基於抓取鉤爪的斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人的製作方法

2023-10-31 21:15:32

專利名稱：基於抓取鉤爪的斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及一種斜拉橋混凝土索塔檢測機器人，具體的說，是涉及一種用於斜拉橋索塔、偏遠山區高架橋橋墩等粗糙混凝土表面裂縫故障及內部強度檢測的機器人，屬於機器人技術領域。
背景技術：
隨著我國交通事業的迅速發展，斜拉橋和偏遠山區高架橋在我國已經得到了廣泛的應用。在組成斜拉橋的三部分(索塔、拉索和主梁)中，除主梁可應用養護工程車檢測外， 高達幾百米的索塔和斜拉索都存在一個難以檢查的現實，橋梁養護工程師很難近距離觀察他們的每一處，甚至無法接近需檢查的部位，這種現狀已經持續多年，仍未改變。隨著更大跨度橋梁的不斷出現，人工檢測的周期將更長、危險性更高、難度更大，開發用於橋梁索塔安全檢測的自動化裝置，成為必然要求。在實際應用中，爬壁機器人應具有吸附和移動兩大基本功能，目前的吸附方式主要有磁吸附、真空吸附、負壓吸附和仿生粘性吸附等。磁吸附方式吸力較大，噪音小，控制也比較方便，但要求壁面為導磁材料；真空和負壓吸附方式不受壁面材料限制，但當壁面存在較大裂縫、凹凸不平時，吸盤容易發生氣體洩漏現象，導致吸附力不足。近年來，通過研究壁虎等爬行動物腳掌的吸附機理，國內外學者研製出高分子合成的粘性吸附材料，這些材料利用分子之間的範德華力，在很小的接觸面積上就可獲得較大的吸附力，具有吸附力與表面材料特性無關的優點，但目前這些材料存在受壁面灰塵影響較大，加工較困難，使用壽命較短，使用一定次數之後就失去粘性等缺點，其吸附機理仍需要進一步研究。由於混凝土牆壁的裂縫容易導致吸盤漏氣現象，表面不確定的灰塵對仿生粘結劑吸附有較大影響，傳統的吸附方式難以滿足在帶有裂縫的混凝土、水刷石、磚塊和巖石等多孔或粗糙的表面上爬升的要求。特別是斜拉橋索塔和偏遠山區的高架橋橋墩，表面積灰嚴重，受高空風載影響較大，過往車輛引起索塔的隨機振動，導致機器人爬升時隨索塔一起振動，這對機器人的吸附裝置提出了更高的要求。針對此類壁面的特殊性，哈爾濱工程大學所提出的鉤爪式爬壁機器人，利用倒鉤刺掛附於粗糙牆壁表面通過對手臂伸縮實現爬行，其技術方案公布在專利號為 200710072237. 0的專利文件中。南京航空航天大學的仿生結構與材料防護研究所，還對大黃蜂、甲蟲等昆蟲腳爪的微結構與其生存環境表面形貌進行了研究，設計了仿生腳掌，其腳爪前端的尖爪能鉤到粗糙壁面上的凹凸點，將機器人掛在牆壁上，實現爬升動作。以上所述的機器人可應用於一般的牆壁表面，但所應用的細小鋼鉤不能提供指向壁面的「吸附」力，對牆壁的作用沒有形成力封閉，在300米高空的斜拉橋索塔表面爬升過程中，機器人易受高空風載、索塔振動等影響，產生不穩定現象，不適用於斜拉橋索塔檢測工作。隨著斜拉橋的跨度越來越大，高度不斷增大，索塔受風振的影也響越來越大，以蘇通大橋為例，其索塔高達300米，如仍然使用卷揚機拖動吊籃小車以人工的方式搭載檢測傳感器對其進行檢測，存在費用較高、工作環境惡劣、工作效率低等嚴重問題；另外，吊籃小車很難對索塔進行全方位檢測，只能利用斜拉索作為攀登路徑檢查容易到達的索塔側面部分，很難達到沒有拉索的正面部分。針對斜拉橋拉索的檢測工作，本課題組已經申請過多種檢測機器人(申請號為 200810019166. 2,200810142308. 4，2006101576019. 9， 200620016413. X)；針對斜拉橋索塔表面的檢測工作，應用套索驅動多個微型尖鉤抓取壁面，設計了鉤爪抓取式爬壁機器人，技術方案公布在專利號為201010290721. 