一种用于平面建筑结构探伤的爬壁机器人检测系统的制作方法

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种用于平面建筑结构探伤的爬壁机器人检测系统。

背景技术：

现今，随着我国城市化进程的加快，越来越多的大型建筑拔地而起，由于这些建筑结构对于结构健康要求较高，比如大型建筑玻璃幕墙松动检测或者大型钢结构内部裂纹检测等，因此，加强壁面结构健康检测，及时进行维修显得尤为重要。将机器人技术与传统探伤方法相结合设计的爬壁机器人能够代替人工，实施有效的壁面探伤，由于机器人可以爬到人工爬不到的地方，使壁面得到全面的检测，在消除危险的同时，达到检测的目的。

目前，一些采用真空吸盘吸附的爬壁机器人在运动时，由于吸盘与壁面一直吸附在一起且始终不分开，因此当机器人行走时，吸盘与壁面的摩擦力非常大，使得机器人行走中能耗太大，甚至影响到了机器人的正常运动。吸盘与壁面一直吸附在一起也不利于机器人局部越障。这种机器人需要增加大电机的功率才可以使机器人运动起来，但电机功率增加也会大大增加机器人本体的重量，更加不利于爬壁机器人的在建筑结构表面运动和工作，同时也增加了机器人的成本，不能很好地满足市场的需要。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型解决的技术问题是，提供一种用于平面建筑结构探伤的爬壁机器人检测系统，本实用新型将传统的爬壁机器人吸盘在壁面上的吸附移动改为攀爬移动，机构运行起来更好轻便，控制更加容易，灵活性更高。通过控制机器人的运动，可以满足壁面检测的要求。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于平面建筑结构探伤的爬壁机器人检测系统，包括移动模块、控制模块、电磁敲击式检测模块、吸附模块、一组电池以及超声测距传感器，所述移动模块包括机架和四个移动单元，所述移动单元包括滑块、连杆、曲柄、一个联轴器和一个电机；所述电磁敲击式检测模块包括一个框架、一个螺母套、直流电机、限位螺钉、一个传感器支架、声音传感器、第二推拉式电磁铁及两个导向板；所述吸附模块包括四个吸附单元，所述吸附单元包括一个真空吸盘、一个真空泵固定片、一个真空泵、第一推拉式电磁铁、两个固定板、一个气动接头及软管；所述控制模块包括无线通信单元、模数转换单元、主控单元、gps单元、固态继电器、电机驱动单元和惯性导航单元，一组电池位于控制模块下方，电池通过电池固定片固定在机架上方，为四个真空泵、控制模块、四个电机、四个第一推拉式电磁铁、直流电机、声音传感器、第二推拉式电磁铁以及超声测距传感器供电。

进一步，所述移动模块的四个移动单元分别安装在机架底部的四侧，所述移动单元的电机固定在机架底部，电机通过联轴器与曲柄连接，滑块套在机架下面的横杆上，滑块可在横杆上作直线相对运动，每个电机驱动一个曲柄滑块结构。电机的控制线与电机驱动单元相连，主控单元发出控制信号，通过电机驱动单元控制电机带动曲柄滑块的运动，使得机器人实现前进、后退、左移、右移、停止等动作。

再进一步，所述控制模块通过四根立柱固定在机架上，天线与无线通信单元相连，无线通信单元、模数转换单元、gps单元、固态继电器、电机驱动单元和惯性导航单元均与所述主控单元连接，模数转换单元通过高速串行外设接口和主控单元相连接，主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制电机带动曲柄滑块动作，无线通信单元、gps单元与惯性导航单元通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元相连接，惯性导航单元控制检测机器人的行进姿态，gps单元对检测机器人进行目标定位，主控单元通过无线通信单元与地面服务器传输无线信号；主控单元发出控制信号，通过电机驱动单元控制直流电机工作；固态继电器的一端与主控单元的数字量信号输出端口相连，固态继电器的另一端与真空泵、推拉式电磁铁的电源线相连，因此主控单元可以通过固态继电器控制真空泵、推拉式电磁铁工作。

