CN111283651A - 一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法 - Google Patents

一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，属于桥梁钢箱梁检测技术领域。该机器人主要由磁轮机构、提升机构、摄像头模块、无损探伤模块。方法包括以下步骤：1）爬壁机器人移动至U肋间的横隔板壁面；2）提升机构辅助机器人从横隔板壁面翻越至顶板壁面；3）机器人进入相邻U肋间的顶板壁面并保持直线行进；4）机械臂带动无损探伤探头移动至贴合顶板壁面；5）探头随机器人在移动过程中检测钢箱梁的焊缝缺陷；6）机器人检测完一个U肋间顶板后，从顶板壁面翻越至横隔板壁面；7）机器人差速转向进入相邻的U肋间横隔板；8）重复上述动作，实现机器人自动巡检钢箱梁。该发明为钢箱梁提供一种简单可行、高效准确的自动巡检方法。

Description

一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法
技术领域
本发明涉及桥梁钢箱梁检测技术领域，具体涉及一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法。
背景技术
目前，桥梁钢箱梁的检测主要通过人工定期巡检。然而，人工检测存在检测效率低、劳动强度大、检测准确率低、巡检周期长等弊端。为了解决上述问题，需开发一种钢箱梁自动巡检手段和方法。因此，本发明针对应用于钢箱梁检测的爬壁机器人，设计一种自动巡检方法，以实现爬壁机器人在钢箱梁壁面的自主遍历和检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法。
该发明的方案具体内容如下：
一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，所述爬壁机器人包括磁轮机构、摄像头模块和无损探伤模块，所述的爬壁机器人还包括提升机构，磁轮机构包括前轮和后轮，所述无损探伤模块包括机械臂和安装在机械臂末端的无损探伤探头，机器人在钢箱梁壁面行进时，摄像头模块用于采集钢箱梁的表观信息；所述爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，包括以下步骤：
1)爬壁机器人移动至U肋间的横隔板壁面；
2)机器人从横隔板壁面翻越至顶板壁面：提升机构将其前轮抬起脱离横隔板壁面；随后，机器人的前轮和后轮分别在顶板壁面和横隔板壁面继续行进直至整体翻越到顶板壁面；
3)机器人进入相邻U肋间顶板壁面后，控制左右两端的磁轮机构速度大小、方向相同，使机器人在该壁面保持直线行进；
4)机器人在U肋间顶板壁面前进一定距离后，控制机械臂带动无损探伤探头移动至贴合顶板壁面并保持与U肋顶板焊缝恒定距离；
5)无损探伤探头随机器人在移动过程中检测钢箱梁的U肋顶板焊缝缺陷；
6)机器人检测完一个U肋间顶板后，从顶板壁面翻越至横隔板壁面；提升机构将其前轮抬起脱离横隔板壁面；随后，机器人的前轮和后轮分别在横隔板壁面和顶板壁面继续行进直至整体翻越到横隔板壁面；
7)控制机器人左右两端的磁轮一定的速度比，使得机器人差速转向进入相邻的U肋间横隔板壁面；
8)重复上述动作，实现机器人自动巡检钢箱梁。
进一步的，所述的提升机构包括包括舵机、舵盘、U型支架、辅助轮；舵机通过舵机支撑板安装于机器人本体上；所述舵机设有螺纹孔，与舵机支撑板通过螺钉固定连接；舵盘与舵机的转动轴相连；U型支架固定在舵盘上，辅助轮安装于U型支架上；所述提升机构将其磁轮机构抬起的具体方式为辅助轮和U型支架在舵盘的带动下转动，通过辅助轮支撑磁轮机构抬起。