2的發明專利中，本設計的每個鉤爪均設有多個微型尖鉤，其抓取穩定，但應用了多根套索傳遞動力，結構較為複雜。綜上所述，針對斜拉橋索塔、偏遠山區的高架橋橋墩等高空建築，目前存在的爬壁機器人的各種吸附方式都有其局限性。此專利主要針對索塔設計了檢測機構，機構同樣實用於高架橋橋墩，普通建築的混凝土壁面的檢測工作。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現有吸附方式的不足，應用形成力封閉的微小鉤爪抓取牆壁粗糙突起的吸附方案，提出一種結構簡單，適合於斜拉橋索塔和高架橋橋墩的高空作業壁面檢測機器人，克服了壁面灰塵、裂縫和凹坑、高空風載和壁面振動對機器人爬升性能的影響。本實用新型採用如下技術方案一種基於抓取鉤爪的斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，包括機器人本體機構、設置在機器人本體機構上的第一鉤爪模塊組和第二鉤爪模塊組、以及用於驅動所述的第一鉤爪模塊組和第二鉤爪模塊組交替爬行的爬行驅動裝置， 所述的第一鉤爪模塊組至少包括第一抓取鉤爪模塊、第二抓取鉤爪模塊兩個鉤爪模塊，所述的第二鉤爪模塊組至少包括第三抓取鉤爪模塊和第四抓取鉤爪模塊兩個鉤爪模塊，其特徵在於所述的鉤爪模塊上包括一舵機、一通過該舵機驅動的環形軟軸以及套設在環形軟軸上的至少三個彎曲方向均指向環形軟軸中心的微型尖鉤，在所述的環形軟軸還設置有與所述的微型尖鉤數目相一致的扭簧，該扭簧的一端與所述的微型尖鉤固定連接，扭簧的另一端固定在環形軟軸上。所述的爬行驅動裝置包括驅動裝置、第一滑動支撐架和第二滑動支撐架，所述的驅動裝置包括了電機、減速箱、電機固定件、曲柄以及連接杆，所說的曲柄與所述的減速箱的輸出軸連接，曲柄的輸出端連接所述的連接杆，連接杆的另一端與所述的第一抓取鉤爪模塊或第二抓取鉤爪模塊連接；所述第一抓取鉤爪模塊套設在第一滑動支撐架上，所述的第二抓取鉤爪模塊套設在第二滑動支撐架上，且第一抓取鉤爪模塊與第二抓取鉤爪模塊之間通過滑動連接件連接。所述的微型尖鉤尾部設有鉸接孔。所述的第一滑動支撐架包括第一滑動杆、第一支架和第二支架，所述的第一滑動杆上設置有第一滑動軸承、第二滑動軸承和第一鉤爪支架；所述的第二滑動支撐架包括第二滑動杆、第三支架和第四支架，所述的第二滑動杆上設置有第三滑動軸承、第四滑動軸承和第二鉤爪支架。在所述的機器人本體機構的本體支撐架的上下兩端分別設置第三鉤爪支架和第
4四鉤爪支架，所述的第三鉤爪模塊設置在第三鉤爪支架上，所述的第四鉤爪模塊設置在第四鉤爪支架上。所述的機器人本體連接架上還設有鋰電池，壁面檢測儀器等。與現有技術相比，本實用新型的斜拉橋索塔檢測機器人具有如下優點1、機器人結構簡單，自重較小，能耗較低，爬升方便，可適用於受風載振動影響較大的混凝土壁面爬升的各種情況。2、本實用新型採用抓取鉤爪作為檢測機器人的吸附方式，每個鉤爪設置有多個微小尖鉤，鉤取混凝土壁面的微小突起，能有效克服壁面灰塵、牆壁裂縫對吸附方式的影響， 能適用於一般的混凝土牆面，使爬壁機器人的適應範圍更加廣泛。在抓取鉤爪上設置了多個微小扭簧和微小尖鉤，在抓取過程中，每個尖鉤均可在扭簧的行程範圍內尋找適合的抓取點，一旦在此範圍沒有合適的可抓取的突起點，可調整機器人的運行步態使可抓取範圍更大，確保搜索穩定、可靠的抓取位置。3、整個手爪尖鉤與索塔表面的突起作用形成了力封閉，可產生指向壁面的合力， 機構運動更穩定，有效地克服了索塔振動和高空風載對機器人穩定性的影響，機器人的每個尖鉤均有較大的運動範圍，可越過較大的障礙，使機器人遇到裂縫和較大突起時不會脫
離壁面。4、本實用新型機器人的爬升運動僅由一個直流電機驅動一套曲柄滑塊機構完成， 每個手爪的驅動裝置均由舵機完成，其運動原理和控制方法較為簡單。5、實施本索塔表面檢測機器人時，其舵機和曲柄滑塊的驅動裝置採用鋰電池的供電方式而不是有源電纜供電，更適合高空作業環境，受風力影響較小，整個結構簡單，運行可靠。

