一种用于建筑结构探伤的自动敲击机器人检测系统的制作方法

本发明属于机器人领域，具体涉及一种用于建筑结构探伤的自动敲击机器人检测系统。

背景技术：

随着我国经济建设迅猛发展，各种复杂大型钢结构建筑不断出现。其中，钢结构被广泛应用于大型桥梁、大型空间结构、高层建筑、大型铁路交通枢纽、石油管道、核电站等。由于这些建筑结构对于结构健康要求较高，因此，加强建筑结构健康检测，及时进行维修显得尤为重要。

目前应用较广泛的是在建筑中特定位置安放有线或无线传感器节点，这种检测方法由于传感器位置固定，存在检测盲区并且维护困难，需要花费大量的人力物力成本；基于无线传感网络的建筑结构健康检测技术需要解决系统长时间工作时的供电问题以及信号传输的可靠性问题。以上这两种检测方式由于传感器位置固定，均存在检测盲区和检测不全面的问题。

技术实现要素：

为了克服传统建筑结构检测方式的安装繁琐，成本高，检测不全面等不足，本发明提供了一种用于建筑结构探伤的自动敲击机器人检测系统，该机器人可以移动到待检测区域，并通过其携带的电磁敲击式损伤检测模块对被测表面进行钢结构损伤检测工作，其具有检测方式灵活、体积小、机动性强、检测更为全面等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于建筑结构探伤的自动敲击机器人检测系统，包括移动模块、控制模块、电磁敲击式损伤检测模块以及激光测距传感器，所述移动模块包括一个车架、两个车轮架、四组磁轮、两组电池及电池固定片，每组磁轮包含八片条形磁铁、一个车轮、一个直角电机和一个编码器；所述电磁敲击式损伤检测模块包含一个直流电机、推杆、推杆弹簧、一个推拉式电磁铁、两个导向l板、螺母套、螺杆、限位螺钉、一个传感器支架及声音传感器；所述控制模块包括模数转换单元、主控单元、无线通信单元、gps单元、电机驱动单元、固态继电器和惯性导航单元。

进一步，所述移动模块中，所述车架用于安装车轮架、电池固定片、直流电机、控制模块、电磁敲击式损伤检测模块，控制模块通过四根立柱固定在车架上，一组电池位于控制模块下方，电池通过电池固定片固定在车架上方，为四个直角电机与直流电机供电，另外一组电池通过电池固定片固定在车架的后半段，为机器人的控制模块、电磁敲击式检测模块及各传感器供电，激光测距传感器固定在车轮架上、四组磁轮的上方，用于采集机器人周围的环境信息。

再进一步，所述四组磁轮由条形磁铁包裹车轮一周组成，磁轮的直角电机通过螺钉安装固定在车轮架上，直角电机的驱动轴与磁轮固定连接，每个直角电机驱动一个磁轮；直角电机控制线与电机驱动单元相连，编码器在车轮与直角电机之间固定在车轮架上，用于测量磁轮的转速信息，并反馈给控制模块。

更进一步，所述控制模块中，所述模数转换单元、gps单元、电机驱动单元、固态继电器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直角电机带动磁轮动作；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；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推拉式电磁铁的电源线相连，因此主控单元通过固态继电器控制吸盘式电磁铁通电与断电状态。

所述电磁敲击式损伤检测模块中，导向l板通过螺栓固定在车架的下方，用于限制螺母套的自由度；直流电机固定在车架上方，电机轴与螺杆穿过车架向下伸出，螺杆与螺母套通过螺纹连接，螺杆的末端安装有限位螺钉，防止螺母套脱出；推拉式电磁铁固定在螺母套内，推杆向下放置；传感器支架为一倾斜30°的铝板，用于靠近推杆末端安放声音传感器。

本发明的技术构思为：利用无线传感网络技术以及轮式机器人体积小、机动性强的优势，旨在解决以往大型钢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。而且建筑结构探伤自动敲击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，由于大部分的钢结构建筑材料都具有较强的铁磁性能，而建筑结构检测机器人可以在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面攀爬，并完成结构健康检测。

本发明提供了一种用于建筑结构探伤的自动敲击机器人检测系统，该检测机器人在进行作业时，可以在攀爬铁磁性表面材料的建筑结构时通过磁轮吸附在被测表面上，并通过其携带的电磁敲击式损伤检测模块实现对钢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，能够对建筑结构实现全面检测。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)成本低：由于建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统结构简单，整个检测机构总体成本相比传统的静态检测网络成本低很多。

2)体积小：该检测机器人体积小、重量轻，携带方便。

3)机动性强：该检测机器人适合在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面进行结构损伤检测作业。

4)检测效率高：该检测机器人所携带的电磁敲击式损伤检测模块，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：建筑结构探伤自动敲击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。

