CN112285117A - 一种多功能隧道管养系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能隧道管养系统及使用方法，包括轨道、移动平台模块、机械臂和滚刷组件；所述轨道安装在隧道顶部，移动平台模块倒挂式安装在轨道上，移动平台模块能够沿着轨道往复运动；机械臂倒挂式安装在移动平台模块的移动平台本体上，滚刷组件安装在机械臂的末端基座上。该系统既能对隧道照明灯进行清洁，也能检测隧道衬砌的裂缝，实现隧道日常管养的自动化、无人化操作，提高了效率，节约了人工成本，更加安全可靠；移动平台模块通过轨道安装在隧道顶部，不占用道路资源，不影响道路的正常通行，同时避免了与地面车辆发生冲突，减少了事故发生的可能性，安全性更高。

Description

一种多功能隧道管养系统及使用方法

技术领域

本发明属于隧道维护设备技术领域，具体是一种多功能隧道管养系统及使用方法。

背景技术

隧道作为高速公路的重要组成部分，对道路的畅通和安全起到重要作用。隧道由于其长管形结构及封闭性的特点，导致隧道内能见度低，因此对于隧道照明灯的亮度要求较高，需要定期清洁隧道照明灯表面的灰尘，尽可能保证隧道的能见度。隧道衬砌的裂缝检测也是隧道日常管养的重要内容，以保证隧道稳固性。

目前普遍采用人工清洁隧道照明灯表面的灰尘和进行裂缝检测，也就是维修人员借助维修梯手动擦拭照明灯和观察隧道衬砌的表面状况，不仅费时费力，还存在较大的安全隐患；而且维修梯还会占用道路资源，影响交通，因此设计一款不占用道路资源的多功能隧道管养系统很有意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多功能隧道管养系统及使用方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种多功能隧道管养系统，其特征在于，该系统包括轨道、移动平台模块、机械臂和滚刷组件；

所述轨道安装在隧道顶部，移动平台模块倒挂式安装在轨道上，移动平台模块能够沿着轨道往复运动；机械臂倒挂式安装在移动平台模块的移动平台本体上，滚刷组件安装在机械臂的末端基座上；

所述移动平台模块包括移动平台本体、驱动电机、差速器、传动轴、传动带、一号带轮、二号带轮和滚轮组；

所述移动平台本体上表面的两侧分别设有多个滚轮组，两侧滚轮组的滚轮与轨道两侧的滑槽配合；驱动电机固定在移动平台本体的隔板上，驱动电机的输出轴与差速器的输出轴连接，差速器的输出轴与传动轴的一端连接；传动轴的两端分别通过轴承座转动安装在隔板上；一号带轮固定在传动轴上，二号带轮固定在其中一个滚轮组的连接轴上；传动带套装在两个带轮上；

所述机械臂的小臂靠近腕部回转关节的一端安装有摄像头，机械臂不工作时呈收起状态。

所述移动平台模块还包括辅助轮组；辅助轮组包括L形连接架和辅助轮，L形连接架的水平面与移动平台本体的上表面固连，L形连接架竖直面的一端具有延伸至轨道的滑槽内的的上、下端耳，辅助轮的两个连接端分别与两个端耳转动连接，辅助轮的轴向与轨道长度方向垂直。

所述滚刷组件包括滚刷、电机支座和伺服电机；电机支座固定在机械臂的末端，伺服电机安装在电机支座上；滚刷连接在伺服电机的输出轴上。

本发明还提供一种多功能隧道管养系统的使用方法，包括清洁照明灯和隧道衬砌的裂缝检测，具体过程为：

照明灯的清洁：机械臂调整成收起状态，移动平台模块从起始位置沿着轨道运动至工作位置；机械臂各个关节旋转，使机械臂运动至隧道一侧的照明灯处，滚刷的刷毛贴合在照明灯表面；滚刷转动，机械臂伸展，对照明灯进行清洁；然后机械臂运动至隧道另一侧的照明灯处，重复清洁操作，以此完成一个灯组的照明灯的清洁；然后移动平台模块继续运动在下一工作位置，重复前述清洁操作，直到完成所有照明灯的清洁；

