CN114137085A - 一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人及其检测方法，其装设于吊车上，它包括：机械臂关节组，其具有末端驱动臂；防生夹指，其装设于末端驱动臂，所述防生夹指一端连接超声波探头，超声波探头连接压力传感器；视觉系统，其具有双目相机，所述双目相机用于获取图像数据并反馈给工况机或地面计算机终端；所述超声波探头接触或贴上检测目标时，所述压力传感器反馈受力信息并提示阈值警告；警告后停止运转且开始启动所述超声波探头进行超声波检测，实时安全快速检测钢管混凝土拱桥的混凝土脱空现象，从而有效措施灌浆处理桥梁的钢管混凝土脱空；且能耗低，检测作业动作快捷、安全可靠，适用性强等技术特点；因此，它在技术性、经济性和实用性均具突出的性能。
Description
技术领域
本发明涉及土木结构健康监测与双目视觉技术领域，特别涉及一种桥梁损伤检测机器人及其检测方法。
背景技术
钢管混凝土拱桥由于其施工在空中进行钢管对接后混凝土泵送注浆，较容易出现内部混凝土脱空脱离现象，脱空会造成结构承载力严重下降引发结构损伤破坏。目前人们对拱桥的钢管混凝土内部脱空检测仍是人工爬到高空用超声波仪和锤击法进行检测。通常人工检测时，先对待检测面涂黄油，再用手持探头与钢管接触，同时记录超声波测量数据。特别是在川藏和云贵高原地区的极端恶劣条件下施工，危险性极大。而对拱桥下部的关键部位检测难度较大，甚至需要多个施工人员共同作业。目前仍然没有视觉辅助定位与超声波探伤结合的机器人相关装置。为克服上述问题，我们研制了一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人及其检测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供本发明所要解决的技术问题是要提供一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人及其检测方法，实时安全快速检测钢管混凝土拱桥的混凝土脱空现象，从而有效措施灌浆处理桥梁的钢管混凝土脱空；且能耗低，检测作业动作快捷、安全可靠，适用性强等技术特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其装设于吊车上，它包括：
机械臂关节组，其具有末端驱动臂；
防生夹指，其装设于末端驱动臂，所述防生夹指一端连接超声波探头，超声波探头连接压力传感器；
视觉系统，其具有双目相机，所述双目相机用于获取图像数据并反馈给工况机或地面计算机终端；所述超声波探头接触或贴上检测目标时，所述压力传感器反馈受力信息并提示阈值警告；警告后停止运转且开始启动所述超声波探头进行超声波检测，同时所述视觉系统开始确定下一个微移动坐标点；
所述视觉系统识别且定位所述检测目标，以获得三维空间定位坐标并传给所述压力传感器，所述超声波探头紧贴在检测点，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速；以变换不同位置获取并记录对应的检测数据。
于本发明的一个或多个实施例中，所述防生夹指为超声波探头的外锥圆紧密配合而提供内锥孔，所述超声波探头具有倒勾和半圆槽，倒勾配合内锥孔的定位部以压紧所述超声波探头。
于本发明的一个或多个实施例中，所述超声波探头连接超声波探伤仪，它们通过数据线相连接，所述超声波探伤仪与地面人员的后台计算机无线连接。
于本发明的一个或多个实施例中，所述视觉系统包括网络通信摄像头，所述网络通信摄像头用于监控超声波探伤仪显示的检测结果和机器人检测工况情况，从而反馈给地面工作人员对数据进行记录和分析检测点信息数据。
于本发明的一个或多个实施例中，所述工况机与地面计算机终端无线连接。
本发明还提供一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人的检测方法，包括上述方案中基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其检测步骤如下：
步骤一，通过双目相机标定获取用于校正拍摄图像畸变的相机内部参数矩阵和畸变参数矩阵；同时进行双目立体视觉的标定，得到两个相机之间的位置关系和用于双目校正的重投影矩阵；
步骤二，用视觉系统的坐标转换功能，将双目相机坐标系下的三维坐标转换至机器人用户坐标系下，并通过串口将数据传输给机器人；
步骤三，机器人根据所获得钢管表面离相机最近一处的三维空间坐标值，控制防生夹指运动至该弧形面处，机械手把超声波探头与该钢管弧面贴合；超声波探头具有弹性圆弧倒角，便于配合任何弧度的钢管接触面相切并紧贴且无须人工涂抹黄油；
步骤四，接触后，具有力反馈阈值的压力传感器进行预警，机械臂停止运动、开始测量，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速；
步骤五，超声波测量完成后，机器人复位；变换两次小位置距离，依次记录对应的检测数据；通过三组共六轮数据，完成一个检测位置的检测过程。
进一步地，所述步骤五中，所述变换两次小位置距离为10至 20mm。
本发明同背景技术相比存在以下有益效果：