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；圖2是整個鉤爪模塊示意圖；圖3是鉤爪模塊原理圖；圖4是單個尖鉤示意圖；圖5是機器人結構；圖6為機器人滑動機構的極限位置。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型做詳細說明如圖1所示，本實用新型的抓取鉤爪式斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，包括機器人本體機構1和滑動機構2 ；所述的本體機構1由本體支撐板16，設置在本體支撐板16 上下兩端的第三抓取鉤爪模塊13和第四抓取鉤爪模塊14，以及設置在本體支撐板16上的第一滑動支撐架11和第二滑動支撐架12，和一套驅動裝置15組成；所述的滑動機構2包括了至少兩個抓取鉤爪模塊，分別為第一抓取鉤爪模塊21、第二抓取鉤爪模塊22，和滑動連接件23。如圖2和圖3，所述的第一抓取鉤爪模塊21包括了至少三個微小尖鉤，分別為第一微型尖鉤2105、第二微型尖鉤2107和第三微型尖鉤2109，至少三個微小扭簧，分別為第一扭簧2106、第二扭簧2108和第三扭簧2110，第一圓形傳動軟軸2104，第一舵機2101以及第一鉤爪支架2103和第一對傳動錐齒輪2102。所述的微小扭簧與微型尖鉤均設置在第一圓形傳動軟軸2104上，微小扭簧一端與第一圓形傳動軟軸2104相連，另一端與微小尖鉤相連；所述的第一舵機2101固定於第一鉤爪支架2103上，通過第一傳動錐齒輪2102驅動第一圓形傳動軟軸2104轉動，帶動三個微小扭簧和微型尖鉤轉動。所述的第二鉤爪模塊22包括至少三個微小尖鉤，分別為第四微型尖鉤2205、第五微型尖鉤2207和第六微型尖鉤2209，至少三個微小扭簧，分別為第四扭簧2206、第五扭簧2208和第六扭簧2210，第二圓形傳動軟軸2204，第二舵機2201以及第二鉤爪支架2203 組成和第二對傳動錐齒輪2202。所述的微小扭簧與微型尖鉤均設置在第二圓形傳動軟軸 2204上，微小扭簧一端與第二圓形傳動軟軸2204相連，另一端與相應的微小尖鉤相連；所述的第二舵機2201固定於第二鉤爪支架2203上，通過第二傳動錐齒輪2202驅動第二圓形傳動軟軸2204轉動，帶動三個微小扭簧和微型尖鉤轉動。如圖4所示，所述的微小尖鉤尾部設有裝置孔2111，可與圓形傳動軟軸裝置一起。如圖5所示，所述的第一滑動支撐架11包括第一滑動杆112、第一支架111和第二支架115，所述的第一滑動杆112上設置有第一滑動軸承113、第二滑動軸承114和第一鉤爪支架2103 ；所述的第二滑動支撐架12包括第二滑動杆122、第三支架121和第四支架125，所述的第二滑動杆122上設置有第三滑動軸承123、第四滑動軸承IM和第二鉤爪支架2203 ；所述的第一支架111、第二支架115、第三支架121和第四支架125均與機器人本體支撐板16固連，用以固定第一滑動杆112和第二滑動杆122。所述的第一鉤爪支架2103設置在第一滑動杆112的第一滑動軸承113和第二滑動軸承114上，第一鉤爪模塊21可在第一滑動杆112上滑動；第二鉤爪支架2203設置在第二滑動杆122的第三滑動軸承123和第四滑動軸承IM上，第二鉤爪模塊22可在第二滑動杆122上滑動。使得滑動機構2可在兩個滑動支撐架11和12上滑動。如圖4所示，所述的驅動裝置包括了電機151、減速箱152、電機固定件153、曲柄 154、連接杆155 ；所述的連接杆155與第二鉤爪支架2203鉸鏈。