一种电梯导轨垂直度及轨距测量机器人

摘要

本发明公开一种电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于该机器人包括机身、吸附磁轮、传感器模块、无线传输模块和控制模块及驱动模块；所述吸附磁轮包括磁轮和硅钢片，硅钢片分别贴附在磁轮的两个端面上,并通过嵌入在机身壁上的轴承固定在机身上；所述传感器模块包括的倾角传感器和激光测距仪，倾角传感器和激光测距仪通过支座安装在机身的甲板面上，并分别处于单片机的上边和下边，且均与单片机双向连接；所述无线传输模块包括上位机无线传输台和机器人本体无线传输台；所述的控制模块包括单片机及控制程序；所述驱动模块包括前导向轮步进电机和后导向轮步进电机以及编码器。

权利要求

1.一种电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于该机器人包括机身、吸附磁轮、传感器模块、无线传输模块、控制模块和驱动模块；所述吸附磁轮包括磁轮和硅钢片，硅钢片分别贴附在磁轮的两个端面上,并通过嵌入在机身壁上的轴承固定在机身上；所述传感器模块包括的倾角传感器和激光测距仪，倾角传感器和激光测距仪通过支座安装在机身的甲板面上，并分别处于单片机的上边和下边，且均与单片机双向连接；所述无线传输模块包括上位机无线传输台和机器人本体无线传输台；所述的控制模块包括单片机及控制程序；

所述驱动模块包括前导向轮步进电机和后导向轮步进电机以及编码器。

2.根据权利要求1所述的电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于所述的机身采用YL12硬质铝材料制造；所述的吸附磁轮采用Nd-Fe-B材料制造。

3. 根据权利要求1所述的电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于所述的倾角传感器采用NS-15/PI 双轴倾角传感器；所述的激光测距仪采用ZCCJ-70激光测距传感器。

4. 根据权利要求1所述的电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于所述的无线数传模块为LM96/MU 430Hz。

5. 根据权利要求1所述的电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于所述的单片机采用飞思卡尔-DG128集成嵌入式单片机。

说明书

一种电梯导轨垂直度及轨距测量机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及特种设备测量技术，具体为一种电梯导轨垂直度及轨距测量机器人。该机器人是一种依靠永磁吸附垂直爬升进行导轨垂直度及轨距数据测量的半自动机器人。 背景技术

[0002] 对电梯导轨进行垂直度及轨距测量是电梯行业一项重要的任务。当今中国，随着经济的蓬勃发展，越来越多的高楼大厦出现在各个城市之中，而伴随着高层建筑的不断增多，随之而来的轿箱式电梯的数量也越来越多。电梯的安全性，高效性，舒适性也成为了对电梯运行的基本的、重要的技术性能要求。因此，对于电梯的安装与维护也相应的受到了越来越多的关注。

[0003] 电梯导轨垂直度检测方法基本经历了两个阶段：第一阶段是利用人工对导轨垂直度进行分段检测，例如传统的吊线法，采用传统的吊垂线的方法来保证导轨安装的垂直度，就是利用地球重力场，将一根Φ0.6左右的钢丝上端固定，下端一个重锤。采用这种方法首先要搭建脚手架，安装样板架，然后对导轨分段吊垂线进行上下样板的矫正。这种方法看似简单准确，但在实际的现场施工中很难保证垂准精度。首先，重锤本身是个摆，一个100米长的重锤摆动周期长达20秒，很难在短时间停下来。所以，通常在将重锤置于有机油中以增加阻尼，但即使这样耗时也长，同时影响精度。其次，重锤线容易受到风吹的影响，一个10kg、100m长的重锤，如果在重锤处只受到1g横向力(相当于一个蚂蚁力量大小的力)的影响，就会使吊线在100m处偏离10mm，也就是约20角秒的误差。再次，建筑物的微小振动很容易传递到绷紧的垂线，造成垂直偏差。同时，梯井黑暗潮湿，长期作业对测量人员身体健康不利，容易疲劳，造成测量过程的人为误差。特别是在电梯维护阶段，由于没有了脚手架，更是难以进行吊垂线作业，电梯的垂直度测量就更加困难；第二阶段是检测过程由自动仪器完成。近年来，电梯行业出现了用于导轨垂直度检测的激光垂准仪，使 用高精度的铅直激光束代替吊垂线，检测精度有很大提高。伴随着激光垂准仪的出现，电梯导轨垂直度检测在测量过程和方法上取得了新的进展。

