一种在役杆件磁通量测试系统及控制方法
【专利摘要】一种在役杆件磁通量测试系统及控制方法。测试系统包括测试机器人和控制计算机两部分；测试机器人由两个移动测试端和一个三轴联动关节组成，其中移动测试端设有钳形手臂、五轴联动关节、驱动轮、光电传感器、锂电池、无线天线、陀螺仪和处理器，钳形手臂上设有滑动轴承和磁通量传感器。本发明提供的在役杆件磁通量测试系统具有如下优点：1、可沿杆件轴向连续测量磁通量；2、遇到杆件节点时机器人能改变自身形状并根据程序设定路径攀爬到下一根杆件上，不需人为干预地连续完成高空及复杂环境下在役杆件磁通量测试。
【专利说明】一种在役杆件磁通量测试系统及控制方法【技术领域】
[0001]本发明属于钢结构件检测【技术领域】，特别是涉及一种在役杆件磁通量测试系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]空间杆系结构已被广泛应用于体育场、会展中心、火车站及桥梁等大型建筑设施中。但是，作为大跨度空间结构的主要承重构件，一旦杆件出现损伤，将会降低这些结构的安全性，并可能造成结构发生灾难性的连续倒塌。由于空间杆系结构的提出距今不到30年，我国大规模兴建空间结构仅在近10年左右，因此，大量已建空间杆系结构在未来面临着检测、加固的问题。
[0003]如何评价杆件完好性以及获得杆件工作状况下的内力，则是解决这一问题的前提条件。在桥梁拉索检测领域，2013年采用“探索者III”智能机器人对长江二桥斜拉索进行了外观损伤、内部钢丝缺陷(锈蚀、断丝等情况)的无损检测，为该问题的解决提供了参考。然而，该智能机器人仅能沿拉索上下移动，无法解决空间杆系结构节点多、杆件相对较短、杆件角度复杂等问题，因此无法直接应用于空间杆系结构的杆件完好性评价。此外，浙江大学白勇等通过实验证明了磁信号和应力集中状态及塑性变形状态有显著的关联，磁信号不仅可以用来判断缺陷的位置和尺寸，也可用于研究塑性变形的分布。因此，利用杆件截面的磁通量变化不仅可以完成“探索者III”智能机器人的内部缺陷检测，还可以评价在役杆件的内力分布及应力集中状况，为进行空间杆系结构健康度评估提供技术手段。
[0004]因而，如何智能识别运动路径、动态获得在役杆件磁通量分布，就显得尤为重要。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问`题，本发明的目的在于提供一种在役杆件磁通量测试系统及控制方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供的在役杆件磁通量测试系统包括测试机器人和控制计算机；其中，测试机器人由两个移动测试端和一个连接在两个移动测试端之间的三轴联动关节组成，所述的移动测试端包括钳形手臂、五轴联动关节、驱动部、多个滑动轴承和多个磁通量传感器，其中钳形手臂的开口位于外侧，其两个内侧面上分别安装有至少一个滑动轴承和磁通量传感器；五轴联动关节连接在钳形手臂和驱动部之间；驱动部的主体为弧形板，内圆周面上安装有多个驱动轮，外圆周面上安装有无线天线，并且其上安装有光电传感器、锂电池、陀螺仪、处理器和驱动电机，驱动电机的输出轴与驱动轮相连，处理器与三轴联动关节、五轴联动关节、驱动电机、磁通量传感器、光电传感器、锂电池和陀螺仪相连，同时以无线的方式通过无线天线与安装在控制中心的控制计算机相接。
[0007]所述的多个驱动轮分为两类，一类为沿杆件周向运动的周向轮，一类为沿杆件轴向运动的轴向轮。