由于采用了上述的方案，实时安全快速检测钢管混凝土拱桥的混凝土脱空现象，从而有效措施灌浆处理桥梁的钢管混凝土脱空；且能耗低，检测作业动作快捷、安全可靠，适用性强等技术特点；因此，它在技术性、经济性和实用性均具突出的性能。
附图说明
图1为本发明一个实施例中一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人的防生夹指和超声波探头的剖面结构示意图；
附图中所示出形状、构造并理解得出的方案，附图的各种部件不一定是按比例的，并且附图的各种部件和元件的尺寸可以进行放大或缩小，从而更清楚地说明本文描述的本发明的实施方案。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
附图所显示的方位不能理解为限制本发明的具体保护范围，仅供较佳实施例的参考理解，可以图中所示的产品部件进行位置的变化或数量增加或结构简化。
说明书中所述的“连接”及附图中所示出的部件相互“连接”关系，可以理解为固定地连接或可拆卸连接或形成一体的连接；可以是直接相连或通过中间媒介相连，本领域普通技术人员可以根据具体情况理解连接关系而可以得出螺接或铆接或焊接或卡接或嵌接等方式以适宜的方式进行不同实施方式替用。
说明书中所述的上、下、左、右、顶、底等方位词及附图中所示出方位，各部件可直接接触或通过它们之间的另外特征接触；如在上方可以为正上方和斜上方，或它仅表示高于其他物；其他方位也可作类推理解。
下面结合说明书的附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确；且旨在解释本发明而不能理解为对本发明的限制。
参见图1-2中所示出的，本发明较佳的提供实施例是一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其装设于吊车1上，它包括机械臂关节组2、防生夹指3、超声波探头4、视觉系统5、工况机6和地面计算机终端7，机械臂关节组2具有末端驱动臂21；防生夹指3装设于末端驱动臂21，所述防生夹指3一端连接超声波探头4，超声波探头4边上安装压力传感器5；视觉系统5具有双目相机51，所述双目相机51用于获取图像数据并反馈给工况机6或地面计算机终端7；所述超声波探头4接触或贴上检测目标(钢管及混凝土)时，所述压力传感器5反馈受力信息并提示阈值警告；警告后停止运转且开始启动所述超声波探头4进行超声波检测，同时所述视觉系统5开始确定下一个微移动坐标点。
所述视觉系统5识别且定位所述检测目标，以获得三维空间定位坐标并传给所述压力传感器5，所述超声波探头5紧贴在检测点，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速；以变换不同位置获取并记录对应的检测数据。
其中，防生夹指3为超声波探头4的外锥圆紧密配合而提供内锥孔31，所述超声波探头4具有倒勾41和半圆槽42，倒勾41配合内锥孔的定位部32以压紧所述超声波探头4。超声波探头4连接超声波探伤仪8，它们通过数据线9相连接，所述超声波探伤仪8与地面人员的后台计算机无线连接。
所述视觉系统5包括网络通信摄像头52，所述网络通信摄像头 52用于监控超声波探伤仪8显示的检测结果和机器人检测工况情况，从而反馈给地面工作人员对数据进行记录和分析检测点信息数据。
结合上述内容且一并结合所有附图，进一步描述一下工作使用过程及原理时，待到达待测目标(钢管)附近时吊车1停下，启动机器人，首先通过视觉装置钢管识别与定位钢管，获得三维空间定位坐标并传给带压力传感器；然后用配置超声波探头8的机器人仿生夹指6 把探头8紧贴在检测点，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速。变换两次小位置(0至20mm即可)，依次记录对应的检测数据。通过三组共六轮数据，完成一个检测位置的检测过程。每个检测位置的超声波检测数据和图像数据将集成传递给工控机的无线信号装置，即时传输给地面终端处理系统供工作人员决策。
超声波探头4安装在防生夹指3内，内锥孔31与超声波探头4 外锥圆紧配合，超声波探头4开有倒勾和半圆槽，倒勾配合内锥孔定位压紧超声波探头4，同时，超声波探头4压在钢结构表面时，压力使得超声波探头4外锥面与仿生夹指内锥面结合更紧，以便防止探头滑出。超声波探头4与测量面的接触表面设计为圆弧形半径为R，开口处设计为圆弧形倒角，倒角面设计有仿生波浪型，可以仿生海上的蚌壳波纹槽的小沟槽，以便存微量储液体或半液体使得超声波探头4 与钢管贴合产生吸附力。超声波探头4边上安装压力传感器5，当超声波探头4接触或贴上钢管表面或检测目标时，压力传感器9反馈受力信息并提示阈值警告。警告后机器人停止运动，转而开始超声波检测，同时视觉系统开始确定下一个微移动坐标点。
本发明还提供上述一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人的检测方法，检测步骤具体如下：
步骤一，通过双目相机标定获取用于校正拍摄图像畸变的相机内部参数矩阵和畸变参数矩阵；同时进行双目立体视觉的标定，得到两个相机之间的位置关系和用于双目校正的重投影矩阵；
步骤二，用视觉系统的坐标转换功能，将双目相机坐标系下的三维坐标转换至机器人用户坐标系下，并通过串口将数据传输给机器人；