裂缝检测：调节机械臂各个关节的转动角度，使机械臂伸向隧道一侧，机械臂的小臂与隧道的左、右平分面呈30°夹角，隧道衬砌顶部的一部分区域位于摄像头的视野内；移动平台模块从起始位置沿着轨道匀速运动，摄像头获取隧道衬砌表面的视频流并上传至后端服务器，实现裂缝检测；当移动平台模块运动至终止位置时停止，然后机械臂的肩部回转关节在水平面内转动180°，使机械臂伸向隧道的另一侧，移动平台模块从终止位置沿着轨道返回，根据摄像头获取的视频流完成裂缝检测；当移动平台模块运动至起始位置时停止，然后调节机械臂各个关节的转动角度，使机械臂的小臂与隧道的左、右平分面呈60°夹角，重复前述裂缝检测操作，对隧道衬砌呈带状进行裂缝检测，直到完成隧道上部衬砌的裂缝检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的多功能管养系统既能对隧道照明灯进行清洁，也能检测隧道衬砌的裂缝，实现隧道日常管养的自动化、无人化操作，提高了效率，节约了人工成本，更加安全可靠。

2、本发明的移动平台模块通过轨道安装在隧道顶部，不占用道路资源，不影响道路的正常通行，同时避免了与地面车辆发生冲突，减少了事故发生的可能性，安全性更高。

3、移动平台模块在轨道上先加速、后减速，最后匀速运动至清洁照明灯时的工作位置，移动平台模块的运动灵活，进一步提高了系统的工作效率。

4、本发明通过机械臂更容易到达隧道顶部等人工不易管养的区域，解决了一直以来隧道顶部难以管养的难题。

附图说明

图1为本发明与隧道的安装示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的传动组件、滚轮组和辅助轮组的结构示意图；

图4为本发明的移动平台模块与轨道的安装示意图；

图5为本发明的机械臂展开时的结构示意图；

图6为本发明的机械臂收起时的结构示意图；

图7为本发明的滚刷组件的主视图；

图8为本发明的滚刷组件的轴测图；

图9为本发明的系统清洁隧道照明灯的状态示意图；

图10为本发明的系统清洁隧道照明灯的工作流程图；

图11为本发明的系统进行裂缝检测的工作流程图；

图中，1-轨道；2-移动平台模块；3-机械臂；4-滚刷组件；5-隧道；

21-移动平台本体；22-驱动电机；23-差速器；24-传动轴；25-传动带；26-连接轴；27-二号轴承座；28-滚轮；29-L形连接架；210-辅助轮；211-一号轴承座；212-一号带轮；213-二号带轮；214-L形支架；215-连接座；

31-末端基座；32-腕部回转关节；33-小臂；34-肘部回转关节；35-大臂；36-腰部回转关节；37-连接基座；38-摄像头；

41-滚刷；42-电机支座；43-伺服电机；

101-滑槽；201-隔板；501-照明灯。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案更加通俗易懂，下面结合实施例及附图进一步阐述，并不用于限制本申请的保护范围。

本发明提供一种多功能隧道管养系统(简称系统，参见图1-11)，包括轨道1、移动平台模块2、机械臂3、控制单元和滚刷组件4；

所述轨道1沿隧道长度方向安装在隧道5顶部，且贯通整个隧道5，轨道1采用H型导轨工字钢制成，轨道1的两侧均具有滑槽101；移动平台模块2倒挂式安装在轨道1上，移动平台模块2能够沿着轨道1往复运动，轨道1的一端作为移动平台模块2的起始位置，另一端作为移动平台模块2的终止位置；机械臂3倒挂式安装在移动平台模块2的移动平台本体21上，滚刷组件4安装在机械臂3的末端基座31上；控制单元用于控制机械臂、滚刷组件、移动平台模块2的动作。

