CN110328566A - 超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人及检测修补方法 - Google Patents

Abstract

一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，包括攀爬机构，所述攀爬机构包括环形齿圈、磁力吸附装置、电动推杆活塞杆、电动推杆缸筒、电动推杆杆件、电动推杆电机、以及磁力吸附步进电机；还包括相机载体部件，所述相机载体部件安装在所述环形齿圈上，所述相机载体部件上安装有丝杆电机，所述丝杆电机对应部位的所述相机载体部件上固定安装有导轨板，所述导轨板上滑动有滑块，所述滑块与所述丝杆电机的输出丝杆相连，所述滑块上安装有可拆卸相机部件或可拆卸修补部件；本装置还包括图像接收拼合***，以及控制***、电力***，它们之间通过电路进行连接。本发明还包括一种利用该攀爬机器人进行检测修补的方法。

Description

超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人及检测修补方法

技术领域

本发明属于建筑机器人技术领域，具体涉及一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人及其检测修补方法。

背景技术

在建筑施工中，经常会遇到超长圆柱体机构件的施工，如大坝起重机的起重缸，其活塞杆为金属材质，如果其表面存在缺陷将会影响起重缸的正常工作。

目前施工现场主流的检测方式是采用搭设支架，通过人工进行检测修补，采用人工检测的方法，花费的时间过于长，高空作业又存在一定的人身伤害风险。因此需要设计一种可以通过控制自动对起重缸活塞杆这种超长圆柱结构进行检测修补的器械，以提高检测效率，降低人工成本以及人身伤害风险。

比如，发明专利申请“一种超长圆柱结构表面检测机器人”(申请号：CN201810731765.0)其公开了一种可以检测超长圆柱结构表面的机器人，但是该设计仅仅具备检测功能，如果其发现圆柱结构表面存在缺陷还是得通过人工进行修补，无法完成自动控制修补的。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以通过控制自动对超长圆柱结构进行检测和修补，避免人工直接高空操作。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，包括攀爬机构，所述攀爬机构包括环形齿圈、磁力吸附装置、电动推杆活塞杆、电动推杆缸筒、电动推杆杆件、电动推杆电机、以及磁力吸附步进电机；所述环形齿圈安装在所述电动推杆杆件上部，所述电动推杆杆件通过螺纹连接在所述电动推杆活塞杆上；所述电动推杆活塞杆安装在所述电动推杆缸筒中，由所述电动推杆驱动电机驱动其从所述电动推杆缸筒伸出或收起；所述磁力吸附装置分别安装在所述电动推杆缸筒和电动推杆杆件上，用以吸附被检测体；所述磁力吸附步进电机控制所述磁力吸附装置内部磁力***的改变，从而实现对被检测体的吸附和松开，还包括安装在环形齿圈上的相机载体部件；其特征在于：所述相机载体部件上安装有丝杆电机，所述丝杆电机对应部位的所述相机载体部件上固定安装有导轨板，所述导轨板上滑动有滑块，所述滑块与所述丝杆电机的输出丝杆相连，所述滑块上安装有可拆卸相机部件或可拆卸修补部件；本装置还包括图像接收拼合***，以及控制***、电力***，它们之间通过电路进行连接。

进一步地，所述可拆卸修补部件包括磨轮、磨轮转动轴、连接柄，所述磨轮安装在所述磨轮转动轴上，所述磨轮转动轴安装在所述导轨板上，所述连接柄一端偏心安装在所述磨轮上，另一端所述滑块上。

进一步地，所述可拆卸相机部件为定焦摄像头，其距圆柱结构表面距离不同时，所拍摄角度范围可知。

进一步地，所述电动推杆活塞杆伸缩长度可测。

进一步地，所述环形齿圈由两个半环形齿圈组合而成，所述环形齿圈外缘设置有200个齿，小齿轮为25个齿，为了精确控制相机载体所处位置，应保证传动比为整数。

进一步地，所述相机载体包括支座，所述支座上安装有编码器电机，所述编码器电机的输出轴上设置有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述环形齿圈啮合，所述驱动齿轮转动一周其在所述环形齿圈上的转动角度可知。

进一步地，所述磁力吸附装置之间通过磁力连接轴相连，所述磁力连接轴上设置有两个呈90°夹角的磁铁轴转动限位开关。

本发明还包括一种利用超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人进行检测修补的方法，包括如下步骤：

