一种吸附攀爬式桥梁裂缝检测机器人

摘要

本发明公开了一种吸附攀爬式桥梁裂缝检测机器人，包括膝关节模块、相机模块和两踝关节模块，其中，膝关节模块包括舵机A和两连接件；每个踝关节模块分别固定安装在膝关节模块的一连接件上，并且每个踝关节模块均包括踝关节支架和安装在踝关节支架上的驱动单元和吸盘模块；所述吸盘模块包括吸盘、吸盘转轴和真空泵单元，真空泵单元固定安装在所述第一支架上；所述相机模块为一个以上，所述相机模块可转动安装在踝关节支架上，其用于拍摄桥底面的缺陷。本发明的两踝关节模块不但可以正常的翻转，也可以在平行于桥底面的平面内旋转，可以实现行走、越障和转向的功能，检测方便。

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，更具体地，涉及一种吸附攀爬式桥梁裂缝检 测机器人。

背景技术

随着我国经济建设迅猛发展，我国桥梁总量已位居世界前列。截至2012 年底，我国公路桥梁总量达62.19万座，总长2726.06万米。然而，由于结 构设计缺陷，施工质量不高，检测维护不力，超负荷运营等原因引起的桥 梁事故时有发生，而我国的危桥数量目前有很多，这严重威胁着人民的生 命财产安全。因此，加强桥梁检测，及时进行维修显得尤为重要。

种种桥梁缺陷中，桥梁裂缝是主导因素，是内部损伤达到的危险程度 的集中表现，故其信息含量很大，对于预示和征兆桥梁险情，具有关键性 意义。不仅如此，桥梁出现裂缝，会导致桥梁内部的钢筋水泥受到外界空 气和雨水不断侵蚀，引发更严重的危害。据有关资料统计显示，76％的桥梁 缺陷由桥梁裂缝导致。因此，若能在混凝土桥梁裂缝出现的早期，及时发 现裂缝并采取补救措施，将大大降低桥梁坍塌事故发生率。

然而，目前国内外桥梁底面裂缝的检测方法基本上是使用大型机械设 备如升降式检测车、吊篮式检测车和桁架式检测车搭载检修人员进行肉眼 观察或人工携带小型设备进行观察记录，存在检测费用高，设备笨重，效 率低，人员安全难以保证以及检测质量过分依赖于人员素质，无法保证准 确性和稳定性等缺陷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种吸附攀爬式 桥梁裂缝检测机器人，其可通过吸盘吸附在桥底表面，通过翻转运动和工 业相机对整个桥底进行扫描，实现裂缝检测的无人化工作。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种吸附攀爬式桥梁裂缝检测 机器人，其特征在于：包括膝关节模块、相机模块和两踝关节模块，其中，

所述膝关节模块包括舵机A和两连接件，所述两连接件通过舵 机A可转动连接在一起，所述舵机A的外壳安装在其中一所述连接 件上，舵机A的转动固定连接在另一所述连接件上，从而实现两连 接件的可转动连接；

每个踝关节模块分别固定安装在膝关节模块的一连接件上，并 且每个踝关节模块均包括踝关节支架和安装在踝关节支架上的驱动 单元和吸盘模块，其中，所述踝关节支架包括可转动连接在一起的 第一支架和第二支架，所述第一支架固定安装在所述连接件上；所 述吸盘模块包括吸盘、吸盘转轴和真空泵单元，所述真空泵单元固 定安装在所述第一支架上，其用于使吸盘产生负压从而使吸盘吸附 于桥底面，所述吸盘通过所述吸盘转轴可转动连接在所述第二支架 上；所述驱动单元能驱动所述第一支架相对于所述第二支架转动， 以及驱动所述第二支架绕吸盘转轴的轴线转动；