更进一步，所述电磁敲击式检测模块固定在机架底部，导向板通过螺栓固定在框架的下方，用于限制螺母套转动，直流电机固定在框架内，电机轴穿过框架向下伸出，电机轴与螺母套通过螺纹连接，电机轴的末端安装有限位螺钉，防止螺母套脱出，第二推拉式电磁铁固定在螺母套内，第二推拉式电磁铁的第二推杆方向朝下，传感器支架为一倾斜30°的铝板，用于靠近第二推杆末端安放声音传感器。当检测机器人停靠到待检测壁面时，控制模块启动检测程序，直流电机带动电机轴动作，螺母套下降，当下降至设定高度时，直流电机停止动作，此时，主控单元通过固态继电器控制第二推拉式电磁铁的通、断电状态；通电时，电磁线圈将第二推杆推出，第二推杆敲击待检测壁面；断电时，第二推杆弹簧将第二推杆拉回，如此通、断电交替，产生持续的敲击声音信号供声音传感器采集；当检测机器人完成对一个待检区域的损伤检测工作后，第二推拉式电磁铁停止动作，直流电机反向旋转带动螺母套上升至初始位置；此时检测机器人启动电机带动曲柄滑块动作，机器人离开已检测完的区域，并通过gps单元对下一个待检测区域目标位置进行定位。

所述吸附模块的真空吸盘通过螺母固定在滑块上，第一推拉式电磁铁通过固定板固定在滑块上，真空吸盘通过气动接头与软管的一端连接，软管的另一端与真空泵连接，真空泵通过真空泵固定片固定在机架上，真空泵的电机控制线与固态继电器相连，主控单元发出控制信号，通过固态继电器控制真空泵工作，使得机器人实现吸附、释放动作。

所述检测机器人还具有智能环境识别的能力。检测机器人通过gps单元实现对检测目标的定位，通过惯性导航单元检测机器人的姿态变化，并将位姿信息反馈给控制模块进行实时调整，检测机器人携带的超声测距传感器，可以通过超声测距传感器发射超声波信号来判断与四周障碍物的相对距离；当检测到机器人偏离预定的路线或者即将碰到障碍物时，主控单元通过电机驱动单元控制电机带动曲柄滑块的运动，使得机器人回到预定路线或者避开障碍物。

本实用新型的技术构思为：利用无线传感网络技术以及爬壁机器人体积小、机动性强的优势，旨在解决以往平面结构建筑检测效率低、检测不全面的问题，可以有效节省施工时间，节约人工成本。而且平面结构探伤爬壁机器人检测系统的成本不高，使得整个机器人检测系统总成本比传统静态检测系统的成本低很多。同时，由于是机器人替代人工进行检测，安全性和可靠性有了很大的提高。

本实用新型提供了一种用于平面结构探伤的爬壁机器人检测系统，该检测机器人在进行作业时，可以在攀爬光滑表面材料的建筑结构时通过吸盘吸附在被测表面上，并通过其携带的电磁敲击式检测模块实现对平面结构建筑的损伤检测工作，具有良好的环境适应性，检测方式灵活，且成本低、携带方便，能够对平面结构实现全面检测。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1)本实用新型将传统的爬壁机器人吸盘在玻璃上的吸附移动改为攀爬移动，机构运行起来更加轻便，控制更加容易，灵活性更高。

2)本实用新型采用四组真空吸盘来进行上下左右运动，在爬壁机器人运动的时候，保证至少有两个吸盘吸附，从而保证爬壁机器人本体在玻璃上安全运行。

3)该爬壁机器人的真空吸盘可以通过第一推拉式电磁铁抬起，所以具有一定的越障功能。

4)该爬壁机器人所携带的电磁敲击式检测模块，可以在机器人达到待检测区域时迅速完成下降-敲击-声音采集-上升等一系列动作，快速完成损伤检测后，机器人可以立即前往下一检测点。

