CN107843486A - 一种基于弯沉仪的检测机器人系统 - Google Patents

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贺骥
杨辉
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Abstract

本发明公开了一种基于弯沉仪的检测机器人系统，包括移动平台、弯沉仪系统、智能控制系统及操作机构；操作机构与移动平台机械连接，所述弯沉仪系统通过操作机构与移动平台机械连接，所述智能控制系统部署于移动平台上，且所述智能控制系统与弯沉仪系统电气连接；所述弯沉仪系统包括液压系统、落锤系统、传感器及核心控制系统，所述液压系统、落锤系统、传感器分别与核心控制系统电气连接，所述核心控制系统与智能控制系统电气连接。该机器人系统工作可靠，效率高，完全替代了人工现场探测工作，保障工作人员人身安全，能够较好的适应恶劣的工作环境。

Description

一种基于弯沉仪的检测机器人系统
技术领域
本发明涉及一种检测系统，具体说是一种基于弯沉仪的检测机器人系统。
背景技术
弯沉仪检测系统是一种在路面养护管理方面使用到的设备，落锤式弯沉仪具 有无破损、测速快、精度高等优点，并很好地模拟了行车荷载作用，检测结果为弯沉盆数据，因此在国际上的应用也日益广泛。
落锤式弯沉仪主要是指重锤落下一定高度发生的冲击荷载的作用下，测定路基或路面表面所产生的瞬时变形，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉盆，并可由此反算路基路面各层材料的动态弹性模量，作为设计参数使用；所测结果也可用于评定道路承载能力，调查水泥混凝土路面的接缝的传力效果，识别水泥路面面板下的空洞等；适用于柔性沥青混凝土路面（AC），刚性水泥混凝土路面（PCC）或组合路面（AC/PCC）的弯沉测试，刚性路面可以是素混凝土路面、接缝混凝土路面、接缝钢筋混凝土路面或连续钢筋混凝土路面。
当前的落锤式弯沉仪多为手持式或将弯沉仪与装载车辆集成，上述结构对工作人员的经验要求非常高，而且检测的准确度比较低，检测效率低；即使弯沉仪与装载车辆集成后检测也不能实现高智能、高精准、高可靠性特点的精准定位及提高检测准确率及效率。
发明内容
为克服现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种基于弯沉仪的检测机器人系统，该系统不仅检测效率高，检测结果的准确度高，而且降低了工作人员的劳动强度，可有效保障工作人员的人身安全。
本发明由以下技术方案实现：
一种基于弯沉仪的检测机器人系统，包括移动平台、弯沉仪系统、智能控制系统及操作机构；操作机构与移动平台机械连接，所述弯沉仪系统通过操作机构与移动平台机械连接，所述智能控制系统部署于移动平台上，且所述智能控制系统与弯沉仪系统电气连接；所述弯沉仪系统包括液压系统、落锤系统、传感器及核心控制系统，所述液压系统、落锤系统、传感器分别与核心控制系统电气连接，所述核心控制系统与智能控制系统电气连接；移动平台用于支撑整个机器人系统，带动机器人系统整体运动的同时为整个机器人系统提供动力。
进一步的，所述移动平台包括动力系统、控制系统及电池模块；所述控制系统用于接收控制信号，控制动力系统运转；所述电池模块为检测机器人系统提供动力。
进一步的，所述动力系统由轮系，电机，驱动器，减速机和悬挂系统组成；轮系通过悬挂系统与移动平台本体连接，电机、驱动器以及减速机与轮系连接，控制系统通过驱动器控制电机运转，从而实现控制轮系的运动。
进一步的，所述移动平台是基于四麦克拉姆轮的全方位移动平台、四主轮驱动方式的移动平台或双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动平台的任一一种。
进一步的，所述操作机构为拖车机构，所述拖车机构和移动平台采用刚性或柔性连接。
进一步的，所述操作机构为丝杠导轨机构，所述弯沉仪系统部署于移动平台内部，所述弯沉仪系统通过丝杠导轨机构实现上升与下降。
进一步的，所述操作机构为多自由度旋转伸缩的机械臂系统，所述弯沉仪系统与机械臂系统末端固定连接。
