CN110454231A - 一种隧道安全预警机器人装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道安全预警机器人装置，该装置包括摄像头支撑座、激光雷达、雷达支架、摄像头底座、摄像头、三维激光扫描仪、天线支座、声光报警器、机器人外壳、连接杆、探水天线和行走履带；驱动系统采用锂电供电，放电电流大，并为各个车载设备提供动力电源；激光雷达用于实现机器人在隧道内的定位。三维激光扫描仪用于隧道围岩的监控量测。声光报警器为可能存在的安全隐患进行及时报警。探水天线用于实现隧道内的超前探水。机器人按要求到达预定位置启动车载检测仪器进行洞内人员定位；将各车载检测仪器归至一个控制系统内，根据设计及规范要求进行数据采集、分析、预警、报警。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道安全预警机器人装置，该机器人装置主要用于隧道挖掘施工过程中对隧道安全环境的自动巡检和安全预警。
背景技术
近年来，我国隧道及地下工程取得了世人瞩目的快速发展，已成为世界上隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的国家。其中的交通隧道、水工隧道的设计长度有了明显的增加，甚至某些项目己达世界之最。同时，隧道的设计断面也越来越大，出现了四车道的公路隧道和上千平方米的地下厂房。隧道及地下工程的勘测设计手段、地质预探预报的水平和施工机械化程度也有较大的提高。更可贵的是，工程环保意识的增强和安全保障措施的加大，以可靠的工程保障措施来造福人类并实现社会的可持续发展
隧道建设过程中，坍塌(包括大变形)、突涌(突泥、涌水)等灾害是最为常见的工程事故，约占各类重大地质灾害出现几率的90％以土。然而，坍塌等事故一旦发生，一方面造成工期延误、设备毁坏、投资增加等严重后果；另一方面对现场施工人员的生命安全构成巨大威胁。随着隧道建设的蓬勃发展，施工中所遇到的坍塌、突涌等事故越来越多，每年投入的治理费用呈逐年增加趋势。因此隧道工程界和学术界除了对坍塌、突涌等发生机理和防治问题开展大量研究外，还希望能通过安全巡检和管理来实现隧道风险事件的预测、预报和评价工作，将隧道施工中的风险水平控制在可接受范畴。
发明内容
本发明设计的机器人是具有自主导航、定位、避障、抓取样品物和按预定工作流程完成隧道施工安全巡检及预警的智能系统。
本发明采用的技术方案为一种隧道安全预警机器人装置，该装置包括摄像头支撑座1、激光雷达2、雷达支架3、摄像头底座4、摄像头5、三维激光扫描仪6、天线支座7、声光报警器8、机器人外壳9、连接杆10、探水天线11和行走履带12；
机器人外壳9的底部两侧安装有行走履带12，机器人外壳9内部安装有驱动系统和控制单元，驱动系统驱动行走履带12进而实现机器人外壳9的移动；机器人外壳9的顶部安装有摄像头支撑座1、雷达支架3、三维激光扫描仪6、天线支座7、声光报警器8和连接杆10；激光雷达2安装在雷达支架3的内部，摄像头底座4安装在雷达支架3的顶部，摄像头5安装在摄像头底座4的顶部；连接杆10为可折叠杆，连接杆10的一端固定在机器人外壳9的一侧，连接杆10的另一端安装有探水天线11。激光雷达2、摄像头5、三维激光扫描仪6、声光报警器8和探水天线11均与控制单元连接。
所述的连接杆10由竖直支撑杆和水平调节杆组成，竖直支撑杆固定在机器人外壳9上，水平调节杆的中间与竖直支撑杆的顶部销轴铰接连接，水平调节杆的一侧为调节杆，通过调节杆及销轴调节水平调节杆的另一侧安装的探水天线11高度。
机器人外壳9采用轻型塑钢型材制成；
驱动系统采用锂电供电，放电电流大，并为各个车载设备提供动力电源；
激光雷达2用于实现机器人在隧道内的定位。
三维激光扫描仪6用于隧道内的监控量测。
声光报警器8为可能存在的安全隐患进行及时报警。
探水天线11用于实现隧道内的超前探水。
其主要工作流程如下：
