箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统及使用方法

技术领域

本发明涉及一种土木工程检测技术领域，具体是一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统及使用方法。

背景技术

伴随着建筑行业的快速发展，我国超高层建筑不断增多,成为各大城市的地标性建筑。超高层建筑结构是近年来迫于人口、资源和环境的压力应运而生的一种新的建筑形式,已成为一个国家民族、城市经济崛起和发展的象征，钢管混凝土柱由于具有承载能力高、力学性能良好、制作与施工方便、经济效益好等优点，越来越多被用于高层建筑中。而钢管混凝土柱受材料和施工工艺影响，经常出现诸如混凝土空洞、混凝土与钢管壁脱粘等缺陷，影响钢管混凝土柱承载能力，因此，高层建筑钢管混凝土柱灌注密实度检测十分重要。钢管混凝土柱就是把混凝土混入钢管中并捣实，从而结合了钢管抗弯能力与混凝土抗压强度。目前钢管混凝土柱结构被广泛的应用到拱桥建设中，但在现有的工程施工过程中钢管混凝土柱在浇筑的时候有些地方会出现脱空现象，需要对其进行检测以及定位，并且大部分钢管混凝土柱高度较大，人工敲击检测其密实度费时费力，对人的经验较为依赖，受主观因素影响较大，导致新的技术人员无法准确做出判断，而且敲击法缺乏理论依据和供存档的资料，不便于施工技术管理及质量检测技术管理，对于高大的结构危险系数高。现有技术中，使用敲击法时，一般采用手机或手持录音机对敲击声进行录音，这样就使得敲击法需要多个人一起合作完成，而且现有的敲击技术不能固定在混凝土柱上，在进行人为检测时，会因为手抖或没有拿平稳而影响检测结果，降低了检测的精确度，因此，在工程施工质量检测中，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统十分重要，可以减少人为因素，提高精度，在操作方式和抵抗外界干扰等方面有优势，并且能对检测结果进行存储和数字化显示，不受环境噪声和人为因素的干扰。

现有技术中，钢管混凝土柱脱空检测方法有无损检测和有损检测两大类。无损检测主要有人工敲击法、光纤传感法及超声波法等，其中，光纤传感法操作较为复杂，需要在钢管内壁预先布置光纤，以实现力学量到光学量的转换，对光纤布置的位置要求十分严格，并且光纤作为耗材也无法重复利用；超声波法则往往只能通过超声波的声学参数来判断其是否存在缺陷，由于超声波在钢管中会存在绕设，对脱空厚度的定量计算存在极大干扰，误差极大，超声波在传播过程中遇到由各种缺陷形成的界面就会改变传播方向和路径，其能量在缺陷处被衰减，造成超声波到达接收换能器时的声幅、声时、频率的相对变化，而且该方法成本高，受环境影响严重，在施工过程中可行性不高。有损检测主要是钻芯法，采取的是在钢管混凝土柱芯内钻芯，但钻取位置不能在加劲板与钢管壁处实施，混凝土空腔缺陷不能发现，不能综合判断整个混凝土柱的质量情况，局限性较大，存在钻芯法周期较长、费用较高、在钢管混凝土柱不易架设钻芯设备等弊端，且上述三种方法均需要在混凝土凝固后进行，即进行事后混凝土密实度的判断。而且这几种方法依靠人工，对人的经验较为依赖，主观性较强。现有技术中，缺乏一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统，能够在系统控制下自动在钢管混凝土柱构件上移动，检测其密实度，将信息处理储存，并对检测出缺陷的位置进行记录。这将是我们当前的重要研究课题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统及使用方法。本发明旨在提出一种钢管混凝土柱自动检测的新思路，能自动进行局部敲击检测，具有自动检测、效率高、无需人工培训的优势，实现钢管混凝土柱缺陷自动检测的目的，有效解决了人工检测钢管混凝土柱速度慢，检测人员来回攀爬钢管混凝土柱危险性极高以及对于检测人员的施工经验要求高的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统，该系统包括：供电装置、运动装置、敲击装置、数据监测装置、传感器装置和控制装置；

供电装置：给整个系统供电；

运动装置：实现该系统(指整套装置—箍式钢管混凝土柱自动检测机器人)在钢管混凝土柱上下自由移动和敲击装置环绕钢管混凝土柱的圆周运动；

敲击装置：对钢管混凝土柱在指定时间间隔进行指定力度的敲击，及时采集振动信号和声波信号；

数据监测装置：在敲击装置完成一次敲击后，及时对敲击振动和声波数据进行记录、存储和监测；

传感器装置：用于运动装置(钢索与贴片)中的压应力监测、接收红外遥控以及动态的距离监测；

控制装置：通过遥控器控制各个装置的动作。

所述运动装置包括第一运动模组2A和第二运动模组2B，第一运动模组2A实现系统沿钢管混凝土柱上下自由行走，第二运动模组2B实现系统沿钢管混凝土柱圆周运动；所述第一运动模组2A包括主动式行进贴片、多个被动式行进贴片和钢索；主动式行进贴片和多个被动式行进贴片通过钢索能围绕钢管混凝土柱一周布置，主动式行进贴片具有主动行走的能力，充当整个第一运动模组2A的动力中枢；被动式行进贴片不具备主动行走的能力，仅依靠与主动式行进贴片之间的连接和钢索的套箍来保证与主动式行进贴片同步行进，主动式行进贴片和被动式行进贴片内部均设置有供钢索通过的孔道，方便后续钢索的串连，同时用来限定钢索的位置。