[0008]本发明提供的在役杆件磁通量测试系统的控制方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0009]I)处理器通电自检的SI阶段；在此阶段中，处理器首先对整个测试机器人的硬件进行上电自检，然后进入S2阶段；
[0010]2)空闲模式的S2阶段；在此阶段中，处理器通过无线天线在控制计算机的操作界面上显示各硬件自检结果，并进入S3阶段，等待执行用户命令；
[0011]3)判断是否点击测试按钮的S3阶段；在此阶段中，用户可根据硬件自检结果，确认各硬件是否正常工作，此时处理器将判断用户是否点击控制计算机操作界面上的“测试开始”按钮，如果判断结果为“是”，则进入S4阶段，否则返回到S2阶段的入口处；
[0012]4)判断是否点击“两端磁通量同时测试”按钮的S4阶段；在此阶段中，处理器将判断用户是否点击控制计算机操作界面上的“两端磁通量同时测试”按钮，如果判断结果为“是”，则进入S5阶段，否则进入S6阶段；
[0013]5)给两端磁通量传感器同时供电的S5阶段；在此阶段中，处理器将控制锂电池给已安装在某一待测杆件上的测试机器人上位于运动前方和后方的钳形手臂上的磁通量传感器同时供电，然后进入S7阶段；
[0014]6)给一端磁通量传感器供电的S6阶段；在此阶段中，处理器将根据用户指令控制锂电池给位于运动前方或后方的钳形手臂上的磁通量传感器供电，然后进入S7阶段；
[0015]7)驱动部工作带动测试机器人运动的S7阶段；在此阶段中，处理器将控制锂电池给驱动部上的驱动电机供电，以带动驱动轮转动，从而使测试机器人沿杆件轴向移动，在移动过程中，处理器将根据陀螺仪反馈的信息调整测试机器人的空间位置，然后进入S8阶段；
[0016]8)记录传感器测试结果的S8阶段；在此阶段中，处理器将动态采集磁通量传感器的测试数据结果并通过无线天线传输给控制计算机，并记录在控制计算机的硬盘上，然后进入S9阶段；
[0017]9)判断“是否碰到杆件节点”的S9阶段；在此阶段中，控制计算机将根据测试机器人上驱动轮直径和光电传感器记录的驱动轮转动圈数，结合测试机器人的初始位置、测试机器人自身长度和杆件长度，判断测试机器人的前端是否碰到杆件节点，如果判断结果为“是”，则进入SlO阶段，否则返回S7阶段；
[0018]10)判断测试是否结束的SlO阶段；在此阶段中，控制计算机将根据用户指令判断是否已经完成了测试工作，如果判断结果为“是”，则退出测试程序，否则进入Sll阶段；
[0019]11)五轴联动关节控制钳形手臂改变形状和空间位置的Sll阶段；在此阶段中，位于运动前方的钳形手臂将根据控制计算机的指令在处理器的控制下，通过五轴联动关节改变形状和空间位置，并根据下一个测试杆件的位置调整姿态，然后进入S12阶段；
[0020]12)三轴联动关节控制运动前方的移动测试端改变形状和空间位置以绕开障碍物的S12阶段；在此阶段中，位于运动后方的钳形手臂仍固定在原测试杆件上，之后三轴联动关节控制运动前方的移动测试端改变形状和空间位置以绕开障碍物，然后进入S13阶段；
[0021]13)运动后方的移动测试端向前运动使运动前方的移动测试端贴近下一根杆件的S13阶段；在此阶段中，运动后方的移动测试端将控制其上轴向轮向前运动，同时控制周向轮绕原杆件旋转，以避开障碍物后控制运动前方的移动测试端贴近下一根杆件，然后进入S14阶段；[0022]14)攀爬至新杆件的S14阶段；在此阶段中，运动前方的移动测试端上的钳形手臂将从开口套在下一根杆件外部，之后运动后方的移动测试端上的钳形手臂在五轴联动关节和三轴联动关节控制下放开前一根杆件，然后运动前方的移动测试端向前运动以带动运动后方的移动测试端贴近新杆件，最后在五轴联动关节和三轴联动关节的控制下运动后方的钳形手臂从开口套在下一根杆件外部，然后返回S4阶段，重复测试，直至测试结束。
