CN111796275A - 铁路隧道拱顶检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路隧道拱顶检测装置及其检测方法，其涉及铁路检测装置领域，铁路隧道拱顶检测装置包括：基座；设置在基座上的滑轨；设置在滑轨上的机械臂底座，机械臂底座能沿滑轨的延伸方向进行滑动；设置在机械臂底座上的能够竖直方向进行伸缩的机械臂机构；安装在机械臂机构顶部的地质雷达检测器以及测距器；障碍物监测单元，其用于检测铁路隧道拱顶检测装置前行过程中遇到的障碍物；驱动机构，其用于驱动机械臂底座在滑轨上以可控的速度进行移动；与机械臂机构、测距器、障碍物监测单元和驱动机构相电性连接的控制单元。本申请能够高效的实现对铁路隧道拱顶的检测。

Description

铁路隧道拱顶检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及铁路检测装置领域，特别涉及一种铁路隧道拱顶检测装置及其检测方法。

背景技术

铁路运营隧道衬砌检测是保证行车安全的重要措施之一，目前，国内隧道衬砌无损检测主流技术是利用地质雷达法进行检测。地质雷达检测主要有人工、车载等检测方式。

人工作业检测方式人力耗费巨大，操作方式简陋，测拱顶时效率很低且操作人员的人身安全性无法得到保障。而车载机械化检测方式测拱顶时，针对于电气化隧道，尤其是高铁隧道而言，进行避障非常频繁，这样导致有效的工作时间很短，整个检测效率进一步降低。

虽然我国已研制出相应的普速及高速铁路隧道状态检查车。这两种检查车与传统的检测手段相比，在自动化检测方面有了显著改观，它们大体利用五条机械臂承载地质雷达伸展到目标位置后，随车辆走行进行探测，如此实现对既有线路和新建线路的隧道衬砌状态检测。但这两种检查车针对于隧道正拱顶的侧线，因检测过程中遇到接触网等障碍物时仍需不断调节机械臂位置，尤其是高铁双线隧道，网架等障碍物的几何尺寸大，线缆布设较为复杂，连续行车则会导致一定程度的漏检，反复停车作业则会一定程度上降低工作效率。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种铁路隧道拱顶检测装置及其检测方法，其能够高效的实现对铁路隧道拱顶的检测。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种铁路隧道拱顶检测装置，所述铁路隧道拱顶检测装置包括：

基座；

设置在所述基座上的滑轨；

设置在所述滑轨上的机械臂底座，所述机械臂底座能沿所述滑轨的延伸方向进行滑动；

设置在所述机械臂底座上的能够竖直方向进行伸缩的机械臂机构；

安装在机械臂机构顶部的地质雷达检测器以及用于测量所述地质雷达检测器与隧道衬砌表面距离的测距器；

障碍物监测单元，其用于检测所述铁路隧道拱顶检测装置前行过程中遇到的障碍物；

与所述机械臂底座相传动连接的驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述机械臂底座在所述滑轨上以可控的速度进行移动；

与所述机械臂机构、所述测距器、所述障碍物监测单元和所述驱动机构相电性连接的控制单元，所述控制单元用于根据所述测距器测量得到的所述地质雷达检测器与隧道衬砌表面距离对所述机械臂机构的伸缩进行控制，根据所述障碍物监测单元在前行过程中监测到障碍物从而对控制所述机械臂机构进行伸缩、控制所述驱动机构运行使得所述机械臂底座在所述滑轨上进行移动以使所述地质雷达检测器躲避障碍物。

优选地，所述滑轨至少为两条，其并列相平行设置；所述机械臂底座上安装有主动轮和从动轮，每一条所述滑轨至少与一个主动轮和一个从动轮相配合，所述主动轮的转轴处设置有轴端光电编码器，以能得到所述机械臂底座与所述滑轨之间的相对运动速度。

优选地，所述机械臂机构包括依次套设的机械臂活塞杆、用于给所述机械臂活塞杆的气缸充气的压缩气泵、第一电机和连接所述第一电机和所述机械臂活塞杆的传动绳，所述第一电机通过转动以控制所述机械臂活塞杆的下降。

优选地，所述机械臂机构包括依次套设的机械臂活塞杆；最下端的所述机械臂活塞杆与所述机械臂底座相铰链连接，最下端的所述机械臂活塞杆的侧壁与所述机械臂底座之间连接有能够进行伸缩的伸缩杆机构，以控制所述机械臂活塞杆的倾斜角度。

