CN116429906A - 用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，包括设置于钢梁上的车体、所述车体的一侧设有与钢梁上链条对应的机械臂，所述车体上设有导航定位机构、跨梁移动机构和相控阵超声波探伤检测机构，所述机械臂的末端设有与链条对应的可见光检测机构；还包括控制器，所述控制器分别与导航定位机构、跨梁移动机构、相控阵超声波探伤检测机构、机械臂、可见光检测机构相通信。本发明采用上述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，利用机器人搭载多目摄像头和相控阵超声探头，能够对立体车库隐蔽缺陷进行全方位的检测操作方便。

Description

用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其是涉及一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统。

背景技术

钢梁是立体车库的主要承重部位，链条是立体车库牵引设备的重要组成部分。在立体车库建设过程中，不可避免地出现施工缺陷，例如防锈漆的脱落，链条锁扣安装不牢靠等问题。在立体车库使用过程中，往往会出现钢结构的锈蚀，焊点的锈蚀甚至开裂，链条锁扣的磨损、松动等老化情况，随着时间推移，立体车库的老化情况日益严重，锈蚀、焊点开裂扩大，立体车库安全隐患凸显，为预防安全事故的发生，亟需对立体车库的钢梁和链条等关键部位进行全方位的巡检监测和分析。

目前，立体车库隐蔽病害的检测主要存在以下问题：

(1)立体车库缺乏相关的安全检测手段，对立体车库隐蔽缺陷的检测以人工目测为主，不能实现自动检测，检测效率低，难以对立体车库进行大面积细致性检测，难以准确地判断立体车库是否安全，既耗时又费力。

(2)用于钢结构探伤的超声设备需要人工操作，实现固定位置检测，劳动强度大，检测效率和准确率低，受环境限制，操作人员有较大的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，利用机器人搭载多目摄像头和相控阵超声探头，能够对立体车库隐蔽缺陷进行全方位的检测。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，包括设置于钢梁上的车体、所述车体的一侧设有与钢梁上链条对应的机械臂，所述车体上设有导航定位机构、跨梁移动机构和相控阵超声波探伤检测机构，所述机械臂的末端设有与链条对应的可见光检测机构；

还包括控制器，所述控制器分别与导航定位机构、跨梁移动机构、相控阵超声波探伤检测机构、机械臂、可见光检测机构相通信。

优选的，所述导航定位机构设置于车体上远离钢梁的一侧，并包括位于转盘上的三维激光雷达。

优选的，所述跨梁移动机构包括设置于车体四周的旋转式支架、设置于支架一端且与钢梁两侧连接的车轮、设置于支架另一端且与车体连接的分离式支撑杆，所述支架上设有与车轮连接的电机。

优选的，所述支架的另一端还设有与伸缩控制器连接的多级伸缩装置，所述多级伸缩装置通过万向活节与支架连接，所述多级伸缩装置包括位于支架末端且与伸缩控制器连接的多级伸缩杆，所述伸缩控制器位于车体中心处。

优选的，所述支架上靠近钢梁一端的外侧设有与伸缩控制器相通信的激光测距传感器。

优选的，所述支架的内侧设有电磁式伸缩贴合装置，所述伸缩贴合装置的伸缩杆外侧设有电磁线圈，电磁线圈的一端与车体连接，其另一端与钢梁连接，所述伸缩杆上位于钢梁的一端设有力矩传感器。

优选的，所述相控阵超声波探伤检测机构包括与滚珠式相控阵超声探头连接的相控阵超声波探伤仪，所述相控阵超声探头的外壳内包括位于软质耦合块上下侧的万向滚珠和超声探头，所述软质耦合块的上方设有与万向滚珠对应的弧形凹槽，所述外壳内填充有超声耦合液，所述超声探头下方通过弹性装置与伸缩控制器连接。

