CN109915211A - 一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人及其方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人及其方法。其中，公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，包括：机器人本体，所述机器人本体底部连接有行走部；所述行走部还与定位部相连，所述定位部用于实时检测机器人本体的位置并传送至信号处理部；所述机器人本体上还安装有机械臂，所述机械臂末端安装有感知部和养护部，所述感知部用于获取公路隧道预设区域的巡检数据并传送至信号处理部；所述养护部用于在信号处理部的控制作用下对公路隧道进行养护操作；所述信号处理部，还用于根据接收的机器人本体的位置以及公路隧道预设区域的巡检数据，构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息。
Description
技术领域
本公开属于机器人领域，尤其涉及一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人及其方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
现阶段的对公路运营隧道的运维管养处一直不受重视，导致隧道在长期的地下水、有毒气体等侵蚀作用下出现隧道衬砌的漏水、裂缝等影响隧道结构健康安全的病害。现阶段常用的公路隧道运维管理主要依靠人工静态巡检或辅助少量的巡检仪器开展动态巡检，但主要存在巡检效率低、工作环境安全隐患大、工作过程中占用路线时间长、影响隧道内的交通流等问题。
现阶段，国内外在隧道巡检机器人上开展了一些研究。发明人发现，申请号为201621262339.X，名称为“隧道智能挂轨机器人监控系统”的实用新型专利仅仅采用充电式挂轨行走方式完成隧道的监控盲点区域的巡视，并未对隧道的结构实现监测；申请号为201210347604.4，名称为“一种电力隧道内多功能智能化巡检机器人”主要完成对电力隧道的巡检，但电力隧道的与公路隧道的区别太大，且电力隧道内不需考虑对行驶车辆的影响等安全原因。同时，现阶段的智能巡检车在对隧道进行巡检时，无法开展隧道的智能化分析决策，对隧道的历史数据和信息无法加以利用，导致做出的智能化决策分析存在缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本公开的第一个方面提供一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其具有自行走能力，智能精确定位，自主对公路隧道预设区域进行巡检，数据实时交互功能，最终将采集的数据以及构建三维BIM可视化模型中所赋予的历史数据作为管养维修的资料进行智能化管养决策，实现公路隧道巡检与动态管养一体化。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，包括：
机器人本体，所述机器人本体底部连接有行走部；所述行走部还与定位部相连，所述定位部用于实时检测机器人本体的位置并传送至信号处理部；
所述机器人本体上还安装有机械臂，所述机械臂末端安装有感知部和养护部，所述感知部用于获取公路隧道预设区域的巡检数据并传送至信号处理部；所述养护部用于在信号处理部的控制作用下对公路隧道进行养护操作；
所述信号处理部，还用于根据接收的机器人本体的位置以及公路隧道预设区域的巡检数据，构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息。
为了解决上述问题，本公开的第二个方面提供一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人的工作方法，其具有自行走能力，智能精确定位，自主对公路隧道预设区域进行巡检，数据实时交互功能，最终将采集的数据以及构建三维BIM可视化模型中所赋予的历史数据作为管养维修的资料进行智能化管养决策，实现公路隧道巡检与动态管养一体化。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人的工作方法，包括：
实时检测机器人本体的位置；
获取公路隧道预设区域的巡检数据；
构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息，同时，对公路隧道进行养护操作。
本公开的有益效果是：
(1)本公开的公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，机器人本体底部连接有行走部；行走部还与定位部相连，机器人本体上还安装有机械臂，机械臂末端安装有感知部和养护部，利用感知部获取公路隧道预设区域的巡检数据并传送至信号处理部，养护部在信号处理部的控制作用下对公路隧道进行养护操作；信号处理部根据接收的机器人本体的位置以及公路隧道预设区域的巡检数据，构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息，使得整个机器人具有自行走能力，智能精确定位，自主对公路隧道预设区域进行巡检，数据实时交互功能，最终将采集的数据以及构建三维BIM可视化模型中所赋予的历史数据作为管养维修的资料进行智能化管养决策，实现公路隧道巡检与动态管养一体化。
(2)本公开的信号处理部对公路隧道全断面扫描后形成的图像进行智能拼接和图像的裂缝识别，以达到在公路隧道扫描过程中的一次性精细化定位检查。