(1)如圖2和圖5所示，本實用新型的一個優選實施例是，控制第一舵機2101，通過第一對傳動錐齒輪2102，驅動第一圓形傳動軟軸2104轉動，通過帶動第一扭簧2106、第二扭簧2108和第三扭簧2110轉動，使第一微型尖鉤2105、第二微型尖鉤2107和第三微型尖鉤2109與混凝土壁面3的微小突起脫開，從而使第一抓取鉤爪模塊21處於放鬆狀態。(2)本實用新型的又一個優選實施例是，控制第二舵機2201，通過第二對傳動錐齒輪2202，驅動第二圓形傳動軟軸2204轉動，通過帶動第四扭簧2206、第五扭簧2208和第六扭簧2210轉動，使第四微型尖鉤2205、第五微型尖鉤2207和第六微型尖鉤2209與混凝土壁面3的微小突起脫離，從而使第二抓取鉤爪模塊22處於放鬆狀態。(3)如圖5所示，本實用新型的另一個優選實施例是，與上述動作相反，通過控制第三舵機1301和第四舵機1401，使第三抓取鉤爪模塊13和第四抓取鉤爪模塊14鉤取混凝土壁面3。(4)本實用新型的再一個優選實施例是，通過第一支架111和第二支架115，將第一滑動杆112和機器人本體支撐板16固連，所述的第一滑動軸承113、第二滑動軸承114和第一鉤爪支架2103可沿第一滑動杆112滑動；通過第三支架121和第四支架125，將第二滑動杆122和機器人本體支撐板16固連，所述的第三滑動軸承123、第四滑動軸承IM和第二鉤爪支架2203可沿第二滑動杆122滑動。(5)本實用新型的另一個優選實施例是，所述的電機151帶動曲柄IM和連接杆 155運動，從而帶動與連接杆155鉸鏈的第二鉤爪支架2203沿第二滑動杆122滑動。(6)本實用新型的又一個優選實施例是，所述的第二鉤爪支架2203與第一鉤爪支架2103通過滑動連接件23連接，可一起沿第一滑動杆112和第二滑動杆122向上滑動，即完成了滑動機構2的爬升動作。(7)本實用新型的另一個優選實施例是，當滑動機構運動到上極限位置後，如圖 6所示第一鉤爪支架2103和第二鉤爪支架2203的位置，控制第一舵機2101和第二舵機 2201，使第一抓取鉤爪模塊21和第二抓取鉤爪模塊22鉤取混凝土壁面3，即第一抓取鉤爪模塊21和第二抓取鉤爪模塊22處於抓緊索塔表面狀態；之後，控制第三舵機1301和第四舵機1401，使第三抓取鉤爪模塊13和第四抓取鉤爪模塊14處於放鬆狀態，電機151繼續旋轉，從而帶動機器人的本體機構1滑動上升，完成一個機器人爬升運動周期。(8)當機器人鉤爪抓取牆壁時，其中一個尖鉤接觸索塔表面突起時，與之相連的扭簧產生變形，其它尖鉤繼續運動，當所有尖鉤接觸壁面突起後，驅動軟軸繼續旋轉，直到每個尖鉤受力達到穩定抓取即停止。(9)可以根據混凝土壁面的粗糙程度選擇所設置的微小尖鉤的數量，如較為粗糙的壁面設置三個，相對光滑的壁面可設置多個微小尖鉤。以上所述實施例為機器人的一個運動周期，如此通過本體機構1和滑動機構2的交替運動，完成機器人沿混凝土索塔的爬升動作。總之，上述實施例所描述的幾種實施方式，並不代表本實用新型所有的實現方式； 以上實施例不是對本機器人的具體限定，比如，機器人也可適用於爬升混凝土壁面、房屋頂篷，電線桿等大曲率曲面等不規則表面，完成相關的檢測維護工作。在本實用新型的實施例中，樣機功率為20W，機器人自重23kg，可載重IAkg (攝像頭和磁檢測設備)，樣機結構簡單，維修方便，在工程試驗中，工作穩定，具有推廣應用價值。