[0023]本发明提供的在役杆件磁通量测试系统可以根据程序设定，智能识别运动路径、快速采集杆件界面磁通量分布，实现测试机器人在空间杆系结构的杆件间攀爬、运动，将所获得的杆件磁通量分布信息传输给控制计算机，从而为评价在役空间结构的杆件健康度及维修加固分析提供可靠依据。另外，控制方法简单、易行。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明提供的在役杆件磁通量测试系统组成示意图。
[0025]图2为本发明提供的在役杆件磁通量测试系统中测试机器人结构示意图。
[0026]图3为本发明提供的在役杆件磁通量测试系统中测试机器人上驱动部的主体侧视图。
[0027]图4为本发明提供的在役杆件磁通量测试系统中测试机器人上驱动部的主体内圆周面结构示意图。
[0028]图5为本发明提供的在役杆件磁通量测试系统的控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的在役杆件磁通量测试系统及控制方法进行详细说明。
[0030]如图1-图4所示，本发明提供的在役杆件磁通量测试系统包括测试机器人I和控制计算机2 ;其中，测试机器人I由两个移动测试端3和一个连接在两个移动测试端3之间的三轴联动关节4组成，所述的移动测试端3包括钳形手臂5、五轴联动关节6、驱动部7、多个滑动轴承8和多个磁通量传感器9，其中钳形手臂5的开口位于外侧，其两个内侧面上分别安装有至少一个滑动轴承8和磁通量传感器9 ;五轴联动关节6连接在钳形手臂5和驱动部7之间；驱动部7的主体为弧形板，内圆周面上安装有多个驱动轮10，外圆周面上安装有无线天线13，并且其上安装有光电传感器11、锂电池12、陀螺仪14、处理器15和驱动电机，驱动电机的输出轴与驱动轮10相连，处理器15与三轴联动关节4、五轴联动关节6、驱动电机、磁通量传感器9、光电传感器11、锂电池12和陀螺仪14相连，同时以无线的方式通过无线天线13与安装在控制中心的控制计算机2相接。
[0031]所述的多个驱动轮10分为两类，一类为沿杆件周向运动的周向轮16，一类为沿杆件轴向运动的轴向轮17。
[0032]现将本发明提供的在役杆件磁通量测试系统工作过程阐述如下:首先由检测人员将测试机器人I上的两个钳形手臂5从开口处同时套在待测空间杆系结构的某一根杆件外部，并使两个驱动部7主体内圆周面上的多个驱动轮10接触在杆件外表面上，然后根据空间杆系结构的图纸在控制计算机2上设定好测试机器人I的运动路径以及在每个节点位置测试机器人I的姿态调整参数，并根据需要选择是否两个移动测试端3上的磁通量传感器9同时采集磁通量还是仅一端采集，之后在控制计算机2的操作界面上点击“测试开始”按钮，这时处理器15将根据用户指令控制锂电池12给两个或一个移动测试端3上的磁通量传感器9供电，并控制锂电池12给驱动电机供电，以带动驱动轮10转动，从而使测试机器人I沿杆件轴向移动，在移动过程中，处理器15将根据陀螺仪14反馈的信息调整测试机器人I的空间位置，同时将磁通量传感器9采集的测试数据通过无线天线13实时传输给控制计算机2，并记录在控制计算机2的硬盘上，当位于运动前方的钳形手臂5碰到杆件节点时，其将根据控制计算机2的指令在处理器15的控制下，通过与其相连的五轴联动关节6改变形状和空间位置，并根据下一个待测试杆件的位置调整姿态，而位于运动后方的