优选的，弹性装置上靠近钢梁的一侧还设有位于相控阵超声探头上方的压力传感器。

优选的，所述可见光检测机构包括摄像头和与摄像头连接的图像处理器，所述摄像头包括但不限于高清摄像头、双目摄像头。

一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统操作方法，步骤如下：

S1、跨梁移动机构实现机器人跨梁移动，通过电磁式伸缩贴合装置，确保机器人在巡检、跨梁过程始终与钢梁贴合；

S2、相控阵超声波探伤检测机构通过采用滚珠式相控阵超声探头实现移动式超声检测，通过压力传感器监测实时贴合力，通过弹性装置，保持了各超声探头贴合力稳定，实现了测量数据的一致性；

在滚珠式相控阵超声探头中，通过将万向滚珠与超声探头相结合，实现了移动式超声探测，通过软质耦合块将万向滚珠与超声探头耦合，实现超声波的传递，通过弹性装置增加耦合力，减少了超声波能量的损失；

S3、通过可见光检测机构提供光源，再利用机械臂控制摄像头实现对钢梁360°全方位检测，对钢梁的锈蚀及链条的磨损进行评估分析，并与导航定位系统结合，确定病害位置；

S4、控制器完成路径规划，进入快速普查模式，关闭相控阵超声波探伤检测机构，并控制弹性装置和伸缩贴合装置，使相控阵超声波探伤检测机构离开工字梁，启动可见光检测机构，跨梁移动机构以高速度移动，摄像头拍摄检测区域表面，实现对缺陷区域的快速普查，接收的信息由控制器进行信息处理，完成缺陷的粗略识别和定位；

S5、根据快速普查模式所获得的缺陷定位信息，重新进行路径规划，进入精细检测模式，跨梁移动机构移动至缺陷位置，根据缺陷的类型选择性开启相控阵超声波探伤检测机构和可见光检测机构，同时，跨梁移动机构改为低速移动，控制器根据压力传感器信息控制弹性装置，用于保持滚珠式超声探头的贴合力相同且稳定，每完成一处缺陷检测爬壁机器人均快速移动至另一缺陷位置，检测过程中低速移动，待所有缺陷检测完毕，爬壁机器人返回原点，完成对缺陷区域的精细检测。

因此，本发明采用上述一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其具体技术效果如下：

(1)本发明的跨梁移动机构通过采用旋转式车轮、支架、可分离式支撑杆、多级伸缩装置，实现机器人跨梁移动，通过电磁式伸缩贴合装置，确保机器人在巡检、跨梁过程始终与钢梁贴合。

(2)本发明的相控阵超声波探伤检测机构通过采用滚珠式超声探头，实现移动式超声检测，通过压力传感器监测实时贴合力，通过弹性装置，保持了各超声探头贴合力稳定，实现了测量数据的一致性；而且在滚珠式超声探头中，通过将万向滚珠与超声探头相结合，实现了移动式超声探测，通过软质耦合块将万向滚珠与超声探头耦合，实现了超声波的传递，通过弹性装置增加耦合力，减少了超声波能量的损失。

(3)本发明的可见光检测机构，通过五轴机械臂控制摄像头实现对钢梁360°全方位检测，对钢梁的锈蚀及链条的磨损进行评估分析，并与导航定位系统结合，确定病害位置。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统的整体示意图；

图2是一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统的正视图；

图3是一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统的仰视图；

图4是一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统的右视图；

图5是一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统的剖面图。

附图标记

1、钢梁；2、车体；3、机械臂；

4、导航定位机构；401、三维激光雷达；402、转盘；

5、相控阵超声波探伤检测机构；501、万向滚珠；502、软质耦合块；503、超声探头；504、弹性装置；506、旋转伸缩装置；

6、跨梁移动机构；601、车轮；602、支架；603、支撑杆；604、万向活节；605、多级伸缩装置；606、激光测距传感器；607、伸缩贴合装置；608、电磁线圈；609、压力传感器；6010、伸缩控制器；

7、链条；8、可见光检测机构；801、摄像头。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的主旨或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。这些其它实施方式也涵盖在本发明的保护范围内。