进一步的，所述的提升机构为两个，设置在前轮和后轮之间，两个提升机构分别靠近前轮和后轮，向前移动翻越直角壁面时，靠近前轮的提升机构支撑前轮抬起，向后移动翻越直角壁面时，靠近后轮的提升机构支撑后轮抬起。
进一步的，所述步骤7)中，左右磁轮机构速度比的计算方法为：
机器人左、右轮的速度分别为vr、vl；左、右轮间距为w；
机器人转弯半径为：R＝w·(vr+vl)/(vr-vl)；
相邻U肋间顶板宽度为a，U肋上口宽为b；当机器人从相同位置转入下一个相邻U肋间横隔板时，2R＝a+b，此时，机器人左、右轮速度比:
vr:vl＝(a+b+2w)/(a+b-2w)。
本发明的有益效果：
1.该爬壁机器人能够过渡内直角壁面障碍，可用于实现钢箱梁内壁面的自主遍历；
2.本发明提供一种钢箱梁内检测的有效作业工具，有助于解决人工检测存在检测效率低、劳动强度大等弊端。
附图说明
图1是本发明实例中机器人的示意图；
图2为机本发明实例中机器人在钢箱梁壁面行进的三维轴测图；
图3为本发明实例中机器人从横隔板壁面翻越至顶板壁面的正视图；
图4.1为本发明实例中机器人在U肋间顶板壁面巡检的右视图；
图4.2为本发明实例中机器人在U肋间顶板壁面巡检的仰视图；
图5为本发明实例中机器人从顶板壁面翻越至横隔板壁面的正视图；
图6为本发明实例中机器人在横隔板壁面转弯进入下一个U肋间横隔板的左视剖面图；
图7为提升机构结构示意图；
图中：1-摄像头云台；2-上层支撑板；3-机械臂；4-无损探伤探头；5-磁轮机构；501-前轮；502-后轮；6-提升机构；601-舵机；602-舵盘；603-U型支架；604-辅助轮；7-机器人底板；8-电机支架；9-电机驱动板；10-电机；11-六角联轴器；12-惯性测量单元；13-超声波模块；14-元器件支撑板；15-摄像头；16-无线传输模块；17-单片机；18-电源模块；19-舵机支撑板；20-横隔板；21-U肋；22顶板；23-U肋顶板焊缝。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，爬壁机器人包括机器人本体、安装在机器人本体上的电源模块18、提升机构6、运动控制系统、摄像头模块和无损探伤模块。机器人本体包括上层支撑板2、元器件支撑板14和机器人底板7，无损探伤模块安装在无人机底板7上，摄像头模块安装在上层支撑板2上。电源模块18安装于元器件支撑板14和机器人底板7之间，为运动控制系统、摄像头模块和无损探伤模块等模块供电。
运动控制系统包括磁轮机构5、电机10、超声波模块13、单片机主控模块17、惯性测量单元12和电机驱动模块9；电机10、单片机主控模块17和电机驱动模块9均与电源模块18连接。电机支架8与机器人底板7固定连接，且电机支架8上设有电机安装孔，电机10输出轴穿过电机安装孔通过联轴器11与磁轮机构5连接。磁轮机构5用于钢箱梁内壁面的吸附、行走。电机10转动带动联轴器11和磁轮机构5转动，实现机器人行进和转向。电机驱动模块9与惯性测量单元12通过螺柱固定连接，并安装在机器人底板7上表面，单片机主控模块17通过螺柱安装在元器件支撑板14的上表面。单片机主控模块17通过导线分别与电机驱动模块9、惯性测量单元12、超声波模块13连接，控制磁轮机构5的运动，及采集惯性测量单元12、超声波模块13的数据，从而实现运动速度、倾角的采集与控制。
摄像头模块包括摄像头云台1、摄像头15。摄像头云台1安装于上层支撑板2，摄像头15固定在摄像头云台1上；通过摄像头云台1的转动，摄像头15可以获取钢箱梁内部不同方位的表观信息。
