一种翼轮结合的抵近式桥梁裂缝检测机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种翼轮结合的抵近式桥梁裂缝检测机器人。

背景技术：

近年来，我国基础设施大量进行入后期的管理维护期，对于桥梁这种重要的结构物，是基础设施管养的重点所在，而管养的主要技术手段就对桥梁进行定期检测，以了解桥梁的病害情况，评估桥梁的运营状态。目前我国对于桥梁结构的检测周期一般为3年。由于我国桥梁数量庞大，桥梁检测的工作量非常大。对于混凝土桥梁，对结构安全性及耐久性影响最大的病害是结构裂缝，因此裂缝是这类桥的检测重点，要同时测量裂缝的走向、长度、宽度(精度要求0.01mm)，部分桥梁的裂缝非常之多，检测工作量同样巨大。

目前，针对混凝土桥梁裂缝的检测主要采用人工检测、无人机检测和远距离摄像识别等技术手段进行。人工检测可达到宽度测量0.01mm的精度，但是需要采用各种手段将人搭载至裂缝处，对于长大高桥梁，搭载的经济成本非常高，同时检测效率非常低，安全风险很大，而且很多部位(如高桥墩、桥塔空间拱肋)无法到达检测。无人机检测和远距离摄像识别等自动化无人方法可解决人员搭载成本高、检测效率低、风险大、无法到达的问题，可以实现对桥梁裂缝的自动化无人检测，但是由于以上两种方法都是非接触式、相对远距离的测量方法，对于裂缝长度和走向的测量可满足检测精度要求，但是对于裂缝宽度的测量，最高只能达到0.1mm的精度，还无法完全满足检测的精度要求。因此，而要寻找一种自动、无人、高精度、高效的桥梁裂缝检测技术手段，来解决目前检测中遇到的问题。

技术实现要素：

鉴于以上内容，有必要提供一种翼轮结合的抵近式桥梁裂缝检测机器人，用于解决现有用于检测桥梁裂缝的自动化检测设备存在精确度达不到检测要求的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种翼轮结合的抵近式桥梁裂缝检测机器人，包括移动小车、旋翼机构、控制系统以及移动终端；所述移动小车包括车体和对称设于所述车体左右两侧的的四车轮，每一车轮均连接有一驱动电机，所述驱动电机固定连接所述车体；

所述旋翼机构包括两螺旋桨、两旋转电机以及一固定轴；所述移动小车的中部开设有旋翼装配孔，所述固定轴设于所述旋翼装配孔内，并与所述旋翼装配孔同轴设置；所述固定轴通过连杆固定连接所述车体；所述两旋转电机分别设于所述固定轴的两端，且其输出轴与所述固定轴同轴设置；所述两螺旋桨分别与所述两旋转电机的输出轴固定连接，所述两旋转电机分别驱动所述两螺旋桨转动，且所述两螺旋桨的旋转方向相反设置；

所述控制系统包括控制模块、检测模块、电机驱动模块、供电模块以及无线通信模块；所述控制模块、所述电机驱动模块、所述供电模块以及所述无线通信模块均设于所述车体内；所述检测模块包括设于车体前侧的摄像头和测距仪，所述电机驱动模块包括四第一电机驱动器和两第二电机驱动器；所述摄像头、所述测距仪、所述四第一电机驱动器、所述两第二电机驱动器、所述供电模块以及所述无线通信模块均与所述控制模块相连；所述四第一电机驱动器分别连接四驱动电机，所述两第二电机驱动器分别连接两旋转电机；所述四第一电机驱动器和所述两第二电机驱动器均与所述供电模块相连；所述无线通信模块与所述移动终端无线连接；

所述摄像头用于采集桥梁表面的图像信息，并将该图像信息传送给所述控制模块，所述控制模块根据该图像信息进行分析，判断桥梁表面是否有裂缝；所述控制模块还通过所述无线通信模块将该图像信息发送给所述移动终端；所述测距仪用于对裂缝进行尺寸测量，并将测量数据发送给所述控制模块，所述控制模块还通过所述无线通信模块将该测量数据发送给所述移动终端。

