自适应缆索检测机器人、缆索表面缺陷检测系统及方法

技术领域

本发明缆索表面缺陷自动化检测技术领域，尤其涉及自适应缆索检测机器人、缆索表面缺陷检测系统及方法。

背景技术

随着国内经济的快速发展，各种各样的钢缆、桥梁的斜拉索，变得越来越常见。在常见的桥梁结构中，斜拉索大桥占有着很大的比重，是大跨度桥梁的首选解决方案。但随之而来的是各种因为长时间的风吹日晒，使得斜拉索护套破损导致斜拉索内部钢缆腐蚀引起的事故也越来越多。及时的采取合适的检测手段可以有效避免事故的发生，有效保障人民群众的生命财产安全。目前常用的人力监测方法高空吊篮法，由于在检测时是高空作业，存在一定的安全隐患，而一些现有的检测机器人体积过大不方便携带和安装，并且需要将缺陷图像传输到地面端进行分析，导致地面端难以同时对多个机器人回传的信息进行分析，限制了检测效率。

国内外开展的缆索检测机器人主要有轮式、气压液压蠕动式、仿蛇攀爬式这几种类型。其中轮式结构相较于其它两种结构而言，具有结构简单、攀爬速度快、负重能力强等优点，所以这种结构使用更加广泛。但是现有的检测机器人由于体积重量过大，需要电缆供电，直接影响了检测机器人的灵活性。同时缆索表面缺陷检测通常是由机器人端获取缆索表面图像，通过大功率无线传输模块，传输到地面端进行检测。对于多个机器人同时检测的场景，地面端无线传输模块需要同时接收多路机器人传输的图像数据，对无线传输模块带宽也有很高的要求，地面端要同时对多路图像数据进行缺陷检测，也需要有较高的算力。并且无法记录缺陷在缆索上的位置，对于后续维护难以提供有效的指导。这些因素极大的限制了缆索检测机器人在实际生活中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种的自适应缆索检测机器人，包括多个结构单元；

每一结构单元包括支架体、爬行驱动组件、自适应调节组件；

所述支架体包括两弧形连接臂以及与两弧形连接臂的端部相连的固定板；

所述自适应调节组件包括伸缩驱动电机和调节板；所述伸缩驱动电机固定于固定板背面，所述调节板上固定设有多个导向柱以及设有内螺纹的调节螺套，所有导向柱穿过固定板，使所述固定板和调节板距离可调节，所述伸缩驱动电机输出轴上设有螺纹，伸缩驱动电机输出轴穿过所述调节螺套，所述伸缩驱动电机用于调节固定板和调节板之间距离；

所述爬行驱动组件包括连接座、爬行驱动电机和爬行轮，所述连接座包括端板以及两平行设置的侧板，所述爬行轮通过驱动轴可转动连接于两所述侧板之间，所述爬行驱动电机固定于其中一侧板上，所述爬行驱动电机与所述驱动轴相连；

多个所述结构单元的支架体连接为环形结构，相邻的支架体通过连接臂转动连接；

所有结构单元的爬行轮均贴紧待检测的缆索，所述爬行驱动电机用于驱动所述爬行轮转动，从而使该检测机器人沿缆索移动，以检测缆索表面缺陷。

进一步地，所述调节板和所述连接座之间还设有压紧减震组件，所述压紧减震组件包括减震座个多根减震导杆，所有减震导杆均固定连接于所述调节板上，其中连接座上设有多个减震孔，每一减震导杆穿过一减震孔，且每一减震孔端部设有一阻挡件，每一减震导杆上套有一减震弹簧，所述减震弹簧均位于调节板和减震座之间。

进一步地，传感器位于减震座和连接座之间还设有压力传感器，所述压力传感器用于监测爬行轮对待检测的缆索的压力，压力传感器监测到的压力值超过设定阈值范围，则伸缩驱动电机调节固定板和调节板之间的距离减小，该压力传感器监测的压力值小于设定阈值范围，则伸缩驱动电机调节固定板和调节板之间的距离增大。

进一步地，每一结构单元均包括两爬行驱动组件和两自适应调节组件，两自适应调节组件均设置于所述固定板上，且两自适应调节组件相对上下设置；两爬行驱动组件分别与两所述自适应调节组件相连。