所述相机模块为一个以上，所述相机模块可转动安装在踝关节 支架上，其用于拍摄桥底面的缺陷。

优选地，每个驱动单元均包括大锥齿轮和两个动力传动单元，所述两 个动力传动单元并排并对称安装在踝关节支架上，其中，每个动力传动单 元均包括舵机B、直齿轮传动机构和小锥齿轮，所述舵机B的外壳固定安 装在所述踝关节支架上，所述直齿轮传动机构包括相互啮合的第一直齿轮 和第二直齿轮，所述第一直齿轮固定连接在所述舵机B的转轴上，所述第 二直齿轮通过齿轮转轴连接所述的小锥齿轮，所述第一支架和第二支架通 过所述齿轮转轴可转动在一起；所述两个小锥齿轮均与所述大锥齿轮啮合， 所述大锥齿轮固定连接在所述吸盘转轴上；两舵机B上的转轴的同向旋转 能带动所述第一直齿轮绕第二直齿轮上的齿轮转轴轴线的转动，从而实现 第一支架相对第二支架上的转动，两舵机B上的转轴的异向旋转能带动所 述第一支架绕吸盘转轴轴线的转动，从而实现踝关节支架绕吸盘转轴轴线 的转动。

优选地，所述相机模块包括相机支架、相机和舵机C，所述相机和舵 机C均固定安装在相机支架上，其中，所述舵机C的外壳固定安装在相机 支架上，其转轴固定安装在所述踝关节支架上，舵机C的转轴的转动能实 现相机支架与踝关节支架的相对转动，从而调整相机的拍摄角度。

优选地，所述相机模块还包括安装在相机支架上的超声波传感器，以 用于检测机器人与桥底上的障碍物的距离。

优选地，所述超声波传感器包括超声探头，所述超声探头的轴线与所 述相机镜头的法线垂直。

优选地，每个吸盘上均安装有气压传感器，用于检测吸盘内的气压。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

1)两踝关节模块不但可以正常的翻转，也可以在平行于桥底面的平面 内旋转，可以实现转弯动作；

2)超声波传感器与相机固定在同一个连接件上，在机械结构上保证了 二者垂直的要求，使机器人工作更加稳定；

3)采用翻滚式前进，速度快和越障方便，在面对内90度障碍时，只 需控制各舵机旋转角度，即可完成越障；

4)踝关节模块采用锥齿轮系的结构，选用合理的齿轮系，舵机并排布 置，通过同时正转和反转舵机可以实现两个转动自由度的运动，使得机器 人整体结构极为紧凑；

5)相机模块上选用微型舵机，充分减少重量，实现扭矩与负载的匹配。

6)吸盘模块装有气压传感器，可以有效避免裂缝使机器人失去吸附力 掉落的危险。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中膝关节模块的结构示意图；

图3是本发明中相机模块的结构示意图；

图4是本发明中吸盘模块的结构示意图；

图5是本发明中踝关节模块的结构示意图；

图5a是本发明的踝关节模块中的真空泵单元的立体组合图；

图5b是本发明的踝关节模块中的灌装盒单元的立体组合图；

图5c是本发明的踝关节模块中的驱动单元的立体组合图；

图6是本发明另一视角下的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1～图4、图5a～图5c、图6所示，一种吸附攀爬式桥梁裂缝检测 机器人，其特征在于：包括膝关节模块1、相机模块2和两踝关节模块3， 其中，

所述膝关节模块1包括舵机A12和两连接件，两连接件分别为 第一连接件11和第二连接件13，所述两连接件通过舵机A12可转动 连接在一起，所述舵机A12的外壳安装在其中一所述连接件上，舵 机A12的转动固定连接在另一所述连接件上，从而实现两连接件的 可转动连接；