S1，测定超长圆柱结构的主体长度、周长，选取攀爬机器人在超长圆柱体结构主体底部的初始安装位置并标记；

S2，将攀爬机器人组装并安装于超长圆柱结构的主体上，安装可拆卸相机部件，使可拆卸相机部件位于S1中所标记的初始安装位置处，通过丝杆电机调整可拆卸相机部件的定焦摄像头，拍摄并锁定拍摄角度；

S3，控制编码器电机运转，使所述相机载体围绕环形齿圈转动，通过控制***控制编码器电机转动圈数，确保定焦摄像头下次拍摄与上次拍摄有固定角度的重合，如此转动一圈至原位；

S4，当底部拍摄一圈后，通过控制***控制攀爬机构开始攀升，所述电动推杆电机由脉冲控制，所述电动推杆活塞杆为丝杆式结构，其螺纹距一定，由脉冲控制所述电动推杆电机运转圈数，通过其运转圈数得知所述电动推杆活塞杆一定距离，由此可测得其伸出长度及所述相机载体部件上升距离，确保相机载体部件上升距离是所述定焦摄像头在竖直方向上的下次拍摄于上次拍摄有固定长度的重合；当相机载体部件上升到位后，再次进行环绕拍摄；

S5，按照S1至S4的步骤重复攀爬动作以及环绕拍摄，直至超长圆柱结构表面拍摄完成，攀爬机器人回至初始位置；可拆卸相机部件通过电路将图像数据传送至图像接收拼合***，所述图像接收拼合***根据设定程序对所拍摄图像进行拼接，从而形成超长圆柱结构表面的整体形态图；并根据可拆卸相机部件竖直移动距离和环绕移动角度绘制二维坐标，人工判断超长圆柱结构表面所存在缺陷并根据二维坐标判定所述缺陷在超长圆柱结构表面具***置；

S6，拆卸可拆卸相机部件，安装可拆卸修补部件，通过控制***控制攀爬机器人到达有二维坐标所确定的缺陷部位进行修补。

有益效果:

本发明可以自动准确地对超长圆柱结构表面进行拍摄，且通过图像接收拼***得到精准的超长圆柱结构表面的二维坐标图形，从而能够精准判断存在缺陷的位置；本装置还能够通过更换可拆卸修补部件对存在缺陷部位进行自动修补，替代人工操作，提高工作效率，降低了人工成本。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中相机载体部件截面图；

图3为本发明中相机载体部件安装定焦摄像头后状态图；

图4为本发明中相机载体部件安装可拆卸修补部件后状态图；

图5为本发明中导轨板机构示意图；

图6为本发明中磁铁轴转动限位开关设置图；

图7为本发明中滑块结构示意图；

图8a控制***的为参数界面；

图8b为控制***的手动界面；

图8c为控制***的自动界面。

图9为本发明中图像接收拼合***所拼合后不同图像大小示意图；

图中：1电动推杆缸筒，2电动推杆杆件，3电动推杆活塞杆，4电动推杆电机，5环形齿圈，6磁力吸附装置，7磁力吸附步进电机，8磁力连接轴，801磁铁轴转动限位开关，9相机载体部件，10编码器电机，11丝杆电机，12定焦摄像头，13磨轮，14连接柄，15滑块，151摄像头安装柱，152螺纹孔，16磨轮转动轴，17导轨板，18丝杆，19电机支撑座，20丝杆电机固定板，21丝杆支撑板，22联轴器，23磨轮限位块，24驱动齿轮轴，25驱动齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步地说明。

应当说明，本发明主体结构与已公开发明专利申请“一种超长圆柱结构表面检测机器人”(申请号：CN201810731765.0)的主体结构基本相同，为便于简化表述以明确本发明所作出的改进部分内容，此处主要对二者却别部分进行描述。