所述主动式行进贴片9和被动式行进贴片13整体形状结构相同，采用圆弧形片状设计，贴片的上下端面具有供第二运动模组2B沿周向运动的轨道；主动式行进贴片9数量为一个，被动式行进贴片13的数量为m个；两个贴片之间的距离小于一个贴片的长度，第二运动模组2B呈圆弧形，能够套在贴片的表面，第二运动模组2B在所有贴片形成的上下轨道内沿周向移动，第二运动模组2B套在贴片上后，与贴片的外侧面之间能够形成空腔，在该空腔内能够容纳主动式行进贴片外表面安装的相关器件，且该空腔与外界相通不会阻挡主动式行进贴片上的第一红外接收器12A接收控制装置的红外信号。

第二运动模组2B包括弧形面板，弧形面板上安装有第二单片机23B和第二红外接收器12B、周向电动机11，敲击装置3转动安装在弧形面板外表面上；弧形面板的上下端均设置有倒L型结构，在其中一个倒L型结构的竖直面内侧安装周向电动机11，周向电动机的输出轴连接一个小轮子82，沿倒L型结构的周向还安装有多个从动小轮子，第二运动模组2B上的多个小轮子82能相应的悬挂在贴片上下端的L型轨道上，另一个倒L型结构的竖直面内侧不安装周向电动机，没设置周向电机的倒L型结构上也安装有多个小轮子，跟随另一个倒L型结构运动，以此来保证第二运动模组2B能顺利沿钢管混凝土柱圆周运动；第二单片机23B通过第二红外接收器12B与控制装置中的红外遥控器通信；第二单片机23B与周向电动机电连接，周向电动机11直接驱动第二运动模组2B的小轮子82；

所述轨道的纵截面为L型，通过贴片上下端的L型轨道和第二运动模组2B的倒L型扣合来形成小轮子82的环向运动轨道，小轮子82的底部与贴片顶部的L型轨道接触支撑，贴片顶部的L型轨道的上端面及侧面均不与第二运动模组2B的倒L型内侧面不接触，避免发生摩擦，且L型轨道的水平宽度能够容纳小轮子在其上来回滚动，L型轨道上设置有轨道槽，能够避免小轮子出现晃动，二者相互配合能够使第二运动模组2B悬挂在贴片表面。

在主动式行进贴片9靠近钢管混凝土柱的一面上对称安装有多个大轮子81，采用竖直放置的形式，大轮子81采用橡胶材质，第一红外接收器12A位于主动式行进贴片9上的外表面，在其它部件操作时不会发生遮挡；在主动式行进贴片9内的上部和下部分别设置有平行的两个供钢索通过的孔道，在孔道的内壁上安装有压力传感器21，用于对钢索的环向压应力的监测，孔道端部在主动式行进贴片9侧面相应位置上设置限位孔；主动式行进贴片9中含有三个电动机，包括两个钢索收紧电动机和一个驱动轮电动机，两个钢索收紧电动机安装在主动式行进贴片9的外侧，分别安装在上下限位孔附近，两个钢索收紧电动机的输出轴分别与相应的收紧钢轮10直接相连，用于带动收紧钢轮10转动从而完成收紧/放松钢索14的动作；驱动轮电动机11C安装在主动式行进贴片9的内侧，用于驱动大轮子81实现同轴转动。

主动式行进贴片上大轮子的数量为两个，所述主动式行进贴片的内侧沿上下位置设置有两对水平突起，每对水平突起高度相同，在每对的两个水平突起之间水平安装有一个主传动轴15，实现对主传动轴空间约束，只能进行转动；

主传动轴一端转动安装在一个水平突起上，另一端穿过另一个水平突起且与一个大轮子81固定在一起；所述驱动轮电动机的输出轴通过一对齿轮与其中一个主传动轴转动连接，该一对齿轮一个安装在这个主传动轴上，一个安装在驱动轮电动机的输出轴上，这两个齿轮相互啮合；驱动轮电动机11C通过齿轮与主传动轴15传递动力，从而实现驱动轮电动机11C带动主传动轴15的转动；

在主传动轴上避开这一对齿轮的位置上固定安装有一个行星齿轮16，另一个主传动轴上也固定安装一个行星齿轮；

主动式行进贴片的内侧还设置有一对竖直突起，该竖直突起设置于两对水平突起之间，所述中央传动轴17的两端均设置有与行星齿轮相啮合的齿部，中央传动轴的两端沿竖直高度方向分别穿过主动式行进贴片内侧的两个竖直突起，对中央传动轴进行空间约束，只能进行转动，中央传动轴的两端齿部与对应的两个行星齿轮16咬合，实现由一个主传动轴15带动中央传动轴17转动、进而带动与中央传动轴连接的另一个主传动轴的转动的过程，同时两个主传动轴的转动也带动了与相应主传动轴相连的大轮子的转动。

所述遥控器为红外遥控器，红外遥控器设置有七个功能键，分别是：固定/释放、检测、暂停、上、下、左、右，首次按下固定/释放功能键，旋转收紧钢轮，逐步收紧钢索达到预设的压力值，将箍式混凝土检测机器人固定在钢管上；再次按下此功能键时，反向旋转收紧钢轮，逐步放松钢索，释放箍式钢管混凝土柱检测机器人；检测键使系统按照预设的程序开始自动检测；暂停键暂停该系统的所有的自动检测，上下键控制第一运动模组2A上下运动，左右控制键第二运动模组2B沿圆周左右运动。

