一种自主式视觉检测机器人系统及其使用方法与流程

本发明涉及一种自主式视觉检测机器人系统及其使用方法，属于机器人技术领域。

背景技术：

磁吸附爬壁机器人是一种设计在导磁壁面上进行特定作业如焊接，打磨，检测等的一种自动化机械装置。轻量化磁轮吸附式视频检测爬壁机器人可以在船舶，集装箱，大型结构件等的导磁面上灵活移动并且实时拍摄周围视频或图像，并且传输回本地控制端，作为相应工作提供环境参考信息。

爬壁机器人必须具有吸附和移动两个基本功能。常见的吸附方式有负压吸附，磁吸附和表面材料吸附等。其中负压方式可以通过装置产生负压将机械装置吸附在壁面，不受壁面材料限制；磁吸附方式要求吸附表面必须是具有一定导磁性的表面；表面材料吸附方式主要是控制特定材料与吸附表面通过电学、化学、物理等方式粘接和分离。

磁吸附爬壁机器人按吸附功能分主要有磁足、磁轮、间隙吸附等方式。磁吸附方式爬壁机器人按移动功能分主要有磁足、轮式和履带式。磁足式，能跨越比较复杂的障碍物，但是移动速度慢且机械结构和控制方式复杂；轮式移动速度快，控制相对灵活，但是在跨越障碍物时候容易脱离壁面，难以维持稳定的吸附力；履带式，着地面积大，载重量大，但是不能适应复杂的表面，且不易转向。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种自主式视觉检测机器人系统，移动速度快、转向灵活，并且能够适应相对复杂的壁面结构，不易发生坠落，同时还提供了本自主式视觉检测机器人系统的使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种自主式视觉检测机器人系统，包括机器人本体、无线通讯节点a、无线通讯节点b和远程控制系统，所述机器人本体包括车架主体，车架主体上安装有驱动机构，驱动机构包括磁性前轮，磁性前轮的摩擦面上镶嵌有均匀分布的永磁体；还包括磁性后轮、后车架和柔性机构，后车架通过柔性机构和所述车架主体相连，磁性后轮安装在后车架上，磁性前轮也可以选用其它形式的磁轮，只要能够通过磁力将爬壁机器人吸附在壁面即可；所述车架主体上安装有云台，云台上安装有图像采集装置，云台和图像采集装置均和机器人本体的控制系统电连接，机器人本体的控制系统连接有无线通讯装置b；所述远程控制系统包括控制器、显示器和无线通讯装置a，显示器和无线通讯装置a均和所述控制器电连接；无线通讯节点a和无线通讯节点b电连接，无线通讯装置a和无线通讯节点a无线通讯连接，无线通讯节点b和无线通讯装置无线通讯连接。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述磁性前轮为弹性材料，磁性前轮上具有若干孔位。通过孔位的形式减轻磁性前轮的重量，更重要的是，通过在磁性前轮上设置孔位，可以使更多的永磁体与壁面贴合。具体的是，能够加大磁性前轮的形变量，使磁性前轮与壁面的贴合面积加大，以使更多的永磁体与壁面贴合，从而提高磁性前轮的吸附能力。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述磁性后轮为万向轮。以提高转向时整体的灵活性和稳定性。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述柔性机构为铰接结构，后车架铰接在车架主体上。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述云台包括第一驱动电机、第二驱动电机和支撑架，支撑架成l型；第一驱动电机安装在车架主体上，支撑架一端固定在第一驱动电机的驱动端上，第二驱动电机安装在支撑架的另一端，图像采集装置安装在第二驱动电机的驱动端上。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，车架主体上设有与所述控制系统电连接的三轴陀螺仪、加速度计和多个超声波雷达测距传感器。主体部分的三轴陀螺仪、加速度计能实时记录机器人的空间姿态和速度，超声波测距传感器能对周围距离进行测量，在已知周围空间位置情况下，能够通过空间姿态和距离测量判断机器人在已知空间的位置。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述驱动机构还包括动力电机、联轴器、轮轴、轴承和前驱动模块壳体；动力电机的输出轴通过联轴器和轮轴相连，轮轴通过轴承和磁性前轮相连，联轴器和轮轴位于前驱动模块壳体内。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述第一驱动电机和第二驱动电机均是无刷直流伺服电机。无刷直流伺服电机带动的云台摄像模块能够根据机器人主体姿态调整云台角度，确保拍摄画面的稳定，和特定角度拍摄。