[0004] 上海交通大学机械与动力学院，季海忠等发表的《基于图像处理的电梯导轨高精度测量的研究》论文(参见郭丽峰.电梯导轨不平顺度测量、建模及轿箱水平振动特性的研究：[博士学位论文].天津：天津大学.2005)中提出了一种利用CCD相机、固定与接收装置、激光发射系统、视频采集处理系统等组合为一整体的垂直度测量装置。激光发射系统包括：自动调垂直功能的激光发射器和三脚架，视频采集处理系统包括：CCD摄像机、视频采集卡、软件系统、成像玻璃片和成像薄板。通过最大值滤波、图像腐蚀、图像膨胀、OTSU二值化、Canny变换寻找轮廓、最小二乘法椭圆最小二乘拟合与优选等方法，完全可以确定激光光斑的中心位置，然后就可以对导轨的垂直度进行调整，从而大大提高了电梯导轨检测的范围和精度。这种方法提供了为电梯导轨垂直度测量提供了一个很好的测量基准。但是，该测量方法仍然需要人工的全程参与，工作量大，而且离不开脚手架，限制了在电梯维护使用阶段的应用，而且由于人力限制测量点数量不会太多，这样即使只有几次的错误测量也将造成导轨曲线拟合结果的较大误差。

[0005] 天津大学提出了一种新型电梯导轨垂直度测量仪，用强磁铁使测量仪紧贴导轨，测量仪通过一个拉杆与轿厢相连，激光垂准仪固置于导轨底部，向下发出一条铅直激光束(参见季海忠等，基于图像处理的电梯导轨高精度测量的研究：上海交通大学.2006)。测量时，轿厢带动测量仪在导轨上运动，安装于测量仪的CCD相机接收激光光斑，通过计算机图像处理识别光斑中心位移，该位移变化即反映了导轨垂直误差。这种方法实现简单，测量过程不需要人工干预，测量速度快。但是研究发现，上述电梯导轨测量仪存在一些缺陷：(1)轿厢运行过程中的水平和垂直振动不可避免地传给测量仪，从而引起不可控的测量误差；(2)在导轨安装阶段由于没有电梯轿厢，无法使用该测量仪进行导轨检测与矫正，使用范围大大受限。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种电梯导轨垂 直度及轨距测量机器人，该机器人采用永磁轮式吸附结构，能够在吸附导轨垂直运行的基础上，同时测量导轨垂直度和轨距，具有结构简单，测量精确，节省能源，运行成本低等特点。 [0007] 本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于该机器人包括机身、吸附磁轮、传感器模块、无线传输模块、控制模块和驱动模块；所述吸附磁轮包括磁轮和硅钢片，硅钢片分别贴附在磁轮的两个端面上，并通过嵌入在机身壁上的轴承固定在机身上；所述传感器模块包括的倾角传感器和激光测距仪，倾角传感器和激光测距仪通过支座安装在机身的甲板面上，并分别处于单片机的上边和下边，且均与单片机双向连接；所述无线传输模块包括上位机无线传输台和机器人本体无线传输台；所述的控制模块包括单片机及控制程序；所述驱动模块包括前导向轮步进电机和后导向轮步进电机以及编码器。

[0008] 与现有技术相比，本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人采用了永磁轮式吸附结构设计，减少了制作成本，避免例人力和物力的浪费，同时为精确测量数据提供了较为理想的平台；激光测距仪和倾角传感器的同时使用，实现了多指标的测量，为电梯导轨安装和维护提供了更有力的保障。

附图说明

[0009] 图1为本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人一种实施例的整体模块组成框图；

[0010] 图2为本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人一种实施例的整体结构示意图；其中(a)为机构主视图，(b)为机构俯视图；

[0011] 图3为本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人一种实施例的工作程序控制系统结构框图；

[0012] 图4为本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人一种实施例的磁轮形状结构示意图；其中(a)为磁轮主视形状示意图，(b)为磁轮剖面结构示意图；

[0013] 图5为本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人一种实施例的硅钢片形状结构示意图，其中(a)为硅钢片主视形状示意图，(b)为硅钢片剖面结构示意图； [0014] 图6为本发明电梯导轨垂直度及轨距测量机器人一种实施例的磁吸附轮装配结构示意图。

[0015] 具体实施方式

[0016] 下面结合实施例及其附图进一步详细描述本发明。实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。

[0017] 本发明设计的电梯导轨垂直度及轨距测量机器人，其特征在于该机器人包括机身1、吸附磁轮2、传感器模块3、无线传输模块4、控制模块5和驱动模块6（参见图1）；为防止磁漏，所述的机身1采用YL12硬质铝材料制造；所述吸附磁轮2包括磁轮21和硅钢片22，硅钢片22分别贴附在磁轮21的两个端面上（参见图4-6）,并通过嵌入在机身1壁上的轴承固定在机身1上；所述的传感器模块3包括的倾角传感器31和激光测距仪32，倾角传感器31和激光测距仪32通过支座安装在机身1的甲板面上，并分别处于单片机51的上边和下边（参见图2（b）），且均与单片机51双向连接；所述无线传输模块4包括上位机无线传输台41和机器人本体无线传输台42；所述的控制模块5包括单片机51和控制程序；所述驱动模块6包括前导向轮步进电机61和后导向轮步进电机62以及编码器63。 [0018] 本发明的吸附磁轮2（参见图4-6）实施例采用Nd-Fe-B材料制造，并通过在磁轮
21的两侧贴合硅钢片22实现漏磁通最小，吸附力最大的优化设计结构。吸附磁轮2作为永磁吸附,可实现机器人垂直吸附在电梯导轨上，并能够垂直爬升。本发明通过将永磁材料Nd-Fe-B制作成轴向充磁的顶磁轮和导向轮，每一磁轮上均贴合两个直径略大于磁轮的硅钢片，以起引导磁通的作用，顶磁轮吸附导轨是为防止机器人颠覆，右侧前后磁轮因作为驱动轮，所以尺寸相对其他磁轮较大，为其他磁轮的两倍。驱动轮足够的吸附力来提供摩擦力，通过步进电机带动使得机器人能够垂直爬升。