优选地，所述驱动机构包括：与所述滑轨保持相对固定的第一轴承座和第二轴承座；穿设过所述第一轴承座和所述第二轴承座的滚珠丝杠；套设在所述滚珠丝杠上的传动套，所述传动套固定安装在所述机械臂底座上；驱动所述滚珠丝杆转动的第二电机。

优选地，所述滚珠丝杠与所述滑轨相平行设置；所述传动套位于所述第一轴承座和所述第二轴承座之间；所述第二电机为伺服电机，所述第二电机与所述滚珠丝杠之间通过联轴器连接；所述第二电机与所述滑轨保持相对固定，当所述第二电机驱动所述滚珠丝杆转动时，通过所述传动套带动所述机械臂底座相对所述滑轨进行移动。

优选地，所述障碍物监测单元包括激光障碍物扫描仪和视觉传感器，所述障碍物监测单元安装在所述机械臂机构顶部，所述障碍物监测单元用于监前进方向上有无吊住、突变障碍物或网架。

一种铁路隧道拱顶检测系统，所述铁路隧道拱顶检测系统包括两台如上述所述的铁路隧道拱顶检测装置。

一种铁路隧道拱顶检测方法，所述铁路隧道拱顶检测方法采用如上述所述的铁路隧道拱顶检测系统，两台所述的铁路隧道拱顶检测装置为第一铁路隧道拱顶检测装置和第二铁路隧道拱顶检测装置；所述铁路隧道拱顶检测方法包括以下步骤：

通过牵引车将所述第一铁路隧道拱顶检测装置和所述第二铁路隧道拱顶检测装置牵引向前行走以使地质雷达检测器对隧道拱顶进行检测，所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构位于所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构前方至少2倍的预设距离；

当所述第一铁路隧道拱顶检测装置的障碍物监测单元检测到前方的障碍物距离达到预设距离时，控制所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构收缩以躲避障碍物，控制第一铁路隧道拱顶检测装置的驱动机构驱动第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对第一铁路隧道拱顶检测装置的滑轨向后移动；

当所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对地面前进达到所述预设距离后，控制所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构伸长以使所述地质雷达检测器对隧道拱顶进行检测；

当所述第二铁路隧道拱顶检测装置的障碍物监测单元检测到前方的障碍物距离达到预设距离时，控制所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构收缩以躲避障碍物，控制第二铁路隧道拱顶检测装置的驱动机构驱动第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对第二铁路隧道拱顶检测装置的滑轨向后移动；

当所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对地面前进达到所述预设距离后，控制所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构伸长以使所述地质雷达检测器对隧道拱顶进行检测。

优选地，所述预设距离/(牵引车的速度-第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对第一铁路隧道拱顶检测装置的滑轨向后移动的速度)≥第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构收缩至能躲避障碍物的时间。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请中的铁路隧道拱顶检测装置通过障碍物监测单元检测装置前行过程中遇到的障碍物，当遇到障碍物，控制机械臂机构进行收缩以使自身、安装在机械臂机构顶部的地质雷达检测器和测距器等对障碍物进行躲避，与此同时，通过驱动机构驱动机械臂底座在所述滑轨上相对滑轨向后以可控的速度进行移动，通过这种方式可以增加机械臂机构移动到达障碍物的时间，从而变相增加了机械臂机构进行收缩的时间，进而可以不必降低铁路隧道拱顶检测装置自身整体在铁路轨道上被牵引移动的速度，有效的提高了对铁路隧道拱顶的检测速度。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中铁路隧道拱顶检测装置的正视图；