如图1、2，一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，包括攀爬机构，所述攀爬机构包括环形齿圈5、磁力吸附装置6、电动推杆活塞杆3、电动推杆缸筒1、电动推杆杆件2、电动推杆驱动电机、以及磁力吸附步进电机7；所述环形齿圈5安装在所述电动推杆杆件2上部，所述电动推杆杆件2通过螺纹连接在所述电动推杆活塞杆3上；所述电动推杆活塞杆3安装在所述电动推杆缸筒1中，由所述电动推杆驱动电机驱动其从所述电动推杆缸筒1伸出或收起；所述磁力吸附装置6分别安装在所述电动推杆缸筒1和电动推杆杆件2上，用以吸附被检测体；所述磁力吸附步进电机7控制所述磁力吸附装置6内部磁力***的改变，从而实现对被检测体的吸附和松开，还包括安装在环形齿圈5上的相机载体部件9，所述相机载体部件9上安装有编码器电机10，所述编码器电机10的输出轴上安装有驱动齿轮25，所述驱动齿轮25与所述环形齿圈5啮合，其中所述环形齿圈5的为外环形齿圈。所述驱动齿轮25上的齿轮与环形齿圈5上的齿轮相啮合，当所述编码器电机10转动一定圈数时，所述驱动齿轮25绕所述环形齿圈5的转动角度可知，优选地，环形齿圈5外缘设置有200个齿，驱动齿轮25为25个齿，为了精确控制相机载体所处位置，以保证传动比为整数。

如图3、5，所述相机载体部件9上安装有导轨板17，所述导轨板17上安装有丝杆电机固定板20，所述丝杆电机固定板20上安装有丝杆电机11。所述导轨板17上还安装有两个间隔一定距离的丝杆支撑板21，所述丝杆电机11输出轴上连接有丝杆18，所述丝杆18安装在所述丝杆支撑板21上，并可在它们内部转动且可拆卸。所述导轨板17上还安装有滑块15，所述滑块15内部开有贯通的螺纹孔152，通过所述螺纹孔152将所述滑块15滑动安装在所述丝杆18上，通过丝杆电机11驱动丝杆18转动进而驱动所述滑块15在导轨板17上运动，应当理解，所述丝杆电机11可进行正向或反向转动，进而驱动所述滑块15前进或是后退。所述滑块15上设置有摄像头安装柱151，通过摄像头安装柱151安装、拆卸所述定焦摄像头12。应当说明，所述导轨板17在所述相机载体部件9上的安装位置是固定的；所述滑块15位于两个丝杆支撑板21之前，其初始位置位于靠近丝杆电机11的丝杆支撑板21处，此时定焦摄像头12距离超长圆柱结构表面距离一定，其拍摄视角一定，拍摄的超长圆柱结构表面积一定，当丝杆电机11通过丝杆18驱动滑块15向前运动时，可根据丝杆电机11转动的圈数、丝杆18的螺距来调整摄像头距离活塞杆表面的距离，此时其拍摄视角不变，其拍摄的超长圆柱结构表面积可根据向前运动距离进行计算。

如图3、4、5，将所述定焦摄像头12拆下，通过磨轮转动轴16以及磨轮限位块将磨轮13安装在导轨板17上，同时将连接柄14一端安装在磨轮13上，另一端安装在滑动的摄像头安装柱151上，所述连接柄14在磨轮13上的安装采用偏心式安装，由此组成一种偏心轮结构。当丝杆电机11通过丝杆18驱动滑块15前后运动时，由于采用偏心轮结构，连接柄14将带动磨轮13围绕磨轮转动轴16旋转进而对超长圆柱结构表面进行打磨。

如图6，所述磁力吸附装置6之间通过磁力连接轴8相连，所述磁力连接轴8上设置有两个磁铁轴转动限位开关801，其中一个磁铁轴转动限位开关801与磁力吸附装置6吸附表面切线平行，一个磁铁轴转动限位开关801与磁力吸附装置6吸附表面切线处置，即两个磁铁轴转动限位开关801之间呈90°夹角，以限制磁力连接轴8转动角度防止出现卡死现象。

本发明还包括控制***，所述控制***通过线路与所述编码器电机10、丝杆电机11以及电动推杆电机4、磁力吸附步进电机7相连，并控制这些电动部件的运转。所述控制***主要采用PLC控制***，即可编程逻辑控制器。