现有技术中隧道5沿长度方向间隔设有多个灯组，每个灯组包含两个对称安装在隧道5两侧的照明灯501；轨道1在每个灯组对应的区域内均设有第一接近开关(图中未画出)和第二接近开关(图中未画出)，在灯组区域内第一接近开关靠近移动平台模块2起始位置的一侧，当管养系统检测到第一接近开关时，移动平台模块2作减速运动，表明移动平台模块2已经到达工作区域内；第二接近开关与各自灯组对应的两个照明灯501在竖直面上共面，当管养系统检测到第二接近开关时，移动平台模块2停止运动。

所述移动平台模块2包括移动平台本体21、驱动电机22、差速器23、传动轴24、传动带25、滚轮组和辅助轮组；

所述移动平台本体21为中部具有隔板201的箱体结构，隔板201将移动平台本体21的内部空间分为上腔体和下腔体，上腔体用于安装驱动滚轮组工作的传动组件，下腔体用于安装移动平台模块2的控制柜；

所述传动组件包括驱动电机22、差速器23、传动轴24、一号带轮212、二号带轮213和传动带25；驱动电机22固定在隔板201上，驱动电机22的输出轴通过联轴器与差速器23的输出轴连接，差速器23的输出轴通过联轴器与传动轴24的一端连接；传动轴24的两端分别与各自的一号轴承座211转动连接，一号轴承座211安装在隔板201上；一号带轮212过盈配合在传动轴24上，二号带轮213固定在其中一个滚轮组的连接轴26上；传动带25套装在两个带轮上，驱动电机22通过差速器23带动传动轴24转动，使得一号带轮212转动，通过传动带25和二号带轮213带动相应滚轮组的连接轴26转动，进而使得相应的滚轮28在轨道1的滑槽101内滚动；与二号带轮213连接的连接轴26上的滚轮作为动力轮，其余滚轮都是起平衡辅助作用；

移动平台本体21上表面的两侧分别沿长度方向设有多个滚轮组和辅助轮组，两侧的滚轮组和辅助轮组分别与轨道1两侧的滑槽101配合；

滚轮组包括连接轴26、二号轴承座27和滚轮28，连接轴26的两端分别与各自的二号轴承座27转动连接，二号轴承座27安装在移动平台本体21上表面，连接轴26垂直于轨道1长度方向；连接轴26靠近轨道1的一端延伸至轨道1的滑槽101内，且安装有滚轮28；通过驱动电机22带动传动带25转动，进而带动相应的滚轮28在轨道1的滑槽101内滚动，使移动平台本体21沿着轨道1运动；

辅助轮组用于增加移动平台本体21的稳定性，增加承重；辅助轮组包括L形连接架29和辅助轮210；L形连接架29的水平面与移动平台本体21的上表面固连，L形连接架29竖直面的一端具有延伸至轨道1的滑槽101内的上、下端耳；两个端耳之间的距离比轨道滑槽的高度小4～6mm，既保证移动平台本体21能沿着轨道1移动，又防止移动平台本体21从轨道1上掉落；辅助轮210的两个连接端分别与两个端耳转动连接，辅助轮210的轴向与轨道1长度方向垂直，辅助轮210起到矫正路线的作用，使移动平台本体21不偏离轨道1。

所述机械臂3为六自由度机械臂，机械臂3安装在L形支架214的水平板下表面，L形支架214的竖直板与移动平台本体21的侧面固连；机械臂3包括末端基座31、腕部回转关节32、小臂33、肘部回转关节34、大臂35、肩部回转关节36、连接基座37和摄像头38；所述末端基座31上设有多个螺纹孔，方便与滚刷组件4连接；末端基座31通过腕部回转关节32与小臂33的一端连接，小臂33的另一端通过肘部回转关节34与大臂35的一端连接，大臂35的另一端通过肩部回转关节36与连接基座37连接，连接基座37同时与L形支架214的水平板的下表面固连；每个回转关节都是球关节，都能实现空间内的360°旋转，大大提高了机械臂3的灵活性；摄像头38安装在小臂33靠近腕部回转关节32的一端，用于获取隧道5衬砌的视频流，便于进行隧道5衬砌的裂纹检测。当机械臂3不工作时，机械臂3“蜷缩式”(大臂35和小臂33处于相对位置，整个机械臂3处于收起状态)静置在轨道1的起始位置处，不会影响隧道5的整体美观。