(3)本公开针对小范围的隧道运营病害处，可操控隧道机器人实现裂缝修补、局部注浆等动态管养操作，从而避免病害的范围扩大。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例提供的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人结构示意图。
图2是本公开实施例提供的定位部结构示意图。
图3是本公开实施例提供的机器人本体结构示意图。
图4是本公开实施例提供的机械臂与工作平台连接结构示意图。
其中，1-隧道衬砌轮廓；2-隧道内电缆沟盖板及人行道；3-导轨；4-巡检车体；5-机械臂；6-工作平台；301-导轨槽；302-RFID定位卡；303-可伸缩臂；304-导轨垫片；401-行走轮；402-车体搭载平台；403-底部约束框架；404-搭载工作平台；405-支撑杆约束框架；406-机械臂承力轴；407-支撑杆；408-机械臂锚接平台；501-机械臂；502-转向轴；503-工作平台锚接端；601-伸缩杆件；602-LED灯源与CCD工业相机集成平台；603-地质雷达天线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
随着隧道建设运维的全寿命周期向数字化、智能化方向发展，对已建隧道合理的运维管养是保证隧道健康高效运营的基本保障。为了改善隧道巡检的工作方式，设计研发隧道巡检机器人一直是实现隧道智能化管养的手段之一，隧道巡检机器人在运维管养的工作中能高效的完成日常巡检工作，并基于机器人的功能设定完成一部分指定的工作。
BIM(Building Information Modeling)技术是一项以三维技术为基础的建筑信息模型，在勘察、设计、施工、运维的各个阶段都能将所采集的信息赋予隧道的BIM模型，依据模型数据可以对其进行全寿命周期的管理。BIM技术与现阶段隧道运维管理技术相比具有显著的优势，能弥补现阶段隧道运维管理中出现的工作碎片化、数据孤岛、数据冗余、可视化程度不高等缺陷。同时，基于BIM技术的管理平台具有非常强大的数据交换功能，为隧道巡检过程中的实时数据传递提供了可靠的数据接口。
为了解决现有隧道巡检机器人存在的缺陷，本公开了提供了一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人及其方法。
图1是本公开实施例提供的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人结构示意图。
本实施例的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，包括：
机器人本体，所述机器人本体底部连接有行走部；所述行走部还与定位部相连，所述定位部用于实时检测机器人本体的位置并传送至信号处理部；
所述机器人本体上还安装有机械臂，所述机械臂末端安装有感知部和养护部，所述感知部用于获取公路隧道预设区域的巡检数据并传送至信号处理部；所述养护部用于在信号处理部的控制作用下对公路隧道进行养护操作；
所述信号处理部，还用于根据接收的机器人本体的位置以及公路隧道预设区域的巡检数据，构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息。
如图1所示，本实施例的机器人本体采用巡检车4，巡检车4上搭载有机械臂5，机械臂5上搭载有工作平台6。
如图3所示，本实施例的行走部，包括：行走轮401，所述行走轮设置在机器人本体的下方，所述行走轮与驱动机构相连，所述驱动机构用于驱动行走轮运动；
行走轮401沿隧道内电缆沟盖板及人行道2行走，机械臂5上搭载的工作平台6对隧道衬砌轮廓1进行巡检及管养。
需要说明的是，行走部也可采用其他形式，比如履带结构。
如图2所示，所述定位部，包括RFID定位卡302，其埋设于导轨3内；导轨铺设于公路隧道内预设位置(例如：导轨位于隧道两侧拱腰处)；RFID读写器，其设置在行走轮上；所述RFID读写器用于与RFID定位卡之间进行信息读取和交换；
通过RFID读写器与RFID定位卡之间的信息读取和交换，实现隧道行进中的精准定位。
所述导轨3上设置有导轨槽301，所述导轨槽301内卡设有可伸缩臂303，所述可伸缩臂303可沿导轨槽301运动，所述RFID定位卡设置在可伸缩臂303的端部，该端部卡设在导轨槽301内；所述可伸缩臂303的另一端与机器人本体相连。
具体地，RFID定位卡302与可伸缩臂303之间还连接有导轨垫片304。
在本实施例中，三维BIM可视化模型实现病害数据的可视化，巡检报告以及公路隧道故障预警信息的生成，提高了隧道故障的预警及巡检数据的记录，最终将采集的数据以及构建三维BIM可视化模型中所赋予的历史数据作为管养维修的资料进行智能化管养决策，实现公路隧道巡检与动态管养一体化。
在本实施例中，机器人本体采用巡检车形式，其由承力杆件、保护框架构成车身整体，搭载平台上集成蓄电池组、无线信号传输器、数据存储器以及驱动制动装置。通过操控仪器控制车体的行进、数据的存储及数据与远程管理系统的交换。
如图3所示，巡检车包括车体搭载平台402，车体搭载平台402底部设有行走轮401，车体搭载平台402设置有约束框架403，约束框架403上设置有支撑杆约束框架405，支撑杆约束框架405用于约束支撑杆407，车体搭载平台402还设置有机械臂承力轴406，机械臂承力轴406与机械臂锚接平台408相连；机械臂承力轴406上还连接有工作平台404。
