一种高铁桥梁表观病害的检测机器人

1.本发明涉及桥梁检测领域，具体涉及一种高铁桥梁表观病害的检测机器人。


背景技术：

2.桥梁通常在运营的20-30年后，就会面临耐久性、安全性以及正常使用功能下降的问题。由于大多数高铁桥梁存在桥位环境恶劣、结构体量大等问题，桥梁的巡视可达性较差，人员安全风险高，导致无法进行高频度的定期巡检。高速铁路采用封闭式运营方式，所以只能在天窗期进行运营检测与维护。为了保障桥梁的正常使用功能，延长使用寿命，需要采用一种更加高效、精准、智能化的技术对桥梁进行日常巡检。
3.目前较为先进的相关技术中，主要采用桥梁检测车和巡检无人机。大多数桥检车采用桥面行走的形式，主要在公路桥中应用更广泛，在铺设有轨道且列车高速行驶的高铁桥梁上并不适用。为了适用于高铁桥梁，也有许多人提出了关于梁下走行式的桁架桥检车发明，但是这种发明的可行性和实用性并不高。无人机巡检技术，虽然在一定程度上提高了巡检的智能化，降低了检测的难度，但是存在抗风能力弱、稳定性较差、定位精度不高、仰拍拍摄困难等问题，无法对桥梁主梁及支座处的表观病害做出全面精确的检测。近年来也有将智能机器人技术如轨道攀爬式机器人应用到高铁桥检之中，但是目前的桥检机器人存在应用系统性不强，仅适用于单一桥梁结构环境的缺点。


技术实现要素：

4.基于现有设计的不足，本技术实施例提供一种高铁桥梁表观病害的检测机器人，在实现无人化和智能化检测的基础上，提高检测便捷性和精准度。
5.根据本技术的第一方面，提供一种高铁桥梁表观病害的检测机器人，所述机器人包括：
6.控制装置，包括控制器；
7.驱动装置，包括驱动装置底座和连续体机械臂，所述驱动装置底座包括底座框架，电源、舵机、舵机盘和传动件，所述连续体机械臂包括柔性连接件、导向盘和弹性臂体，所述导向盘设有圆心孔和圆周孔；
8.执行装置，包括图像采集器、图像处理端；
9.移动装置，包括轨道、电机、滑轮；
10.所述控制装置与所述驱动装置连接，具体地，电源、控制器、舵机、舵机盘和传动件在底座框架内连接，其中，舵机通过舵机盘与传动件连接；传动件与连续体机械臂的柔性连接件连接，柔性连接件穿过所述导向盘上的圆周孔，弹性臂体固定于所述导向盘的圆心孔，通过传动件运动引起柔性连接件伸缩，从而控制连续体机械臂的方向；
11.所述驱动装置与所述执行装置连接，具体地，图像采集器位于所述连续体机械臂上，所述图像采集器将采集的图像数据传输至所述图像处理端；图像采集器所在位置设有姿态传感器和照明装置；
12.所述移动装置与所述驱动装置连接，具体地，所述移动装置通过连接件与所述驱动装置的底座框架连接。
13.本技术实施例中通过控制装置智能控制移动装置和驱动装置以及执行装置，完成无人化、智能化高铁桥梁表观病害检测全流程，并采用线性驱动的连续体机械臂替换传统刚性关节式机械臂，显著提高了机械臂的关节灵活性，针对高铁桥梁底部、尤其是支座处等狭窄区域检测更便捷，更精确。
14.通过在图像采集器位置设有姿态传感器，控制装置中获得姿态传感器的三维位置参数来实时记录图像采集器的位置。知晓图像采集器的具体位置参数后，可以通过算法调整柔性连接件的长度，实施避障措施或姿态调整，获得更高质量的有效图像。
15.照明装置能够保证机器人在狭窄区域或夜晚工作时，在较暗的环境下获得清晰明亮的图片。
16.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述连续体机械臂包括至少一个弯曲单元，所述弯曲单元包括至少一节弹性臂体和至少一个导向盘。
17.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述导向盘设有至少2个圆周孔，相邻圆周孔与圆心孔的连线之间的夹角度数相等。
18.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述舵机数量等于所述柔性连接件数量，所述柔性连接件数量等于所述导向盘的圆周孔数量。
19.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述移动装置为悬挂式轨道，所述轨道通过简支梁的桥面板和/或底部腹板的预留孔固定，所述移动装置的移动方向为沿高铁桥梁行车的方向。