所述传感器装置5：包括压力传感器21和红外传感器22；在主动式行进贴片9中的孔道内嵌入压力传感器21，嵌入位置在孔道壁的下方，靠近孔道壁，用于监测钢索14与贴片中的压应力；在第二运动模组2B的上端和下端端面、左侧和右侧侧面上均安装有红外传感器。

所述敲击装置为数字敲击锤，数字敲击锤内部有两个传感器，分别是传声器和压电式加速度传感器，数字敲击锤和敲击驱动电动机11D直接相连，由红外遥控器进行控制，敲击驱动电动机与第二单片机电连接；敲击锤的顶部为橡胶敲击头，橡胶敲击头能更换。

本发明还公开一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统的使用方法，该方法采用上述的箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统，步骤为：

(1)检测人员取出箍式钢管混凝土柱自动检测机器人，根据所要检测的钢管的直径大小灵活选择被动式贴片的数量，首先将上下的钢索从各个贴片的上下限位孔中穿过，然后将运动装置中的第二运动模组2B悬挂在主动式贴片的外轨道上，依次组装各个部件，形成完整的箍式钢管混凝土柱自动检测机器人。

(2)按下遥控器上的固定/释放键，收紧钢轮开始工作，使其逐步收紧钢索达到预设的压力值，将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人固定钢管混凝土柱上，确保其在上下移动的工作过程中不会掉落。

(3)检测人员在遥控器上按下检测键，系统内各装置开始工作，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人开始自动检测，数字敲击锤开始对钢管混凝土柱进行局部敲击检测，在检测过程中敲击数据由传声器传至LMS数据采集器对数据进行记录，存储。

(4)检测完毕后，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人自动返回钢管混凝土柱底部。

(5)检测人员在遥控器上按下固定/释放功能键，钢索放松。检测人员拆解下箍式钢管混凝土柱自动检测机器人。

(6)检测人员将LMS数据采集器中采集的数据传输到信号处理计算机，对检测数据进行分析，并对钢管混凝土柱进行质量评估。

步骤(3)中第一运动模组2A使箍式钢管混凝土柱自动检测机器人在钢管混凝土柱上下移动，第一运动模组2A向上运动的频率为使机器人每次向上运动20cm，敲击装置3沿钢管混凝土柱圆周运动，并进行指定次数的敲击，沿圆周方向每10°敲击一次，一周总共敲击36次，产生敲击声波及振动信号；

在移动过程中，通过传感器装置5进行钢索与贴片中压应力监测、接收红外遥控器以及动态的距离监测，从而是实现该系统沿待检测钢管混凝土柱按照预定程序检测一遍；设定距离钢管混凝土柱顶端和底端竖向距离小于15cm时，认为该系统到达了钢管混凝土柱的顶端或者底端；设定距离两个环向安装的红外传感器周向距离小于5cm时，认为该系统转动到了初始位置的左侧或右侧；第二运动模组2B从初始位置左侧开始转动，每次沿圆周方向转动10°，然后敲击装置3进行一次无损敲击检测；在每次敲击检测完毕后，通过两个环向安装的红外外传感器22监测第二运动模组2B是否沿钢管混凝土柱圆周方向转动一周，如果未转动一周，则通过第二运动模组2B沿圆周方向再转动10°，敲击装置3再次进行无损敲击检测直至沿圆周方向检测一周为止；

当第一运动模组2A运动到钢管混凝土柱顶端时，即判定当前钢管混凝土柱检测完毕。

本发明解决了钢管混凝土柱内部质量问题难以自动检测的问题，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明将数据监测装置、运动装置、敲击装置和控制装置集成在一块，结构完整，适用性强。在局部敲击检测的原理下实现对钢管混凝土柱的自动检测。

2、本发明采用组装的方法，选择被动式贴片的数量，可适用不同直径的钢管混凝土柱，适用性强，并且安装方便，仅靠钢索就可以实现安装连接。

3、本发明全程自动行进，只需检测人员进行远程控制，具有高效率，高自动化的优点。

4、本发明采用压力传感器可以实时监测钢索与贴片之间的压应力，实现该系统可在钢管混凝土柱上自由移动并且恰好不会掉下。

5、本发明解决了新的检测人员检测经验不足的问题，易于学习和上手使用，排除了人为因素的干扰和环境因素的干扰，为工程施工质量检测管理的研究提供了科学的指导。

6、本发明仅需人工安装于待检测钢管混凝土柱根部，能实现了自动攀爬和敲击，克服了现有装置无法自动攀爬的不足，无需人工攀爬钢管混凝土柱，极大地降低了检测人员攀爬钢管混凝土柱所面临的潜在的危险性，节省人力资源，避免人员伤亡。

7、本发明可以有效地降低检测人员的工作强度，代替人工进行钢管混凝土柱的自动检测工作，数据监测装置可对敲击数据进行记录、存储和传输，并对检测出缺陷的位置进行记录，为事后分析提供数据。

8、本发明与现存检测工具相比，具有结构简单，模块化设计。易于后期维护，耐久性高等优点。

9、本发明为一种自动敲击方式，一方面通过传声器来采集敲击产生的声音信息，另外一方面通过压电式加速度传感器采集的力学参数加速度来评估敲击结果。既做到了摆脱对人工敲击经验的高度依赖性，又做到了对敲击结果进行定量、准确的科学评估，同时又降低了敲击检测人员的工作强度，实现了自动化。

