CN208346634U - 基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置 - Google Patents

Abstract

基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，包括电池、控制单元、机架、前导向套、后导向套、爬索机构、CCD相机和电磁无损检测单元；所述的前导向套和后导向套分别设置在机架的前端和后端，实现爬索机器人的移动导向；爬行机构采用了动力电机和摆动机构相结合的工作方式，通过巧妙设计的蜗轮蜗杆驱动的摆动机构将抓绳轮压贴或远离钢索表面，并将动力电机的转动摩擦力传递至钢索表面，使得机器人沿钢索爬行；CCD相机实现钢索外观检测，电磁无损检测单元实现钢索内部腐蚀及钢丝绳断丝检测；本实用新型实现了钢索的外观和内部钢丝绳断丝腐蚀等的检测，具有实施简单方便、运行可靠、一次运行多参数检测的特点。

Description

基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置

技术领域

本实用新型属于桥梁检测技术领域，具体涉及一种基于爬索机器人的桥梁钢索损伤检测装置。

背景技术

随着桥梁建设的不断发展，新的大型斜钢索、悬索桥得到广泛的应用。钢索是拱桥、斜拉桥、悬索桥等索类桥梁的核心构件之一，作为受力构件，其受力状况对桥梁整体结构的安全起到极其重要的作用；钢索的工作状态是桥梁是否处于安全状态的重要标志之一。由于钢索长期暴露在空气中，经风吹雨淋、紫外线照射、人为损伤等因素影响，会出现表面保护层硬化和破坏现象，继而引起内部钢丝束或钢绞线受到腐蚀，严重者甚至出现断丝现象；另一方面，由于风振、雨振等原因，钢索内部的钢丝束产生摩擦引起钢丝磨损，严重者也会发生断丝现象；定期的对钢索体系内外进行检测是很必要的。

随着这些桥梁服役时间的延长，对拉索、悬索等的检测需求也不断增加，对其表面保护层损伤的检测尤为重要，及时发现并养护，更有利于保护索内钢丝，增加索体使用寿命，维护大桥安全。现在使用的拉索检测方法一般是人工检测方法，即利用卷扬机拖动检修车或登高车的方式对拉索进行人工检测，但是这样会对拉索保护层造成破坏，而且检测人员身处高空，受到风吹等意外容易造成安全事故。

申请号为201610474655.1的中国专利“一种摩擦轮式爬索检测机器人”公开了一种摩擦轮式爬索检测机器人，利用爬索检测机器人携带的检测装置实现钢索的检测。该装置包括移动小车、磁吸附机构和防落装置。磁吸附机构设置在移动底盘上，磁吸附机构能将移动小车吸附在缆索上，摩擦机构包括旋转驱动轴、摩擦壁、摩擦块和导杆，由于其需要依靠磁吸附机构来工作，结构复杂，成本高，使用不便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，该装置中的爬索机器人结构简单、运转可靠，且下降时自带刹车功能，以该机器人可作为动力机构，携带CCD和电磁无损检测单元可实现钢索的外观和内部钢丝绳断丝腐蚀等的检测。

本实用新型的技术方案如下：

基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，包括电池、控制单元、机架、前导向套、后导向套、爬索机构、CCD相机和电磁无损检测单元；所述的前导向套和后导向套分别设置在机架的前端和后端，实现爬索机器人的移动导向；CCD相机实现钢索外观检测，电磁无损检测单元实现钢索内部腐蚀及钢丝绳断丝检测；

所述的爬索机构包括动力传动单元、摆动单元和抓绳轮，其中动力传动单元包括动力电机和动力电机驱动下同步转动的第一带轮、第二带轮、第三带轮、第四带轮和抓绳轮；摆动单元包括蜗轮、蜗杆、摆臂和摆动电机，摆动电机驱动蜗杆转动，带动蜗轮和摆臂绕固定芯轴转动，使得抓绳轮靠近或远离钢索；

所述的控制单元控制CCD相机和电磁无损检测单元的检测及数据存储，以及动力电机和摆动电机转动，所述的电池为动力电机、摆动电机、CCD相机和电磁无损检测单元提供动力；控制单元通过无线传输模块与地面的地面控制设备或手机进行远程控制。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，前导向套和后导向套均为剖分的环型结构，将钢索嵌入在环型结构的内部；机架的上端设置有供钢索穿过的开口。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，蜗轮和第二带轮、第三带轮设置在固定芯轴上，摆臂的固定端和蜗轮固联在一起，并绕固定芯轴转动。上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，所述的抓绳轮沿转轴轴线剖面的结构为V字型，抓绳轮的工作面上设置有橡胶垫。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，前导向套和后导向套均为半环状的结构；前导向套和后导向套分别包括底座、滚珠支撑环、弹性挤压环和若干只滚珠，滚珠被限制在滚珠支撑环和弹性挤压环之间，滚珠的外圆贴在钢索的表面。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，弹性挤压环对应滚珠的位置处设置有压簧。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，控制单元上设置有加速度传感器。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，动力电机的转轴上安装有编码器。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，电磁无损检测单元包括沿钢索外圈均布的若干只测量模块，每只测量模块包括固定在固定套上的永久磁铁、磁阻传感器和衔铁。