步骤三，机器人根据所获得钢管表面离相机最近一处的三维空间坐标值，控制防生夹指运动至该弧形面处，机械手把超声波探头与该钢管弧面贴合；超声波探头具有弹性圆弧倒角，便于配合任何弧度的钢管接触面相切并紧贴且无须人工涂抹黄油；
步骤四，接触后，具有力反馈阈值的压力传感器进行预警，机械臂停止运动、开始测量，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速；
步骤五，超声波测量完成后，机器人复位；变换两次小位置距离，依次记录对应的检测数据；通过三组共六轮数据，完成一个检测位置的检测过程。
在步骤五中，所述变换两次小位置距离为10至20mm。
检测方式可以是，超声波检测仪8与超声波探头4是通过一条数据线9连接来传输检测数据。在吊车1上安装一个正对超声波检测仪8的界面的网络通信摄像头52，监控超声波显示的检测结果和机器人检测工作情况，从而地面工作人员可以记录和分析检测点信息。
当然也可通过无线网络的方式把超声波探头4超声波检测数据和图像数据通过集成直接传递给工控机8的无线信号装置，即时传输给地面计算机终端7处理系统供工作人员决策。这样可实时安全快速检测钢管混凝土拱桥的混凝土脱空现象，从而有效措施灌浆处理桥梁的钢管混凝土脱空；且能耗低，检测作业动作快捷、安全可靠，适用性强等技术特点。
尽管已经按上述的较佳实施例描述了本发明，但可能还存在落在本发明范围内的变更、置换和等同的方案；也可能存在多种替换方式来实现本发明。因此，旨在将所附权利要求书解释为包括落在本发明的真正精神和范围内的所有这样的变更、置换和等价方案；所属技术领域的技术人员应当理解，而本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，应由各权利要求限定之。
Claims (7)
1.一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其装设于吊车上，其特征在于，它包括：
机械臂关节组，其具有末端驱动臂；
防生夹指，其装设于末端驱动臂，所述防生夹指一端连接超声波探头，超声波探头连接压力传感器；
视觉系统，其具有双目相机，所述双目相机用于获取图像数据并反馈给工况机或地面计算机终端；所述超声波探头接触或贴上检测目标时，所述压力传感器反馈受力信息并提示阈值警告；警告后停止运转且开始启动所述超声波探头进行超声波检测，同时所述视觉系统开始确定下一个微移动坐标点；
所述视觉系统识别且定位所述检测目标，以获得三维空间定位坐标并传给所述压力传感器，所述超声波探头紧贴在检测点，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速；以变换不同位置获取并记录对应的检测数据。
2.根据权利要求1所述的基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其特征在于，所述防生夹指为超声波探头的外锥圆紧密配合而提供内锥孔，所述超声波探头具有倒勾和半圆槽，倒勾配合内锥孔的定位部以压紧所述超声波探头。
3.根据权利要求2所述的基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其特征在于，所述超声波探头连接超声波探伤仪，它们通过数据线相连接，所述超声波探伤仪与地面人员的后台计算机无线连接。
4.根据权利要求3所述的基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其特征在于，所述视觉系统包括网络通信摄像头，所述网络通信摄像头用于监控超声波探伤仪显示的检测结果和机器人检测工况情况，从而反馈给地面工作人员对数据进行记录和分析检测点信息数据。
5.根据权利要求4所述的基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其特征在于，所述工况机与地面计算机终端无线连接。
6.一种基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人的检测方法，包括权利要求1-5中基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其检测步骤如下：
步骤一，通过双目相机标定获取用于校正拍摄图像畸变的相机内部参数矩阵和畸变参数矩阵；同时进行双目立体视觉的标定，得到两个相机之间的位置关系和用于双目校正的重投影矩阵；
步骤二，用视觉系统的坐标转换功能，将双目相机坐标系下的三维坐标转换至机器人用户坐标系下，并通过串口将数据传输给机器人；
步骤三，机器人根据所获得钢管表面离相机最近一处的三维空间坐标值，控制防生夹指运动至该弧形面处，机械手把超声波探头与该钢管弧面贴合；超声波探头具有弹性圆弧倒角，便于配合任何弧度的钢管接触面相切并紧贴且无须人工涂抹黄油；
步骤四，接触后，具有力反馈阈值的压力传感器进行预警，机械臂停止运动、开始测量，记录两轮表征内部混凝土特征的波形和超声波速；
步骤五，超声波测量完成后，机器人复位；变换两次小位置距离，依次记录对应的检测数据；通过三组共六轮数据，完成一个检测位置的检测过程。
7.根据权利要求6所述的基于视觉辅助定位的超声波探伤机器人，其特征在于，所述步骤五中，所述变换两次微小位置距离为10至20mm。
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