综上，本发明采用贴片加套箍形式的箍式爬管机器人，是一种新的管外爬行实现方式，较以往同类型发明的优势主要体现在自动化程度高，大大降低对人工经验的依赖性。本发明所设计的箍式钢管混凝土柱自动检测机器人具有适应性强，可以适配多种不同直径的钢管混凝土柱且结构简单，采用模块化设计易于后期的维护、操作简单，克服了现有技术中当柱子的直径超过了其压紧调节螺丝的调节范围便无法固定检测装置到钢管混凝土柱上，也就无法完成进一步的敲击检测工作。

附图说明

图1为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人的模块构成图；

图2为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人的工作流程图；

图3为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人三维立体示意图；

图4为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中运动装置2A的主动式行进贴片左视图；

图5为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中运动装置2A的被动式行进贴片左视图；

图6为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中第二运动模组2B的左视图；

图7为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中运动装置2A中机械齿轮传动部分安装示意图；

图8为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中运动装置2A和2B组合后三维效果图；

图9为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中敲击装置3的示意图；

图10为本发明箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中红外遥控器的示意图；

图中，1为供电装置、2为运动装置、3为敲击装置、4为数据监测装置、5为传感器装置、6为控制装置、7为锂电池组、81为大轮子、82为小轮子、9为主动式行进贴片、10为收紧钢轮、11为周向电动机、13为被动式行进贴片、14为钢索、15为主传动轴、16为行星齿轮、17为中央传动轴、18为传声器、19为LMS数据采集器、20为压电式加速度传感器、21为压力传感器、22为红外传感器、23为单片机，根据安装位置不同分为23A和23B、24为红外遥控器。第一运动模组2A、第二运动模组2B、供电单元1A、供电单元1B，钢索收紧电动机11A、钢索收紧电动机11B、驱动轮电动机11C、敲击驱动电动机11D，第一红外接收器12A、第二红外接收器12B。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统，该系统包括供电装置1、运动装置2、敲击装置3、数据监测装置4、传感器装置5、控制装置6。供电装置1给整个系统供电，运动装置2确保该系统在钢管混凝土柱上自由移动和数字敲击锤环绕钢管混凝土柱圆周运动；敲击装置3敲击钢管混凝土柱，对钢管混凝土柱在指定时间间隔进行指定力度的敲击；由敲击装置3监测数据传送给数据监测装置4，对数据进行存储、监测，控制装置6控制各个装置的动作；传感器装置5用于运动装置中压应力监测防止机器人掉落，同时能够接收红外遥控信号实现动态的距离监测。以下将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统简称为“系统”，上述的供电装置1、运动装置2、敲击装置3、数据监测装置4、传感器装置5共同构成箍式钢管混凝土柱自动检测机器人。

所述供电装置1，给整个系统进行供电维持工作，是一组可拆卸的锂电池组7在工作完成后，及时对没电的锂电池组7进行拆卸充电。供电装置1在箍式钢管混凝土柱自动检测机器人中共有两组，分别是供电单元1A和供电单元1B，两个供电单元均采用锂电池组7。这两组供电装置在规格上完全一致。仅在安装位置上存在差异。供电单元1A为第一运动模组2A供电，供电单元1B为第二运动模组2B供电；

所述运动装置2，由第一运动模组2A和第二运动模组2B组成，第一运动模组2A实现系统沿钢管混凝土柱上下自由行走，第二运动模组2B实现系统沿钢管混凝土柱圆周运动，第一运动模组2A由主动式行进贴片9、多个被动式行进贴片13和钢索14组成，主动式行进贴片9和多个被动式行进贴片13通过钢索14串在一起形成圆环状，包裹在待检测钢管混凝土柱的表面，贴片由钢索拉紧箍在钢管混凝土柱表面而不落下，且箍紧力不会造成钢管混凝土柱表面的损伤。主动式行进贴片9指该贴片具有主动行走的能力，充当整个第一运动模组2A的动力中枢。被动式行进贴片13指该贴片不具备主动行走的能力，仅依靠与主动式行进贴片9之间的连接和钢索14的套箍来保证与主动式行进贴片9同步行进。

主动式行进贴片9包括供电单元1A、两个大轮子81、收紧钢轮10、钢索收紧电动机11A、钢索收紧电动机11B、驱动轮电动机11C、第一红外接收器12A、主传动轴15、行星齿轮16、中央传动轴17和第一单片机23A。

供电单元1A与钢索收紧电动机11A、钢索收紧电动机11B、驱动轮电动机11C、第一红外接收器12A、压力传感器21和第一单片机23A相连，为这些部件进行供电。在主动式行进贴片9靠近钢管混凝土柱的一面上对称安装有多个大轮子81，多个大轮子能够保证主动式行进贴片在移动过程中的受力平衡，优选设置两个大轮子，且采用竖直放置的形式，认为重力方向为竖直方向，和重力方向同向。大轮子81采用橡胶材质，增大与钢管表面的摩擦力。第一红外接收器12A位于主动式行进贴片9上的外表面，在其它部件操作时不会发生遮挡，主要用于接收检测人员的红外遥控信号。主动式行进贴片9中含有三个大电动机，三个大电动机型号一致，但安装的位置不同且分别的作用也不同。以下分别命名为11A、11B、11C进行说明。钢索收紧电动机11A和钢索收紧电动机11B安装在主动式行进贴片9的外侧，分别安装在上下限位孔附近，电动机的输出轴分别与相应的收紧钢轮10直接相连，用于带动收紧钢轮10转动从而完成收紧/放松钢索14的动作。在主动式行进贴片9内的上部和下部分别设置有平行的两个供钢索通过的孔道，孔道端部在主动式行进贴片9侧面相应位置上设置限位孔，所述限位孔到主动式行进贴片9邻近的上、下端边缘的竖直距离为5cm，限位孔为一个在主动式行进贴片9的圆周侧面开孔的孔洞，主要用于穿过钢索14，同时对钢索14的位置进行限定。在主动式贴片9的内部开有可供钢索14穿过的孔道，在孔道的内壁上安装有压力传感器21，主要用于对钢索的环向压应力的监测。驱动轮电动机11C安装在主动式行进贴片9的内侧(即靠近钢管混凝土柱的一侧为内，远离钢管混凝土柱的一侧为外)，主要用于驱动两个大轮子81实现同轴转动。