还应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明/发明的保护范围之内。

本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“附着”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文有明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明说明书中引用的现有技术文献所公开的内容整体均通过引用并入本发明中，并且因此是本发明公开内容的一部分。

实施例一

一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，包括设置于钢梁1上的车体2、车体的一侧设有与钢梁上链条7对应的机械臂3，通过车体上设有导航定位机构4、跨梁移动机构6和相控阵超声波探伤检测机构5，机械臂的末端设有与链条对应的可见光检测机构8。巡检系统还包括控制器，控制器分别与导航定位机构、跨梁移动机构、相控阵超声波探伤检测机构、机械臂、可见光检测机构相通信，汇总位置信息和损伤识别信息，并发送到控制中心。

机械臂包括五个转动轴、工控机；五个转动轴彼此相连，固定于机器人上方，实现机械臂末端绕钢梁360°转动；工控机控制机械臂的运动，并通过RS485与总控制器相连，实时传输机械臂末端位置信息。机械臂的具体结构不做阐述。

导航定位机构设置于车体上远离钢梁的一侧，并包括位于转盘402上的三维激光雷达401。通过三维激光雷达实现立体车库钢梁检测区域自动构图，转盘确保机器人跨梁时激光雷达始终与机器人前进方向一致。

可见光检测机构包括摄像头801和与摄像头连接的图像处理器，摄像头包括但不限于高清摄像头、双目摄像头。摄像头拍摄巡检过程中工字梁和链条的照片，并传送到图像处理器，使用深度神经网络增强图片亮度，识别工字梁的锈蚀情况、焊点开裂情况、链条连接处的磨损情况，并将识别信息和定位信息传输到总控制器，完成可见光损伤检测。

跨梁移动机构包括设置于车体四周的旋转式支架602、设置于支架一端且与钢梁两侧连接的车轮601、设置于支架另一端且与车体连接的分离式支撑杆603，支架上设有与车轮连接的电机。车轮装在电机上，电机安装在旋转式车轮支架上，电机为车轮的运行提供动力。分离式支撑杆可以实现与车体的稳定连接或者放松，其支撑杆的具体结构不具体阐述，重点在于其连接与分开的流程，为车体一侧的伸缩做准备。

支架的另一端还设有与伸缩控制器连接的多级伸缩装置605，多级伸缩装置通过万向活节604与支架602连接，通过多级伸缩装置与万向活节实现支架一侧的伸长，从而实现车体的变化，为全面缺陷检测提供保障。多级伸缩装置包括位于支架末端且与伸缩控制器连接的多级伸缩杆，伸缩控制器位于车体中心处，通过伸缩控制器控制多级伸缩装置的运行。

支架上靠近钢梁一端的外侧设有与伸缩控制器相通信的激光测距传感器606，激光测距传感器实时测量前旋转式车轮支架与前方垂直方向工字钢梁的距离，为车体运行轨迹提供保障。

支架的内侧设有电磁式伸缩贴合装置607，伸缩贴合装置的伸缩杆外侧设有电磁线圈608，电磁线圈的一端与车体连接，其另一端与钢梁连接，伸缩杆上位于钢梁的一端设有力矩传感器。通过电磁线圈的通电与否，控制其与钢梁是否稳定连接。弹性装置上靠近钢梁的一侧还设有位于相控阵超声探头上方的压力传感器609，压力传感器用于实时测量贴合力。

运行时，整体在钢梁上巡检，激光测距传感器实时测量前方旋转式车轮、支架与前方垂直方向梁钢的距离，当距离达到设定值时，前方的可分离式支撑杆断开，伸缩控制器6010控制内侧多级伸缩装置收缩，外侧多级伸缩装置伸张，同时，电磁线圈通电产生电磁力，使四个电磁式伸缩贴合装置在机器人前进过程中交替贴合在工字梁上。