本发明还包括电力***，所述电力***通过线路与各电动部件相连为它们提供电源保证。

本装置还包括图像接收拼合***，所述图像接收拼合***通过线路与定焦摄像头12进行连接，接收定焦摄像头12拍摄的图像并完成超长圆柱结构表面的整体图像拼接工作已形成超长圆柱结构表面的二维坐标图。其中此处的图像接收拼合***采用现有技术手段，比如已授权发明专利“一种全景图像拼接装置、方法及监控***”(申请号：CN201510016487.7)、已授权发明专利“一种图像拼接方法和***”(申请号：CN201510771828.1)、已授权发明专利“图像拼接方法及装置”(申请号：CN200810212183.8)，由此可见，对应图像的拼合或是拼接技术已经是一种常有技术手段。

本发明还包括一种利用超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人进行检测修补的方法，包括如下步骤：

S1，选取攀爬机器人在超长圆柱体结构主体底部的初始安装位置并标记。由于攀爬机器人具有一定的高度，所以会有一定的视觉盲区，由人工检测完成。

S2，将攀爬机器人组装并安装于超长圆柱结构的主体上，安装可拆卸相机部件，使可拆卸相机部件中的定焦摄像头12位于S1中所标记的初始安装位置处，通过丝杆电机11调整可拆卸相机部件的定焦摄像头12，拍摄并锁定拍摄角度；需要确保定焦摄像头12位于初始位置，且位于导轨板17上的初始位置，此时其拍摄视角一定，拍摄面积一定。

S3，控制编码器电机10运转，使所述相机载体围绕环形齿圈5转动，通过控制***控制编码器电机10转动圈数，确保定焦摄像头12下次拍摄与上次拍摄有固定角度的重合，如此转动一圈至原位。本发明中的一个实施例中设定，驱动齿轮25每转动一定角度，其绕环形齿圈5转动36°，此时定焦摄像头12可拍摄一张照片，驱动齿轮25再转动一定角度，定焦摄像头12拍摄照片与之前拍摄的照片有固定角度的重合。由此当驱动齿轮25环绕环形齿圈5转动一圈后，定焦摄像头12可拍摄10张带有一定角度重合的照片。优选地，所述编码器电机10采用至六编码器电机ASLONG电机，其为永磁直流减速电机，可测速且可正反转动，其轴长、转速及电压均可进行定制。

S4，当底部拍摄一圈后，通过控制***控制攀爬机构开始攀升，本发明中所述电动推杆活塞杆3采用丝杆式设计，设定其螺距为2mm，假设定焦摄像头12需要上升12mm，则电动推杆活塞杆3需要转动6圈。所述电动推杆电机4与电动推杆活塞杆3之间通过减速器连接，设定减速器的传动比为1:2，则电动推杆电机4需要转动12圈。优选地，所述电动推杆电机4采用脉冲控制式伺服电机，设定该伺服电机脉冲当量为1，电动推杆活塞杆3上述1mm所需脉冲个数为2000，因此当需要使定焦摄像头12上升一定距离时，只需要给予电动推杆电机4一定脉冲个数即可。也可以由给予电动推杆电机4的脉冲个数计算出定焦摄像头12的上升距离。由此可测得电动推杆活塞杆3伸出长度及所述相机载体部件9上升距离，确保相机载体部件9上升距离是所述定焦镜像12在竖直方向上的下次拍摄于上次拍摄有固定长度的重合；当相机载体部件9上升到位后，再次进行环绕拍摄。

S5，按照S1至S4的步骤重复攀爬动作及环绕拍摄，直至超长圆柱结构表面拍摄完成，攀爬机器人回至初始位置；可拆卸相机部件通过电路将图像数据传送至图像接收拼合***，所述图像接收拼合***根据设定程序对所拍摄图像进行拼接，从而形成超长圆柱结构表面的整体形态图；并根据可拆卸相机部件竖直移动距离和环绕移动角度绘制二维坐标，将圆柱结构的表面信息进行二维展开并根据二维坐标判定所述缺陷在超长圆柱结构表面具***置；

S6，拆卸可拆卸相机部件，安装可拆卸修补部件，通过控制***控制攀爬机器人到达有二维坐标所确定的缺陷部位进行修补。

Claims (8)