每个踝关节模块3分别固定安装在膝关节模块1的一连接件上， 并且每个踝关节模块均包括一踝关节支架30和安装在踝关节支架30 上的驱动单元和吸盘模块4，其中，所述踝关节支架30包括可转动 连接在一起的第一支架31和第二支架32，每个第一支架31分别固 定安装在一所述连接件上；所述吸盘模块4具有吸盘43、吸盘转轴 344和真空泵单元301，所述真空泵单元301固定安装在所述第一支 架31上，其用于使吸盘43产生负压从而使吸盘43吸附于桥底面， 所述吸盘43通过所述吸盘转轴344可转动连接在所述第二支架32 上；所述驱动单元能驱动所述第一支架31相对于所述第二支架32 转动，以及驱动所述第二支架32绕吸盘转轴344的轴线转动；

所述相机模块2为一个以上，所述相机模块可转动安装在踝关 节支架上，其用于拍摄桥底面的缺陷。

进一步，每个驱动单元均包括大锥齿轮340和两个动力传动单元，所 述两个动力传动单元并排并对称安装在踝关节支架上，每个动力传动单元 均包括舵机B330、直齿轮传动机构和小锥齿轮341，其中，所述舵机B330 的外壳固定安装在所述踝关节支架30上。参照图5c，其中的一个所述直齿 轮传动机构包括相互啮合的第一直齿轮333和第二直齿轮342，所述第一直 齿轮333固定连接在所述舵机B330的转轴上，所述第二直齿轮342通过齿 轮转轴343连接所述的小锥齿轮341，所述第一支架31和第二支架32通过 所述齿轮转轴343可转动连接在一起；所述两个小锥齿轮341均与所述大 锥齿轮340啮合，所述大锥齿轮340固定连接在所述吸盘转轴344上；

参照图5c，两舵机B330上的转轴的同向旋转有带动两个小锥齿轮341 有同向旋转的趋势，但是两个小锥齿轮341均与所述大锥齿轮340啮合， 而实际上此时二者是无法转动的，因此在此情况下只能是所述第一直齿轮 333绕第二直齿轮342上的齿轮转轴343轴线的转动，从而实现第一支架 31相对第二支架32上的转动。而两舵机B330上的转轴的异向旋转能带动 两个小锥齿轮341有异向旋转，两小锥齿轮341的异向旋转能带动大锥齿 轮340旋转，而吸盘43是牢固吸附在桥底上的，而吸盘转轴344与吸盘43 是固定连接的，因此此时吸盘转轴344也是不动的，只能是两个小锥齿轮 341带动第二支架32绕吸盘转轴344的轴线的转动，从而实现踝关节支架 30绕吸盘转轴轴线的转动。

进一步，所述相机模块2包括相机支架21、相机22和舵机C23，所述 相机22和舵机C23均固定安装在相机支架21上，其中，所述舵机C23的 外壳固定安装在相机支架21上，其转轴24固定安装在所述踝关节支架30 上，舵机C23的转轴的转动能实现相机支架21与踝关节支架30的相对转 动，从而调整相机22的拍摄角度。优选地，所述相机模块2还包括安装在 相机支架21上的超声波传感器25，以用于检测机器人与桥底上的障碍物的 距离。优选地，所述超声波传感器25包括超声探头，所述超声探头的轴线 与所述相机镜头的法线垂直。

进一步，每个吸盘43上均安装有气压传感器，用于检测吸盘内的气压， 以防吸盘吸附在桥底面时掉落。

参照图1，本发明的吸盘模块4可通过吸盘吸附％于桥底面；每个踝关 节模块3有两个舵机B330，能实现第一支架31和第二支架32的相对转动， 以及踝关节支架30绕吸盘转轴344轴线转动的旋转；膝关节模块1具有舵 机A12，能实现两连接件的相对转动，进而实现两踝关节支架30的相对转 动，配合踝关节模块3可实现机器人的行走功能；相机模块2具有一个舵 机C23，以实现相机22的一个旋转自由度，通过相机22可对桥底面进行拍 摄，以便于裂缝分析。这样，机器人由吸盘模块4实现桥底吸附，由踝关 节模块3和膝关节模块1实现行走，相机模块2实现对桥底的拍摄。各个 模块相互配合，可实现桥底的全面检测。