20.所述悬挂式轨道结构简单，省去桁架式大梁，安装更便捷。所述移动装置的移动方向沿着高铁桥梁行车的方向，配合连续体机械臂的水平运动，更够最大限度地覆盖检测面积。
21.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述移动装置还包括定位模块，所述定位模块与所述控制器连接，用于获取所述检测机器人的位置信息。
22.通过对所述检测机器人进行定位，能够迅速获取每一项检测结果反馈的具体位置。
23.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述执行装置还包括地理位置采集器，所述地理信息采集器与所述图像采集器连接，用于获取图像采集器与高铁桥梁表面的距离。
24.图像采集器采集的图片往往因为角度、距离等因素，存在比例失衡的问题，影响检测结果的判断，本技术实施例通过地理位置采集器获取图像采集器与高铁桥梁表面的距离，能用于还原图像真实比例，预测高铁桥梁表观实际病害区域的面积。
25.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述地理信息采集器为定位仪，包括超声定位仪和激光测距定位仪。
26.在第一方面的一种可能的实施方式中，所述控制装置还包括无线信号拓展组件，所述无线信号拓展组件与所述控制器连接，用于对控制器的无线信号功能拓展。
27.通过对控制器无线信号进行拓展，地面控制端能够对检测机器人实现越级控制，克服检测机器人只能依靠固定程序运行的局限性。
28.本技术提供的实施方式中，通过检测机器人能够完成无人化和智能化高铁桥梁表
观病害检测的全流程。
29.另外，在连续体机械臂的作用下，针对高铁桥梁底部、尤其是支座处等狭窄区域检测更便捷，更精确。
30.在所述移动装置为悬挂式u型单轨的作用下，检测机器人沿着高铁桥梁行进的方向移动，配合连续体机械臂的水平运动，更够最大限度地覆盖检测面积。
31.在所述定位模块的作用下，通过对所述检测机器人进行定位，能够迅速获取每一项检测结果反馈的具体位置。
32.在所述地理位置采集器的作用下，获取图像采集器与高铁桥梁表面的距离，能用于还原图像真实比例，预测高铁桥梁表观实际病害区域的面积。
33.在无线信号拓展组件的作用下，地面控制端能够对检测机器人实现越级控制，克服检测机器人只能依靠固定程序运行的局限性。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
35.图1示出了本技术实施例所提供的一种高铁桥梁表观病害的检测机器人的整体外观；
36.图2a、图2b示出了本技术实施例所提供的一种连续体机械臂；
37.图3a、图3b示出了本技术实施例所提供的一种驱动装置的示意图；
38.图4示出了本技术实施例所提供的一种纵向移动装置；
39.图5示出了本技术实施例所提供的一种高铁桥梁表观病害检测方法。
40.其中，1、连续体机械臂，11、驱动绳索，111、第一驱动绳索，112、第二驱动绳索， 113、第三驱动绳索，114、第四驱动绳索，12、导向盘，13、弹簧，14、摄像头基座；
41.2、驱动装置底座，21、底座框架，22、舵机，23、舵机盘，24、传动轮，25、夹板， 26、树莓派主板，27、电池盒；
42.3、纵向移动装置，31、单轨，311、顶部悬挂，312、侧面悬挂，32、电机，33、复合轮，34、连接件；
43.4、图像采集装置。
具体实施方式
44.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本技术中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本技术的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本技术中使用的流程图示出了根据本技术实施例的一些实施例实现的操作。
45.除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本技术所使用的设备或材料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本技术所