钳形手臂5仍固定在原测试杆件上，之后三轴联动关节4将根据控制计算机2的指令控制运动前方的移动测试端3改变形状和空间位置以绕开障碍物，之后运动后方的移动测试端3将通过控制其上轴向轮17向前运动，同时通过控制周向轮16绕原杆件旋转，以避开障碍物后控制运动前方的移动测试端3贴近下一根杆件，之后运动前方的移动测试端3上的钳形手臂5将从开口处套在下一根杆件外部，运动后方的移动测试端3上的钳形手臂5在五轴联动关节6和三轴联动关节4的控制下放开前一根杆件，然后运动前方的移动测试端3向前运动以带动运动后方的移动测试端3贴近新杆件，最后在五轴联动关节6和三轴联动关节4的控制下运动后方的钳形手臂5将从开口处套在下一根杆件外部而抓住该杆件，由此完成测试机器人I脱离原杆件并固定于新杆件的过程，这时就可以按照上述方法进行下一根杆件的测试，直至测试结束，这时检测人员可将测试机器人I从杆件上取下。
[0033]如图5所示，本发明提供的在役杆件磁通量测试系统的控制方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0034]I)处理器通电自检的SI阶段；在此阶段中，处理器15首先对整个测试机器人I的硬件进行上电自检，然后进入S2阶段；
[0035]2)空闲模式的S2阶段；在此阶段中，处理器15通过无线天线13在控制计算机2的操作界面上显示各硬件自检结果，并进入S3阶段，等待执行用户命令；
[0036]3)判断是否点击测试按钮的S3阶段；在此阶段中，用户可根据硬件自检结果，确认各硬件是否正常工作，此时处理器15将判断用户是否点击控制计算机2操作界面上的“测试开始”按钮，如果判断结果为“是”，则进入S4阶段，否则返回到S2阶段的入口处；
[0037]4)判断是否点击“两端磁通量同时测试”按钮的S4阶段；在此阶段中，处理器15将判断用户是否点击控制计算机2操作界面上的“两端磁通量同时测试”按钮，如果判断结果为“是”，则进入S5阶段，否则进入S6阶段；
[0038]5)给两端磁通量传感器同时供电的S5阶段；在此阶段中，处理器15将控制锂电池12给已安装在某一待测杆件上的测试机器人I上位于运动前方和后方的钳形手臂5上的磁通量传感器9同时供电，然后进入S7阶段；
[0039]6)给一端磁通量传感器供电的S6阶段；在此阶段中，处理器15将根据用户指令控制锂电池12给位于运动前方或后方的钳形手臂5上的磁通量传感器9供电，然后进入S7阶段；
[0040]7)驱动部工作带动测试机器人运动的S7阶段；在此阶段中，处理器15将控制锂电池12给驱动部上的驱动电机供电，以带动驱动轮10转动，从而使测试机器人I沿杆件轴向移动，在移动过程中，处理器15将根据陀螺仪14反馈的信息调整测试机器人I的空间位置，然后进入S8阶段；
[0041]8)记录传感器测试结果的S8阶段；在此阶段中，处理器15将动态采集磁通量传感器9的测试数据结果并通过无线天线13传输给控制计算机2，并记录在控制计算机2的硬盘上，然后进入S9阶段；
[0042]9)判断“是否碰到杆件节点”的S9阶段；在此阶段中，控制计算机2将根据测试机器人I上驱动轮10直径和光电传感器11记录的驱动轮10转动圈数，结合测试机器人I的初始位置、测试机器人I自身长度和杆件长度，判断测试机器人I的前端是否碰到杆件节点，如果判断结果为“是”，则进入Sio阶段，否则返回S7阶段；
[0043]10)判断测试是否结束的SlO阶段；在此阶段中，控制计算机2将根据用户指令判断是否已经完成了测试工作，如果判断结果为“是”，则退出测试程序，否则进入Sll阶段；