權利要求1.一種基於抓取鉤爪的斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，包括機器人本體機構 (1)、設置在機器人本體機構(1)上的第一鉤爪模塊組和第二鉤爪模塊組、以及用於驅動所述的第一鉤爪模塊組和第二鉤爪模塊組交替爬行的爬行驅動裝置，所述的第一鉤爪模塊組至少包括第一抓取鉤爪模塊(21)、第二抓取鉤爪模塊(22)兩個鉤爪模塊，所述的第二鉤爪模塊組至少包括第三抓取鉤爪模塊(13)和第四抓取鉤爪模塊(14)兩個鉤爪模塊，其特徵在於所述的鉤爪模塊上包括一舵機(2101)、一通過該舵機(2101)驅動的環形軟軸(2104) 以及套設在環形軟軸(2103)上的至少三個彎曲方向均指向環形軟軸(2104)中心的微型尖鉤(2105)，在所述的環形軟軸(2104)還設置有與所述的微型尖鉤數目相一致的扭簧 (2106)，該扭簧(2106)的一端與所述的微型尖鉤固定連接，扭簧(2106)的另一端固定在環形軟軸(2104)上。
2.根據權利要求1所述的抓取鉤爪的斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，其特徵在於所述的爬行驅動裝置包括驅動裝置(15)、第一滑動支撐架(11)和第二滑動支撐架 (12)，所述的驅動裝置(15)包括了電機(151)、減速箱(152)、電機固定件(153)、曲柄(1M) 以及連接杆(巧5)，所說的曲柄與所述的減速箱(152)的輸出軸連接，曲柄(IM)的輸出端連接所述的連接杆(巧5)，連接杆(巧5)的另一端與所述的第一抓取鉤爪模塊(21)或第二抓取鉤爪模塊(22 )連接；所述第一抓取鉤爪模塊(21)套設在第一滑動支撐架(11)上，所述的第二抓取鉤爪模塊(22)套設在第二滑動支撐架(12)上，且第一抓取鉤爪模塊(21)與第二抓取鉤爪模塊(22)之間通過滑動連接件(23)連接。
3.根據權利要求1或2所述的抓取鉤爪式斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，其特徵在於所述的微型尖鉤尾部設有鉸接孔(2111)。
4.根據權利要求2所述的抓取鉤爪式斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，其特徵在於所述的第一滑動支撐架(11)包括第一滑動杆(112)、第一支架(111)和第二支架 (115)，所述的第一滑動杆(112)上設置有第一滑動軸承(113)、第二滑動軸承(114)和第一鉤爪支架(2103);所述的第二滑動支撐架(12)包括第二滑動杆(122)、第三支架(121)和第四支架(125)，所述的第二滑動杆(122)上設置有第三滑動軸承(123)、第四滑動軸承(IM) 和第二鉤爪支架(2203)。
5.根據權利要求1所述的抓取鉤爪式斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，其特徵在於在所述的機器人本體機構的本體支撐架(16)的上下兩端分別設置第三鉤爪支架 (1303)和第四鉤爪支架(1403)，所述的第三鉤爪模塊設置在第三鉤爪支架(1303)上，所述的第四鉤爪模塊設置在第四鉤爪支架(1403)上。
專利摘要本實用新型公開了一種基於抓取鉤爪的斜拉橋混凝土索塔表面檢測機器人，包括機器人本體機構、設置在機器人本體機構上的第一鉤爪模塊組和第二鉤爪模塊組、以及用於驅動第一鉤爪模塊組和第二鉤爪模塊組交替爬行的爬行驅動裝置，第一鉤爪模塊組至少包括第一抓取鉤爪模塊、第二抓取鉤爪模塊兩個鉤爪模塊，第二鉤爪模塊組至少包括第三抓取鉤爪模塊和第四抓取鉤爪模塊兩個鉤爪模塊，鉤爪模塊上包括一舵機、一通過該舵機驅動的環形軟軸以及套設在環形軟軸上的至少三個彎曲方向均指向環形軟軸中心的微型尖鉤。現有技術相比，本實用新型機器人結構簡單，自重較小，能耗較低，爬升方便，可適用於受風載振動影響較大的混凝土壁面爬升的各種情況。
文檔編號B62D57/024GK201961406SQ20112002859
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者徐豐羽, 王興松 申請人:東南大學