图2为本发明实施例中铁路隧道拱顶检测装置的俯视图；

图3为本发明实施例中机械臂底座的左视图；

图4为本发明实施例中机械臂底座的正视图；

图5为图4中A-A处的剖面图；

图6为本发明实施例中机械臂机构的左视图；

图7为本发明实施例中铁路隧道拱顶检测系统工作时的示意图。

以上附图的附图标记：

1、滑轨；2、基座；3、机械臂底座；31、主动轮；32、从动轮；33、转轴；34、轴承；35、安装件；4、机械臂机构；41、机械臂活塞杆；42、第一电机；43、伸缩杆机构；5、地质雷达检测器；6、测距器；7、障碍物监测单元；8、驱动机构；81、第一轴承座；82、第二轴承座；83、滚珠丝杠；84、传动套；85、第二电机；86、联轴器；9、框架；91、连接杆；100、第一铁路隧道拱顶检测装置；200、第二铁路隧道拱顶检测装置；300、障碍物；400、隧道拱顶。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够高效的实现对铁路隧道拱顶400的检测，在本申请中提出了一种铁路隧道拱顶检测装置，图1为本发明实施例中铁路隧道拱顶检测装置的正视图，图2为本发明实施例中铁路隧道拱顶检测装置的俯视图，如图1至图2所示，铁路隧道拱顶检测装置可以包括：基座2；设置在基座2上的滑轨1；设置在滑轨1上的机械臂底座3，机械臂底座3能沿滑轨1的延伸方向进行滑动；设置在机械臂底座3上的能够竖直方向进行伸缩的机械臂机构4；安装在机械臂机构4顶部的地质雷达检测器5以及用于测量地质雷达检测器5与隧道衬砌表面距离的测距器6；障碍物监测单元7，其用于检测铁路隧道拱顶检测装置前行过程中遇到的障碍物300；与机械臂底座3相传动连接的驱动机构8，驱动机构8用于驱动机械臂底座3在滑轨1上以可控的速度进行移动；与机械臂机构4、测距器6、障碍物监测单元7和驱动机构8相电性连接的控制单元，控制单元用于根据测距器6测量得到的额地质雷达检测器5与隧道衬砌表面距离对机械臂机构4的伸缩进行控制，根据障碍物监测单元7在前行过程中监测到障碍物300从而对控制机械臂机构4进行伸缩、控制驱动机构8运行使得机械臂底座3在滑轨1上进行移动以使地质雷达检测器5躲避障碍物300。

本申请中的铁路隧道拱顶检测装置通过障碍物监测单元7检测装置前行过程中遇到的障碍物300，当遇到障碍物300，控制机械臂机构4进行收缩以使自身、安装在机械臂机构4顶部的地质雷达检测器5和测距器6等对障碍物300进行躲避，与此同时，通过驱动机构8驱动机械臂底座3在滑轨1上相对滑轨1向后以可控的速度进行移动，通过这种方式可以增加机械臂机构4移动到达障碍物300的时间，从而变相增加了机械臂机构4进行收缩的时间，进而可以不必降低铁路隧道拱顶检测装置自身整体在铁路轨道上被牵引移动的速度，有效的提高了对铁路隧道拱顶400的检测速度。

为了能够更好的了解本申请中的铁路隧道拱顶检测装置，下面将对其做进一步解释和说明。图7为本发明实施例中铁路隧道拱顶检测系统工作时的示意图，如图1至图2、图7所述，基座2用于支撑和固定滑轨1，基座2为装置中最稳固的部件，同时可以为滑轨1、机械臂底座3和机械臂机构4等提供一个合适的初始高度。基座2可以通过地脚螺栓与铁路平板车等载体连接，优选钢结构，为提高整体刚度。为了实现基座2高度的可控调节，基座2可以采用升降平台的结构，具体为基座2上安装有能够进行升降的升降机构，升降机构上再设置滑轨1。升降机构可以优选为柱塞式油缸，一套装置中升降机构建议不少于2个，前后阵列安装，从而确保整个基座2的平稳性。

如图1所示，滑轨1设置在基座2上，滑轨1可以直接设置在基座2上，也可以间接设置在基座2上，即滑轨1与基座2之间还可以设置其它用于固定连接滑轨1的部件。滑轨1的延伸方向与铁路隧道拱顶检测装置前进的方向相同。可选的，滑轨1至少为两条，其并列相平行设置，如此可以保证设置在滑轨1上的机械臂底座3的稳定性。

如图2所示，在一种可行的实施方式中，滑轨1与基座2之间具有固定连接滑轨1的框架9，框架9包括多个连接杆91，连接杆91的两端分别连接两条滑轨1，多个连接杆91依次沿滑轨1的延伸方向排列布置。框架9有助于提高两条滑轨1之间的稳定性。滑轨1需要具有一定的长度，从而使得机械臂底座3能够在上面滑动足够的距离。