在本实施例中，机械臂通过锚接端固定于机器人本体上，通过信号处理部操作使工作平台定位于隧道拱顶、拱肩和拱脚测线处，实现运营期隧道沿线的贴附式整体探测。
可以理解的，机械臂也可通过其他连接方式(比如：卡接)固定于机器人本体上，本领域技术人员可根据具体情况来选择连接方式。
这样通过智能机械臂的锚接端进行固定，在智能机械臂的操控下到达指定测线，通过搭载的地质雷达天线实现对隧道的全断面的探测。
作为一种实施方式，所述感知部，包括：
图像扫描装置，其用于扫描公路隧道内的全断面图像信息；
地质雷达天线，其用于检测公路隧道内的地质结构信息。
作为一种实施方式，所述养护部，包括但不限于注浆装置和清洗装置。
注浆装置用于对公路隧道内的裂缝进行局部注浆操作；
清洗装置用于对公路隧道进行清洗操作。
其中，注浆装置和清洗装置均可采用现有结构来实现。
作为一种实施方式，所述信号处理部，还用于：
对公路隧道全断面扫描后形成的图像进行智能拼接和图像的裂缝识别，以达到在公路隧道扫描过程中的一次性精细化定位检查。
作为一种实施方式，所述感知部和养护部设置在工作平台上，如图4所示，所述工作平台6通过伸缩杆件601与工作平台锚接端503相连，所述工作平台锚接端503通过转向轴502与机械臂501末端相连。
需要说明的是，机械臂501上搭载不限于地质雷达天线603，还包括LED灯源与CCD工业相机集成平台602，比如LED光源与CDD工业相机集成的隧道衬砌表面的扫描系统，实现隧道衬砌的裂缝、渗漏水等病害的识别和定位。
作为一种实施方式，所述感知部和养护部均通过无线传输部与信号处理部相互通信。
需要说明的是，无线传输部可采用wifi模块或其他无线网络传输结构来实现。
在另一实施例中，还提供了一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人的工作方法，包括：
实时检测机器人本体的位置；
获取公路隧道预设区域的巡检数据；
构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息，同时，对公路隧道进行养护操作。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，包括：
机器人本体，所述机器人本体底部连接有行走部；所述行走部还与定位部相连，所述定位部用于实时检测机器人本体的位置并传送至信号处理部；
所述机器人本体上还安装有机械臂，所述机械臂末端安装有感知部和养护部，所述感知部用于获取公路隧道预设区域的巡检数据并传送至信号处理部；所述养护部用于在信号处理部的控制作用下对公路隧道进行养护操作；
所述信号处理部，还用于根据接收的机器人本体的位置以及公路隧道预设区域的巡检数据，构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息。
2.如权利要求1所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述行走部，包括：
行走轮，所述行走轮设置在机器人本体的下方，所述行走轮与驱动机构相连，所述驱动机构用于驱动行走轮运动。
3.如权利要求2所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述定位部，包括：
RFID定位卡，其埋设于导轨内；导轨铺设于公路隧道内预设位置；
RFID读写器，其设置在行走轮上；所述RFID读写器用于与RFID定位卡之间进行信息读取和交换。
4.如权利要求3所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述导轨上设置有导轨槽，所述导轨槽内卡设有可伸缩臂，所述可伸缩臂可沿导轨槽运动，所述RFID定位卡设置在可伸缩臂的端部，该端部卡设在导轨槽内；所述可伸缩臂的另一端与机器人本体相连。
5.如权利要求1所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述感知部，包括：
图像扫描装置，其用于扫描公路隧道内的全断面图像信息；
地质雷达天线，其用于检测公路隧道内的地质结构信息。
6.如权利要求1所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述养护部，包括：
注浆装置，其用于对公路隧道内的裂缝进行局部注浆操作；
或/和
清洗装置，其用于对公路隧道进行清洗操作。
7.如权利要求1所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述信号处理部，还用于：
对公路隧道全断面扫描后形成的图像进行智能拼接和图像的裂缝识别，以达到在公路隧道扫描过程中的一次性精细化定位检查。
8.如权利要求1所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述感知部和养护部设置在工作平台上，所述工作平台通过伸缩杆件与工作平台锚接端相连，所述工作平台锚接端通过转向轴与机械臂末端相连。
9.如权利要求1所述的一种公路隧道巡检与动态管养一体化机器人，其特征在于，所述感知部和养护部均通过无线传输部与信号处理部相互通信。
10.一种如权利要求1-8中任一项所述的公路隧道巡检与动态管养一体化机器人的工作方法，其特征在于，包括：
实时检测机器人本体的位置；
获取公路隧道预设区域的巡检数据；
构建三维BIM可视化模型、生成巡检报告以及生成公路隧道故障预警信息，同时，对公路隧道进行养护操作。
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