所述主动式行进贴片的内侧沿上下位置设置有两对水平突起，每对水平突起高度相同，在每对的两个水平突起之间水平安装有一个主传动轴15，实现对主传动轴空间约束，只能进行转动；

主传动轴一端转动安装在一个水平突起上，另一端穿过另一个水平突起且与一个大轮子81固定在一起；所述驱动轮电动机的输出轴通过一对齿轮与其中一个主传动轴转动连接，该一对齿轮一个安装在这个主传动轴上，一个安装在驱动轮电动机的输出轴上，这两个齿轮相互啮合；驱动轮电动机11C通过齿轮与主传动轴15传递动力，从而实现驱动轮电动机11C带动主传动轴15的转动；

在主传动轴上避开这一对齿轮的位置上固定安装有一个行星齿轮16，另一个主传动轴上也固定安装一个行星齿轮；

主动式行进贴片的内侧还设置有一对竖直突起，该竖直突起设置于两对水平突起之间，所述中央传动轴17的两端均设置有与行星齿轮相啮合的齿部，中央传动轴的两端沿竖直高度方向分别穿过主动式行进贴片内侧的两个竖直突起，对中央传动轴进行空间约束，只能进行转动，中央传动轴的两端齿部与对应的两个行星齿轮16咬合，实现由一个主传动轴15带动中央传动轴17转动、进而带动与中央传动轴连接的另一个主传动轴的转动的过程，同时两个主传动轴的转动也带动了与相应主传动轴相连的大轮子的转动。驱动过程如图7所示。通过上述的机械传动装置来实现上下两个大轮子同步转动，确保整个运动装置2A的动平衡。

第一单片机23A安装在主动式行进贴片9的外表面上，与供电单元1A、钢索收紧电动机11A、钢索收紧电动机11B、驱动轮电动机11C和第一红外接收器12A进行连接。供电单元1A对第一单片机23A进行供电，控制装置通过第一红外接收器12A与第一单片机23A实时通讯，通过第一单片机23A对所接收到的红外信号转化为电信号，然后传递给钢索收紧电动机11A、钢索收紧电动机11B、驱动轮电动机11C实现红外遥控。

当检测人员将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人安装于待检测钢管混凝土柱底部，按下红外遥控器24上的检测开关后，第一红外接收器12A接收到红外遥控器24的红外遥控指令后，通过第一单片机23A将指令转化为对应的电信号并传递直接驱动钢索收紧电动机11A和11B，从而实现带动收紧钢轮10旋转，由钢索收紧电动机11A和11B带动收紧钢轮10旋转，逐渐收紧钢索，当钢索14对贴片内壁的压力达到一定值时认为此时钢索14已经收紧，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人已经可以悬挂在钢管的表面(此压力定值由计算可得)，如当轮子的材质采用某规格的橡胶后，根据橡胶厂家的材料参数可以获得其滚动摩擦力系数，因为静止时的静摩擦力系数大于滚动摩擦力系数，所以按照滚动摩擦力系数计算更安全。确保整个箍式钢管混凝土柱自动检测机器人不会掉落。整个箍式钢管混凝土柱自动检测机器人的质量为定值，根据F

每个被动式行进贴片13的内侧也设置有两个大轮子81，两个大轮子的安装方式与主动式行进贴片上大轮子的安装方式相同。两个大轮子采用竖直放置的形式，大轮子81采用橡胶材质，增大与钢管表面的摩擦力。所述被动式行进贴片内部沿竖直方向也设置有供钢索通过的孔道。

主动式行进贴片9和被动式行进贴片13整体形状结构相同，采用圆弧形片状设计，贴片的上下端面具有供第二运动模组2B沿周向运动的轨道，每个贴片的内部上下均带有孔道，方便后续钢索14的串连，同时也作为钢索14的限位孔用来固定钢索在水平周向的位置。本申请中贴片分为主动式行进贴片9和被动式行进贴片13两类，主动式行进贴片9数量为一个，被动式行进贴片13的数量为m个。具体m为多少要看所要检测的钢管混凝土柱的粗细程度，由检测人员来确定。两个贴片之间的距离小于一个贴片的长度，第二运动模组2B呈圆弧形，能够套在贴片的表面，第二运动模组2B在所有贴片形成的上下轨道内沿周向移动，第二运动模组2B套在贴片上后，与贴片的外侧面之间能够形成空腔，在该空腔内能够容纳主动式行进贴片外表面安装的相关器件，且该空腔与外界相通不会阻挡第一红外接收器12A接收红外信号。