使用的设备或材料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本技术方法中。本技术中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
46.请参见图1-图4，本技术实施例所提供的一种高铁桥梁表观病害的检测机器人，包括：
47.控制装置，包括控制器，所述控制器采用树莓派主板(26)；
48.驱动装置，包括驱动装置底座(2)和连续体机械臂(1)，所述驱动装置底座(2) 包括底座框架(21)、电池盒(27)、舵机(22)、舵机盘(23)、传动轮(24)；所述连续体机械臂(1)包括驱动绳索(11)、导向盘(12)、弹簧(13)，所述导向盘(12) 上设有1个圆心孔和4个圆周孔；
49.执行装置，包括图像采集器(4)、图像处理端；
50.纵向移动装置(3)，包括单轨(31)、电机(32)、复合轮(33)；
51.控制装置与驱动装置连接，具体地，电池盒(27)、树莓派主板(26)、舵机(22)、舵机盘(23)、传动轮(24)在底座框架(21)内合理连接，形成闭合回路；传动轮(24) 与括驱动绳索(11)连接，四条驱动绳索(11)分别穿过导向盘(12)上的4个圆周孔，弹簧(13)的两端分别固定在相邻的导向盘(12)的圆心孔之间，通过传动轮(24)运动引起驱动绳索(11)伸缩，从而控制连续体机械臂(1)的方向；
52.所述驱动装置与所述执行装置连接，具体地，图像采集器(4)固定在连续体机械臂 (1)末端的摄像头基座(14)上面，图像采集器(4)将采集到的图像传输到图像处理端，图像采集器(4)所在位置，即摄像头基座(14)的位置上设有姿态传感器和照明装置(图中未示出)；图像处理端内置于地面的电子设备中，虽然未在图中示出，本领域技术人员应当清楚；
53.所述纵向移动装置(3)与所述驱动装置连接，具体地，所述纵向移动装置(3)通过连接件(34)与底座框架(21)连接。
54.在上述实施例中，在连续体机械臂(1)末端安装姿态传感器，通过从控制装置获得姿态传感器的参数来实时记录末端位置，及时通过算法调整驱动绳索的长度调整摄像头的位置和姿态，从而获得更高质量的有效图像。另外，在连续体机械臂(1)运动时遇到障碍物时，能够根据姿态传感器的数据及时实施避障措施或姿态调整。
55.在摄像头处安装照明装置，保证机器人在狭窄区域或夜晚工作时，能够在较暗的环境下获得清晰明亮的图片。
56.在上述实施例中，连续体机械臂(1)共包括三段弯曲单元，每一段弯曲单元包括一节弹簧(13)、一个导向盘(12)，导向盘(12)结构如图2a所示为圆形，开有圆心孔，且在圆心孔外同心圆位置的正反两面都设置有弹簧固定凹槽，导向盘(12)圆周边缘每隔 90
°
设置一个圆周孔作为穿绳孔，即圆周上共有四个穿绳孔。四条驱动绳索(11)依次以一对一的形式穿过导向盘(12)边沿的圆周孔，贯穿于整个连续体机械臂(1)弹簧(13) 外侧；主轴杆穿过导向盘(12)圆心孔，相邻的导向盘(12)之间通过将弹簧(13)固定连接。四条驱动绳索(11)一端固定于摄像头基座(14)，另一端分别缠绕在四个传动轮 (24)上，由舵机(22)以不同转速的正逆方向旋转实现伸长与缩短；驱动绳索(11)采用双线对拉式结构，圆周上位于同一直径上的两个圆周孔中的绳索对称伸缩，即第一驱动绳索(111)和第三驱动绳索(113)对拉，第二驱动绳索(112)和第四驱动绳索(114) 双线对拉，使弹簧(13)发生变形运动。该实
施例中，柔性连接件采用驱动绳索(11)，在另一些具体的实施例中，还可以采用驱动链条，传送带等。
57.在另一些具体的实施例中，可根据实际情况增减连续体机械臂(1)的弯曲单元，每增加或减少一段弯曲单元都要增加或减少一节弹簧(13)与一个导向盘(12)，同时驱动绳索(11)相应穿过新增减的导线盘(12)圆周孔。弯曲单元越多，连续体机械臂(1)的自由度越高。
58.在上述实施例中，控制器树莓派主板(26)根据指令控制舵机(22)转动；舵机(22) 由4个360度大扭力舵机组成，将舵机盘(23)安装在舵机轴上，再将传动轮(24)分别安装在舵机盘(23)上，分别控制一条驱动绳索(11)；树莓派主板(26)的端口与舵机 (22)、纵向移动装置(3)的电机(32)、图像采集器(4)、电池盒(27)的导线相连。