[0044]11)五轴联动关节控制钳形手臂改变形状和空间位置的Sll阶段；在此阶段中，位于运动前方的钳形手臂5将根据控制计算机2的指令在处理器15的控制下，通过五轴联动关节6改变形状和空间位置，并根据下一个测试杆件的位置调整姿态，然后进入S12阶段；
[0045]12)三轴联动关节控制运动前方的移动测试端改变形状和空间位置以绕开障碍物的S12阶段；在此阶段中，位于运动后方的钳形手臂5仍固定在原测试杆件上，之后三轴联动关节4控制运动前方的移动测试端3改变形状和空间位置以绕开障碍物，然后进入S13阶段；
[0046]13)运动后方的移动测试端向前运动使运动前方的移动测试端贴近下一根杆件的S13阶段；在此阶段中，运动后方的移动测试端3将控制其上轴向轮17向前运动，同时控制周向轮16绕原杆件旋转，以避开障碍物后控制运动前方的移动测试端3贴近下一根杆件，然后进入S14阶段；
[0047]14)攀爬至新杆件的S14阶段；在此阶段中，运动前方的移动测试端3上的钳形手臂5将从开口套在下一根杆件外部，之后运动后方的移动测试端3上的钳形手臂5在五轴联动关节6和三轴联动关节4控制下放开前一根杆件，然后运动前方的移动测试端3向前运动以带动运动后方的移动测试端3贴近新杆件，最后在五轴联动关节6和三轴联动关节4的控制下运动后方的钳形手臂5从开口套在下一根杆件外部，然后返回S4阶段，重复测试，直至测试结束。
【权利要求】
1.一种在役杆件磁通量测试系统，其特征在于:所述的测试系统包括测试机器人(I)和控制计算机(2);其中，测试机器人(I)由两个移动测试端(3)和一个连接在两个移动测试端(3)之间的三轴联动关节(4)组成，所述的移动测试端(3)包括钳形手臂(5)、五轴联动关节(6)、驱动部(7)、多个滑动轴承(8)和多个磁通量传感器(9)，其中钳形手臂(5)的开口位于外侧，其两个内侧面上分别安装有至少一个滑动轴承(8)和磁通量传感器(9);五轴联动关节(6)连接在钳形手臂(5)和驱动部(7)之间；驱动部(7)的主体为弧形板，内圆周面上安装有多个驱动轮(10)，外圆周面上安装有无线天线(13)，并且其上安装有光电传感器(11)、锂电池(12)、陀螺仪(14)、处理器(15)和驱动电机，驱动电机的输出轴与驱动轮(10)相连，处理器(15)与三轴联动关节(4)、五轴联动关节(6)、驱动电机、磁通量传感器(9)、光电传感器(11)、锂电池(12)和陀螺仪(14)相连，同时以无线的方式通过无线天线(13)与安装在控制中心的控制计算机(2)相接。
2.根据权利要求1所述的在役杆件磁通量测试系统，其特征在于:所述的多个驱动轮(10)分为两类，一类为沿杆件周向运动的周向轮(16)，一类为沿杆件轴向运动的轴向轮(17)。
3.—种如权利要求1所述的在役杆件磁通量测试系统的控制方法，其特征在于:所述的控制方法包括按顺序进行的下列步骤: 1)处理器通电自检的SI阶段；在此阶段中，处理器(15)首先对整个测试机器人(I)的硬件进行上电自检，然后进入S2阶段； 2)空闲模式的S2阶段；在此阶段中，处理器(15)通过无线天线(13)在控制计算机(2)的操作界面上显示各硬件自检结果，并进入S3阶段，等待执行用户命令； 3)判断是否点击测试按钮的S3阶段；在此阶段中，用户可根据硬件自检结果，确认各硬件是否正常工作，此时处理器(15)将判断用户是否点击控制计算机(2)操作界面上的“测试开始”按钮，如果判断结果为“是”，则进入S4阶段，否则返回到S2阶段的入口处； 