所述轨道的纵截面为L型，通过贴片上下端的L型轨道和第二运动模组2B的倒L型扣合来形成小轮子82的环向运动轨道，小轮子82的底部与贴片顶部的L型轨道接触支撑，贴片顶部的L型轨道的上端面及侧面均不与第二运动模组2B的倒L型内侧面不接触，避免发生摩擦，且L型轨道的水平宽度能够容纳小轮子在其上来回滚动，L型轨道上设置有轨道槽，能够避免小轮子出现晃动，二者相互配合能够使第二运动模组2B悬挂在贴片表面，详见配图5、6、8，主要观察上部的轨道的拼合效果。

第二运动模组2B包括弧形面板，弧形面板上安装有供电单元1B、第二单片机23B和第二红外接收器12B、周向电动机11，敲击装置3转动安装在弧形面板外表面上，供电单元1B对敲击装置3、周向电动机11、第二单片机23B和第二红外接收器12B供电。弧形面板的上下端均设置有倒L型结构，在其中一个倒L型结构的竖直面内侧安装周向电动机11，周向电动机的输出轴连接一个小轮子82，沿倒L型结构的周向还安装有多个从动小轮子，第二运动模组2B上的多个小轮子82可以相应的悬挂在贴片上下端的L型轨道上，另一个倒L型结构的竖直面内侧可以不安装周向电动机，没设置周向电机的倒L型结构上也安装有多个小轮子，跟随另一个倒L型结构运动，以此来保证第二运动模组2B可以顺利沿钢管混凝土柱圆周运动。第二单片机23B通过第二红外接收器12B与控制装置中的红外遥控器通信，由第二红外接收器12B接收红外遥控器24的红外信号，通过第二单片机23B将红外信号转化为电信号，从而实现红外遥控第二运动模组2B。周向电动机11直接驱动第二运动模组2B的小轮子82，如图6所示，从而完成第二运动模组2B沿钢管混凝土柱圆周运动的动作。

相邻两个贴片之间的距离小于贴片的宽度，第二运动模组2B从一个贴片移动到另一个贴片过程中，一个小轮子先脱离当前贴片，其他的小轮子保持支撑作用继续向前移动，当最先脱离的小轮子进入相邻贴片的轨道内时，实现对过渡部分的跨接。

所述敲击装置3，为数字敲击锤。数字敲击锤内部有两个传感器，分别是传声器18和压电式加速度传感器20。传声器18主要用于拾取敲击声音，传声器18安装在敲击装置3数字敲击锤上部，传声器18采用驻极体电容传声器，由于驻极体薄膜上有自由电荷，当敲击装置3发出的声波作用，从而使振膜产生振动时电容器两极之间有了电荷量，于是改变了静态电容，电容量的改变使电容器的输出端之间产生了相应的交变电压信号，完成了声电转换任务，传声器从而完成了拾取声音的任务。压电式加速度传感器20主要用于震动数据的监测，压电式加速度传感器20安装在敲击装置3数字敲击锤的内部，它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化，当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。敲击锤的敲击头为橡胶敲击头，橡胶敲击头可以更换。数字敲击锤和敲击驱动电动机11D直接相连，敲击驱动电动机11D与第二单片机23B电连接，驱动电动机11D通过第二单片机由红外遥控器24进行控制，敲击驱动电动机11D驱动数字敲击锤完成敲击动作。

所述数据监测装置4为LMS数据采集器19，安装在第二运动模组2B的弧形面板外表面，传声器18拾取敲击声音，压电式加速度传感器20反馈加速度信息，进而经过LMS数据采集器19进行数据采样，LMS数据采集器19采集的数据给到第二单片机23B，由第二单片机23B向外传输，这是一种具有现场实时数据采集、处理功能的自动化设备，具备实时采集自动储存、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能，为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证，采集的数据传送给信号处理计算机，本申请对数据分析部分不进行保护，本申请中强调采集、记录和存储功能。

所述传感器装置5：包括压力传感器21和红外传感器22。在主动式行进贴片9中的孔道内嵌入压力传感器21，嵌入位置在孔道壁的下方，尽量靠近孔道壁，用于监测钢索14与贴片中的压应力，在固定该机器人时，通过收紧钢索使其可以悬挂在钢管的表面，通过压力传感器21监测压应力，当钢索14对贴片内壁的压力达到一定值时，认为钢索已经收紧，钢索收紧电动机11A与11B不再带动收紧钢轮的旋转，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人恰好可以自由在钢管混凝土柱上自由移动，且不会掉落。在第二运动模组2B的上端和下端端面上也安装有红外传感器，在第二运动模组2B的左侧和右侧侧面上分别安装有红外传感器22，红外传感器22总共有四个，分别命名为1号、2号、3号和4号，其中1号和2号负责对竖直距离的动态监测，为轴向传感器，3号和4号负责对环向距离的动态监测，为环向传感器，既实现对距离的动态监测，又同时接收红外遥控器24的信号，从而实现控制装置6控制其他各个装置的工作。1号和2号分别安装在第二运动模组的上部和下部，分别监测箍式钢管混凝土柱自动监测机器人距离钢管混凝土柱上部和下部的距离，当距离达到设定值时，认为箍式钢管混凝土柱自动检测机器人到达了钢管混凝土柱的顶部或底部，3号和4号分别安装在第二运动模组2B的左侧和右侧，用于监测第二运动模组2B是否沿圆周方向转动一周，当距离达到设定值时，认为箍式钢管混凝土柱自动监测机器人沿圆周方向转动一周。

