CN111622098B - 桥涵损伤检测机器人及其操作方法 - Google Patents

桥涵损伤检测机器人及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了桥涵损伤检测机器人，包括车体和前履带行走机构、后行走机构和设置在车体内部的控制器以及与控制器连接的检测装置，还包括分别与控制器连接的无线通讯模块和设置在车体前方的摄像头；前履带行走机构包括前主动轮、前从动轮、前张紧轮和前履带，前履带行走机构可在电机的驱动下绕前履带行走机构与车体的连接轴整体旋转，或改变从动轮的相对主动轮的位置即改变履带的形状，以越过不同的障碍物；车体两侧的前主动轮分别由不同的行走电机驱动，前主动轮转动时拨动履带使得车体行走；控制器控制车体的行走、转向以及前履带行走机构的旋转或变形。本发明的检测机器人越障能力强，通过性好，能适应桥涵巡检的各种地形。

Description

桥涵损伤检测机器人及其操作方法
技术领域
本发明属于桥梁监测领域，具体涉及桥涵损伤检测机器人及损伤检测方法。
背景技术
公路建设中，免不了跨越沟渠和行人、车辆通道，为了不妨碍交通，修筑于路面下的跨线涵洞及小桥，用于跨越天然沟谷洼地排泄洪水，或横跨大小道路作为人、畜和车辆的立交通道。随着交通量的不断增加，大型、超载运输车辆的增多，桥涵避免不了受到自然灾害如地震、洪水、泥石流或外力撞击如车辆船只冲撞，其结构会受到破坏，按照《公路桥梁养护规范》(JTG H11-2004)的规定，小桥涵的检查与检测应包括经常性检查、定期检测，尤其是一些需要长期监测的特殊小桥和涵洞，桥涵主体结构一旦出现裂缝，露筋腐蚀渗水等病害，都会降低结构的耐久性，直接导致桥梁和涵洞的使用寿命降低。
在面对地形复杂的小桥涵，尤其是地质灾害频发的山区，桥涵架设的地方往往受到地势影响，巡检难度加大，检测人员很难深入到杂草丛生和障碍较多的桥体和涵洞内部。这种情况下，传统的检测方式难以应对，例如：1.人工巡检：复杂的地形环境不仅会影响到检测人员的生命安全，还容易使检测人员产生厌烦情绪，不利于工作的展开，特别在极端天气下，危险度和困难性大大提高，误检漏检等事件频繁发生，对于一些排水涵洞，低洼地带或地理环境危险的地区，检测人员更是无法进入；2.桥检车法：该方法利用桁架式桥检车法可以为检测人员提供一个可靠的作业平台，提升检测效率，但是桥检车整机结构过于庞大，无法进入到小桥和涵洞内部，适应性受到限制，检测人员容易发生高空坠落等危险；3.无人机法：近年来已广泛应用于桥梁的检测，检测人员通过操控无人机，对桥梁进行检测，但受到续航能力，信号干扰，操作难度大等问题，无法深入到空间窄小的小桥和涵洞内部，且仅限于拍摄病害照片，无法对病害部位进行标记；4.巡检机器人：机器人小巧的机身虽然便于进入到小桥涵内部，但是结构简单，携带设备有限，越障方式单一，在翻越障碍时动力不足，这将大大减弱其越障能力，无法越过较大的障碍，多以绕行的方式代替越障，很难潜入到地势复杂的环境当中，适应能力差，效率低。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种桥涵损伤检测机器人，桥涵损伤检测机器人的前履带行走机构能够主动调整履带的形状以翻越体积大的障碍物或整体旋转履带行走机构以改变与地面的角度，以提高检测机器人的越障能力和通过能力，增强检测机器人对不同地形的适应性。
本发明的技术方案是桥涵损伤检测机器人，包括车体和分别设置在车体两侧的前履带行走机构、后行走机构和设置在车体内部的控制器以及与控制器连接的检测装置，还包括分别与控制器连接的无线通讯模块和设置在车体前方的摄像头。
前履带行走机构包括前主动轮、前从动轮、张紧轮和前履带，前履带行走机构可在电机的驱动下整体旋转，或改变前履带的形状，以越过不同的障碍物；车体两侧的前主动轮分别由不同的电机驱动，前主动轮转动时拨动前履带使得车体行走；控制器控制车体的行走、转向以及前履带行走机构的旋转或变形。