4)判断是否点击“两端磁通量同时测试”按钮的S4阶段；在此阶段中，处理器(15)将判断用户是否点击控制计算机(2)操作界面上的“两端磁通量同时测试”按钮，如果判断结果为“是”，则进入S5阶段，否则进入S6阶段； 5)给两端磁通量传感器同时供电的S5阶段；在此阶段中，处理器(15)将控制锂电池(12)给已安装在某一待测杆件上的测试机器人(I)上位于运动前方和后方的钳形手臂(5)上的磁通量传感器(9)同时供电，然后进入S7阶段； 6)给一端磁通量传感器供电的S6阶段；在此阶段中，处理器(15)将根据用户指令控制锂电池(12)给位于运动前方或后方的钳形手臂(5)上的磁通量传感器(9)供电，然后进入S7阶段； 7)驱动部工作带动测试机器人运动的S7阶段；在此阶段中，处理器(15)将控制锂电池(12)给驱动部上的驱动电机供电，以带动驱动轮(10)转动，从而使测试机器人(I)沿杆件轴向移动，在移动过程中，处理器(15)将根据陀螺仪(14)反馈的信息调整测试机器人(I)的空间位置，然后进入S8阶段； 8)记录传感器测试结果的S8阶段；在此阶段中，处理器(15)将动态采集磁通量传感器(9 )的测试数据结果并通过无线天线(13)传输给控制计算机(2 )，并记录在控制计算机(2 )的硬盘上，然后进入S9阶段；9)判断“是否碰到杆件节点”的S9阶段；在此阶段中，控制计算机(2)将根据测试机器人(I)上驱动轮(10)直径和光电传感器(11)记录的驱动轮(10)转动圈数，结合测试机器人(I)的初始位置、测试机器人(I)自身长度和杆件长度，判断测试机器人(I)的前端是否碰到杆件节点，如果判断结果为“是”，则进入SlO阶段，否则返回S7阶段； 10)判断测试是否结束的SlO阶段；在此阶段中，控制计算机(2)将根据用户指令判断是否已经完成了测试工作，如果判断结果为“是”，则退出测试程序，否则进入Sll阶段； 11)五轴联动关节控制钳形手臂改变形状和空间位置的Sll阶段；在此阶段中，位于运动前方的钳形手臂(5)将根据控制计算机(2)的指令在处理器(15)的控制下，通过五轴联动关节(6)改变形状和空间位置，并根据下一个测试杆件的位置调整姿态，然后进入S12阶段； 12)三轴联动关节控制运动前方的移动测试端改变形状和空间位置以绕开障碍物的S12阶段；在此阶段中，位于运动后方的钳形手臂(5)仍固定在原测试杆件上，之后三轴联动关节(4)控制运动前方的移动测试端(3)改变形状和空间位置以绕开障碍物，然后进入S13阶段； 13)运动后方的移动测试端向前运动使运动前方的移动测试端贴近下一根杆件的S13阶段；在此阶段中，运动后方的移动测试端(3)将控制其上轴向轮(17)向前运动，同时控制周向轮(16)绕原杆件旋转，以避开障碍物后控制运动前方的移动测试端(3)贴近下一根杆件，然后进入S14阶段； 14)攀爬至新杆件的S14阶段；在此阶段中，运动前方的移动测试端(3)上的钳形手臂(5)将从开口套在下一根杆件外部，之后运动后方的移动测试端(3)上的钳形手臂(5)在五轴联动关节(6)和三轴联动关节(4)控制下放开前一根杆件，然后运动前方的移动测试端(3)向前运动以带动运动后方的移动测试端(3)贴近新杆件，最后在五轴联动关节(6)和三轴联动关节(4)的控制下运动后方的钳形手臂(5)从开口套在下一根杆件外部，然后返回S4阶段，重复测试，直至测试结束。
【文档编号】G01N27/83GK103776896SQ201410028799
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】武志玮, 陈屹巍, 刘国光, 郭赢, 肖登宇, 陈琦 申请人:中国民航大学