前述的一种自主式视觉检测机器人系统中，所述磁性前轮为中空结构，中空结构为充气部，磁性前轮的轮胎壁上镶嵌有永磁体。

以上所述的一种自主式视觉检测机器人系统的使用方法，包括以下方法：将无线通讯节点a固定在集装箱的外部，将无线通讯节点b固定在集装箱的内部，通过操作远程控制系统将控制信号发送给无线通讯节点a，无线通讯节点a将控制信号传递给无线通讯节点b，无线通讯节点b将控制信号发送给机器人本体；机器人本体将采集到的信息依次经无线通讯节点b、线通讯节点a发送给远程控制系统，并在远程控制系统的显示器上显示。

与现有技术相比，本系统的无线通讯节点a和无线通讯节点b在使用时，其中一个位于集装箱的外部，另一个位于集装箱的内部，无线通讯节点a和无线通讯节点b之间通过线路相连，无线通讯装置b和无线通讯装置a之间的通讯信息通过无线通讯节点a和无线通讯节点b传递，能够增强输送信号，防止集装箱形成的信号屏障导致信号不畅。

并且，本发明采用两个独立驱动的磁性轮以及通过柔性铰链连接的后车架随动磁轮，从而实现轮式移动的磁性吸付爬壁移动。机器人可以在垂直、顶面、或带有一定障碍面的导磁壁面自由行走和转向。由于采用特定结构的磁性驱动前轮，能够确保在爬越障碍物时能跟随导磁壁面结构，确保稳定的吸附力。柔性铰链连接的后车架，能够跟随主体结构运动，确保主体结构的稳定性，并且常规的爬壁机器人每个驱动轮均需要配备一个电机，而本专利中后轮采用随动形式，无需配备提供动力的电机，由于电机的数量减少了，所以本专利能降低机器人的控制难度。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的工作原理示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明的一种实施例的结构示意图；

图4是本发明的一种实施例的内部结构示意图；

图5是驱动机构的一种实施例的结构示意图；

图6是云台的一种实施例的结构示意图；

图7是后车架的一种实施例的结构示意图；

图8是磁性后轮的一种实施例的结构示意图。

附图标记：1-车架主体；2-磁性前轮；3-无线通讯装置b；4-柔性机构；5-后车架；6-磁性后轮；7-驱动机构；8-第一驱动电机；9-云台；10-图像采集装置；11-动力电机；12-联轴器；13-轮轴；14-轴承；15-前驱动模块壳体；16-第二驱动电机；17-后磁轮；18-第二轴承；19-转轴销；20-转轴；21-永磁体；22-轮体；23-孔位；24-加速度计；25-超声波雷达测距传感器，26-支撑架，27-远程控制系统，28-无线通讯节点a，29-无线通讯节点b，30-机器人本体。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例1：如图1至图8所示，一种自主式视觉检测机器人系统，用于搭载焊接、打磨、检测等中的一种自动化机械装置，包括机器人本体30、无线通讯节点a28、无线通讯节点b29和远程控制系统27，所述机器人本体30包括车架主体1，车架主体1上安装有驱动机构7，驱动机构7用于驱动磁性前轮2转动，为车架主体1的移动提供动力。驱动机构7包括磁性前轮2，磁性前轮2的摩擦面上镶嵌有均匀分布的永磁体21，磁性前轮2选用密度较小且有一定柔性的材料，磁性前轮2吸附在壁面上后会产生一定的形变，从而提高磁性前轮2与壁面的贴合面积，以提高吸附力，并且，如果壁面结构不是十分平整，磁性前轮2也能够通过自身的形变贴合壁面的不规则，从而提高本机器人的适应能力。