进一步的，所述智能控制系统包括定位导航模块、避障模块、核心控制模块、环境监控模块、无线通讯模块；所述定位导航模块、避障模块、环境监控模块、无线通讯模块分别与核心控制模块电连接。
进一步的，定位导航模块由差分GPS系统、里程计、陀螺仪组成，差分GPS系统又包括GPS基站和标定装置；避障模块由两台或多台激光雷达组成，安装在检测机器人系统的前后部；核心控制模块由工控机、PLC或嵌入式控制板模块组成，负责协调处理各个模块的工作，获取和传输数据，进行路径规划和决策，控制移动平台、弯沉仪系统运动；环境监控模块由多个监控摄像头及视频服务器组成，负责拍摄机器人周围的环境视频；无线通讯模块用于接收无线连接信号，并进行数传和图传。
进一步的，还包括远程遥控装置，远程遥控装置向智能控制系统发送控制信号，控制机器人系统的移动和工作状态，并远距离观察检测结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明用于路面回弹弯沉值测定，以评价路面的整体强度。该机器人系统工作可靠，效率高，完全替代了人工现场探测工作，保障工作人员人身安全，能够较好的适应恶劣的工作环境。
本发明可采用一拖一带式，集成式，机械臂式等多种形式的机器人检测系统，可以根据具体的检测环境和检测要求，选择不同形式的机器人系统，灵活多样。
附图说明
图1为本发明的移动平台底部示意图。
图2为本发明基于麦克纳姆轮的移动平台示意图。
图3为本发明基于四主轮驱动方式的移动平台示意图。
图4为本发明基于双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动平台示意图。
图5为本发明的弯沉仪系统的结构示意图
图6为本发明的第一种实施例的示意图。
图7为本发明的第二种实施例的示意图。
图8为本发明的丝杠导轨机构示意图。
图9为本发明的第三种实施例的示意图。
图10为本发明的智能控制系统逻辑组成及连接框图。
图11为本发明的远程遥控装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，移动平台是机器人系统的本体支撑，带动机器人整体运动。移动平台由动力系统、控制系统及电池模块组成，控制系统接收智能控制系统的控制信号，控制动力系统运转；电池模块为机器人整体提供动力。所述动力系统包括轮系、电机减速器、独立悬挂、驱动器等。
移动平台在本专利提供三种方案，但不限于下列这三种方式：
如图2所示，采用基于麦克纳姆轮的全方位移动平台，使用该种底盘，移动速度不大于5km/h，爬坡能力可以实现5°，可以全方位移动，灵活、平稳。
如图3所示，采用四主轮驱动方式的移动平台，四轮均可分别实现驱动和转向，运转灵活，可适应不同地面的检测。
如图4所示，采用双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动底盘，使用该种底盘，四辅助小轮独立悬挂、平稳，承载能力强。
如图5所示，弯沉仪系统与移动平台机械连接，智能控制系统与弯沉仪系统的核心控制系统电气连接，智能控制系统发出指令通过核心控制系统控制弯沉仪系统中液压系统，从而控制弯沉仪系统的落锤系统工作，而弯沉仪系统的各传感器监测的数据传回到核心控制系统，由核心控制系统进行数据处理，并回传到智能控制系统；操作人员也可以通过背负式手提箱遥控器远距离观察检测结果，并通过与智能控制系统远程通信，从而控制操作机构、弯沉仪系统的运动。
本专利提供三种弯沉仪系统方案，但不限于下列这三种方式：
如图6所示，采用一拖一带的模式，采用拖车机构，所述拖车机构即弯沉仪系统自带底盘轮系，弯沉仪系统与移动平台连接，可以采用刚性连接，也可以采用柔性连接，并由移动平台提供动力拖带弯沉仪系统工作。
如图7所示，采用集成模式，弯沉仪系统放置于移动平台内部，检测时弯沉仪系统通过丝杠导轨机构下落与地面接触；检测完成后，丝杠导轨机构提升弯沉仪系统至移动平台内部。
如图8所示，丝杠导轨机构由电机、减速器、链轮、链条、梯型丝杠、丝杠螺母，提升平台、机架组成；机架固定在移动平台上，电机及减速器带动梯型丝杠转动，丝杠带动其上附着的链轮旋转，链轮通过链条带动其他三个链轮同时转动，每个链轮带动自身对应的梯型丝杠转动；梯型丝杠带动提升平台上的丝杠螺母向上转动，从而实现对搭载平台的向上提升，最终解决检测仪的升降问题。