参照图2，本发明的膝关节模块具有第一连接件11、舵机A12、第二连 接件13、辅助舵盘14和螺钉A15。其中，第一连接件11通过螺钉A15与 舵机A12的外壳固连，并连接机器人的其中一个踝关节模块的第一支架31； 舵机A12的转轴通过辅助舵盘14与第二连接件13连接；第二连接件13与 另一个踝关节模块3的第一支架31固连。这样，舵机A12通过第一连接件 11和第二连接件13实现对机器人的两踝关节模块3之间的转动控制。

参照图3，相机模块2具有相机连接件21、相机22、舵机C23、舵盘 24、超声波传感器25、螺钉B26、螺钉C27、螺钉D28和螺母A29。其中， 相机22通过螺钉C27与相机安装件21连接；舵机C23通过螺钉B26与相 机安装件21连接；舵盘24与舵机C23的转轴是固定连接的，它可以通过 螺钉固定在第一支架31的侧板上；超声波传感器25通过螺母固定于螺钉 D28上，螺钉D28通过螺母A29固定于相机连接件21上。这样，整个相机 模块通过舵盘24与机器人相连，舵机C23实现整个相机模块的角度调整， 使相机22的镜头对准桥底，而超声波传感器始终与相机22的镜头方向垂 直，指向机器人行进的前方，以检测前方障碍物。

参照图4，吸盘模块4具有联轴器41、气嘴模块42和吸盘43。其中， 吸盘43可通过真空泵单元301产生负压吸附于桥底面；气嘴模块42通过 螺纹与吸盘43实现密封连接；联轴器41一端连接在气嘴模块42上，另一 端可连接第二支架32上的吸盘转轴344，而吸盘转轴344又是可转动连接 在第二支架32上的。这样，吸盘模块4通过吸盘43吸附于桥底，吸盘43 吸住桥底时，是固定不动的，其作为整个机器人的基础，通过联轴器41支 撑整个机器人的重量，并保证机器人安全稳定吸附在桥底。两个吸盘43可 以一起吸附在桥底，当机器人要行走或转弯时，则一个吸盘43吸附于桥底， 另一个吸盘43与桥底分离。

参照图5a～图5c，踝关节模块3具有真空泵单元(图5a)，电器盒单元 (图5b)，驱动单元(图5c)，真空泵单元用于产生真空，保证吸盘吸附； 电器盒单元用于固定机器人的硬件电路部分；驱动单元差生机器人踝关节 部分的驱动力。

参照图5a，所述第一支架31包括第一侧板302、第二侧板303和安装 板304，第一侧板302和第二侧板303通过所述安装板304固定连接在一起， 第二支架32包括U形架308，第一支架31和第二支架32通过两个齿轮转 轴343可转动连接在一起。真空泵单元包括真空泵301、螺钉E305、螺钉 F306和螺母B307。真空泵301通过螺钉E305固定在安装板第一侧板302 上的安装板304上，并通过第一侧板302上的孔实现定位；安装板304通 过螺钉F306和螺母B307连接在位置已经固定的第一侧板302和第二侧板 303之间。这样，通过螺钉螺母和安装板，将真空泵稳定固定于机器人上。

参照5b，电器盒单元具有电器盒310、电器盒安装板311和螺钉G312 组成。电器盒310通过螺钉G312固定在电器盒安装板311上，电器盒安装 板311通过螺钉安装于机械组两侧板之间。这样，电器盒310通过电器盒 安装板311将硬件电路稳定地固定在第一支架31上。