进一步地，检测装置包括设置在车体顶部的与控制器连接的三维激光扫描仪。
优选地，桥涵损伤检测机器人还包括设置在车体顶部的缺陷标记部件，缺陷标记部件的标记喷头设置在伸缩杆顶部，伸缩杆的基座与车体固定连接，标记喷头的控制端、伸缩杆的控制端分别与控制器连接。
进一步地，检测装置还包括设置在车顶的三轴稳定台上的高清相机，高清相机经数据总线与控制器连接。
进一步地，前履带行走机构还包括与主动轮固定连接的制动盘以及与制动盘配合的制动钳，用于桥涵损伤检测机器人的减速行走或将检测机器人停在指定地点，制动钳的控制端与控制器连接。
优选地，后行走机构包括后履带、后主动轮、张紧轮、轴心与车体固定连接的后从动轮，张紧轮的轴心经张紧伸缩杆与后行走机构底部的后从动轮的轴心连接，后主动轮由电机驱动。
优选地，所述前履带行走机构包括前主动轮、轴心与车体连接的前从动轮和可变从动轮，可变从动轮的轴心经曲柄与车体连接，曲柄在升降器的作用下绕曲柄与车体的铰接端转动，升高或降低可变从动轮的轴心位置，改变前履带的形状，以越过障碍物或适应不同的地形。
作为前履带行走机构可替代的方案，所述前履带行走机构包括前主动轮、前从动轮和前张紧轮，前张紧轮的轴心与轮毂架连接，前从动轮的轴心经张紧伸缩杆与前张紧轮的轴心连接；轮毂架顶端经中空的旋转轴与车体连接，在伺服电机的驱动下，轮毂架绕前主动轮的轴心旋转，改变前履带行走机构与地面的角度。
上述的桥涵损伤检测机器人的操作方法，包括以下步骤，
步骤1：利用手持设备与桥涵损伤检测机器人的无线通讯模块建立无线通讯连接，对桥涵损伤检测机器人进行调试，确保行走机构、无线通讯模块、摄像头、检测装置正常工作；
步骤2：控制检测机器人向待检测的桥体的下部或待检测的涵洞的内部行走；控制前履带行走机构整体旋转或改变前履带行走机构的履带的形状，增强行走时的越障通过能力或适应行走的地形；
步骤3：控制检测机器人到达待检测的桥涵的指定位置，启用检测装置，获取桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像；
步骤4：将桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像通过检测机器人的无线通讯模块传送到桥涵监测管理中心，以便对桥涵病害进行进一步分析或存档；
步骤5：控制检测机器人行走到桥涵缺陷部位，将高清相机对准桥涵缺陷部位采集高清图像，并利用缺陷标记部件对桥涵病害进行标记，便于桥梁管理养护人员准确定位桥涵病害的具体位置。
相比现有技术，本发明的有益效果：
1）本发明的检测机器人相比现有的桥涵巡检机器人，越障能力更强，通过性好，能适应桥涵巡检的各种地形，解决了杂草密布、地势危险的的小桥和涵洞无法进行巡检的问题；
2）本发明的检测机器人能对检测出的桥涵缺陷部位进行标记，便于桥梁管理养护人员准确定位桥涵病害的具体位置；
3）本发明的检测机器人的三维激光扫描仪有利于对桥梁或涵洞进行整体扫描，形成热影成像图，便于通过热影成像图高效地识别出桥涵缺陷，避免桥涵缺陷的漏检；
4）本发明的检测机器人的制动盘、制动钳，增强了检测机器人对陡坡等地形的适应能力，降低检测装置因意外碰撞而损坏的风险；
5）本发明的检测机器人与传统的机械臂法、无人机相比较，不受桥面横坡、洞内障碍物、涵洞净空等不利外界因素的影响，实用性更好。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为实施例一的桥涵损伤检测机器人的侧视图。
图2为实施例一的桥涵损伤检测机器人的斜视图。
图3为实施例一的桥涵损伤检测机器人的俯视图。
图4为实施例一的桥涵损伤检测机器人的前履带变形示意图。
图5为实施例二的桥涵损伤检测机器人的结构示意图。