还包括磁性后轮6、后车架5和柔性机构4，后车架5通过柔性机构4和所述车架主体1相连，磁性后轮6安装在后车架5上；所述车架主体1上安装有云台9，云台9上安装有图像采集装置10，云台9和图像采集装置10均和机器人本体30的控制系统电连接，机器人本体30的控制系统连接有无线通讯装置b3；所述远程控制系统27包括控制器、显示器和无线通讯装置a，显示器和无线通讯装置a均和所述控制器电连接；无线通讯节点a28和无线通讯节点b29电连接，无线通讯装置a和无线通讯节点a28无线通讯连接，无线通讯节点b29和无线通讯装置b3无线通讯连接。

当爬壁机器人转向时，通过两个磁性前轮2进行差速运动实现初步转向，然后带动后车架5转向，由于柔性机构4的存在，能够将转向动作进行分解，以提高转向时整体的稳定性，本实施例中，所述磁性前轮2为弹性材料，磁性前轮2上具有若干孔位23。采用孔位23的形式降低磁性前轮2的重量，提高整体的负载能力。本实施例中，所述磁性后轮6为万向轮。所述柔性机构4为铰接结构，后车架5铰接在车架主体1上。

所述车架主体1上安装有云台9，云台9上安装有图像采集装置10，云台9和图像采集装置10均和爬壁机器人的控制系统电连接。云台9能够带动图像采集装置10在正交的两个方向自由转动，以实现多角度拍摄，并且可以根据机器人姿态调整云台角度确保拍摄稳定性。云台9的自由转动是通过以下结构实现的。所述云台9包括第一驱动电机8、第二驱动电机16和支撑架26，支撑架26成l型；第一驱动电机8安装在车架主体1上，支撑架26一端固定在第一驱动电机8的驱动端上，第二驱动电机16安装在支撑架26的另一端，图像采集装置10安装在第二驱动电机16的驱动端上。所述第一驱动电机8和第二驱动电机16均是无刷直流伺服电机。

车架主体1上设有与所述控制系统电连接的三轴陀螺仪、加速度计24和多个超声波雷达测距传感器25和远程通讯装置3。陀螺仪、加速度计能实时记录机器人的空间姿态和速度，超声波测距传感器能对周围距离进行测量，在已知周围空间位置情况下，能够通过空间姿态和距离测量判断机器人在已知空间的位置。

所述驱动机构7还包括动力电机11、联轴器12、轮轴13、轴承14和前驱动模块壳体15；动力电机11的输出轴通过联轴器12和轮轴13相连，轮轴13通过轴承14和磁性前轮2相连，联轴器12和轮轴13位于前驱动模块壳体15内。

实施例2：如图1至图8所示，一种自主式视觉检测机器人系统，用于搭载焊接、打磨、检测等中的一种自动化机械装置，包括机器人本体30、无线通讯节点a28、无线通讯节点b29和远程控制系统27，所述机器人本体30包括车架主体1，车架主体1上安装有驱动机构7，驱动机构7用于驱动磁性前轮2转动，为车架主体1的移动提供动力。驱动机构7包括磁性前轮2，磁性前轮2的摩擦面上镶嵌有均匀分布的永磁体21，磁性前轮2选用密度较小且有一定柔性的材料，磁性前轮2吸附在壁面上后会产生一定的形变，从而提高磁性前轮2与壁面的贴合面积，以提高吸附力，并且，如果壁面结构不是十分平整，磁性前轮2也能够通过自身的形变贴合壁面的不规则，从而提高本机器人的适应能力。

还包括磁性后轮6、后车架5和柔性机构4，后车架5通过柔性机构4和所述车架主体1相连，磁性后轮6安装在后车架5上；所述车架主体1上安装有云台9，云台9上安装有图像采集装置10，云台9和图像采集装置10均和机器人本体30的控制系统电连接，机器人本体30的控制系统连接有无线通讯装置b3；所述远程控制系统27包括控制器、显示器和无线通讯装置a，显示器和无线通讯装置a均和所述控制器电连接；无线通讯节点a28和无线通讯节点b29电连接，无线通讯装置a和无线通讯节点a28无线通讯连接，无线通讯节点b29和无线通讯装置b3无线通讯连接。

