建筑结构振动智能检测机器人小车的制作方法

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种建筑结构振动智能检测机器人小车。

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。然而由于超负荷运营、检测维护不力等因素，甚至有些建筑存在结构设计缺陷，施工质量差等问题，导致事故时有发生，严重威胁着人民的生命财产安全。因此，加强建筑结构健康检测，及时进行维修显得尤为重要。

目前结构健康检测中广泛采用有线的数据采集法，但是其布线繁琐，需要花费大量人力成本；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：

为了克服已有建筑结构健康检测方式的安装繁琐，人工铺设电缆危险、成本高、存在检测盲区、检测不全面的不足，本实用新型提供一种检测方式灵活、且成本低、携带方便、有效消除检测盲区、检测更为全面的建筑结构振动智能检测机器人小车。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种建筑结构振动智能检测机器人小车，包括一个车架、四个磁 轮和一个用于实现待检测建筑结构振动检测的加速度传感器，所述四个磁轮两两布置在所述车架侧面前后方，所述磁轮与用于带动磁轮转动的行走驱动装置连接，所述车架上设有无线通信单元；

所述车架上安装用于带动加速度传感器上下运动的升降装置，所述升降装置的动作端与上固定片连接，所述上固定片与缓冲弹簧的上端连接，所述缓冲弹簧的下端与下固定片连接，所述下固定片的底面安装所述加速度传感器。

进一步，所述升降装置包括一个检测电机、螺杆和导向滑块，所述检测电机的输出轴呈竖直分布，所述检测电机的输出轴与螺杆的顶端固定连接，所述导向滑块与螺杆螺纹配合，所述导向滑块可上下滑动地套装在导向套内，所述导向套固定在所述车架底部。

优选的，所述升降装置位于车架的中部。

更进一步，所述机器人小车还包括横向支架，两个横向支架分别安装在车架的前后两端，所述横向支架上安装红外传感器。

更进一步，所述机器人小车还包括纵向支架，两个纵向支架分别安装在车架的左右两端，所述纵向支架上安装霍尔电压传感器，所述霍尔电压传感器位于所述磁轮的侧方，所述磁轮上一圈设有至少两块条状磁片，相邻的条状磁片的极性相反。

所述机器人小车还包括支撑柱，所述支撑柱固定在车架上，控制模块安装在支撑柱上，所述控制模块包括模数转换单元、单片机主控单元、电机驱动单元和无线通信单元，所述模数转换单元、电机驱动单元和无线通信单元均与所述单片机主控单元连接，所述行走驱动装置与所述电机驱动单元连接，所述红外传感器、霍尔电压传感器均与 所述模数转换单元连接。

所述模数转换单元通过高速串行外设接口和单片机主控单元相连接，所述单片机主控单元发出脉宽调制信号，通过电机驱动单元控制电机与磁轮动作；所述无线通信单元通过通用异步接收器和发送器接口和单片机主控单元相连接，所述单片机主控单元通过无线通信单元与其它移动传感节点或计算机服务器传输无线信号。

所述机器人小车还包括四节电池，其中两节电池与行走驱动装置连接，第三节电池与检测电机连接，第四节电池分别与控制模块、红外传感器和霍尔传感器连接。

本实用新型的技术构思为：利用无线传感网络技术，众多智能检测小车可以形成一个移动无线网络系统，每个智能检测小车都是一个可以自主运动和采集数据的独立机器人。而智能检测小车之间可以通过无线通信相互交流与协作，共同完成结构健康检测，因此可以有效节省施工时间，节约人力成本，同时降低人工布线的危险程度。每个智能检测机器人小车成本很低，使得整个移动无线传感检测网络总成本比传统静态检测网络成本低很多。由于大部分的钢结构建筑材料都具有较强的铁磁性能，而智能检测小车可以在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面移动，并完成结构健康检测。

智能检测小车在通过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，再通过检测电机带动螺杆转动，螺杆带动导向滑块向下运动，通过缓冲弹簧将加速度传感器压紧在被测表面实现钢结构振动检测工作，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。

本实用新型的有益效果主要表现在：

1)成本低：由于每个建筑结构振动智能检测机器人小车成本很低，整个移动无线检测传感网络的总体成本相比传统的静态检测网络成本低很多。

2)攀爬性能强：该机器人小车适合在一切具有铁磁性表面材料的建筑结构上面攀爬，并完成结构振动检测。

3)便携性：该智能检测小车体积小、重量轻，携带方便。

4)移动无线网络：每个机器人小车都是无线传感网络系统中的一个节点，节点之间可无线传输数据，整个移动无线网络可以实现自动组网，多跳路由，动态拓扑。

5)移动性：该智能检测小车可以自行移动到被测位置，完成测量后，自主前往下一位置进行测量，解决目前桥梁检测中存在检测盲区与检测不全面等问题。

6)节点数量少：利用其移动性，每个机器人小车可以检测多个位置，从而减少智能检测小车的数量。

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

8)智能环境识别：对周围环境进行智能识别，具有良好的环境适应性。

附图说明

图1是建筑结构振动智能检测机器人小车的整体结构示意图。

图2是建筑结构振动智能检测机器人小车的仰视图。

图3是建筑结构振动智能检测机器人小车的剖视图。

图4是建筑结构振动智能检测机器人小车工作在钢结构表面运动的示意图。

图5是建筑结构振动智能检测机器人小车工作在钢结构表面检测的示意图。

图6是建筑结构振动智能检测机器人小车中磁轮结构图。

图7是建筑结构振动智能检测机器人小车中车架结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图7，一种建筑结构振动智能检测机器人小车，包括一个车架4、四个磁轮3和一个用于实现待检测建筑结构振动检测的加速度传感器19，所述四个磁轮3两两布置在所述车架4侧面前后方，所述磁轮3与用于带动磁轮转动的行走驱动装置15连接，所述车架4上设有无线通信单元11；

