CN108036810A - 一种铁路隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂，包括承重基座、支撑台、直线电机、探测器托盘、超声波传感器、角度旋转器、激光传感器、转台、工控机、发电机、探测器和探地雷达，转台设置在承重基座上；支撑台安装在转台上；直线电机竖直安装在角度旋转器上；角度旋转器用于使直线电机在感应式智能机械臂前进方向一致的平面内绕角度旋转器旋转；两个激光传感器分别用于探测前方和后方障碍物；探测器托盘安装在直线电机的顶部；探测器安装在探测器托盘上，并通过电缆与探地雷达连接；超声波传感器安装在探测器托盘的前方；工控机和发电机通过供电线缆连接；直线电机与工控机通过通讯电缆连接。该装置有效提高了铁路隧道无损检测效率。

Description

一种铁路隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂
技术领域
本发明属于铁路工程无损检测技术领域，涉及一种铁路隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂。
背景技术
多年来，铁路隧道衬砌质量检测一般采用探地雷达法，该方法具有快速、无损、连续的优点，但目前该方法在作业安全和效率两方面存在不足：1)目前多是采用挖掘机或现场脚手架等方式支撑，人工站在挖掘机顶端手扶雷达天线，效率低、安全性差；2)近年来有些单位引入了液压支撑系统，提升了稳定性，但隧道中线与衬砌间距在不断变化、隧道内有大量横向布设的接触悬挂，要求支撑臂随时在升降和微调，而液压系统笨重、速度慢，严重影响检测效率。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种铁路隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂，包括承重基座、支撑台、直线电机、探测器托盘、超声波传感器、角度旋转器、两个激光传感器、转台、工控机、发电机、探测器和探地雷达，所述转台设置在所述承重基座上，能够进行360°旋转；所述支撑台安装在所述转台上，用于支撑所述角度旋转器；所述直线电机竖直安装在所述角度旋转器上；所述角度旋转器用于使所述直线电机在所述感应式智能机械臂前进方向一致的平面内绕所述角度旋转器旋转；两个所述激光传感器分别斜向前方和斜向后方安装在所述直线电机前端和后端，分别用于探测所述感应式智能机械臂前方和后方的障碍物；所述探测器托盘安装在所述直线电机的顶部；所述探测器安装在所述探测器托盘上，并通过通讯电缆与所述探地雷达连接；所述超声波传感器安装在所述探测器托盘的前方，用于控制所述探测器的顶端与衬砌的间距，并在所述工控机的控制下使该间距保持固定；所述工控机和发电机通过一供电线缆连接，在两个所述激光传感器探测到前方或后方的障碍物时，控制所述直线电机的下降或上升；所述直线电机与工控机通过一通讯电缆连接。
所述角度旋转器包括第一和第二支撑件、连接杆、旋转螺杆和连接件，所述第一和第二支撑件分别斜向前方和斜向后方倾斜固装在所述支撑台上；所述直线电机竖直安装，且其底端与所述第二支撑件的上端铰接；所述连接件的一端固装在所述直线电机的底部前侧，另一端向前方伸出；所述旋转螺杆可转动地安装在所述第一支撑件的上端，旋转螺杆的后端与所述连接件的前端铰接；所述连接杆的下端与所述连接件的前端固接，上端与直线电机的上部铰接。
优选的是，在所述角度旋转器的作用下，所述直线电机与水平方向的夹角为30°至90°。
优选的是，两个所述激光传感器均斜向上45°安装，所述超声波传感器垂直向上安装。
为了便于移动，所述承重基座固定在一卡车车厢上，随卡车沿隧道方向移动，所述工控机、发电机和探地雷达均放置在所述卡车车厢上。