无损探伤模块包括机械臂3、无损探伤探头4。机械臂3安装于机器人底板7上，与电源模块18和单片机主控模块17连接，无损探伤探头4安装在机械臂3的末端。通过机械臂3带动无损探伤探头4转动，使探头贴紧工作壁面并对准待检测的焊缝；随后，机器人在行进的过程中，无损探伤探头4可以持续检测钢箱梁的焊缝缺陷，并将数据通过电缆传输给爬壁机器人外部的无损探伤仪。
提升机构6通过舵机支撑板19安装于机器人底板7上，可用于辅助机器人翻越钢箱梁的内直角壁面。所述的提升机构6为两个，设置于前轮501和后轮502之间，使爬壁机器人向前或者向后移动均能够实现翻越直角壁面。提升机构6包括舵机601、舵盘602、U型支架603、辅助轮604组成；提升机构6的舵机601通过舵机支撑板19安装于机器人底板7，且舵机601与单片机主控模块17连接；U型支架603安装在舵盘602上，所述舵机601设有螺纹孔，与舵机支撑板19通过螺钉固定连接；舵盘602与舵机601的转动轴相连；辅助轮604安装于U型支架603上。翻越直角壁面时，辅助轮604和U型支架603通过舵盘602实现相对于机器人的转动。
所述机器人还设有与单片机主控模块17连接的无线传输模块16，无线传输模块16安装在元器件支撑板14上，用于数据的无线传输。
所述机器人的钢箱梁巡检方法，具体包括以下步骤：
1)爬壁机器人移动至U肋间的横隔板20壁面；
2)机器人从横隔板20壁面翻越至顶板22壁面。如图3所示，机器人在横隔板20壁面行进至靠近顶板22壁面时，提升机构6的辅助轮604和U型支架603绕着舵轮602转动，通过辅助轮604支撑将前轮501抬起，使机器人前轮脱离横隔板20壁面；随后，机器人的前轮和后轮分别在顶板22壁面和横隔板20壁面继续行进直至整体翻越到顶板壁面；当从机器人前方翻阅直角壁面时，靠近前轮501的提升机构6将前轮501撑起，从而前轮501离开原始移动平面，移动至直角壁面，从而是实现翻越直角壁面；当机器人从向后移动，从后方翻越直角壁面时，靠近后轮的提升机构6将后轮撑起，从而后轮502离开原始移动平面，移动至直角壁面，从而实现翻越直角壁面。
3)机器人进入相邻U肋间顶板22壁面后，控制左右两端的磁轮5速度大小、方向相同，使机器人在该壁面保持直线行进，如图4所示；
4)机器人在U肋间顶板22壁面前进一定距离后，控制机械臂3带动无损探伤探头4移动至贴合顶板22壁面并保持与U肋顶板焊缝23恒定距离；
5)无损探伤探头4随机器人在移动过程中检测钢箱梁的U肋顶板焊缝缺陷；
6)机器人检测完一个U肋间顶板后，从顶板壁面翻越至横隔板壁面。如图5所示，机器人在顶板22壁面行进至靠近横隔板20壁面时，提升机构6的辅助轮604和U型支架603绕着舵轮602转动，通过辅助轮604支撑将前轮501抬起，使机器人前轮脱离顶板22壁面；随后，机器人的前轮和后轮分别在横隔板20壁面和顶板22壁面继续行进直至整体翻越到横隔板20壁面；
7)控制机器人左右两端的磁轮机构5一定的速度比，使机器人差速转向进入相邻的U肋间横隔板20壁面，如图6所示；
速度比的计算方法为：
机器人左、右轮的速度分别为vr、vl；左、右轮间距为w；
机器人转弯半径为：R＝w·(vr+vl)/(vr-vl)；
相邻U肋间顶板宽度为a，U肋上口宽为b；当机器人从相同位置转入下一个相邻U肋间横隔板时，2R＝a+b，此时，机器人左、右轮速度比:
vr:vl＝(a+b+2w)/(a+b-2w)。
8)重复上述动作，实现机器人自动巡检钢箱梁。
通过上述方式，可以实现机器人自主遍历钢箱梁内壁面；同时，结合搭载的摄像头15和无损探伤探头4，获取桥梁的状态数据，以此实现钢箱梁的自主巡检。

Claims (4)

