一种基于无人机搭载机械手臂的检测维护装置的制作方法

技术领域：

本实用新型涉及一种检测维护装置，具体涉及一种基于无人机搭载机械手臂的检测维护装置。

背景技术：：

在道桥领域中，为防止突发性破坏，采取有效手段对已建成的结构和设施的安全状况所进行的健康监测工作是十分必要的。所谓健康监测，是对工程结构实施实时的监测和诊断，借助无损传感技术，分析布设在结构上的传感器的动态响应，了解结构的动力特性，达到损伤检测的目的。通过对持续的监测结果的分析，可以了解结构的真实状态，及早发现病害和异常，为结构后期的维修养护工作提供科学依据。以往的监测项目中，传感器的操作都是需要检测人员手动进行处理，人工铺设效率低、成本高。更为重要的是，对于复杂结构，诸如高耸结构、桥梁结构、涵洞、海洋平台等，人工铺设具有极高的人身安全风险。相比普通结构而言，复杂结构对地区经济及社会影响更为显著，因此，开展复杂结构的健康监测工作是十分必要的。此外，传统监测项目，传感器均采用有线连接方式，测试距离受连接线长度影响，有线连接不仅耗费大量人力、物力，连接线本身振动及端头连接更会导致测试数据的污染，由连接所导致的信号干扰是有线测试的顽疾。总之，通过人工在工程结构上进行传感器的处理过程操作难度大且成本高，操作过程中风险高，存在很大安全隐患。

技术实现要素：：

为解决上述背景技术中提及的问题，本实用新型的目的在于提供一种基于无人机搭载机械手臂的检测维护装置。

一种基于无人机搭载机械手臂的检测维护装置，包括无人机、机械手臂、接口调节件、外壳和控制系统，外壳可拆卸连接在无人机的飞行平台上，控制系统设置在外壳内，外壳的一外侧壁上加工有开口，接口调节件设置在开口上，机械手臂通过接口调节件与开口可拆卸连接；

所述接口调节件包括两个移动板和多个连接螺栓，两个移动板并列设置在开口内，每个移动板沿开口的长度方向往复滑动，每个移动板的板面上加工有与机械手臂可拆卸连接的多个第一连接孔，每个移动板的外端面上一体设置有第一挡板，开口的两端分别加工有与第一挡板一一对应设置的第二挡板，每个第一挡板通过多个连接螺栓与其对应的第二挡板可拆卸连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

一、本实用新型通过无人机、机械手臂、接口调节件、外壳和控制系统之间相互配合能够实现通过无人机对机械手臂的运送以及机械手臂处于悬停状态下对工程结构中的待检测或待维护部位的操作动作，替代人工在工程结构的高危位置进行直接操作，提高安全性，完全避免人工直接操作造成的连接线振动及端头连接对测试数据的污染问题，有利于提高测试数据的精准度，实现监测风险最小化，还能够降低传感器铺设成本。

二、控制系统为机械手臂的操作提供实时控制指令，实现机械手臂的无线控制过程，使机械手臂能够依据具体工况选择进行适当的操作动作。

三、接口调节件配合外壳上的开口实现可调式接口结构，从而实现对不同机型的机械手臂底座有效定位的过程，增强本实用新型适用于不同类型的机械手臂的通用性，从而扩大本实用新型在工程结构中的适用范围。

四、机械手臂能够实现对工程结构中无线传感器的拾取和夹持动作，动作灵活且稳定。

五、本实用新型特别适用于检测人员直接操作传感器难度较大或狭小空间内需设置传感器的工况环境中。

附图说明：

为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本实用新型的俯视结构示意图；

图2为本实用新型的主视结构示意图，图中仅显示部分数量的旋翼；

图3为接口调节件和外壳之间连接关系的主视结构示意图；

图4为移动板和第一挡板之间连接关系的立体结构示意图；

图5为接口调节件设置在外壳开口处的侧视结构剖面图；

图6为本实用新型带有配重盒时的俯视结构示意图。

图中，1-无人机；1-1-飞行平台；2-机械手臂；3-接口调节件；3-1-移动板；3-1-1-板本体；3-1-2-第一凸棱；3-1-3-第二凸棱；3-2-连接螺栓；3-3-第一连接孔；3-4-第一挡板；4-外壳；5-控制系统；6-开口；7-第二挡板；8-第一滑道；9-第二滑道；10-第二连接孔；11-第三连接孔；12-配重盒；13-配重片；14-连接线；15-支撑框；16-电机；17-螺旋桨。