上述基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置中，电磁无损检测单元为半环型结构，与后导向套固定在同一只底座的内部，所述的底座固定在机架上，固定套的内圈尺寸小于或等于滚珠支撑环的内圈尺寸且二者同轴设置。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

1、本实用新型以爬索机器人为动力平台，搭载了CCD相机及电磁无损检测单元，实现了钢索的外观和内部钢丝绳断丝腐蚀等的检测，具有实施简单方便、运行可靠、一次运行多参数检测的特点。

2、本实用新型的机器人的爬行机构采用了动力电机和摆动机构相结合的工作方式，通过巧妙设计的蜗轮蜗杆驱动的摆动机构将抓绳轮压贴或远离钢索表面，并将动力电机的转动摩擦力传递至钢索表面，使得机器人沿钢索爬行；同时通过蜗轮自锁确保了爬行中恒定的摩擦力，实际工作时可根据情况进行摩擦力的调整，在机器人下降时还可以起到刹车的作用。

3、本实用新型采用了带有滚珠滚动摩擦的前导向套和后导向套将机构固定在钢索上，并进行精确的位移导向，导向套采用了弹性挤压环以及压簧，使得导向套可适应不同直径钢索的应用以及钢索上的凸起、凹陷等缺陷形状。同时机器人的机架上端设置有供钢索穿过的开口，同时前导向套和后导向套均为半环状的结构，可通过对应的螺钉孔进行准确定位，一方面便于现场拆卸安装，另一方面通过精密加工，保证了位置精度。

4、本实用新型的电磁无损检测单元基于经典的钢索漏磁原理制成，在钢索的外圆方向布置了6只检测模块，实现了钢索周向的大范围检测，同时电磁无损检测单元和后导向套进行了集成化同轴设计，依靠底座上的通孔进行定位，使得电磁无损检测单元与钢索外径之间保持稳定不变的间隙，从而在电磁无损检测单元沿钢索移动时，电磁信号的本底信号幅度保持较小的起伏，为后续的缺陷测量提供了保障。

5、本实用新型的抓绳轮轮毂的工作面上设置有橡胶垫，在增大摩擦力、适应不同直径钢索的同时，还可以减小爬索运动中对钢索表面喷涂的PE保护材料的破坏。

6、本实用新型控制单元上设置有加速度传感器，在下降过程中，一旦发现加速度过大，则控制摆动电机转动，使得抓绳轮贴紧钢索，起到刹车的作用。此外动力电机的转轴上安装有编码器，实现电机转动角度的测量，便于对钢索缺陷的位置进行定位，以及对机器人升降的速度进行监测。

附图说明

图1为本实用新型桥梁钢索缺陷检测装置的组成原理框图；

图2为本实用新型爬索机器人的结构示意图；

图3为本实用新型爬索机器人爬索机构的传动原理示意图；

图4为本实用新型导向套的结构示意图；

图5为图4的导向套沿A方向的视图；

图6为本实用新型机架的结构示意图；

图7为本实用新型导向套在机架上安装示意图；

图8为本实用新型抓绳轮结构示意图；

图9为本实用新型电磁无损检测单元的工作原理示意图；

图10为本实用新型电磁无损检测单元的检测模块布置位置示意图；

图11为本实用新型后导向套和电磁无损检测单元一体化结构示意图。

附图标记为：1—前导向套；2—机架；3—后导向套；4—钢索；5—固定芯轴；6—抓绳轮；7—摆臂；8—第二传动带；9—摆动方向；10—蜗轮；11—第一带轮；12—蜗杆；13—第一传动带；14—移动芯轴；15—动力电机；16—摆动电机；19—底座；20—橡胶垫；21—第二带轮；24—爬索机构；25—CCD相机；26 —电磁无损检测单元；27—控制单元；28—电池；29—地面控制设备；31—第三带轮；41—第四带轮；61—接缝；62—螺钉；63—滚珠；64—弹性挤压环；65 —滚珠支撑环；66—通孔；67—螺孔；68—开口；71—永久磁铁；72—磁阻传感器；73—衔铁；74—固定套；75—拼接缝隙。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，包括电池28、控制单元27、机架2、前导向套1、后导向套3、爬索机构24、CCD相机25和电磁无损检测单元26；其中前导向套1和后导向套3分别设置在机架2 的前端和后端，实现爬索机器人的移动导向，使爬索机器人限定在钢索4上进行运动；CCD相机25实现钢索4外观特别是PE喷涂层的检测，电磁无损检测单元 26则实现钢索内部腐蚀及钢丝绳断丝的检测。