1.一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，所述爬壁机器人包括磁轮机构(5)、摄像头模块和无损探伤模块，其特征在于所述的爬壁机器人还包括提升机构(6)，磁轮机构(5)包括前轮(501)和后轮(502)，所述无损探伤模块包括机械臂(3)和安装在机械臂(3)末端的无损探伤探头(4)，机器人在钢箱梁壁面行进时，摄像头模块用于采集钢箱梁的表观信息；所述爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，包括以下步骤：
1)爬壁机器人移动至U肋(21)间的横隔板(20)壁面；
2)机器人从横隔板(20)壁面翻越至顶板(22)壁面：提升机构(6)将其前轮(501)抬起脱离横隔板(20)壁面；随后，机器人的前轮(501)和后轮(502)分别在顶板(22)壁面和横隔板(20)壁面继续行进直至整体翻越到顶板(22)壁面；
3)机器人进入相邻U肋(21)间顶板(22)壁面后，控制左右两端的磁轮机构(5)速度大小、方向相同，使机器人在该壁面保持直线行进；
4)机器人在U肋(21)间顶板(22)壁面前进一定距离后，控制机械臂(3)带动无损探伤探头(4)移动至贴合顶板(22)壁面并保持与U肋顶板焊缝(23)恒定距离；
5)无损探伤探头(4)随机器人在移动过程中检测钢箱梁的U肋顶板焊缝(23)缺陷；
6)机器人检测完一个U肋(21)间顶板后，从顶板(22)壁面翻越至横隔板(20)壁面；提升机构(6)将其前轮(501)抬起脱离横隔板(20)壁面；随后，机器人的前轮(501)和后轮(502)分别在横隔板(20)壁面和顶板(22)壁面继续行进直至整体翻越到横隔板(20)壁面；
7)控制机器人左右两端的磁轮(5)一定的速度比，使得机器人差速转向进入相邻的U肋(21)间横隔板(20)壁面；
8)重复上述动作，实现机器人自动巡检钢箱梁。
2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，其特征在于所述的提升机构(6)包括舵机(601)、舵盘(602)、U型支架(603)、辅助轮(604)；舵机(601)通过舵机支撑板(19)安装于机器人本体上；所述舵机(601)设有螺纹孔，与舵机支撑板(19)通过螺钉固定连接；舵盘(602)与舵机(601)的转动轴相连；U型支架(603)固定在舵盘(602)上，辅助轮(604)安装于U型支架(603)上；所述提升机构(6)将其磁轮机构(5)抬起的具体方式为辅助轮(604)和U型支架(603)在舵盘(602)的带动下转动，通过辅助轮(604)支撑磁轮机构(5)抬起。
3.根据权利要求2所述的一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，其特征在于所述的提升机构(6)为两个，设置在前轮(501)和后轮(502)之间，两个提升机构(6)分别靠近前轮(501)和后轮(502)，向前移动翻越直角壁面时，靠近前轮(501)的提升机构(6)支撑前轮(501)抬起，向后移动翻越直角壁面时，靠近后轮(502)的提升机构(6)支撑后轮(502)抬起。
4.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的钢箱梁巡检方法，其特征在于所述步骤7)中，左右磁轮机构(5)速度比的计算方法为：
机器人左、右轮的速度分别为vr、vl；左、右轮间距为w；
机器人转弯半径为：R＝w·(vr+vl)/(vr-vl)；
相邻U肋间顶板宽度为a，U肋上口宽为b；当机器人从相同位置转入下一个相邻U肋间横隔板时，2R＝a+b，此时，机器人左、右轮速度比:
vr:vl＝(a+b+2w)/(a+b-2w)。
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