参照图5c，动力传动单元具有大锥齿轮340、小锥齿轮341、第二直齿 轮342、螺钉H343、齿轮转轴345、压块346、螺钉I347、螺钉J348、螺 母C349、两舵机B330、螺母D331、螺钉K332、第一直齿轮333，螺钉L334。 其中，两个舵机B330通过螺钉K332和螺母D331分别固定在第一支架31 上；第一直齿轮333通过舵盘和螺钉L334和舵机B330的转轴固定连接； 第一直齿轮333和第二直齿轮342啮合传动；第二直齿轮342周向通过螺 钉I347定位于齿轮转轴345上，轴向通过外侧的压块346，螺钉H343和内 侧的装在侧板内的轴承的法兰面定位，这样直齿轮342就固定在齿轮转轴 345上了；齿轮转轴345装在安装于第二支架32的侧板内的轴承内圈上； 小锥齿轮341通过螺钉J348和螺母C349固定在齿轮转轴345上；吸盘转 轴344通过滚针轴承和安装在第二支架32内的法兰轴承固定；大锥齿轮340 通过螺钉I347固定在吸盘转轴344上；大锥齿轮340和两个小锥齿轮341 同时啮合传动。这样，固定在第一支架31上的两个舵机B330的旋转运动 就通过两直齿轮啮合以及两小锥齿轮与大锥齿轮啮合传递，使机器人具有 两个转动自由度，其中，两舵机B330上的转轴的同向旋转能带动所述第一 直齿轮333绕第二直齿轮342上的齿轮转轴343轴线的转动，从而实现第 一支架31相对第二支架32的转动，两舵机B330上的转轴的异向旋转能带 动所述第一支架31绕吸盘转轴344轴线的转动，从而实现踝关节支架30 绕吸盘转轴344轴线的转动。

本机器人要吸附到桥底面时，吸盘43接触桥底面，真空泵单元工作， 真空泵单元通过软管连接吸盘43使吸盘43内部形成负压从而带动机器人 吸附在桥底面上。

本机器人要行走时，踝关节模块3的两舵机B330上的转轴的同向旋转 能带动所述第一直齿轮333绕第二直齿轮342上的齿轮转轴342轴线的转 动，从而实现第一支架31相对第二支架32上的转动；舵机A12的转轴的 转动能使两踝关节模块3之间的相对转动，即其中一个踝关节模块3可以 相对于另一个踝关节模块3翻转，二者发生相对翻转的角度可以接近360°。 通过舵机A12的转轴的转动使两踝关节模块3相对转动，以及两舵机B330 的转轴的同向旋转，从而可以实现机器人的行走。行走后要再固定到桥底 面，踝关节模块和膝关节模块控制机器人呈三角形，控制腾空的其中一个 吸盘43向桥底面压紧，压紧后与该吸盘43对应真空泵单元工作产生吸力 使该吸盘43吸住桥底，吸附稳定后，与另一吸盘43对应的真空泵单元停 止工作，另一吸盘43松开桥底，重复以上过程能进行机器人的行走过程。

两舵机B330上的转轴的异向旋转能带动所述第二支架32绕吸盘转轴 344轴线的转动，从而实现踝关节支架30绕吸盘转轴344轴线的转动。这 样可以实现整个机器人的转弯。转弯时一个吸盘43牢牢地吸附在桥底上， 另一个吸盘43与桥底脱离。

通过控制两舵机B330的转向及角度可以实现机器人的前进和转向。如 果在与机器人平行的前进方向上有很长的裂缝时，可以通过让机器人转弯 来避开些裂缝。

桥底面上有肋形成障碍物时，机器人能够越障。机器人的一个踝关节 模块3的吸盘43先吸附在此肋上，然后舵机A12的转轴转动，使另一个踝 关节模块3相对于此吸附在肋上的踝关节模块3转动后吸附到桥底面上， 然后吸附在肋上的踝关节模块3再相对于吸附在桥底面上的踝关节模块3 转动，从而也能吸附到桥底面上，这样两个踝关节模块就均吸附在了桥底 面上，然后就可以在桥底面上行走或转弯了。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。