当爬壁机器人转向时，通过两个磁性前轮2进行差速运动实现初步转向，然后带动后车架5转向，由于柔性机构4的存在，能够将转向动作进行分解，以提高转向时整体的稳定性。本实施例中，所述磁性前轮2为中空结构，中空结构为充气部，磁性前轮2的轮胎壁上镶嵌有永磁体21。即：磁性前轮2与常规的轮胎结构相同，只不过在轮胎的摩擦面上内嵌有永磁体，所述摩擦面指的是磁性前轮2与壁面发生接触的表面。可以通过减小充气部的压力提高磁性前轮2和壁面的接触面积，使更多的永磁体能够接触壁面，从而提高整体的吸附力。

所述车架主体1上安装有云台9，云台9上安装有图像采集装置10，云台9和图像采集装置10均和爬壁机器人的控制系统电连接。云台9能够带动图像采集装置10在正交的两个方向自由转动，以实现多角度拍摄，并且可以根据机器人姿态调整云台角度确保拍摄稳定性。云台9的自由转动是通过以下结构实现的。所述云台9包括第一驱动电机8、第二驱动电机16和支撑架26，支撑架26成l型；第一驱动电机8安装在车架主体1上，支撑架26一端固定在第一驱动电机8的驱动端上，第二驱动电机16安装在支撑架26的另一端，图像采集装置10安装在第二驱动电机16的驱动端上。所述第一驱动电机8和第二驱动电机16均是无刷直流伺服电机。

所述无线通讯指的是通过wifi或者移动网络3g，4g,5g网络进行通信，控制距离可以实现无限远(存在移动信号即可)。

车架主体1上设有与所述控制系统电连接的三轴陀螺仪、加速度计24和多个超声波雷达测距传感器25和远程通讯装置3。陀螺仪、加速度计能实时记录机器人的空间姿态和速度，超声波测距传感器能对周围距离进行测量，在已知周围空间位置情况下，能够通过空间姿态和距离测量判断机器人在已知空间的位置。

所述驱动机构7还包括动力电机11、联轴器12、轮轴13、轴承14和前驱动模块壳体15；动力电机11的输出轴通过联轴器12和轮轴13相连，轮轴13通过轴承14和磁性前轮2相连，联轴器12和轮轴13位于前驱动模块壳体15内。

本发明还公开了以上实施例所述的一种自主式视觉检测机器人系统的使用方法，用于检测集装箱的内部情况，包括以下方法：首先，将无线通讯节点a28固定在集装箱的外部；然后，将无线通讯节点b29固定在集装箱的内部；通过操作远程控制系统27将控制信号发送给无线通讯节点a28，无线通讯节点a28将控制信号传递给无线通讯节点b29，无线通讯节点b29将控制信号发送给机器人本体30，从而控制机器人本体30运行，如：进行拍照。机器人本体30实时采集集装箱内部的信息，采集方式如：拍照。机器人本体30将采集到的信息依次经无线通讯节点b29、线通讯节点a28发送给远程控制系统27，并在远程控制系统27的显示器上显示。由于集装箱是由金属材料支撑，其对无线信号会形成屏障，影响系统的正常运行，本系统通过设置无线通讯节点a28和无线通讯节点b29能够克服这一问题，保证系统的正常运行。

本机器人系统不局限于检测集装箱、也可以检测船体等金属结构物体的内腔，具体的，机器人本体30的检测流程如下：

s1：控制机器人本体30移动至指定的待检测位置；

s2：控制终端输入待检测区域的关键点坐标或者空间结构，并设定检测区域和检测方式,录像，定点拍照等；

s3：根据程序计算对待检测区域进行自主规划检测路径；

s4：控制机器人模块沿规划路径行进，并按照预先设定的检测工作流程视频检测；

s5：控制终端对检测数据进行实时采集，分析和供操作者观看；

s6:操作者可以随时介入系统对整体系统进行人工控制。