CN113155859B - 一种基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害检测装置及方法，包括依次连接的爬墙机器人单元、机械臂和检测设备承载单元；其中，所述爬墙机器人单元用于连接多个爬墙机器人，所述检测设备承载单元用于安装病害检测设备；所述多个爬墙机器人均与控制模块连接，所述控制模块用于控制所述多个爬墙机器人的协同运动。本发明的病害检测装置能够在不影响隧道正常交通通行的前提下进行病害检测，并且能够搭载不同大小和重量的检测设备，适应性强。

Description

一种基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害检测装置及方法

技术领域

本发明属于隧道衬砌结构病害检测技术领域，尤其涉及一种基于爬墙 机器人的隧道衬砌结构病害检测装置及方法。

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。

隧道所隐藏的病害如裂缝、空洞严重影响行车安全，对人们的生命财 产安全产生威胁，对隧道的病害进行早期检测就显得尤为重要。

已有的隧道检测装置主要分为以下几类：一是利用螺旋桨反推式克服 重力使检测设备贴紧隧道，该方法存在反推力较小无法对较大的检测设备 提供足够的推力的问题；二是利用升降台车将检测设备顶在隧道底部，该 方法存在装置体积大、在检测时需要封闭隧道引起交通不便的问题；三是 在爬墙机器人上搭载小型检测设备，该方法存在难以搭载大型检测设备的 问题；四是在隧道底部安装导轨，该方法存在耗费成本高、适用性较差的问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于爬墙机器人的隧 道衬砌结构病害检测装置及方法，能够在不影响隧道正常交通通行的前提 下进行病害检测，并且能够搭载不同大小和重量的检测设备，适应性强。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，包括依次连 接的爬墙机器人单元、机械臂和检测设备承载单元；其中，所述爬墙机器 人单元用于连接多个爬墙机器人，所述检测设备承载单元用于安装病害检 测设备；所述多个爬墙机器人均与控制模块连接，所述控制模块用于控制 所述多个爬墙机器人的协同运动。

进一步地，所述爬墙机器人单元内部设有容纳通道，所述容纳通道相 对的两个内壁上设有凹槽轨道；每个所述爬墙机器人车身主体前后各设有 相应的凸槽，通过所述凹槽轨道安装于爬墙机器人单元内部。

进一步地，相邻爬墙机器人之间通过刚性弹簧连接；

进一步地，每个爬墙机器人上均设有距离传感器和速度传感器，均与 控制模块连接，分别用于检测该爬墙机器人与相邻爬墙机器人之间的距离， 和该机器人的运动速度。

进一步地，所述机械臂为三节机械臂，包括一个肩关节和两个肘关节， 与步进电机连接，所述步进电机与控制模块连接。

进一步地，所述检测设备承载单元包括底板，通过可移动挡板固定病 害检测设备。

进一步地，所述底板四个角上均设有与驱动电机连接的电动推杆，与 病害检测设备相接触，所述驱动电机与控制模块连接。

进一步地，所述病害检测设备上设有测距传感器，与控制模块连接， 用于检测与被测表面之间的距离。

进一步地，所述病害检测装置还包括定位模块，所述定位模块的发射 单元设于检测设备搭载单元上，四个接收基站用于安装在待检测隧道的四 个角落。

进一步地，所述病害检测装置还包括信号采集与无线传输模块，能够 与移动客户端建立连接，向所述移动客户端发送病害检测信息。

一个或多个实施例提供了一种基于所述病害智能检测装置的检测方 法，包括：

电源打开后，控制多个爬墙机器人吸附住被测表面；

实时接收病害检测设备与被测表面之间的距离，控制机械臂转动使得 病害检测设备贴近被测表面，待机械臂停止转动后，控制电动推杆上升或 下降实现距离补偿；

接收移动客户端发送的检测路径，根据所述检测路径行进，同时执行 病害检测，将病害检测信息和当前位置信息均发送至移动客户端。

进一步地，行进过程中，实时接收各爬墙机器人之间的距离，和各爬 墙机器人的运动速度；

所述多个爬墙机器人在直线行进时，控制多个爬墙机器人以同一速度 行进；

所述多个爬墙机器人在左转或右转时，控制最内侧的爬墙机器人内侧 履带的行进速度，以该履带的行进速度为基准，根据各个爬墙机器人车身 之间的距离，控制所有履带以不同的速度行进，使多个爬墙机器人以相同 的角速度行进。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明通过爬墙机器人拖拽检测设备的方式进行隧道衬砌结构的病害 检测，测量时不影响隧道内的正常交通。

本发明通过爬墙机器人单元组合多个爬墙机器人，并通过控制模块控 制所述多个爬墙机器人的协同运动，能够提供较大的吸附力，克服了单个 爬墙机器人吸附力不足带载能力小的问题，能够搭载大型检测设备；并且， 操作简单易行，成本较低。