图6为实施例二的桥涵损伤检测机器人的前履带整体旋转示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1-3所示，桥涵损伤检测机器人，包括车体1和分别设置在车体两侧的前履带行走机构2、后行走机构3和设置在车体内部的控制器4以及与控制器连接的检测装置5，还包括分别与控制器连接的无线通讯模块7、设置在车体前方的摄像头6和设置在车体顶部的缺陷标记部件8，缺陷标记部件的标记喷头801设置在伸缩杆802的顶部，伸缩杆802的基座与车体固定连接，标记喷头801的控制端、伸缩杆802的控制端分别与控制器连接。
前履带行走机构2包括设置在车头方向的可改变轴心相对位置的可变从动轮205、前主动轮201、2个前张紧轮203和前履带204；底部的从动轮202的轴心与车体1连接，2个前张紧轮203分别设置在前从动轮202的前、后侧，前张紧轮203的轴心分别经张紧伸缩杆208与前从动轮202的轴心连接；前履带行走机构2还包括与前主动轮201固定连接的制动盘209以及与制动盘配合的制动钳210，制动钳210的控制端与控制器连接。如图3所示，前主动轮201经前驱动轴211与主电机9的转轴连接。
可变从动轮205的轴心经曲柄206与车体连接，曲柄206在升降器207的作用下绕曲柄与车体的铰接端转动，升高或降低可变从动轮205的轴心位置，改变前履带的形状，以越过障碍物或适应不同的地形。升降器207的升降端设有推杆213，曲柄206设有与推杆213配合的弧形卡口212。升降器207的升降端的一侧设有电磁限位器214，电磁限位器214经继电器与控制器4连接。实施的升降器207为液压升降器，升降器207的控制端与控制器4连接。
如图4所示，检测机器人遇到大障碍物时，升降器207的升降端向上升起，推杆213推动曲柄206逆时针旋转，可变从动轮205的轴心上移，使得前履带的接近障碍物的部分与地面的夹角变大，以顺利攀越障碍物。前履带行走机构2的前履带变形完成后，控制器4控制电磁限位器214通电，将升降器207的升降端限位固定，以保持前履带形状不变。
车体两侧的前履带行走机构2的前主动轮201分别由不同的主电机9驱动，前主动轮201转动时拨动前履带204使得车体行走；控制器4控制车体的行走、转向以及前履带行走机构的旋转或变形。
后行走机构3包括后履带、后主动轮301、2个轴心分别与车体固定连接的后从动轮302，底部的后从动轮302的前、后侧分别设有张紧轮，张紧轮的轴心经张紧伸缩杆与底部的后从动轮302的轴心固定连接。后主动轮301经后驱动轴303与主电机9的转轴连接，后主动轮301与前主动轮201同步运转。
检测装置5包括设置在车体顶部的与控制器连接的三维激光扫描仪501以及设置在车顶的三轴稳定台503上的高清CCD相机502，高清CCD相机502经数据总线与控制器连接。
上述的桥涵损伤检测机器人的操作方法，包括以下步骤，
步骤1：利用手持设备与桥涵损伤检测机器人的无线通讯模块建立无线通讯连接，对桥涵损伤检测机器人进行调试，确保行走机构、无线通讯模块、摄像头、检测装置正常工作；
步骤2：控制检测机器人向待检测的桥体的下部或待检测的涵洞的内部行走；控制前履带行走机构整体旋转或改变前履带行走机构的履带的形状，增强行走时的越障通过能力或适应行走的地形；
步骤3：控制检测机器人到达待检测的桥涵的指定位置，启用检测装置，获取桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像；
步骤4：将桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像通过检测机器人的无线通讯模块传送到桥涵监测管理中心，以便对桥涵病害进行进一步分析或存档；
步骤5：控制检测机器人行走到桥涵缺陷部位，将高清相机对准桥涵缺陷部位采集高清图像，并利用缺陷标记部件对桥涵病害进行标记，便于桥梁管理养护人员准确定位桥涵病害的具体位置。
实施例二
如图5所示，桥涵损伤检测机器人，包括车体1和分别设置在车体两侧的前履带行走机构2、后行走机构3和设置在车体内部的控制器4以及与控制器连接的检测装置5，还包括分别与控制器连接的无线通讯模块7、设置在车体前方的摄像头6和设置在车体顶部的缺陷标记部件8，缺陷标记部件的标记喷头801设置在伸缩杆802的顶部，伸缩杆802的基座与车体固定连接，标记喷头801的控制端、伸缩杆802的控制端分别与控制器4连接。