如图1和图2所示，滑轨1上设置有机械臂底座3，机械臂底座3能沿滑轨1的延伸方向进行滑动。在一种可行的实施方式中，图3为本发明实施例中机械臂底座的左视图，图4为本发明实施例中机械臂底座的正视图，图5为图4中A-A处的剖面图，如图3至图5所示，机械臂底座3上安装有主动轮31和从动轮32，每一条滑轨1至少与一个主动轮31和一个从动轮32相配合。主动轮31和从动轮32分别通过轴承34和转轴33安装在连接在机械臂底座3下端的安装件35上，安装件35沿滑轨1延伸方向延伸，一条滑轨1与一个安装件35像对应，一个安装件35上安装一个主动轮31和一个从动轮32。通过上述方式可以使得整个机械臂底座3能够稳定的在滑轨1上进行滑动，不会出现某一轮子出现打滑的情况。

优选地，主动轮31的转轴33处设置有轴端光电编码器，以能得到机械臂底座3与滑轨1之间的相对运动速度。通过轴端光电编码器可以测量得到主动轮31的转速，根据主动轮31的直径便可以计算得到机械臂底座3与滑轨1之间的相对运动速度，在知晓铁路隧道拱顶检测装置前进的速度下，便可以计算得到机械臂底座3相对地面的移动速度。

为了能够驱动机械臂底座3与滑轨1之间产生移动，驱动机构8与机械臂底座3相传动连接，驱动机构8用于驱动机械臂底座3在滑轨1上以可控的速度进行移动。在一种可行的实施方式中，驱动机构8可以包括：与滑轨1保持相对固定的第一轴承座81和第二轴承座82；穿设过第一轴承座81和第二轴承座82的滚珠丝杠83；套设在滚珠丝杠83上的传动套84，传动套84固定安装在机械臂底座3上；驱动滚珠丝杆转动的第二电机85。当第二电极转动时，其带动滚珠丝杠83进行转动，第一轴承座81和第二轴承座82用于支撑滚珠丝杠83。由于滚珠丝杠83不能进行移动，套设在滚珠丝杠83上的传动套84就会移动，传动套84进而带动机械臂底座3沿滚珠丝杠83延伸方向进行移动。

具体的，滚珠丝杠83与滑轨1相平行设置。传动套84位于第一轴承座81和第二轴承座82之间。第二电机85优先采用伺服电机，其具有可控制速度，位置精度非常准确的优点，可以将电压信号转化为转矩和转速以精确的驱动控制对象。第二电机85与滚珠丝杠83之间通过联轴器86连接。第二电机85与滑轨1保持相对固定，当第二电机85驱动滚珠丝杆转动时，通过传动套84带动机械臂底座3相对滑轨1进行移动。如果需要提高驱动机构8驱动机械臂底座3的速度，那么可以通过同步带传动或曲柄连杆传动的方式带动机械臂底座3。

如图1和图2所示，机械臂机构4设置在机械臂底座3上，机械臂机构4通过控制可以实现在竖直方向上的伸缩，从而调节机械臂机构4的高度。在一种可行的实施方式中，机械臂机构4可以包括依次套设的机械臂活塞杆41、用于给机械臂活塞杆41的气缸充气的压缩气泵、第一电机42和连接第一电机42和机械臂活塞杆41的传动绳，第一电机42通过转动以控制机械臂活塞杆41的下降。例如，机械臂活塞杆41可以采用铝合金冷拔成型。相邻机械臂活塞杆41之间无缝连接。当需要机械臂活塞杆41伸长时，压缩气泵给机械臂活塞杆41的气缸充气，同时第一电机42跟随转动以放出传动绳，机械臂活塞杆41逐步上升，通过连接在压缩气泵于气缸之间的气阀控制进气量从而调节机械臂机构4上升速度。当需要机械臂活塞杆41缩短时，第一电机42转动，通过传动绳向下拉动机械臂活塞杆41，气缸内的空气通过排气口向外排出，控制第一电机42的转速和气阀的排气量，从而调节机械臂机构4下降的速度。