具体实施方式：

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本实用新型。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

具体实施方式一：如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本具体实施方式采用以下技术方案，本实施方式包括无人机1、机械手臂2、接口调节件3、外壳4和控制系统5，外壳4可拆卸连接在无人机1的飞行平台1-1上，控制系统5设置在外壳4内，外壳4的一外侧壁上加工有开口6，接口调节件3设置在开口6上，机械手臂2通过接口调节件3与开口6可拆卸连接；

所述接口调节件3包括两个移动板3-1和多个连接螺栓3-2，两个移动板3-1并列设置在开口6内，每个移动板3-1沿开口6的长度方向往复滑动，每个移动板3-1的板面上加工有与机械手臂2可拆卸连接的多个第一连接孔3-3，每个移动板3-1的外端面上竖直设置有第一挡板3-4，开口6的两端分别加工有与第一挡板3-4一一对应设置的第二挡板7，每个第一挡板3-4通过多个连接螺栓3-2与其对应的第二挡板7可拆卸连接。

本实施方式中的整体结构为基于无线传感网络的无人机1和机械手臂2的搭接结构，尤其适用于人为检查难以进行的监测工作。

本实施方式中无人机1和机械手臂2均为现有产品。无人机1优选具有多个驱动式螺旋桨的无人机或带有分叉式螺旋桨的无人机。控制系统5为现有控制系统，具体为配合现有机械手臂各个动作的控制系统。

本实施方式中外壳4为轻质材料制成的壳体，外壳4为外罩，其外沿可拆卸连接在无人机1中飞行平台1-1的顶面上。

本实施方式中控制系统5还用于控制无人机的各个动作，其与无人机遥控器无线连接。

本实施方式中开口6高度的取值范围为5～10cm，开口6长度的取值范围为8～20cm。

本实施方式中无人机1前端面和后端面设置有两个高清摄像头，高清摄像头的拍摄方向可转动，与开口6处于同一端面的高清摄像头处于开口6的下方。

具体实施方式二：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，本实施方式中开口6为矩形口，开口6的顶部侧壁和底部侧壁分别加工有第一滑道8和第二滑道9，每个移动板3-1的上端和下端分别设置在第一滑道8和第二滑道9内，每个移动板3-1的上端与第一滑道8滑动配合，每个移动板3-1的下端与第二滑道9滑动配合。

本实施方式中移动板3-1的结构为与开口6相配合的多层卡接板体结构，移动板3-1包括板本体3-1-1，板本体3-1-1的上端沿其板厚方向加工有一个第一凸棱3-1-2和一个第二凸棱3-1-3，对应的，开口6的顶部内侧壁加工有与第一凸棱3-1-2滑动配合的第一滑道8，第二凸棱3-1-3与开口6顶部的外壳4内壁贴紧配合。板本体3-1-1的下端沿其板厚方向加工有另一个第一凸棱3-1-2和另一个第二凸棱3-1-3，对应的，开口6的底部内侧壁加工有与另一个第一凸棱3-1-2滑动配合的第二滑道9，第二凸棱3-1-3与开口6顶部的外壳4内壁贴紧配合。板本体3-1-1通过两个第二凸棱3-1-3实现在第一滑道8和第二滑道9之间同步移动的效果，移动板3-1的结构设置能够确保移动板3-1在开口6内移动过程中位置不松脱。

具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，机械手臂2的底座与移动板3-1上的第一连接孔3-3可拆卸连接。机械手臂2的底座为矩形座体结构，矩形座体上预留有四个安装孔，移动板3-1上的多个第一连接孔3-3的设置是为了配合机械手臂2的矩形座体结构，根据机械手臂2的矩形座体的尺寸以及四个安装孔的具体位置选择多个第一连接孔3-3中的对应四个第一连接孔3-3进行一一可拆卸连接。