一种缆索表面缺陷检测系统，包括上述自适应缆索检测机器人，该检测系统还包括地面终端、检测单元、微控制器以及多个摄像头，所述检测单元、微控制器以及摄像头均固定于所述检测机器人上，所述摄像头与所述检测单元相连，所述检测单元与所述微控制器相连，所述微控制器与所述地面终端通过无线通讯模块相连，所述摄像头实时拍摄待检测的缆索的图片，所述检测单元内置有缺陷检测算法，所述检测单元实时检测摄像头拍摄的图片中的缆索表面是否存在缺陷以及缺陷种类，并在检测到图片上缆索具有缺陷时，保存该图片，将该图片发送至微控制器，所述微控制器通过无线通讯模块将缆索上具有缺陷有图片发送至地面终端。

进一步地，还包括九轴传感器、驱动电机驱动器以及转速传感器，九轴传感器、驱动电机驱动器以及转速传感器均与微控制器相连，所述电机驱动器与所述爬行驱动电机、伸缩驱动电机相连，所述九轴传感器用于感测自适应缆索检测机器人运动方向，所述转速传感器用于感测所述爬行驱动电机转速。

进一步地，所述微控制器将九轴传感器方向数据、爬行驱动电机转速数据传递至所述地面终端。

进一步地，所述地面终端根据九轴传感器方向数据、爬行驱动电机转速数据建立待检测的缆索的三维空间模型；并将检测出的缺陷的位置坐标和缺陷种类标记在所述三维空间模型。

一种缆索表面缺陷检测方法，该方法使用上述缆索表面缺陷检测系统，该方法包括如下步骤：

S1:将自适应缆索检测机器人安装在待检测缆索端部；

S2:在地面终端标记待检测缆索端部位置坐标；

S3:微控制器控制自适应缆索检测机器沿待检测缆索移动；

S4:微控制器实时向地面终端发送自适应缆索检测机器移动的方向数据、以及自适应缆索检测机器内爬行驱动电机转速数据，以实时建立待检测的缆索的三维空间模型；控制器实时获取摄像头拍摄的待检测的缆索的图片，在检测单元检测到图片上缆索具有缺陷，将该图片以及发送至地面终端，地面终端将该图片以及缺陷种类标记在缆索的三维空间模型上，直至自适应缆索检测机器完成对整根缆索的检测。

进一步地，步骤S4中，在检测单元检测到图片上缆索具有缺陷后，还识别图片上缺陷的种类，并将缺陷种类同时发送至地面终端，地面终端将缺陷的种类以及对应的图片同时标记在缆索的三维空间模型上。

本发明的有益效果为：

(1)该自适应缆索检测机器人具有压紧减震组件、自适应调节组件，其中压紧减震组件可将爬行轮压紧于缆索上，从而使爬行轮能在爬行驱动组件带动下转动，从而使该机器人能沿缆索移动，防止机器人在移动该过程中打滑；同时自适应调节组件能自适应地调节轮胎与缆索表面的压力，可以在缆索直径发生变化时也能够保证机器人与缆索表面压力的稳定；同时器人结构通过采用上下对称的双层结构，降低了机器人在缆索上运行时的偏心，并增大与缆索表面的接触面积，提高运行的稳定性。

(2)缆索表面缺陷检测系统包括机器人端和地面终端，机器人端还设有检测组件，检测组件能完成缆索表面缺陷的原位检测，不需要将摄像头采集的缆索表面图像以视频的方式传输至地面端，因此不需要大功率的无线传输模块来传输视频数据，降低机器人的功耗，延长机器人的运行时间。当同时由多个机器人对不同缆索进行检测时，传输大量的视频数据回地面端进行检测，对地面端的无线接收模块的带宽和中央处理器的算力都有较高的要求。本发明设计的缆索表面缺陷检测系统不需要地面端来分析图像数据，减少了数据回传的同时降低了对地面端处理器的算力需求，使得地面端能够同时控制多个机器人同时进行缆索表面缺陷检测，有效提高检测效率。

(3)该缆索表面缺陷检测方法可在地面纵端接收能够根据机器人端返回的信息，对机器人的运行路径建模，当在某一点检测到缺陷时，直接在建模的路径上标记，对应于缆索上的位置，便于后续维护人员快速定位缺陷位置进行检修。

附图说明

图1是本发明实施例自适应缆索检测机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例自适应缆索检测机器人的结构单元的立体1的结构示意图；