本发明提供了检测设备承载单元，通过可移动挡板实现了不同大小监 测设备的固定，适用性强。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不 当限定。

图1为本发明一个或多个实施例中基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病 害智能检测装置的的立体图；

图2为本发明一个或多个实施例中基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病 害智能检测装置的的左视图；

图3为本发明一个或多个实施例中单个爬墙机器人的俯视图；

图4为本发明一个或多个实施例中真空泵的结构示意图。

其中，1.自动推杆驱动电机，2.自动推杆，3.检测设备，4.可移动挡 板，5.定位模块发射单元，6.信号采集与无线传输模块，7.固定挡板，8. 机械臂，9.爬墙机器人单元，10.控制模块，11.供电装置，12.隔挡板，13. 爬墙机器人车身主体，14.履带，15.吸盘附件，16.真空泵，17.爬墙机器 人底板，18.主动轮驱动电机，19.爬墙机器人控制单元。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的 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发明所属 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 意图限制根据本发明的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。

实施例一

本实施例公开了一种基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害检测装置， 如图1-2所示，包括依次连接的爬墙机器人单元9、机械臂8和检测设备承 载单元，所述检测设备承载单元用于安装病害检测设备。

所述病害检测装置还包括控制模块，设于爬墙机器人单元9上，用于 对爬墙机器人、机械臂的协同运动进行控制。

所述爬墙机器人单元9用来连接多个爬墙机器人13与拖曳结构。本实 施例通过采用组装的多个爬墙机器人共同提供拖拽力，带动检测装置进行 病害检测，克服了单个爬墙机器人吸附力不足带载能力小的问题。

所述爬墙机器人单元9内部设有容纳通道，用于容纳多个爬墙机器人， 所述容纳通道相对的两个内壁上设有凹槽轨道。并且，所述容纳通道两端 设有隔挡板12，以防止爬墙机器人脱离爬墙机器人单元9。

所述爬墙机器人包括爬墙机器人车身主体13和位于车身主体两侧的履 带14。其中，爬墙机器人的车身主体13大致呈方形，车身主体前后各有一 道凸槽，用于与爬墙机器人单元9内部容纳通道的凹槽轨道组装。

履带14为空心结构，履带外表面均匀嵌有吸盘附件15，履带内表面均 匀设置齿状结构，且履带14内前后两端设有齿轮，该齿轮与履带内表面的 齿状结构相啮合。履带14内两个齿轮之间设有两排小直径齿轮，所述两排 小直径齿轮分别与履带14内表面的齿状结构相接触，均通过支撑件安装在 一根支撑杆的两侧。两排小直径齿轮一方面用于把履带撑起，另一方面起 到把履带压平的作用，在履带运动时，两排小直径齿轮也会被履带的齿状结构带着滚动，但是位置不会变，一方面不会阻碍履带运动，另一方面， 可以把运动中的履带撑起使其平整，从而使履带紧贴墙面。

通过真空泵16抽取履带内的空气给贴近墙体的吸盘附件制造负压环境 使得爬墙机器人吸附在墙体上，通过驱动装置驱动前后两端的齿轮转动带 动爬墙机器人移动。具体地，图3为单个爬墙机器人的俯视图，所述爬墙 机器人内设有该爬墙机器人的控制单元，左右两侧分别连接一个真空泵16， 用于对左右两个履带进行抽气，两个真空泵16分别位于爬墙机器人底板的 左右两侧。真空泵的结构见图4，在爬墙机器人工作时，真空泵中的转子一直旋转，不断吸出空心履带中的空气。控制模块通过无线向各爬墙机器人 控制单元发送命令，爬墙机器人控制单元控制主动轮驱动电机和真空泵中 转子的运动。

在使用多个爬墙机器人时，将多个爬墙机器人并排组装在爬墙机器人 单元9内，并且，相邻爬墙机器人之间用刚性弹簧进行连接，以使得多个 爬墙机器人在运动时可在凹槽轨道里小范围滑动，有一定的弹性范围而又 不会相互脱离，多个爬墙机器人能一起协调运动。各个爬墙机器人上均有 距离传感器和速度传感器，用以采集履带之间的距离和各履带的行进速度。 爬墙机器人均采用大容量电池供电，无地面充电装置。

所述机械臂8用来调整检测设备3与检测对象之间的距离使其贴紧。 所述机械臂8为三节机械臂，由一个肩关节、两个肘关节组成，肩关节一 端固定在爬墙机器人单元9上，一个肘关节固定在检测设备搭载单元中央， 另一个肘关节连接肘关节和肩关节，两个肘关节由步进电机控制可在同一 个平面转动，从而使得检测设备3能够紧贴检测对象。