[0019] 本发明倾角传感器31和激光测距仪32的选型与传感器的使用方法和所要测量的数据精度要求有关。倾角传感器31用于测量导轨在采样点处倾角，激光测距仪32用于测量导轨在采样点处的轨距。测量后通过上位机数据处理软件在显示屏上以图表的形式实时输出。本发明实施例的倾角传感器31采用NS-15/PI双轴倾角传感器；实施例的激光测距仪32采用ZCCJ-70激光测距传感器。

[0020] 本发明无线数传模块4本身为现有技术。实施例的选型为LM96/MU 430Hz，传输距离2000米左右。所选无线数传模块基于以下要求：(1)使用无线数据传输，可节省昂贵的线缆资源；(2)可防止因接口松动或损坏而出现的数据传输故障。

[0021] 本发明控制模块5本身为现有技术。实施例控制模块5的单片机51采用飞思卡尔(Freescale)-DG128集成嵌入式单片机。其串口能够并行收发数据。

[0022] 本发明设计的上位机通过无线传输模块4给予控制模块5的单片机51信号，控制模块5通过编码器63与驱动模块6反馈连接，同时传感器模块3也与控制模块5进行双向连接；吸附磁轮2结合驱动模块6为机器人提供垂直爬升驱动。传感器模块3由倾角传感器31和激光测距仪32组成。倾角传感器31激光测距仪32均安装在机身1上，分别用于测量采样点的倾角值及两电梯导轨之间的轨距，然后通过计算得到实际数值。为避免机器人运行振动带来的测量干扰，机器人采用周期性间歇运动设计，通过编程控制左、右步进电机来实现周期性间歇运动，并设计机器人运行的暂停时间为数据采样时间点。倾角传感器31和激光测距仪32所测得数据通过无线传输台42发送给上位机，并以图表形式进行直观显示；控制模块5采用单片机编程控制；驱动模块6采用前导向轮步进电机61和后导向轮步进电机62驱动机器人前后运动。

[0023] 本发明同时设计了机器人执行控制程序(参见图3)。该程序较为简单，本领域技术人员不经创造性劳动即容易给出具体程序。该程序包括如下步骤：

[0024] 步骤一：上位机通过无线上位机数传模块给予单片机初始化信号，初始化完成后，单片机分别给予步进电机和传感器启动信号；

[0025] 步骤二：机器人以周期间歇运动爬升电梯导轨，在机器人间歇时间段内，单片机给予传感器启动信号，开始采集数据，并将数据送回给单片机；

[0026] 步骤三：单片机通过机器人本体上的无线数传模块把数据再传给上位机的数传模块，所传数据通过上位机数据处理软件处理后，以图表形式显示；

[0027] 步骤四：工作人员通过图表来判断电梯导轨在采样点处所测的数据是否符 合国标要求。

[0028] 本发明机器人(1)通过永磁吸附轮的方式，实现了机器人沿电梯导轨的垂直爬升，减少其他物力损耗；(2)倾角传感器和激光测距仪的共同使用，实现电梯导轨垂直度和轨距的同时测量，提高了检测精度和效率。

[0029] 本发明机器人执行程序，能够实现对电梯导轨垂直度及轨距进行精确测量，并且在工作过程中如果遇到故障能够急停，并转换为手动控制，同时发出警报。 [0030] 本发明机器人的测量数据可通过传感器拾取、输出，并由微机对测量数据自动采集、分析和输出。工作过程及原理简述如下：

[0031] (1)在被检测电梯导轨的“侧工作面”和“顶工作面”上确定若干个检测点。检测点将N米长的导轨分成若干段，对每一段进行检测；

[0032] (2)逐一测量出各检测点在电梯导轨长度方向的位置坐标以及相邻两检测点之间的距离；

[0033] (3)逐一测量出各检测点相邻两点之间的连线和铅垂线的夹角； [0034] (4)用检测得到的“各检测点在导轨长度方向的位置坐标”、“各检测点相邻两点之间的连线和铅垂线的夹角”以及“相邻两检测点之间的距离”等数据，经数学计算、分析和整理，即得到被检测电梯导轨的垂直度误差数据及垂直度曲线图。

[0035] 本发明设计的机器人可以避免工作人员频繁接触条件恶劣的井道，保证了检测人员的安全。由经济学角度看，本发明可由机器人沿导轨由上而下自动运行一次即可完成检测，不用分层检测，同时也提高了电梯导轨规定距离的检测精度和工作效率，方便电梯安装时的检测和每年的维护工作，节省了大量的人力物力财力。

[0036] 本发明未述及之处适用于现有技术。