5)移动无线传输：平面结构探伤爬壁机器人检测系统通过无线通信单元，可以与地面控制端进行数据传输，也可以与其他检测机器人进行数据的传输，实现机器人的智能协作。

附图说明

图1是平面结构探伤爬壁机器人检测系统的整体结构示意图。

图2是平面结构探伤爬壁机器人检测系统的底部结构示意图。

图3是平面结构探伤爬壁机器人检测系统的控制模块安装示意图。

图4是平面结构探伤爬壁机器人检测系统的电磁敲击式检测模块结构示意图。

图5是平面结构探伤爬壁机器人检测系统的吸附模块结构示意图。

图6是平面结构探伤爬壁机器人检测系统工作在平面结构表面检测的示意图。

图例说明：

1.真空吸盘；2.机架；3.真空泵固定片；4.真空泵；5.控制模块；6.电池固定片；7.电池；8.第一推拉式电磁铁；9.固定板；10.滑块；11.气动接头；12.软管；13.框架；14.螺母套；15.连杆；16.曲柄；17.联轴器；18.电机；19.立柱；20.无线通信单元；21.天线；22.模数转换单元；23.主控单元；24.gps单元；25.固态继电器；26.电机驱动单元；27.惯性导航单元；28.直流电机；29.电机轴；30.限位螺钉；31.传感器支架；32.声音传感器；33.第二推杆；34.第二推杆弹簧；35.第二推拉式电磁铁；36.导向板；37.吸盘弹簧；38.限位螺母；39.第一推杆；40.第一推杆弹簧；41.螺母；42.套筒；43.连接件；44.超声测距传感器；45.待测面。

具体实施方式

下面结合说明书附图对结构作进一步描述。

参照图1～图6，一种用于平面建筑结构探伤的爬壁机器人检测系统，包括包括移动模块、控制模块5、电磁敲击式检测模块、吸附模块、一组电池以及超声测距传感器44，一组电池7位于控制模块5下方，电池7通过电池固定片6固定在机架2上方，为四个真空泵4、控制模块5、四个电机18、四个第一推拉式电磁铁8、直流电机28、声音传感器32、第二推拉式电磁铁35以及超声测距传感器44供电，移动模块包括机架2和四个移动单元，所述移动单元包括滑块10、连杆15、曲柄16、一个联轴器17、一个电机18。所述移动模块的的四个移动单元分别安装在机架2底部的四侧，所述移动单元的电机18固定在机架2底部，电机18通过联轴器17与曲柄16连接，滑块10套在机架2下面的横杆上，滑块10可在横杆上作直线相对运动。每个电机18驱动一个曲柄滑块结构。电机18的控制线与电机驱动单元26相连，主控单元23发出控制信号，通过电机驱动单元26控制电机18带动曲柄滑块的运动，使得机器人实现前进、后退、左移、右移、停止等动作。

如图3所示的平面建筑结构探伤爬壁机器人检测系统的控制模块5包括无线通信单元20、模数转换单元22、主控单元23、gps单元24、固态继电器25、电机驱动单元26和惯性导航单元27以及相关电路，控制模块5通过四根立柱19固定在机架2上，天线21与无线通信单元20相连。无线通信单元20、模数转换单元22、gps单元24、、固态继电器25电机驱动单元26和惯性导航单元27均与所述主控单元23连接，模数转换单元22通过高速串行外设接口和主控单元23相连接，主控单元23发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元26控制电机18带动曲柄滑块动作，无线通信单元20、gps单元24与惯性导航单元27通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元23相连接，惯性导航单元27控制检测机器人的行进姿态，gps单元24对检测机器人进行目标定位，主控单元23通过无线通信单元20与地面服务器传输无线信号，主控单元23发出控制信号，通过电机驱动单元26控制直流电机28工作，固态继电器25的一端与主控单元23的数字量信号输出端口相连，固态继电器25的另一端与真空泵4、推拉式电磁铁8、35的电源线相连，因此主控单元23可以通过固态继电器25控制真空泵4、推拉式电磁铁8、35工作。

如图4所示的平面建筑结构探伤爬壁机器人检测系统的电磁敲击式检测模块包括一个一个框架13、一个螺母套14、直流电机28、限位螺钉30、一个传感器支架31、声音传感器32、第二推拉式电磁铁35及两个导向板36，所述电磁敲击式检测模块固定在机架2底部，导向板36通过螺栓固定在框架13的下方，用于限制螺母套14转动，直流电机28固定在框架13内，电机轴29穿过框架13向下伸出，电机轴29与螺母套14通过螺纹连接，电机轴29的末端安装有限位螺钉30，防止螺母套14脱出。第二推拉式电磁铁35固定在螺母套14内，第二推拉式电磁铁35的第二推杆33方向朝下，传感器支架31为一倾斜30°的铝板，用于靠近第二推杆33末端安放声音传感器32。