图3是本发明实施例自适应缆索检测机器人的结构单元的立体1的俯视图；

图4是本发明实施例的缆索表面缺陷检测系统的连接结构示意图。

图5是本发明实施例的缆索表面缺陷检测系统的地面终端建立缆索的三维空间模型的示意图。

图中：1-单元结构，2-支架体，21-固定板，22-弧形连接臂，23-铰接柱，3-调节板，31-伸缩驱动电机，32-导向柱，33-调节螺套，34-输出轴，4-减震座，41-减震导杆，5-连接座、51-爬行驱动电机，52-爬行轮，53-驱动轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图3，本发明的一种的自适应缆索检测机器人，包括多个结构相同的结构单元1；

每一结构单元1包括支架体2、爬行驱动组件、自适应调节组件；每一支架体2包括两弧形连接臂22以及与两弧形连接臂22的端部相连的固定板21；每一支架体2的两弧形连接臂22的原理固定板21的端部为连接端，多个所述结构单元1的支架体2一环形结构，相邻的支架体通过弧形连接臂22的连接端转动连接；具体地，每一连接端于相邻的支架体的连接端通过铰接柱铰接，本实施例中，所述自适应缆索检测机器人包括三个结构单元1。

所述自适应调节组件包括伸缩驱动电机31和调节板3；所述伸缩驱动电机31固定于固定板21背面，所述调节板3位于固定板21前方，二者平行相连，调节板31上固定设有多个导向柱32以及设有内螺纹的调节螺套33，调节螺套33位于调节板31中部且贯穿调节板31，所有导向柱31穿过固定板21，导向柱31与固定板21滑动连接，使所述固定板21和调节板3距离可调节，导向柱31使固定板21、调节板3保持平行；所述伸缩驱动电机31的输出轴34上设有螺纹，伸缩驱动电机31的输出轴34穿过所述调节螺套33，所述伸缩驱动电机31用于带动输出轴34转动，从而通过调节螺套33调节固定板21和调节板3之间距离。

所述爬行驱动组件包括连接座5、爬行驱动电机51和爬行轮52，所述连接座51包括端板以及两平行设置的侧板，所述爬行轮52通过驱动轴可转动连接于两所述侧板之间，所述爬行驱动电机51固定于其中一侧板上，所述爬行驱动电机51与所述驱动轴相连；爬行驱动电机51用于通过驱动轴带动爬行轮52转动；

所有结构单元1的爬行轮52均贴紧待检测的缆索，所述爬行驱动电机驱动所述爬行轮转动，从而使该检测机器人沿缆索移动，以检测缆索表面缺陷；

优选地，所述调节板3和所述连接座5之间还设有压紧减震组件，所述压紧减震组件包括减震座4个多根减震导杆41，所有减震导杆41均固定连接于所述调节板3上，其中连接座4上设有多个减震孔，每一减震导杆41穿过一减震孔，且每一减震导杆41端部设有一阻挡件，防止减震座4脱落；每一减震导杆41上套有一减震弹簧42，所述减震弹簧42均位于调节板3和减震座4之间，压紧减震组件将爬行轮52压紧于待检测的缆索上，使爬行轮52转动时通过其与缆索之间摩擦力驱动检测机器人沿缆索移动，同时使机器人沿缆索移动时保持稳定。

优先地，传感器位于减震座4和连接座5之间设有压力传感器，所述压力传感器(未在图中画出)为贴片传感器，所述压力传感器53用于感测减震座4和连接座5之间的压力，该压力大小等于压紧减震组件将爬行轮52压紧于待检测的缆索上的压力，因此压力传感器53可以监测爬行轮对待检测的缆索的压力，该压力传感器53监测的压力值超过设定阈值范围，则伸缩驱动电机调节固定板和调节板之间的距离减小，该压力传感器53监测的压力值小于设定阈值范围，则伸缩驱动电机调节固定板和调节板之间的距离增大。

更优先地，每一结构单元1均包括两述爬行驱动组件和两自适应调节组件，两自适应调节组件均设置于所述固定板21上，且两自适应调节组件相对上下设置；两爬行驱动组件分别与两所述自适应调节组件相连，将爬行驱动组件、自适应调节组件设置为上下对称的双层结构，可以降低了机器人在缆索上运行时的偏心，并增大与缆索表面的接触面积，进一步地提高运行的稳定性。