S1.远程启动，自动完成机器人系统及车载检测仪器自检，系统及车载检测仪器性能完好，则开往掌子面。
S2.开入掌子面启动车载检测仪器进行地质预测、水勘测及有害气体检测，(时间20分钟)，每100m进行一次预测。
S3.从掌子面向二衬移动，在规定监测断面处停止，自身稳定后，控制车载检测仪器采集隧道内断面数据、初期支护的内力监测数据，(每个监控断面10分钟)，频率2次/天。
S4.巡检机器人回至二衬完成段，启动车载检测仪器进行洞内人员定位，同时进行施工步距监测。(时间10分钟)。频率1次/天。
S5.车载的控制单元实时处理车载检测仪器传出的各种检测数据，并将结果与设定好的“红色、橙色、黄色”三种层次的预警值对比，达到预警指标后，启动车载警铃，并将报警数据相关信息自动发送相关单位及地面管理人员终端。
S6.巡检机器人从启动到完成一次监测时间不超过1小时(不包括前方地质预报)。
与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果。
1、机器人按要求到达隧道前方100m范围启动车载检测仪器进行地质预报；
2、机器人按要求到达隧道前方100m范围启动车载检测仪器进行水探测；
3、机器人按要求到达隧道预定断面启动车载检测仪器进行断面监测(变形、位移)；
4、机器人按要求发送实时定位信息，以确定施工步距；
5、机器人按要求到达预定位置启动车载检测仪器进行支护结构应力监测(应力、应变)；
6、机器人按要求到达预定位置启动车载检测仪器进行有害气体监测；
7、机器人按要求到达预定位置启动车载检测仪器进行洞内人员定位；
8、系统集成，将各车载检测仪器归至一个控制系统内，根据设计及规范要求进行数据采集、分析、预警、报警。
附图说明
图1是本机器人装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种隧道安全预警机器人装置，该装置包括摄像头支撑座1、激光雷达2、雷达支架3、摄像头底座4、摄像头5、三维激光扫描仪6、天线支座7、声光报警器8、机器人外壳9、连接杆10、探水天线11和行走履带12；
机器人外壳9的底部两侧安装有行走履带12，机器人外壳9内部安装有驱动系统和控制单元，驱动系统驱动行走履带12进而实现机器人外壳9的移动；机器人外壳9的顶部安装有摄像头支撑座1、雷达支架3、三维激光扫描仪6、天线支座7、声光报警器8和连接杆10；激光雷达2安装在雷达支架3的内部，摄像头底座4安装在雷达支架3的顶部，摄像头5安装在摄像头底座4的顶部；连接杆10为可折叠杆，连接杆10的一端固定在机器人外壳9的一侧，连接杆10的另一端安装有探水天线11。激光雷达2、摄像头5、三维激光扫描仪6、声光报警器8和探水天线11均与控制单元连接。
所述的连接杆10由竖直支撑杆和水平调节杆组成，竖直支撑杆固定在机器人外壳9上，水平调节杆的中间与竖直支撑杆的顶部销轴铰接连接，水平调节杆的一侧为调节杆，通过调节杆及销轴调节水平调节杆的另一侧安装的探水天线11高度。
机器人外壳9采用轻型塑钢型材制成；
驱动系统采用锂电供电，放电电流大，并为各个车载设备提供动力电源；
驱动系统的动力采用2000W直流无刷电机，配置驻车制动器，保证了整车的动力性能及驻车性能；驱动系统的减速机采用涡轮蜗杆减速机，承载能力强，效率高；
探水天线11为自动调节系统自动开闭顶棚自主导航、避障及定位。
悬挂系统采用克里斯蒂轮组，减震效果好；
设备上部为平面结构，方便工装布置。
实施例
本机器人的主要技术参数：
(1)设计尺寸：1020*750*405mm；
(2)底盘自重：95kg；
(3)负载重量：50kg；
(4)底盘高度：115mm；
(5)最大越障：150mm；
(6)防护等级：IP67；
(7)运行速度：0～10km/h
(8)最大爬坡：35度。
注：IP67为防护等级，6表示防尘等级(完全防止粉尘进入)，7表示防水等级(可于短时间内耐浸水【15cm～1m,半小时内】)。
履带式机器人移动平台具有独立的运动控制与动力系统，由自主导航、避障及定位系统通过专用接口进行运行控制。