进一步的，第一连接孔3-3的排布以及相邻连接孔的间距与机械手臂2中矩形座体的安装孔的排布方式和相邻孔孔距相配合设置。

进一步的，通过现有孔用连接件将每个安装孔与其对应设置的第一连接孔3-3相连接，现有孔用连接件为螺栓和螺母相配合的连接体，其为现有产品，以实现孔与孔之间的稳定连接。

具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，第一挡板3-4沿其板厚方向加工有若干个第二连接孔10，第二挡板7沿其板厚方向加工有若干个第三连接孔11，第二连接孔10与第三连接孔11一一对应设置，每个第二连接孔10与其对应的第三连接孔11可拆卸连接。

本实施方式中第二挡板7的尺寸和形状与其对应的第一挡板3-4的尺寸和形状相同。第二挡板7竖直设置在外壳4的外壁上，优选方式为焊接或一体成型连接。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，外壳4的另一外侧壁上设置有配重盒12，配重盒12内插接有若干个配重片13。配重盒12内放置配重片13的数量根据机械手臂2的重量以及机械手臂2夹持传感器或其他相关附属物的重量决定，配重盒12和若干个配重片13相配合实现重量可调的配重结构，确保本无人机1能够长时间处于平稳的悬停状态，为机械手臂2的操作提供稳定支持。配重盒12内设置有多个插槽，每个插槽内插接有配重片13。

具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，外壳4上设置有辅助动力件，辅助动力件设置在开口6的上方，辅助动力件包括连接线14、支撑框15、电机16和螺旋桨17，支撑框15与机械手臂2可拆卸连接，电机16设置在支撑框15上，电机16的输出轴上设置有螺旋桨17，连接线14的一端与电机16相连接，连接线14的另一端穿过外壳4与控制系统5相连接。

本实施方式中支撑框15为匚字形框体，其为一种连接式支撑体，支撑框15是由上部硬质板和下部柔性连接条相配合形成的框体，用于将带有螺旋桨17的电机16捆绑、粘接或其他连接方式定位在机械手臂2上。

本实施方式中外壳4上设置有穿线支座，用于连接线14穿过外壳4与控制系统5相连接，穿线支座设置在开口6的上方，起到支撑和定位连接线14的作用。

本实施方式中辅助动力件的工作原理与无人机1中驱动电机和旋翼相配合的工作原理相同。辅助动力件的设置是为了辅助无人机1分担因搭载机械手臂2产生的荷载，减轻无人机1的负担，更加有利于本实用新型在操作过程的平稳性。

本实施方式中连接线14为柔性连接线，用于电机16与控制系统5相连接，使控制系统5能够及时准确控制电机16的开启和关闭。

具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四、五或六的进一步限定，本实施方式中控制系统5还配合设置有无线传感系统和信号接收系统。其中，控制系统5由无人机用控制器和机械手臂用控制器组成；无线传感系统由无线传感器和无线路由器两部分构成；信号接收系统包括图像接收系统和信号采集软件两部分。

本实施方式中无人机用控制器由手动控制器及飞行控制器两部分组成，主要用于控制无人机1的起飞、降落、悬停或其他飞行姿态。

本实施方式中当无人机1具体采用四轴旋翼正反桨搭配机型时，同时具有欠驱动系统，动力部分由驱动电机和旋翼组成，支持垂直起落。机身、机架分别注塑成型，结构简单，造型轻盈。四轴旋翼无人机续航时间为40min，远程遥控距离1km，搭载负重限值450g。无人机1前后自带高清摄像头两个。机械手臂用控制器用于控制机械手臂2的伸缩或转动。

本实施方式中机械手臂2采用水平多关节智能机械手臂，该手臂具有三个方向的自由度，分别是机械手臂2长度方向的移动和转动以及垂直手臂长度方向的转动。机械手臂2能够接受机械手臂用控制器的指令，将手臂端精确地定位到三维空间中的所需位置进行作业。