爬索机构24的作用是在机器人爬行的时候将抓绳轮6以适当的压力压贴在钢索4上，并在动力传动下进行转动，带爬索机器人沿钢索4上升及下降。电池 28、控制单元27和爬索机构24则设置在机架2的下方的内部，为爬索机构24 提供动力及控制机构运动，同时由于爬索机器人的主要重量在机构的下部，即重心在下部，可避免沿斜拉钢索4爬行时机构翻转。

如图2和图3所示，爬索机构24包括动力传动单元、摆动单元和抓绳轮6，其中动力传动单元包括动力电机15、第一带轮11、第二带轮21、第三带轮31、第四带轮41；第一带轮11固定在动力电机15的转轴上，动力电机15带动第一带轮11再通过第一传动带13带动第二带轮21转动，并带动第三带轮31同步转动，第三带轮31经过第二传动带8带动第四带轮41转动，进而带动抓绳轮6同步转动；其中第二带轮21和第三带轮31为双联带轮，在第一传动带13的驱动下同步进行转动，第四带轮41和抓绳轮6为双联带轮，在第二传动带8的驱动下同步进行转动。其中第一带轮11固定在动力电机15的转轴上，

摆动单元包括蜗轮10、蜗杆12、摆臂7和摆动电机16，其中蜗轮10和第二带轮21、第三带轮31通过滚动轴承设置在固定芯轴5上，固定芯轴5则固定在机架2上不动；摆臂7分为两端，图2中左边一端为固定端，右边一端为活动端，摆臂7固定端和蜗轮10固联在一起，可绕固定芯轴5转动。应用中摆动电机16驱动蜗杆12转动，带动蜗轮10绕固定芯轴5转动，从而使得摆臂7的活动端沿图中的摆动方向9进行转动，使得抓绳轮6靠近或远离钢索4。摆臂7的活动端设置有移动芯轴14，移动芯轴14固定在摆臂7的活动端上，第四带轮41 和抓绳轮6通过滚动轴承固定在移动芯轴14上，并可同步绕移动芯轴14转动。抓绳轮6和钢索4之间的压力可通过摆动电机16的转动角度进行调节，一旦调节完毕后在蜗轮蜗杆的自锁下压力保持恒定。

当爬索机器人沿钢索4向上爬行时，摆臂7的活动端向靠近钢索的方向转动，使得抓绳轮6压贴在钢索4上，并在动力传动单元的作用下抓绳轮6转动，依靠抓绳轮6与钢索4之间的摩擦力，带动爬索机器人沿钢索4向上爬行。

当爬行机构沿钢索4向下爬行时，摆臂7的活动端向远离钢索4的方向转动，使得抓绳轮6离开钢索4上，在导向套1和后导向套3的约束下，依靠自身重力沿钢索4下滑，一旦滑行速度过快，摆动电机16还可以小角度反方向摆动，抓绳轮6给钢索4施加轻微的力，起到刹车的作用。实际应用中，如果机器人回收时，自身重力不足以克服摩擦力，则动力电机15反转，最终驱动抓绳轮6沿与前进方向相反的方向转动，实现爬索机器人的回收。

如图4-7所示，为了在现有的钢索上快速安装爬索机器人，本实用新型的机架2的上端设置有开口68，方便钢索4穿入并固定在前导向套1和后导向套3 的中心，爬索机构24的带轮、电机等固定在机架2的下部。

前导向套1和后导向套3均为半环状的结构，分别包括滚珠63、底座19和半环形结构的滚珠支撑环65和弹性挤压环64，弹性挤压环64同心设置在滚珠支撑环65的内圈，滚珠63设置在刚性的滚珠支撑环65和弹性挤压环64之间，滚珠支撑环65上开有小于滚珠63直径的圆孔，当机器人随钢索4移动时，滚珠 63被限制在滚珠支撑环65和弹性挤压环64之间，滚珠63的外圆贴在钢索4的表面，当机器人随钢索4移动时，滚珠63转动，因而摩擦力较小；同时弹性挤压环64采用橡胶制成具有一定的伸缩量，可适应钢索4直径的变化，从而适应不同直径钢索4的应用以及钢索4上的凸起、凹陷等形状。

