CN113290568A - 一种自适应隧道检测机器人及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种自适应隧道检测机器人及工作方法，包括：承重底座、支撑杆、伸缩臂、电动推杆、检测探头和控制终端；承重底座的底部设有多个行走轮，支撑杆的一端与承重底座连接，支撑杆的另一端与伸缩臂活动连接，伸缩臂的一端连接有检测探头，电动推杆的一端与支撑杆的中间位置或靠近中间位置的部位连接，电动推杆的另一端与伸缩臂活动连接；检测探头包括激光雷达以及与激光雷达连接的方向控制电机，伸缩臂内置电机、电动推杆、激光雷达和方向控制电机均与控制终端连接，控制终端根据激光雷达的实时数据进行激光雷达位置自适应控制；本公开实现了机器人的自适应调整控制，保证了检测探头与隧道内壁的距离和角度与初始设定值的一致性。

Description

一种自适应隧道检测机器人及工作方法
技术领域
本公开涉及隧道机器人技术领域，特别涉及一种自适应隧道检测机器人及工作方法。
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，并不必然构成现有技术。
随着社会的不断进步，高铁、地铁、公路隧道等行业对安全预警的要求日益增加，目前普遍采取人工巡检等传统方式，受限于光线、视角等不利因素影响，目前一些安全隐患时有发生。
发明人发现，现有的隧道巡检机器人大多为整体固定式设置，在轨道上进行移动巡检，无法隧道机器人的高度和角度的自适应控制，从而无法适用于不同情况的调节使用。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种自适应隧道检测机器人及工作方法，实现了机器人的自适应调整控制，保证了检测探头与隧道内壁的距离和角度与初始设定值的一致性，提高了检测结果的准确性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种自适应隧道检测机器人，包括：承重底座、支撑杆、伸缩臂、电动推杆、检测探头和控制终端；
承重底座的底部设有多个行走轮，支撑杆的一端与承重底座连接，支撑杆的另一端与伸缩臂活动连接，伸缩臂的一端连接有检测探头，电动推杆的一端与支撑杆的中间位置或靠近中间位置的部位连接，电动推杆的另一端与伸缩臂活动连接；
检测探头包括激光雷达以及与激光雷达连接的方向控制电机，伸缩臂内置电机、电动推杆、激光雷达和方向控制电机均与控制终端连接，控制终端根据激光雷达的实时数据进行激光雷达位置自适应控制。
进一步的，控制终端根据激光雷达的实时数据，控制伸缩臂内置电机、电动推杆和方向控制电机的动作，使得检测探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角、距离与初始预设参数一致。
进一步的，通过对伸缩臂内置电机、电动推杆和方向控制电机，使得激光雷达的探测范围覆盖检测探头前方的半球面。
进一步的，方向控制电机包括自转电机、水平旋转电机和俯仰电机，激光测距雷达通过第一连接件与俯仰轴连接，俯仰轴通过第二连接件与水平轴连接，水平轴通过第三连接件与自转轴连接，自转轴与支撑杆连接。
进一步的，方向控制电机和伸缩臂内置电机均采用步进电机。
进一步的，所述行走轮与行星减速箱连接，行星减速箱与驱动电机连接。
进一步的，支撑杆与承重底座通过回旋轴承和回旋电机连接。
进一步的，支撑杆与回转轴承齿合连接。
本公开第二方面提供了一种本公开第一方面所述的自适应隧道检测机器人的工作方法，包括以下过程：
设定检测探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角和距离的初始值；
控制终端控制驱动电机带动机器人达到预设检测点位；
当到达预设位置后，控制终端根据激光雷达的实时数据，控制伸缩臂内置电机、电动推杆和方向控制电机的动作，使得检测探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角、距离与初始预设参数一致。
进一步的，测量激光雷达中心点到岩壁表面一点的距离，测量当前方向角，计算得到激光雷达与岩壁距离H，H减去激光测距中心点到扫描天线端面距离可得到岩壁表面点距离天线端面的距离h；