前履带行走机构2包括前主动轮201、前从动轮202和2个前张紧轮203，2个前张紧轮203分别设置在前从动轮202的前、后侧，前张紧轮203的轴心分别经张紧伸缩杆208与前从动轮202的轴心连接；2个前张紧轮203的轴心分别与轮毂架215连接；轮毂架215的前主动轮的端部与中空的旋转轴216固定连接，旋转轴216与伺服电机的转轴连接，伺服电机的控制端与控制器连接。
如图6所示，检测机器人遇到大障碍物时，轮毂架215在伺服电机的驱动下，绕前主动轮201的轴心旋转即前履带行走机构2整体逆时针旋转，使得接近障碍物的履带段离地，增强检测机器人的越障能力。
车体两侧的前履带行走机构2的前主动轮201分别由不同的主电机9驱动，前主动轮201转动时拨动前履带204使得车体行走；控制器4控制车体的行走、转向以及前履带行走机构的旋转或变形。
后行走机构3包括后履带、后主动轮301、2个轴心分别与车体固定连接的后从动轮302，底部的后从动轮302的前、后侧分别设有张紧轮，张紧轮的轴心经张紧伸缩杆与底部的后从动轮302的轴心固定连接。后主动轮301经后驱动轴303与主电机9的转轴连接，后主动轮301与前主动轮201同步运转。
检测装置5包括设置在车体顶部的与控制器连接的三维激光扫描仪501以及设置在车顶的三轴稳定台503上的高清CCD相机502，高清CCD相机502经数据总线与控制器连接。
上述的桥涵损伤检测机器人的操作方法，包括以下步骤，
步骤1：利用手持设备与桥涵损伤检测机器人的无线通讯模块建立无线通讯连接，对桥涵损伤检测机器人进行调试，确保行走机构、无线通讯模块、摄像头、检测装置正常工作；
步骤2：控制检测机器人向待检测的桥体的下部或待检测的涵洞的内部行走；控制前履带行走机构整体旋转或改变前履带行走机构的履带的形状，增强行走时的越障通过能力或适应行走的地形；
步骤3：控制检测机器人到达待检测的桥涵的指定位置，启用检测装置，获取桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像；
步骤4：将桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像通过检测机器人的无线通讯模块传送到桥涵监测管理中心，以便对桥涵病害进行进一步分析或存档；
步骤5：控制检测机器人行走到桥涵缺陷部位，利用缺陷标记部件对桥涵病害进行标记，便于桥梁管理养护人员准确定位桥涵病害的具体位置。

Claims (6)

1.桥涵损伤检测机器人，其特征在于，包括车体（1）、分别设置在车体两侧的行走机构和设置在车体内部的控制器（4）以及与控制器连接的检测装置（5），还包括分别与控制器连接的无线通讯模块（7）和设置在车体前方的摄像头（6）；
行走机构包括前履带行走机构（2）和后行走机构（3）；
前履带行走机构（2）包括前主动轮（201）、前从动轮（202）、前张紧轮（203）和前履带（204），前履带行走机构（2）可改变前履带的形状，以越过不同的障碍物；车体两侧的前主动轮（201）分别由不同的电机驱动，前主动轮（201）转动时拨动前履带（204）使得车体行走；控制器（4）控制车体的行走、转向以及前履带行走机构（2）的变形；
检测装置（5）包括设置在车体顶部的与控制器连接的三维激光扫描仪（501）；
检测装置（5）还包括设置在车顶的三轴稳定台（503）上的高清相机（502），高清相机（502）经数据总线与控制器连接；
所述桥涵损伤检测机器人还包括设置在车体顶部的缺陷标记部件（8），缺陷标记部件的标记喷头（801）设置在伸缩杆（802）顶部，伸缩杆（802）的基座与车体固定连接，标记喷头的控制端、伸缩杆的控制端分别与控制器连接；