59.在另一些具体的实施例中，控制器采用树莓派主板为主，arduino板为辅的形式，利用 python程序语言通过控制器来改变舵机的转速与转动方向。
60.在上述实施例中，纵向移动装置(3)的悬挂式单轨(31)沿高铁桥梁纵向固定在主梁侧壁上，电机(32)安装在复合轮(33)之间，电机(32)可以是大扭矩直流电机，驱动复合轮(33)移动。底座框架(21)通过连接件(34)与电机(32)和复合轮(33)相连。树莓派主板(26)发射的pwm信号控制电机(32)以一定速度进行顺时针或逆时针旋转，从而控制复合轮(33)沿单轨的前进或后退运动，使检测机器人整体悬挂在单轨之上沿高铁桥梁纵向移动。电机(32)控制复合轮(33)每次向前或向后移动的距离相同，且不超过检测机器人固定时图像采集器(4)能够到达的最大工作距离。
61.在另一些具体的实施例中，为了在运动时增大摩擦，减轻震动，复合轮(33)表面可包裹橡胶，保证机器人在轨道中移动时的稳定性。
62.在另一些具体的实施例中，在单轨(31)上安装gps定位模块，并与控制器树莓派主板(26)连接，用以获取机器人坐标信息。定位模块获取机器人整体在桥梁的位置，姿态传感器获取的是连续体机械臂末端相对于摄像头基座(14)的坐标和扭转角度(即姿态) 等信息。
63.在另一些具体的实施例中，还可以将无线组件通过拓展排线与树莓派主板(26)进行连接，对树莓派主板(26)的无线传输功能进行拓展，通过地面控制端对检测机器人进行越级控制，克服机器设备只能依靠固定程序运行的局限性。
64.在另一些具体的实时例中，图像处理端采用python与opencv结合应用对图像裂缝部分提取加工，采用alexnet神经网络模型识别裂缝图像。
65.在另一些具体的实施例中，导向盘(12)采用树脂材料，零部件采用solidworks、cad 等绘图工具进行三维建模，利用3d打印技术，实现零件与模型尺寸的高度定制化。
66.在另一些具体的实施例中，电池盒(27)以5v-7v电压持续放电，满足检测机器人的用电需求。
67.请参照图5，本技术实施例所提供的一种高铁桥梁表观病害检测方法，运用了前述实施例中的高铁桥梁表观病害检测机器人，检测方法包括如下步骤：
68.步骤s1：启动检测机器人，完成系统初始化设置；
69.步骤s2：通过移动装置、驱动装置到达指定位置，具体地，纵向移动装置(3)驱动直流电机(32)使检测机器人到达指定位置，同时驱动绳索(11)由驱动装置中的舵机(22) 驱
动使连续体机械臂(1)运动，连续体机械臂(1)末端到达高铁桥梁下的指定位置；
70.步骤s3：图像采集器(4)获取梁底图像信息，通过无线传输系统将图像信息传回地面图像处理端；
71.步骤s4：地面图像处理端输出图像处理结果，完成一次高铁桥梁表观检测。
72.在另一些具体的实施例中，超声定位仪间隔一定时间获取图像采集器与高铁桥梁表面的距离信息，并通过无线传输系统传回地面pc接收端。
73.在另一些具体的实施例中，gps定位模块获取检测机器人的位置信息，通过无线传输系统传回地面pc接收端。
74.综上所述，本技术实施例提供的高铁桥梁表观病害检测机器人在实现无人化、智能化检测的基础上，提高了检测便捷性和精准度。本技术实施例提供的技术方案还特别解决了桥在梁支座等狭窄区域，不易进行人工探测的问题，实现了桥梁检测的全自动化，同时安装轨道还实现了桥梁全线的检测功能，大大提高的检测效率。
75.需要说明的是，在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个
……
"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
76.以上所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制本技术的保护范围，而仅仅是表示本技术的选定实施例。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。此外，基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施例，都应属于本技术保护的范围。