在激光雷达角度范围内测量多组岩壁表面点到天线端面的距离h，若数值若为递减排序，俯仰轴逆时针旋转，若数值若为递增排序，俯仰轴顺时针旋转。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的自适应隧道检测机器人及工作方法，实现了机器人的自适应调整控制，保证了检测探头与隧道内壁的距离和角度与初始设定值的一致性，提高了检测结果的准确性。
2、本公开所述的自适应隧道检测机器人及工作方法，根据岩壁表面点与天线端面的距离数值的增减情况进行检测探头的俯仰控制，极大的提高了机器人的自适应程度，进一步的提高了检测精度。
3、本公开所述的自适应隧道检测机器人及工作方法，在激光雷达检测后发现顶端探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角、距离与初始参数不同时，控制自转电机、俯仰电机、伸缩臂、电动推杆进行一系列的调整，直到激光雷达反馈信号恢复为初始参数随即停止调整，实现了机器人的完全自适应。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的伸缩臂与支撑杆的结构示意图。
图2为本公开实施例提供的检测探头的结构示意图。
图3为本公开实施例提供的俯仰角度保持控制的结构示意图。
图4为本公开实施例提供的水平角度保持控制的结构示意图。
图5为本公开实施例提供的行走轮驱动机构的示意图。
图6为本公开实施例提供的承重底座的结构示意图。
1-扫描天线；2-激光测距雷达；3-俯仰轴；4-自转轴；5-俯仰与水平转动支架；6-水平轴；7-自转支撑座；8-支撑杆；9-伸缩臂；10-电动推杆；11-行走轮；12-行星减速箱；13-步进电机；14-连接杆；15-骨架安装点；16-回转支撑；17主框架；18-锂电池；19-行走系统快装位置；20-水平旋转电机；21-减速机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1-6所示，本公开实施例1提供了一种自适应隧道检测机器人，包括：承重底座、支撑杆8、伸缩臂9、电动推杆10、检测探头和控制终端；
承重底座的底部设有多个行走轮11，支撑杆8的一端与承重底座连接，支撑杆8的另一端与伸缩臂9活动连接，伸缩臂9的一端连接有检测探头，电动推杆10的一端与支撑杆8的中间位置或靠近中间位置的部位连接，电动推杆的另一端与伸缩臂活动连接；
检测探头包括激光测距雷达2以及与激光测距雷达2连接的方向控制电机，伸缩臂内置电机、电动推杆、激光雷达和方向控制电机均与控制终端连接，控制终端根据激光雷达的实时数据进行激光雷达位置自适应控制。
检测探头包括扫描天线1、激光测距雷达2、俯仰轴3、自转轴4、俯仰与水平转动支架5、水平轴6和自转支撑座7，激光测距雷达通过第一连接件与俯仰轴3连接，俯仰轴3通过俯仰与水平转动支架5(即第二连接件)与水平轴6连接，水平轴6通过自转支撑座7(即第三连接件)与自转轴4连接，自转轴4与支撑杆连接。
本实施例中，减速电机可以实现中和探头自适应时产生的转动惯性从而实现精准控制的效果；俯仰电机可以实现探头在竖直方向+30°至-45°区间的转动；自转电机可以控制探头在水平方向±45°左右范围的转动。
本实施例中，承重底座，包括：行走轮11、行星减速箱12、步进电机13、连接杆14、骨架安装点15、回转轴承16、主框架17、锂电池18、行走系统快装位置19、水平旋转电机20、减速机21，所述支撑杆的底部与承重底座中的回旋轴承16直接相连，从而使机械臂整体可以在水平方向上实现360°自由旋转，顶部与伸缩臂直接相连，中部安置电动推杆，主支撑杆底部与回旋轴承具有齿状结构且相互紧密啮合而没有使用螺栓等连接工具，使该机械在施工现场可以实现快速组装。
所述电动推杆包含一级伸缩机械臂，直流电机以及齿轮减速箱，电动推杆与直流电机直接相连，控制该电动推杆实现在750mm～1250mm长度范围内自由伸缩，推动伸缩臂在85°～175°竖直角度范围内自由旋转，从而使伸缩臂顶端雷达装置能与隧道壁之间具有合适角度以进行检测工作，电动推杆底部齿轮减速箱直接影响直流电机，可以由人为控制该杆匀速、慢速伸缩，保证整体机械运行稳定。