当后方旋转式车轮、支架与前方垂直方向的梁钢距离达到设定值时，外侧多级伸缩装置伸张，内侧多级伸缩装置收缩，前方的可分离式支撑杆闭合，旋转式车轮、支架旋转90°，此时，车轮与垂直方向的梁钢贴合，前进方向转向。旋转转盘，使三维激光雷达与前进方向一致，伸缩控制器控制内侧的多级伸缩装置收缩，控制外侧的多级伸缩装置伸张，可分离式支撑杆断开，激光测距传感器实时测量与后方工字梁钢的距离，当距离达到设定值时，伸缩控制器控制内侧多级伸缩装置伸张，控制外侧多级伸缩装置收缩，可分离式支撑杆闭合，电磁线圈断电，电磁式伸缩贴合装置采取软贴合的方式，使机器人贴合到工字梁上。至此，完成跨梁移动。

相控阵超声波探伤检测机构包括与滚珠式相控阵超声探头连接的相控阵超声波探伤仪，相控阵超声探头的外壳内包括位于软质耦合块上下侧的万向滚珠和超声探头，软质耦合块的上方设有与万向滚珠对应的弧形凹槽，外壳内填充有超声耦合液，超声探头下方通过弹性装置与伸缩控制器连接。

万向滚珠采用金属、陶瓷等透声性能好的材料。超声耦合液用于填充软质耦合块与万向滚珠之间的空隙，软质耦合块可采用聚胶脂软性塑料、氯丁橡胶、浇注型聚氨酯橡胶等声衰减系数小的材料，本领域技术人员可根据实际情况具体选择。超声探头另一端与弹性装置连接，用于辅助耦合。

进一步地，若干滚珠式超声探头安装于机器人下方组成超声阵列，滚珠式超声探头上部连接压力传感器，用于监测实时贴合力，压力传感器另一端连接弹性装置，用于提供贴合力。弹性装置另一端装有旋转伸缩装置，用于调节贴合力，伸缩控制器根据压力传感器信息调节旋转伸缩装置，实现各滚珠式超声探头贴合力相同且稳定，通过超声检测控制器控制每个超声探头的超声信号的发射与接收，接收的信息输入总控制器进行处理。

本发明的用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统的工作原理为采用“快速普查→低速精检”的检测模式，其具体步骤包括：

步骤(1)：导航定位系统完成路径规划，进入快速普查模式，关闭相控阵超声波探伤检测机构，并控制弹性装置和旋转伸缩装置506，使超声波探伤装置离开工字梁，启动可见光检测机构，跨梁移动机构以高速度移动，多目全景相机拍摄检测区域表面，实现对缺陷区域的快速普查，接收的信息由总控制器进行信息处理，完成缺陷的粗略识别和定位；

步骤(2)：根据快速普查模式所获得的缺陷定位信息，重新进行路径规划，进入精细检测模式，爬梁机器人的跨梁移动机构以移动至缺陷位置，到达缺陷位置后，根据缺陷的类型选择性开启相控阵超声波探伤检测机构和可见光检测机构，同时跨梁移动机构改为低速移动，相控阵超声波探伤检测机构时，控制器根据压力传感器信息控制弹性装置和旋转伸缩装置，用于保持各滚珠式超声探头的贴合力相同且稳定，每完成一处缺陷检测爬壁机器人均快速移动至另一缺陷位置，检测过程中低速移动，待所有缺陷检测完毕，爬壁机器人返回原点，完成对缺陷区域的精细检测。

因此，本发明采用上述一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，利用机器人搭载多目摄像头和相控阵超声探头，能够对立体车库隐蔽缺陷进行全方位的检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：包括设置于钢梁上的车体、所述车体的一侧设有与钢梁上链条对应的机械臂，所述车体上设有导航定位机构、跨梁移动机构和相控阵超声波探伤检测机构，所述机械臂的末端设有与链条对应的可见光检测机构；

还包括控制器，所述控制器分别与导航定位机构、跨梁移动机构、相控阵超声波探伤检测机构、机械臂、可见光检测机构相通信。

2.根据权利要求1所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述导航定位机构设置于车体上远离钢梁的一侧，并包括位于转盘上的三维激光雷达。