所述控制装置6为红外遥控器24。当对箍式钢管混凝土柱自动检测机器人进行控制，根据红外遥控器24所发出红外线的波长的不同，对应不同的红外接收器。由第一红外接收器12A负责接收控制箍式钢管混凝土柱自动检测机器人上下移动和固定/释放收紧钢轮10的指令，由第二红外接收器12B负责接收控制箍式钢管混凝土柱自动检测机器人左右移动和敲击的指令。并分别将所接收的指令传递给对应的第一单片机23A和23B进而将红外信号转化为电信号，控制箍式钢管混凝土柱自动检测机器人行进及完成各项动作指令。红外遥控器24设置有七个功能键，分别是：固定/释放、检测、暂停、上、下、左、右，首次按下固定/释放功能键，旋转收紧钢轮10，逐步收紧钢索14达到预设的压力值，将箍式混凝土检测机器人固定在钢管上；再次按下此功能键时，反向旋转收紧钢轮10，逐步放松钢索14，释放箍式钢管混凝土柱检测机器人；检测键使系统按照预设的程序开始自动检测，即机器人对钢管混凝土柱自动进行周向和竖直方向的敲击检测；暂停键暂停该系统的所有的自动检测，上下键控制第一运动模组2A上下运动，左右控制键第二运动模组2B沿圆周左右运动。

第一运动模组2A沿钢管混凝土柱向上运动时，为匀速向上运动，即整个运动装置2处于相对的平衡状态，以此来确保第一运动模组2A与第二运动模组2B保持相对静止。即使由于偶然偏心等造成小幅度晃动，第一运动模组2A和第二运动模组2B也不会发生碰撞。一方面是由于上下层轨道的扣合所预留的自由活动空间很小。小轮子82放置在轨道槽内也是为了防止晃动。另一方面小轮子82和周向电动机11连接，在电动机未通电时存在一个摩擦力来阻止小轮子82转动。这一摩擦力主要来源于电动机内部转子要切割电动机内部的磁场。

本发明还保护一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统的使用方法，该方法采用上述的箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统，步骤为：

(1)检测人员根据钢管混凝土柱的直径选择被动式行进贴片13的数量，使用一个主动式行进贴片9、N个被动式行进贴片13和两条钢索14组成完整的箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统(即1+N的形式)，由供电装置1为其他各个装置供能，保证各个装置正常工作。

(2)检测人员按下红外遥控器24上的固定/释放功能键，遥控收紧钢轮10，收紧钢索14，将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人固定在钢管混凝土柱上。

(3)检测人员按下红外遥控器24上的检测功能键，遥控箍式钢管混凝土柱自动检测机器人开始按照设定程序进行工作。第一运动模组2A使箍式钢管混凝土柱自动检测机器人在钢管混凝土柱上下移动(第一运动模组2A向上运动的频率为使机器人每次向上运动20cm)，敲击装置3使箍式钢管混凝土柱自动检测机器人在第二运动模组2B所提供的轨道上沿钢管混凝土柱圆周运动，并进行指定次数的敲击(例如：沿圆周方向每10°敲击一次，一周总共敲击36次)，产生敲击声波及振动信号。具体程序设定可以依据现有技术实现。

(4)数据监测装置4对敲击装置3产生的敲击声波数据进行记录、存储和传送。

(5)箍式钢管混凝土柱自动检测机器人在移动过程中，通过传感器装置5进行钢索与贴片中压应力监测、接收红外遥控器以及动态的距离监测，从而是实现该系统沿待检测钢管混凝土柱按照预定程序检测一遍。设定距离钢管混凝土柱顶端和底端竖向距离小于15cm时，认为该系统到达了钢管混凝土柱的顶端或者底端。1号红外传感器负责监测该系统距离钢管混凝土柱顶部的距离，2号红外传感器负责监测该系统距离钢管混凝土柱底部的距离。设定距离3号红外传感器周向距离小于5cm时，认为该系统转动到了初始位置的左侧，设定距离4号红外传感器周向距离小于5cm时，认为该系统转动到了初始位置的右侧。第二运动模组2B从初始位置左侧开始转动，每次沿圆周方向转动10°，然后敲击装置3进行一次无损敲击检测。在每次敲击检测完毕后，通过3号和4号红外传感器22监测第二运动模组2B是否沿钢管混凝土柱圆周方向转动一周。如果未转动一周，则通过第二运动模组2B沿圆周方向再转动10°，敲击装置3再次进行无损敲击检测直至沿圆周方向检测一周为止。

(6)当第二运动模组2B沿钢管混凝土柱圆周方向转动一周后，通过1号红外传感器22监测该系统是否到达了当前钢管混凝土柱的顶端，即判定当前钢管混凝土柱是否全部检测一遍，如果监测到该系统到钢管混凝土柱顶端的距离大于15cm，即认为该系统没有到达钢管混凝土柱的顶端，即还存在待检测部位没有检测。通过第一运动模组2A向上运动20cm，再重复步骤(5)直至该系统到钢管混凝土柱顶端的距离小于15cm。

(7)当第一运动模组2A运动到钢管混凝土柱顶端时，即判定当前钢管混凝土柱检测完毕。通过第一运动模组2A向下运动，直至2号红外传感器22监测到该系统到达了钢管混凝土柱的底端。第一运动模组2A停止运动。