所述伸缩臂包含内置电机，可控制电动推杆，实现伸缩臂在15m长度范围内自由伸缩，确保伸缩臂顶端雷达装置能与隧道壁之间具有合适距离以进行检测工作。
承重底座包括供电、回旋轴承和控制主板等主要部分，在结构上作为承重结构连接上层结构，同时实现控制上层结构的一系列运行机制，包括上部360°的旋转实现以及对于各结构的驱动实现等。
控制终端作为集成控制中心，需要实现分配每一个电机的运行机制，包括对于行进系统中步进电机的控制、对于自适应系统的电机控制，以及对于伸缩臂、电动推杆的运作实现控制。
支撑轴与承重底座之间通过回旋轴承以及电机连接，实现上部结构的360°的旋转，360°旋转的实现可以很好的匹配自适应，实现全隧道无死角的衬砌状况检测，极大提高了机器人检测的灵活性。
本实施例所述的隧道检测机器人区别于一般机器人行进的方式在于采用了步进电机作为驱动，相比于直流电机，有很多技术上的优势，能够满足高精度的精准控制。
直流电机具备低可控性，其通电后即旋转、断电后仍存在惯性，因而再控制机器人行进的过程中，存在一定的滞后效应，在复杂环境下容易造成机器人在行进过程中由于控制的不及时性，导致对与检测的不确定性、低精度性等，甚至造成对于机身的损伤，很大程度上削弱了机器人本身的优势，无法充分发挥其效益。
相比于直流电机的劣势，步进电机驱动方式的选择，可以很好的解决这些问题。步进电机可以实现转动的精准控制，其精度可达每次最小转角1.8°，机器人轮胎直径约30cm，即每次最小行进约0.5cm，这对于精准控制、自适应的实现提供了完美的技术支持，同时可以为雷达检测自适应系统的复杂运算提供了时间上的缓冲区，进一步提高了自适应系统的精确性和检测的可靠性、精确性。
机器人的驱动系统主要包括驱动程序和驱动电机，其中驱动程序由箱体的控制主板实现。驱动电机为4×2共8组步进电机组成，两两一组，配合行星减速箱组成机器人的驱动系统。由于采用了步进电机作为驱动动力来源，在灵活性上的实现较好。其中，8组步进电机，互相独立，具体的运作机制由驱动程序控制系统(软件)具体实现，可以实现同时运作，亦可以实现流水运作，极大提高了行进中的灵活程度，对于效率的提升有很大作用。
本实施例中，自适应主要是为了实现检测探头对于检测目标空间位置的自适应，即在检测某点或某区域的衬砌状况时，必存在一个最佳的监测点，该点可以具备检测距离最短、检测方位最佳、检测范围最广、参照样本最合理等特点，其目的是为实现检测位置统一，确保检测的精准可靠，避免偶然性或是低精度。因而自适应的实现是本机器人的一大创新点所在，对于任何一点的衬砌监测，可以做到完全自适应，在实际运用中，其效益高，回报好。
自适应可以带来很多优势，因而需要解决的问题是如何很好的实现它。本机器人的自适应系统实现主要依赖于硬件的高度灵活性、软件的高速计算等特性。机器人探头可以实现激光雷达线性扫描测距，以判断距离的长短达到计算合适空间方位的目的，采用线性可以很好的排除管片本身存在的缺陷如坑、孔等所造成的影响，从而避免检测结果不准。
在激光测距雷达检测后发现顶端探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角、距离与初始参数不同时，会自动将信号反馈给控制终端，控制终端在接受到异类信号后，将会控制自转电机、俯仰电机、伸缩臂、电动推杆进行一系列的调整，直到激光雷达反馈信号恢复为初始参数随即停止调整。
通过水平、竖直方向电机和旋转电机的控制，可以使激光雷达探测覆盖探头前方的半球面方位，再结合伸缩臂和电动推杆、行进系统的综合运行机制，可以实现机器人的完全自适应。
所述机器人自适应系统保证了机器人在隧道检测工作中所采集数据的初始条件均保持一致，避免了机器人因隧道转弯或变形造成的剐蹭从而导致机器人的损坏、确保了本机器人工作环境的安全稳定。
具体的自适应方法如下：
如图3和图4所示，扫描天线距离h调整，包括以下两种方式：
方式一：手动调整悬臂指向(悬臂水平及俯仰角度)，地面站设置控制距离h，自动伸缩至岩壁位置；
方式二：手动调整天线接近岩壁，设定h，通过激光测距自动计算距离h。
俯仰角度保持控制，如图3所示：