系统设计有天线收拢结构，测量完成后收拢天线，以避免天线损伤；
控制方式采用独立控制器，采用开环坐标控制方案；天线调节系统控制器执行集成控制器的指令完成指定操作任务。
主体结构件采用轻型塑钢型材，保证足够刚度前提下减轻自身重量，并避免金属物体对探水天线的电磁效应而影响测量精度。
自动开闭顶棚要求具有一定的防尘防水功能，以保护车载设备和车载辅助装置，其开闭通过电机驱动，由机器人集成控制系统根据工作流程进行自动控制。
机器人自主导航、避障及定位系统：
机器人自主导航、避障及定位系统硬件主要由激光雷达(满足功能要求的国产雷达)、多轴陀螺仪、激光传感器组、机器视觉组件、导航模组、嵌入式控制器等构成，实现机器人在施工隧道内的陌生环境下自主导航、避障、建图、定位和环境学习等功能。
该系统配置了与机器人移动平台的专用接口，实现对平台的运行控制。该系统执行集成控制系统的控制指令，并反馈平台运动信息。
系统采用激光雷达、多轴陀螺仪、机器视觉组件和激光传感器组等多传感信息融合技术和深度学习技术，实现建图、定位、避障等功能，并为导航模组提供相关数据，实现机器人在未知或复杂环境下的自主导航。
机器人集成控制系统：
机器人集成控制系统是机器人的核心控制器，实现机器人各部分的协调控制和功能调度。同时完成与车载检测仪器的无人启动停止和集成控制的协调任务。
隧道施工安全巡检机器人主要功能描述如下：
1、在隧道掘进的过程中，机器人以给定的起点为基点，自动识别场景和路径，寻找可行通道，自动建图和修图，并将定位信息按要求通过无线网络发送至服务器；
2、根据巡检要求，控制车载检测设备完成测量任务，并收集相关数据通过无线网络发送至服务器；
3、根据车载检测设备的工艺要求，控制机械手完成必要的辅助操作；
4、对完成掘进的隧道部分，机器人根据已建好的地图，按预定周期自动进行巡检工作；
5、当系统电量不足时，机器人可自动返回充电站，由人工插电或由车载机械手插电。充电完成后，机器人将继续完成预定任务；
6、机器人具有一定的自诊断功能，可实现必要的报警和控制功能。
Claims (4)
1.一种隧道安全预警机器人装置，其特征在于：该装置包括摄像头支撑座(1)、激光雷达(2)、雷达支架(3)、摄像头底座(4)、摄像头(5)、三维激光扫描仪(6)、天线支座(7)、声光报警器(8)、机器人外壳(9)、连接杆(10)、探水天线(11)和行走履带(12)；
机器人外壳(9)的底部两侧安装有行走履带(12)，机器人外壳(9)内部安装有驱动系统和控制单元，驱动系统驱动行走履带(12)进而实现机器人外壳(9)的移动；机器人外壳(9)的顶部安装有摄像头支撑座(1)、雷达支架(3)、三维激光扫描仪(6)、天线支座(7)、声光报警器(8)和连接杆(10)；激光雷达(2)安装在雷达支架(3)的内部，摄像头底座(4)安装在雷达支架(3)的顶部，摄像头(5)安装在摄像头底座(4)的顶部；连接杆(10)为可折叠杆，连接杆(10)的一端固定在机器人外壳(9)的一侧，连接杆(10)的另一端安装有探水天线(11)；激光雷达(2)、摄像头(5)、三维激光扫描仪(6)、声光报警器(8)和探水天线(11)均与控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种隧道安全预警机器人装置，其特征在于：所述的连接杆(10)由竖直支撑杆和水平调节杆组成，竖直支撑杆固定在机器人外壳(9)上，水平调节杆的中间与竖直支撑杆的顶部销轴铰接连接，水平调节杆的一侧为调节杆，通过调节杆及销轴调节水平调节杆的另一侧安装的探水天线(11)高度。
3.根据权利要求1所述的一种隧道安全预警机器人装置，其特征在于：机器人外壳(9)采用轻型塑钢型材制成。
4.根据权利要求1所述的一种隧道安全预警机器人装置，其特征在于：驱动系统采用锂电供电。
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