(8)检测人员按下红外遥控器24上的固定/释放功能键，遥控收紧钢轮10放松钢索14，检测人员拆卸箍式钢管混凝土柱自动检测机器人，检测人员将LMS数据采集器19记录下来的数据传送至信号处理计算机进行数据分析，对钢管混凝土柱进行质量评估。

本申请的核心创新点是提供一种箍式钢管混凝土柱自动检测机器人系统及使用方法，该系统旨在突出可根据钢管混凝土柱直径不同调节被动式贴片的数量(这点指采用1+m的形式来组成整个系统，1指一个主动式行进贴片9，m指m片被动式行进贴片13，具体m的数值需要检测人员根据钢管混凝土柱的直径来灵活选取)，进而组装各个装置，该系统可实现箍式钢管混凝土柱自动检测机器人自动在钢管混凝土柱上移动，并在移动过程中进行无损敲击检测，采集敲击声波数据，为后续质量分析提供数据。检测人员无需攀爬钢管混凝土柱，大大提高了检测的安全性，减少了人力消耗。同时在敲击过程中，采用数字敲击锤进行指定次数的敲击，减少了人为因素的干扰，也提高了采集数据的精度，极大地提高了工作效率。与传统的检测人员依靠经验来检测相比，有效的降低了新检测人员的学习成本。

实施例1

本实施例以南水北调焦作纪念馆为例，纪念馆建筑地上3层，地下1层，层高分别为6.0m、7.5m、7.5m和4.9m。该纪念馆采用钢管混凝土柱结构作为纪念馆主体结构，主要的结构类型为钢框架形式。纪念馆的钢管混凝土柱的规格尺寸有

当检测人员需要对钢管混凝土柱进行敲击检测时，将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人取出，根据待检测钢管混凝土柱的直径，灵活选取被动式行进贴片的数量。采用1片主动式行进贴片9和N片被动式行进贴片13的形式，将钢索14从贴片上下的限位孔中穿过，按下红外遥控器24上的固定/释放功能键，收紧钢轮10自动收紧钢索14，以套箍的形式将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人固定在待检测钢管混凝土柱上。此时，检测人员按下红外遥控器24上的检测功能键，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人按照所预设的程序，以从下至上的形式进行自动敲击检测，并记录存储敲击检测数据。随着箍式钢管混凝土柱自动检测机器人在待检钢管混凝土柱上逐渐上升，主动式行进贴片9上部的红外传感器22在动态监测箍式钢管混凝土柱机器人距离钢管混凝土柱顶端的距离，当距离小于程序所预设的值，认为箍式钢管混凝土柱自动检测机器人到达了钢管混凝土柱的顶端，即完成了当前钢管混凝土柱的敲击检测工作。箍式钢管混凝土柱自动检测机器人开始沿钢管混凝土柱向下移动。同样，在主动式行进贴片9的下部的另外一个红外传感器22在动态监测箍式钢管混凝土柱自动检测机器人距离钢管混凝土柱底端的距离，当距离达到所预设的值，认为箍式钢管混凝土柱自动检测机器人到达了钢管混凝土柱的底端，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人自动停止动作，等待检测人员的红外指令。检测人员再次按下红外遥控器24上的固定/释放功能键，收紧钢轮10反向旋转，释放钢索14从而解除对行进贴片的约束。检测人员可以拆解下箍式钢管混凝土柱自动检测机器人。然后将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人第二单片机23B连接至电脑，读取LMS数据采集器19中所记录的数据，并对数据进行分析，评估当前钢管混凝土柱的质量。

在检测过程中，如果检测人员想暂停箍式钢管混凝土柱自动检测机器人的动作，可以按下红外遥控器24上的暂停功能键，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人立即停止当前动作。检测人员可以通过红外遥控器24上的其他功能键(上下左右)来手动控制箍式钢管混凝土柱自动检测机器人的位置，然后按下检测键功能键，箍式钢管混凝土柱自动检测机器人再次开始敲击检测。

所述主动式行进贴片9和被动式行进贴片13是箍式钢管混凝土柱自动检测机器人的重要组成部分，用于构成运动装置2A。在组装箍式钢管混凝土柱自动检测机器人必须包含一个主动式行进贴片9。

所述收紧钢轮10用于旋转棘轮，收紧钢索14到达预设的环向压应力，将箍式钢管混凝土柱自动检测机器人固定于待检测钢管混凝土柱上。

所述钢索14，和收紧钢轮10配合工作。从贴片上下的限位孔中穿过，以套箍的形式来固定各个贴片。

所述LMS数据采集器19，用于记录和存储箍式钢管混凝土柱自动检测机器人在敲击过程中所得到的数据。

所述红外传感器22，共有四个。分别安装在主动式行进贴片9的上部和下部及第二运动模组2B的左侧和右侧，用于实现动态的距离检测。分别判断箍式钢管混凝土柱自动检测机器人是否完成沿钢管混凝土柱从下至上的敲击和箍式钢管混凝土柱自动检测机器人是否沿钢管混凝土柱圆周方向敲击一周。

所述红外遥控器24，供检测人员使用。以红外遥控的形式，对箍式钢管混凝土柱自动检测机器人下达各种指令。

本发明既解决了传统的人工敲击检测人员需要攀爬钢管混凝土柱存在安全隐患的问题，又摆脱了对敲击检测人员经验的高度依赖性，也实现了自动化，只需检测人员在钢管混凝土柱下用红外遥控器进行遥控即可完成预设敲击点的敲击检测工作，省时省力又高效。

本发明未述及之处适用于现有技术。