所述车架4上安装用于带动加速度传感器上下运动的升降装置，所述升降装置的动作端与上固定片22连接，所述上固定片22与缓冲弹簧21的上端连接，所述缓冲弹簧21的下端与下固定片20连接，所述下固定片20的底面安装所述加速度传感器19。

进一步，所述升降装置包括一个检测电机16、螺杆23和导向滑块25，所述检测电机16的输出轴呈竖直分布，所述检测电机16的输出轴与螺杆23的顶端固定连接，所述导向滑块25与螺杆23螺纹配合，所述导向滑块25可上下滑动地套装在导向套18内，所述导向套18固定在所述车架4底部。

优选的，所述升降装置位于车架4的中部。当然，也可以在其他位置。

由图1和图2可见，所述建筑结构振动智能检测机器人小车，其 车架4前后两端均固定安装有两个横向支架13，左右两端各固定安装有一个纵向支架17。红外传感器14用螺钉固定在横向支架13上。霍尔电压传感器16固定安装在纵向支架17上。四个红外传感器14与四个霍尔电压传感器16与控制模块7中的模数转换单元8相连接。加速度传感器19固定连接在方形铁片20上。四个动力电机15分别驱动四个磁轮3。动力电机15安装在车架4底部，磁轮3的轴与对应的行走驱动装置15(采用动力电机)的驱动轴固定连接，每个动力电机驱动一个磁轮3。电池2用固定架1固定安装在车架4上，其中一节电池2为控制模块7与各传感器供电，另外一节电池2为检测电机6供电，其他两节电池2为四个动力电机供电。控制模块7由四根支撑柱12固定连接在车架4上。

由图3可见，所述建筑结构振动智能检测机器人小车，其检测电机6固定安装在法兰盘5上。法兰盘5用螺栓固定安装在车架4上。导向套18用螺栓固定在车架4底部。螺杆23顶端开有D型槽，检测电机轴和D型槽相连接。螺杆23上部分光滑并开有螺纹孔，通过紧定螺钉24将螺杆23与检测电机轴固定在一起。缓冲弹簧21上端和上固定片22(采用圆形铁片)固定连接，缓冲弹簧21下端和下固定片20(采用方形铁片)固定连接。导向滑块25与螺杆23通过螺纹连接相配合，导向滑块25能够在导向套18内上下移动，不能转动。上固定片22(采用圆形铁片)固定连接在导向滑块25下端，下固定片20(采用方形铁片)和加速度传感器19固定连接。

本实用新型所说的建筑结构振动智能检测机器人小车工作原理如图4和图5所示，移动传感节点在钢结构上运动时利用磁力吸附在铁磁性材料表面，到达检测位置以后，检测电机6带动螺杆23转动，使 得导向滑块25沿着导向套18向下运动，从而带动加速度传感器19往下移动。当加速度传感器19接触检测表面后，导向滑块25继续向下移动一段距离，缓冲弹簧21受力压缩，通过缓冲弹簧21将加速度传感器19压紧在检测表面进行检测。检测结束后，检测电机6反转，加速度传感器19离开检测表面，检测小车自动前往下一检测位置。

建筑结构振动智能检测机器人小车具有智能环境识别的能力。当小车偏离预定的路线即将离开或靠近结构边缘时，其前后支架5上面的四个红外传感器14中的发光二极管发射红外线，并通过结构表面将红外线反射到红外传感器14的探测二极管，从而判断小车与结构边缘之间的距离和位置关系。当某个磁轮3即将靠近结构边缘时，单片机主控单元9通过模数转换单元8采集红外传感器14发出的信号，并对信号进行运算分析，然后发出PWM信号，通过电机驱动单元10发出控制信号，对各动力电机15速度进行控制。当小车两侧动力电机15速度不同时，机器人就可以实现转弯，使得机器人回到预定的路线上来。

机器人小车可以通过霍尔电压传感器16检测每个磁轮3的角速度。由图6可见，磁轮3的轮体28表面覆盖有18块条状磁片27，相邻磁片27极性相反，每个磁轮3侧方都有一个霍尔电压传感器16，该传感器与控制模块7的模数转换单元8连接，当磁轮3旋转一周，霍尔电压传感器16周围的磁场改变18次，霍尔电压传感器16检测到的霍尔电压改变18次。因此，当机器人小车运动时，检测一段时间内霍尔电压传感器16输出电压的变化次数即可得出这段时间内动力电机15的转动圈数，从而得到小车运动的距离和运动速度。

机器人小车中的无线通信单元11通过通用异步接收器和发送器 接口和单片机主控单元9相连接，单片机主控单元9通过无线通信单元11可与其他机器人小车以及计算机服务器传输无线信号。