所述滚刷组件4包括滚刷41、电机支座42和伺服电机43；电机支座42固定在机械臂3的末端基座31上，伺服电机43安装在电机支座42上；滚刷41螺纹连接在伺服电机43的输出轴上。

所述L形支架214水平板的上表面的两侧分别沿轨道1长度方向安装有多个连接座215，每个连接座215上分别通过另外的连接轴26安装有滚轮28，滚轮28在轨道1的滑槽101内滚动，为L形支架214提供支撑，增加稳固性。

本发明还提供了一种多功能隧道管养系统的使用方法，包括清洁隧道5的照明灯501和隧道5衬砌的裂缝检测；根据隧道中灯组的布置间距及灯组中两个灯之间的距离，设置机械臂工作的范围，机械臂的伸长量不小于一个照明灯到轨道的距离，在控制单元内根据机械臂收起状态末端到照明灯的距离设置机械臂各关节的旋转角度，使机械臂能对当前灯组的照明灯进行清洁操作，同时根据照明灯的外形设定清洁顺序，如长条状照明灯(具有较大的平缓表面)按照自上而下、自下而上方式滚动清洁，圆形照明灯(具有较大的曲面)按照由左至右或由右至左、包裹式等方式使照明灯表面清扫干净；当单侧照明灯清洁完毕后，使机械臂回到收起状态，然后按照前述过程对另外一侧照明灯进行清洁；当清洁完一个灯组后，移动平台模块2运动至下一个灯组的区域内，然后重复上述过程完成照明灯的清洁，直到完成左右灯组的清洁；整个过程由控制单元控制，上述清洁过程可加载在控制单元内，按下启动键后针对当前隧道自动完成清理；也可通过摄像头采集隧道侧壁图片，由控制单元内的图像识别算法自动检测到照明灯位置，再控制移动平台模块及机械臂达到照明灯位置进行清洁，逐一完成隧道内所有照明灯的清洁。

具体实现过程为：

照明灯的清洁：如图10所示，机械臂3调整成“蜷缩式”(收起状态)，移动平台模块2以2～3m/s的速度从轨道1的起始位置沿着轨道1快速移动；当第一接近开关检测到移动平台模块2时，移动平台模块2开始减速，表明移动平台模块2已经到达工作区域；然后移动平台模块2以1m/s作匀速运动，当第二接近开关检测到移动平台模块2时，移动平台模块2停止运动，表明移动平台模块2到达工作位置；

然后机械臂3各个关节旋转一定角度，调整机械臂3的位姿，使机械臂3按照预定轨迹运动至隧道5一侧的照明灯501所在位置，此时滚刷41的刷毛贴合在照明灯501表面的一端；启动伺服电机43，带动滚刷41转动，机械臂3伸展，使得滚刷41从照明灯501的一端运动至另一端，以此对该工作位置一侧的照明灯501进行清洁；然后机械臂3运动至隧道5另一侧的照明灯501所在位置，重复清洁的操作，以此完成该工作位置另一侧照明灯501的清洁；

然后移动平台模块2继续运动在下一工作位置，重复前述清洁操作，直到完成所有照明灯501的清洁。

裂缝检测：如图11所示，调节机械臂3各个关节的转动角度，调整机械臂3的位姿，使机械臂3伸向隧道5一侧，小臂33与隧道5的左、右平分面呈30°夹角，隧道5衬砌顶部的一部分区域位于摄像头38的视野内；移动平台模块2以1m/s的速度从轨道1的起始位置沿着轨道1匀速运动，摄像头38获取隧道5衬砌表面的视频流并上传至后端服务器，检修人员根据视频流检查衬砌是否有裂缝，若存在裂缝则记录裂缝所在的位置，方便维修；当移动平台模块2运动至轨道1的终止位置时停止，然后肩部回转关节36在水平面内转动180°(机械臂3的其余部件保持不动)，使机械臂3伸向隧道5的另一侧，移动平台模块2以1m/s的速度从轨道1的终止位置沿着轨道1返回，摄像头38获取隧道5衬砌的视频流并上传至后端服务器(控制单元)将视频流按照由隧道进口到隧道出口方向依次存储，建立视频流图像与隧道实际空间位置建立一一对象关系，检修人员根据视频流检查衬砌是否有裂缝，若存在裂缝则记录裂缝位置，再根据对应关系确定裂缝在隧道实际空间中的位置；当移动平台模块2运动至轨道1的起始位置时停止，然后调节机械臂3各个关节的转动角度，使小臂33与隧道5的左、右平分面呈60°夹角，然后重复前述裂缝检测操作，对隧道5的衬砌呈带状进行裂缝检测，直到完成隧道5上部衬砌的裂缝检测。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种多功能隧道管养系统，其特征在于，该系统包括轨道、移动平台模块、机械臂和滚刷组件；