1.一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，包括攀爬机构，所述攀爬机构包括环形齿圈、磁力吸附装置、电动推杆活塞杆、电动推杆缸筒、电动推杆杆件、电动推杆驱动电机、以及磁力吸附步进电机；所述环形齿圈安装在所述电动推杆杆件上部，所述电动推杆杆件通过螺纹连接在所述电动推杆活塞杆上；所述电动推杆活塞杆安装在所述电动推杆缸筒中，由所述电动推杆驱动电机驱动其从所述电动推杆缸筒伸出或收起；所述磁力吸附装置分别安装在所述电动推杆缸筒和电动推杆杆件上，用以吸附被检测体；所述磁力吸附步进电机控制所述磁力吸附装置内部磁力***的改变，从而实现对被检测体的吸附和松开，还包括安装在环形齿圈上的相机载体部件；

其特征在于:所述相机载体部件上安装有丝杆电机，所述丝杆电机对应部位的所述相机载体部件上固定安装有导轨板，所述导轨板上滑动有滑块，所述滑块与所述丝杆电机的输出丝杆相连，所述滑块上安装有可拆卸相机部件或可拆卸修补部件；本装置还包括图像接收拼合***，以及控制***、电力***，它们之间通过电路进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，其特征在于：所述可拆卸修补部件包括磨轮、磨轮转动轴、连接柄，所述磨轮安装在所述磨轮转动轴上，所述磨轮转动轴安装在所述导轨板上，所述连接柄一端偏心安装在所述磨轮上，另一端所述滑块上。

3.根据权利要求1所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，其特征在于：所述可拆卸相机部件为定焦摄像头，其距圆柱结构表面距离不同时，所拍摄角度范围可知。

4.根据权利要求1所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，其特征在于：所述电动推杆活塞杆伸缩长度可调。

5.根据权利要求1所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，其特征在于：所述环形齿圈由两个半环形齿圈组合而成，为了精确控制相机载体所处位置，应保证传动比为整数。

6.根据权利要求1所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，其特征在于：所述相机载体包括支座，所述支座上安装有编码器电机，所述编码器电机的输出轴上设置有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述环形齿圈啮合。

7.根据权利要求1所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人，其特征在于：所述磁力吸附装置之间通过磁力连接轴相连，所述磁力连接轴上设置有两个呈90°夹角的磁铁轴转动限位开关。

8.利用权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种超长圆柱结构表面的检测修补攀爬机器人进行检测修补的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1选取攀爬机器人在超长圆柱体结构主体底部的初始安装位置并标记，在摄像头下的机器人视觉盲区由人工检测完成；

S2，将攀爬机器人组装并安装于超长圆柱结构的主体上，安装可拆卸相机部件，使可拆卸相机部件位于S1中所标记的初始安装位置处，通过丝杆电机调整可拆卸相机部件的定焦摄像头，拍摄并锁定拍摄角度；

S3，控制编码器电机运转，使所述相机载体围绕环形齿圈转动，通过控制***控制编码器电机转动圈数，确保定焦摄像头下次拍摄与上次拍摄有固定角度的重合，如此转动一圈至原位；

S4，当底部拍摄一圈后，通过控制***控制攀爬机构开始攀升，所述电动推杆电机由脉冲控制，所述电动推杆活塞杆为丝杆式结构，其螺纹距一定，由脉冲控制所述电动推杆电机运转圈数，通过其运转圈数得知所述电动推杆活塞杆一定距离，由此可测得其伸出长度及所述相机载体部件上升距离，确保相机载体部件上升距离是所述定焦摄像头在竖直方向上的下次拍摄于上次拍摄有固定长度的重合；当相机载体部件上升到位后，再次进行环绕拍摄；

S5，按照S1至S4的步骤重复攀爬动作以及环绕拍摄，直至超长圆柱结构表面拍摄完成，攀爬机器人回至初始位置；可拆卸相机部件通过电路将图像数据传送至图像接收拼合***，所述图像接收拼合***根据设定程序对所拍摄图像进行拼接，从而形成超长圆柱结构表面的整体形态图；并根据可拆卸相机部件竖直移动距离和环绕移动角度绘制二维坐标，人工判断超长圆柱结构表面所存在缺陷并根据二维坐标判定所述缺陷在超长圆柱结构表面具***置；

S6，拆卸可拆卸相机部件，安装可拆卸修补部件，通过控制***控制攀爬机器人到达有二维坐标所确定的缺陷部位进行修补。