请参考图1至图4，本发明的缆索表面缺陷检测系统包括上述自适应缆索检测机器人，还包括还包地面终端、电源模块、检测单元、微控制器、无线通讯模块以及多个摄像头，本实施例中，所述检测单元为树莓派，所述微控制器为STM32芯片。

地面终端布置在地面的检测室内，电源模块、检测单元、微控制器、无线通讯模块以及多个摄像头均固定于自适应缆索检测机器人上，电源模块、检测单元、微控制器、无线通讯模块以及多个摄像头共同构成机器人端，一地面终端可以对应多个机器人端。

所述摄像头数量为三个，每一摄像头安装在一结构单元1上；电源模块对检测单元、微控制器、摄像头以及自适应缆索检测机器供电，所有摄像头与所述检测单元相连，无线通讯模块、检测单元与所述微控制器相连，所述微控制器与所述地面终端通过无线通讯模块相连，所述摄像头实时拍摄待检测的缆索的图片，所述检测单元内置有缺陷检测算法，所述检测单元实时检测摄像头拍摄的图片中的缆索表面是否存在缺陷以及识别缺陷种类，并在检测到图片上缆索具有缺陷时，保存该图片，将该图片以及缺陷种类发送至微控制器，所述微控制器通过无线通讯模块将缆索上具有缺陷有图片以及缺陷种类发送至地面终端。

该缆索表面缺陷检测系统还包括九轴传感器、驱动电机驱动器以及转速传感器，九轴传感器、驱动电机驱动器以及转速传感器均与微控制器相连，所述电机驱动器与所述爬行驱动电机、伸缩驱动电机相连，控制二者运行，所述九轴传感器用于感测自适应缆索检测机器人运动方向，所述转速传感器与爬行驱动电机相连，转速传感器用于感测所述爬行驱动电机转速。所述微控制器实时将九轴传感器方向数据、爬行驱动电机转速数据传递至所述地面终端，地面终端根据该数据建立缆索的三维空间模型，并在三维空间模型标记具有缺陷有图片以及缺陷种类。其具体过程为：

参考图5，在运行过程中机器人端微控制器以固定的时间间隔t将九轴传感器方向数据、爬行驱动电机转速数据传递至所述地面终端，若检测出缺陷图片，则立刻将图片数据以及缺陷种类数据随九轴传感器方向数据、爬行驱动电机转速数据一同发送至地面终端，不需要等待时间间隔到达。地面终端根据当前获取的九轴传感器方向数据、爬行驱动电机转速数据以及与上次获取数据的时间差值，得到当前所在位置相对于上一个点在该方向上移动的距离，从而获得当前所在位置在三维空间的坐标，建立待检测的缆索的三维空间模型；并将在缆索上运行过程中，将检测出的缺陷的位置坐标和缺陷种类标记在所述三维空间模型。时间间隔t越小地面终端建立的三维空间模型与实际待检测的缆索的外形越接近(即地面终端在建立出的缆索的三维空间模型为多段微小折线，使用该折线拟合实际为曲线的缆索外形，通过减小微控制器传输方向数据和转速数据到地面端的固定时间间隔，可以更加准确的建模缆索的外形)，微控制器实时向地面终端传递数据的时间间隔t的优选范围为1-10s。

本发明一种基于上述缆索表面缺陷检测系统的缆索表面缺陷检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1:将自适应缆索检测机器人安装在待检测缆索端部；

S2:在地面终端标记待检测缆索端部位置坐标作为起点(坐标原点)；

S3:微控制器控制自适应缆索检测机器沿待检测缆索移动；

S4:微控制器实时向地面终端发送自适应缆索检测机器移动的方向数据、以及自适应缆索检测机器内爬行驱动电机转速数据，以实时建立待检测的缆索的三维空间模型；控制器实时获取摄像头拍摄的待检测的缆索的图片，在检测单元检测到图片上缆索具有缺陷，将该图片以及发送至地面终端，地面终端将该图片以及缺陷种类标记在缆索的三维空间模型上，直至自适应缆索检测机器完成对整根缆索的检测。

步骤S4中，在检测单元检测到图片上缆索具有缺陷后，还识别图片上缺陷的种类，并将缺陷种类同时发送至地面终端，地面终端将缺陷的种类以及对应的图片同时标记在缆索的三维空间模型上。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。