优选地，所述控制系统还包括设于车体内的gps定位模块，所述gps定位模块与所述控制模块相连。

优选地，所述控制系统还包括设于车体内的路径规划模块和设于车体前侧的避障传感器，所述路径规划模块和所述避障传感器均与所述控制模块相连。

优选地，所述控制系统还包括设于车体内的陀螺仪，所述陀螺仪与所述控制模块相连；所述陀螺仪用于检测移动小车前进方向相较于所述路径规划模块规划出的路径是否出现角度偏差；若出现角度偏差，所述控制模块通过第一电机驱动器控制相应的驱动电机动作，纠正移动小车的前进方向。

优选地，所述供电模块为可拆卸式锂电池。

优选地，所述车体的材料为碳纤维。

优选地，所述车轮上套设有防滑硅胶垫。

优选地，所述车体上设置有喷涂装置；所述喷涂装置包括一微型加压泵和两涂料瓶；所述微型加压泵设于所述车体内，并通过继电器与所述供电模块相连，所述继电器的控制端与所述控制模块相连；所述两涂料瓶对称地设于车体中部的左右两侧，所述涂料瓶包括瓶盖、瓶体、雾化喷头、导液软管以及重力球；所述瓶体连接所述车体，所述瓶体内装载有明显区别于桥梁表面颜色的涂料，所述瓶盖设于所述瓶体的顶部，并与所述瓶体螺纹连接；所述雾化喷头设于所述瓶体的底部，所述导液软管设于所述瓶体内，所述导液软管的一端与所述雾化喷头相连，所述导液软管的另一端设置有所述重力球；所述微型加压泵的出气口通过两气管分别连通两瓶体的内腔。

优选地，所述瓶体的材料为透明材料，且所述瓶体上设置有容量刻度。

优选地，所述瓶体和所述瓶盖之间设置有密封圈。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明将旋翼机构与车轮两种动力结构进行融合，旋翼机构提供侧压力或者升力，与车轮相连的驱动电机提供移动驱动力。侧压力或者升力将机器人压紧在桥梁结构物的表面、侧面或底面。当机器人位于结构物侧面时，侧压力提供车轮与结构物表面的接触压力，使结构物对机器人车轮产生静摩擦力，摩擦力与机器人自重平衡时，机器人可在结构物侧面自由爬升行走。当机器人位于结构物底面时，由旋翼机构提供升力平衡机器人自重，同样使机器人可紧贴结构物底面自由行走，形成“爬墙”效果。机器人上安装的高精度摄像头和测距仪，实现对桥梁裂缝长度、宽度及走向的高精度检测。该机器人可紧贴桥梁、桥墩侧面、上部结构底面和侧面自由移动爬行，实现对桥梁结构裂缝的抵近式高精度检测，使裂缝的检测精度满足检测规范的精度要求。该机器人可到达桥梁任意指定位置，检测成本明显低于人工检测，该机器人还可到达利用常规人工检测无法到达的桥梁部位检测，给检测人员带来极大的便利。

2.本发明的旋翼机构设置有两个螺旋桨，两螺旋桨同轴中置于车体内，且两螺旋桨的旋转方向相反，避免单个螺旋桨旋转产生不平衡扭矩的问题，且相较于常规的外置多螺旋桨的结构，本发明采用内置螺旋桨的结构，使得机器人的整体结构更加简单、小巧，更方便于机器人在桥梁表面行走及执行测量工作。

3.本发明的控制系统设置有路径规划模块，路径规划模块内嵌路径规划算法，使得机器人具有智能规划路线的功能，避障传感器的设置，使得机器人在行进过程中能够自动避开障碍物；陀螺仪的设置，使得机器人能够自动纠正前进方向，确保检测任务的顺利进行。

4.本发明的控制系统设置有gps定位模块，便于检测人员定位机器人及桥梁裂缝的位置，此外，本发明在机器人上还设置有用于在裂缝附近喷涂标记的喷涂装置，方便桥梁维护人员后续对裂缝进行处理；当机器人发现裂缝时，自动行走至裂缝旁进行测量，同时，控制模块通过继电器控制微型加压泵工作，涂料瓶内气压增加，挤压涂料经导液软管及雾化喷头喷出；当机器人驶离裂缝时，控制模块通过继电器控制微型加压泵停止工作；由于涂料的颜色明显区别于桥梁表面颜色，因此两雾化喷头可在裂缝位置的附近留下两个醒目的标记，桥梁维护人员便能够根据标记很快地找到裂缝，从而开展裂缝修复工作。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的抵近式桥梁裂缝检测机器人的外部结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的旋翼机构的安装示意图；