本发明的铁路隧道衬砌无损检测用感应式智能机械臂通过车载方式进行工作，其主要实现两个功能：(1)使探地雷达天线与隧道衬砌间距保持恒定；(2)绕避隧道顶部的接触悬挂。具体为：
(1)通过直线电机顶端的超声波传感器来控制，实时感应探地雷达天线与隧道衬砌的距离，工控机实时监控并控制直线电机伸缩，使探地雷达天线与隧道衬砌间距保持恒定；
(2)当斜向前设置的激光传感器扫描切割到接触悬挂时，工控机控制直线电机下降，在车辆经过接触悬挂后，当后方激光传感器扫描切割到接触悬挂时，工控机控制直线电机上升，并通过天线前端的超声波传感器控制探地雷达天线与衬砌的距离。
上述感应式智能机械臂的工作方法包括如下步骤：
S1、系统安装：
将本发明首先将承重基座固定在卡车车厢上，将工控机、发电机和探地雷达放在旁边，然后将转台、支撑台、角度旋转器、直线电机、激光传感器和超声波传感器安装就位。两个激光传感器一个朝前、一个朝后，均斜向上45°安装；超声波传感器5垂直向上。最后，将工控机和发电机通过供电电缆连接，将工控机和直线电机通过通讯电缆连接，将探测器和探地雷达通过通讯电缆连接。
S2、传感器、工控机伺服：
在系统组建完成后，将载有机械臂的卡车开至火车平板车之上，启动发电机，将直线电机、工控机接入电源，传感器和工控机进入伺服状态。
S3、检测：
在各传感器、工控机进入伺服状态后，即可进行检测。在启动系统后，工控机控制直线电机上升，将探测器托盘升至铁路隧道衬砌附近，通过超声波传感器控制探测器顶端与衬砌的间距，该间距可以根据用户需要进行调节，且工控机可以控制该间距始终保持恒定，不受车与隧道衬砌间距离变化的影响，在探测器到达目标位置后，探地雷达(地质雷达)就可以进行车载式的无损检测工作。
S4、避障：
在探地雷达15进行车载式隧道衬砌检测过程中，机械臂会遇到接触网的悬挂结构，该悬挂结构主要是为了悬挂接触网线，在隧道内一般50米长度布置一根，与隧道走向垂直，本机械臂在车载式检测过程中，激光传感器和工控机全程伺服，当前端激光传感器斜向上扫描到接触网的悬挂结构时，工控机即控制直线电机快速下降。在本发明的一个实施例中，下降行程为1.6米，下降需时0.46秒。当后端激光传感器扫描到接触网的悬挂结构时，证明机车已经走到接触网悬挂结构的另一端，可以安全升起直线电机，此时，工控机控制直线电机将探测器上升至目的位置，继续进行探地雷达的检测工作。
在S1中，直线电机的倾角调节方法为：通过角度旋转器的旋转进行调节，角度旋转器顺时针旋转时可将机械臂调低，逆时针旋转时反之。角度旋转器可最小可调节至与水平线夹角为30°，最大为90°，即垂直状态。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用激光传感器感应、计算机软件控制，通过直线电机提供升降动能，升降快速，可自动绕避铁路隧道接触网悬挂，实现了探地雷达车载检测的不停车，有效提高了铁路隧道无损检测效率。同时，本发明利用超声波传感器控制探地雷达天线与衬砌的间距恒定，从而使探测数据质量大幅提高；且全程无需人工登高，全部为机械操作、自动化检测，有效降低了作业人员的安全风险。本发明可为铁路隧道衬砌及城市轨道交通检测、维修保养提供有力支撑。
附图说明
图1是本发明铁路隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂的结构示意图；
图2是本发明感应式智能机械臂的一种工作状态示意图。
其中：
1：承重基座 2：支撑台 3：直线电机 4：探测器托盘
5：超声波传感器 6：连接杆 7：角度旋转器 8：激光传感器
9：转台 10：工控机 11：发电机 12、16：通讯电缆
13：供电线缆 14：探测器 15：探地雷达
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的铁路隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂的结构进行详细说明。下述各实例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。