在一种可行的实施方式中，机械臂机构4的伸缩速度可以分为多档，平缓伸缩速度为通过上段描述的原理实现。更为快速的伸缩速度最大可达1.2m/s，其原理的差异在于，其不通过压缩气泵给气缸充气以及通过排气口排气，而是采用了与气缸相连接的高压蓄能器，其能够将气体快速打出至气缸中，以实现更为快速的上升；下降时通过大扭矩的第一电机42高速下拉传动绳将气缸内气体压入高压蓄能器中备用。最为快速的急速下降可以采用如下原理实现，当出现系统异常时可以打开压缩气泵的放气阀，机械臂活塞杆41直接靠自重下降收回。

通过上述机械臂机构4的伸缩功能可自动实现地质雷达检测器5与隧道衬砌表面距离的保持，建议保持区间为80mm-120mm，如此可以使检测的数据有效、图像清晰稳定。

如图1和图2所示，地质雷达检测器5以及用于测量地质雷达检测器5与隧道衬砌表面距离的测距器6安装在机械臂机构4顶部。根据测距器6测量地质雷达检测器5与隧道衬砌表面之间的距离，从而控制机械臂机构4进行伸缩，以使地质雷达检测器5与隧道衬砌表面之间的距离处于合适范围。地质雷达检测器5的底部连接可平面旋转调整角度的云台，其可以朝向前进方向的左右两侧进行旋转，如此便于地质雷达检测器5在不同的测线均可使其上检测表面与衬砌表面平行，保障了数据质量。地质雷达检测器5的线缆与机械臂机构4顶端其它各类传感器的线缆可以通过机械臂活塞杆41侧方的束线筒随机械臂活塞杆41伸缩。

在一种优选的实施方式中，图6为本发明实施例中机械臂机构的左视图，如图1和图6所示，最下端的机械臂活塞杆41与机械臂底座3相铰链连接，最下端的机械臂活塞杆41的侧壁与机械臂底座3之间连接有能够进行伸缩的伸缩杆机构43，以控制机械臂活塞杆41的倾斜角度。伸缩杆机构43可以为两个，分别位于最下端的机械臂活塞杆41的两侧。为了便于控制伸缩杆机构43的伸缩，其可以采用电动推杆。通过上述结构在铁路隧道拱顶检测装置检测前可以调整机械臂机构4的左右倾斜的姿态，以便使得地质雷达检测器5与隧道衬砌不同位置处的表面保持平行。

障碍物监测单元7用于检测铁路隧道拱顶检测装置前行过程中遇到的障碍物300，一般而言，障碍物监测单元7也设置在机械臂机构4的顶部。在一种可行的实施方式中，障碍物监测单元7可以包括激光障碍物300扫描仪和视觉传感器。障碍物监测单元7主要用于监前进方向上有无吊住、突变障碍物300或网架。障碍物监测单元7可以是建立在机器视觉深度学习与激光障碍扫描原理的检测装置，其具体可以安装于地质雷达检测器5前后两端。检测过程中，无论检测方向，均可在一定距离内有效监视前进方向有无吊柱、截面突变等障碍物300或规律性的网架。当发现障碍物300时，控制机械臂机构4进行伸缩以躲避障碍物300。

控制单元与机械臂机构4、测距器6、障碍物监测单元7、驱动机构8、地质雷达检测器5和伸缩杆机构43等等相电性连接。控制单元主要用于根据测距器6测量得到的地质雷达检测器5与隧道衬砌表面距离对机械臂机构4的伸缩进行控制，根据障碍物监测单元7在前行过程中监测到障碍物300从而对控制机械臂机构4进行伸缩、控制驱动机构8运行使得机械臂底座3在滑轨1上进行移动以使地质雷达检测器5躲避障碍物300。

另外，铁路隧道拱顶检测装置可以包括动力供应系统，动力供应系统为给整个装置提供动力来源的设备，可以包括柴油发电机，分别给机械臂机构4的伸出收回、驱动机构8驱动机械臂底座3走行等等提供电力。

在本申请中还提出了一种铁路隧道拱顶检测系统，如图7所示，铁路隧道拱顶检测系统包括两台铁路隧道拱顶检测装置。两台铁路隧道拱顶检测装置可以共用一个动力供应系统。铁路隧道拱顶检测系统可以通过安装在基座2上的接口等与铁路平板车等载体相连接，平板车在牵引车的带动下前进。

在本申请中还提出了一种铁路隧道拱顶检测方法，两台的铁路隧道拱顶检测装置为第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200。该方法可以包括以下步骤：