图3是本发明实施例所提供的涂料瓶的内部结构示意图；

图4是本发明实施例所提供的抵近式桥梁裂缝检测机器人的电器连接示意图；

图中主要元件符号说明如下：

附图中，1-车体、2-车轮、3-驱动电机、4-旋翼机构、5-旋翼装配孔、6-螺旋桨、7-旋转电机、8-固定轴、9-连杆、10-涂料瓶、11-瓶盖、12-瓶体、13-雾化喷头、14-导液软管、15-重力球、16-控制模块、17-检测模块、18-摄像头、19-测距仪、20-电机驱动模块、21-第一电机驱动器、22-第二电机驱动器、23-供电模块、24-无线通信模块、25-gps定位模块、26-路径规划模块、27-避障传感器、28-陀螺仪、29-微型加压泵、30-继电器、31-移动终端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构、部件及其说明可能省略是可以理解的，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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。

实施例

如图1-4所示，一种翼轮结合的抵近式桥梁裂缝检测机器人，包括移动小车、旋翼机构4、控制系统以及移动终端31。移动小车包括车体1和对称设于车体1左右两侧的的四车轮2，每一车轮2均连接有一驱动电机3，驱动电机3固定连接车体1，驱动电机3驱动车轮2转动。其中，车体1的材料为碳纤维，碳纤维具有较强的机械强度，且能够有效降低车体1的自身重量。车轮2上套设有防滑硅胶垫，增强车轮2与桥梁表面的摩擦力，更有利于车轮2在桥梁表面行走。

旋翼机构4包括两螺旋桨6、两旋转电机7以及一固定轴8。移动小车的中部开设有旋翼装配孔5，固定轴8设于旋翼装配孔5内，并与旋翼装配孔5同轴设置。固定轴8通过连杆9固定连接车体1，两旋转电机7分别设于固定轴8的两端，且其输出轴与固定轴8同轴设置。两螺旋桨6分别与两旋转电机7的输出轴固定连接，两旋转电机7分别驱动两螺旋桨6转动，且两螺旋桨6的旋转方向相反设置。两螺旋桨6同轴中置于车体1内，且两螺旋桨6的旋转方向相反，避免单个螺旋桨6旋转产生不平衡扭矩的问题，且相较于常规的外置多螺旋桨6的结构，本发明采用内置螺旋桨6的结构，使得机器人的整体结构更加简单、小巧，更方便于机器人在桥梁表面行走及执行测量工作。

控制系统包括控制模块16、检测模块17、电机驱动模块20、供电模块23、无线通信模块24、gps定位模块25、路径规划模块26、避障传感器27以及陀螺仪28。本实施例中，控制模块16为单片机，供电模块23为可拆卸式锂电池，方便检测人员对机器人进行电源更换操作，确保检测工作不被中断。控制模块16、电机驱动模块20、供电模块23、无线通信模块24、gps定位模块25、路径规划模块26以及陀螺仪28均设于车体1内，避障传感器27设于车体1的前侧。检测模块17包括设于车体1前侧的摄像头18和测距仪19，电机驱动模块20包括四第一电机驱动器21和两第二电机驱动器22。摄像头18、测距仪19、四第一电机驱动器21、两第二电机驱动器22、供电模块23、无线通信模块24、gps定位模块25、路径规划模块26、避障传感器27以及陀螺仪28均与控制模块16相连。四第一电机驱动器21分别连接四驱动电机3，两第二电机驱动器22分别连接两旋转电机7，四第一电机驱动器21和两第二电机驱动器22均与供电模块23相连。无线通信模块24与移动终端31无线连接。本实施例中，移动终端31为笔记本电脑，检测人员通过笔记本电脑与移动小车上的无线通信模块24进行信息交互。