所述检测设备承载单元包括一块底板、两块可活动挡板4、一块固定挡 板7、四个由电动推杆驱动电机1控制的电动推杆2。检测设备搭载单元下 方有检测设备，由搭载单元左右可移动挡板和后端固定的挡板固定，左右 可移动挡板能够在左右方向上进行一定距离的平移，用于夹紧检测设备。 具体地，两个可活动挡板由两个旋钮控制移动，通过控制旋钮可以使挡板 往内侧或者外侧平行运动，具体使用时，先将可活动挡板调到合适位置， 使得检测设备能放在三块挡板之间，然后再慢慢调旋钮使可活动挡板向内 侧移动，不断挤压检测设备，直至两边的可活动挡板均不能移动完成固定。 两块可活动挡板4使得检测设备承载单元能够固定不同大小的检测设备3， 电动推杆2位于底板的四角，可以上升或者下降移动一小段距离，从而弥 补检测设备3与检测对象之间存在的距离差，使设备3紧紧贴近检测对象。 测设备搭载单元上方搭载有信号采集与无线传输模块6。检测设备上安装有 测距传感器，用以检测检测设备是否与墙体紧密贴合。

所述检测设备采用地质雷达或超声检测设备，能够与检测对象紧密贴 合。图1-2中检测设备前端设有滚轮，通过轮状结构的滚动得出移动的距 离，然后得出随距离变化的隐蔽病害的信息。

检测设备搭载单元材料采用亚克力板，以减小装置质量同时不屏蔽检 测设备发射的信号波。

控制模块10集成了爬墙机器人的控制模块、机械臂控制模块和电动推 杆控制模块，与上述各爬墙机器人内的控制模块、真空泵、测距传感器、 速度传感器、步进电机、驱动电机连接。

供电装置11设于爬墙机器人单元9上，为整个装置供电并监测电量信 息，在电量低于10％时给控制模块发送信号，使智能检测装置返回到设定的 充电位置进行充电。

所述病害检测装置还包括定位模块。所述定位模块的发射单元位于检 测设备搭载单元上，四个接收基站位于隧道底下地面的四角，通过四个接 收基站接收发射单元的信号波可以确定检测设备在隧道底部的具体位置。

信号采集与无线传输模块6设于检测设备承载单元上，用于接收各传 感器采集的信息、检测设备的位置信息和检测设备所采集的信息，并将信 息分别传输到所述移动客户端和控制模块。

移动客户端用于人机交互与检测结果显示。移动客户端可以接收用户 在屏幕上规划装置的检测路径并实时显示检测设备的位置信息，而且移动 客户端能对采集的雷达或超声信号进行自动分析和处理，并实时显示隧道 衬砌结构病害诊断结果。

实施例二

一种基于上述检测装置的工作方法，包括：

准备阶段：

通过客户端规划好检测路径；

在要测量隧道的四个角上放置定位模块接收装置，并在隧道底部初始 位置放置充电设备，组装好智能检测装置和多个爬墙机器人，并将检测设 备紧靠检测对象。

工作阶段：

打开供电装置11电源，此时，真空泵开始工作并使得多个爬墙机器人 牢牢吸住检测对象，同时，检测设备上安装的距离传感器测量检测设备3 与检测对象的距离信息并将信息发送给控制模块10，控制模块10做出决策 使得机械臂8转动从而使检测设备3贴近检测对象，在机械臂8不再转动 后，电动推杆2根据距离传感器测得的数据上升或下降来实现距离补偿， 从而使得检测设备3紧贴检测对象。另一方面，此时检测设备上的定位模 块发射单元5开始发送信号波，在移动客户端显示检测设备3此时的位置 和此位置隧道的病害结构。

在移动客户端上规划智能检测装置的检测路径，在移动客户端电机开 始后，智能检测装置将按照规划好的路径行进，移动客户端对采集的雷达 或超声信号进行自动分析和处理并实时显示检测设备3的位置信息和路径 上隧道的病害结构信息。

行进过程中，所述多个爬墙机器人在直线行走时，控制模块10控制多 个爬墙机器人以同一速度行走，在速度传感器测得多个爬墙机器人速度不 统一时，控制模块10及时对各个爬墙机器人的速度进行调节。

行进过程中，所述多个爬墙机器人在左转时，控制模块10减缓最左端 爬墙机器人左端履带14的行进速度，以最左端履带14行进速度为基准， 通过距离传感器测得各个车身之间的距离，控制离最左端履带14不同距离 的履带14以不同的速度行进，从而使多个爬墙机器人以相同的角速度运动。 速度传感器实时对各爬墙机器人进行检测，爬墙机器人之间的弹簧控制各 个爬墙机器人之间的距离不会过大或过小。多个爬墙机器人的右转原理与左转相反。