前导向套1和后导向套3设置为半环状结构的原因在于方便与钢索4的固定安装，导向套上设置了若干通孔64，该位置与机架2上的螺孔67相匹配，机器人与钢索4固定时，只需要将机架2穿入钢索4，然后将前导向套1和后导向套 3按照机架2上的螺孔67位置进行固定，拧上螺钉62即可保证钢索4处于前导向套1和后导向套3的中心，且通过加工精度保证它们之间良好的位置关系和较小的摩擦力系数。这种导向套结构在实际应用中安装方便快捷，且可以保证移动位置精度。

如图8所示，本实用新型的抓绳轮6的轮毂沿转轴轴线剖面的结构为V字型，轮毂6的工作面上设置有橡胶垫20，在增大摩擦力、适应不同直径钢索的同时，还可以减小爬索运动中对钢索4表面喷涂的PE保护材料的破坏。

如图9-11所示，本实用新型的电磁无损检测单元26基于经典的漏磁原理制成，其工作原理是利用钢索等铁磁材料的磁导率比空气的磁导率至少大100倍的特性得到的，当永久磁场作用于钢索时，由于钢索4采用优质的碳合金钢制成，容易被磁化，一旦钢索出现裂纹、锈蚀或断丝时，材料的局部磁导率降低，一部分磁场会从材料中外泄，通过传感器检测漏磁，即可发现材料的缺陷。

本实用新型的多片永久磁铁71形成稳定的磁场，将永久磁铁71固定在U型的衔铁73的两端，衔铁73和钢索4形成磁通路，磁阻传感器72则设置在衔铁 73中心靠近钢索4的位置处，其中磁阻传感器72采用型号为HMC1022的磁阻传感器，每只传感器由具有较强磁阻效应的波莫合金薄膜制成的惠斯通电桥结构，只需要在传感器的电源端加入5V直流电压，即可在测量端输出电压信号，该电压信号与传感器位置处的磁场呈线性关系。

由于每个传感器测量的区域有限，如图10所述，为了测量得到整个钢索4 外周的缺陷，沿钢索4的外圈均布了6只测量模块，每只模块均包括对应的永久磁铁71、磁阻传感器72和衔铁73，器件集成后固定在一个聚乙烯的固定套74 上，为了便于设置在钢索4的外圈，固定套74为半环型结构，两只半环可进行拼接，将钢索4夹持在中心区域，拼接区域形成了拼接缝隙75。

在实际钢索移动测量中，为了确保每个测量模块与钢索4之间保持稳定的间距，本实用新型将电磁无损检测单元26和后导向套3进行了集成。图11为半环状的后导向套3与半环状的电磁无损检测单元26进行集成后的结构示意图，图中衔铁73和弹性挤压环64均固定在底座19的内部，并依靠底座19上的通孔 66与机架2上的螺孔67相配合固定，而固定套74的内圈尺寸小于或等于滚珠支撑环65的内圈尺寸且二者同轴设置，这样在应用时，将钢索4套入在两只半环型的后导向套3的中心并拧紧螺钉62，滚珠63依靠弹性与钢索4的外圈相接触，就可保证固定套74的内圈与钢索外径之间保持稳定不变的间隙，从而在电磁无损检测单元26沿钢索4移动时，电磁信号的本底信号幅度保持较小的起伏，为后续的缺陷测量提供了保障。

本实用新型的控制单元27包括动力电机15和摆动电机16的驱动模块以及无线传输模块，无线传输模块可采用wifi模块或GPRS通信模块，通过地面的地面控制设备29或手机进行控制，包括机器人的上升和下降、抓绳轮6贴紧和远离钢索4，以及CCD相机25和电磁无损检测单元26的工作及数据存储。

进一步的，在弹性挤压环64对应滚珠63的位置处设置有压簧，可以增加滚珠63的伸缩位移量，适应更宽范围的钢索4的直径变化及钢索4上的凸起、凹陷形状变化。

进一步的，动力电机15采用步进电机，且在动力电机15的转轴上安装有编码器，实现电机转动角度的测量，一方面通过控制单元27实现机器人沿钢索4 上滑行速度的测量，一旦滑行速度过快，则可以降低电机的转速，防止危险发生；同时通过编码器的数据记录，可以定位到机器人在钢索4的绝对位置坐标，当机器人携带CCD等检查设备时，便于对钢索缺陷的位置进行定位。