通过激光测距雷达测量激光测距中心点P到岩壁表面一点Q的距离L，激光测距当前方向角为A，可计算得到激光测距与岩壁距离H，H减去激光测距中心点P到扫描天线端面距离C可得到Q点距离天线端面的距离h。
在激光测距仪角度范围B内测量多组Q点到天线端面的距离h，从上端往下计为h1、h2、h3···hn，分析数值若为递减排序，俯仰轴逆时针旋转，同时实时测量h值大小，使出测量值趋于平均，递增排序则顺时针旋转。
水平角度保持控制，如图4所示：
通过两组激光测距分别测量两侧距离HL和HR来对比判断，HL>HR水平轴顺时针旋转，HL<HR水平轴逆时针旋转，使HL和HR趋于一致。
间距控制：
在角度控制前提下，通过激光雷达测量计算平均距离，通过后端伸缩臂控制距离在合适偏差值内。
天线距离保护：
在任意一点测量间距h接近0的情况下，后端伸缩臂缩回，增加间距值，避免天线发生剐蹭。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应隧道检测机器人，其特征在于：
包括：承重底座、支撑杆、伸缩臂、电动推杆、检测探头和控制终端；
承重底座的底部设有多个行走轮，支撑杆的一端与承重底座连接，支撑杆的另一端与伸缩臂活动连接，伸缩臂的一端连接有检测探头，电动推杆的一端与支撑杆的中间位置或靠近中间位置的部位连接，电动推杆的另一端与伸缩臂活动连接；
检测探头包括激光雷达以及与激光雷达连接的方向控制电机，伸缩臂内置电机、电动推杆、激光雷达和方向控制电机均与控制终端连接，控制终端根据激光雷达的实时数据进行激光雷达位置自适应控制。
2.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
控制终端根据激光雷达的实时数据，控制伸缩臂内置电机、电动推杆和方向控制电机的动作，使得检测探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角、距离与初始预设参数一致。
3.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
通过对伸缩臂内置电机、电动推杆和方向控制电机，使得激光雷达的探测范围覆盖检测探头前方的半球面。
4.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
方向控制电机包括自转电机、水平旋转电机和俯仰电机，激光测距雷达通过第一连接件与俯仰轴连接，俯仰轴通过第二连接件与水平轴连接，水平轴通过第三连接件与自转轴连接，自转轴与支撑杆连接。
5.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
方向控制电机和伸缩臂内置电机均采用步进电机。
6.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
所述行走轮与行星减速箱连接，行星减速箱与驱动电机连接。
7.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
支撑杆与承重底座通过回旋轴承和回旋电机连接。
8.如权利要求1所述的自适应隧道检测机器人，其特征在于：
支撑杆与回转轴承齿合连接。
9.一种权利要求1-8任一项所述的自适应隧道检测机器人的工作方法，其特征在于：包括以下过程：
设定检测探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角和距离的初始值；
控制终端控制驱动电机带动机器人达到预设检测点位；
当到达预设位置后，控制终端根据激光雷达的实时数据，控制伸缩臂内置电机、电动推杆和方向控制电机的动作，使得检测探头与隧道内壁之间的水平角、俯仰角、距离与初始预设参数一致。
10.如权利要求9所述的工作方法，其特征在于：
测量激光雷达中心点到岩壁表面一点的距离，测量当前方向角，计算得到激光雷达与岩壁距离H，H减去激光测距中心点到扫描天线端面距离可得到岩壁表面点距离天线端面的距离h；
在激光雷达角度范围内测量多组岩壁表面点到天线端面的距离h，若数值若为递减排序，俯仰轴逆时针旋转，若数值若为递增排序，俯仰轴顺时针旋转。
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