首先参见图1，本发明的隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂包括承重基座1、支撑台2、直线电机3、探测器托盘4、超声波传感器5、角度旋转器、两个激光传感器8、转台9、工控机10、发电机11、探测器14和探地雷达15。转台9设置在承重基座1上，能够进行360°旋转；支撑台2安装在转台9上，用于支撑角度旋转器；直线电机3竖直安装在角度旋转器上；所述角度旋转器用于使直线电机3在感应式智能机械臂前进方向一致的平面内绕所述角度旋转器旋转；两个所述激光传感器8分别斜向前方和斜向后方安装在直线电机3前端和后端，分别用于探测感应式智能机械臂前方和后方的障碍物；所述探测器托盘4安装在直线电机3的顶部；所述探测器14安装在探测器托盘4上，并通过通讯电缆与探地雷达15连接；所述超声波传感器5安装在探测器托盘4的前方，用于控制探测器14的顶端与衬砌的间距，并在工控机10的控制下使该间距保持固定；所述工控机10和发电机11通过供电线缆13连接，在两个激光传感器8探测到前方或后方的障碍物时，工控机10控制直线电机3的下降或上升；所述直线电机3与工控机10通过通讯电缆12连接。
所述角度旋转器包括第一和第二支撑件7b、7c、连接杆6、旋转螺杆7a和连接件7d，所述第一和第二支撑件7b、7c分别斜向前方和斜向后方倾斜固装在所述支撑台2上；所述直线电机3竖直安装，且其底端与所述第二支撑件7c的上端铰接；所述连接件7d的一端固装在所述直线电机3的底部前侧，另一端向前方伸出；所述旋转螺杆7a可转动地安装在所述第一支撑件7b的上端，旋转螺杆7a的后端与所述连接件7d的前端铰接；所述连接杆6的下端与所述连接件7d的前端固接，上端与直线电机3的上部铰接。
在角度旋转器的作用下，直线电机3与水平方向的夹角为30°至90°。为了便于移动，将承重基座固定在一卡车车厢上，随卡车沿隧道方向移动。工控机10、发电机11和探地雷达15均放置在卡车车厢上。
本发明的机械臂的设计思路为：
1、设置在车辆顶端，斜向前和斜向后扫描的两个激光传感器实时扫描前方障碍；
2、当前方激光扫描到有悬挂物时，伺服主机控制机械臂下降；
3、当后方激光扫描到有悬挂物时，主机控制机械臂上升，并通过天线前端的距离传感器控制天线与衬砌间距保持恒定，提高检测数据质量。
参见图2，实现上述思路的具体方法如下：
一种隧道衬砌无损检测用感应式智能机械臂的工作方法，包括以下步骤：
S1、系统安装：
将本发明首先将承重基座固定在卡车车厢上，将工控机、发电机和探地雷达放在旁边，然后将转台、支撑台、角度旋转器、直线电机、激光传感器和超声波传感器安装就位。两个激光传感器一个朝前、一个朝后，均斜向上45°安装；超声波传感器5垂直向上。最后，将工控机10和发电机11通过供电电缆13连接，将工控机10和直线电机3通过通讯电缆12连接，将探测器14和探地雷达15通过通讯电缆16连接。
S2、传感器、工控机伺服：
在系统组建完成后，将载有机械臂的卡车开至火车平板车之上，启动发电机11，将直线电机3、工控机10接入电源，传感器和工控机进入伺服状态。
S3、检测：
在各传感器、工控机进入伺服状态后，即可进行检测。在启动系统后，工控机10控制直线电机3上升，将探测器托盘4升至铁路隧道衬砌附近，通过超声波传感器5控制探测器顶端与衬砌的间距，该间距可以根据用户需要进行调节，且工控机10可以控制该间距始终保持恒定，不受车与隧道衬砌间距离变化的影响，在探测器14到达目标位置后，探地雷达(地质雷达)15就可以进行车载式的无损检测工作。
S4、避障：