进一步的，在控制单元27上设置有加速度传感器，在下降过程中，一旦发现加速度过大，则控制摆动电机16转动，使得抓绳轮6贴紧钢索4，起到刹车的作用。

本实用新型的爬索机器人钢索检测工作流程如下：

(1)在待检测的斜拉钢索4的底部安装机器人，将机架2穿过钢索4，在机架2的前后端固定前导向套1和后导向套3，打开电源，CCD相机25和电磁无损检测单元26初始化。

(2)在地面操作地面控制设备29或手机，通过无线传输模块传输指令；

(3)控制单元27驱动摆动电机16转动，使得抓绳轮6贴紧钢索4；

(4)控制单元27驱动动力电机15转动，机器人沿钢索4爬行，并根据动力电机15上的编码器反馈移动速度控制动力电机15的转速，使得移动速度适中且平稳；同时机器人上携带检测设备工作，对钢索4进行检测；

(5)工作完毕后，控制单元27控制动力电机15停止转动，并控制摆动电机16反方向转动，抓绳轮6离开钢索4，机器人依靠自身机构重力沿钢索4滑行至钢索4的底部，同时通过肉眼观察检测机器人的下降状态，一旦发现加速度过大，则控制摆动电机16的转动角度，使得抓绳轮6缓缓靠近钢索4，起到刹车的作用。

(6)机器人到达地面后，关闭电源，拆掉前导向套1和后导向套3，移走机架2及检测设备，完成本次的钢索检测任务。

Claims (10)

1.基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：包括电池(28)、控制单元(27)、机架(2)、前导向套(1)、后导向套(3)、爬索机构(24)、CCD相机(25)和电磁无损检测单元(26)；所述的前导向套(1)和后导向套(3)分别设置在机架(2)的前端和后端，实现爬索机器人的移动导向；CCD相机(25)实现钢索(4)外观检测，电磁无损检测单元(26)实现钢索内部腐蚀及钢丝绳断丝检测；

所述的爬索机构(24)包括动力传动单元、摆动单元和抓绳轮(6)，其中动力传动单元包括动力电机(15)和动力电机(15)驱动下同步转动的第一带轮(11)、第二带轮(21)、第三带轮(31)、第四带轮(41)和抓绳轮(6)；摆动单元包括蜗轮(10)、蜗杆(12)、摆臂(7)和摆动电机(16)，摆动电机(16)驱动蜗杆(12)转动，带动蜗轮(10)和摆臂(7)绕固定芯轴(5)转动，使得抓绳轮(6)靠近或远离钢索(4)；

所述的控制单元(27)控制CCD相机(25)和电磁无损检测单元(26)的检测及数据存储，以及动力电机(15)和摆动电机(16)转动，所述的电池(28)为动力电机(15)、摆动电机(16)、CCD相机(25)和电磁无损检测单元(26)提供动力；控制单元(27)通过无线传输模块与地面的地面控制设备(29)或手机进行远程控制。

2.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：前导向套(1)和后导向套(3)均为剖分的环型结构，将钢索(4)嵌入在环型结构的内部；机架(2)的上端设置有供钢索(4)穿过的开口(68)。

3.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：蜗轮(10)和第二带轮(21)、第三带轮(31)设置在固定芯轴(5)上，摆臂(7)的固定端和蜗轮(10)固联在一起，并绕固定芯轴(5)转动。

4.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：所述的抓绳轮(6)沿转轴轴线剖面的结构为V字型，抓绳轮(6)的工作面上设置有橡胶垫(20)。

5.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：前导向套(1)和后导向套(3)均为半环状的结构；前导向套(1)和后导向套(3)分别包括底座(19)、滚珠支撑环(65)、弹性挤压环(64)和若干只滚珠(63)，滚珠(63)被限制在滚珠支撑环(65)和弹性挤压环(64)之间，滚珠(63)的外圆贴在钢索(4)的表面。

6.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：弹性挤压环(64)对应滚珠(63)的位置处设置有压簧。

7.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：控制单元(27)上设置有加速度传感器。

8.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：动力电机(15)的转轴上安装有编码器。

9.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：电磁无损检测单元(26)包括沿钢索(4)外圈均布的若干只测量模块，每只测量模块包括固定在固定套(74)上的永久磁铁(71)、磁阻传感器(72)和衔铁(73)。

10.根据权利要求1所述的基于爬索机器人的桥梁钢索缺陷检测装置，其特征在于：电磁无损检测单元(26)为半环型结构，与后导向套(3)固定在同一只底座(19)的内部，所述的底座(19)固定在机架(2)上，固定套(74)的内圈尺寸小于或等于滚珠支撑环(65)的内圈尺寸且二者同轴设置。