供电装置11不断检测剩余电量并将电量信息传输到控制模块10，在剩 余电量小于10％时，控制模块10控制智能检测装置返回初始位置进行充电。 另外，智能检测装置在完成检测任务后也会返回初始点。

以上一个或多个实施例具有以下技术效果：

本发明通过爬墙机器人拖拽检测设备的方式进行隧道衬砌结构的病害 检测，测量时不影响隧道内的正常交通。

本发明通过爬墙机器人单元组合多个爬墙机器人，并通过控制模块控 制所述多个爬墙机器人的协同运动，能够提供较大的吸附力，克服了单个 爬墙机器人吸附力不足带载能力小的问题，能够搭载大型检测设备；并且， 操作简单易行，成本较低。

本发明提供了检测设备承载单元，通过可移动挡板实现了不同大小监 测设备的固定，适用性强。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用 的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来 实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它 们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成 单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于 本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本 发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案 的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或 变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，包括依次连接的爬墙机器人单元、机械臂和检测设备承载单元；其中，所述爬墙机器人单元用于连接多个爬墙机器人，所述检测设备承载单元用于安装病害检测设备；所述多个爬墙机器人均与控制模块连接，所述控制模块用于控制所述多个爬墙机器人的协同运动；

所述检测设备承载单元包括底板，通过可移动挡板固定病害检测设备；

每个爬墙机器人上均设有距离传感器；所述底板四个角上均设有与驱动电机连接的电动推杆，与病害检测设备相接触；机械臂转动使检测设备贴近检测对象，在机械臂不再转动后，电动推杆根据距离传感器测得的数据上升或下降来实现距离补偿，使得检测设备紧贴检测对象；

所述爬墙机器人包括爬墙机器人车身主体和位于车身主体两侧的履带，履带为空心结构，履带外表面均匀嵌有吸盘附件；履带内表面均匀设置齿状结构，且履带内前后两端设有齿轮，齿轮与履带内表面的齿状结构相啮合；履带内两个齿轮之间设有两排齿轮，两排齿轮分别与履带内表面的齿状结构相接触，均通过支撑件安装在一根支撑杆的两侧；

相邻爬墙机器人之间用刚性弹簧进行连接，多个爬墙机器人在运动时可在凹槽轨道里滑动。

2.如权利要求1所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，所述爬墙机器人单元内部设有容纳通道，所述容纳通道相对的两个内壁上设有凹槽轨道；每个所述爬墙机器人车身主体前后各设有相应的凸槽，通过所述凹槽轨道安装于爬墙机器人单元内部。

3.如权利要求2所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，相邻爬墙机器人之间通过刚性弹簧连接；

并且，每个爬墙机器人上均设有距离传感器和速度传感器，均与控制模块连接，分别用于检测该爬墙机器人与相邻爬墙机器人之间的距离，和该机器人的运动速度。

4.如权利要求1所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，所述机械臂为三节机械臂，包括一个肩关节和两个肘关节，与步进电机连接，所述步进电机与控制模块连接。

5.如权利要求1所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，所述驱动电机与控制模块连接。

6.如权利要求1所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，所述病害检测设备上设有测距传感器，与控制模块连接，用于检测与被测表面之间的距离。

7.如权利要求1所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，所述病害检测装置还包括定位模块，所述定位模块的发射单元设于检测设备搭载单元上，四个接收基站用于安装在待检测隧道的四个角落。

8.如权利要求1所述的基于爬墙机器人的隧道衬砌结构病害智能检测装置，其特征在于，所述病害检测装置还包括信号采集与无线传输模块，能够与移动客户端建立连接，向所述移动客户端发送病害检测信息。

9.一种基于如权利要求1-8任一项所述病害智能检测装置的检测方法，其特征在于，包括：

电源打开后，控制多个爬墙机器人吸附住被测表面；

实时接收病害检测设备与被测表面之间的距离，控制机械臂转动使得病害检测设备贴近被测表面，待机械臂停止转动后，控制电动推杆上升或下降实现距离补偿；

接收移动客户端发送的检测路径，根据所述检测路径行进，同时执行病害检测，将病害检测信息和当前位置信息均发送至移动客户端。

10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，行进过程中，实时接收各爬墙机器人之间的距离，和各爬墙机器人的运动速度；

所述多个爬墙机器人在直线行进时，控制多个爬墙机器人以同一速度行进；

所述多个爬墙机器人在左转或右转时，控制最内侧的爬墙机器人内侧履带的行进速度，以该履带的行进速度为基准，根据各个爬墙机器人车身之间的距离，控制所有履带以不同的速度行进，使多个爬墙机器人以相同的角速度行进。

Images