无线传感系统包括无线传感器和无线路由器两部分。其中，无线传感器能够实现其自身位置处空间坐标系下的三个主轴方向的加速度信息以及自身位置处空间坐标系与空间绝对坐标系夹角的动态采集，各方向采样精度相同。本实施方式中无线传感器采样精度为12bit，采样量程支持±2g、±4g、±8g三种量程，最大采样频率800hz。无线路由器为市面上的常规无线路由器。

进一步的，无线传感器自身带有传感器芯片、微处理器、无线信号收发器以及电源模块。传感器芯片能够采集信息，微处理器可以实现信号存储并将信号发送给无线信号收发器，最后由无线信号收发器将信号发送给无线路由器，完成信号的采集和传输。电源模块为内置锂电池，支持拆卸和循环充电。本实施方式中无线传感器的微处理器选用arm7系列芯片，主频72mhz，计算效率高，满足数据传输需求。无线传感器4-1内置供电锂电池正常工作电压为3.0v。

进一步的，无线路由器为无线传感系统提供无线通信网络，无线路由器与无线传感器之间通过自定义的wi-fi协议实现数据通信，信号采集软件为计算机后台运行软件，无线路由器与计算机的之间的连接方式，可以是无线连接也可以是有线连接。市面上一般规格的无线路由器，室外信号覆盖范围均大于300米，即可完全满足工程需求。无线传感器与安装有信号采集软件的计算机同时被设置在无线路由器所设定的固定的网端内；无线传感器将所采集的信息传输给无线路由器，由无线路由器完成信号的转发工作，并将信号发送给计算机完成信号采集工作。

进一步的，信号接收系统包括图像接收系统和信号采集软件两部分。图像接收系统用于接收并显示无人机1所拍摄的照片、视频以及红外摄影；无人机1的图像获取功能一方面协助机械手臂2作业，另一方面可对周边结构进行单独拍摄，有利于对监测对象的直观了解。信号采集软件安装于计算机，用于接收无线传感器所测试到的信号并以图形界面形式实时显示，信号采集软件支持多通道的无线传感器的同时工作。信号采集软件可以实现三个方向加速度信号的图形界面的同步显示，同时支持采集数据的存储与输出。通过信号采集软件可以控制无线传感器的工作模式，调控机械手臂的启动、停止，设置测试信号的采样方向、采样量程、采样频率。本实施方式中信号采集软件为现有信号采集软件即可。传统的有线连接测试系统，在测试大型结构时，传感器数量较多，往往需要将传感器连接到不同的主机上进行信息采集，然而，不同主机之间传感器的同步问题一直很难解决，因此，有线传感系统的铺设数量受限于采集仪的通道数量；本实用新型通过样品测试得出，无线路由器的固定的网端，最多支持256个无线传感器同时工作，满足工程结构的需要。

本实施方式中所提到的无线测试系统，无线信号覆盖范围因所选无线路由器不同而略有差别，目前，市面上一般规格的无线路由器，室外信号覆盖范围均大于300米，完全满足工程需求。

本实施方式中测试信息包括无人机1所拍摄的照片、视频和红外摄影以及无线传感器所测试到的振动信息，采集方式集宏观观察与微观分析于一体，大幅度提高检测精度。

本实用新型的工作过程：

根据检测要求选择并确定机械手臂2后，根据机械手臂2底座的尺寸以及底座上安装孔的位置调节两个移动板3-1在开口6内的相对位置，将两个移动板3-1沿开口6的长度方向移动实现调节过程，直至确保将机械手臂2底座上的每个安装孔对应设置有一个第一连接孔3-3后，通过多个连接螺栓3-2将移动板3-1上的第一挡板3-4与其对应的第二挡板7相连接，以确保两个移动板3-1的相对位置稳定不变，再将机械手臂2底座安装在两个移动板3-1上，最后将每个安装孔与其对应设置的第一连接孔3-3相连接后，启动无人机1，达到工程结构中待检测的指定位置后，通过控制系统5控制机械手臂2对指定位置处的传感器进行相关处理动作，即可展开无人工直接接触的检测维护工作。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。