如图9所示，采用多自由度旋转、伸缩机械臂抓取模式，弯沉仪系统放置于移动平台上，检测时机械臂展开，提起弯沉仪系统放置在指定位置；停止检测后，机械臂提起弯沉仪系统回放在移动平台上，机械臂收回。
如图10所示，智能控制系统安装在移动平台上，包括定位导航模块、避障模块、核心控制模块、环境监控模块、无线通讯模块；定位导航模块、避障模块、环境监控模块、无线通讯模块分别与核心控制模块电连接。
定位导航模块由差分GPS系统、里程计、陀螺仪组成，差分GPS系统又包括GPS基站和标定装置；工作时，将GPS基站放置在固定位置保持不动，通过标定装置取两个或多个固定点坐标，即可获得较为精确的位置信息，将GPS位置与里程计、陀螺仪进行数据融合，可获得更为精确的位置和姿态数据；定位导航模块获得的是GPS绝对位置，可直接与实际地图结合，在实际地图上标注出需要检测的位置发送给机器人核心控制模块进行路径规划，核心控制模块控制移动平台和弯沉仪系统执行检测工作。
避障模块由两台或多台激光雷达组成，安装在机器人的前后部，每台激光雷达覆盖至少180度的范围，合起来覆盖了机器人各个方向的角度，避障模块探测高于50cm的物体，如遇到障碍物，机器人会停下并寻路绕过。
核心控制模块是整个机器人的大脑，可以由工控机、PLC或嵌入式控制板等模块组成，负责协调处理各个模块的工作，获取和传输数据，进行路径规划和决策，控制移动平台、落锤系统以及机械臂运动。
环境监控模块由多个监控摄像头及视频服务器组成，负责拍摄机器人周围的环境视频，回传到远程控制端。
无线通讯模块与远程遥控装置建立无线连接，并进行数传和图传。
相机拍摄的视频图像信息以及核心控制模块收集的各传感器信息通过远程通讯模块发送给远程遥控装置显示；同时，操作人员也可操作远程遥控装置，通过远程通讯模块给核心控制模块发送控制指令；定位导航模块输出的位姿数据发送给核心控制模块，运行在核心控制模块中的自动导航和路径规划算法根据位姿计算移动底盘的运动速度与方向校正。避障模块将激光雷达扫描的距离数据发送给核心控制模块进行避障决策。
如图11所示，远程遥控装置可以是远程遥控装置，远程遥控装置由人机交互模块及显示模块组成，人机交互模块包含多个三轴工业手柄、按钮、旋钮、指示灯，操作人员可以通过人机交互模块给机器人系统发送指令控制计机器人系统执行动作，还可以通过远程通讯模块与背负式手提箱遥控器进行数传和图传通信，获得机器人的工作状态、错误信息、检测数据及多个相机拍摄的视频；显示模块由一个工业显示器组成，可以显示弯沉测试结果和机器人各模块的详细工作状态。
本发明还公开一种机器人系统检测路面回弹弯沉值流程：
S1：操作人员通过远程遥控装置，遥控机器人移动至工作区附近，定位导航模块获得GPS绝对位置并在控制软件界面的地图上定位；
S2：操作人员利用背负式手提箱遥控器采集三个点（原点，x，y），建立坐标系，为机器人设定工作区域；
S3：机器人的核心控制模块根据建立的坐标系，通过路径规划算法对工作区域进行自主路径规划；
S4：通过远程遥控装置把机器人切换至自动控制模式，机器人自动行至坐标系原点，开始沿规划路径检测，智能控制系统控制机器人每隔0.5-10m停下，控制弯沉仪系统落锤，传感器采集路面回弹弯沉值，并通过监控摄像头采集路况环境信息，采集的信息储存于机器人的工控机硬盘上，同时工控机通过数据处理算法对检测数据进行分析；
S5：通过远程通讯系统将探测数据及监控摄像头采集的视频信息以及数据分析结果回传到远程遥控装置，以便于操作人员远距离观察检测结果，分析结果以及机器人环境监控。操作人员也可以通过远程遥控装置把机器人切换至手动控制模式，来实时控制操作机构、弯沉仪系统的运动；
S6：如果机器人避障模块发现障碍物，机器人停下并试图绕过，如障碍无法绕过，可用远程遥控装置把机器人切换至手动控制模式，由操作人员手动遥控绕过障碍后，机器人继续沿规划路径检测。
S7：工作区域检测完成后，机器人自动停止，用远程遥控装置把机器人切换至手动控制模式，移动到下一检测区域继续检测。
上述自动导航、路径规划、数据处理算法中：