通过牵引车将第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200牵引向前行走以使地质雷达检测器5对隧道拱顶400进行检测，第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4位于第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4前方至少2倍的预设距离。

本步骤的具体操作可以如下：在检测前，根据需要对铁路隧道拱顶400的检测位置调整机械臂机构4、基座2等部件，操作两个铁路隧道拱顶检测装置的基座2达到同一个合适的高度，通过驱动机构8将分别将2个机械臂底座3驱动至检测方向的前端附近，需要保证第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4位于第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4前方至少2倍的预设距离即可。将第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4上升至拱顶检测工位。在本装置安装的平板车或牵引车的轮轴处加设光电编码器，从而可以根据该轮轴对应的轮子的直径和转速计算得到准确的铁路隧道拱顶检测装置前进的移动速度。检测开始，第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4相对于滑轨1处于静止状态，平板车由牵引车牵引走行进行检测。

当第一铁路隧道拱顶检测装置100的障碍物监测单元7检测到前方的障碍物300距离达到预设距离时，控制第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4收缩以躲避障碍物300，控制第一铁路隧道拱顶检测装置100的驱动机构8驱动第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂底座3相对第一铁路隧道拱顶检测装置100的滑轨1向后移动。

在上述步骤中，当第一铁路隧道拱顶检测装置100的障碍物监测单元7发现前方有钢筋或变截面等小型障碍物300时，在前方的障碍物300距离达到预设距离时，控制单元控制第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4平缓下降至视野内障碍物300消失，控制第一铁路隧道拱顶检测装置100的驱动机构8驱动第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂底座3相对第一铁路隧道拱顶检测装置100的滑轨1向后移动，从而使得第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4具有更多时间进行平缓下降。当第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4经过障碍物300时，第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4必须下降至视野内障碍物300消失，否则会发生碰撞。

当第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂底座3相对地面前进达到预设距离后，控制第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4伸长以使地质雷达检测器5对隧道拱顶400进行检测。

在上述步骤中，在第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4开始下降后，第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4相对于地面的位移达预设距离之后，控制第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4稳定伸长上升至地质雷达检测器5与衬砌表面间距符合条件为止。在第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4下降和上升这段时间内，第一铁路隧道拱顶检测装置100的地质雷达检测器5无法实现对隧道拱顶400的准确。

当第二铁路隧道拱顶检测装置200的障碍物监测单元7检测到前方的障碍物300距离达到预设距离时，控制第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4收缩以躲避障碍物300，控制第二铁路隧道拱顶检测装置200的驱动机构8驱动第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂底座3相对第二铁路隧道拱顶检测装置200的滑轨1向后移动。

在此步骤中，由于开始时，第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4位于第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4前方至少2倍的预设距离，因此，当第二铁路隧道拱顶检测装置200的障碍物监测单元7检测到前方的障碍物300距离达到预设距离时，第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4已经上升完毕，其可以使自己对应的地质雷达检测器5对隧道拱顶400进行检测。此时，第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4收缩以躲避障碍物300，第二铁路隧道拱顶检测装置200的地质雷达检测器5无法实现对隧道拱顶400的准确，但在整个过程中，第一铁路隧道拱顶检测装置100或第二铁路隧道拱顶检测装置200的地质雷达检测器5始终有一个能对隧道拱顶400进行准确检测。

当第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂底座3相对地面前进达到预设距离后，控制第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4伸长以使地质雷达检测器5对隧道拱顶400进行检测。

在上述步骤中，在第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4开始下降后，第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4相对于地面的位移达预设距离之后，控制第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4稳定伸长上升至地质雷达检测器5与衬砌表面间距符合条件为止。之后，通过第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200各自的驱动机构8驱动各自的机械臂底座3向前移动，复原至初始位置。

在整个上述过程中，需要满足以下条件：预设距离/(牵引车的速度-第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂底座3相对第一铁路隧道拱顶检测装置100的滑轨1向后移动的速度)≥第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4收缩至能躲避障碍物300的时间，这样就能够保证机械臂机构4有足够的伸缩时间以躲避障碍物300。

在一个具体的实施例中，例如，平板车长度13m，基座2与滑轨1自身长度为5m，第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂底座3间距2m。牵引车带动平板车向前行进的速度假设为5km/h，即1.39m/s。