6)节点数量少：利用轮式机器人的移动性，每个机器人可以检测多个位置，从而减少机器人的数量。

7)环境适应性强：该检测机器人能够对周围环境进行智能识别，具有良好的环境适应能力。

8)续航能力持久：当电量不足时，该机器人可以自行移动到基站充电，从而解决供电问题。

附图说明

图1是建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统的整体结构示意图。

图2是建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统的控制模块安装示意图。

图3是建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统自主移动在建筑结构检测区域的示意图。

图4是建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统的电磁敲击式损伤检测模块结构示意图。

图5是建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统工作在建筑结构表面检测的示意图。

图例说明：1.条形磁铁；2.车轮；3.传感器支架；4.激光测距传感器；5.车轮架；6.车架；7.电池固定片；8.电池；9.直流电机；10.控制模块；11.直角电机；12.编码器；13.立柱；14.模数转换单元；15.主控单元；16.天线；17.无线通信单元；18.gps单元；19.电机驱动单元；20.固态继电器；21.惯性导航单元；22.推杆；23.声音传感器；24.待检测区域；25.推杆弹簧；26.推拉式电磁铁；27.导向l板；28.螺母套；29.螺杆；30.限位螺钉；31.传感器支架。

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5，一种用于建筑结构探伤的自动敲击机器人检测系统，包括移动模块、控制模块10、电磁敲击式损伤检测模块以及激光测距传感器4，移动模块包括一个车架6、两个车轮架5、四组磁轮、两组电池8及电池固定片7，每组磁轮包含八片条形磁铁1、一个车轮2、一个直角电机11和一个编码器12，移动模块的车架6用于安装车轮架5、电池固定片7、直流电机9、控制模块10、电磁敲击式损伤检测模块，移动模块的四组磁轮由条形磁铁1包裹车轮2一周组成，磁轮的直角电机11通过螺钉安装固定在车轮架5上，直角电机11的驱动轴与磁轮固定连接，每个直角电机11驱动一个磁轮，直角电机控制线与电机驱动单元19相连，主控单元16发出控制信号，通过电机驱动单元19控制直角电机11与磁轮的旋转方向与转速，使得机器人实现前进、后退、转弯、停止等动作；编码器12在车轮2与直角电机11之间固定在车轮架5上，用于测量磁轮的转速信息，并反馈给控制模块10，激光测距传感器4固定在车轮架5上、四组磁轮的上方，用于采集机器人周围的环境信息。

如图2所示的建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统的控制模块10通过四根立柱13固定在车架6上，一组电池8位于控制模块10下方，电池8通过电池固定片7固定在车架6上方，为四个直角电机11与直流电机9供电，另外一组电池通过电池固定片7固定在车架6的后半段，为机器人的控制模块10、电磁敲击式检测模块及各传感器供电；控制模块10包括模数转换单元14、主控单元15、无线通信单元17、gps单元18、电机驱动单元19、固态继电器20和惯性导航单元21；模数转换单元14通过高速串行外设接口和主控单元15相连接，主控单元15发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元19控制直角电机11带动磁轮动作。无线通信单元17、gps单元18与惯性导航单元21通过通用异步接收器和发送器接口和主控单元15相连接，惯性导航单元21控制检测机器人的行进姿态，gps单元18对检测机器人进行目标定位，主控单元15通过无线通信单元17与地面服务器传输无线信号；固态继电器20的一端与主控单元15的数字量信号输出端口相连，固态继电器20的另一端与推拉式电磁铁26的电源线相连，因此主控单元15可以通过固态继电器20控制吸盘式电磁铁26通电与断电状态。

由图3和图4可见，电磁敲击式损伤检测模块包含一个直流电机9、推杆22、推杆弹簧25、一个推拉式电磁铁26、两个导向l板27、螺母套28、螺杆29、限位螺钉30、一个传感器支架31及声音传感器23，所述模块的导向l板27通过螺栓固定在车架6的下方，用于限制螺母套28的自由度；直流电机9固定在车架6上方，电机轴与螺杆穿过车架6向下伸出，螺杆与螺母套通过螺纹连接，螺杆的末端安装有限位螺钉30，防止螺母套28脱出；推拉式电磁铁26固定在螺母套28内，推杆22向下放置。传感器支架31为一倾斜30°的铝板，用于靠近推杆末端安放声音传感器23。

本发明所述的建筑结构探伤自动敲击机器人检测系统的工作原理如图5所示，当检测机器人停靠到待检测建筑结构表面24时，控制模块10启动检测程序，直流电机9带动螺杆动作，螺母套下降，当下降至一定高度时，直流电机9停止动作，此时，主控单元15通过固态继电器20控制推拉式电磁铁26的通、断电状态，通电时，电磁线圈将推杆22推出，推杆22敲击待检测钢结构建筑表面24；断电时，推杆弹簧25将推杆22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23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，推拉式电磁铁26停止动作，直流电机9反向旋转带动螺母套28上升至初始位置。此时检测机器人启动四个直角电机11带动磁轮动作，机器人离开已检测完的区域，并通过gps单元18对下一个待检测区域目标位置进行定位。

建筑结构探伤自动敲击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18实现对检测目标的定位，通过编码器12测量磁轮的转速信息，通过惯性导航单元21检测机器人的姿态变化，并将位姿信息反馈给控制模块10进行实时调整。检测机器人携带的激光测距传感器4，可以通过激光测距传感器4发射激光来判断与结构表面的相对距离。当检测到机器人偏离预定的路线或者即将碰到结构表面时，主控单元15通过电机驱动单元19发出控制信号，对各直角电机11的速度进行控制，使得检测机器人回到预定路线或者避开建筑结构障碍。当机器人四个直角电机处于不同转速组合时，机器人就可以实现前进、后退、转弯、停止等动作，使得机器人平稳地移动到目标位置并精确定位。