路径规划算法：首先根据划定的坐标系，划分出矩形区域，然后在矩形工作区域内设定“弓”字型的工作路径并找到一系列关键点，利用速度前馈结合位置反馈，机器人实现点到点的移动。
自动导航算法：标线定位模块由差分GPS系统、里程计、陀螺仪组成，差分GPS系统又包括GPS基站和标定装置。工作时，将GPS基站放置在固定位置保持不动，通过标定装置取两个或多个固定点坐标，即可获得较为精确的位置信息，将GPS位置与里程计、陀螺仪进行数据融合，可获得更为精确的位置和姿态数据。
数据处理算法：采集后的数据，弯沉仪系统自身进行数据处理，然后结合差值算法将最终的数据显示在远程遥控装置的显示屏上，供操作人员监测。
对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：包括移动平台、弯沉仪系统、智能控制系统及操作机构；操作机构与移动平台机械连接，所述弯沉仪系统通过操作机构与移动平台机械连接，所述智能控制系统部署于移动平台上，且所述智能控制系统与弯沉仪系统电气连接；所述弯沉仪系统包括液压系统、落锤系统、传感器及核心控制系统，所述液压系统、落锤系统、传感器分别与核心控制系统电气连接，所述核心控制系统与智能控制系统电气连接；移动平台用于支撑整个机器人系统，带动机器人系统整体运动的同时为整个机器人系统提供动力。
2.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述移动平台包括动力系统、控制系统及电池模块；所述控制系统用于接收控制信号，控制动力系统运转；所述电池模块为检测机器人系统提供动力。
3.根据权利要求2所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述动力系统由轮系，电机，驱动器，减速机和悬挂系统组成；轮系通过悬挂系统与移动平台本体连接，电机、驱动器以及减速机与轮系连接，控制系统通过驱动器控制电机运转，从而实现控制轮系的运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述移动平台是基于四麦克拉姆轮的全方位移动平台、四主轮驱动方式的移动平台或双主轮、四辅助轮的双轮驱动方式的移动平台的任一一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述操作机构为拖车机构，所述拖车机构和移动平台采用刚性或柔性连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述操作机构为丝杠导轨机构，所述弯沉仪系统部署于移动平台内部，所述弯沉仪系统通过丝杠导轨机构实现上升与下降。
7.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述操作机构为多自由度旋转伸缩的机械臂系统，所述弯沉仪系统与机械臂系统末端固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：所述智能控制系统包括定位导航模块、避障模块、核心控制模块、环境监控模块、无线通讯模块；所述定位导航模块、避障模块、环境监控模块、无线通讯模块分别与核心控制模块电连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：定位导航模块由差分GPS系统、里程计、陀螺仪组成，差分GPS系统又包括GPS基站和标定装置；避障模块由两台或多台激光雷达组成，安装在检测机器人系统的前后部；核心控制模块由工控机、PLC或嵌入式控制板模块组成，负责协调处理各个模块的工作，获取和传输数据，进行路径规划和决策，控制移动平台、弯沉仪系统运动；环境监控模块由多个监控摄像头及视频服务器组成，负责拍摄机器人周围的环境视频；无线通讯模块用于接收无线连接信号，并进行数传和图传。
10.根据权利要求1所述的一种基于弯沉仪的检测机器人系统，其特征在于：还包括远程遥控装置，远程遥控装置向智能控制系统发送控制信号，控制机器人系统的移动和工作状态，并远距离观察检测结果。
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