当第一铁路隧道拱顶检测装置100的障碍物监测单元7发现网架的距离还剩1m时启动第一铁路隧道拱顶检测装置100的驱动机构8，从而驱动机械臂底座3和机械臂机构4相对滑轨1倒退，最终运动学效果可以为按照第一铁路隧道拱顶检测装置100的相对地面为0.25m/s的速度前进。按照网架前后分别1m内的允许盲区计算，机械臂底座3和机械臂机构4倒退时，需要机械臂机构4在4s之内完成下降以躲避网架，因此，机械臂底座3和机械臂机构4相对滑轨1倒退速度需要大于等于1.14m/s。当机械臂机构4通过网架以后，机械臂机构4在4秒内上升至合适的检测工位，从而继续能够对隧道拱顶400进行准确检测。在第一铁路隧道拱顶检测装置100的机械臂机构4在上升至合适的检测工位时的时刻，第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4距离障碍物300为1m。之后，启动第二铁路隧道拱顶检测装置200的驱动机构8，从而驱动自身的机械臂底座3和机械臂机构4相对滑轨1倒退，最终运动学效果可以为按照第二铁路隧道拱顶检测装置200的相对地面为0.25m/s的速度前进。按照网架前后分别1m内的允许盲区计算，机械臂底座3和机械臂机构4倒退时，需要机械臂机构4在4s之内完成下降以躲避网架，因此，机械臂底座3和机械臂机构4相对滑轨1倒退速度需要大于等于1.14m/s。当第二铁路隧道拱顶检测装置200的机械臂机构4通过网架以后，机械臂机构4上升至合适的检测工位，从而继续能够对隧道拱顶400进行准确检测。

当上升动作执行完毕后，第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200的驱动机构8驱动各自机械臂底座3在滑轨1上向前移动，从而抵达初始的位于滑轨1前端工位待命，以备下一次的躲避障碍物300，此时，工作逻辑重新回归至检测开始时，所有执行动作进入重复循环周期。

当对整个隧道检测完毕后，第一铁路隧道拱顶检测装置100和第二铁路隧道拱顶检测装置200的地质雷达检测器5检测的数据去除无效数据后进行分析，加和以后的数据结果即可获取全隧道有效稳定的拱顶地质雷达检测数据。根据可施展滑轨1长度空间，建议牵引速度≤5km/h，如果需要提高检测牵引速度至10km/h，可以加大基座2、滑轨1长度，同时还可以更换更快的驱动机构8。单一平板车长度不足铺设两台装置时，可将两平板车连挂。

本申请中的铁路隧道拱顶检测系统和检测方法具有如下优点：

第一、本申请与传统车载检测方式截然不同，铁路隧道拱顶检测装置中的机械臂机构4与滑轨1之间能够存在相对运动关系，如此能够安全又有效的控制相对运动距离，在机械臂机构4伸缩速度固定的前提下，可有效提高牵引车的牵引速度，从而提高对隧道拱顶400的检测速度。

第二、在遇到障碍物300时，本申请利用两套铁路隧道拱顶检测装置使其各自的机械臂机构4交替升降进行接力，从而使得无论在何时，保证至少有一个地质雷达检测器5能对隧道拱顶400进行准确检测。

第三、本申请可以适应于不同的牵引车的走行速度，且装置可整体移植，具备独立供电、操作等作业能力。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述铁路隧道拱顶检测装置包括：

基座；

设置在所述基座上的滑轨；

设置在所述滑轨上的机械臂底座，所述机械臂底座能沿所述滑轨的延伸方向进行滑动；

设置在所述机械臂底座上的能够竖直方向进行伸缩的机械臂机构；

安装在机械臂机构顶部的地质雷达检测器以及用于测量所述地质雷达检测器与隧道衬砌表面距离的测距器；

障碍物监测单元，其用于检测所述铁路隧道拱顶检测装置前行过程中遇到的障碍物；

与所述机械臂底座相传动连接的驱动机构，所述驱动机构用于驱动所述机械臂底座在所述滑轨上以可控的速度进行移动；

与所述机械臂机构、所述测距器、所述障碍物监测单元和所述驱动机构相电性连接的控制单元，所述控制单元用于根据所述测距器测量得到的所述地质雷达检测器与隧道衬砌表面距离对所述机械臂机构的伸缩进行控制，根据所述障碍物监测单元在前行过程中监测到障碍物从而对控制所述机械臂机构进行伸缩、控制所述驱动机构运行使得所述机械臂底座在所述滑轨上进行移动以使所述地质雷达检测器躲避障碍物。