摄像头18用于采集桥梁表面的图像信息，并将该图像信息传送给控制模块16，控制模块16根据该图像信息进行分析，判断桥梁表面是否有裂缝。控制模块16还通过无线通信模块24将该图像信息发送给移动终端31，供检测人员进行查看。测距仪19用于对裂缝进行尺寸测量，并将测量数据发送给控制模块16，控制模块16还通过无线通信模块24将该测量数据发送给移动终端31。路径规划模块26内嵌路径规划算法，使得机器人具有智能规划路线的功能。避障传感器27的设置，使得机器人在行进过程中能够自动避开障碍物。本实施例中，避障传感器27为超声波传感器。gps定位模块25的设置，便于检测人员定位机器人及桥梁裂缝的位置。陀螺仪28用于检测移动小车前进方向相较于路径规划模块26规划出的路径是否出现角度偏差；若出现角度偏差，控制模块16通过第一电机驱动器21控制相应的驱动电机3动作，纠正移动小车的前进方向。陀螺仪28的设置，使得机器人能够自动纠正前进方向，确保检测任务的顺利进行。

此外，车体1上设置有喷涂装置，喷涂装置包括一微型加压泵29和两涂料瓶10。微型加压泵29设于车体1内，并通过继电器30与供电模块23相连，继电器30的控制端与控制模块16相连。两涂料瓶10对称地设于车体1中部的左右两侧，涂料瓶10包括瓶盖11、瓶体12、雾化喷头13、导液软管14以及重力球15。瓶体12的材料为透明材料，且瓶体12上设置有容量刻度，瓶体12连接车体1，瓶体12内装载有明显区别于桥梁表面颜色的涂料。瓶盖11设于瓶体12的顶部，并与瓶体12螺纹连接，瓶体12和瓶盖11之间设置有密封圈，确保瓶体12和瓶盖11之间的密封性。雾化喷头13设于瓶体12的底部，导液软管14设于瓶体12内，导液软管14的一端与雾化喷头13相连，导液软管14的另一端设置有重力球15，重力球15用于将导液软管14远离雾化喷头13的一端沉入涂料中。微型加压泵29的出气口通过两气管分别连通两瓶体12的内腔。本实施例中，两气管上均设置有单向气体阀门，气体只能单向进入瓶体12，防止瓶体12内液体倒流。

喷涂装置用于在裂缝附近喷涂标记，方便桥梁维护人员后续对裂缝进行处理；当机器人发现裂缝时，自动行走至裂缝旁进行测量，同时，控制模块16通过继电器30控制微型加压泵29工作，涂料瓶10内气压增加，挤压涂料经导液软管14及雾化喷头13喷出；当机器人驶离裂缝时，控制模块16通过继电器30控制微型加压泵29停止工作。由于涂料的颜色明显区别于桥梁表面颜色，因此两雾化喷头13可在裂缝位置的附近留下两个醒目的标记，桥梁维护人员便能够根据标记很快地找到裂缝，从而开展裂缝修复工作。

本发明将旋翼机构4与车轮2两种动力结构进行融合，旋翼机构4提供侧压力或者升力，与车轮2相连的驱动电机3提供移动驱动力。侧压力或者升力将机器人压紧在桥梁结构物的表面、侧面或底面。当机器人位于结构物侧面时，侧压力提供车轮2与结构物表面的接触压力，使结构物对机器人车轮2产生静摩擦力，摩擦力与机器人自重平衡时，机器人可在结构物侧面自由爬升行走。当机器人位于结构物底面时，由旋翼机构4提供升力平衡机器人自重，同样使机器人可紧贴结构物底面自由行走，形成“爬墙”效果。机器人上安装的高精度摄像头18和测距仪19，实现对桥梁裂缝长度、宽度及走向的高精度检测。该机器人可紧贴桥梁、桥墩侧面、上部结构底面和侧面自由移动爬行，实现对桥梁结构裂缝的抵近式高精度检测，使裂缝的检测精度满足检测规范的精度要求。该机器人可到达桥梁任意指定位置，检测成本明显低于人工检测，该机器人还可到达利用常规人工检测无法到达的桥梁部位检测，给检测人员带来极大的便利。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。