在探地雷达15进行车载式隧道衬砌检测过程中，机械臂会遇到接触网的悬挂结构，该悬挂结构主要是为了悬挂接触网线，在隧道内一般50米长度布置一根，与隧道走向垂直，本机械臂在车载式检测过程中，激光传感器8和工控机10全程伺服，当前端激光传感器斜向上扫描到接触网的悬挂结构时，工控机10即控制直线电机3快速下降。在本发明的一个实施例中，下降行程为1.6米，下降需时0.46秒。当后端激光传感器扫描到接触网的悬挂结构时，证明机车已经走到接触网悬挂结构的另一端，可以安全升起直线电机3，此时，工控机10控制直线电机3将探测器14上升至目的位置，继续进行探地雷达15的检测工作。
在S1中，直线电机3的倾角调节方法为：通过角度旋转器7的旋转进行调节，角度旋转器7顺时针旋转时可将机械臂调低，逆时针旋转时反之。角度旋转器7可最小可调节至与水平线夹角为30°，最大为90°，即垂直状态。
在本发明中，所述探测器14为地质雷达天线。

Claims (5)

1.一种隧道衬砌无损检测用的感应式智能机械臂，其特征在于：包括承重基座(1)、支撑台(2)、直线电机(3)、探测器托盘(4)、超声波传感器(5)、角度旋转器(7)、两个激光传感器(8)、转台(9)、工控机(10)、发电机(11)、探测器(14)和探地雷达(15)，
所述转台(9)设置在所述承重基座(1)上，能够进行360°旋转；
所述支撑台(2)安装在所述转台(9)上，用于支撑所述角度旋转器；
所述直线电机(3)竖直安装在所述角度旋转器上；
所述角度旋转器用于使所述直线电机(3)在所述感应式智能机械臂前进方向一致的平面内绕所述角度旋转器旋转；
两个所述激光传感器(8)分别斜向前方和斜向后方安装在所述直线电机(3)前端和后端，分别用于探测所述感应式智能机械臂前方和后方的障碍物；
所述探测器托盘(4)安装在所述直线电机(3)的顶部；
所述探测器(14)安装在所述探测器托盘(4)上，并通过通讯电缆与所述探地雷达(15)连接；
所述超声波传感器(5)安装在所述探测器托盘(4)的前方，用于控制所述探测器(14)的顶端与衬砌的间距，并在所述工控机(10)的控制下使该间距保持固定；
所述工控机(10)和发电机(11)通过一供电线缆(13)连接，在两个所述激光传感器(8)探测到前方或后方的障碍物时，控制所述直线电机(3)的下降或上升；
所述直线电机(3)与工控机(10)通过一通讯电缆(12)连接。
2.根据权利要求1所述的感应式智能机械臂，其特征在于：所述角度旋转器(7)包括第一和第二支撑件(7b、7c)、连接杆(6)、旋转螺杆(7a)和连接件(7d)，所述第一和第二支撑件(7b、7c)分别斜向前方和斜向后方倾斜固装在所述支撑台(2)上；所述直线电机(3)竖直安装，且其底端与所述第二支撑件(7c)的上端铰接；所述连接件(7d)的一端固装在所述直线电机(3)的底部前侧，另一端向前方伸出；所述旋转螺杆(7a)可转动地安装在所述第一支撑件(7b)的上端，旋转螺杆(7a)的后端与所述连接件(7d)的前端铰接；所述连接杆(6)的下端与所述连接件(7d)的前端固接，上端与直线电机(3)的上部铰接。
3.根据权利要求1所述的感应式智能机械臂，其特征在于：在所述角度旋转器的作用下，所述直线电机(3)与水平方向的夹角为30°至90°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的感应式智能机械臂，其特征在于：两个所述激光传感器(8)均斜向上45°安装，所述超声波传感器(5)垂直向上安装。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的感应式智能机械臂，其特征在于：所述承重基座固定在一卡车车厢上，所述工控机(10)、发电机(11)和探地雷达(15)均放置在所述卡车车厢上。
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