3.根据权利要求1所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述跨梁移动机构包括设置于车体四周的支架、设置于支架一端且与钢梁两侧连接的车轮、设置于支架另一端且与车体连接的分离式支撑杆，所述支架上设有与车轮连接的电机。

4.根据权利要求3所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述支架的另一端还设有与伸缩控制器连接的多级伸缩装置，所述多级伸缩装置通过万向活节与支架连接，所述多级伸缩装置包括位于支架末端且与伸缩控制器连接的多级伸缩杆，所述伸缩控制器位于车体中心处。

5.根据权利要求4所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述支架上靠近钢梁一端的外侧设有与伸缩控制器相通信的激光测距传感器。

6.根据权利要求5所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述支架的内侧设有电磁式伸缩贴合装置，所述伸缩贴合装置的伸缩杆外侧设有电磁线圈，电磁线圈的一端与车体连接，其另一端与钢梁连接，所述伸缩杆上位于钢梁的一端设有力矩传感器。

7.根据权利要求6所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述相控阵超声波探伤检测机构包括与滚珠式相控阵超声探头连接的相控阵超声波探伤仪，所述相控阵超声探头的外壳内包括位于软质耦合块上下侧的万向滚珠和超声探头，所述软质耦合块的上方设有与万向滚珠对应的弧形凹槽，所述外壳内填充有超声耦合液，所述超声探头下方通过弹性装置与伸缩控制器连接。

8.根据权利要求7所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：弹性装置上靠近钢梁的一侧还设有位于相控阵超声探头上方的压力传感器。

9.根据权利要求1所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统，其特征在于：所述可见光检测机构包括摄像头和与摄像头连接的图像处理器，所述摄像头包括但不限于高清摄像头、双目摄像头。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的一种用于隐蔽缺陷快速检测的爬梁机器人巡检系统操作方法，其特征在于，步骤如下：

S1、跨梁移动机构实现机器人跨梁移动，通过电磁式伸缩贴合装置，确保机器人在巡检、跨梁过程始终与钢梁贴合；

S2、相控阵超声波探伤检测机构通过采用滚珠式相控阵超声探头实现移动式超声检测，通过压力传感器监测实时贴合力，通过弹性装置，保持了各超声探头贴合力稳定，实现了测量数据的一致性；

在滚珠式相控阵超声探头中，通过将万向滚珠与超声探头相结合，实现了移动式超声探测，通过软质耦合块将万向滚珠与超声探头耦合，实现超声波的传递，通过弹性装置增加耦合力，减少了超声波能量的损失；

S3、通过可见光检测机构提供光源，再利用机械臂控制摄像头实现对钢梁360°全方位检测，对钢梁的锈蚀及链条的磨损进行评估分析，并与导航定位系统结合，确定病害位置；

S4、控制器完成路径规划，进入快速普查模式，关闭相控阵超声波探伤检测机构，并控制弹性装置和伸缩贴合装置，使相控阵超声波探伤检测机构离开工字梁，启动可见光检测机构，跨梁移动机构以高速度移动，摄像头拍摄检测区域表面，实现对缺陷区域的快速普查，接收的信息由控制器进行信息处理，完成缺陷的粗略识别和定位；

S5、根据快速普查模式所获得的缺陷定位信息，重新进行路径规划，进入精细检测模式，跨梁移动机构移动至缺陷位置，根据缺陷的类型选择性开启相控阵超声波探伤检测机构和可见光检测机构，同时，跨梁移动机构改为低速移动，控制器根据压力传感器信息控制弹性装置，用于保持滚珠式超声探头的贴合力相同且稳定，每完成一处缺陷检测爬壁机器人均快速移动至另一缺陷位置，检测过程中低速移动，待所有缺陷检测完毕，爬壁机器人返回原点，完成对缺陷区域的精细检测。

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