作业状态，如图2所示。

本发明与现有桥梁检测用桥检车机械臂不同，所述桥梁主梁表面检测长臂机器人关节均采用电驱动方式，大臂6、伸缩臂12和小臂15等主体材料为碳纤维管材及超硬铝等轻质、高强度材料，整体结构简单、轻型化、小型化、控制简单、位置控制精度高。

本发明的机构构型布置情况，第一个关节转向关节4，实现长臂整体转向伸出桥面；第二关节为摆臂关节7，实现长臂主体，包括摆臂9、伸缩臂12和小臂15由水平状态转为竖直，使伸缩臂10接近主梁；第三关节伸缩关节10动作，实现伸缩臂的伸出，以延长机械臂长度，适应桥梁主梁厚度的要求；第四关节为小臂转动关节13，实现末级杆件的转动，手臂末端靠近主梁，到达检测位置。视觉检测云台17具有俯仰自由度，配合小臂转动关节13的转角，实现视觉传感器18对准检测方位。该机器人机构构型简单，布局简化，降低了关节负载要求，易于实现电驱及自动化检测。

本发明提供的机器人轻型化能够在有限作业空间快速展开作业，减少占地面积，提高检测作业效率。该机器人将通过设计合理的机器人机构构型，满足作业空间和检测任务要求，结合机械臂的作业规划，降低关节的负载要求；采用合理的结构设计和轻质、高强度材料，降低机器人总体质量。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，包括移动平台(1)、机器人基座(3)、伸缩臂组件、视觉检测云台(17)及视觉传感器(18)，其中机器人基座(3)设置于移动平台(1)上，所述伸缩臂组件的一端通过转向关节(5)与机器人基座(3)连接，另一端设有视觉检测云台(17)，所述视觉传感器(18)设置于所述视觉检测云台(17)上，且通过所述视觉检测云台(17)的带动下而转动。

2.根据权利要求1所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述伸缩臂组件包括大臂(6)、摆臂(9)、伸缩臂(12)及小臂(15)，其中大臂(6)的一端与转向关节(5)连接，另一端通过摆臂关节(7)与摆臂(9)连接，所述伸缩臂(12)可滑动地设置于所述摆臂(9)上，且与伸缩驱动装置连接，所述小臂(15)的一端通过小臂转动关节(13)与所述伸缩臂(12)连接，另一端设有所述视觉检测云台(17)。

3.根据权利要求2所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述伸缩驱动装置包括伸缩关节电机(10)、驱动齿轮(1001)、齿条(1201)及导向轮组(1202)，其中齿条(1201)沿长度方向设置于所述伸缩臂(12)上，所述伸缩关节电机(10)和驱动齿轮(1001)设置于所述摆臂(9)上，并且所述驱动齿轮(1001)与所述齿条(1201)啮合，所述伸缩关节电机(10)的输出轴上与所述驱动齿轮(1001)传动连接；所述导向轮组(1202)设置于所述摆臂(9)的两侧，用于为所述伸缩臂(12)的伸缩进行导向。

4.根据权利要求3所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述摆臂(9)为一侧沿长度方向设有开口的中空结构，所述伸缩臂(12)容置于所述中空腔体内，且齿条(1201)位于所述开口处。

5.根据权利要求2所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述伸缩臂(12)上沿长度方向设有用于容置所述小臂(15)的收纳槽，所述小臂(15)折叠后可容置于所述收纳槽内。

6.根据权利要求2所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述小臂(15)与小臂转动关节(13)连接的一端向外侧延伸有小臂配重杆(16)。

7.根据权利要求2所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述转向关节(5)通过设置于所述机器人基座(3)上的转向关节电机(4)驱动；所述摆臂关节(7)通过设置于所述大臂(6)上的摆臂关节电机(8)驱动；所述小臂转动关节(13)通过设置于所述伸缩臂(12)上的小臂转动关节电机(14)驱动。

8.根据权利要求1所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述移动平台(1)的一端设有安装平台(2)，所述安装平台(2)包括安装基板(201)、直线单元(202)、定位锁紧支架(203)及锁紧螺母(204)，其中安装基板(201)与所述移动平台(1)连接，所述直线单元(202)设置于所述安装基板(201)上，所述机器人基座(3)与所述直线单元(202)连接，所述定位锁紧支架(203)的一端与所述机器人基座(3)连接，另一端通过锁紧螺母(204)与所述安装基板(201)连接，且连接位置可调。

9.根据权利要求1所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述移动平台(1)上设有用于支撑所述伸缩臂组件的收拢支撑架(19)。

10.根据权利要求1所述的桥梁主梁表面检测长臂机器人，其特征在于，所述视觉检测云台(17)包括云台底座(1701)、驱动微电机(1702)、齿轮(1703)及转动轴承支撑(1704)，其中云台底座(1701)设置于所述小臂(15)上，所述转动轴承支撑(1704)和所述驱动微电机(1702)设置于所述云台底座(1701)上，所述齿轮(1703)设置于所述转动轴承支撑(1704)上、且与所述驱动微电机(1702)的输出轴上设有的主动齿轮啮合；

所述视觉传感器(18)包括RGB-D相机(1801)和工业高清相机(1802)，所述RGB-D相机(1801)和工业高清相机(1802)设置于所述转动轴承支撑(1704)的两端，通过所述驱动微电机(1702)的驱动可同步转动。

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