如图5所示的平面建筑结构探伤爬壁机器人检测系统的吸附模块包括四个吸附单元，所述吸附单元包括一个真空吸盘1、一个真空泵固定片3、一个真空泵4、第一推拉式电磁铁8、两个固定板9、一个气动接头11及软管12。真空吸盘1的连接件43把真空吸盘1、气动接头11、套筒42连接在一起，连接件43穿过套筒42与限位螺母38通过螺纹连接，套筒42与连接件43之间设有吸盘弹簧37，保证了连接件43能带动真空吸盘1在套筒42轴向运动，而套筒42通过螺母41固定在滑块10上，保证了真空吸盘1能随着滑块一起运动，第一推拉式电磁铁8通过两个固定板9与滑块10固定，保证了第一推拉式电磁铁8也能随着滑块一起运动，第一推拉式电磁铁8中的第一推杆39与连接件43固定在一起，保证了第一推拉式电磁铁8能够带动真空吸盘1沿着套筒42上下运动。真空吸盘1通过气动接头11与软管12的一端连接，软管12的另一端与真空泵4连接，真空泵4通过真空泵固定片3固定在机架2上，真空泵4的电机控制线与固态继电器25相连，主控单元23发出控制信号，通过固态继电器25控制真空泵4工作，使得机器人实现吸附、释放等动作。

本实用新型所述的平面结构探伤爬壁机器人检测系统的工作原理如图6所示，首先真空泵4开始工作，通过软管12使真空吸盘1吸附在壁面上。停靠到待测面45时，控制模块5启动检测程序，直流电机28带动螺杆动作，螺母套下降，当下降至设定高度时，直流电机28停止动作，此时，主控单元23通过固态继电器25控制第二推拉式电磁铁35的通、断电状态，通电时，电磁线圈将第二推杆33推出，第二推杆33敲击待检面45；断电时，第二推杆弹簧34将第二推杆33拉回，如此通、断电交替，产生持续的敲击声音信号供声音传感器32采集。当检测机器人完成对一个待检区域的损伤检测工作后，第二推拉式电磁铁35停止动作，直流电机28反向旋转带动螺母套14上升至初始位置。此时检测机器人进行一个周期的移动，离开已检测完的区域，并通过gps单元24对下一个待检测区域目标位置进行定位。当检测机器人上下运动时，左右两边的真空泵4停止工作，并且左右两边的第一推拉式电磁铁8通电，使得左右两边的真空吸盘1远离壁面，由左右两个电机18带动左右的曲柄滑块机构，从而带动左右方位上的真空吸盘1进行运动，当左右方位上的真空吸盘1向上/下移动一定距离后，左右两边的第一推拉式电磁铁8断电，使得左右两边的真空吸盘1接触壁面，然后使左右两边的真空泵4开始工作，上下两边的真空泵4停止工作，同时，上下两边的第一推拉式电磁铁8通电，使得上下两边的真空吸盘1远离壁面，同时，左右两边的电机18继续运动直到左右方位上真空吸盘1回到原来的机架2相对位置，上下两边的第一推拉式电磁铁8断电，使得上下两边的真空吸盘1接触壁面，然后使上下两边的真空泵4开始工作，保证机器人稳定地吸附在壁面上。这样就完成上下运动的一个周期。左右运动类似于上下运动。通过机器人上下左右的运动，完成对壁面的检测。

平面结构探伤爬壁机器人检测系统具有智能环境识别的能力。检测机器人通过gps单元24实现对检测目标的定位，通过惯性导航单元27检测机器人的姿态变化，并将位姿信息反馈给控制模块5进行实时调整。检测机器人携带的超声测距传感器44，可以通过超声测距传感器44发射超声波信号来判断与四周障碍物的相对距离。当检测到机器人偏离预定的路线或者即将碰到障碍物时，主控单元23通过电机驱动单元26控制电机18带动曲柄滑块的运动，使得机器人回到预定路线或者避开障碍物。