所述轨道安装在隧道顶部，移动平台模块倒挂式安装在轨道上，移动平台模块能够沿着轨道往复运动；机械臂倒挂式安装在移动平台模块的移动平台本体上，滚刷组件安装在机械臂的末端基座上；

所述移动平台模块包括移动平台本体、驱动电机、差速器、传动轴、传动带、一号带轮、二号带轮和滚轮组；

所述移动平台本体上表面的两侧分别设有多个滚轮组，两侧滚轮组的滚轮与轨道两侧的滑槽配合；驱动电机固定在移动平台本体的隔板上，驱动电机的输出轴与差速器的输出轴连接，差速器的输出轴与传动轴的一端连接；传动轴的两端分别通过轴承座转动安装在隔板上；一号带轮固定在传动轴上，二号带轮固定在其中一个滚轮组的连接轴上；传动带套装在两个带轮上；

所述机械臂的小臂靠近腕部回转关节的一端安装有摄像头，机械臂不工作时呈收起状态。

2.根据权利要求1所述的多功能隧道管养系统，其特征在于，所述移动平台模块还包括辅助轮组；辅助轮组包括L形连接架和辅助轮，L形连接架的水平面与移动平台本体的上表面固连，L形连接架竖直面的一端具有延伸至轨道的滑槽内的的上、下端耳，辅助轮的两个连接端分别与两个端耳转动连接，辅助轮的轴向与轨道长度方向垂直。

3.根据权利要求1所述的多功能隧道管养系统，其特征在于，所述滚刷组件包括滚刷、电机支座和伺服电机；电机支座固定在机械臂的末端，伺服电机安装在电机支座上；滚刷连接在伺服电机的输出轴上。

4.一种多功能隧道管养系统的使用方法，包括清洁照明灯和隧道衬砌的裂缝检测，具体过程为：

照明灯的清洁：机械臂调整成收起状态，移动平台模块从起始位置沿着轨道运动至工作位置；机械臂各个关节旋转，使机械臂运动至隧道一侧的照明灯处，滚刷的刷毛贴合在照明灯表面；滚刷转动，机械臂伸展，对照明灯进行清洁；然后机械臂运动至隧道另一侧的照明灯处，重复清洁操作，以此完成一个灯组的照明灯的清洁；然后移动平台模块继续运动在下一工作位置，重复前述清洁操作，直到完成所有照明灯的清洁；

裂缝检测：调节机械臂各个关节的转动角度，使机械臂伸向隧道一侧，机械臂的小臂与隧道的左、右平分面呈30°夹角，隧道衬砌顶部的一部分区域位于摄像头的视野内；移动平台模块从起始位置沿着轨道匀速运动，摄像头获取隧道衬砌表面的视频流并上传至后端服务器，实现裂缝检测；当移动平台模块运动至终止位置时停止，然后机械臂的肩部回转关节在水平面内转动180°，使机械臂伸向隧道的另一侧，移动平台模块从终止位置沿着轨道返回，根据摄像头获取的视频流完成裂缝检测；当移动平台模块运动至起始位置时停止，然后调节机械臂各个关节的转动角度，使机械臂的小臂与隧道的左、右平分面呈60°夹角，重复前述裂缝检测操作，对隧道衬砌呈带状进行裂缝检测，直到完成隧道上部衬砌的裂缝检测。

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