所述前履带行走机构（2）包括前主动轮（201）、轴心与车体连接的前从动轮（202）和可变从动轮（205），可变从动轮的轴心经曲柄（206）与车体连接，曲柄（206）在升降器（207）的作用下绕曲柄与车体的铰接端转动，升高或降低可变从动轮的轴心位置，改变前履带（204）的形状，以越过障碍物或适应不同的地形；
升降器（207）的升降端设有推杆（213），曲柄（206）设有与推杆（213）配合的弧形卡口（212）；升降器（207）的升降端的一侧设有电磁限位器（214），电磁限位器（214）经继电器与控制器（4）连接；
所述桥涵损伤检测机器人遇到大障碍物时，升降器（207）的升降端向上升起，推杆（213）推动曲柄（206）逆时针旋转，可变从动轮（205）的轴心上移，使得前履带的接近障碍物的部分与地面的夹角变大，以顺利攀越障碍物；前履带行走机构（2）的前履带变形完成后，控制器（4）控制电磁限位器（214）通电，将升降器（207）的升降端限位固定，以保持前履带形状不变。
2.根据权利要求1所述的桥涵损伤检测机器人，其特征在于，前履带行走机构（2）还包括与主动轮固定连接的制动盘（209）以及与制动盘配合的制动钳（210），用于桥涵损伤检测机器人的减速行走或将检测机器人停在指定地点，制动钳的控制端与控制器连接。
3.根据权利要求1所述的桥涵损伤检测机器人，其特征在于，后行走机构（3）包括后履带、后主动轮（301）、张紧轮、轴心与车体固定连接的后从动轮（302），张紧轮的轴心经张紧伸缩杆与底部的后从动轮（302）的轴心连接，后主动轮（301）由主电机驱动。
4.桥涵损伤检测机器人，其特征在于，包括车体（1）、分别设置在车体两侧的行走机构和设置在车体内部的控制器（4）以及与控制器连接的检测装置（5），还包括分别与控制器连接的无线通讯模块（7）和设置在车体前方的摄像头（6）；
行走机构包括前履带行走机构（2）和后行走机构（3）；
前履带行走机构（2）包括前主动轮（201）、前从动轮（202）、前张紧轮（203）和前履带（204），前履带行走机构（2）可在电机的驱动下整体旋转，以越过不同的障碍物；车体两侧的前主动轮（201）分别由不同的电机驱动，前主动轮（201）转动时拨动前履带（204）使得车体行走；控制器（4）控制车体的行走、转向以及前履带行走机构（2）的旋转；
前张紧轮的轴心与轮毂架（215）连接，前从动轮的轴心经张紧伸缩杆（208）与前张紧轮的轴心连接；轮毂架顶端经中空的旋转轴（216）与车体连接，在伺服电机的驱动下，轮毂架（215）绕前主动轮的轴心旋转，改变前履带行走机构（2）与地面的角度；
所述检测机器人遇到大障碍物时，轮毂架（215）在伺服电机的驱动下，绕前主动轮（201）的轴心旋转即前履带行走机构（2）整体逆时针旋转，使得接近障碍物的履带段离地，增强检测机器人的越障能力。
5.权利要求1-4任意一项所述的桥涵损伤检测机器人的操作方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：利用手持设备与桥涵损伤检测机器人的无线通讯模块建立无线通讯连接，对桥涵损伤检测机器人进行调试，确保行走机构、无线通讯模块、摄像头、检测装置正常工作；
步骤2：控制检测机器人向待检测的桥体的下部或待检测的涵洞的内部行走；控制前履带行走机构整体旋转或改变前履带行走机构的履带的形状，增强行走时的越障通过能力或适应行走的地形；
步骤3：控制检测机器人到达待检测的桥涵的指定位置，启用检测装置，获取桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像；
步骤4：将桥涵的热影成像图、桥涵病害部位的图像通过检测机器人的无线通讯模块传送到桥涵监测管理中心，以便对桥涵病害进行进一步分析或存档。
6.根据权利要求5所述的桥涵损伤检测机器人的操作方法，其特征在于，还包括步骤5：利用缺陷标记部件对桥涵病害部位进行标记，便于桥梁管理养护人员准确定位桥涵病害的具体位置。
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