2.根据权利要求1所述的铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述滑轨至少为两条，其并列相平行设置；所述机械臂底座上安装有主动轮和从动轮，每一条所述滑轨至少与一个主动轮和一个从动轮相配合，所述主动轮的转轴处设置有轴端光电编码器，以能得到所述机械臂底座与所述滑轨之间的相对运动速度。

3.根据权利要求1所述的铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述机械臂机构包括依次套设的机械臂活塞杆、用于给所述机械臂活塞杆的气缸充气的压缩气泵、第一电机和连接所述第一电机和所述机械臂活塞杆的传动绳，所述第一电机通过转动以控制所述机械臂活塞杆的下降。

4.根据权利要求1所述的铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述机械臂机构包括依次套设的机械臂活塞杆；最下端的所述机械臂活塞杆与所述机械臂底座相铰链连接，最下端的所述机械臂活塞杆的侧壁与所述机械臂底座之间连接有能够进行伸缩的伸缩杆机构，以控制所述机械臂活塞杆的倾斜角度。

5.根据权利要求1所述的铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述驱动机构包括：与所述滑轨保持相对固定的第一轴承座和第二轴承座；穿设过所述第一轴承座和所述第二轴承座的滚珠丝杠；套设在所述滚珠丝杠上的传动套，所述传动套固定安装在所述机械臂底座上；驱动所述滚珠丝杆转动的第二电机。

6.根据权利要求5所述的铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述滚珠丝杠与所述滑轨相平行设置；所述传动套位于所述第一轴承座和所述第二轴承座之间；所述第二电机为伺服电机，所述第二电机与所述滚珠丝杠之间通过联轴器连接；所述第二电机与所述滑轨保持相对固定，当所述第二电机驱动所述滚珠丝杆转动时，通过所述传动套带动所述机械臂底座相对所述滑轨进行移动。

7.根据权利要求1所述的铁路隧道拱顶检测装置，其特征在于，所述障碍物监测单元包括激光障碍物扫描仪和视觉传感器，所述障碍物监测单元安装在所述机械臂机构顶部，所述障碍物监测单元用于监前进方向上有无吊住、突变障碍物或网架。

8.一种铁路隧道拱顶检测系统，其特征在于，所述铁路隧道拱顶检测系统包括两台如权利要求1所述的铁路隧道拱顶检测装置。

9.一种铁路隧道拱顶检测方法，其特征在于，所述铁路隧道拱顶检测方法采用如权利要求8所述的铁路隧道拱顶检测系统，两台所述的铁路隧道拱顶检测装置为第一铁路隧道拱顶检测装置和第二铁路隧道拱顶检测装置；所述铁路隧道拱顶检测方法包括以下步骤：

通过牵引车将所述第一铁路隧道拱顶检测装置和所述第二铁路隧道拱顶检测装置牵引向前行走以使地质雷达检测器对隧道拱顶进行检测，所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构位于所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构前方至少2倍的预设距离；

当所述第一铁路隧道拱顶检测装置的障碍物监测单元检测到前方的障碍物距离达到预设距离时，控制所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构收缩以躲避障碍物，控制第一铁路隧道拱顶检测装置的驱动机构驱动第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对第一铁路隧道拱顶检测装置的滑轨向后移动；

当所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对地面前进达到所述预设距离后，控制所述第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构伸长以使所述地质雷达检测器对隧道拱顶进行检测；

当所述第二铁路隧道拱顶检测装置的障碍物监测单元检测到前方的障碍物距离达到预设距离时，控制所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构收缩以躲避障碍物，控制第二铁路隧道拱顶检测装置的驱动机构驱动第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对第二铁路隧道拱顶检测装置的滑轨向后移动；

当所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对地面前进达到所述预设距离后，控制所述第二铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构伸长以使所述地质雷达检测器对隧道拱顶进行检测。

10.根据权利要求9所述的铁路隧道拱顶检测方法，其特征在于，所述预设距离/(牵引车的速度-第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂底座相对第一铁路隧道拱顶检测装置的滑轨向后移动的速度)≥第一铁路隧道拱顶检测装置的机械臂机构收缩至能躲避障碍物的时间。

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